Okamžitá tvorba těžké suspenze a její důsledky RNDr. Bohumír Halámek TZÚV – Brno 602 00 Brno, Preslova č.50, tel./fax: 543 245 266
_______________________________________________________________________ Vločkovací a usazovací nádrže včetně jejich příslušenství patří ke klasickým zařízením, jejichž účinnost a provozní vlastnosti byly prověřeny dlouhodobým provozem v celé řadě úpraven vod. Navzdory tomu se však může za zvláštních okolností stát, že se při jejich provozu vyskytnou neočekávané problémy. Vločkovací a usazovací nádrže (v našich úpravnách vod nejčastěji podélné) mohou být buď samostatné, navzájem propojené potrubími nebo žlaby, nebo sdružené, s vymezenými vločkovacími a usazovacími prostorami. Nevýhodou samostatných vločkovacích a usazovacích nádrží, které jsou vývojově starší, je rozbíjení vloček v propojovacích potrubích nebo na přepadech žlabů. Tuto nevýhodu měly odstranit vývojově mladší sdružené vločkovací a usazovací nádrže (dále jen „sdružené nádrže“), jejichž vločkovací a usazovací prostory jsou odděleny děrovanými stěnami. Nevýhodou sdružených nádrží je spojení dvou zařízení s odlišnými provozními režimy. Sdružené nádrže byly využity v typových projektech úpraven vod o jmenovitých výkonech řádově 102 l.s-1, které na počátku osmdesátých let minulého století vydal Hydroprojekt Praha. V nich popsané sdružené nádrže se lišily mj. způsobem míchání ve vločkovacích prostorách, které bylo zajištěno buď pádlovými míchadly nebo děrovanými přepážkami [1]. Podle těchto typových projektů bylo v bývalém Československu vyprojektováno několik velkých úpraven vod . Mezi nejčastější závady podélných usazovacích nádrží – samostatných i sdružených s vločkovacími nádržemi – donedávna patřilo vynášení vloček do odtokových žlabů. Tato závada byla ve většině dnes provozovaných podélných usazovacích nádrží odstraněna protažením těchto žlabů podél bočních stěn těchto nádrží případně i jinými úpravami. K závadám podélných usazovacích nádrží nepatřilo a dodnes nepatří jejich odkalování, které se provádí z odkalovacích jímek situovaných na jejich přítokové straně, do nichž se kal usazený v těchto nádržích shrabuje pojízdnými shrabováky. Při rekonstrukci úpraven vod se proto věnuje pozornost převážně výměně opotřebeného vybavení podélných usazovacích nádrží za nové, podle možnosti z kvalitnějších materiálů . Při rekonstrukci starších úpraven vod se zejména v posledním desetiletí často provádí modernizace vločkovacích nádrží náhradou pádlových míchadel děrovanými přepážkami. Přes zřejmou výhodnost tohoto způsobu hydraulického míchání – úspor elektrické energie, zajištění rovnoměrného průtoku a tudíž i zdržení upravované vody ve vločkovacích nádržích a obvykle i vyššího účinku agregace – může mít tento způsob míchání i další účinek, který nemusí být vždy výhodný. Jedná se o usazování vloček již ve vločkovacích nádržích úpraven vod s dvoustupňovou separací suspenze, v nichž se na úpravu vody používají vyšší dávky koagulantu. Dosavadní poznatky prokazují, že za obvyklých podmínek nejsou množství kalu, který se usazuje ve vločkovacích nádržích těchto úpraven, příliš velká, takže jeho odstraňování lze uspokojivě řešit např. vhodnými úpravami těchto nádrží, které umožní jejich odkalování za provozu, nebo v rámci jejich provozního režimu. V úpravnách vod s jednostupňovou separací suspenze, v nichž se úprava vody provádí nízkými dávkami koagulantu, k usazování provozně významnějších množství kalu ve vločkovacích nádržích nedochází [6] .
137
Problémy při provozu vločkovacích i usazovacích nádrží však mohou nastat v případě, že se vločky vytvářejí mimořádně rychle (prakticky okamžitě po nadávkování koagulantu), jsou těžké a jimi vytvořený kal se rychle zhutňuje. Jako dosud jediný příklad lze uvést úpravnu vody Štítary v Jihomoravském kraji. Tato úpravna o projektované kapacitě 240 l.s-1 upravuje vodu z vodárenské nádrže Vranov (průměrné hodnoty charakteristických ukazatelů: kyselinová neutralizační kapacita KNK4,5 1,5 mmol.l-1 a obsah organických látek 5,0 mg.l-1 O2). Úprava této vody se provádí železitým koagulantem (Preflok) v dávkách 35 – 50 mg.l-1 Fe2(SO4)3 a dvoustupňovou separací suspenze usazováním a rychlou filtrací. Na přípravu a první stupeň separace suspenze slouží čtyři sdružené nádrže uspořádané do dvou zrcadlově situovaných dvojic. Zařízení na rychlé míchání, které bývá při přípravě suspenze pro dvoustupňovou separaci zařazováno před vločkovací nádrže, v této úpravně vody chybí. Vločkovací prostory sdružených nádrží byly původně vybaveny pádlovými míchadly, která však byla později nahrazena děrovanými přepážkami. Zvláštností této úpravny vody v současné době je provozování všech jejích zařízení na cca poloviční výkon v porovnání s její projektovanou kapacitou. V letech 2000 – 2002 se uskutečnila celková rekonstrukce této úpravny, která zahrnovala soubor dílčích rekonstrukcí od čerpání surové vody až po zpracování kalů [2]. Z nich s tématem této přednášky souvisejí rekonstrukce odkalovacích jímek usazovacích prostor sdružených nádrží jejich přestavbou na jiné se strmějšími stěnami a s mechanickým stíráním kalu, náhrada pádlových míchadel ve vločkovacích prostorách těchto nádrží děrovanými přepážkami a částečně i zavedení strojního odvodňování kalů kalolisem . Rekonstrukci původních odkalovacích jímek usazovacích prostor sdružených nádrží si vyžádala jejich velmi obtížná odkalitelnost. Před rekonstrukcí bylo jejich odkalování málo účinné, neboť probíhalo tak, že sacím účinkem odkalovacího potrubí se v kalu nacházejícím se v jímce vytvořil kráter, jímž do odpadu odtékala jen řídká kalová voda, zatímco zbývající kal zůstával odkalováním nedotčen a blokoval značnou část objemu jímky. Proto se sdružené nádrže musely ve dvou- až tříměsíčních intervalech odstavovat z provozu a čistit. Velké objemy upravované vody (cca 900 m3), do jejíž úpravy byly vloženy příslušné provozní prostředky (na čerpání a na použité chemikalie) nebylo přitom možné jen tak vypouštět do odpadu, neboť by tím docházelo k nepřípustně velkým ztrátám. Proto byla upravovaná voda z usazovacích a tudíž i vločkovacích prostor sdružených nádrží před jejich čištěním přečerpávána do sousedních sdružených nádrží, které zůstávaly v provozu, což bylo pracné a časově náročné [4]. Rekonstrukce původních jímek, které měly tvar obrácených jehlanů, byla provedena tak, že v každé byly vytvořeny dvě menší jímky, které měly tvar obrácených kuželů s velmi strmými stěnami, a byly vybaveny stíracími zařízeními. Ta byla konstruována tak, aby při svém otáčení (0,4 ot.min-1) nejen stírala, ale i promíchávala kal nacházející se v jímkách. Podle původní představy se tato zařízení měla uvádět do chodu vždy před odkalováním nových odkalovacích jímek. Ukázalo se však, že v čase mezi dvěma jejich odkalováními (12 h) v nich kal ztuhl tak, že otáčení stíracích zařízení znemožnil. Proto byla tato zařízení ponechána trvale v chodu a teprve poté se dosáhlo přijatelné účinnosti odkalování. Toto řešení je v usazovacích nádržích úpraven pitné vody ojedinělé . Při rekonstrukci odkalovacích jímek usazovacích prostor sdružených nádrží se vycházelo z provozních zkušeností provozovatele, při čemž popsanou rekonstrukcí byly problémy s jejich odkalováním vyřešeny. Při rekonstrukci míchacího systému ve vločkovacích prostorách sdružených nádrží tomu bylo jinak. Inspirací pro tuto rekonstrukci byla nedaleká úpravna vody Hosov o jmenovité kapacitě rovněž 240 l.s-1, která upravuje
138
vodu z vodárenské nádrže Hubenov (kyselinová neutralizační kapacita KNK4,5 0,7 mmol.l-1, obsah organických látek CHSKMn 5,0 mg.l-1 O2) a pístovských rybníků (kyselinová neutralizační kapacita KNK4,5 1,1 mmol.l-1, obsah organických látek CHSKMn 6,5 mg.l-1 O2). Také v této úpravně se úprava vody provádí čiřením železitým koagulantem a dvoustupňovou separací suspenze usazováním a rychlou filtrací. Ve vločkovací nádrži úpravny vody Hosov bylo nedlouho před zahájením přípravy rekonstrukce úpravny vody Štítary úspěšně uplatněno hydraulické míchání nastavitelnými děrovanými přepážkami [3]. Obě zmíněné úpravny se však liší nejen zdroji vody a uspořádáním vločkovacích a usazovacích nádrží, ale také – jak se ukázalo později – především rychlostí tvorby a sedimentace vloček a vlastnostmi produkovaného kalu. Vločkovací nádrž v úpravně vody Hosov je samostatná, oddělená od na ni navazujících usazovacích nádrží, a lze ji vyřadit z provozu obtokem. Určitá množství kalu, která se v ní během provozu usazují, se bez větších problémů odstraňují při jejím čištění, které se provádí jedenkrát měsíčně. Ze sekcí mezi děrovanými přepážkami, které jsou v průtočných profilech nádrže utěsněny, může kal odtékat odkalovacími otvory těchto přepážek, které jsou za provozu nádrže uzavřeny zvenčí ovladatelnými hradítky . Vločkovací prostory sdružených nádrží úpravny vody Štítary byly původně vybaveny pádlovými míchadly s podélnými pádly, tj. pádly orientovanými ve směru průtoku upravované vody. Podle sdělení provozovatele byl provoz vločkovacích prostor těchto nádrží bezproblémový, neboť se v nich neusazoval prakticky žádný kal. Tuto skutečnost lze vysvětlit tak, že podélná pádla nebránila plynulému průtoku upravované vody vločkovacími prostorami sdružených nádrží a svým otáčením účinně rušila usazování těžkých vloček. Důvodem pro zavedení hydraulického míchání bylo technické opotřebení míchadel a snaha dosáhnout úspor elektrické energie. Změna míchacího systému byla provedena tak, že do vločkovacích prostor sdružených nádrží byly instalovány nastavitelné děrované přepážky (po šesti do každé prostory) ve standartním provedení a dimenzované pro jejich základní nastavení a výkon úpravny vody 240 l.s-1 na hodnoty rychlostního gradientu od 45 s-1 v prvních do 5 s-1 v šestých děrovaných přepážkách (při nižších výkonech byly jeho hodnoty přiměřeně nižší). Přepážky byly osazeny ve vzdálenostech, které se ve směru průtoku upravované vody zvětšovaly. Kal, s jehož usazováním ve vločkovacích prostorách sdružených nádrží v provozně přijatelném množství se počítalo, se měl odstraňovat při čištění těchto nádrží. K jeho odtoku do odkalovacích jímek usazovacích prostor sdružených nádrží měly sloužit odkalovací otvory děrovaných přepážek za provozu nádrže uzavřené zvenčí ovladatelnými hradítky [5] . Po zahájení zkušebního provozu došlo k masivnímu usazování kalu ve vločkovacích prostorách sdružených nádrží včetně sekcí před prvními děrovanými přepážkami. Kal se usazoval nejprve před šestými děrovanými přepážkami a poté postupně před dalšími jim předcházejícími přepážkami. Za poměrně krátkou dobu provozu v řádu týdnů byly vrstvy kalu v místech jeho největšího usazování před děrovanými přepážkami často vyšší než 1 m, při čemž kal zde vytvářel svahy klesající poměrně strmě (v úhlu cca 45o) ve směru proti průtoku upravované vody. Usazený kal postupně blokoval stále více otvorů v děrovaných přepážkách, čímž docházelo k nekontrolovanému zvyšování hodnot rychlostního gradientu. Určitého zpomalení usazování kalu došlo po zavedení účelově zkratového, tzv. řízeného průtoku upravované vody vločkovacími prostorami sdružených nádrží, jehož se dosáhlo dovrtáním určitého počtu otvorů do horních částí děrovaných přepážek v přítokových částech a do spodních částí děrovaných přepážek v odtokových částech vločkovacích prostor sdružených nádrží a vytvořením dostatečně širokých štěrbin pod všemi děrovanými přepážkami [5]. Tímto opatřením se podstatně
139
snížily hodnoty rychlostního gradientu řádově na jednotky až desetiny s-1. Pozoruhodnou skutečností bylo, že popsané zvyšování a snížení hodnot rychlostního gradientu se prakticky neprojevilo na separovatelnosti vytvářených suspenzí. Avšak i potom bylo třeba sdružené nádrže poměrně často (opět ve dvou- až tříměsíčních intervalech) odstavovat z provozu a čistit. Problém s odstraňováním kalu z nich tedy přetrval i nadále, pouze se přesunul z usazovacích do vločkovacích prostor sdružených nádrží . S cílem nalézt objektivní příčinu popsaných provozních problémů (usazování kalu v rekonstruovaných vločkovacích prostorách sdružených nádrží a špatné odkalitelnosti odkalovacích jímek usazovacích prostor těchto nádrží před a krátkou dobu i po jejich rekonstrukci) i popsané anomalie (nezávislosti separovatelnosti suspenze na hodnotách rychlostního gradientu při její přípravě) byl studován proces tvorby suspenze. Přitom se vycházelo ze získaných poznatků o tom, že suspenze těžkých vloček se vytváří velmi rychle po nadávkování koagulantu a to již v přítokových potrubích upravované vody před jejím vtokem do sdružených nádrží, že vytvářené vločky velmi rychle sedimentují, a že kal z nich vytvořený se rychle zhutňuje. Byly provedeny modelové a provozní pokusy, podle jejichž výsledků se mělo zjistit, zda lze proces přípravy suspenze ovlivnit, aby probíhal tak, jak podle teorie probíhat má, tj. pomaleji a v zařízení k tomu určeném. Toho mělo být dosaženo v prvém případě zpomalením procesu tvorby suspenze vhodnou modifikací chemizmu úpravy vody, a ve druhém posunutím jeho začátku blíže k vločkovacím prostorám sdružených nádrží. Složení suspenzí, jejichž vzorky byly v prvém případě připravovány na míchací koloně a odebírány z reagenčních nádob, a ve druhém případě se vytvářely v přítokových potrubích do sdružených nádrží a byly odebírány z jejich vločkovacích prostor bezprostředně za vtokem upravované vody do nich, bylo stanovováno sedimentometrickými analyzami („testy agregace“) . K modelovým zkouškám na míchací koloně byla používána surová voda, jejíž úprava se prováděla zvolenými dávkami kyseliny sírové a Prefloku, při čemž obě tato činidla byla přidávána jednak odděleně, jednak ve směsi. Použité dávky kyseliny sírové snížily kyselinovou neutralizační kapacitu upravované vody KNK4,5 z 0,7 mmol.l-1 na 0,5 mmol.l-1 a 0 mmol.l.-1 a její pH z 6,5 na 6,2 a 4,1. Dávkování kyseliny sírové se na průběhu a výsledku agregace nijak významně neprojevilo, neboť rychlost tvorby těžkých vloček byla ve všech vzorcích upravované vody srovnatelná a podíly makročástic a mikročástic ve všech připravených suspenzích byly prakticky stejné . Při provozních pokusech byla největší pozornost věnována tvorbě suspenze v přítokových potrubích ke sdruženým nádržím. Tato potrubí pozůstávají z potrubí DN 500 společného pro obě dvojice sdružených nádrží, v němž jsou instalovány tři mezikusy - údajně statorové mísiče - a potrubí DN 400 a DN 300 k oběma dvojicím sdružených nádrží, v nichž je instalováno 17 ks tvarovek (kolen 90o a T-kusů). Koagulant byl původně zaústěn do potrubí DN 500 nedaleko za jeho vstupem do budovy technologie. V těchto potrubích a tvarovkách nepochybně dochází k nekontrolovanému míchání a v důsledku toho i agregaci vloček, jejímž výsledkem jsou suspenze přitékající do vločkovacích prostor sdružených nádrží. Vzhledem k tomu, že vzorky těchto suspenzí odebrané za vtokem upravované vody do vločkovacích prostor těchto nádrží vykazovaly od počátku vysoký stupeň agregace vloček, bylo místo zaústění koagulantu do upravované vody postupně posouváno směrem k vločkovacím prostorám těchto nádrží, a to nejprve před koleno 90o v potrubí DN 400 před jednou dvojicí sdružených nádrží a poté před šoupátka ovládající přítoky upravované vody do tří těchto nádrží a v jednom případě přímo před její vtok do čtvrté z těchto nádrží.
140
Homogenizace koagulantu byla zajišťována v prvním případě statorovými mísiči (pokud jimi výše zmíněné mezikusy skutečně byly), ve druhém průtokem nadávkované vody kolenem 90o, ve třetím přiměřeně přiškrcenými šoupátky a ve čtvrtém deflektorem na přívodním potrubí posunutým na malou vzdálenost k jeho ústí. Sedimentometrické složení příslušných suspenzí je uvedeno v tabulce. Časové údaje v ní udávají zdržení nadávkované vody v přítokových potrubích do vločkovacích prostor sdružených nádrží (tj. dobu agregace vloček v nich) při výkonu úpravny vody 120 l.s-1, při kterém byly provedeny popsané provozní pokusy. Tabulka: Složení suspenzí vtékajících do vločkovacích prostor sdružených nádrží Doba agregace vloček
Makročástice
2,1 min 8,7 s 4,3 s 2,9 s 0,4 s
30,5 32,0 26,0 3,9 4,6
Podíly částic v suspenzích [%] x) MikroPrimární částice částice 49,6 36,1 38,3 32,7 10,7
18,0 29,8 33,8 62,2 82,8
Neagregované částice 1,9 2,1 1,9 1,2 1,9
Výsledky provozních pokusů i poznatky z provozu naznačují, že v daném případě probíhá tvorba suspenze spíše jako chemické srážení, při kterém se částice sraženiny vytvářejí ihned po smíchání reagujících komponent, než jako klasická agregace, která vyžaduje čas (15 – 30 min) a pokles hodnot rychlostního gradientu (obvykle 50 → 5 s –1 ). Pro úplnost je vhodné uvést i to, že kal, který odpadá z technologických zařízení úpravny vody Štítary, se snadno odvodňuje. Po rekonstrukci této úpravny se v ní odvodňování kalu provádí kalolisem. Lisování kalu předchází jeho zahušťování sedimentací na koncentraci odpovídající obsahu cca 2 % sušiny a jeho úprava vápenným mlékem (jiná činidla nejsou zapotřebí). Vylisované kalové koláče obsahují okolo 40 % sušiny . Závěr: Podobnost problémů způsobených kalem, které se projevily při provozu sdružených vločkovacích a usazovacích nádrží v úpravně vody Štítary před i po jejich rekonstrukci, nezávislost charakteru suspenze na hodnotách rychlostního gradientu působících při její přípravě a zejména pak výsledky provedených provozních zkoušek se zkracováním doby agregace vloček před vtokem upravované vody do vločkovacích prostor sdružených nádrží jsou důkazem toho, že společnou příčinou obtížného odkalování jejich usazovacích prostor před rekonstrukcí odkalovacích jímek a usazování kalu v jejich vločkovacích prostorách po instalaci děrovaných přepážek byla mimořádně rychlá („okamžitá“) tvorba těžkých vloček a rychlé zhutňování kalu, které jsou v našich ______________________________________________________________________
x
) Makročástice jsou definovány usazovacími rychlostmi ≥ 0,13 mm.s-1, mikročástice usazovacími rychlostmi 0,13 – 0,01 mm.s-1 a primární částice usazovacími rychlostmi ≤ 0,01 mm.s-1. Pro separovatelnost suspenze určené k separaci usazováním je rozhodující podíl makročástic a rovněž i mikročástic, které se spojují v makročástice působením vertikální agregace během usazování v usazovacích nádržích.
141
úpravnách pitné vody zcela neobvyklé. Lze proto vyslovit závěr, že pro tak extremní podmínky není míchání děrovanými přepážkami vhodné, avšak tento závěr nelze zobecňovat [8], neboť za obvyklých podmínek je aplikace hydraulického míchání děrovanými přepážkami výhodná a nepřináší žádné provozní problémy [např. 3, 6, 7]. Pro přípravu suspenze za takových nestandartních podmínek jsou proto vhodnější pádlová míchadla s podélnými pádly (tj.pádly orientovanými ve směru průtoku upravované vody), která minimálně ovlivňují plynulost jejího průtoku, a jejichž vedlejší účinek – rušení sedimentace těžkých vloček – bylo v daném případě možné náležitě ocenit až po komplexním vyhodnocení všech výše popsaných poznatků .
Podkladové publikace a materiály [1] Úpravny vody – první stupeň separace suspenzí, 2. díl: podélné usazovací nádrže šířky 6 m, typový projekt, Hydroprojekt, Praha, 1981 [2] Šigut, L.: Příprava rekonstrukce ÚV Štítary, Vodárenské kapky, č.4, 1999, str. 9 - 10 [3] Halámek, B. – Zinek, J.: Příprava suspenze hydraulickým mícháním v úpravně vody Hosov, sborník z konference „VODA Zlín 1999“, Zlín, 1999, str. 95 - 100 [4] Novotný, M.: Zkušenosti s prováděním dodatečných sanací průsaků ze sedimentačních nádrží úpravny vody Štítary, sborník z konference „VODA Zlín 2002“, Zlín, 2002, str. 197 – 198 [5] Halámek, B.: Problémy při aplikaci hydraulického agregačního míchání a způsoby jejich řešení (I) : usazování kalu ve vločkovacích nádržích, sborník z kon ference „VODA Zlín 2002, Zlín, 2002, str. 73 – 79 nebo Halámek, B.: Využití řízeného proudění upravované vody v hydraulicky mícha- ných vločkovacích nádržích, sborník z konference „Pitná voda“ , Trenčianské Teplice, 2002, str. 65 – 70 [6] Halámek, B.: Příprava suspenze hydraulickým mícháním v úpravnách vod s jednostupňovou separací, sborník z konference „VODA Zlín 2003“, Zlín, 2003, str. 83 - 88 [7] Halámek, B.: Poznatky z použití děrovaných přepážek ve vločkovacích a usazovacích nádržích úpraven vod, sborník z konference „VODA Zlín 2005“, Zlín, 2005, str. 105-110 [8] Látal, M. : Moderní způsoby rekonstrukce úpraven vod, sborník z konference „VODA Zlín 2005“, Zlín, 2005, str. 119 – 120
142
