Porovnání vlivu chlornanu sodného vyráběného v místě použití s dalšími způsoby dezinfekce na bázi chloru Lubomír Macek, Jan Jindra Aquion, s.r.o., Praha,
[email protected] Aquaserv s.r.o., České Budějovice,
[email protected] _____________________________________________________________________________
Abstrakt V příspěvku se zabýváme vlastními zkušenostmi s pozitivním vlivem chlornanu vyráběného v místě na kvalitu vyráběné a rozváděné vody. Vyrobený dezinfekční roztok, který vyrábíme z čisté soli, je velmi kvalitním dezinfekčním prostředkem, který má příznivý vliv na kvalitu vody. V příspěvku jsou analyzovány výsledky z poloprovozního pokusu na vodovodu Zliv - Purkarec, který je napájen vodou z Jihočeské vodárenské soustavy. Předtím se v článku zabýváme technologií pro výrobu chlornanu sodného nejnovější generace. 1. Novinky v technologii – systém MicrOclor
Obr 1.: Systém pro výrobu 150 kg/den ekvivalentu volného aktivního chlóru
Představovaný systém představuje nejnovější technologii ve výrobě chlornanu sodného elektrolýzou solanky. Na výrobu 1 kg ekvivalentu volného aktivního chlóru je potřeba 3 kg soli, 4,4 kWh a 125 l vody. Systém MICROCLOR představuje zcela nový návrh, který je podložen zkušenostmi získanými dvacetiletým intenzivním výzkumem a vývojem v oblasti výroby chlornanu v místě použití. Systém pro výrobu chlornanu sodného splňuje požadavky na výrobu 9 – 900 kg ekvivalentu volného aktivního chlóru za den. Jiné kapacity jsou možné jako individuální řešení pro konkrétního zákazníka. Návrh zahrnuje všechny výhody současných standardů v tomto odvětví a zároveň přichází s radikálně vylepšenými bezpečnostními aspekty celého procesu. Především způsob, jakým je vodík odstraňován z elektrolytické buňky, představuje velké vylepšení oproti (konvenčním) horizontálním elektrolyzérům. Mezi jeho unikátní řešení patří:
129
Pasivní odstraňování vodíku Buňky tvaru V-Ray jsou sestaveny vertikálně s recirkulačním okruhem v každé buňce. To umožňuje optimalizovat využití solanky a pasivní uvolnění vodíku z každé buňky. Vodík nemůže přecházet z buňky do buňky. Tento návrh radikálně zvyšuje bezpečnost obsluhy a podstatně snižuje možnost nahromadění vodíku v buňce a eliminuje potenciál katastrofálního selhání. Okamžité odstraňování vodíku z vrcholu každého okruhu buňky velmi redukuje oslepování elektrod a s tím spojenou tvorbu tepla. Řízení vodivosti solanky Konstantní proud je dosažen pomocí proudové smyčky se zpětnou vazbou, kde je pomocí programovatelného mikropočítače řízena rychlost čerpadla solanky. Tato zpětná vazba vyrovnává změny teploty, vodivosti a průtoku vody. Titanové, teflonem pokryté zubové čerpadlo je připojeno k elektromotoru s proměnnými otáčkami a zajišťuje odpovídající průtok elektrolytu do buněk. Tím je dosaženo optimální využití soli. Usměrnění plné vlny stejnosměrného proudu Návrh usměrňovače stejnosměrného proudu se skládá z plně izolovaného snižovacího transformátoru a můstkového usměrňovače. Stejnosměrné napětí je stabilizováno pomocí primární korekce napětí s odbočkami v krocích o 5, 10 %. Vlnění napětí je menší než 4 % s účinností 99 % a lepší. Přepínací usměrňovač ani tyristorová technologie na úpravu napětí nebyla použita vzhledem k tomu, že se jedná o dvacet let starou technologii, která je příliš nespolehlivá. Elektrody neprostupují buňkou Buňka ve tvaru V-Ray se skládá ze třinácti vnitřních bipolárních elektrod. Vnější plochy buňky slouží pro ukončení anod a katod. Všechny povrchy anod jsou pokryty katalyzačním nanopovlakem DSA (Dimensionally Stable Anodes – rozměrově stabilní anody). Návrh buněk vylučuje mokré spoje kabelu se stejnosměrným napájením a problematické těsnění pomocí O-kroužků. Vysoká rychlost průtoku elektrolytu (poskytuje)Hydraulický zdvih v okruzích buňek tvaru V-Ray zajišťuje pasivní odstraňování plynného vodíku. To způsobuje vysokou rychlost proudění v recirkulačním okruhu a napříč deskami buňky tvaru V-Ray. Výsledkem vysokorychlostního průtoku je čistící efekt mezi vertikálně namontovanými deskami V-Ray buněk. Toto nové samočistící uspořádání ve skutečnosti eliminuje potřebu čištění buněk kyselinou a snižuje tvorbu tepla. Vyšší úroveň výkonu Patentované uspořádání elektrolytických V-Ray buněk poskytuje mnohem účinnější platformu pro výrobu, než je běžný standard v odvětví, který je 3,5 kg soli a 5,5 kWh na kg ekvivalentu volného aktivního chlóru. Vertikální V-Ray buňky elektrolyzéru MICROCLOR vyrábí chlornan sodný s koncentrací 0,8 % při spotřebě méně než 3 kg soli a 4,4 kWh na kilogram volného aktivního chlóru. V současnosti neexistuje konkurenční proces s otevřenou buňkou, který by byl účinnější než systém MICROCLOR.
130
Bez vnitřních mezistěn a průchodů buňkou Uvnitř buňky se nenachází žádné dělící stěny, pouzdra nebo upevňovací prvky. Buňka je zkonstruována s průhledným akrylátovým tubusem, který podpírá vnitřní bipolární desky, což umožňuje přímou vizuální inspekci systému. Monopolární anodové a katodové desky jsou přimontovány zvnějšku k podpůrné akrylové trubce. Údržba a výměna V-Ray buněk Vertikální návrh V-Ray buněk systému MICROCLOR umožňuje snadné vyjmutí buňky z nosné trubky jednoduchým způsobem povolením dvou spojů. To zajišťuje snadnou výměnu a údržbu buňky. 2. Výsledky poloprovozního pokusu na vodovodu Zliv - Purkarec Pro výrobu dezinfekčního roztoku elektrolýzou solanky byla využita jednotka BPS od firmy MIOX. Jedná se o přenosnou jednotku, jejiž hlavním účelem je použití v havarijních případech, například po zaplavení zdrojů vody velkou vodou, k dezinfekci vody a zároveň je jednotku možné využít pro testování aplikace ve větším měřítku. Kapacita jednotky je 0,25 kg/den.
Obr. 1 Schéma vodovodu Zliv Purkarec
Popis vodovodu Pro provozní ověření byl vybrán vodovod Zliv – Purkarec napájený vodou z Jihočeské vodárenské soustavy. Vodovod začíná čerpací stanicí na úpravně vody Zliv, kterou je voda přímo ze zásobního řadu přečerpávána v množství 500-600m3.d-1 do skupinového vodovodu pro obce Olešník, Zahájí, Mydlovary,Zbudov, Velice, Nákří, Dříteň, Chlumec a Purkarec s celkovým počtem připojených obyvatel cca 2 200 (viz obr.č.1).
131
Voda je čerpána přetržitě, vypínání je řízeno hladinou na nejbližším vodojemu (VDJ Chlum). Hlavní rozvodné řady tvoří ocelové potrubí bez vnitřní ochrany DN 100-200 o celkové délce 11,5 km, doba zdržení vody v potrubí do koncového vodojemu je 1,8 dne. V přiváděné vodě jsou zbytky chloru (viz tab.), na VDJ Chlum, Chlumec a Dříteň je v běžném provozu prováděna dochlorace chlornanem sodným v dávce cca 0,5 mg/l Cl2. Po dobu ověřování technologie MIOX byla dochlorace – dávkování chlornanu sodného - vypnuta. Tab. 1 Vybrané parametry vstupující vody:
Parametr pH KNK 4,5 Ca +Mg Fe celk.akt.chlor
Jednotky mmol/l mmol/l mg/l mg/l
Hodnoty 8,0 – 8,5 1,0 – 1,2 1,0 – 1,2 0,05 – 0,1 0,03 – 0,05
V tabulkách č. 3 a 4 jsou uvedeny výsledky analýzy kvality vody ve vodovodu Zliv – Purkarec. Před započetím pokusu bylo prováděno dochlorování dávkováním chlornanu sodného na vodojemech Chlum, Chlumec a Dříteň dávkou cca 0,5 mg.l-1 ekvivalentu volného aktivního chloru. Výsledky rozborů z období před zahájením pokusu jsou v tab. 2. V druhé tabulce jsou výsledky rozborů kvality vody ca 1 měsíc po zahájení pokusu, s aplikací roztoku, vyráběného zařízením od firmy MIOX. Dávka v ekvivalentu volného aktivního chloru se byla 0,2 mg/l. V zásobované oblasti byla po aplikaci tohoto roztoku zajištěna bez dalšího dochlorování bakteriání nezávadnost vody. Při této dávce byl také pozorován pokles koncentrace THM v porovnání se vstupní vodou. Ve vodě nebyly zjištěny chloritany. Současně došlo ke zvýšení obsahu volného aktivního chloru. Je vidět, že aplikací tohoto dezinfekčního roztoku došlo ke snížení koncentrace celkových THM o 32 – 48 % a obdobně chloroformu o 32 – 50 %. U ukazatelů mikrobiologického znečištění (koliformní bakterie, E. Coli a Clostridium byly v obou případech negativní) došlo k podstatnému poklesu KTJ při 22 a 36 o C, zejména je to markantní na odběrném místě Zahájí – smíšené zboží a ČS Olešník. Na odběrném místě Zahájí – smíšené zboží došlo k poklesu z 85 na 2 u KTJ při 22 o C a z 65 na 2 u KTJ při 26 o C. Na odběrném msítě ČS Olešník došlo k poklesu 86 na 0 u KTJ při 22 o. Výhody použití elektrochlorace na testovaném vodovodu Mezi výhody testované aplikace patří zejména možnost odstavení dochlorování roztokem nakupovaného chlornanu sodného na třech místech vodovodu s dávkou 0,5 mg/l chloru. Dále došlo k vylepšení kvality vody – ke snížení koncentrace THM a chloroformu, k zlepšení mikrobiologických ukazatelů u KTJ při 22o C a 36o C. Osobní zkušenost se způsobem dezinfekce použitým v tomto pokusu také říká, že došlo k vylepšení senzorických vlastností vody – k odstranění zápachu po chloru, což jsou vlastně trichlormaniny, a k vylepšení chuti vody. Výhody použití roztoku „směsných oxidantů“ oproti roztoku chlornanu sodného Pto výrobu „směsných oxidantů“ používáme stejné vstupní suroviny, vodu, sůl a energii. Základní rozíl je v uspořádání elektrolýzy – době zdržení vody v elektrolytické buńce, intenzitě elektrického proudu a uspořádání buňky. Základní rozdíly jsou uvedeny v poslední tabulce. Obtížnost výroby směsných oxidantů spočívá
132
ve vysoké hustotě elektrického proudu v buňce, což klade na odolnost buňky vysoké nároky. Velkým přínosem jsou lepší vlastnosti vyrobeného roztoku. Dochází, na rozdíl od chlornanu, ke snížení tvorby THM a k odstraňování biofilmu. U jednotlivých výrobců může pravděpodobně, v závislosti na konfiguraci jejich zařízení docházet k tomu, že vlastnosti výsledného roztoku se pohybují někde mezi chlornanem sodnýma směsnými oxidanty. Obecné výhody elektrochlorace oproti dávkování nakupovaných chemikálií K obecným výhodám patří zejménabezpečnost práce a minimalizace rizika spojených s dopravou, manipulací a používáním nebezpečných chemikálií. Dále si snižujete riziko spojené s možností nárůstu cen dopravy, protože zejména oproti chlornanu sodnému nakupujete menší objem. Odpadají také všechny nepříjemné záležitosti spojené s manipulací s talkovými lahvemi, vyplňování bezpečnostních listů atd. Závěry Představená technologie představuje vhodnou náhradu používání plynného chlóru, chlrannu sodného a chlordioxidu pro dezinfekci a hygienické zabezpečení vody. Technologie použitá v experimentu, je ve velkém měřítku vhodná pro nasazení na našich vodovodech. Významné je to, že vodovody jsou z minulosti předimenzované a tato tehcnologie umožní lépe zajistit kvalitní a chutnou pitnou vodu u odběratelů. Při rozhodování o volbě typu dezinfekce doporučuji si prohlédnout tabulku číslo 2, která charakterizuje základní výhody a nevýhody jednotlivých typů dezinfekce. Literatura Jindra, Jan (2005): Výsledky provozního ověření možnosti desinfekce vody technologií MIOX. SOVAK 2006, číslo 1
Chlornan sodný nakupovaný
Chlornan vápenatý nakupovaný
Chloraminace
Chlordioxid
Ozon
UV záření
Chlornan sodný vyráběný na místě
Směsné oxidanty vyráběné na místě
Účinnost Bezpečnost Zbytkový chlor Redukce TTHM a HAA5 Redukce chloritanů a bromičnanů Odstranění biofilmu Eliminace řas Výhoda mikroflokulace Vylepšní chuti a zápachu Snadná údržba Snížení celkových nákladů
Plynný chlor
Tab. 2 Porovnání vlastností jednotlivých způsobů dezinfekce
ANO NE ANO NE ANO NE NE NE NE ANO ANO
ANO NE ANO NE ANO NE NE NE NE NE NE
ANO NE ANO NE ANO NE NE NE NE NE NE
ANO NE ANO ANO ANO NE NE NE NE NE NE
ANO NE NE ANO NE ANO ANO ANO NE NE NE
ANO NE NE ANO NE NE ANO ANO ANO NE NE
ANO ANO NE ANO ANO NE NE NE NE NE NE
ANO ANO ANO NE ANO NE NE NE NE ANO ANO
ANO ANO ANO ANO ANO ANO ANO ANO ANO ANO ANO
133
Tab. 3 Původní stav – dávkování chlornanu sodného, nakupovaného, dávkovaného na třech místech, 0,5 mg/l ekvivalentu volného aktivního chloru pH
Cl2celk
Cl2vol
THM CHCL3
KTJ při 22°C
KTJ při 36°C
mg/l
mg/l
g/l
g/l
KTJ/1ml
KTJ/1ml
ÚV Zliv - výtlak
8,52
0,06
<0,03
22,00
21,00
0
0
Mydlovary - obchod
8,23
0,07
0,03
27,00
26,00
4
18
VDJ Chlum - odtok
8,36
0,34
0,24
24,00
23,00
0
0
Zahájí – smíšené zboží ČS Olešník - čerpací stanice Olešník-jednota
8,42
0,12
<0,03
27,00
25,00
85
65
8,32
0,19
0,08
28,00
26,00
86
0
8,33
0,11
<0,03
25,00
24,00
2
4
VDJ Dříteň - přítok
8,34
0,13
0,03
29,00
27,00
5
0
Dříteň - MŠ VDJ Chlumec před filtrem Chlumec čp.23
8,35
0,09
<0,03
28,00
26,00
2
2
8,33
0,09
0,06
23,00
22,00
6
0
8,16
0,04
0,03
23,00
21,00
12
14
Purkarec čp.126
8,25
0,07
0,04
21,00
19,00
9
3
Tab. 4 Stav po cca měsíci provozu jednotky MIOX – dávkování směsných oxidantů 0,2 mg/l ekvivalentu volného aktivního chloru na předávacím místě v ČS Zliv 2005-05-25 ÚV Zliv výtlak Mydlovary obchod VDJ Chlum odtok Zahájí – smíšené zboží ČS Olešník čerpací stanice Olešníkjednota VDJ Dříteň přítok Dříteň - MŠ VDJ Chlumec před filtrem Chlumec čp.23 Purkarec čp.126
Cl-
Cl2celk
Cl2vol
THM CHCL3 CLO2-
KTJ při 22°C
mg/l
mg/l
mg/l
g/l
g/l
g/l
KTJ/1ml KTJ/1ml
8,46 25,00
0,08
<0,03 15,00
14,00
<0,05
0
0
8,17 28,00
0,07
0,04
14,00
13,00
<0,05
5
7
8,35 22,00
0,07
<0,03 16,00
14,00
<0,05
2
0
8,40 21,00
0,06
<0,03 15,00
14,00
<0,05
2
2
8,38 15,00
0,14
0,10
15,00
14,00
<0,05
0
0
8,37 21,00
0,08
0,03
16,00
15,00
<0,05
0
0
8,25 27,00
0,16
0,11
15,00
14,00
<0,05
2
3
8,23 30,00
0,12
0,08
15,00
13,00
<0,05
4
3
8,27 23,00
0,12
0,06
14,00
13,00
<0,05
1
0
8,02 22,00
0,07
0,04
14,00
13,00
<0,05
2
4
8,14 21,00
0,11
0,08
14,00
13,00
<0,05
2
0
pH
134
KTJ při 36°C
