badania pilotowe jako metoda doboru węgla aktywnego w procesie

Węgiel aktywny w ochronie środowiska i przemyśle (2006)
WOJCIECH BALCERZAK, BARTOSZ ŁUSZCZEK
Politechnika Krakowska, Instytut Zaopatrzenia w Wodę i Ochrony Środowiska
ul. Warszawska 24, 31-155 Kraków
BADANIA PILOTOWE JAKO METODA
DOBORU WĘGLA AKTYWNEGO
W PROCESIE UZDATNIANIA WODY
Przedstawiono problemy związane z zastosowaniem wyników badań pilotowych
do rozwiązywania zagadnień technologicznych dotyczących jakości uzdatnianej
wody. Omówiono wyniki badań uzyskanych na stacji pilotowej pracującej w układzie
technologicznym, obejmującym procesy: koagulacji, sedymentacji, ozonowania pośredniego, filtracji na filtrze piaskowym oraz na filtrach węglowych. Jako wypełnienie filtrów węglowych stosowano węgle formowane i ziarniste. Przeanalizowano
zmianę jakości wody po przejściu przez filtry węglowe. Dokonano oceny efektywności działania badanych układów i wybrano optymalny rodzaj węgla.
SŁOWA KLUCZOWE: badania pilotowe, uzdatnianie wody, węgiel aktywny
WSTĘP
Ocena realności technologicznej uzdatniania coraz bardziej zanieczyszczonych
wód, jak i celowości ekonomicznej stosowania poszczególnych wysoko efektywnych procesów, wymaga w wielu przypadkach prowadzenia kompleksowych i wieloetapowych prac badawczych.
Badania technologiczne służą do znalezienia najwłaściwszego sposobu uzdatniania, do określenia parametrów procesów, doboru urządzeń, w których mają być
prowadzone i wzajemnych powiązań między nimi. Można rozróżnić trzy rodzaje
badań technologicznych: badania testowe, badania techniczne, badania mode-lowe.
Badania testowe prowadzone są w warunkach sztucznych. Polegają na imitowaniu określonych zabiegów w standardowych aparatach laboratoryjnych i wyznaczaniu charakterystycznych wielkości opisujących badane procesy.
Badania techniczne prowadzone są na eksploatowanych urządzeniach stacji
uzdatniania wody.
Badania modelowe (badania w skali ułamkowo-technicznej) polegają na odwzorowaniu przebiegu operacji jednostkowych lub połączonych operacji technologicznych w urządzeniach pomniejszonych w stosunku do wielkości urządzeń technicznych do uzdatniania wody. Zakres tych badań może obejmować: badanie
modelowe operacji jednostkowych, badania modelowe elementów, badania kompleksowe - stacje pilotowe [1-3].
214
W. Balcerzak, B. Łuszczek
Stacja pilotowa jako przykład badań modelowych
Stacje pilotowe są niezbędne do realizacji wielu prac rozwojowych, między
innymi związanych z rozwojem nowych procesów, technologii i urządzeń do
uzdatniania wody oraz do badania efektów oczyszczania dla szeregu kombinacji
struktur systemu technologicznego. Stacja pilotowa powinna być możliwie najbardziej zbliżona do zakładu uzdatniania zarówno pod względem urządzeń, jak i procesów technologicznych oraz sposobu eksploatacji [3].
Na stacjach pilotowych wykorzystuje się nowoczesne urządzenia technologiczne do prowadzenia procesów, jak również nowe techniki, a także środki sterowania
tymi skomplikowanymi urządzeniami.
Badania na stacji pilotowej umożliwiają:
 zwiększenie prawdopodobieństwa, że urządzenia zaprojektowane na podstawie
badań będą bliższe optymalnym dla danych warunków,
 wykonanie prób niedopuszczalnych dla znajdującej się w ruchu instalacji,
 uzyskanie informacji, jak udoskonalić procesy uzdatniania wody w istniejącym
układzie technologicznym,
 właściwy wybór i realizację inwestycji modernizacyjnych,
 optymalizację procesów technologicznych i kosztów uzdatniania wody.
1. CEL I ZAKRES BADAŃ
Celem pracy było wykonanie badań dla określenia przydatności stosowania
wybranych węgli aktywnych w procesie adsorpcji współpracującym z procesem
ozonowania pośredniego. Badania przeprowadzono na stacji pilotowej zlokalizowanej w ZUW Rudawa (rys. 1) [4]. Woda do stacji pilotowej dostarczana
była z układu technologicznego ZUW Rudawa po procesach koagulacji i sedymentacji. Układ badawczy stacji pilotowej obejmował następujące procesy: ozonowanie pośrednie, filtrację przez złoże piaskowe, filtrację przez 4 różne złoża węglowe.
Woda z osadnika (po koagulacji) doprowadzana była do stacji pilotowej, gdzie
do wody wprowadzany był ozon wytwarzany przez generator (GO). Następnie
mieszanina ozonu z wodą przepływała przez mieszacz statyczny do komory kontaktowej (KK), z kolei woda podnoszona jest na filtr piaskowy (FP), skąd po przefiltrowaniu doprowadzana była do komory wyrównawczej (KW). Po komorze
wyrównawczej strumień wody rozdzielany był na 4 filtry węglowe (FW). Woda
przefiltrowana odprowadzana była do zbiorników przelewowych.
Do transportu wody użyto pomp Grundfos UPS 25-60. Do pomiaru natężenia przepływu wody zastosowano przepływomierz elektromagnetyczny MPP
DN10mm, umieszczony na przewodzie doprowadzającym wodę z osadnika, oraz
rotametry zlokalizowane przed mieszaczem statycznym, przed filtrami węglowymi
oraz na przewodzie doprowadzającym ozon do rurociągu z wodą.
215
Badania pilotowe jako metoda doboru węgla aktywnego w procesie uzdatniania wody
Mieszacz statyczny
FW I
FW II
Zbiornik
V = 450 l
P6
Zbiornik
V = 450 l
P5
O1
P3
P4
Rotametr
Przepływomierz
elektromagnetyczny
MPP DN 10mm
KK
KW
Przelew
P7
Rotametry do pomiaru
przepływu gazu
M
FP I
FW III
FW IV
Przelewy
GO
Doprowadzenie
wody z osadnika
Generator ozonu
Ozomatic LAB 802
P2,O2
P1
Pompy Grundfos
UPS 25-60
Pompa wody do
płukania
Doprowadzenie wody z
sieci i powietrza do
płukania
Przewody prowadzące wodę
Przewody prowadzące wodę i powietrze do płukania
Przewody prowadzące ozon
P- punkty poboru prób
FW - Filtr węglowy
O - punkty poboru prób na ozon
FP - Filtr piaskowy
KK - Komora kontaktowa GO - Generator ozonu
KW - Komora wyrównawcza
Rys. 1. Schemat stacji pilotującej
Punkty poboru prób zlokalizowano na przewodzie doprowadzającym wodę
z osadnika, przed i za komorami kontaktowymi, za filtrami piaskowymi oraz
w zbiornikach przelewowych (za filtrami węglowymi). Zainstalowano też układ
odprowadzający ozon resztkowy z komory kontaktowej.
Podstawowe parametry pracy stacji pilotowej:
- wydajność stacji 0,58 m3/h
- uziarnienie filtru piaskowego 0,51,0 mm
- prędkość filtracji na złożu piaskowym ok. 8,2 m3/(m2  h)
- intensywność płukania filtrów piaskowych powietrzem ok. 20 m3/(m2  h)
- intensywność płukania filtrów piaskowych wodą ok. 12 m3/(m2  h)
- częstotliwość płukania filtru piaskowego - 2 razy na dobę
- uziarnienie filtrów węglowych 0,62,4 mm
- prędkość filtracji na filtrach węglowych ok. 5,7 m3/(m2  h)
- częstotliwość płukania filtrów węglowych - 1 raz na dwie doby
- intensywność płukania filtrów węglowych powietrzem ok. 40 m3/(m2  h)
- intensywność płukania filtrów węglowych wodą ok. 15 m3/(m2  h)
- średni czas kontaktu ozonu z wodą ok. 12 min
- stosowane dawki ozonu 0,81,0 mgO3/dm3
W tabeli 1 zestawiono podstawowe parametry badanych węgli aktywnych [5].
TABELA 1. Parametry badanych węgli aktywnych podawane przez producentów
Nr kolumny
Surowiec
I
II
III
IV
w. kamienny
w. kamienny
w. kamienny
w. kamienny
216
W. Balcerzak, B. Łuszczek
Uziarnienie, mm
0,62,36
0,62,4
0,62,36
0,62,36
1000
1100
1100
1000
9501050
1050
1050
950
Liczba metylenowa
24
20
28
2628
Masa nasypowa po płukaniu
i wysuszeniu, kg/m3
460
brak danych
410
460
Zawartość popiołu (max), %
6
8
brak danych
brak danych
2
Powierzchnia właściwa BET, m /g
Liczba jodowa min., mg/g
2. METODYKA PROWADZONYCH BADAŃ
Próbki pobierano w okresie prowadzenia badań codziennie w sposób umożliwiający ocenę jakości wody po każdym procesie jednostkowym w następujących
miejscach układu technologicznego: woda z rzeki Rudawy, woda po osadniku pokoagulacyjnym, woda po komorze kontaktowej (KKI), woda po filtrze piaskowym
I (FPI), woda po filtrze węglowym I (FW I), woda po filtrze węglowym II (FWII),
woda po filtrze węglowym III (FWIII), woda po filtrze węglowym IV (FWIV).
Zakres i metodyka oznaczeń fizykochemicznych:
 Ogólny węgiel organiczny (OWO) - w analizatorze OWO SKALAR po usunięciu zawiesiny na drodze wirowania i węgla nieorganicznego poprzez zakwaszenie próbki kwasem fosforowym i przedmuchanie powietrzem syntetycznym
 Absorbancja UV - przy użyciu spektrofotometru UNICAM z zastosowaniem
długości fali 254 nm
 Mętność - metodą nefelometryczną
 pH - metodą potencjometryczną
 Utlenialność - metodą miareczkową
 Barwa - metodą spektrometryczną
 Temperatura - metodą termometryczną
 Chlor pozostały - metodą miareczkową
Oznaczenia wykonywano natychmiast po pobraniu próbek, z wyjątkiem oznaczenia OWO. Z tego względu próbki do oznaczenia OWO były utrwalane kwasem
fosforowym.
3. ZESTAWIENIE I ANALIZA WYNIKÓW BADAŃ
Badania przeprowadzono w dwóch etapach (tab. 2). W pierwszym etapie wykonano badania określające efektywność działania układu technologicznego z zastosowaniem ozonowania pośredniego, filtracji przez filtr piaskowy i adsorpcji na
Badania pilotowe jako metoda doboru węgla aktywnego w procesie uzdatniania wody
217
218
W. Balcerzak, B. Łuszczek
Badania pilotowe jako metoda doboru węgla aktywnego w procesie uzdatniania wody
219
4 filtrach wypełnionych różnymi gatunkami węgla aktywnego. W badaniach tak
dobierano początkową dawkę ozonu, aby jego stężenie w wodzie przed filtrem piaskowym było poniżej 0,1 mgO3/dm3. W drugim etapie wykonano badania mające
na celu sprawdzenie efektywności dobranej dawki ozonu w procesie ozonowania
wstępnego współpracującego z opisanym wcześniej układem technologicznym.
Poniżej przedstawiono krótką charakterystykę wybranych wskaźników jakości
wody.
Barwa
 średnia wartość tego wskaźnika dla wody surowej wynosiła 10,8 mgPt/dm3
w pierwszym etapie i 11,8 mgPt/dm3 w drugim etapie,
 proces wstępnego uzdatniania wody obniżał wartość barwy o około 68 do 77%,
tj. do poziomu 2,73,4 mgPt/dm3,
 barwa wody po wszystkich filtrach węglowych była na stałym poziomie i wynosiła około 1 mgPt/dm3.
Utlenialność (rys. rys. 2 i 3)
 średnia wartość tego wskaźnika dla wody surowej wynosiła około 2 mgO2/dm3,
 proces wstępnego uzdatniania wody obniżał wartość utlenialności o około
44 do 61%, tj. do poziomu 0,851,0 mgO2/dm3,
 efektywność usuwania tego wskaźnika dla filtrów węglowych wahała się od
46 do 74%, największą efektywność - 74% wykazywał filtr węglowy nr IV.
Absorbancja UV (rys. rys. 2 i 3)
 średnia wartość tego wskaźnika dla wody surowej wynosiła w pierwszym etapie
5,2 i 7,1 1/m w etapie drugim,
100
Stopień zmniejszenia wartości wskaźnika [%]
90
80
70
60
50
40
30
20
10
0
Utlenialność
Filtr węglowy I
Absorbancja UV
Filtr węglowy II
Filtr węglowy III
OWO
Filtr węglowy IV
Rys. 2. Skuteczność zmniejszania wartości wybranych wskaźników - I seria
Stopień zmniejszenia wartości wskaźnika [%]
220
W. Balcerzak, B. Łuszczek
100
90
80
70
60
50
40
30
20
10
0
Utlenialność
Filtr węglowy I
Absorbancja UV
Filtr węglowy II
Filtr węglowy III
OWO
Filtr węglowy IV
Rys. 3. Skuteczność zmniejszania wartości wybranych wskaźników - II seria
 proces wstępnego uzdatniania wody obniżał wartość absorbancji o około 53 do
58% poziomu 2,43,0 1/m,
 efektywność usuwania tego wskaźnika dla filtrów węglowych wahała się od 52
do 89%, największą efektywność - 89% wykazywał filtr węglowy nr IV,
 najmniejsze zmiany efektywności usuwania absorbancji w zależności od całkowitej ilości wody, która przepłynęła przez złoże wykazywał filtr węglowy nr IV.
OWO (rys. rys. 2 i 3)
 średnia wartość tego wskaźnika dla wody surowej wynosiła 2,1 mgC/dm3
w pierwszym etapie i 1,8 mgC/dm3 w drugim etapie,
 proces wstępnego uzdatniania wody obniżał wartość OWO o około 26 do 53%,
tj. do poziomu 1,21,7 C/dm3,
 efektywność usuwania tego wskaźnika dla filtrów węglowych wahała się od
26 do 53%, największą efektywność - 53% wykazywał filtr węglowy nr IV.
 porównanie zależności ładunku usuniętego od ładunku doprowadzonego (krzywa kumulacyjna) wykazuje, że najwyższą efektywnością usuwania odznacza się
filtr węglowy nr IV (rys. rys. 4 i 5).
Chlor pozostały
Wykonano w skali laboratoryjnej badania nad zawartością chloru pozostałego w celu:
 określenia zużycia utleniacza na utlenienie związków łatwo utleniających się
w wodzie poddanej procesowi ozonowania, a następnie filtracji na złożu piaskowym oraz na złożach węglowych,
221
Badania pilotowe jako metoda doboru węgla aktywnego w procesie uzdatniania wody
 określenia niezbędnej dawki chloru zapewniającej w wodzie po 24 h kontaktu
uzyskanie koniecznego stężenia chloru użytecznego.
1,8
3
Ładunek usunięty [gC/dm węgla]
1,6
1,4
1,2
1
0,8
0,6
0,4
0,2
0
0
0,5
1
1,5
2
2,5
3
3,5
4
3
Ładunek doprowadzony [gC/dm węgla]
Filtr węglowy I
Filtr węglowy II
Filtr węglowy III
Filtr węglowy IV
Rys. 4. Kumulacyjne zależności ładunku OWO usuniętego na filtrach węglowych od doprowadzonego ładunku OWO
1,4
1
3
Ładunek usunięty [gC/dm węgla]
1,2
0,8
0,6
0,4
0,2
0
0
0,5
1
1,5
2
2,5
3
Ładunek doprowadzony [gC/dm węgla]
Filtr węglowy I
Filtr węglowy II
Filtr węglowy III
Filtr węglowy IV
Rys. 5. Kumulacyjne zależności ładunku OWO usuniętego na filtrach węglowych od doprowadzonego ładunku OWO - II seria
222
W. Balcerzak, B. Łuszczek
Oznaczono zawartość chloru pozostałego po 24 h. Na podstawie uzyskanych wyników określono średnie zużycie utleniacza na procesy utleniania. Zapotrzebowanie chloru dla tego okresu po 24 h było na poziomie:
 1,05 mgCl2/dm3 dla wody po filtrze piaskowym,
 0,230,54 mgCl2/dm3 dla wody po filtrach węglowych (wartość 0,23 mgCl2/dm3
dotyczy filtra z węglem nr IV).
Maksymalne zużycie chloru w tym okresie po czasie 24 h było na poziomie:
 0,26 mgCl2/dm3 - dla wody po filtrze piaskowym,
 0,110,14 mgCl2/dm3 - dla wody po filtrach węglowych (wartość 0,23
mgCl2/dm3 dotyczy filtra z węglem nr IV).
Otrzymane wyniki wykazują, że:
 optymalna dawka ozonu przy stosowaniu procesu ozonowania przed procesem
filtracji wynosi około 1 mgO3/dm3. Przy dawce tej stężenie pozostałego ozonu
w wodzie wynosiło około 0,05 mgO3/dm3,
 największą efektywność usuwania w zakresie badanych wskaźników wykazał
filtr wypełniony węglem aktywnym nr IV,
 najmniejsze zapotrzebowanie na chlor wykazała woda po filtrze wypełnionym
węglem aktywnym nr IV.
Zależność pomiędzy absorbancją UV i OWO
W celu oceny charakteru zachodzących w trakcie procesu przemian związków
organicznych rozpatrzono wartość proporcji
p
AbsUV
OWO
Wybrano ten sposób interpretacji, ponieważ wskaźniki te opisują różne cechy
związków organicznych:
 oznaczenie absorbancji UV obejmuje przede wszystkim związki o złożonej budowie chemicznej, zawierające na przykład wiązania wielokrotne lub cykliczne,
w tym przede wszystkim związki zawierające pierścień aromatyczny,
 oznaczenie OWO obejmuje wszystkie rozpuszczone związki organiczne, zatem
również te o prostej budowie, nieoznaczane jako absorbancja UV.
Wartości tej proporcji wyniosły:
Etap I
Etap II
- woda surowa
2,57
4,17
- woda po osadniku
2,17
3,58
- woda po komorze kontaktowej
1,78
3,19
- woda po filtrze piaskowym
1,50
2,52
- woda po filtrze węglowym nr I
0,55
1,71
- woda po filtrze węglowym nr II
0,59
1,85
- woda po filtrze węglowym nr III
0,61
1,82
- woda po filtrze węglowym nr IV
0,31
0,89
Badania pilotowe jako metoda doboru węgla aktywnego w procesie uzdatniania wody
223
Widoczne jest wyraźne obniżenie wartości proporcji AbsUV/OWO wzdłuż
badanego ciągu technologicznego zarówno w etapie I, jak i w etapie II przeprowadzonych badań.
Znaczne obniżenie tej wartości obserwuje się w wodzie po procesach adsorpcji
na węglach aktywnych. Szczególną uwagę zwraca wartość tej proporcji dla filtru
węglowego nr IV, co potwierdza jego wysoką efektywność.
WNIOSKI
 Badania technologiczne nad zastosowaniem sorpcji na wybranych węglach
aktywnych wykonane na wodzie poddanej uprzednio procesowi koagulacji,
sedymentacji, ozonowania i filtracji na złożu piaskowym wykazały, że jego zastosowanie pozwala zwiększyć efektywność działania istniejącego układu technologicznego.
 Analiza otrzymanych wyników wykazała, że najlepsze efekty w zakresie
usuwania wszystkich badanych wskaźników wykazuje węgiel aktywny
nr IV.
 W trakcie badań nie uzyskano wysycenia badanych węgli ładunkiem usuwanych zanieczyszczeń ze względu na stosunkowo krótki czas trwania badań,
a co za tym idzie nieznaczny ładunek zanieczyszczeń usunięty w procesie
sorpcji.
 Zdecydowane obniżenie wartości proporcji Abs-UV/OWO obserwowano
wzdłuż całego ciągu technologicznego. Szczególnie w wodzie po procesie
absorpcji zaobserwowano obniżenie tego wskaźnika, co sugeruje, że następuje
tutaj znaczne usunięcie związków organicznych o złożonej budowie. Potwierdzeniem tego zjawiska jest niewielkie zapotrzebowanie wody na utleniacz. Najlepsze efekty zaobserwowano w wodzie przefiltrowanej przez węgiel aktywny
nr IV.
LITERATURA
[1] Sozański M.M., Problematyka badawcza w projektowaniu i eksploatacji zakładów uzdatniania
wody, Mat. Konf. Zagadnienia zaopatrzenia w wodę miast i wsi, PZITS, Poznań 1984.
[2] Wilmański K., Nowok B., Badania pilotowe nad zastosowaniem filtrów z węglem aktywnym na
stacji uzdatniania wody, Inżynieria i Ochrona Środowiska 2000, 3, 3-4, 395-406.
[3] Wilmański K., Mechanizm pracy aktywnych biologicznie filtrów węglowych na podstawie badań
w skali pilotowej i technicznej, Mat. Konf. Węgiel aktywny w ochronie środowiska i przemyśle,
Wyd. Politechniki Częstochowskiej, Częstochowa 2004, 249-260.
[4] Balcerzak W., Kułakowski P., Łuszczek K., Wpływ procesu ozonowania na skuteczność działania filtrów węglowych, Ochrona Środowiska 2005, 3, 57-60.
[5] Zastosowanie formowanych i ziarnistych węgli aktywnych procesie uzdatniania wody w ZUW
„Rudawa”, Kraków 2005 (praca niepublikowana).
224
W. Balcerzak, B. Łuszczek
PILOT-SCALE RESEARCH AS A METHOD FOR SELECTION
OF ACTIVATED CARBON FOR WATER TREATMENT
In the paper problems of application of results from pilot-scale research for solving technological issues related to treated water quality are presented. The results obtained from pilot plant operated in technological scheme comprising coagulation, sedimentation, intermediary ozonation, sand filtration, and activated carbon filtration
are discussed. For carbon filtration formed and granular activated carbon was used.
Quality of water after carbon filtration has been analyzed. The operational
efficiency of tested schemes has been evaluated and optimum type of carbon has been
selected.
KEYWORDS: pilot-scale research, water treatment, activated carbon