Uzdatnianie wód powierzchniowych, rzekowych i surowych w celu uzyskania wody pitnej stawia wysokie wymagania w zakresie inżynierii procesowej, dozowania środków chemicznych oraz stabilności procesu. Wody naturalne zawierają, w zależności od źródła pochodzenia i pory roku, różne ilości substancji zawieszonych, cząstek koloidalnych, substancji humusowych, glonów, żelaza, manganu, związków fosforu oraz składników organicznych. Wiele z tych substancji występuje w tak drobno rozproszonej postaci lub w stanie rozpuszczonym, że nie można ich niezawodnie usunąć za pomocą zwykłej sedymentacji.
W nowoczesnym uzdatnianiu wody do realizacji tych zadań stosuje się procesy strącania, koagulacji, flokulacji i sedymentacji. Urządzenie ALMA BHU LHPS, czyli lamelarny osadnik o wysokiej wydajności (Lamellar High Performance Settler), łączy te etapy procesu w jednym kompaktowym systemie reaktorowym. System ten łączy dozowanie środków chemicznych, szybkie mieszanie, koagulację, flokulację, sedymentację lamelarną oraz zagęszczanie osadu w jednym urządzeniu wielokomorowym. W ten sposób powstaje wydajny i stabilny proces uzdatniania, który zapewnia wysoką jakość wody na wylocie nawet przy zmiennej jakości wody surowej.
Reaktor LHPS nadaje się szczególnie do zastosowań, w których konieczne jest oczyszczanie dużych ilości wody na niewielkiej powierzchni. Dotyczy to między innymi uzdatniania wód powierzchniowych z jezior i zbiorników retencyjnych, uzdatniania wód rzecznych przy silnie zmiennym stopniu zmętnienia, a także wstępnego uzdatniania wody surowej w procesie uzdatniania wody pitnej.
Spis treści
Budowa i podstawowa zasada działania reaktora LHPS
System ALMA BHU LHPS ma budowę wielostopniowego układu reaktorowego. Poszczególne strefy procesowe są ze sobą połączone pod względem hydraulicznym i technologicznym w taki sposób, aby składniki zawarte w wodzie były stopniowo destabilizowane, przekształcane w kłaczki, oddzielane i zagęszczane w postaci osadu.
Reaktor składa się zasadniczo z trzech następujących po sobie stref reakcji: reaktora koagulacyjnego, reaktora flokulacyjnego oraz strefy sedymentacyjnej, nad którą znajduje się osadnik lamelowy, a pod którą – urządzenie do zagęszczania osadu.
W reaktorze koagulacyjnym dozowane jest środek koagulujący i strącający. Zazwyczaj stosuje się w tym celu chlorek polialuminiowy, w skrócie PAC. Bezpośrednio po dozowaniu rozpoczyna się chemiczna destabilizacja cząstek zawartych w wodzie. Wiele naturalnych substancji mętniących, minerałów ilastych, koloidów organicznych oraz drobno rozproszonych cząstek posiada elektryczny ładunek powierzchniowy. Ładunek ten zapobiega wzajemnemu aglomerowaniu się cząstek, ponieważ odpychają się one elektrostatycznie w wodzie. Dodanie PAC powoduje zmniejszenie lub zneutralizowanie tych ładunków. Jednocześnie powstają struktury wodorotlenku glinu o dużej powierzchni właściwej, na których mogą adsorbować się cząstki, substancje organiczne, a częściowo także składniki rozpuszczone.
W ten sposób z cząstek, które początkowo były stabilnie rozproszone w wodzie, powstają pierwsze mikrokłaczki. Są one jeszcze niewielkie i nie osiadają w wystarczającym stopniu, stanowią jednak podstawę dla dalszego flokulowania. Kluczowe znaczenie ma szybkie i równomierne rozprowadzenie środka flokulującego w wodzie. Dlatego dozowanie PAC w reaktorze LHPS odbywa się w obszarze intensywnie pracującego mieszalnika szybkiego. Zużycie energii w tej strefie jest celowo wysokie, aby środek strącający w bardzo krótkim czasie wszedł w kontakt z całym strumieniem wody surowej.
Po koagulacji woda trafia do reaktora flokulacyjnego. Tam powstałe mikrokłaczki są przekształcane, w kontrolowanych warunkach hydraulicznych, w większe, gęstsze i łatwo osiadające makrokłaczki. W tym celu dozowany jest środek flokulacyjny, zazwyczaj polimer. Polimer ten łączy poszczególne mikrokłaczki ze sobą i wspomaga tworzenie stabilnych struktur flokulacyjnych. W odróżnieniu od procesu koagulacji na tym etapie nie jest pożądane stosowanie dużej ilości energii. Zbyt duże siły ścinające spowodowałyby ponowne rozpadnięcie się powstających kłaczków. Dlatego reaktor flokulacyjny działa w oparciu o powolne, kontrolowane mieszanie.
Trzecią główną strefą jest strefa sedymentacji. Tutaj utworzone kłaczki są oddzielane pod wpływem siły grawitacji. Nad strefą sedymentacji znajdują się moduły lamelowe, które znacznie zwiększają efektywną powierzchnię osadzania. Woda przepływa w górę przez lamele, podczas gdy flokule zsuwają się po nachylonych powierzchniach w dół i trafiają do strefy zagęszczania osadu. W ten sposób możliwe jest osiągnięcie wysokich obciążeń hydraulicznych przy kompaktowej konstrukcji.
Zdjęcie: Podstawowa budowa reaktora ALMA BHU LHPS
Doprowadzenie wody surowej i równomierny rozkład
Na początku procesu woda surowa jest doprowadzana do poszczególnych linii uzdatniania reaktora LHPS. Każda linia zasilająca jest wyposażona w przepływomierz oraz armaturę regulacyjną, dzięki czemu obciążenie hydrauliczne każdej linii można regulować indywidualnie. To równomierne rozłożenie ma kluczowe znaczenie dla stabilnego procesu strącania i flokulacji, ponieważ dozowanie środków chemicznych odbywa się proporcjonalnie do przepływu wody surowej.
Szczególnie w przypadku wód powierzchniowych i rzecznych jakość wody surowej często ulega znacznym wahaniom. Po intensywnych opadach deszczu mętność, zawartość cząstek stałych oraz obciążenie organiczne mogą w krótkim czasie znacznie wzrosnąć. Również czynniki sezonowe, takie jak wzrost glonów czy naniesione liście, wpływają na skład wody. Precyzyjna regulacja przepływu stanowi zatem podstawę zapewnienia stabilnego i powtarzalnego przebiegu kolejnych etapów dozowania.
W procesie uzdatniania wody pitnej takie kontrolowane rozprowadzanie wody surowej ma szczególne znaczenie, ponieważ już sam etap wstępnego oczyszczania ma istotny wpływ na wydajność kolejnych etapów filtrowania, filtrów z węglem aktywnym lub procesów dezynfekcji. Im bardziej równomiernie cząstki i składniki organiczne są usuwane na etapie strącania i flokulacji, tym mniejsze jest obciążenie kolejnych etapów uzdatniania.
Koagulacja i szybkie mieszanie w reaktorze LHPS
W pierwszym etapie aktywnego procesu do reaktora koagulacyjnego wstrzykuje się środek koagulujący. Punkt wstrzyknięcia znajduje się w obszarze łopatek mieszacza, co pozwala na bardzo szybkie rozprowadzenie środka strącającego w całej objętości reaktora. W opisanej koncepcji procesowej stosuje się płynny PAC w stężeniu dozowania wynoszącym około pięciu procent.
PAC jest szczególnie powszechnie stosowany w uzdatnianiu wody, ponieważ wykazuje wysoką skuteczność w destabilizacji cząstek koloidalnych, a jednocześnie można go stosunkowo łatwo kontrolować. Gdy tylko PAC dostanie się do wody surowej, powstają produkty hydrolizy zawierające glin. Reagują one z cząstkami i substancjami rozpuszczonymi obecnymi w wodzie. W wyniku tego procesu zmniejsza się ładunek elektryczny na powierzchni cząstek, co powoduje, że cząstki, które wcześniej pozostawały w stabilnej zawiesinie, tracą wzajemne odpychanie. Jednocześnie powstają drobne płatki wodorotlenku, które działają jak powierzchnie adsorpcyjne.
W praktyce oznacza to, że: bardzo drobne cząstki zawieszone, koloidy organiczne, substancje humusowe lub najdrobniejsze wodorotlenki metali nie są po prostu „odfiltrowywane”, lecz przekształcane w sposób fizykochemiczny do postaci, którą można następnie oddzielić mechanicznie. Koagulacja stwarza zatem warunki do tego, by ze składników niepodlegających osadzaniu powstały flokule podlegające sedymentacji.
Wkład energii w reaktorze koagulacyjnym jest znacznie wyższy niż w późniejszym etapie flokulacji. Jest to konieczne, ponieważ reakcje zachodzą bezpośrednio po dozowaniu, a środek strącający musi zostać równomiernie rozprowadzony w bardzo krótkim czasie. Niewystarczające wymieszanie doprowadziłoby do powstania lokalnych przypadków przedawkowania lub niedodawkowania. W przypadku niedodawkowania cząstki koloidalne pozostają stabilne, natomiast w przypadku przedawkowania flokule mogą stać się niestabilne lub może dojść do niepotrzebnie wysokiego zużycia środków chemicznych.
W związku z tym prędkość mieszania i czas przebywania są dostosowane do procesu tworzenia mikrokłaczek. Celem nie jest wytworzenie już na tym etapie dużych kłaczków, lecz osiągnięcie możliwie najpełniejszej destabilizacji składników zawartych w wodzie. Powstające mikrokłaczki stanowią następnie podstawę do właściwego procesu flokulacji w reaktorze flokulacyjnym.
Zdjęcie: Schematyczna budowa reaktora flokulacyjnego
Przepływ do reaktora flokulacyjnego i dodanie osadu kontaktowego
Po koagulacji woda przepływa przez znajdującą się poniżej rurę łączącą do reaktora flokulacyjnego. Już w tej strefie przejściowej ma miejsce kluczowy etap technologiczny: dodanie osadu z recyrkulacji.
Ten szlam powrotny pochodzi ze strefy sedymentacji i zagęszczania reaktora LHPS i zawiera już uformowane kłaczki. Dzięki jego recyrkulacji do procesu dostarczane są aktywne powierzchnie cząstek stałych oraz zarodki krystalizacji. Dzięki temu reakcje strącania i flokulacji zachodzą nie tylko w wolnej objętości wody, ale przede wszystkim na powierzchniach istniejących cząstek. Zwiększa to szybkość reakcji i poprawia stabilność powstających kłaczków.
Z punktu widzenia właściwości fizykochemicznych osad kontaktowy pełni rolę środowiska reakcyjnego i adsorpcyjnego. Drobne cząstki, rozpuszczone substancje organiczne oraz nowo powstałe struktury wodorotlenkowe mogą osadzać się na już istniejących kłaczkach. W ten sposób gęstość kłaczków w reaktorze wzrasta, a prawdopodobieństwo udanych zderzeń cząstek znacznie się zwiększa. Z wielu małych, wolno reagujących jednostek powstaje gęstszy układ kłaczków o lepszych właściwościach sedymentacyjnych.
Kolejną zaletą jest to, że reakcje strącania zachodzą wyłącznie na zawieszonych kłaczkach, a nie na ścianach, elementach wyposażenia czy mieszadłach. Pozwala to ograniczyć osadzanie się osadów w reaktorze i zwiększyć bezpieczeństwo eksploatacji. Zwłaszcza w przypadku zmiennej jakości wody surowej, co jest typowe dla uzdatniania wody rzecznej, recyrkulacja osadu kontaktowego w znacznym stopniu przyczynia się do stabilności procesu.
Dozowanie polimerów i tworzenie stabilnych makropłatków
W reaktorze flokulacyjnym dozowany jest dodatkowo polimer anionowy. Polimer ten nie służy przede wszystkim do strącania chemicznego, lecz wspomaga mechaniczno-fizyczne tworzenie się dużych, gęstych i osiadających kłaczków. Wcześniej utworzone mikrokłaczki są łączone ze sobą przez polimer. W ten sposób powstają mostki między poszczególnymi cząstkami i strukturami kłaczków, dzięki czemu kłaczki rosną i zyskują na wytrzymałości.
Dozowanie polimeru odbywa się precyzyjnie po stronie dopływu mieszadła turbinowego. Aby polimer został szybko i równomiernie wprowadzony do wody, jest on rozprowadzany za pomocą pierścienia dozującego z wieloma otworami i rozcieńczany przed dodaniem. Rozcieńczenie to jest istotne, ponieważ wysoko stężone roztwory polimerowe mogłyby lokalnie prowadzić do przedawkowania lub do powstania nierównomiernej struktury kłaczków. Dobre rozprowadzenie zapewnia, że polimer wchodzi w kontakt z jak największą liczbą mikrokłębków, a proces tworzenia mostków przebiega efektywnie.
Dawkowanie polimerów jest obliczane w zależności od przepływu wody surowej i dostosowywane proporcjonalnie. Dzięki temu stężenie substancji czynnej pozostaje stałe w stosunku do ilości uzdatnianej wody. W przypadku znacznych zmian jakości wody surowej można dostosować stężenie dozowane. Ma to szczególne znaczenie w przypadku wód powierzchniowych i rzecznych, ponieważ zmętnienie, obciążenie organiczne oraz skład cząstek stałych mogą ulegać szybkim zmianom.
Dla procesu tworzenia się kłaczków decydujące znaczenie ma nie tylko prawidłowe dozowanie środków chemicznych, ale również sposób przepływu w reaktorze. Kłaczkami muszą zderzać się ze sobą wystarczająco często, aby mogły rosnąć. Jednocześnie siły ścinające nie mogą być zbyt duże, ponieważ w przeciwnym razie duże kłaczkami ulegną ponownemu rozpadowi. Reaktor flokulacyjny LHPS został zatem zaprojektowany w taki sposób, aby doprowadzana energia, czas przebywania oraz charakterystyka mieszadła były ze sobą zharmonizowane.
Powolne mieszanie i stopniowe dostarczanie energii
W przeciwieństwie do szybkiego mieszania w reaktorze koagulacyjnym, reaktor flokulacyjny wykorzystuje wolnoobrotowe mieszadło turbinowe. Prędkość obrotowa mieści się w niskim zakresie i można ją regulować za pomocą przetwornicy częstotliwości. Celem jest równomierne, ale delikatne wymieszanie.
Ten tryb pracy ma decydujące znaczenie dla jakości kłaczków. Podczas gdy w procesie koagulacji konieczne jest dostarczenie dużej ilości energii w celu przyspieszenia reakcji chemicznych, flokulacja musi przebiegać w znacznie spokojniejszych warunkach. Powstające kłaczki mają porowatą strukturę. Muszą osiągnąć rozmiar wystarczający do sprawnego osiadania, ale jednocześnie pozostać na tyle gęste i stabilne, aby nie uległy ponownemu rozpadowi w strefie sedymentacji.
W tym celu urządzenie ALMA BHU LHPS wykorzystuje stopniowy dopływ energii. Od reaktora koagulacyjnego, poprzez reaktor flokulacji pętlowej, aż po następującą po nim strefę unoszenia, intensywność mieszania stopniowo maleje. Spadek ten wspomaga naturalny proces wzrostu kłaczków. Najpierw powstaje wiele małych mikrokłaczków, które następnie, w warunkach kontrolowanego ruchu, urastają do większych kłaczków, a w ostatniej strefie struktura kłaczków może się dalej stabilizować.
Strefa flokulacji ma budowę reaktora z pętlą mieszającą o zamkniętym obiegu. Komora obiegowa składa się z centralnej rury prowadzącej, w której zainstalowana jest turbina, oraz zewnętrznej strefy flokulacji. Oba obszary są połączone ze sobą u góry i u dołu. Dzięki temu woda krąży w kontrolowany sposób przez reaktor, co pozwala uzyskać równomierny czas kontaktu i dobre wymieszanie.
Ta konstrukcja hydrauliczna ma istotny wpływ na kinetykę flokulacji. Tworzenie się kłaczków nie jest procesem czysto chemicznym, lecz zależy w dużym stopniu od liczby skutecznych zderzeń cząstek. Zbyt mały ruch prowadzi do niewystarczającej liczby zderzeń, natomiast zbyt duży ruch niszczy już utworzone kłaczki. Reaktor ALMA BHU LHPS zapewnia równowagę pomiędzy tymi dwoma skrajnościami.
Czas przebywania jako klucz do stabilnej jakości procesu
Czas przebywania w strefie flokulacji oraz w następującej po niej strefie unoszenia wynosi w opisanym systemie około 12–25 minut. Czas ten ma zasadnicze znaczenie dla pełnego utworzenia kłaczków, a tym samym dla jakości dalszego oddzielania substancji stałych.
W tym czasie zachodzi jednocześnie kilka procesów. Zdestabilizowane cząstki osadzają się na istniejących kłaczkach, mostki polimerowe stabilizują strukturę kłaczków, a recyrkulacja osadu kontaktowego zwiększa liczbę powierzchni aktywnych. W ten sposób powstają większe i gęstsze kłaczki o dobrych właściwościach sedymentacyjnych.
Odpowiednio długi czas przebywania ma szczególne znaczenie zwłaszcza w przypadku zimnej wody. Niskie temperatury wody zwiększają jej lepkość i spowalniają wiele procesów reakcyjnych oraz transportowych. W praktyce może to prowadzić do spowolnienia wzrostu kłaczków lub do powstania kłaczków o mniejszej stabilności. Dzięki odpowiednio dobranemu czasowi przebywania oraz recyrkulacji osadu kontaktowego proces pozostaje stabilny nawet w niskich temperaturach.
Ma to szczególne znaczenie w przypadku uzdatniania wód powierzchniowych, ponieważ w ciągu roku w jeziorach i zbiornikach zaporowych występują znaczne wahania temperatury. W przypadku uzdatniania wód rzecznych mogą dodatkowo wystąpić gwałtowne zmiany zmętnienia wody surowej. Z kolei w procesie uzdatniania wody pitnej wymagana jest niezmiennie wysoka stabilność procesu, aby niezawodnie odciążyć kolejne etapy filtracji i dezynfekcji.
Sedimentacja w reaktorze LHPS
Po flokulacji woda trafia do komory sedymentacyjnej. Tam powstałe makroflokule są oddzielane od wody pod wpływem siły grawitacji. Jakość tego procesu separacji zależy bezpośrednio od struktury flokul uzyskanej wcześniej. Duże, gęste i wytrzymałe flokule opadają szybciej, co skutkuje niższymi wartościami zmętnienia w wodzie czystej.
Reaktor ALMA BHU LHPS wykorzystuje sedymentację wspomaganą lamelami. Powierzchnia sedymentacyjna zostaje w tym przypadku znacznie powiększona dzięki nachylonym modułom lamelowym. Woda przepływa w górę przez lamele, podczas gdy cząstki stałe osuwają się w dół po ich powierzchniach. Ta zasada przepływu przeciwprądowego pozwala na osiągnięcie wysokiej wydajności separacji przy stosunkowo niewielkiej powierzchni podstawy.
Opisane w niniejszym dokumencie moduły lamelowe o strukturze plastra miodu charakteryzują się korzystnymi właściwościami hydraulicznymi. Wewnątrz lamel powstają warunki uspokojonego przepływu, które sprzyjają wytrącaniu się drobnych kłaczków. Jednocześnie moduły te, dzięki swojej budowie, wykazują wysoką stabilność mechaniczną. Lamele są nachylone, dzięki czemu wytrącone kłaczki samoczynnie zsuwają się w dół i trafiają do strefy osadu.
Z punktu widzenia technologii procesowej sedymentacja lamelowa działa jak zwielokrotnienie powierzchni osadowej. W klasycznym osadniku to powierzchnia pozioma w decydującym stopniu określa możliwe obciążenie hydrauliczne. Dzięki nachylonym lamelom powierzchnia efektywna ulega znacznemu zwiększeniu. Dzięki temu reaktor można zbudować w bardziej kompaktowej formie bez pogorszenia wydajności separacji.
W przypadku instalacji do uzdatniania wody rzecznej stanowi to ogromną zaletę, ponieważ podczas powodzi mogą wystąpić duże obciążenia hydrauliczne i wysokie stężenia zawiesin. W procesie uzdatniania wód powierzchniowych technologia lamelowa umożliwia oszczędną pod względem przestrzeni konstrukcję, na przykład w przypadku ograniczonej powierzchni w istniejących stacjach uzdatniania wody. W procesie uzdatniania wody pitnej przyczynia się ona do znacznego zmniejszenia zawartości cząstek stałych przed filtracją.
Zdjęcie: Oddzielanie szlamu za pomocą separatora z lamelami o strukturze plastra miodu w reaktorze ALMA BHU LHPS
Odprowadzanie czystej wody i zapewnienie odpowiedniej jakości wody odpływowej
Woda oczyszczona jest gromadzona powyżej lamel i odprowadzana za pomocą kanałów wody czystej. Układ kanałów wody czystej został zaprojektowany tak, aby zapewnić równomierny odpływ i zapobiec powstawaniu prądów zwarciowych. Równomierne obciążenie lamel ma kluczowe znaczenie dla zapobiegania wypłukiwaniu kłaczków przez lokalne skoki natężenia przepływu.
Jakość procesu jest monitorowana podczas eksploatacji za pomocą kluczowych parametrów, takich jak zmętnienie i wartość pH. Obie te wartości dostarczają istotnych informacji na temat wydajności procesu. Rosnące zmętnienie w wodzie czystej może wskazywać na niepełną koagulację, zaburzenia w tworzeniu się kłaczków, przeciążenie hydrauliczne lub zbyt duże siły ścinające. Wartość pH wpływa na skuteczność środków strącających oraz na rozpuszczalność powstających wodorotlenków metali. Dlatego też monitorowanie pH stanowi istotny element kontroli procesu.
W procesie uzdatniania wody pitnej zależność ta ma szczególne znaczenie. Stabilne strącanie i flokulacja ograniczają nie tylko zawiesiny, ale także naturalne substancje organiczne. Dzięki temu zmniejsza się obciążenie filtrów działających na dalszych etapach procesu, może spaść zapotrzebowanie na środki dezynfekujące, a także ogranicza się powstawanie niepożądanych produktów ubocznych dezynfekcji.
Zagęszczanie osadu w systemie zintegrowanym
Płatki osadzone w strefie sedymentacji gromadzą się w dolnej części reaktora LHPS. W tym miejscu znajduje się zintegrowana strefa zagęszczania osadu. Zgarniacz transportuje osadzony osad do centralnego leja osadowego. Dodatkowe łopaty zgarniające i pręty mieszające wspomagają proces zagęszczania, mieszając osad i jednocześnie ułatwiając odprowadzanie wody w górę.
Zintegrowane zagęszczanie osadu stanowi istotną zaletę systemu LHPS. W wielu konwencjonalnych instalacjach strącania i flokulacji powstaje stosunkowo rzadki osad, który przed odwadnianiem musi najpierw zostać poddany obróbce w oddzielnych zagęszczaczach. System LHPS, dzięki połączeniu sedymentacji lamelowej, usuwania osadu i recyrkulacji, pozwala osiągnąć wysokie stężenia osadu. Dzięki temu usunięty osad często można bezpośrednio skierować do odwadniania.
Pozwala to zmniejszyć zapotrzebowanie na miejsce, ułatwia oczyszczanie osadu i może obniżyć koszty eksploatacji. Jednocześnie wysokie stężenie osadu w systemie poprawia przebieg reakcji flokulacji, ponieważ część zagęszczonego osadu jest zawracana do strefy flokulacji jako osad kontaktowy.
Osad powrotny i osad nadwyżkowy
Z centralnego leja osadowego część osadu jest zawracana jako osad powrotny za pomocą pomp ślimakowych mimośrodowych do poprzedzającego etapu flokulacji. Prędkość obrotowa pomp jest automatycznie dostosowywana w zależności od przepływu wody surowej. Dzięki temu stosunek wody surowej, dozowanych środków chemicznych i osadu kontaktowego pozostaje stabilny nawet przy zmiennym obciążeniu hydraulicznym.
Nadmiar szlamu jest oddzielnie odprowadzany z leja szlamowego. Odbiór odbywa się w trybie nieciągłym, ponieważ szlam, ze względu na swoją wysoką konsystencję, mógłby przy ciągłym transportie powodować zbyt małe prędkości przepływu w rurociągach. Transport przerywany pozwala uniknąć osadów i zatorów. System sterowania uwzględnia przy tym przepływ wody surowej, zmętnienie wody surowej oraz gęstość osadu w osadniku.
Ten sposób działania pokazuje, że obróbka osadu nie jest dodatkowym procesem odbywającym się na dalszym etapie, lecz integralną częścią uzdatniania wody. Jakość flokulacji, wydajność sedymentacji oraz stabilność zagęszczania osadu wzajemnie na siebie oddziałują. Reaktor ALMA BHU LHPS celowo wykorzystuje tę wzajemną zależność, nie tylko usuwając osad, ale również częściowo ponownie wykorzystując go jako reaktywne medium procesowe.
Zdjęcie: Oddzielacz szlamu z układem zagęszczania i okrągłym zgarniaczem w reaktorze ALMA BHU LHPS
Zautomatyzowane sterowanie procesami za pomocą ALMAControl
Proces przetwarzania w reaktorze ALMA BHU LHPS jest sterowany za pomocą systemu ALMAControl. Automatyzacja obejmuje między innymi dozowanie PAC i polimeru w zależności od przepływu wody surowej, regulację wartości pH, recyrkulację osadu oraz odprowadzanie nadmiaru osadu.
Dozowanie środków chemicznych proporcjonalne do przepływu ma szczególne znaczenie, ponieważ w wielu zastosowaniach jakość i ilość wody nie są stałe. W przypadku wód powierzchniowych na skład wody surowej mogą wpływać opady atmosferyczne, zakwity glonów lub zmiany sezonowe. W przypadku wód rzecznych często występują krótkotrwałe wahania spowodowane powodziami, naniesieniem osadów lub wpływami przemysłowymi i rolniczymi. W procesie uzdatniania wody pitnej proces ten musi jednak przebiegać w sposób na tyle stabilny, aby kolejne etapy mogły działać niezawodnie.
Oprócz natężenia przepływu kluczowymi parametrami kontrolnymi są zmętnienie i wartość pH. Wartość pH wpływa na rozpuszczalność i skuteczność produktów strącających. Jeśli wartość pH nie mieści się w optymalnym zakresie, proces strącania może przebiegać niepełnie lub może pogorszyć się jakość kłaczków. Dzięki precyzyjnemu dozowaniu kwasu lub ługu można tak dostosować parametry procesu, aby koagulacja, flokulacja i następująca po nich filtracja optymalnie ze sobą współdziałały.
Zastosowanie w uzdatnianiu wód powierzchniowych
W procesie uzdatniania wód powierzchniowych pochodzących z jezior, zapór lub zbiorników retencyjnych na pierwszym planie często znajduje się usuwanie zawiesin, glonów, substancji humusowych oraz fosforu. Zawartość tych substancji ulega znacznym wahaniom sezonowym. Podczas gdy wiosną i latem dominują procesy biologiczne, takie jak wzrost glonów, jesień i zima często wiążą się ze zwiększonym napływem substancji organicznych i cząstek mineralnych.
Reaktor LHPS nadaje się do tego zastosowania, ponieważ można go elastycznie sterować zarówno pod względem chemicznym, jak i hydraulicznym. Dzięki dozowaniu PAC drobno rozproszone cząstki i koloidy organiczne ulegają destabilizacji. Następująca po tym flokulacja przekształca te substancje w osady, które można oddzielić. Sedimentacja lamelowa niezawodnie usuwa substancje stałe, natomiast zintegrowane zagęszczanie osadu powoduje zagęszczenie powstającego osadu.
Szczególnie korzystny jest recyrkulacja osadu kontaktowego. Wody powierzchniowe często zawierają substancje, które reagują powoli lub nie w pełni. Dzięki recyrkulacji aktywnych powierzchni kłaczków poprawia się kinetyka reakcji. Substancje organiczne mogą pozostawać w kontakcie z kłaczkami przez dłuższy czas, co sprzyja ich lepszej adsorpcji. Poprawia to nie tylko jakość wody czystej, ale także odciąża kolejne etapy filtracji.
Zastosowanie w uzdatnianiu wody rzecznej
Woda rzeczna stawia szczególnie wysokie wymagania w zakresie technologii procesowej, ponieważ jej jakość i ilość mogą ulegać bardzo szybkim zmianom. Podczas powodzi poziom zmętnienia i zawartość cząstek stałych często gwałtownie wzrastają w krótkim czasie. Jednocześnie mogą pojawić się zanieczyszczenia organiczne, glony, mikrozanieczyszczenia oraz zanieczyszczenia pochodzenia rolniczego.
System oczyszczania wody rzecznej musi zatem charakteryzować się odpornością na wahania parametrów hydraulicznych i składu substancji. Reaktor ALMA BHU LHPS osiąga to dzięki połączeniu intensywnego, szybkiego mieszania, kontrolowanego flokulowania, recyrkulacji osadu kontaktowego oraz osadzania lamelowego. Dozowanie proporcjonalne do przepływu zapewnia, że ilość środków chemicznych i strumień wody surowej pozostają ze sobą zsynchronizowane. Recyrkulacja osadu zwiększa gęstość kłaczków w systemie i poprawia proces sedymentacji nawet przy zmiennym składzie wody surowej.
Sedimentacja lamelowa nadaje się szczególnie do wody rzecznej, ponieważ umożliwia oczyszczanie dużych ilości substancji stałych na niewielkiej powierzchni. Jednocześnie zintegrowane zagęszczanie zapewnia skuteczne usuwanie z procesu nawet większych ilości osadu. Stanowi to istotną zaletę eksploatacyjną, zwłaszcza w przypadku intensywnych opadów deszczu lub powodzi.
Zastosowanie w uzdatnianiu wody pitnej
W procesie uzdatniania wody pitnej strącanie i flokulacja stanowią zazwyczaj kluczowy etap wstępnego oczyszczania. Celem jest ograniczenie zawartości substancji mętnych, naturalnych substancji organicznych, glonów, żelaza, manganu, fosforu oraz zanieczyszczeń związanych z cząstkami stałymi w takim stopniu, aby kolejne etapy procesu mogły przebiegać bezpiecznie i ekonomicznie.
Reaktor LHPS wspomaga ten proces poprzez stabilne i kontrolowane usuwanie frakcji cząstek stałych i koloidów. Koagulacja zmniejsza stabilność najdrobniejszych składników zawartych w wodzie, flokulacja tworzy z nich makrofloki, które można oddzielić, a sedymentacja lamelowa usuwa je ze strumienia wody. W rezultacie uzyskuje się znacznie czystszą wodę o mniejszej zawartości cząstek stałych.
Ma to bezpośredni wpływ na bezpieczeństwo eksploatacji stacji uzdatniania wody. Można wydłużyć okresy eksploatacji filtrów, skrócić częstotliwość płukania wstecznego oraz zmniejszyć obciążenie stopni z węglem aktywnym lub membranami. Jednocześnie usuwanie naturalnych substancji organicznych może przyczynić się do zmniejszenia zapotrzebowania na środki dezynfekujące oraz ograniczenia ryzyka powstawania produktów ubocznych dezynfekcji.
W przypadku uzdatniania wody pitnej kluczowe znaczenie ma również monitorowanie procesu. Pomiary zmętnienia i wartości pH w trybie online umożliwiają ciągłą ocenę jakości wody na wyjściu. W połączeniu z automatycznym systemem sterowania reaktor LHPS można dostosować do zmieniających się warunków wody surowej bez utraty stabilności procesu uzdatniania.
Zalety systemu ALMA BHU LHPS
System ALMA BHU LHPS łączy w jednym kompaktowym układzie najważniejsze etapy chemiczno-fizycznego uzdatniania wody. W porównaniu z instalacjami konwencjonalnymi zapewnia on szereg korzyści z punktu widzenia technologii procesowej.
Intensywne, szybkie mieszanie zapewnia optymalne rozprowadzenie środka strącającego natychmiast po jego dozowaniu. Znajdująca się dalej strefa flokulacji, dzięki stopniowanemu dopływowi energii i określonym czasom przebywania, stwarza sprzyjające warunki do tworzenia się stabilnych kłaczków. Recyrkulacja osadu kontaktowego zwiększa szybkość reakcji, poprawia adsorpcję oraz prowadzi do powstania gęstszych kłaczków, które łatwiej ulegają sedymentacji.
Sedimentacja lamelowa pozwala osiągnąć wysoką wydajność osadzania na niewielkiej powierzchni. Jednocześnie zintegrowane zagęszczanie osadu zapewnia, że powstający osad może być odprowadzany w postaci skoncentrowanej i częściowo zawracany jako medium procesowe. Automatyczne sterowanie za pomocą systemu ALMAControl łączy te etapy procesu w stabilny, spójny system.
Dzięki temu system LHPS nadaje się szczególnie do zastosowań, w których stawiane są wysokie wymagania dotyczące jakości procesu, bezpieczeństwa eksploatacji oraz efektywności powierzchniowej. Dotyczy to zarówno komunalnego i przemysłowego uzdatniania wody, jak i wstępnego oczyszczania wód powierzchniowych, rzecznych oraz wody surowej przeznaczonej do produkcji wody pitnej.
Wnioski
Strącanie i flokulacja to kluczowe procesy stosowane w nowoczesnym uzdatnianiu wody. Umożliwiają one usuwanie substancji, które ze względu na swoje niewielkie rozmiary, stabilność elektryczną lub postać rozpuszczoną nie uległyby bezpośredniemu osadzaniu ani filtracji. Dzięki celowemu dozowaniu środków strącających i flokulujących substancje te ulegają destabilizacji, są wiązane w kłaczki, a następnie oddzielane mechanicznie.
System ALMA BHU LHPS realizuje tę zasadę w kompaktowym i wydajnym układzie reaktorowym. Koagulacja, flokulacja, recyrkulacja osadu kontaktowego, sedymentacja lamelowa oraz zagęszczanie osadu są ze sobą powiązane pod względem technologicznym. W ten sposób powstaje stabilny proces, który działa niezawodnie nawet przy zmiennej jakości wody surowej.
Zdjęcie: System ALMA BHU LHPS w papierni, pełniący funkcję oczyszczalni wody rzecznej
Wrażenia z zrealizowanych instalacji ALMA BHU LHPS
