Napsali o nás

Vodní hospodářství č.5/2005

Filtrační technika Culligan bourá ustálené konvence v úpravách vod II.
Úvodní a vysvětlující poznámky k technickému vývoji v oblasti filtrace

Tento článek volně navazuje na informační stať, uvedenou v předešlém čísle tohoto časopisu. Zde byla prezentována specielní dvojstupňová filtrační jednotka pro úpravy povrchových vod z produkce firmy Culligan. Jedná se dvoustupňovou filtračně – koagulační jednotku pod firemním názvem OFSY. Principem funkce je koagulační filtrace na specielních vrstvených filtračních ložích s dávkováním koagulantu na první stupeň a pomocného flokulantu na druhý stupeň filtrace při použití koagulace přímo v ložích specielních náplní za rychlostí filtrace až 20 m/hod.
Tento článek je volně převzat z prací Dr. Luciana Coccagny, Culligan Itálie jakožto teoretická podpora technických informací uvedených v minulém čísle.

Sériová OFSY filtrace představuje významný rozvoj v oblasti filtrace známe pod pojmem „kontaktní flokulace“. Nejprve je nutné definovat pojem „přímá filtrace s kontaktní flokulací“. Základním principem tohoto směru pohledu na filtraci je to, že filtr samotný je považován za „chemický reaktor“ , kde se odehrává jev koagulace a flokulace přímo na zrnech filtračního materiálu, která fungují jako „jádra“ flokulace.

Dvě výhody jsou zřejmé na první pohled

-snížení spotřeby koagulantu, jelikož u předcházejících flokulačních systémů je velká část chemikálie spotřebovávána („promrhána“) na „vytvoření“ filtrovatelných vloček.

- kapacita filtru pro „uchovávání“ rozptýlených částic se zvyšuje protože tyto nezaplňují meziprostory, ale zachycují se na zrnech, která pokrývají jakousi skořápkou.

Navíc, dva odlišné principy „klasické“ přímé filtrace a filtrace s „kontaktní flokulací“ umožňují vysvětlit významné rozdíly mezi limitními hodnotami navrhovanými jednotlivými autory ve vztahu k maximálnímu obsahu rozptýlených částic ve vodě která může být upravována přímou filtrací (od 5 –10 NTU turbidity až do 200 NTU). Dále budeme zkoumat tyto koncepce do větší hloubky, ale tento úvod nám umožňuje porozumět rozdílům v technických přístupech. Rádi bychom také zdůraznili že Culligan významnou měrou přispěl na poli vědy i techniky k rozvoji přímé filtrace s kontaktní flokulací, a to zejména řadou experimentálních výzkumů a rovněž vybudováním více než 800 (informace se váže k roku 1993-5) úpraven po celém světě.

NÁVRH FILTRU

2.1) Jedním z nejdůležitějších aspektů vlastního filtru je filtrační lože. Tradiční jednovrstvé filtry jsou stále častěji nahrazovány filtračními loži, kde se zmenšuje velikost částic ve směru proudění vody (Dual media nebo multimedia). Jejich převaha je potvrzena v odborné literatuře.

Jedno velmi jednoduché intuitivní vysvětlení se odvíjí od následujících předpokladů:

- v jednovrstvém filtru se stejnou velikostí zrn závisí filtrační kapacita na velikosti částic a proto téměř veškerá „práce“ probíhá ve vrstvě nejbližší povrchu, zejména když se tato postupně saturuje.

- po protiproudém praní se zrna přerovnají tak, že nejjemnější částice jsou u povrchu (což se u duálních filtrů neděje vzhledem k rozdílné specifické hmotnosti). Tato skutečnost ještě může zhoršit potíže uvedené výše.

Proto filtry s duálním médiem vykazují prokazatelnou jasnou výhodu výrazně snižující tlakovou ztrátu.

Je zároveň zřejmé, že se tato výhoda stává rozhodující při kontaktní flokulaci, protože v tomto případě je nezbytná objemová filtrace materiálu, který má být odstraněn

2.2) Dalším zdrojem zmatení je často rozpor gravitační a tlakové filtrace, které jsou vnímány jako oddělené procesy.

Ve skutečnosti tyto dva systémy nemají co do činění s filtračním mechanismem; tlak pouze umožňuje aplikovat větší zatížení a tím prodlužuje délku cyklu.

KONTAKTNÍ FLOKULACE

Lze konstatovat že studium tohoto fyzikálně-chemického a chemického jevu začalo jednoduchých experimentálním objevem, že pokud graf celkové efektivity (E) filtru je vykreslen ve vztahu k velikosti částic, které mají být odstraněny, výsledkem není přímá nahoru vedená přímka (tj. efektivita přímo úměrná velikosti částic) jak by si někdo mohl myslet, pokud by filtrace byla pouze mechanická, ale křivka jejíž nejnižší bod je kolem 1 ÷ 3 µm (viz obrázek na konci článku).

Zkoumání tohoto empiricky získaného faktu vedlo k objevení skutečnosti, že filtrační mechanismus probíhá ve dvou stádiích:

- transport (tj. kombinace všech sil které nesou rozptýlené částice k médiu - kolektoru

- nápor, nebo překročení bariéry energie které by samo o sobě směřovalo k odplavení rozptýlených částic protože elektrické síly, které obklopují povrch jsou stejného náboje (někdy nazývané jako duální elektrická vrstva, Nernst vrstva, Zeta - potenciál atd.)

Překročení této bariéry je možné díky použití koagulantů (běžně kovových iontů s vysokou hustotou náboje). Jev oddělitelnosti nebo kombinace sil (zvláště tření a kolize sil) schopné zachytit „lavinu“ již usazeného materiálu z granulí může být považován za třetí stádium filtračního cyklu.K tomuto stručnému popisu jevu lze připojit ještě řadu poznámek, které jsou opravdu poměrně složité:

a) první a nejdůležitější, mechanismus transportu je považovat za mechanismus sestávající ze čtyř hlavních sil:

- gravitační

- setrvačná

- tepelná (Brownův pohyb)

- hydrodynamická (nebo způsob jakým se částice pohybují směrem ke stěně filtru, vzhledem k rozdílným rychlostem vody který proudí na vnější straně

Je třeba zdůraznit, že první dvě jmenované síly jsou přímo úměrné velikosti částice, zatímco třetí - termální energie vody – je nepřímo úměrná k tomuto parametru. Složení těchto tří sil je dokonale v souladu s křivkou ve výše uvedeném grafu.

b) množství koagulantu který má být přidán (zvláště s hydrofobními koloidy) je určitým způsobem úměrné hustotě nábojů v koloidu samotném.

Toto poznámka je důležitá protože:

- vysvětluje daleko menší spotřebu koagulantu při kontaktní flokulaci ve srovnání s pre-flokulací

- v případě malého přirozeného zákalu jsou rozptýlené částice, které zákal tvoří povětšinou koloidního typu a proto mají velmi vysokou hustotu náboje. Pokud se tento přirozený zákal zvýší je nárůst počtu koloidů minimální ve srovnání s nárůstem počtu hrubších částic. Posledně zmíněné částice nejenže mají zanedbatelný elektrický náboj ale navíc jsou schopny pojmout další jemnější částice

Výsledkem je, že u filtrace s kontaktní flokulací obecně není nutné měnit dávkování koagulantu pokud se mění stupeň zakalení. Dávkování může zůstat poměrně stálé a nízké i při velmi různé koncentraci rozptýlených částic.

Tento případ je přímým protikladem k situaci, kdy probíhá čiření a „klasická“ přímá filtrace, kde hlavním úkolem koagulant je vytvořit „jádro“ pro flokulaci a proto se použité množství nevyhnutelně mění v závislosti na množství rozptýlených částic ve vodě.

c) Poté, co částice překonají energetickou bariéru mohou přilnout k zrnům filtračního materiálu.

Jelikož je po úvodní fázi filtračního cyklu filtrační minerál již zanesen permanentní „nečistotou“ kterou je prakticky nemožné jakýmkoli způsobem praní odstranit, mohou se přitažlivé síly měnit od jednoduché Van der Wallsovy síly k silnějším chemickým vazbám, které závisí na povaze filmu pokrývajícím zrno, povaze rozptýlených částic a typu použitého koagulantu. Tato skutečnost je rovněž hlavní příčinou toho, proč například některé kationtové polymery mohou být efektivnější než kovové ionty.

d) Aby se mohla uskutečnit kontaktní flokulace, je důležité přidat flokulant přímo před filtr a rozptýlit jej rovnoměrně ve vodě (G faktor sec (–1) nebo G x t).

U tlakových filtrů je tento druhý požadavek snadno vyřešen turbulencí získanou během protékání vody ventily a oblouky v potrubí.

JEDNODUCHÁ FILTRACE S KONTAKTNÍ FLOKULACÍ

Funkční limity filtrů

Jelikož ke kontaktní flokulaci dochází hluboko ve filtračním loži, nelze použít pro zachycené nečistoty pojmu „předsunutá fronta“ (používá se rovněž při mechanické filtraci). Proto je ze statistického pohledu je pravděpodobnější určitý únik zakalení, zvláště pokud jsou používány metalické koagulanty, a zejména pokud je zákal na vstupu značný.

Použití syntetických polyelektrolytů (kationtových) s rychlejší kinetickou reakcí a vytvořením hustších a odolnějších vloček, může být „předsunutá fronta“ regulována, zvláště změnami dávkování.V praxi je to však poměrně riskantní záležitost, protože není velmi obtížné zamezit ucpání povrchu. Jinými slovy rychlost flokulačních reakcí činí úpravu vody více podobnou „klasické“ přímé filtraci.Tato koncepce poukazuje na to co může být považováno za optimální podmínky fungování filtru: jinými slovy podmínky za kterých dojde k prvnímu nepřijatelnému úniku zákalu nastanou v tu samou chvíli, kdy dojde k maximální povolené tlakové ztrátě. Ve skutečnosti řada autorů podtrhuje, že tato definice není kompletní. K výše popsané situaci však nikdy nedojde, protože z mnoha důvodů se únik zakalení zpravidla objeví dlouho před zjevnou tlakovou ztrátou.

Dalším limitem je „citlivost“ filtru na jakékoli změny parametrů vstupní vody: zákal, filtrační rychlost atd

Limity upravitelnosti surové vody

O těchto limitech je velmi mnoho diskutováno a limitní hodnoty označované různými autory jsou různé, přičemž je nutné brát do úvahy že řada znečišťující látek (rozptýlené částice, zabarvení, řasy) se může vyskytovat najednou.Proto pokud je ve vodě očekáván velký obsah řas, je třeba provést předúpravu za použití mikrosít ,nebo flotace. Co se týče zabarvení (a dalších substancí, které se chovají podobným způsobem,:fosfáty, arsen apod.) je problém zcela jiný, ačkoli vede k podobným závěrům.Takovéto substance jsou odstraňovány koagulačně-adsorpčními mechanismy, kdy odstraňované částice přilnou ke vločkám (nebo metalickému oxyhydrátu) ve vrstvě tloušťky jedné molekuly. Jinými slovy se zde jedná o klasický adsobční proces který se řídí isotermickými pravidly logaritmického typu. To znamená, že na rozdíl od přirozeného zákalu mohou být tyto částice odstraněny pouze dávkováním koagulantu, které roste s koncentrací polutantů nebo pokud je snížena maximální dosažitelná koncentrace.

SÉRIOVÁ OFSY FILTRACE - VÝRAZNÉ ZKLAVITNĚNÍ FILTRACE S KONTAKTNÍ FLOKULACÍ

Sériová filtrace byla vyvinuta v rámci výzkumu firmy Culligan a ačkoli se dnes na trhu vyskytují napodobeniny existuje, jen velmi málo literatury o tomto předmětu, která by nebyla původem z firmy Culligan. Z tohoto důvodu byl v předchozím textu umíněna řada omezení filtrace s kontaktní flokulací prováděné v jednotlivých filtrech s cílem demonstrovat jak a proč sériová OFSY filtrace představuje výrazné zlepšení přesahující běžnou dvojitou filtraci.

a) první úvahou, která inspirovala výzkum bylo objevení skutečnosti, že je v podstatě nemožné optimalizovat efektivitu jednoduchého filtru. Nebo, přesněji řečeno, jelikož zákal začíná unikat dlouho před tím, než dojde k významné tlakové ztrátě, musí být filtr vyprán dlouho před tím, než se zcela vyčerpá jeho skutečná kalová kapacita. Navíc pokusy jasně dokázaly, že bez ohledu na limity zakalení udávané různými autory je jednoduchý filtr nespolehlivý pokud se mění kvalita surové vody. Pro větší názornost lze konstatovat, že přímá kontaktní filtrace je například používána ve Švýcarských vodárnách (více ne 80 %), protože se mohou spolehnout na výjimečnou a stálou kvalitu surové vody (zpravidla z jezer, jež jsou chráněna)

b) Toto vše vedlo k rozhodnutí instalovat 2 filtry do série, což mělo zpočátku jediný účel - zajistit spolehlivější úpravu vody proměnlivé kvality nebo vod s větším obsahem rozptýlených částic. Očekávaným výsledkem bylo tedy pouze to, že druhý filtr v sérii pouze dokončí práci, protože obsah polutantů v přitékající vodě bude zákonitě nižší. Ve skutečnosti bylo shledáno, že namísto získání zdvojeného potenciálu (a přirozeně i zlepšení kvality upravované vody) se efektivita (ve smyslu trvání cyklu potřebného pro zachycení částic) zvýšila daleko více než bylo původně očekáváno.

c) Výzkum poté úspěšně formuloval základní příčiny této výjimečné efektivity:

I) zakalení které odcházelo z prvního filtru způsobovaly daleko menší částice, zhruba jednotné velikosti. Tato skutečnost minimalizovala jev „detachment“ – odpojování - způsobený zejména kolizemi (lavinový efekt)

II) daleko významnější se však jeví skutečnost, že elektrochemická povaha zákalu odcházejícího z prvního filtru je naprosto odlišná od zákalu surové vody. Zejména zeta - potenciál je naprosto eliminován a proto je možné daleko přesnější vyladění určení zákalu.

Toto je obzvláště patrné u slabě anionaktivních nebo neionogenních polymerů. I když se opakovaně použijí koagulanty na bázi kovů (soli hliníku nebo železa) jsou opět získány výjimečné výsledky, protože se formují nové vazby. Tato skutečnost umožňuje významně zvýšit limit upravitelnosti, při zachování stálé kvality upravené vody Úspěšnost systému byla předvedena také při upravovaní vody s malým zákalem – po dobu několika let trval úspěšný pokus prováděný ve spolupráci s Ženevskými vodárnami (SIG).

d) Výhody oproti odstraňování metodou koagulačně-adsorpční (barev atd.) jsou naprosto zřejmé. Na prvním místě: jelikož koagulant může být rozdělen do dvou filtračních jednotek je možné upravovat vodu s daleko větším zabarvením nebo významně snížit tlakovou ztrátu.

Tato výhoda je dále ještě posílena skutečností, že na základě isotermických zákonů celkové dodané množství koagulatu je nižší, protože máme 2 oddělené kroky se dvěma oddělenými dávkováními (jinými slovy je to stejný princip, kterým se odlišuje fungování práškového aktivního uhlí rozptýleného ve vodě od granulovaného uhlí ve filtru)

e) Situace je obdobná v případě řas, jelikož dokonce i v extrémních případech není do prvního filtru v sérii přidáván koagulant, snižuje se riziko ucpání protože tento filtr pracuje prakticky jako mikroclona.

Naproti tomu druhý filtr do kterého proudí daleko méně pevných částic znovu pracuje jako dokončovatel s důkladnou koagulací. Toto je možné také zčásti díky tomu, že růst řas je větší ve vodě s malým zákalem, a tak potřeba koagulantu je za těchto podmínek daleko menší.

ZÁVĚRY

Cílem této krátké poznámky bylo zdůraznit technické a vědecké základy, které stojí za technologickou volbou firmy Culligan a které mohou být potvrzeny nesčetnými úspěšnými instalacemi. V mnoha případech předcházely instalace experimentální výzkumy přímo na místě s pilotními linkami, nezřídka souběžně s konkurenčními systémy. Dosažené výsledky vzbudily zájem rovněž ve světě vědy, přičemž firma Culligan získala jméno jako vedoucí společnost v oboru filtrace vody a zúčastnila se jako garant řady odborných akcí.

Dr. Luciano Coccagna, Culligan Itálie

Zkrácenou verzi pro potřeby toho článku upravil Ing. Karel Slavík, Culligan Praha s.r.o.

Kontaktní flokulace