Charakterystyka metod napowietrzania ciśnieniowego wody podziemnej

Napowietrzanie jest procesem wykorzystywanym praktycznie na każdej Stacji Uzdatniania Wody podziemnej. Celem jego stosowania w układach technologicznych jest: wprowadzanie do wody tlenu oraz usunięcie rozpuszczonych w wodzie podziemnej gazów, głównie CO₂ agresywnego oraz siarkowodoru (H₂S), w zdecydowanie najmniejszym stopniu azotu amonowego, który dla pH wód naturalnych występuje praktycznie wyłączanie w postaci rozpuszczonego jonu NH₄⁺, a nie gazu NH₃ który można by odpędzić.

O efektywności wymienionych procesów decydują takie czynniki jak:

• powierzchnia wymiany gazowej - im wyższa tym wymiana gazowa zachodzi efektywniej,

• temperatura wody - im niższa tym trudniej usunąć i łatwiej wprowadzić gazy do wody,

• stężenie gazu w powietrzu w stosunku do jego stężenia w wodzie (ciśnienie parcjalne) - które decyduje o kierunku transportu gazu; przykładowo jeśli stężenie gazu w powietrzu (np siarkowodoru) nadmiernie wzrośnie, wówczas nie będzie on usuwany z wody i odwrotnie jeśli stężenie tlenu w powietrzu będzie zbyt niskie, wówczas nie będzie się on przedostawał do wody - zależność ta ma bezpośrednie przełożenie praktyczne.

Podstawowy podział procesów napowietrzania z technicznego punktu widzenia wyróżnia:

• napowietrzanie otwarte,

• napowietrzanie ciśnieniowe.

Zaś na wybór danego systemu wpływają:

• zasadowość wody i jej odczyn, pośrednio zawartość dwutlenku węgla agresywnego,

• zawartość siarkowodoru w wodzie

• w mniejszym stopniu zastosowany na SUW układ hydrauliczny (grawitacyjny bądź ciśnieniowy), choć ten element ma coraz mniejsze znaczenie.

Generalnie, zdecydowanie większą efektywność zarówno wymiany gazowej, jak i natlenienia wody uzyskuje się w wszelakich systemach napowietrzania otwartego, które zostaną dokładnie scharakteryzowane w kolejnym artykule z cyklu.

Przewagą systemów ciśnieniowych jest z kolei to, że zajmują mało miejsca i pozwalają ograniczyć ilość stopni pompowania. Potencjalnie wiążą się również z niższymi kosztami inwestycyjnymi.

W niniejszym artykule zostanie przeanalizowana eksploatacja systemów ciśnieniowego napowietrzania wody podziemnej.

 

 

Charakterystyka podstawowych urządzeń napowietrzania ciśnieniowego wody

 

Spośród eksploatowanych na SUW systemów napowietrzania do najczęściej stosowanych zaliczyć można

• napowietrzanie metodą „rura w rurę”,

• napowietrzanie przy użyciu strumienic (inżektorów),

• napowietrzanie przy użyciu aeratorów montowanych przed każdym filtrem ciśnieniowym,

• centralne aeratory ciśnieniowe.

Pierwszy z wymienionych systemów trudno jest nazwać sposobem napowietrzania wody. Często jest on traktowany jako rozwiązanie doraźne, przed zastosowaniem bardziej efektywnego sposobu napowietrzania.

Polega na wprowadzeniu rurociągu z powietrzem bezpośrednio do kolektora doprowadzającego wodę surową na SUW, albo przed każdy z filtrów ciśnieniowych oddzielnie.

Do zdecydowanych wad takiego rozwiązania można zaliczyć:

• minimalną powierzchnią kontaktu na linii woda - powietrze, w efekcie czego uzyskuje się niski stopień wysycenia wody z tlenem,

• brakiem odgazowania wody,

• z reguły całe wprowadzone i wymieszane z wodą powietrze ucieka od razu pierwszym odpowietrznikiem

• jeśli odpowietrzniki nie pracują należycie następuje z kolei odwrotne zjawisko - zapowietrzanie filtra, bądź złoża filtracyjnego,

• w sytuacji napowietrzania wody, przed każdym filtrem oddzielnie bardzo trudno ustalić warunki jednakowego natlenienia wody,

• bardzo niski czas kontaktu wody z powietrzem, który jest w zasadzie równy czasowi przepływu wody przez odcinek od miejsca wprowadzenia powietrza do najbliższego zaworu odpowietrzającego (chyba że takowego nie ma).

Do jedynych zalet można zaliczyć:

• minimalne koszty ,

• kompaktowość.

Skuteczność działania systemu uzdatniania wody z napowietrzeniem metodą „rura w rurę” zależy od składu chemicznego surowca. Jeśli woda nie zawiera nadmiaru gazów niepożądanych, a stężenia wskaźników takich jak żelazo, czy jon amonowy nie wykraczają znacząco poza normy, wówczas napowietrzenie wody - czy raczej wprowadzenie do wody tlenu tą metodą może być wystarczające.

Jeśli jednak z przyczyn technicznych istnieje konieczność eksploatacji tego typu systemu dla wody trudniejszej można choć trochę poprawić jego efektywność poprzez:

• włączenie powietrza w rurociąg z wodą surową możliwie jak najdalej od filtrów (przy czym trzeba sobie zdawać sprawę z tego, że w takiej sytuacji będzie dochodziło do wytrącania np żelaza w tymże rurociągu, co oczywiście będzie wymuszało jego częstsze czyszczenie, ale z drugiej strony uzyska się poprawę czasu kontaktu wody i powietrza),

• montaż za punktem wprowadzenia powietrza, mieszacza statycznego, lub choćby kryzy dławiącej, w efekcie czego uzyska się lepsze wymieszanie tych dwóch mediów i wyższą powierzchnię wymiany gazowej.

Generalnie jednak trzeba podkreślić, że ten system napowietrzania wody należy traktować jako doraźny, zaś jego eksploatacja może być źródłem wielu problemów w uzdatnianiu wody, mających swoje podłoże, czy to w niedostatecznym natlenieniu wody, zbyt krótkim czasie kontaktu wody i powietrza, czy też słabym odgazowaniu.

Napowietrzanie inżektorowe jako druga z wymienionych metod również jest stosowane na wodociągach i to zarówno dużych jak i niewielkich.

Schemat inżektora przedstawiono na rysunku 1.

Rysunek 1. Inżektor - przekrój

Strumień płynącej wody natrafia na przewężenie na który następuje wzrost prędkości przepływu, ale spadek ciśnienia. Przy odpowiednim przepływie wody spadek jest tak duży, że tworzy się podciśnienie, w efekcie czego następuje zassanie powietrza do wnętrza inżektora. Zassane powietrze miesza się z wodą.

Ilość zassanego powietrza zależy zatem bezpośrednio od przepływu wody surowej. Jeśli przepływ będzie zbyt mały powietrza będzie również mało i odwrotnie. Z kolei oczywiście przewężenie wywołuje stratę ciśnienia. Im większy przepływ, tym strata ciśnienia na inżektorze wyższa, co należy uwzględnić przy doborze odpowiednich pomp.

Najczęstsze problemy w eksploatacji tego typu urządzeń to właśnie niedopasowanie rozmiarów inżektora do przepływu, lub zmienność dobowa czy sezonowa produkcji wody.

Zdarzają się bowiem sytuacje, że maksymalna produkcja różni się w stosunku do produkcji minimalnej kilkukrotnie. Wówczas należy wprowadzić kilka inżektorów na równoległych nitkach.

Problemów takich nie będzie w układach pracujących w systemie załącz / wyłącz, ze stałą wydajnością tłoczenia wody surowej. Wówczas zawsze przez inżektor przepłynie taka sama ilość wody, co pozwoli na precyzyjne dopasowanie wielkości urządzenia pod kątem wymaganej ilości powietrza.

O ile jednak w przypadku inżektorów ilość powietrza i stopień jego wymieszania z wodą wystarczają z reguły na natlenienie wody do wymaganego poziomu, o tyle odgazowanie wody jest już utrudnione.

Również czas kontaktu wody z powietrzem zależy od długości odcinka rurociągu pomiędzy inżektorem (miejscem wprowadzenia powietrza) a odpowietrznikiem.

Zalety to oczywiście niski koszt oraz łatwość montażu przy minimalnej powierzchni zajmowanej przez urządzenie.

Małe aeratory ciśnieniowe (mieszacze wodno - powietrzne) montowane przed filtrami ciśnieniowymi, pozwalają już na uzyskanie:

• pewnego czasu kontaktu wody z powietrzem

• wystarczającego, z reguły, natlenienia wody.

Niestety usunięcie gazów jest tutaj praktycznie niemożliwe.

Na zdjęciu 1 i 2 przedstawiono układy technologiczne bazujące na tego typu urządzeniach.

Zdjęcie 1 i 2. Małe mieszacze wodno - powietrzne montowane przed filtrami

 

 

Podstawowe problemy z jakim borykają się eksploatatorzy tego typu mieszaczy to:

• brak możliwości precyzyjnej i jednolitej regulacji ilości doprowadzanego powietrza do każdego z aeratorów zamontowanych przed filtrami (jeśli filtrów jest 4 tyleż samo jest aeratorów) - w efekcie czego na jednym filtrze woda może być przesycona powietrzem, na drugim natomiast dochodzi do stanu niedotlenienia, co skutkuje problemami technologicznymi,

• trudności z konserwacją urządzenia (zwłaszcza starego typu), gdzie nie ma możliwości dotarcia do środka i okresowego przeczyszczenia aeratora, a zdarza się, zwłaszcza w układach z dużą zawartością żelaza w wodzie surowej, że aerator lub rurociąg doprowadzający powietrze jest całkowicie niedrożny, bądź przepływ wody odbywa się tylko wąską strugą pośrodku aeratora.

Czasami, by wyeliminować pierwsze z wspomnianych uniedogodnień eksploatacyjnych montuje się aeratory tego typu w baterie, zgodnie ze zdjęciem nr 3.. Dzięki temu możliwe jest jednolite napowietrzenie całej wody trafiającej na filtry.

Poprawę efektywności i skuteczności pracy tego typu urządzeń uzyskuje się również dzięki zastosowaniu pierścieni z tworzywa (np pierścienie Raschiga, czy Białeckiego), które to pierścienie zwiększają powierzchnię wymiany gazowej. Niestety nie wszystkie układy da się przerobić w ten sposób. Na szczęście nowe aeratory tego typu są wyposażone w część z pierścieniami oraz z reguły składają się z dwóch części łączonych kołnierzowo co umożliwia ich łatwiejszą konserwację.

Zdjęcie 3. Modyfikacja układu napowietrzania polegająca na montażu aeratorów w baterie.

 

Duże centralne aeratory ciśnieniowe pozwalają na zdecydowanie najefektywniejsze z wymienionych systemów napowietrzanie wody. Niestety cały czas odgazowanie wody jest tutaj niezadowalające. Dużo zależy od rozwiązania systemu samego doprowadzenia powietrza, względnie zastosowania w aeratorze systemu wypełnień w postaci różnorakich pierścieni. Oczywiście aeratory tego typu spośród wszystkich wymienionych systemów najwięcej miejsca i są najdroższym rozwiązaniem - ale jeszcze raz należy podkreślić - najłatwiejszym w eksploatacji i najefektywniejszym.

Przede wszystkim ważne są następujące elementy:

• najdłuższy czas przetrzymania wody z powietrzem przed filtracją,

• zasilanie w powietrze z jednego rurociągu, dzięki czemu można precyzyjnie dopasować ilość powietrza do aeracji,

• cała objętość uzdatnianej wody jest napowietrzana w jednakowy sposób, tak a na każdy filtr trafia surowiec maksymalnie równomiernie natleniony.

Przykładowe układy technologiczne oparte o napowietrzanie centralne przedstawiają zdjęcia 4 i 5.

Zdjęcia 4 i 5. Układy centralnego napowietrzania wody.

 

Mimo różnic konstrukcyjnych opisanych powyżej rozwiązań układów napowietrzania ciśnieniowego wody z eksploatacyjnego punktu widzenia trzeba brać pod uwagę kilka elementów, które pozwolą ocenić, a następnie poprawić skuteczność pracy systemu.

 

Eksploatacja układów napowietrzania ciśnieniowego

W eksploatacji systemów napowietrzania ciśnieniowego wody podziemnej należy brać pod uwagę kilka podstawowych elementów, które w łatwy sposób pozwalają ocenić skuteczność układu oraz podjąć określone czynności zaradcze.

1. Kontrola systemu. Diagnostyka

Podstawowym zadaniem napowietrzania ciśnieniowego wody jest oczywiście dostarczenie tlenu do wody. Kontrola ilości tlenu odbywa się oczywiście przy użyciu sondy tlenowej z miernikiem (tlenomierza), bądź w niektórych laboratoriach jeszcze starym sposobem - metodą Winklera.

Naturalnie większą dokładność dają pomiary ma miejscu. Jednak pomiar tlenu bywa obarczony błędem - zwłaszcza jeśli wodę pobiera się do butelki nie zachowując przy tym elementarnych zasad - tj. przede wszystkim zasady minimalizacji rozdeszczenia (wtórnego natlenienia) strumienia pobieranej do badań wody.

Najlepsze wyniki (najbardziej stabilne) dają pomiary ciągłe - których najprostszą odmianą jest metoda polegająca na wprowadzeniu strumienia badanej wody (najlepiej wężem) do zlewki (lub innego naczynia), w której znajduje się sonda tlenowa i dokonywania pomiaru przy ciągłym przepływie tejże badanej wody. Badanie tą metodą np wody surowej (przed napowietrzeniem) pozwala stwierdzić stężenia tlenu nawet < 0,3 mgO₂/L.

Celem oceny skuteczności napowietrzania wody tlen mierzy się w następujących miejscach ciągu technologicznego:

• w wodzie surowej (niekiedy bowiem zdarza się tak, że woda surowa zawiera nawet kilka miligramów O₂/L),

• po napowietrzeniu (po aeratorze), jeśli jest kurek probierczy; w tym miejscu w oznaczeniu zawartości tlenu czasami przeszkadzają pęcherze nierozpuszczonego powietrza osadzające się na sondzie tlenowej, co niejednokrotnie istotnie zakłóca pomiar i zniekształca wynik,

• po filtrach - tutaj z reguły woda jest już ustabilizowana gazowo, nie powinna zawierać pęcherzy powietrza, które przeszkadzają w pomiarze, stąd wynik zazwyczaj jest najbardziej wiarygodny.

Oczywiście jedna rzecz to pomiar, a inna to stwierdzenie, czy zmierzona zawartość tlenu jest wartością wystarczającą czy też nie.

Do czego zużywany jest tlen w procesach uzdatniania wody podziemnej? Otóż podstawowe procesy zużywające określone ilości tlenu (wg równań chemicznych) to:

• utlenianie jonu amonowego - biologiczna nitryfikacja, która jest najbardziej tlenochłonnym procesem technologicznym, zużywając wg. obliczeń stechiometrycznych ok 4,6 mgO₂/mgN-NH₄⁺, rzeczywiste zużycie z różnych przyczyn jest nieco niższe i np wg badań autora może nawet spadać dwukrotnie (do 2,0 - 3,0 mgO₂/mgN-NH₄⁺)

• utlenianie manganu - zgodnie z równaniem stechiometrycznym na 1,0 mgMn potrzeba ok 0,29 mgO₂/L,

• utlenianie żelaza - tutaj teoretyczne zużycie tlenu jest najniższe bo ok 0,14 mgO₂/1,0 mgFe⁺²/L, choć niektórzy autorzy [A.L Kowal, M. Świderska - Bróż: Oczyszczanie wody; PWN W-wa - Wrocław 2000], podają, że w zakresie pH 6,0 - 8,0 skuteczne utlenianie żelaza przebiega przy zawartości tlenu 0,5 - 0,9 mgO₂/mgFe⁺², zaś bez korekty pH należy przyjąć nawet 1,0 mgO₂/mgFe⁺².

Poza tym tlen zużywany jest również na inne procesy biochemicznego utleniania, czy to materii organicznej, czy to np siarczków, jednak z reguły są to procesy pomijane w obliczeniach zużycia tlenu.

Znając zatem skład chemiczny wody surowej w zakresie trzech wymienionych wskaźników można teoretycznie wyznaczyć zapotrzebowanie wody na tlen. W praktyce określa się je na podstawie wartości stechiometrycznych.

Przykład 1.

Określić stechiometryczne zapotrzebowanie na tlen dla wody o jakości: Fe: 1,0 mg/L; Mn: 0,5 mgMn/L, N-NH₄⁺: 1,0 mg/L.

Zgodnie z przedstawionymi powyżej informacjami:

Z_O2 = 1,0 mgFe/L*0,14 mgO2/mgFe + 0,5 mgMn/L*0,29 mgO₂/mgMn +

+ 1,0 mgN-NH₄+ *4,6 mgO₂/mgN-NH₄

Z_O2 = 4,88 mgO₂/L

Dodatkowo przy określaniu zapotrzebowania wody na tlen dodaje się ok 3,0 mgO₂/L po filtrach, stąd całkowite zapotrzebowanie (uwzględniające powyższy dodatek), jakie powinno zostać zapewnione przez układ napowietrzania wyniesie:

Z_O2^Calk. = 4,88 + 3,0 = 7,88 mgO₂/L

Mierząc zatem stężenie tlenu na wlocie do filtrów oraz po filtracji powinno się uzyskać w omawianym przykładzie wartości:

• po napowietrzaniu ok 8,0 mg/L,

• po filtracji ok 3,0 mg/L.

Są to jednak tylko przybliżone wartości i czasami przy niższych stężeniach tlenu również uzyskuje się wymaganą skuteczność usuwania wskaźników z wody do poziomu zgodnego z normami.

Jak wspomniano wcześniej ważniejsze i bardziej miarodajne są wyniki badań stężenia tlenu po filtrach i to względem tych odczytów powinno się dokonywać dosterowania ilości doprowadzanego powietrza.

Stwierdzony niedobór tlenu nierzadko jest przyczyną zakłóceń procesów technologicznych w tym przede wszystkim usuwania jonu amonowego i pośrednio również manganu. W skrajnych przypadkach (całkowitego niedotlenienia) może dochodzić również do zakłóceń w usuwaniu z wody żelaza, co może wywoływać trudne do odwrócenia skutki - zwłaszcza w procesie odmanganiania wody (żelazo nieutlenione tlenem, będzie przenikało coraz głębiej w złoże filtracyjne, zatrzymując się na powłokach katalitycznych usuwających mangan, pokrywając je i dezaktywując). Stąd tak ważne są pomiary zawartości tlenu w układzie technologicznym.

Drugie zadanie układu napowietrzania - odgazowanie można skontrolować poprzez pomiar odczynu wody przed i po napowietrzaniu.

Zawarte w wodzie gazy - dwutlenek węgla (agresywny) oraz siarkowodór powodują obniżenie odczynu, który wzrasta po ich usunięciu. Wzrost pH jest proporcjonalny do skuteczności odgazowania wody - a dokładnie do ilości odpędzonego głównie agresywnego dwutlenku węgla.

Pomiar pH należy wykonać również w trzech miejscach układu technologicznego:

• w wodzie surowej,

• wodzie napowietrzonej

• wodzie po filtracji.

Kolejny istotny elementem kontroli i diagnostyki układu uzdatniania to pomiar ilości doprowadzanego do wody powietrza. Pozwala on stwierdzić wiele usterek technicznych układu i dzięki temu w porę zapobiec poważniejszym komplikacjom technologicznym.

Znajomość ilości doprowadzanego powietrza do wody i obserwacja zmian tej ilości pozwala na wyciąganie następujących wniosków:

• jeśli przy niezmienionej nastawie zaworu na rurociągu tłoczącym powietrze spada jego ilość (pośrednio np spada mierzone stężenie tlenu), wówczas jest to informacja np o kolmatacji (zapchaniu) systemu dystrybucji powietrza w aeratorze choćby żelazem,

• z drugiej strony jeśli ilość powietrza wzrasta, również bez zmiany nastawy zaworu na rurociągu doprowadzającym powietrze do wody, wówczas może to być sygnał o uszkodzeniu systemu dystrybucji powietrza w aeratorze (np urwanie dyszy napowietrzającej i zwiększenia przekroju rurociągu przez który wydostaje się powietrze),

• obniżenie sprawności sprężarki w skutek czy to uszkodzenia czy naturalnego zużycia.

Żeby jednak ocenić czy ilość powietrza do napowietrzania spada czy też wzrasta konieczna jest znajomość stanu wyjściowego - nastawy początkowej.

I tak zdecydowanie najlepszym sposobem oceny ilości doprowadzanego powietrza do aeratora jest oczywiście rotametr montowany czy to przed każdym aeratorem (zwłaszcza w układach centralnego napowietrzania ciśnieniowego), czy też na głównym rurociągu do napowietrzania wody.

Rotametry powinny zostać dobrane tak, by ilość powietrza doprowadzanego do napowietrzania wywoływała unos pływaka mniej więcej w połowie skali - dla średniego stanu produkcji.

Na zdjęciu nr 6 przedstawiono rotametr wmontowany w układ technologiczny.

 

 

W sytuacji, gdy z przyczyn technicznych bądź finansowych nie ma możliwości montażu rotametru w ustalaniu średniej ilości powietrza tłoczonego do wody można się posłużyć prostym wzorem.

Trzeba znać tylko następujące dane:

• ciśnienie przy którym załącza się sprężarka tłocząca powietrze do wody,

• ciśnienie wyłączenia sprężarki, tłoczącej powietrze,

• objętość zbiornika do którego tłoczy sprężarka

• czas cyklu postoju sprężarki - mierzony stoperem od momentu wyłączenia sprężarki przy maksymalnym ciśnieniu do jej ponownego załączenia.

Poniżej przedstawiono przykład obliczeniowy ilustrujący sposób postępowania przy wyznaczaniu przepływu powietrza do napowietrzania (zresztą również do płukania, jeśli np prowadzone jest ono ze zbiornika akumulacyjnego).

Przykład 2. Zadanie: Określić ile powietrza jest wtłaczane do aeratora jeśli:

• sprężarka załącza się przy ciśnieniu 0,4 Mpa (4 barów),

• wyłącza się przy ciśnieniu 0,6 Mpa (6 barów),

• zamontowana jest na zbiorniku 200 L (0,2 m³),

• czas pracy sprężarki od momentu załączenia przy ciśnieniu 0,4 do wyłączenia przy 0,6 Mpa - 20 sekund,

• czas obniżenia ciśnienia od momentu wyłączenia sprężarki przy ciśnieniu 0,6 do poziomu 0,4 Mpa - 50 sekund.

Rozwiązanie: Ilość powietrza jaka schodzi ze zbiornika sprężarki podczas jej postoju określa się ze wzoru:

V =[(0,6*0,2)/0,4] - 0,2 = 0,1 m³

Opis: Ciśnienie przy którym wyłącza się sprężarka (0,6 Mpa - czyli 6 bar) mnożymy przez pojemność zbiornika sprężarki - 0,2 m³ i dzielimy przez ciśnienie przy którym sprężarka się wyłącza (0,4 Mpa). Uzyskujemy wynik: 0,3 m³ od którego odejmujemy pojemność zbiornika sprężarki czyli 0,2 m³. Uzyskujemy wynik: 0,1 m³. Czyli podczas postoju sprężarki przez zmierzony stoperem czas 50 sekund ze zbiornika sprężarki uchodzi 0,1 m³. Żeby przeliczyć to na m³/h powietrza wykonujemy jeszcze jedno obliczenie:

Q = (0,1*3600)/50= 7,2 m³/h

Opis działania: Wyliczoną ilość powietrza jaka schodzi ze sprężarki - 0,1 m³ mnożymy przez 3600 i dzielimy przez zmierzony stoperem czas obniżenia ciśnienia z 0,6 - 0,4 Mpa (czyli 50 s). Uzyskujemy wydajność sprężarki w m³/h.

Oczywiście jedną rzeczą jest ustalenie ilości powietrza tłoczonego do aeratora, które posłuży dalej za podstawę do określenia ewentualnych zmian, a drugą znajomość jak dużo tego powietrza powinno być doprowadzone.

W tej kwestii obowiązują wytyczne praktyczne i teoretyczne. Z praktycznego punktu widzenia ilość powietrza doprowadzana do aeratora:

• powinna zapewnić stężenie tlenu w wodzie napowietrzonej na poziomie pokrywającym zapotrzebowanie - jest to cel nadrzędny,

• nie powinna powodować przesycania wody, skutkującego np pojawieniem się pęcherzy powietrza po filtrach.

Z teoretycznego punktu widzenia, wg danych literaturowych:

• najczęściej przyjmuje się, że ilość powietrza powinna stanowić ok 10 % ilości uzdatnianej wody,

• wg (Kowal, Świderska - Bróż: Oczyszczanie wody) ilość powietrza powinna zostać uzależniona od ilości żelaza w wodzie surowej i tak:

• < 5,0 mgFe/L, wówczas należy doprowadzić 2 % powietrza w stosunku do ilości wody,

• 5 - 8 mgFe/L - 3 % powietrza w stosunku do ilości wody surowej,

• > 8,0 mgFe/L - 5 % powietrza w stosunku do ilości wody surowej.

Porównanie faktycznej ilości powietrza doprowadzonej do wody (rotametr lub metoda obliczeniowa) z ilości teoretyczną oraz zawartością tlenu w wodzie pozwalają ustalić przede wszystkim efektywność pracy aeratora, względnie pośrednio ocenić spadek tej efektywności.

O wysokiej (wystarczającej) skuteczności możemy mówić wówczas, gdy mała ilość powietrza (zgodna z zaleceniami teoretycznymi) pozwoli osiągnąć wymagane stężenie tlenu.

Jeśli wymagane stężenie tlenu w wodzie po napowietrzeniu osiągane jest kosztem dużej ilości powietrza wtłaczanego do wody (z praktyki autora znane są przypadki, w których by uzyskać wystarczający poziom tlenu w wodzie konieczne jest doprowadzenie ok 1,0 m³ powietrza, na 1,0 m³ napowietrzanej wody) z reguły jest to informacja o:

• uszkodzeniu aeratora - systemu doprowadzenia powietrza,

• złym rozwiązaniu systemu dystrybucji powietrza w aeratorze.

Zazwyczaj przypadki te sprowadzają się do punktowego wprowadzenia powietrza, jednym rurociągiem do aeratora.

O ile niewystarczająca ilość powietrza, wywołuje głównie skutki technologiczne w układzie uzdatniania związane z brakiem tlenu (zaburzenia usuwania manganu, jonu amonowego, żelaza; tudzież warunki beztlenowe na sieci i efekty „zapachowe”), o tyle nadmiar powietrza wtłoczony do wody wywołuje:

• wydzielanie się powietrza w filtrze nad złożem filtracyjnym - co przy niedostatecznym odgazowaniu zaworami odpowietrzającymi, może prowadzić do tworzenia poduszek powietrznych i dławienia przepływu przez filtr,

• wydzielanie powietrza z wody na złożu filtracyjnym - co powoduje zapowietrzanie filtra, a tym samym zmniejszanie powierzchni przez którą filtruje się woda i ograniczanie efektywności uzdatniania (zwiększanie rzeczywistej prędkości filtracji); odpowietrzanie się takiego złoża w trakcie pracy - co powoduje zrywanie zatrzymanej zawiesiny (odcedzonego żelaza do odpływu) - przechodzenie do wody uzdatnionej i do zbiorników,

• przechodzenie powietrza do wody uzdatnionej - widoczne pęcherzyki powietrza w wodzie po filtracji i porywanie wraz z powietrzem zatrzymanego żelaza,

• pracę sprężarki bez przerwy w trakcie napowietrzania (w trakcie pracy studni głębinowej w systemie załącz/wyłącz), co powoduje szybsze zużywanie się tego urządzenia i niepotrzebne zużycie energii.

Jak widać kontrola ilości powietrza do napowietrzania ma istotne znaczenie i jest elementem diagnostyki układów uzdatniania.

Bezpośrednio na ilość wprowadzanego do układu uzdatniania wody powietrza wpływa ciśnienie jego tłoczenia, a właściwie porównanie ciśnienia tłoczenia powietrza w stosunku do ciśnienia tłoczonej wody w miejscu wprowadzenia powietrza.

Ma to szczególne znaczenie w małych Stacjach Uzdatniania Wody pracujących w układzie jednostopniowym, kiedy woda ze studni głębinowej, przez aeratory i filtry, tłoczona jest bezpośrednio do hydroforów.

W takiej sytuacji ciśnienie wody w miejscu wprowadzenia powietrza sięga niejednokrotnie kilku atmosfer, w efekcie czego przy zbyt słabej sprężarce może dochodzić do sytuacji, w której powietrze nie jest wtłaczane do wody.

Generalna zasada mówi, że ciśnienie powietrza w miejscu wprowadzenia do wody powinno być o ok 1,0 atm wyższe od ciśnienia wody. Przy czym w układach hydroforowych należy dodawać tę 1,0 atmosferę dla najwyższego ciśnienia na hydroforze, przyjmując dodatkowo straty ciśnienia na filtrach i orurowaniu.

Z dużym przybliżeniem minimalne ciśnienie powietrza w miejscu wprowadzenia do wody można wyznaczyć jako:

P_min = P_H^max + ΔP_F + ΔP_R + 1,0 [atm]; gdzie:

P_H^maz - maksymalne ciśnienie wody utrzymywane na hydroforach [atm],

ΔP_F - strata ciśnienia na filtrach - szacunkowo przyjmowana na poziomie 0,5 [atm] (dla filtrów przed płukaniem

ΔP_R - strata ciśnienia na aeratorach i orurowaniu - szacunkowo przyjmowana na poziomie 0,5 [atm]

Minimalne ciśnienie tłoczenia powietrza, powinno zatem spełniać kryterium przedstawione powyżej. Ciśnienie maksymalne natomiast powinno zapewnić „sensowny” cykl pracy sprężarki (załącz/wyłącz).

W układach pompowania jednostopniowego (tylko pompy głębinowe) zdarzają się sytuacje zawieszenia pracy sprężarki, jeśli źle zostaną dobrane ciśnienia tłoczenia powietrza w porównaniu z ciśnieniem wody - zwłaszcza przy zbyt niskim ciśnieniu załączenia urządzenia. Na schemacie poniżej przedstawiono istotę zagadnienia.

Dla przykładowej nastawy ciśnienia na hydroforach w granicach 3,5 - 4,5 atm, obliczonemu w przybliżeniu ciśnieniu wody w miejscu tłoczenia powietrza na poziomie 4,5 - 5,5 atm i nastawach sprężarki 4,0 - 6,0 atm może dojść do sytuacji, w której powietrze nie przedostanie się do wody.

Jest to moment, gdy ciśnienie na sprężarce spadnie np do ok 4,2 atm (a urządzenie załącza się przy 4,0 atm), a ciśnienie przy którym powietrze może zostać wtłoczone do wody wynosi minimalnie 4,5 atm. Sprężarka załączy się dopiero gdy ciśnienie np na nieszczelnościach układu obniży się do 4,0 atm, zaś to może potrwać na tyle długo, że układ rozchwieje się technologicznie.

Sytuacje takie, wbrew pozorom zdarzają się stosunkowo często, zwłaszcza, że układy oparte o hydrofory, to z reguły SUW pracujące bezobsługowo i rzadko kiedy operator dokładnie przygląda się pracy systemu.

Pomocom w diagnozowaniu takich sytuacjach (i nie tylko) jest montaż licznika motogodzin sprężarki, który pozwala ocenić przybliżony czas jej pracy za dany okres, obliczyć na tej podstawie teoretyczną ilość wtłoczonego powietrza i porównać ze stanem poprzednim.

Licznik taki pozwala również wychwycić ewentualną awarię urządzenia.

2. Konserwacja. Problemy eksploatacyjne

Podstawowy problem w eksploatacji układów napowietrzania w wodach podziemnych wiąże się z żelazem, które:

• osadza się w aeratorze, powodując zmniejszenie objętości czynnej urządzenia, skrócenie czasu przetrzymania i zmniejszenie efektywności napowietrzania,

• osadza się na układzie rozprowadzającym powietrze, powodując zmniejszenie jego przepustowości i tym samym ograniczając skuteczność natleniania wody,

• osadza się na wypełnieniach z tworzywa (np na pierścieniach Raschiga), powodując ich zapychanie.

Za zdjęciach 7 i 8 przedstawiono dwa układy napowietrzania w których zaobserwowano negatywne skutki osadzania żelaza w aeratorze.

Zdjęcia 7 i 8. Skutki osadzania żelaza w układach napowietrzania wody.

 

 

Pierwsze zdjęcie przedstawia aerator w całości wypełniony żelazem wytrąconym z wody surowej. Przepływ przez to urządzenia następował jedynie przez centralną część.

W drugim przypadku system dystrybucji powietrza uległ całkowitemu zapchaniu żelazem, tak, że powietrze praktycznie w ogóle nie przedostawało się do wody.

Z podanych czynności diagnostycznych taki stan rzeczy pozwoliłyby stwierdzić:

• pomiary ilości doprowadzanego powietrza, które wykazały by stopniowy, systematyczny spadek przepływu,

• pomiary tlenu po aeratorze i filtrach (również malejące wartości).

Dodatkowo najprostszym, a jednak dość skutecznym sposobem oceny skuteczności funkcjonowania aeratora jest metoda „na słuch” polegająca po prostu na nasłuchiwaniu aeratora i wydostających się pęcherzy powietrza.

Szczególnie intensywne zapychanie układu rozprowadzenia powietrza ma miejsce w systemach załącz/wyłącz. Wytrącone w trakcie pracy aeratora (tłoczenia wody) żelazo, sedymentuje następnie w trakcie jego postoju, osadzając się na poszczególnych elementach aeratora, powodując ich zapychanie.

Doświadczenia eksploatacyjne wykazują, że w zależności od zawartości żelaza w wodzie surowej aeratory powinny być przeglądane, bądź czyszczone nawet co pół roku - do 2 lat.

Zanieczyszczenie systemu rozprowadzenia powietrza (w układach z punktowym wprowadzeniem powietrza - miejsca wprowadzenia rurociągu z powietrzem w rurociąg z wodą surową) jest najczęstszą przyczyną problemów technologicznych z usuwaniem manganu, bądź żelaza, które pojawiają się nagle, na dobrze pracującym układzie uzdatniania wody.

W tym miejscu warto wspomnieć o układach z napowietrzaniem drobnopęcherzykowym wody. Mimo niewątpliwych korzyści związanych z najwyższą spośród prezentowanych systemów powierzchnią wymiany gazowej, która wpływa na wysoką efektywność natleniania wody, przekładającą się na uzyskiwane stężenia tlenu; podstawowy negatyw w eksploatacji tego typu systemów wiąże się z powstaniem drobnodyspersyjnej emulsji wodno - powietrznej, która bardzo trudno się rozdziela i powoduje kolmatację gazową złóż filtracyjnych, zaburzając przepływ wody przez filtry i sprzyjając niekontrolowanym zrywaniom zawiesin głównie żelazowych. Prowadzone badania wykazały, że emulsja ta może nawet przechodzić przez złoże filtracyjne przedostając się do wody uzdatnionej.

Ważnym elementem konserwacji i eksploatacji układów napowietrzania opartych o aeratory są odpowietrzniki.

W układach centralnego napowietrzania montuje się je z reguły w najwyższym punkcie na aeratorze oraz dalej na filtrach. W układach z napowietrzaniem w mieszaczach montowanych bezpośrednio przed filtrami oraz w systemach napowietrzania inżektorowego czy też „rura w rurę” jedyne odpowietrzniki zamontowane są na filtrach.

Zawór odpowietrzający ma zadanie usunąć nadmiar powietrza, które nie rozpuści się w aeratorze. Najczęściej stosowane są kulowe zawory odpowietrzające, jednak ze względu na wybitnie niekorzystne warunki w jakich muszą one pracować na aeratorach - woda agresywna i o niekiedy dużej zawartości żelaza, kule dość często się zawieszają i blokują, a sam zawór przestaje spełniać swoją funkcję.

Rozwiązaniem w takiej sytuacji jest wprowadzenie tzw. Odpowietrznika ręcznego pod zaworem kulowym - który albo będzie nastawiony na ciągłą pracę (ciągły wypływ wody, lub optymalnie wody i powietrza), albo będzie okresowo - np raz na zmianę - odkręcany celem usunięcia nadmiaru nierozpuszczonego powietrza zgromadzonego w aeratorze lub filtrze.

Po trybie pracy ręcznego odpowietrzenia można ocenić czy ilość doprowadzanego powietrza do aeratora jest właściwa. W pewnym uproszczeniu można stwierdzić, ze gdy:

• z odpowietrzenia ręcznego wydostaje się sama woda - wówczas: albo zawór jest otwarty zbyt mocno, albo ilość powietrza doprowadzana ze sprężarki jest za mała,

• z odpowietrzenia ręcznego wydostaje się samo powietrze - zdecydowanie ilość powietrza podawana ze sprężarki jest zbyt duża - konieczne jest przykręcenie powietrza na wejściu do aeratora,

• z odpowietrznika ręcznego wydostaje się emulsja wodno - powietrzna, zawór „sapie” - oznacza to, że nastawa zaworu odpowietrzającego oraz zaworu na doprowadzeniu powietrza ze sprężarki jest optymalne.

W układzie z aeratorami centralnymi odpowietrznik może być przyczyną zmniejszenia efektywności natleniania wody. Wszystko zależy od konstrukcji samego aeratora, ale nierzadko zdarza się tak, że powietrze doprowadzone do wody ucieka od razu przez system odpowietrzający.

Duży wpływ na ten efekt ma przepływ wody (od dołu do góry, bądź od góry do dołu), a także w przypadku przepływu od dołu do góry - rozmieszczenie króćca wylotowego wody napowietrzonej.

Najbardziej narażone na błyskawiczne odpowietrzanie i tym samym zmniejszenie efektów natlenienia są aeratory z przepływem od dołu do góry, w których króciec odprowadzający wodę napowietrzoną wychodzi bocznie z płaszcza aeratora.

Zamknięcie odpowietrznika pozwala wydłużyć czas kontaktu wody z powietrzem aż do odpowietrzników montowanych na filtrach.

Te z kolei powinny być utrzymane w bezwzględnej sprawności i jeszcze zabezpieczane tzw. odpowietrzeniem ręcznym. Będzie to przedmiotem oddzielnego artykułu.

W każdym razie zawsze należy rozważyć celowość montażu oraz eksploatacji odpowietrznika na aeratorach, bo praktyczne przypadki pokazują, że jego zamknięcie może znacząco poprawić stężenie tlenu w wodzie napowietrzonej, przy braku negatywnych skutków.

Zakończenie

 

Prawidłowa eksploatacja układu napowietrzania ciśnieniowego wody wymaga kontroli kilku charakterystycznych punktów. Dokładne rozpoznanie parametrów wyjściowych pozwala następnie oceniać zmiany i korelować je z ewentualnymi problemami z jakością wody uzdatnionej.

A dobre natlenienie wody w klasycznych układach uzdatniania wody podziemnej jest jednym z determinantów wysokiej skuteczności pracy i dobrych wyników technologicznych.

 

Autor: Łukasz Weber

---