Oszczędności energii i ilości wody płucznej w procesie płukania filtrów pospiesznych wody

W artykule [1] przedstawiono równania opisujące porowatość sfluidyzowanego złoża, swobodną prędkość sedymentacji ziaren, współczynnik kształtu ziaren itp. Następnie opisano, na ile w praktyce zmienia się prędkość swobodnej sedymentacji ziaren w zależności od temperatury wody.

Wartość tej prędkości jest istotnym parametrem używanym do wyznaczenia intensywności płukania dla zadanej ekspansji złoża.

W niniejszym artykule podano wyniki obliczeń, wskazujące jak dla zadanego uziarnienia warstwy filtracyjnej można zróżnicować intensywność płukania, tak aby uzyskać taki sam stopień ekspansji w warunkach letnich i zimowych.

Należy przy tym pamiętać, że 90% ziaren wagowo powinno być sfluidyzowanych w czasie płukania wodą, a więc minimalna prędkość fluidyzacji powinna być przekroczona przez d90 dla każdej temperatury wody płucznej.

Na rys. 1 pokazano wartości wykładników n obliczone przez T. Siwca [4] dla temperatury t = 12°C, a na rys. 2 wartości minimalnych prędkości sedymentacji swobodnej dla ziaren ośmiu materiałów filtracyjnych przebadanych przez tego autora [4].

Czytaj też: Zestawy hydroforowe dla sieci wodociągowych i instalacji przemysłowych >>>

Różne temperatury, ale ta sama ekspansja

Z równania Richardson–Zaki:

(1)

można obliczyć intensywność płukania v dla znanej prędkości sedymentacji v_s oraz wykładnika potęgi n [1]. Zarówno prędkość swobodnej sedymentacji ziaren vs, jak i wykładnik potęgi n przy porowatości ε dla zadanej z góry średnicy miarodajnej ziaren są funkcją temperatury wody poprzez Re_s.

Przyjmując tę samą wartość porowatości złoża e dla różnych temperatur wody z przedziału od 1 do 28°C, obliczono wykładnik potęgi n z równań (2–9 w tab. 1) i prędkość swobodnej sedymentacji vs w tab. 2. W obliczeniach tych porowatość e przyjmowana była tak, aby zapewnić taką samą ekspansję złoża filtracyjnego, równą 20%.

Następnie obliczono wymaganą intensywność płukania (prędkość pozorną przepływu wody płucznej v) jako v = v_sεⁿ.

Dla każdego złoża filtracyjnego przyjęto ekspansję na poziomie 20%. Wyniki obliczeń przedstawiono na rys. 3, rys. 4, rys. 5, rys. 6, rys.7, rys. 8, rys. 9 i rys.10.

W legendzie po prawej stronie podano średnice poszczególnych ziaren miarodajnych w milimetrach.

Z uwagi na to, że pomiary T. Siwca [4] wykraczały poza najczęściej używane średnice miarodajne ziaren, dla dwóch najczęściej stosowanych przy uzdatnianiu wód powierzchniowych materiałów filtracyjnych, a więc piasku i antracytu, sporządzono dodatkowo rys. 11 i rys. 12, na których pokazano ponownie krzywe ekspansji w zakresie najczęściej stosowanych granulacji w filtrach pospiesznych.

Żeby można było porównać intensywności płukania wymagane dla uziarnień 3,97; 2,51; 1,73; 1,37; 1,12; 0,89; 0,71; 0,56; 0,45 oraz 0,35 mm przy krańcowych wartościach temperatur 1°C oraz 28°C, zdefiniowano dwie różne względne wartości odchylenia intensywności płukania ∆U pomiędzy temperaturami 1 i 28°C, raz oznaczone przez ∆u1 i zdefiniowane równaniem (10), a drugi raz oznaczone przez ∆u2 i obliczone według równania (11).

(10)

(11)

W tab. 3 (tab. 3a i tab. 3b) ukazano różnicę w intensywności płukania ∆u1 (10) przy krańcowych wartościach temperatur 1°C oraz 28°C dla różnych uziarnień materiałów filtracyjnych, a w tab. 4 (tab. 4a i tab. 4b) - w intensywności płukania ∆u2 (11)

Granulowany węgiel aktywny

Dostosowanie intensywności płukania do temperatury wody płucznej jest również istotne w przypadku złóż z granulowanym węglem aktywnym (GAC). Jest on stosowany jako samodzielna warstwa filtracyjna na powierzchni filtrów piaskowych lub antracytowo-piaskowych. W tym przypadku grubość tej warstwy wynosi zaledwie 30–40 cm i służy ona praktycznie wyłącznie jako materiał filtracyjny. Dzięki małemu ciężarowi właściwemu znacznie większe ziarna węgla aktywnego mogą pozostawać po płukaniu wodą na powierzchni antracytu, a tym bardziej piasku.

Węgiel aktywny jako adsorbent jest stosowany w warstwach o grubości ok. 2,5 m. Tak duże grubości są wymagane m.in. dlatego, że usuwanie pestycydów wymaga długiego kontaktu wody z granulowanym węglem aktywnym.

Jeżeli GAC stosowany jest wyłącznie jako adsorbent, to poprzedzony jest co najmniej pospiesznymi filtrami piaskowymi, a często jeszcze ozonatorami ustawionymi pomiędzy filtrami piaskowymi i złożami GAC.

Coraz częściej zauważyć jednak można tendencję do stosowania złóż GAC zarówno jako złoża filtracyjnego, jak i adsorbera. Spowodowane jest to coraz większą odpornością GAC na ścieranie i oszczędnościami wody płucznej.

W układzie znajdują się najpierw filtry piaskowe, a następnie węglowe – te pierwsze muszą być często płukane z uwagi na ich kolmatację, a drugie ze względu na zagrożenie złą bakteriologią wody. Zatem po siedmiu-dziesięciu dniach złoża GAC są poddawane płukaniu, pomimo tego, że nie nastąpił w nich widoczny wzrost oporności przepływu.

Analizy strat materiału GAC [2] wykazały, że straty w wyniku płukania są w całym okresie pomiędzy regeneracjami nieduże w porównaniu z tym, co tracone jest w czasie transportu oraz regeneracji termicznej. Dlatego coraz częściej GAC stosowany jest równocześnie jako materiał filtracyjny i adsorbent.

W takim przypadku współczynnik nierównomierności uziarnienia U = d₆₀/d₁₀ jest mniejszy, co sprzyja większej jednorodności ułożenia ziaren w pionie i w rezultacie dłuższym filtrocyklom.

Zazwyczaj w takich filtrach/adsorberach U zawiera się w granicach 1,5–1,7. Ponadto płukanie takich filtrów kończy się szybszym zamknięciem dopływu wody płucznej.

Natomiast złoża GAC stosowane wyłącznie jako adsorbery charakteryzują się większymi wartościami współczynnika nierównomierności uziarnienia U, a ich płukanie kończone jest powolnym zamykaniem wody płucznej. Prowadzi to do ułożenia ziaren drobniejszych bliżej powierzchni złoża, a ziaren grubszych poniżej. W ten sposób woda najpierw pozostaje w złożu w kontakcie z ziarnami, których zdolność adsorpcyjna jest bardziej wyczerpana, a na końcu – mniej.

Uzyskanie od producentów krzywych ekspansji GAC natrafia na trudności. Spowodowane są one zapewne niską powtarzalnością wielkości ekspansji dla tych samych granulowanych węgli aktywnych i tej samej temperatury wody płucznej.

Pamiętać należy, że ziarna GAC muszą być w pełni nasączone wodą, aby można było wyznaczyć te charakterystyki. Zmieniają się one w czasie, w miarę oblepiania ziaren biofilmem lub ich kruszenia się.

Metodę opracowania równań opisujących stopień ekspansji GAC w funkcji intensywności płukania zaproponowano w pracy [3]. Oparto ją w pierwszym podejściu na równaniu:

(12)

które zapisano przy założeniu, że dla uzyskania tej samej ekspansji potrzebna jest intensywność płukania u odwrotnie proporcjonalna do wartości dynamicznego współczynnika lepkości µ podniesionego do potęgi z.

Jako temperaturę referencyjną przyjęto 10°C, leżącą blisko połowy zakresu zmienności temperatur uzdatnionych wód powierzchniowych.

Wykładnik potęgi wynosił z = 1 dla GAC Filtracarb CC1240/65 (2), ale okazało się, że dla pięciu innych granulowanych węgli aktywnych [3]: Filtrasorb 100, 200, 400, TL820 i TL830 przyjął wartości mniejsze (tab. 5).

W tab. 5, tab. 6 i tab. 7 dwukrotnie występuje  GAC Filtrasorb 200 dla dwóch różnych równań aproksymacyjnych (14), (15) na u(p,t).

W pracy [3] zaproponowano uzależnienie wartości wykładnika z od intensywności płukania dla uzyskania 40% ekspansji w temperaturze 20°C. Uzyskane wartości z leżały na krzywej zbliżonej do paraboli, ale dane obejmowały wyłącznie intensywność płukania od 28 do 35 m/h i od 45 do 48 m/h.

Przebieg tej krzywej w przedziale intensywności płukania pomiędzy 35 a 45 m/h ma wyłącznie charakter hipotetyczny, ponadto krzywa odnosi się do węgli Filtrasorb otrzymanych z węgla kamiennego i zapewne nie ma zastosowania do innych węgli aktywnych.

Równanie (12) uzupełniono w pierwszej kolejności o jednomian pozwalający na uzyskanie lepszej dokładności w opisie intensywności płukania u dla temperatury wody t = 10°C i dla różnych wartości procentowej ekspansji złóż

Uogólnienie tak otrzymanych równań pozwoliło na opracowanie równań opisujących procentową ekspansję złóż kilku węgli aktywnych wyszczególnionych w tab. 6 [3].

Zazwyczaj zalecana jest przez producentów ekspansja złóż GAC w granicach od 20 do 30%, dlatego dla ekspansji 20% w tab. 7 zestawiono intensywności płukania przy krańcowych wartościach temperatur 1°C oraz 28°C wraz z różnicą intensywności ∆u zdefiniowaną równaniem (10) dla ∆u1 oraz równaniem (11) dla ∆u2.

Wnioski

Korzystając z badań empirycznych T. Siwca [4] oraz z równań empirycznych opisanych w artykule [1], przedstawiono w funkcji temperatury wody płucznej krzywe opisujące intensywność płukania dla ośmiu minerałów, z których buduje się złoża filtracyjne. Krzywe te odnoszą się do wartości ekspansji równej 20%.

Następnie bazując na równaniach wyprowadzonych w artykule [3], zestawiono intensywności płukania w funkcji temperatury wody płucznej dla tej samej ekspansji dla sześciu granulowanych węgli aktywnych (GAC).

Otrzymane wyniki obliczeń zasadniczo potwierdzają, że dla tego samego materiału filtracyjnego im drobniejsze jest uziarnienie złoża, tym większa różnica względna w wymaganej intensywności płukania dla warunków letnich i zimowych.

Łatwo można to spostrzeżenie uzasadnić tym, że im mniejsze ziarno, tym mniejsza prędkość swobodnej sedymentacji, a więc tym mniejsza liczba Reynoldsa. Im mniejsza jest wartość tej liczby, tym większy wpływ lepkości na opory ruchu, a współczynnik kinematycznej lepkości dla wody i innych cieczy wyraźnie maleje wraz ze wzrostem temperatury.

W tab. 3 (tab. 3a i tab. 3b) i tab. 4 (tab. 4a i tab. 4b) zdarzają się pojedyncze przypadki wzrostu ∆u1 oraz ∆u2 dla kolejnej mniejszej frakcji. Może to wynikać z faktu, że w badaniach eksperymentalnych [4], których wynikami posłużono się tutaj dla celów obliczeniowych, ziarna miały bardziej lub mniej zaoblone krawędzie.

Drugą bardzo prawdopodobną przyczyną były występujące w czasie pomiarów nieduże różnice temperatur wody płucznej, w okolicach 12°C.

Wyniki jednoznacznie wskazują, że w przypadku prowadzenia płukania wodą powierzchniową konieczne jest zróżnicowanie intensywności płukania od temperatury wody, jeżeli oczekujemy tej samej wartości ekspansji latem i zimą. Brak takiego zróżnicowania może prowadzić do utraty ziaren, wody płucznej i energii zimą lub zbyt małej intensywności płukania latem, co skutkuje sklejaniem ziaren i w rezultacie ich częściową utratą.

Literatura

1. Dąbrowski W., Plata M., Podstawy teoretyczne płukania filtrów pospiesznych wody, „Rynek Instalacyjny” nr 5/2018.
2. Dąbrowski W., Korczak P., Strategia płukania filtrów w ujęciu monograficznym, Politechnika Krakowska, Kraków 2008.
3. Dąbrowski W., Spaczyńska M., Mackie R.I., A model to predict Granular Activated Carbon backwash curves, „Clean Soil, Air, Water” 2008, 36, 1, p. 103–110.
4. Siwiec T., Warunki płukania filtrów jednowarstwowych i wielowarstwowych wybranych złóż filtracyjnych, Wydawnictwo SGGW, Warszawa 2007.

Czytaj też: Zabezpieczenie przed wtórnym zanieczyszczeniem wody >>>

Chcesz być na bieżąco? Zapisz się do naszego newslettera!