Skuteczność napowietrzania wody w aeratorze rurowym wypełnionym pierścieniami Białeckiego

Napowietrzanie wody jest procesem bardzo złożonym. Na jego przebieg ma wpływ wiele czynników, oddziałujących wprost lub pośrednio. Rozpuszczalność tlenu w wodzie zależy głównie od temperatury i turbulencji wody, a w mniejszym stopniu od ciśnienia, stopnia zasolenia i właściwości fizyko-chemicznych tlenu. Wzrost temperatury wody powoduje spadek rozpuszczalności tlenu w wodzie.

Siłą motoryczną reakcji rozpuszczania się tlenu jest różnica stężeń tlenu – między stężeniem aktualnie panującym w wodzie a stężeniem w stanie równowagi. Wzrost turbulencji wody powoduje wzrost rozpuszczalności tlenu.

W dostępnej literaturze naukowo-technicznej niewiele jest informacji dotyczących badań skuteczności napowietrzania wody, hydraulicznych warunków pracy oraz zasad projektowania i eksploatacji aeratorów rurowych z pierścieniami Białeckiego [2, 3, 5, 6, 8, 10]. Zaletami aeratorów rurowych w stosunku do klasycznych są:

• mała przestrzeń zabudowy,
• dobra skuteczność napowietrzania wody
• i łatwa eksploatacja [7].

Aeratory rurowe instalowane są pionowo w ciągu rurociągów doprowadzających wodę do filtrów.

W artykule przedstawiono analizę porównawczą uzyskanych wyników badań zawartości tlenu w wodzie po aeratorze rurowym z pierścieniami Białeckiego. Badania przeprowadzono w warunkach technicznej eksploatacji Naukowo-Badawczej Stacji Wodociągowej Szkoły Głównej Gospodarstwa Wiejskiego w Warszawie (NBSW SGGW). Zakres badań obejmował aerator rurowy o średnicy 200 mm współprądowy z pierścieniami Białeckiego ze stali nierdzewnej o średnicy 12 mm.

Budowa i zasada działania stacji uzdatniania wody

Naukowo-Badawcza Stacja Wodociągowa Szkoły Głównej Gospodarstwa Wiejskiego jest w wysokim stopniu zautomatyzowana i wyposażona w elektroniczne urządzenia kontrolno-pomiarowe. Stacja uzdatniania produkuje wodę głównie dla kompleksu uczelnianego. Woda ujmowana z utworów czwartorzędowych czerpana jest z trzech studni wierconych (rys. 1).

 W wodzie surowej przekroczone są parametry żelaza i manganu [6]. Parametry ujmowanej wody muszą być dostosowane do obowiązujących norm zgodnie z rozporządzeniem Ministra Zdrowia [14, 15].

Technologia uzdatniania wody opiera się na napowietrzaniu wody w aeratorze i jej filtracji przez złoże z piasku kwarcowego w odżelaziaczu, a następnie przepływie przez aktywne złoże z piasku kwarcowego w odmanganiaczu.

Uzdatnianie wody odbywa się w dwóch ciągach (sekcja nr 1 i 2, rys. 1), zbudowanych z aeratora (A), filtra odżelaziającego (Fe) i filtra odmanganiającego (Mn), zakończonych zbiornikiem zapasowo-wyrównawczym (ZZ-W).

W ciągu technologicznym do uzdatniania wody ujmowanej z utworów czwartorzędowych średnica zainstalowanych aeratorów wynosi 0,2 m, długość 1,5 m, średnica pierścieni 12 mm, a miąższość zasypowa 0,75 m. Budowa filtrów odżelaziających i odmanganiających jest identyczna. Ich średnica wynosi 2,4 m, miąższość złoża właściwego to 1,0 m, a średnica ziaren od 0,8 do 1,2 mm. Miąższość warstwy podtrzymującej wynosi 0,3 m, a średnica ziaren 5–15 mm.

Proces uzdatniania wody jest następujący (rys. 1):

• Woda ze studni wierconych (2) o głębokości 30 m [6] pompami głębinowymi (1) tłoczona jest do aeratorów współprądowych (4) wypełnionych pierścieniami Białeckiego (rys. 2 - patrz: strona 2), w których następuje jej wymieszanie z powietrzem.
• Powietrze do aeratorów (rys. 1) może być wtłaczane za pomocą sprężarki (18) lub zasysane za pomocą strumienic (11) z wodą z układu pompowania drugiego stopnia.
• Mieszanina wodno-powietrzna z aeratorów przepływa do filtrów odżelaziających (5), w których na złożu kwarcowym następuje usuwanie żelaza z wody.
• Nadmiar powietrza wydostaje się przez odpowietrzniki kulowe (6), zamontowane w górnej dennicy filtrów.
• Następnie woda z filtrów odżelaziających przepływa do filtrów odmanganiających (15), w których na uaktywnionym złożu kwarcowym następuje usuwanie manganu z wody.
• Woda uzdatniona po filtrach jest tłoczona do zbiornika zapasowo-wyrównawczego (21), z którego za pomocą zestawu hydroforowo-pompowego (23) tłoczona jest do sieci wodociągowej (24).
• Płukanie filtrów (rys. 1) odbywa się najpierw powietrzem tłoczonym do układu dmuchawą (19), a następnie wodą uzdatnioną tłoczoną pompami płucznymi (20) ze zbiornika zapasowo-wyrównawczego (21).
• Popłuczyny z poszczególnych filtrów kierowane są do spustów kanalizacyjnych (14) i dalej do osadnika popłuczyn (25), w którym następuje sedymentacja osadów żelaza i manganu wypłukanych z filtrów [4].
• Woda nadosadowa z osadnika odprowadzana jest do sieci kanalizacyjnej (26).
• Poszczególne filtry płukane są pojedynczo z częstotliwością zależną od stopnia ich zakolmatowania. Częściej płukane są filtry odżelaziające, ponieważ zawartość żelaza w wodzie surowej jest osiem razy większa niż manganu [6].

Metodyka badań

• Badania zawartości tlenu w wodzie po aeratorze z pierścieniami Białeckiego wykonywano dla pierścieni czystych po płukaniu mechanicznym aeratora.
• Płukanie mechaniczne wykonywano zgodnie z zaleceniami przedstawionymi w publikacjach [6, 7].

• Zawartość tlenu w wodzie napowietrzonej oznaczono dwoma metodami (rys. 2):
  - automatycznie za pomocą sondy tlenowej typu LDO (11)
  - oraz metodą Winklera [1, 13].
• Wyniki pomiarów wykonywanych za pomocą sondy (11) rejestrowano przetwornikiem typu SC 1000 (9).
• Pomiary zawartości tlenu w wodzie po aeratorze (5) wykonano dla powietrza wtłaczanego za pomocą sprężarki i powietrza zasysanego przez strumienicę.
• W obu przypadkach pomiary zawartości tlenu O₂ w wodzie napowietrzonej przeprowadzono dla przepływów powietrza Q_p z zakresu od 50 do 250 dm³ × h^–1 z interwałem co 50 dm³ × h^–1.
• Dla każdego zadanego przepływu powietrza Q_p wykonano po trzy serie pomiarowe.
• Temperatura wody napowietrzonej w trakcie przeprowadzanych pomiarów tlenu wynosiła średnio 12,2°C, a przepływ wody Q_w przez sekcję 1 (rys. 2) pomierzony za pomocą elektronicznego przepływomierza (15) wynosił 19,45 m³ × h^–1.

• Pomiary zawartości tlenu w wodzie napowietrzonej za pomocą sondy (11) wykonywano w następujący sposób:
  - Przed rozpoczęciem każdej serii pomiarowej dla powietrza wtłaczanego za pomocą sprężarki sprawdzano, czy zawory (22, 21, 17) są zamknięte, a zawór (6) otwarty.
  - Następnie za pomocą rotametru (13) i zaworu do regulacji przepływu powietrza (14) ustawiano odpowiedni przepływ powietrza Q_p.
  - Po ustabilizowaniu się zawartości tlenu w wodzie napowietrzonej odczytywano z wyświetlacza rejestratora (9) zawartość tlenu O₂ w wodzie napowietrzonej. Natomiast przed rozpoczęciem każdej serii pomiarowej dla powietrza zasysanego za pomocą strumienicy sprawdzano, czy zawory (14 i 17) są zamknięte, a zawór (6) otwarty.
  - Następnie za pomocą rotametru (23) i zaworu do regulacji przepływu powietrza (22) ustawiano odpowiedni przepływ powietrza Q_p.
  - Po ustabilizowaniu się zawartości tlenu w wodzie napowietrzonej odczytywano z wyświetlacza rejestratora (9) zawartość tlenu O₂ w wodzie napowietrzonej.

• Pomiary zawartości tlenu w wodzie napowietrzonej metodą Winklera wykonywano w następujący sposób:
  - Przed rozpoczęciem każdej serii pomiarowej dla powietrza wtłaczanego za pomocą sprężarki sprawdzano, czy zawory (22, 21) są zamknięte, a zawory (6 i 17) otwarte.
  - Następnie za pomocą rotametru (13) i zaworu do regulacji przepływu powietrza (14) ustawiano odpowiedni przepływ powietrza Q_p, a pod wężyk (7) podstawiano butelkę do oznaczania tlenu (18).
  - Po ustabilizowaniu się zawartości tlenu w wodzie napowietrzonej butelkę (18) zamykano korkiem i niezwłocznie przystępowano do oznaczania stężenia tlenu w pobranej próbce. Natomiast przed rozpoczęciem każdej serii pomiarowej dla powietrza zasysanego za pomocą strumienicy sprawdzano, czy zawór (14) jest zamknięty, a zawory (6, 17 i 21) otwarte.
  - Następnie za pomocą rotametru (23) i zaworu do regulacji przepływu powietrza (22) ustawiano odpowiedni przepływ powietrza Q_p, a pod wężyk (7) podstawiano butelkę do oznaczania tlenu (18).
  - Po ustabilizowaniu się zawartości tlenu w wodzie napowietrzonej butelkę (18) zamykano korkiem i niezwłocznie przystępowano do oznaczania stężenia tlenu w pobranej próbce.

Wyniki i ich dyskusja

Napowietrzanie jest procesem standardowo wykorzystywanym w stacjach uzdatniania wód podziemnych do utleniania żelaza i manganu oraz usuwania rozproszonych w wodzie gazów, najczęściej agresywnego CO₂, ewentualnie siarkowodoru H₂S i rozpuszczonego jonu amonowego NH₄⁺. W przypadku wody uzdatnianej w Naukowo-Badawczej Stacji Wodociągowej (rys. 1) tlen jest wykorzystywany przede wszystkim do utleniania żelaza i manganu.

Usuwanie z wody żelaza polega na utlenieniu rozpuszczonych związków żelaza na +2 stopniu utlenienia do nierozpuszczalnych związków żelaza na +3 stopniu utleniania, a następnie usunięcie z wody tych nierozpuszczalnych związków żelaza w procesie filtracji [16].

Proces utleniania żelaza zawartym w powietrzu tlenem zachodzi zgodnie z reakcją [11]:

4Fe+2 + O₂ + 10H₂O → 4Fe(OH)₃ + 8H+

Wytworzony nierozpuszczalny koloid wodorotlenku żelaza Fe(OH)₃ (czyli rdzy) powoduje mętność wody i wpływa niekorzystnie na jej smak.

Analizując wyniki zawartości tlenu w wodzie po aeratorze mierzone automatyczną sondą tlenową, można stwierdzić, że wyższy poziom natlenienia uzyskujemy przy wykorzystaniu strumienicy. Linie trendu dla dwóch analizowanych sposobów napowietrzania wody układają się prawie równolegle względem siebie. Rozkład punktów pomiarowych oraz opisujące je linie trendu przedstawiono na rys. 3.

Współczynnik determinacji z próby R² dla poszczególnych linii trendu jest bardzo wysoki, co świadczy, że zawartość tlenu O2 w wodzie zależy przede wszystkim od przepływu doprowadzanego powietrza Q_p.

Na rys. 4 przedstawiono stężenie tlenu w wodzie napowietrzanej oznaczone przy wykorzystaniu metody Winklera.

Dla uzyskanych wyników podano również linie trendu oraz współczynnik determinacji R². Oznaczone wyniki stężenia tlenu przyjmują niższe wartości od tych pomierzonych przy wykorzystaniu sondy tlenowej. Zgodnie z kartą katalogową sondy tlenowej LDO dokładność pomiaru wynosi ±0,1 mg O₂/dm³ przy zakresie pomiarowym od 0 do 8 mg O2/dm³ [9]. Oznaczenie tlenu metodą Winklera było wykonywane bezpośrednio po pobraniu próbki, zatem należy wykluczyć wpływ opóźnienia na dokładność uzyskanego wyniku.

Analizując wyniki badań (rys. 3 i rys. 4), wyraźnie widać, że wraz ze wzrostem strumienia objętości doprowadzanego powietrza do aeratora rurowego z pierścieniami Białeckiego rośnie efektywność natleniania uzdatnianej wody. Zjawisko to występowało również w badanym aeratorze typu Venturiego [17].

Przeprowadzone badania wykazują, że w badanym zakresie pomiarowym objętość doprowadzanego powietrza ma decydujące znaczenie przy natlenianiu wody w aeratorze.

Wyższą efektywność natleniania uzyskujemy przy wykorzystaniu strumienicy. Spowodowane jest to faktem, że podczas przepływu strumienia powietrza w warunkach podciśnienia (zasysania strumienia powietrza) zachodzi zjawisko przemiany adiabatycznej (rozprężenie strumienia) i wtedy temperatura strumienia powietrza gwałtownie się obniża, co skutkuje tym, że przy niższej temperaturze strumienia powietrza więcej tlenu rozpuszcza się w wodzie napowietrzanej w aeratorze rurowym.

Bezwzględna różnica w poziomie natlenienia przy wykorzystaniu sprężarki i strumienicy jest zbliżona przy zmieniających się objętościach doprowadzanego powietrza i wynosi ok. 0,2 mg O₂/dm³ przy automatycznym pomiarze sondą tlenową oraz ok. 0,1 mg O₂/dm³ przy oznaczeniach tlenu rozpuszczonego metodą Winklera.

W przypadku różnicy względnej obserwujemy, że różnica w poziomie natlenienia jest najwyższa przy niskich objętościach wtłaczanego powietrza i maleje wraz ze wzrostem ilości doprowadzanego powietrza. Dla przykładu przy oznaczeniu metodą Winklera przy przepływie powietrza na poziomie 50 dm³/h średnie stężenie tlenu rozpuszczonego w wodzie przy wykorzystaniu strumienicy wynosi 0,22 mg O₂/dm³ i jest o ok. 83% wyższe niż przy natlenianiu sprężarką (0,12 mg O₂/dm³).

Przy dopływie powietrza na poziomie 250 dm³/h średnie stężenie tlenu rozpuszczonego w wodzie przy wykorzystaniu strumienicy wynosi 0,9 mg O₂/dm³ i jest o ok. 6% wyższe niż przy natlenianiu sprężarką (0,85 mg O₂/dm³).

Sposób napowietrzania wody ma istotne znaczenie w kontekście energochłonności stacji.

Szacuje się, że 7% światowej produkcji energii jest zużywane w procesach uzdatniania i dystrybucji wody oraz oczyszczania ścieków [18].

Stosując strumienicę do napowietrzania, rezygnujemy z wydatku energetycznego, jaki generuje nam sprężarka. Do zassania powietrza wykorzystujemy natomiast energię przepływającego strumienia wody.

Zastosowanie strumienicy powoduje jednak, że przepływający strumień wody natrafia na przewężenie, co wywołuje stratę ciśnienia i wpływa na zwiększenie energii pobieranej przez pompy.

W zrealizowanych badaniach zasysanie powietrza przez strumienicę wywołane było przepływem wody uzdatnionej pobieranej z przewodu tłocznego pompowni drugiego stopnia. Taki sposób autorzy artykułu nazywają zasilaniem wodą obcą, ponieważ nie pochodzi ona z tego samego rurociągu tłocznego, na którym zainstalowano zespół napowietrzający.

Zastosowanie strumienicy nie wpływa istotnie na zmianę hydraulicznych warunków pracy pompowni pierwszego stopnia, może jednak wpływać na nieco wyższy pobór energii przez pompownię drugiego stopnia. Jednakże woda służąca do napędu strumienicy krąży w obiegu zamkniętym.

Decyzja dotycząca wyboru sposobu dostarczania tlenu do wody powinna być poprzedzona rzetelną analizą technologiczną każdej stacji uzdatniania wody.

Podsumowanie

Przeprowadzone badania wykazały, że efektywność natleniania uzdatnianej wody rośnie wraz ze wzrostem strumienia objętości doprowadzanego powietrza do aeratora rurowego z pierścieniami Białeckiego. Wyższą efektywność natleniania wody uzyskano przy zastosowaniu strumienicy zasilanej tzw. wodą obcą niż przy zastosowaniu sprężarki.

Względna efektywność natleniania przy wykorzystaniu strumienicy była wyższa przy niskich strumieniach objętości doprowadzanego powietrza.

Wraz ze wzrostem strumienia objętości doprowadzanego powietrza względna efektywność natleniania przy wykorzystaniu strumienicy malała w odniesieniu do sprężarki.

Stosowanie rozwiązań ze strumienicą jest prostsze i mniej awaryjne niż stosowanie sprężarki z uwagi na praktycznie bezobsługową pracę. Badania zostały wykonane dla jednego, konkretnego typu strumienicy zamontowanej w pracującym układzie, co ograniczało maksymalną ilość zasysanego powietrza do 250 dm3×h-1. W związku z tym konieczne są dalsze badania dla większych średnic strumienic i większych zakresów zasysanego przez nie powietrza.

Literatura

1. Hermanowicz W., Dojlido J., Fizyczno-chemiczne badanie wody i ścieków, Wyd. Arkady, Warszawa 1999.
2. Heidrich Z., Roman M., Tabernacki J., Zakrzewski J., Urządzenia do uzdatniania wody. Zasady projektowania i przykłady obliczeń, Wydawnictwo Arkady, Warszawa 1980.
3. Kalenik M., Morawski D., Eksperymentalne badania mętności i skuteczności napowietrzania wody w aeratorze rurowym wypełnionym pierścieniami Białeckiego, „Infrastruktura i Ekologia Terenów Wiejskich” nr 3/IV, 2013, s. 217–227.
4. Kalenik M., Morawski D., Badanie ilości i prędkości sedymentacji osadów w wodach popłucznych z filtrów pospiesznych, „Nauka Przyroda Technologie” Zeszyt 5, tom 5, 2011 (czasopismo elektroniczne).
5. Kalenik M., Morawski D., Badanie skuteczności napowietrzania wody w aeratorze rurowym, „Gaz, Woda i Technika Sanitarna” nr 2/2009, s. 23–26.
6. Kalenik M., Morawski D., Badanie strat hydraulicznych i skuteczności napowietrzania wody w aeratorze rurowym, „Gaz, Woda i Technika Sanitarna” nr 12/2007, s. 14–17.
7. Kalenik M., Morawski D., Stańko G., Experimental investigation of hydraulic resistance in pipe aerators, Electronic Journal of Polish Agricultural Universities, „Civil Engineering”, Issue 4, Volume 2006 (czasopismo elektroniczne).
8. Kalenik M., Morawski D., Badanie oporów hydraulicznych wybranych urządzeń do uzdatniania wody, „Wiadomości Melioracyjne i Łąkarskie” nr 4/2004, s. 199-202.
9. Karta katalogowa sondy tlenowej LDO, HACH-LANGE sp. z o.o., 2015, www.hach-lange.pl/intellical-standardowy-czujnik-ldo-przewod-1-m, 24.02.2015.
10. Kowal A.L., Świderka-Bróż M., Oczyszczanie wody, PWN, Warszawa 2005.
11. Nawrocki J., Biłozor S., Uzdatnianie wody. Procesy chemiczne i biologiczne, PWN, Warszawa-Poznań 2000.
12. Ojo O.I., Otieno F.A., Ochieng G.M., Groundwater: Characteristics, qualities, pollutions and treatments: An overview, „Inter. J. of Water Res. and Environ. Eng.” No. 4(6), 2012, p. 162–170.
13. PN-72/C-04545/02 Oznaczanie rozpuszczonego tlenu metodą Winklera.
14. Rozporządzenie Ministra Zdrowia z dnia 29 marca 2007 r. w sprawie jakości wody przeznaczonej do spożycia przez ludzi (DzU nr 61/2007, poz. 417).
15. Rozporządzenie Ministra Zdrowia z dnia 20 kwietnia 2010 r. zmieniające rozporządzenie w sprawie jakości wody przeznaczonej do spożycia przez ludzi (DzU nr 72/2010, poz. 466).
16. Siabi W.K., Aeration and its application in groundwater purification, [in] 33rd WEDC International Conference – Acces to Sanitation and Safe Water: Global Partnerships and Local Actions, Acra, Ghana, 2008, p. 495–499.
17. Waligórski Z., Podgórniakowa M., Napowietrzanie wody, „Studia i materiały” Zeszyt 44, Instytut Gospodarki Komunalnej, Warszawa 1972.
18. Young J.S., Future water/wastewater issues utility perspective, in: New York City Water Summit, April 9, 2010.

Chcesz być na bieżąco? Zapisz się do naszego newslettera!