Vodárenská flotace a její použití při úpravě pitné vody v ČR
V oblasti úpravy pitné vody se flotace začala používat zhruba od šedesátých let 20. století na mnoha úpravnách vod v Kanadě, USA, Velké Británii a v zemích Evropské unie, kde je zařazována jako první separační stupeň v rámci dvoustupňové úpravy vody
Úvod
Flotace byla původně využívána mimo oblast vodárenství, a to při úpravě a zpracování kovových rud. V této oblasti se od šedesátých let 19. století používá až do současnosti. V oblasti úpravy pitné vody se flotace začala používat zhruba od šedesátých let 20. století na mnoha úpravnách vod v Kanadě, USA, Velké Británii a v zemích Evropské unie, kde je zařazována jako první separační stupeň v rámci dvoustupňové úpravy vody [1].
Na zavedení procesu flotace ve vodárenství České republiky má nepochybně velkou zásluhu doc. Ing. Petr Dolejš, CSc., působící ve firmě W&ET Team České Budějovice a na Fakultě chemické VUT v Brně, který se s flotací seznámil v provozním měřítku v roce 1987 na úpravně vody v Turku v rámci pozvání na přednáškové turné do Finska a v roce 1992 využil příležitost experimentálně pracovat několik týdnů na poloprovozním modelu flotace v Anglii. Tyto výzkumy ho přesvědčily o obrovském potenciálu tohoto procesu pro úpravu pitné vody a od té doby se ho snažil uplatnit v praxi i u nás.
První realizace flotace na našem území však trvala ještě další řadu let. Až koncem roku 2005 byla v České republice uvedena do provozu první vodárenská flotace na ÚV Mostiště, kterou provozuje VAS a.s. Brno, divize Žďár nad Sázavou [2].
Princip flotace
Podstatou flotace je separace tuhých nebo kapalných částic z kapalné fáze, která se provádí zavedením jemných vzduchových bublin do kapalné fáze. Bubliny přilnou k jednotlivým částicím, čímž vytváří aglomeráty bublina – částice s hustotou nižší než kapalina. Vztlaková síla takto vzniklých aglomerátů je dostatečně velká, aby způsobila stoupání částice k hladině kapaliny. Částice jsou pak z hladiny odstraňovány sběrným zařízením jako plovoucí kal.
Po technické stránce je možno flotaci provádět různými způsoby. Podle toho, jakou metodu použijeme k produkci bublin, rozeznáváme:
- aeroflotaci (plynová flotace):
- flotace dispergovaným vzduchem,
- flotace rozpuštěným vzduchem,
- elektroflotaci.
Aeroflotace je technologie využívající vzlínavosti plynu ke zvednutí tuhé fáze v kapalině k povrchu. Při této technologii se může použít kterýkoliv plyn, který není vysoce rozpustný v kapalině, přesto se však v současnosti ve vodárenské praxi nejvíce uplatňuje vzduch.
U flotace dispergovaným vzduchem dochází k produkci poměrně velkých vzduchových bublin o průměru přibližně 1.10−3 m. Při této technologii jsou plynové bubliny tvořeny intenzivním mechanickým mícháním či probubláváním vzduchu porézním médiem. Mechanické míchání se provádí míchadlem nebo oběžným kolem. Tento typ flotace je znám spíše z rudného a metalurgického průmyslu, kde se používá již řadu let.
Při flotaci rozpuštěným vzduchem vznikají bubliny v důsledku uvolnění vzduchu z vody přesycené vzduchem. Průměrná velikost bublin je mnohem menší než u předchozího typu flotace, a to v rozmezí 7–9.10−6 m. Používají se dvě metody flotace rozpuštěným vzduchem, a to flotace vakuová a tlaková.
Elektroflotace se v mnohém podobá flotaci vzduchem. Základním rozdílem je však tvorba plynových bublin pomocí elektrolýzy. Zařízení se skládá ze dvou částí, z nichž první je flotační jednotka, která obsahuje požadovaný systém elektrod. Druhou část tvoří soubor transformátor–rektifikátor sloužící k napájení elektrod stejnosměrným proudem o nízkém napětí. Stejně jako u flotace rozpuštěným vzduchem jsou produkované bubliny velice jemné o velikosti 5–7.10−5 m a tvoří je molekuly vodíku a kyslíku (elektrolýza vody). Elektroflotace může být protiproudá nebo souproudá, a to dle směru toku vody k elektrodám. Tento druh flotace byl úspěšně zkoušen v procesu čištění odpadních vod při zahušťování kalů.
Při úpravě surové vody na pitnou se používá výhradně tlaková flotace rozpuštěným vzduchem. Navrhuje se při dvoustupňové úpravě vody jako první separační stupeň. Používá se hlavně u vod povrchových s bohatým výskytem řas, dále u vod silně zabarvených a u vod s nízkým obsahem zákalotvorných látek [3].
Do začátku devadesátých let minulého století neexistoval kvalitní teoretický koncept pro flotaci rozpuštěným vzduchem (dissolved air flotation – DAF). Ten byl sestaven až Edzwaldem a jeho spolupracovníky, kdy odstraňování částic z vody při flotaci je popisováno jako proces dvoustupňový. V prvním kroku dochází k transportu částice k mikrobublině a druhým krokem je přilnutí částice k mikrobublině. V rámci modelu jsou podrobně hodnoceny i vlivy různých proměnných, například velikost částic, velikost mikrobublin, hustota částic, teplota atd. Dle tohoto konceptu je flotaci možné popsat rovnicí (1), jejíž pravá strana je měřítkem účinnosti flotace [2]:
(1)
kde
- Np
- … koncentrace částic
- t
- … čas
- αpb
- … koeficient kolizní účinnosti mezi částicí a mikrobublinou
- ηT
- … celková účinnost jednotkového kolektoru
- Ub
- … vzestupná rychlost mikrobublin
- θb
- … objemová koncentrace mikrobublin
- db
- … průměr mikrobublin
K docílení kvalitního flotačního účinku je třeba dobrá předcházející flokulace, proto kompaktní flotační jednotka se skládá ze dvou částí – flokulační (předúprava vody) a flotační [3]. Schéma klasického uspořádání zařízení flotace je znázorněno na obr. 1 [2].
Obr. 1 Schéma klasického uspořádání zařízení flotace [2]
Flotační nádrž se skládá z několika zón. Jsou to reakční zóna, zóna vyflotované pěny a zóna vyflotované vody. V reakční (kontaktní) zóně je do přitékající upravované vody zaváděn proud kapaliny nasycené pod tlakem rozpuštěným vzduchem. Dochází zde ke vzniku agregátů spojením vloček či suspendovaných látek s mikrobublinami vzduchu, které jsou unášeny k hladině, kde vzniká tzv. zóna bílé vody. Ta v podstatě tvoří zónu vyflotované pěny. Pěna se z hladiny odstraňuje pomocí shrabováku a přes odpadní jímku odtéká do kalového hospodářství. Jímka i odtokové potrubí se musí pravidelně proplachovat. Pod zónou vyflotované pěny se nachází zóna vyflotované vody, která se odebírá pomocí dnového roštu a přes odtokovou jímku odtéká na filtraci, která tvoří při úpravě vody druhý separační stupeň. Část upravené vody se však čerpá vedlejším okruhem do saturátoru, kde se vyrábí směs vody a vzduchu, tzv. bílá voda. Saturátor je nezbytnou součástí flotace a tvoří vedlejší tlakový okruh. K saturátoru patří kompresor, který do něj přivádí stlačený vzduch. Z celkového objemu upravované vody se 6–12 % spotřebuje ve vedlejším okruhu [1].
Možnosti použití flotace ve vodárenství
Obr. 2 Oblasti vhodného výběru separačních procesů [4]
Flotace rozpuštěným vzduchem je vhodná jako první separační stupeň při úpravě povrchové vody s nižším stupněm zákalu a vysokým obsahem organických látek včetně látek huminových. Pro vysokou účinnost odstraňování organismů z vody je ve světě často používána pro odstraňování řas a sinic z eutrofizovaných vod [1]. Přehled o vhodných oblastech použití DAF uvádí obr. 2.
Jelikož většina povrchových vod v naší republice má celoročně velmi nízký zákal, je pro nás prakticky zajímavá jen oblast těsně podél osy Y. Na obrázku je tato osa označena „chlorofyl a“. Vzhledem k tomu, že také přirozené organické látky (huminové látky) tvoří agregáty s podobnými separačními vlastnostmi jako organismy, tedy s hustotou, která se velmi málo liší od hustoty vody, platil by tento obrázek i v případě, že bychom na osu Y vynesli například chemickou spotřebu kyslíku, rozpuštěný organický uhlík, celkový organický uhlík nebo barvu [4].
Příklady použití flotace v úpravnách vody v ČR
Jak již bylo zmíněno výše, první vodárenská flotace u nás byla zavedena na úpravně vody Mostiště. Úpravna vody Mostiště odebírá surovou vodu z údolní nádrže Mostiště, která se nachází v kraji Vysočina poblíž obce Olší nad Oslavou. Správcem daného povodí je Povodí Moravy, s. p. Brno. Povolení k odběru povrchové vody bylo vydáno již v roce 1995 a Qmax činí 220 l/s. Úpravna vody Mostiště zásobuje skupinový vodovod pro oblast Velké Meziříčí, Velká Bíteš, Olší nad Oslavou a Měřín a rovněž přivaděče do Třebíče a Žďáru nad Sázavou. Zásobováno je asi 85 000 obyvatel.
V letech 2002–2004 byla surová voda nádrže podle mezných hodnot zařazena do kategorie A3 jakosti surové vody. Jako problémové ukazatele se projevily jednosytné fenoly, adsorbované organické halogeny (AOX), ale i další ukazatele jako barva po filtraci, mangan, fosforečnany, chemická spotřeba kyslíku manganistanem, nasycení kyslíkem, amonné ionty, celkový organický uhlík a huminové látky. Z tohoto důvodu byl sestaven komplexní plán pro zlepšení jakosti surové vody odebírané za účelem úpravy na vodu pitnou, jehož zpracovatelem bylo Povodí Moravy, s. p. Brno. Technicky a provozně nevyhovující galeriové čiřiče a lamelové usazovací nádrže měly být nahrazeny prvním separačním stupněm, který měl mít potřebnou kapacitu a účinnost. Dalším požadavkem bylo umístit první separační stupeň do existující haly bez nároků na další výstavbu nových objektů. Požadavek na využití stávající haly splňovala flotace a sedimentace zatěžovaná mikropískem (Actiflo). Obě technologie nebyly do té doby v České republice prakticky vyzkoušeny, proto VAS a.s., divize Žďár nad Sázavou, přistoupila k postupnému poloprovoznímu testování obou technologií. Tyto zkoušky probíhaly od října 2004 do ledna 2005 a pak následovalo jejich vyhodnocení. Pro úpravnu vody Mostiště byla z obou technologií vybrána právě flotace [5].
Úspěšný provoz flotace na úpravně vody Mostiště vyvolává zájem investorů o její aplikaci i na dalších úpravnách vody. Na úpravně vody Jirkov proběhly v roce 2007 poloprovozní zkoušky flotace a sedimentace zatěžované mikropískem, ve kterých byla posuzována vhodnost těchto technologií pro první separační stupeň. Na základě těchto poloprovozních zkoušek byla zvolena pro první separační stupeň flotace. Od roku 2011 probíhá na ÚV Jirkov rozsáhlá rekonstrukce, jejíž dokončení a předpokládané zahájení zkušebního provozu je plánováno na prosinec 2012 [6].
Na úpravně vody Bedřichov proběhly v roce 2011 poloprovozní zkoušky, které byly zaměřené zejména na odstranění mikroorganismů (Merismopedia Punctata) ze surové vody. V rámci těchto zkoušek byly testovány ultrafiltrační jednotky a rovněž použití flotace v kombinaci s různými druhy filtračních náplní. Na základě provedeného variantního posouzení bylo doporučeno realizovat variantu č. II (flotace, dvouvrstvá filtrace „filtralite“), která je z pohledu vynaložených investičních, ale i provozních nákladů nejvýhodnější [6].
V současnosti je dokončena projekční příprava na rekonstrukci i dalších úpraven vody, kde se předpokládá použití flotace na prvním separačním stupni. Jedná se například o úpravny vody Meziboří nebo III. Mlýn.
Flotaci lze v úpravnách vody využít nejen jako prvního separačního stupně, ale rovněž pro zpracování odpadních vod. Myšlenka využití flotace pro zahuštění vodárenských kalů vznikla v souvislosti s přípravou rekonstrukce úpravny vody Souš. V případě této úpravny byla realizována flotace v kombinaci se šnekovým lisem, který zajišťuje odvodnění kalu. Flotace v technologické lince kalového hospodářství byla na úpravně vody Souš uvedena do provozu v roce 2008. Použití flotace pro zahuštění vodárenských kalů se ukazuje jako velmi účinné. Podmínkou pro dobrou funkci flotace je zajištění co nejvyrovnanějšího složení odpadních vod po celou dobu zpracování zásoby kalové vody [7].
Závěr
Jako první separační stupeň se do nedávné doby využívala především sedimentace nebo čiření. Oproti těmto klasickým technologiím má flotace výhodu, že je účinnější pro separaci malých částic velikosti desítek µm, které prakticky nesedimentují a jsou zpravidla zachytávány až na pískových filtrech. Vyšší separační účinnost flotace se pak pozitivně projevuje na provozu následného separačního stupně. V případě filtrace je dosahováno delších filtračních cyklů a je možné pracovat s vyššími filtračními rychlostmi.
Další výhodou flotace je vysoká účinnost odstranění především CHSKMn, zákalu, barvy a velmi vysoká účinnost odstranění biologických látek. Ve světě je proto flotace navrhována i na úpravu silně eutrofizovaných vod, kde jiné separační procesy selhávají. Příklad porovnání účinnosti separace některých řas sedimentací a flotací je uveden v tabulce 1.
| druh organismu | počty v surové vodě [buňky/ml] | po sedimentaci [buňky/ml] | po flotaci [buňky/ml] |
|---|---|---|---|
| Aphanizomenon | 179 000 | 23 000 | 2 800 |
| Microcystis | 102 000 | 24 000 | 2 000 |
| Stephanodiscus | 53 000 | 21 000 | 9 100 |
| Chlorella | 23 000 | 3 600 | 2 200 |
K výhodám flotace patří také vysoká sušina kalu, která se podle konstrukce flotace, způsobu odtahu kalu a dalších provozních požadavků pohybuje od 0,2 do 6 % [7]. Rovněž nároky na plochu jsou menší než u klasických technologií používaných pro první separační stupeň. Z tohoto důvodu je použití flotace vhodné při rekonstrukcích úpraven vod.
Nevýhodou flotace je značná energetická náročnost vyplývající z nutného chodu dmychadel a oběhových čerpadel tzv. „bílé vody“. Tato zařízení musí být v provozu na plný výkon i při nižší potřebě výroby vody. Z potřeby kontinuálního provozu strojních zařízení pak vyplývají i zvýšené nároky na servis [8].
V případě návrhu flotace do technologické linky úpravy vody pro novou úpravnu i pro rekonstrukci stávajícího provozu je důležitá řádná předprojektová příprava a ověření nasazení nové technologie v poloprovozních podmínkách.
Použitá literatura
- [1] TUHOVČÁK, Ladislav et al. Vodárenství – Úprava a doprava vody. Brno, Vysoké učení technické v Brně, 2006, 252 s.
- [2] DOLEJŠ, Petr. Flotace rozpuštěným vzduchem (DAF) pro úpravu pitné vody a její první provozní realizace v ČR. Vodní hospodářství 4 [online], 2006, s. 99–102. Dostupné z WWW: www.wet-team.cz.
- [3] TESAŘÍK, Igor. Vybrané statě z vodárenství II. Brno, Vysoké učení technické v Brně, 1984, 129 s.
- [4] DOLEJŠ, Petr. Návrhové parametry a separační účinnost flotace – ověření v provozu první vodárenské flotace v ČR na ÚV Mostiště. In Voda Zlín 2006. 1. Zlín: Zlínská vodárenská a.s., 2006. s. 131–136. ISBN: 80-239-6523-9.
- [5] DRBOHLAV, Josef; LÍBAL, Aleš; MAZEL, Luboš. Nové technologie pro úpravny vody. In Voda Zlín 2005. 1. Zlín: Zlínská vodárenská a.s., 2005. s. 111–118. ISBN: 80-239-4453-3.
- [6] STŘEDA, Pavel; DRBOHLAV, Josef; BLAŽEK, Karel. Posouzení variant technického řešení. In Pitná voda 2012. 1. České Budějovice: W&ET Team, 2012. s. 89–94. ISBN: 978-80-905238-0-7.
- [7] DRBOHLAV, Josef. Poznatky z navrhování a projektování flotace na úpravnách vody. In Pitná voda 2010. 1. České Budějovice: W&ET Team, 2010. s. 89–94. ISBN: 978-80-254-6854-8.
- [8] LÁTAL, Milan; HLAVÁČ, Jaroslav; FILLA, Josef. Minimalizace provozních nákladů při rekonstrukci ÚV Znojmo. In Pitná voda 2012. 1. České Budějovice: W&ET Team, 2012. s. 107–112. ISBN: 978-80-905238-0-7.
Příspěvek byl zpracován v rámci řešení grantového projektu specifického výzkumu VUT v Brně s názvem „Progresívní metody úpravy vody a jejich účinnost“ (FAST-S-11-24/1224).
The air flotation started to use in the area of drinking water treatment at first abroad, where in the second half of last century was used as a first stage of the two-stage water treatment plant. Flotation was used first time in the Czech Republic in the water treatment plant Mostiště in 2005. At the present time this process have started to promote mainly by reconstruction of drinking water treatment plants.