Διεργασία της διήθησης πόσιμου νερού ταμιευτήρων σε βαθύ στρώμα υλικών

Abstract

The objective of this work is to study Deep Bed Filtration (DBF) of surface water, intended for the production of drinking water under real conditions. Specifically the objective includes:- the study of DBF, with low quality feed water, as to its suspended solid content- the study of the possibility in applying specific techniques, such as direct and contact filtration, without the use of the stages of coagulation, flocculation and sedimentation- the phenomenological study of DBF under real operating conditions and not understrictly controlled laboratory conditions.To achieve the above objective, the effect of the following parameters was studied: i) filtration velocity ii) particle size of filter medium iii) coagulant use (alum sulfate) and doseand iv) quality of feed water as to its natural origin algae content. Since algae can release toxins and are considered to produce precursor compounds of disinfection by-products, their removal from the final drinking water is essential. The experimental work was carried out on a pilot-plant in Galatsi Water Treatment Plant of Athens Water Supply and Sewage Company (EYDAP S.A.). The experimental filter wasfed with surface water from reservoirs, used for the drinking water supply of Athens greater area. The filter medium used was sand; two different grain sizes were tested (0,6-0,8 mmand 0,8-1,2 mm). Alum sulfate was used as coagulant. 17 experimental filter runs werecarried out with raw reservoir feed water (direct filtration). In addition, 8 filter runs werecarried out with feed water after sedimentation process. From the experimental results, it was shown that the mathematical equations used in the classical filtration theory, cannot describe direct filtration process under real conditions, due to the complexity of the natural suspension and its changes. It was also shown that filtration efficiency is not independent of the influent concentration, as the classical deep bed filtration theory accepts. The difference in filter behaviour concerning the removal of algae and alum, was also noticed and studied. In case of algae, ripening of filter was obvious in most filter runs, a fact which was not observed in case of alum. The above differentiation was attributed to the different physicochemical surface characteristics of suspended particles. Direct filtration, with or without coagulant aid, was shown to be inefficient when low quality water is treated and specifically under conditions of changing influent concentration.The mechanisms controlling the removal of particles differentiate with depth and time and are dependent on the characteristics of the particles. In presence of high algae concentrations, removal seems to be controlled by algae. When alum is used, coagulation mechanisms seem to control the removal. From the study of the effect of algae on filtration it was concluded that the removal of algae depends on their cell wall type, size and shape. In case of diatoms, which are the only algae with silica cell wall, the removal depends on their size and shape. The use of alum facilitates their removal due to the neutralization of the surface electrical charges. In case of other algae, those of size larger than 50 μm, are attached on the upper part of the filter, while the smaller spherical or ovoidal cells penetrate deeper into the filter column and can even befound in the filtrate. The present study indicates the need for the development of a set of empirical rules with in aknowledge based expert system. This system would contribute to the improvement of filteroperation under real conditions and would allow a more effective management of difficult situations which could appear in practice, such as sudden changes in influent water quality.

Στόχος της παρούσας διατριβής είναι η μελέτη της διεργασίας της διήθησης βαθέος στρώματος (ΔΒΣ) επιφανειακών νερών, που προορίζονται για την παραγωγή ποσίμου νερού της Αθήνας, υπό πραγματικές συνθήκες λειτουργίας και ειδικότερα: Η μελέτη της διεργασίας, όταν ως τροδοφοσία χρησιμοποιείται νερό χαμηλής ποιότητας ως προς τα περιεχόμενα αιωρούμενα Η διερεύνηση της δυνατότητας εφαρμογής συγκεκριμένων τεχνικών (απευθείας διήθηση,διήθηση επαφής), χωρίς εφαρμογή των διακριτών σταδίων κροκίδωσης –συσσωμάτωσης – καθίζησης, που συνήθως χρησιμοποιούνται. Η φαινομενολογική μελέτη της διεργασίας, κάτω από πραγματικές συνθήκες λειτουργίας, και όχι αυστηρά ελεγχόμενες εργαστηριακές δοκιμές. Συγκεκριμένα διερευνήθηκαν οι επιδράσεις στη ΔΒΣ των εξής παραμέτρων: της ταχύτητας διήθησης, του μεγέθους των κόκκων του διηθητικού υλικού, της χρήσης ή όχι κροκιδωτικού υλικού (θειικό αργίλιο) και της συγκέντρωσης αυτού και της ποιότητας τού προς επεξεργασία νερού, αναφορικά με φυσικής προέλευσης περιεχόμενα μικροφύκη. Καθώς τα μικροφύκη μπορεί να παράγουν τοξίνες και θεωρούνται πλέον παράγοντες που παρέχουν πρόδρομες ουσίες για το σχηματισμό παραπροϊόντων απολύμανσης, η απομάκρυνσή τους από το τελικά παραγόμενο πόσιμο νερό είναι ιδιαίτερα σημαντική. Πραγματοποιήθηκαν 17 πειραματικοί κύκλοι σε πιλοτική εγκατάσταση διήθησης, η οποία τροφοδοτήθηκε με το νερό των ταμιευτήρων, που χρησιμοποιείται για την ύδρευση του λεκανοπεδίου Αττικής, στις εγκαταστάσεις επεξεργασίας νερού της ΕΥΔΑΠ στο Γαλάτσι. Ως πληρωτικό υλικό χρησιμοποιήθηκε πυριτική άμμος, δύο διαφορετικών κοκκομετριών (0,6–0,8 mm και 0,8–1,2 mm). Ως κροκιδωτικό χρησιμοποιήθηκε θειικό αργίλιο. Πραγματοποιήθηκαν επίσης 8 πειραματικοί κύκλοι με τροφοδοσία το νερό από την έξοδοτης καθίζησης (κλασική διήθηση). Από την επεξεργασία και ανάλυση των πειραματικών δεδομένων προκύπτει ότι οι μαθηματικές εκφράσεις που έχουν προταθεί για την περιγραφή της διεργασίας, δεν μπορούν να εφαρμοσθούν για την περιγραφή της απευθείας διήθησης, κάτω από πραγματικές συνθήκες λειτουργίας, εξαιτίας της αδυναμίας περιγραφής του πολύπλοκου φυσικού αιωρήματος και των μεταβολών του. Από τις πειραματικές δοκιμές προέκυψε ότι η απόδοση της διήθησης δεν είναι ανεξάρτητη της συγκέντρωσης εισόδου, όπως έχει θεωρηθεί μέχρι σήμερα στην κλασική θεωρία της διήθησης βαθέος στρώματος. Εντοπίστηκε και διερευνήθηκε η διαφορά στην συμπεριφορά του φίλτρου αναφορικά με την απομάκρυνση μικροφυκών και αργιλίου. Στην περίπτωση των μικροφυκών, η ωρίμανση του φίλτρου ήταν εμφανής στις περισσότερες πειραματικές δοκιμές, γεγονός που δεν παρατηρήθηκε στην περίπτωση του αργιλίου. Η διαφοροποίηση αυτή ερμηνεύεται από τις διαφορετικές φυσικοχημικές ιδιότητες των επιφανειών των αιωρουμένων. Οι τεχνικές της απευθείας διήθησης, τόσο χωρίς χρήση κροκιδωτικού, όσο και με προσθήκη κροκιδωτικού πριν το φίλτρο, χωρίς καθίζηση, δεν είναι αποδοτικές τεχνικές για υψηλές συγκεντρώσεις αιωρουμένων στην είσοδο και κυρίως κάτω από συνθήκες μεταβαλλόμενης συγκέντρωσης εισόδου.Οι μηχανισμοί που ελέγχουν τη διεργασία διαφοροποιούνται τοπικά και χρονικά και εξαρτώνται από τα χαρακτηριστικά των αιωρουμένων. Με παρουσία υψηλών συγκεντρώσεων μικροφυκών, η διεργασία φαίνεται να ελέγχεται από τα μικροφύκη, ενώ με παρουσία κροκιδωτικού, τόσο με προσθήκη πριν το φίλτρο όσο και επάνω σε αυτό,κυριαρχούν οι μηχανισμοί της κροκίδωσης. Από τη μελέτη της επίδρασης των μικροφυκών στη διήθηση, παρατηρήθηκαν διαφοροποιήσεις ανάλογα με το είδος των περιεχομένων μικροφυκών, δηλαδή τις διαφορές στο κυτταρικό περίβλημα, το μέγεθος και το σχήμα των κυττάρων ή των αποικιών. Για τα διάτομα, τα οποία είναι τα μόνα μικροφύκη με πυριτικό περίβλημα, το μέγεθος και το σχήμα είναι η καθοριστική παράμετρος για τη συγκράτησή τους. Η χρήση κροκιδωτικού, εξαιτίας της εξουδετέρωσης των επιφανειακών φορτίων, καθιστά την συγκράτησή τους ευκολότερη. Ως προς τα υπόλοιπα μικροφύκη, εκείνα με μέγεθος > 50 μm, συγκρατούνται στα επάνω στρώματα του φίλτρου ενώ τα μικρότερα σφαιρικά ή ωοειδή διεισδύουν βαθύτερα και μπορεί να διαρρεύσουν ακόμη και στην έξοδο.Από την παρούσα έρευνα προκύπτει η ανάγκη ανάπτυξης ενός συστήματος εμπειρικών κανόνων και η ένταξή τους σε ένα γνωσιακό έμπειρο σύστημα (Knowledge based expertsystem), που θα συντελέσει στη βελτίωση της λειτουργίας των φίλτρων σε πραγματικές συνθήκες παραγωγής και θα επιτρέπει την αποτελεσματικότερη διαχείριση έκτακτων καταστάσεων που μπορεί να προκύψουν στην πράξη, όπως επιβαρυμένη ποιότητα εισόδου ή απότομες μεταβολές της.