BASENY & FONTANNY

Idź do spisu treści

Menu główne

CIŚNIENIOWE

TECHNIKA > TECHNOLOGIA > FILTRY OKRZEMK.
 

FILTRY OKRZEMKOWE CIŚNIENIOWE

Andrzej A. WAŁĘGA

FILTRY CIŚNIENIOWE Z ZIEMIĄ OKRZEMKOWĄ

1. WSTĘP. RODZAJE FILTRÓW W TECHNICE BASENOWEJ

Podstawowym procesem w uzdatnianiu wody basenowej jest filtracja.
Podziałów na różne rodzaje filtrów można dokonać kierując się ich budową, rodzajem złoża, pozycją pracy, prędkością filtracji i ciśnieniem.
Najważniejszym procesem w każdej technologii uzdatniania wody (nie tylko basenowej) jest filtracja, czyli rozdzielanie zawiesin za pomocą przegrody porowatej przepuszczającej ciecz (przesącz, filtrat) i zatrzymującej zawieszone w niej cząstki stałe [1].
Najbardziej rozpowszechnione jest filtrowanie z tworzeniem osadu na przegrodzie filtracyjnej. W większości przypadków cząstki stałe w pierwszym momencie rozpoczęcia filtrowania przenikają przez pory przegrody, lecz wkrótce nagromadzają się na niej i przez filtr zaczyna przeciekać tylko ciecz klarowna - przesącz (filtrat). Powstająca w tym procesie warstwa osadu odgrywa rolę podstawowego ośrodka filtrującego [1].
Jednym z podziałów filtrów w zależności od warunków pracy jest podział na filtry ciśnieniowe i filtry podciśnieniowe (próżniowe) [2],[8].
W technice basenowej mamy do czynienia praktycznie z każdym rodzajem filtrów. Oczywiście innymi kryteriami będziemy się kierować w przypadku doboru filtrów dla obiektów prywatnych, a innymi dla basenów publicznych.
Filtry dla basenów publicznych są dość szczegółowo opisane w normie DIN19643 [6]. W ogromnym skrócie można by podzielić filtry na wypełnione złożem, podlegające płukaniu w reżimie opisanym szczegółowo ww normą oraz filtry namywane.
W tym krótkim artykule przedstawione zostaną filtry ciśnieniowe namywane z ziemią okrzemkową, które w dalszej części będą opisane jako filtry ciśnieniowe DE.

2. CO TO JEST ZIEMIA OKRZEMKOWA ?

Ziemia okrzemkowa, to materiał mineralny pochodzący ze skorupek jednokomórkowych organizmów okrzemków (Bacillariophyceae, Diatomae) występujących w środowisku wodnym na całym świecie. Znanych jest ok. 10 000 tych gatunków. Po śmierci okrzemków, ich skorupki (o bardzo skomplikowanej budowie) opadają na dno zbiornika wodnego i nie ulegają rozkładowi – w ten sposób tworzą się osady zwane ziemią okrzemkową, złożone w 90% z krzemionki. Współcześnie osady okrzemkowe tworzą się w jeziorach słodkowodnych i płytkich morzach. Główne złoża znajdują się w Niemczech, Francji, Danii, Rosji, USA, Japonii, Algierii Czechach i Hiszpanii. W Polsce niewielkie ilości występują w okolicach Przemyśla.
Ziemia okrzemkowa jest biała lub żółtawobiała, porowata, lekka, miękka, pylasta i nie jest zwięzła. Gęstość ziemi okrzemkowej niewypalonej wynosi 100 do 400, a wypalonej 200 do 800 kg/m3.
Ziemia okrzemkowa jest stosowana jako materiał filtracyjny, szlifierski, termoizolacyjny, a także do produkcji materiałów ogniotrwałych i lekkich betonów.  Służy także do wyrobu materiałów wybuchowych. Alfred B. Nobel używając przypadkowo ziemi okrzemkowej do uszczelnienia naczyń z roztworem nitrogliceryny wynalazł w 1866 roku dynamit. Jeszcze inne zastosowanie to produkcja Cyklonu B (ziemia okrzemkowa nasycona ciekłym cyjanowodorem z dodatkiem chloromrówczanu metylu jako stabilizatora) służącego do dezynfekcji, dezynsekcji i deratyzacji, a nam kojarzącego się niestety nieodparcie z zastosowań w komorach gazowych hitlerowskich obozów koncentracyjnych.
Jako materiał filtracyjny ziemia okrzemkowa jest powszechnie stosowana w przemyśle spożywczym (browarnictwo, klarowanie wina itd.), chemicznym i  farmaceutycznym.

3. FILTRACJA D.E.F. W UZDATNIANIU WODY PITNEJ

Do uzdatniania wody filtracja D.E.F. (DIATOMACEOUS EARTH FILTRATION) jest wykorzystywana głównie w USA, ale od jakiegoś czasu również w Europie Zachodniej i Azji.

Przykładowe instalacje DEF dla wody pitnej w USA (ponad 200 stacji) [8]:
 Las Virgenes Water Plant, Westlake, California; filtry próżniowe otwarte, wydajność 15 MGD (million gallons per day).
 El Monte Water District, San Gabriel, California; filtry ciśnieniowe, wydajność 11 MGD.
 Quill Ranch Water Plant, Carson City, Nevada; filtry ciśnieniowe, wydajność 5 MGD.
 Milford Water Plant, Milford, Massachusetts; filtry próżniowe otwarte, wydajność 2.5 MGD.

4. CIŚNIENIOWA FILTRACJA D.E.F. W ZASTOSOWANIU BASENOWYM.

Schemat układu technologicznego jest bardzo prosty, filtr ciśnieniowy DE jest umieszczony w instalacji dokładnie w takim samym miejscu jak klasyczny filtr piaskowy, identycznie realizowane są też wszystkie inne procesy: filtracja wstępna, pompowanie, podgrzewanie, korekta pH i dezynfekcja. Jedyna różnica to brak potrzeby dozowania koagulanta oraz konieczność zastosowania układu wprowadzania ziemi okrzemkowej do układu. Płukanie filtra, a tak naprawdę wymiana złoża, odbywa się również wodą basenową za pomocą pomp obiegowych, tak samo jak jest to w przypadku instalacji klasycznej.

5. BUDOWA FILTRA CIŚNIENIOWEGO DE.

Na rys.1. pokazano budowę filtra. Składa się on z:
 korpusu walcowego, który jest wyposażony w dwie elipsoidalne dennice (górną i dolną),
 króćców technologicznych (wlot, wylot, spust, odpowietrzenie),
 wziernika,
 włazu bocznego,
 zestawu świec filtracyjnych zamocowanych do górnego dna dyszowego.

Jak widać, nie występuje górny właz, który w klasycznych filtrach piaskowych umożliwia zasypywanie złoża filtracyjnego. Boczny właz służy do montażu świec filtracyjnych, które są wkręcane w dno dyszowe. Wziernik umożliwia obserwację zachowania się świec filtracyjnych podczas różnych cyklów pracy filtra.



Rys. 1. Przekrój pionowy filtra [9].
Fig. 1. Filter vertical section [9].


6. BUDOWA ELEMENTÓW FILTRACYJNYCH (ŚWIEC).

Świece filtracyjne zbudowane są ze szkieletu z tworzywa sztucznego, na który naciągnięty jest rękaw z tkaniny filtracyjnej o odpowiedniej kalibracji. Rękaw zaopatrzona jest w dolnej swojej części w odpowiedni obciążnik (ołów oblany żywicą). Budowę świec pokazano na rys. 2, natomiast ich wymiary i charakterystyczne parametry zawarte są w tabelach: 1 i 2. Fotografia (rys.3) obrazuje zachowanie tkaniny świecy w czasie cyklu filtracji.





   Rys. 2. Świece filtracyjne [9].
           Fig. 2. Filter candles [9].



Tabela 1.
Materiały elementów świecy filtracyjnej Technol [9].
Table 1.
Materials of Technol filter candle elements [9].





Tabela 2.
Parametry świec filtracyjnych Technol [9].
Table 2.
Parameters of Technol filter candles [9].








Rys. 3. Świeca w czasie cyklu filtracji (foto: A.Wałęga).
Fig. 3. A filter candle during the filtration cycle.


7. ZASADA DZIAŁANIA FILTRA CIŚNIENIOWEGO DE.

Cykle pracy filtra przedstawiają schematy na rysunku 4.

 W czasie namywania złoża układ jest zamknięty: woda z zawiesiną ziemi okrzemkowej jest tłoczona przez tkaninę świec filtracyjnych, co powoduje osadzenie się (namycie) złoża. Po odpowiednim czasie i stwierdzeniu klarowności wody, przełącza się odpowiednio zawory (przepustnice), kierując tzw. pierwszy filtrat do kanalizacji.

 Dopiero po tej czynności można przystąpić do właściwej eksploatacji filtra w instalacji basenowej, czyli do cyklu filtracji. Zanieczyszczenia osadzające się na warstwie filtracyjnej powodują wzrost oporów hydraulicznych filtra.

 Przyjmuje się, że strata ciśnienia o wartości 5m słupa wody jest graniczną (dla filtra czystego jest to ok. 1m słupa wody) i wskazuje na konieczność przejścia do fazy płukania filtra, a właściwie całkowitej wymiany złoża filtracyjnego




Rys. 4. Cykle pracy filtra.
Fig. 4. Filter working cycles.


8. WYDAJNOŚCI FILTRÓW CIŚNIENIOWYCH DE.

Wydajności filtrów ciśnieniowych DE są bardzo duże (tabela 3). W porównaniu z klasycznymi filtrami piaskowymi o tej samej średnicy, wydajność ich jest 3.5 do 4 razy większa (w zależności od długości zastosowanej świecy filtracyjnej).
Warto zauważyć, że dla instalacji z filtrami DE, ilość ścieków jest ok. 7-8 razy mniejsza niż w przypadku instalacji o takiej samej wydajności, ale wyposażonej w pośpieszne filtry piaskowe. Pokazuje to tabela 4.


Tabela 3.
Wydajności filtrów Technol [9].
Table 3.
Efficiency of Technol filters [9].




Tabela 4.
Porównanie instalacji z filtrami piaskowymi i z filtrami DE.
Table 4.
Comparison of the installation of sand filters and DE filters.





9. PRZYKŁADY ZASTOSOWANIA FILTRÓW CIŚNIENIOWYCH W BASENACH PUBLICZNYCH

Przykład nr 1.

W Królestwie Tajlandii powstaje jeden z największych otwartych Aquaparków w tym rejonie Azji. Oczywiście jest to obiekt całoroczny, na tej szerokości geograficznej gorąco jest praktycznie zawsze.
Na budowie Aquaparku byłem w trakcie wykonywania przeze mnie  audytu stanu realizacji inwestycji (rok 2011).

Lokalizacja: Wyspa Phuket.

Podstawowe parametry, świadczące o wielkości obiektu:
 powierzchnia zajmowana przez obiekt: 6.4 ha,
 powierzchnia lustra wody 6500 m2 (w tym basen powierzchni 2050 m2 z falą uzyskiwaną sposobem pneumatycznym, sztuczna rzeka 2000 m2 długości 450 m),
 liczba dużych zjeżdżalni wodnych: 17 szt.

Zaprojektowano technologię opartą na filtrach ciśnieniowych z ziemią okrzemkową. Zastosowano wielką liczbę 102 szt (!) filtrów o niewielkiej średnicy, aby uniknąć dużych zrzutów ścieków z ich płukania (brak odpowiedniej wydajności kanalizacji sanitarnej).
Właśnie ten obiekt wzbudził moje zainteresowanie filtrami ciśnieniowymi DE w zastosowaniach publicznych, co w efekcie doprowadziło do powstania instalacji opisanej poniżej w przykładzie nr 2.

Przykład nr 2.

W połowie roku 2012 został uruchomiony pierwszy w Polsce basen publiczny z filtracją ciśnieniową DE. Podobnie jak w opisanym wyżej basenie w Tajlandii, tak i tutaj były kłopoty z odpowiednią kanalizacją: obiekt jest zlokalizowany na terenie, gdzie w ogóle brak kanalizacji sanitarnej. Dlatego właśnie w projekcie zdecydowałem o zastosowaniu  filtrów ciśnieniowych DE.
Podstawowe parametry obiektu:
 basen rekreacyjny z aneksem do pływania, sztuczną rzeką, atrakcjami, brodzikiem łącznie 243 m2, wydajność 110 m3/h,
 whirlpool, wydajność 22 m3/h.
Technologia oparta na filtracji ciśnieniowej DE z dezynfekcją podchlorynem i wspomaganiem lampami UV.
Dla basenu rekreacyjnego zastosowano filtr o średnicy 1200 mm i wysokości  całkowitej tylko 2250 mm (ze świecami EF100, patrz tabela 4) produkcji słoweńskiej firmy Technol.

10. ZALETY I WADY CIŚNIENIOWYCH FILTRÓW DE

Zalety:
 bardzo duże wydajności,
 mała wysokość filtra,
 dokładność filtracji do 2-3 µm [3],
 zautomatyzowany proces płukania,
 praktycznie 100% usuwanie zawiesin i ciał stałych z wody,
 usuwanie z wody jonów metali ciężkich,
 usuwanie ok. 50% bakterii [3] znajdujących się w wodzie (dlatego filtry z ziemią okrzemkową nazywa się też filtrami bakteryjnymi) i 99% wirusów,
 usuwanie 99.9999% oocyst i cyst pierwotniaków jelitowych takich jak crysporidium czy giardia intenstinalis (w USA w latach 1971-1994 wywołały one 20% epidemii wodnopochodnych, w Anglii 18% w latach 1986-1995) [4],[5].

Wady:
 wymaga kosztownego układu automatyki,
 wymaga zastosowania zaworów (przepustnic) ze sterowaniem automatycznym.

11. PODSUMOWANIE

Filtry ciśnieniowe z ziemią okrzemkową są ciekawą alternatywą, nawet w przypadku bardzo dużych obiektów basenowych, dla tradycyjnych rozwiązań (filtry ciśnieniowe ze złożem piaskowym), szczególnie w przypadkach:
 gdy kanalizacja sanitarna nie ma możliwości odebrać dużej ilości ścieków z płukania filtrów,
 gdy występuje brak kanalizacji sanitarnej,
 gdy brak odpowiednio dużej powierzchni i wysokości dla zabudowy tradycyjnych filtrów w pomieszczeniu technicznym.

Po krótkim okresie eksploatacji instalacji opisanej w przykładzie nr 2, nie można jeszcze dokładnie analizować wszystkich aspektów zastosowania filtrów ciśnieniowych DE (być może to będzie przedmiotem mojego referatu na Sympozjum w roku 2015?), ale już teraz mogę podzielić się kilkoma uwagami:
 Do sterowania pracą filtra należy zastosować w pełni programowalny układ automatyki umożliwiający wszechstronną regulację zaworami i pompami w instalacji
 Rurociągi należy zaprojektować i wykonać wyjątkowo starannie, jak najkrótsze,  unikając wszelkich syfonów, kieszeni i martwych stref, w których mogła by zalegać ziemia okrzemkowa
 Podawaną przez różnych producentów filtrów maksymalną prędkość filtracji 5m/h czyli  2 gpm/ft2 (gallon per minute per square foot) traktował bym bardzo ostrożnie, zalecając jako optymalne, prędkości nie większe niż: 3-4 m/h, ze wskazaniem dolnych wartości.

BIBLIOGRAFIA

1. Płanowski A.N., Ramm W.M., Kagan S.Z. „Procesy i aparaty w technologii chemicznej” WNT 1974, str. 259-299
2. Pikoń J. „Aparatura chemiczna”. PWN 1983. str. 752, 771
3. Staniaszek W., Kraszewski L. „Uzdatnianie wody basenowej z zastosowaniem ziemi okrzemkowej” Materiały Budowlane nr 2/2000 str. 41-42
4. Ongerth J., Hutton P.E., AWWA Journal, Vol. 89, Issue 12, December 1997, pages 39-46.
5. Ministry of Health, New Zeland. Public Health Risk Management Plan Guide. Filtration-Diamaceous Earth Filtration. Version 1, Ref P6.4. February 2002.
6. Deutsche Norm, DIN 19643-1, April 1997
7. Wałęga A.A. „Kierunki rozwoju technologii uzdatniania wody basenowej w Polsce”. Informacja Instal nr 5(195)/2000 str. 8-10.
8. Wałęga A.A. „Filtracja na ziemi okrzemkowej w technologii uzdatniania wody basenowej”.  Materiały IV Sympozjum Naukowo-Technicznego „Instalacje Basenowe” Ustroń 2003.
9. Materiały techniczne firmy Technol Portorož, Słowenia
10. Archiwum autora


============================================


Referat „Filtry ciśnieniowe z ziemią okrzemkową” był wygłoszony podczas IX Sympozjum „Instalacje basenowe” Zakopane 2013

 
Wróć do spisu treści | Wróć do menu głównego