Filtrace s proměnnou filtrační rychlostí
Filtrace s proměnnou filtrační rychlostí
Tento způsob filtrace není nový. Uplatňoval se již u pomalé filtrace při úpravě pitné vody. Zatímco u klasické filtrace se udržuje konstantní zdánlivá filtrační rychlost, tj. stejný průtok filtrem u uvedeného způsobu se tato rychlost s dobou provozu filtru snižuje. To je dáno tím, že se písková vrstva zanáší a tak roste její odpor. Aby se dosáhlo stálé zdánlivé rychlosti je nutno na odtoku z filtrů u klasického provedení filtrace snižovat odpor, který vzniká zanášením filtrů, pomocí odtokové regulační klapky (celkový odpor je roven součtu tlakové ztráty vznikající ve filtračním loži a ztráty v regulační klapce). Při tomto druhu filtrace se zmenšuje průtočný profil ve vrstvě filtračního lože (zanášejí se mezery mezi zrny filtračního lože, probíhá kolmatace) a tím narůstá skutečná rychlost proudění vody ve vrstvě filtračního lože. Od určité filtrační rychlosti již k dalšímu zanášení filtrační vrstvy nedochází a naopak dochází k vyplavování již zachycených filtračních částic do filtrátu. Toto může mít za následek zejména u některých specifických vod (např. humínové vody s nízkou alkalitou) zkrácení filtračního cyklu a to mnohdy na neúnosnou míru. Proto byly hledány způsoby filtrace, při kterých je možno prodloužit filtrační cyklus při zachování požadované kvality filtrátu. Příprava kvalitních vloček jak při koagulační filtraci tak i při následné filtraci je nezbytná u obou způsobů filtrace.
Jednou z cest řešení popsaného problému je zavedení filtrace s proměnnou (klesající) filtrační rychlostí. Principem tohoto způsobu filtrace je postupné snižování zdánlivé filtrační rychlosti v závislosti na rostoucí tlakové ztrátě na filtru. Jestliže se průtočný profil při zanášení filtrační vrstvy snižuje, musí se snižovat průtok vody přes filtr tak, aby se skutečná filtrační rychlost, tj. rychlost proudění vody v mezerách filtrační vrstvy nezvýšila nad kritickou hodnotu, kdy se již částice ve filtru přestávají zachycovat a zachycené částice se strhávají zpět do vody.
Další možnost je zavedení filtrace s proměnnou rychlostí proudění o stejné rychlosti během celého filtračního cyklu. Tento způsob eliminuje kontrolu tlakové ztráty ve vztahu ke snížení filtrační rychlosti při zanešení filtrační vrstvy. Tento způsob je levnější a jednodušší na provoz a údržbu. U tohoto typu filtrace se eliminuje zatrhávání nečistot zpět do filtrátu.
Na řadě technologických zařízení je instalováno elektronické měření tlakové ztráty přímo na filtrech. Poněvadž na odtoku z jednotlivých filtrů nejsou regulační klapky, ale pouze klapky uzavírací, je pod pískovou vrstvou u všech filtrů v principu stejný tlak. Toto umožňuje již zmíněnou regulaci hladiny vody na filtrech jednou regulační klapkou. Je proto nutné pro rozhodování o potřebě praní filtrů využít dalších ukazatelů jako jsou např. množství protečené vody přes filtr, podkročení minimálního kritického průtoku přes filtr, průnik suspendovaných látek (zákal), průnik koagulantu (Fe, Al), průnik organismů přes filtr, případně doba provozu filtru. To na druhé straně vyžaduje osazení dalších nezbytných snímání hodnot u jednotlivých filtrů (např. měření průtoku vody, měření zákalu).
U středních a velkých úpraven vod je filtrace řešena ve více filtračních jednotkách, většinou jejich počet přesahuje 2 - 3 jednotky. Při tomto rozdělení vody je zřejmé, že u typu filtrace s proměnnou filtrační rychlostí bude zatížení jednotlivých filtračních jednotek rozdílné v závislosti od míry zanesení filtru. Při praní jednoho filtru se zvýší zatížení ostatních filtrů. Je třeba dbát na to, aby průtok vody přes nejvíce zatížený filtr nedosáhl takové hodnoty, kdy již dochází ke strhávání zachycených suspendovaných látek do filtrované vody. Je jasné, že čím více filtrů bude v zapojení, tím menší bude přechodné zvýšení zatížení ostatních filtrů při praní jednoho filtru.
Jednotlivé filtry nemají na odtoku samostatnou regulační klapku, nýbrž jen klapku uzavírací. Program najíždění vypraného filtru musí být v řídícím systému upraven tak, aby filtr v počátečním období po vyprání nebyl nepřiměřeně zatěžován. Je třeba si uvědomit, že při najetí filtru jím v počáteční fázi probíhá nepřiměřeně velké množství vody. Je logické, že toto má za následek zhoršení jakosti filtrátu. Toto kritické období končí až se ve filtru zvýší odpor a to zachycením vloček ve filtrační vrstvě. V otázce pracího cyklu je třeba brát v úvahu i hodnotu minimálního průtoku filtrátu v době po vyprání, který je ovlivněn vedle kvalitativních ukazatelů rovněž počtem zapojených filtračních jednotek a výkonem dle vztahu:
QF.MIN.AKT. = QF.MIN. x nAKT./nMAX x QSUR.V./QSUR.V.MAX.
QF.MIN.AKT. je minimální průtok filtrátu pro danou situaci.
QF.MIN. je minimální průtok filtrátu při zapojení všech filtrů a maximálním výkonu ÚV
QSUR.V.MAX. je maximální výkon ÚV
Qsur.v. je aktuální výkon ÚV
nAKT. počet právě zapojených filtrů
nMAX. počet všech provozuschopných filtrů.
Hodnotu QF.MIN určí technolog na základě kvality surové vody, dávky koagulantu a pod. a nastaví se v ŘS ručně. Tato hodnota alespoň zpočátku nesmí být nastavena příliš nízká, protože i při dobré kvalitě filtrátu z filtru před vypráním může se velmi rychle vyčerpat kalová kapacita ostatních filtrů. Toto by znamenalo zhroucení nastaveného ŘS, přičemž jeho nové uvádění do provozu by bylo značně pracné. Doporučuje se proto raději vyprat jeden filtr o něco dříve, než pak nastavovat nově celý řídící systém.
Z předchozího je zřejmé, že realizace filtrace s proměnnou (klesající) filtrační rychlostí vyžaduje především kvalitní návrh řídícího systému.
Obecné přednosti filtrace s proměnnou filtrační rychlostí jsou teoreticky známé a jsou nesporné. Prokazuje se , že i rychlofiltrace se může více přibližovat způsobu filtrace v přírodním prostředí. Rozhodující pro uvedení tohoto způsobu filtrace do úpravárenské praxe je technické a konstrukční řešení vlastních filtračních jednotek a zejména algoritmus jejich provozu. Významným prvkem je množina informací o filtru a filtrátu, které přímo ovlivňují algoritmus řízení filtrace. Kvalita měření a snímání veličin je nezbytná. Rovněž kvalita řídícího systému je významná a přímo rozhodující pro provoz filtrace s proměnnou filtrační rychlostí.
Test úspor energií při využívání variabilních čerpadel
Test úspor energií byl proveden s jednorychlostním čerpadlem s příkonem 1,5 kW při průtoku cca 4,3 litru s-1 při dopravní výšce 18,5 m. Filtrační cyklus byl jedenkrát denně, s denní spotřebou energie 3,7 kWh/den resp. 1352 kWh za rok.
A čerpadlem proměnnou rychlostí při průtoku 1 litr s-1 se kterým lze dosáhnout úspory energie čerpadla přes 80 %.
K 80% úspoře energie však přispělo pouze filtrační čerpadlo. Je nutné projektovat celý systémový přístup a vzít v úvahu další hlavní součásti systému, např. bazénový chlorátor, čistič, nebo ohřev vody a vzdálenost technologie od bazénu.
Více než polovina celkového poklesu tlaku v systému je způsobena potrubím a armaturami např. kolena, T-kusy nebo šesticestné ventily. Je také zajímavé vidět, že pro průtoky nižší než 1,7 litru s-1 (rychlost čerpadla nižší nebo rovna výchozím nízkým otáčkám) je tlaková ztráta na nadrozměrném patronovém filtru velmi malá. To potvrzuje, že předimenzování bazénového filtru by mohlo snížit celkovou tlakovou ztrátu a dosáhnout lepší energetické účinnosti. Stávající tlakový bazénový čistič navíc odpovídá za znatelnou tlakovou ztrátu, která představuje asi jednu třetinu celkového tlaku v systému. Ve srovnání s filtračním systémem bez tlakového bazénového čističe to snižuje průtok při určité rychlosti čerpadla a vede k delší denní době filtrace na výměnu stejného množství vody.