Złoże katalityczne

Dr inż. Krzysztof Wilmański
Aqua Konsulting - Kraków

Usuwanie manganu z wody podziemnej przy zastosowaniu złóż katalitycznych
(Manganese removal from ground water using catalytic materials).

1. Wstęp

Proces uzdatniania wody podziemnej, zawierającej podwyższone stężenie manganu wymaga zastosowania odpowiedniej technologii. Najczęściej polega ona na oczyszczaniu wody w procesie filtracji jednostopniowej lub dwustopniowej.

Usuwanie z wody manganu w filtrach przebiega w reakcji katalizowanej dwutlenkiem manganu, który powinien znajdować się w złożu filtracyjnym. Mechanizm tej reakcji polega na adsorpcji manganu Mn2+, występującego naturalnie w uzdatnianej wodzie, w warstwie MnO2. Dwutlenek manganu w złożu filtracyjnym może występować w otoczce wcześniej wytrąconej na powierzchni ziaren piasku lub w sztucznie umieszczonej w złożu masie katalitycznej. W fazie zaadsorbowanej następuje utlenienie manganu MnII do formy MnIII przy jednoczesnym zredukowaniu manganu MnIV stanowiącego materiał katalityczny. Następnie przebiega dalsze utlenianie manganu MnIII tlenem rozpuszczonym w wodzie do postaci MnIV i wytrącenie osadu dwutlenku manganu.

W warunkach kiedy woda nie ma kontaktu z materiałem katalitycznym reakcja utleniania manganu tlenem rozpuszczonym w wodzie przebiega bardzo wolno i wymaga podniesienia odczynu do wartości pH około 9,5 [1].

Proces odmanganiania wody w filtrze jest dodatkowo wspomagany przez bakterie manganowe wykorzystujące węgiel z wodorowęglanu manganu.

Stosowanie mas katalitycznych w procesie odmanganiania wody jest techniką znaną i szeroko stosowaną w stacjach uzdatniania wody. Jednakże nie zawsze masy te stosowane są prawidłowo, a proces przebiega optymalnie. Znane są doniesienia literaturowe wskazujące na brak zadowalających efektów stosowania niektórych mas katalitycznych [2,3].

2. Cel i zakres badań

Celem niniejszej pracy jest ustalenie wpływu najważniejszych parametrów operacyjnych na skuteczność usuwania manganu z użyciem dwóch mas piroluzytowych G-1 i G-2. Podstawowe właściwości fizykochemiczne obu mas przedstawiono w tabeli 1.

Tabela 1. Parametry fizykochemiczne mas katalitycznych G-1 i G-2.

Badania zostały przeprowadzone na Stacji Uzdatniania Wody w Przeciszowie k. Oświęcimia na instalacji doświadczalnej o wydajności maksymalnej 350 dm³/h. W skład instalacji wchodził filtr badawczy o średnicy 0,19 m i wysokości 3,5 m, system regulacji i kontroli szybkości filtracji, zestaw dozujący ług sodowy oraz instalacja do płukania filtra powietrzem i wodą.

Woda uzdatniania w tej stacji jest pobierana z zespołu 4 studni. Parametry jakości wody w poszczególnych studniach nieznacznie się różnią. Średnie wartości parametrów jakości ujmowanej wody są następujące:

• Żelazo 6-9 mg/l;
• Mangan 0,28-0,48 mg/l;
• Amoniak 0,4-0,7 mg/l;
• Odczyn 6,8-7,1;
• Zasadowość 2,1-2,2 mval/l;
• Twardość ok. 150 mgCaCO₃/l
• Siarkowodór wyczuwalny zapach

Czynnikami utrudniającymi proces odmanganiania wody w tym zakładzie są niski odczyn wody oraz obecność amoniaku i siarkowodoru. Stosunkowo wysokie stężenie żelaza w wodzie wskazuje na konieczność stosowania filtracji dwustopniowej.

Do instalacji doświadczalnej doprowadzono wodę surową po napowietrzaniu lub wodę po I stopniu filtracji. Napowietrzanie wody na tej stacji uzdatniania realizowane jest w układzie zamkniętym ciśnieniowym.

Filtr doświadczalny zasypany był złożem dwuwarstwowym piasek - masa katalityczna. Wysokość zasypu była następująca od dołu:

• Żwirowa warstwa podtrzymująca 2-3 mm - wysok. 0,2 m
• Złoże katalityczne G-1 lub G-2 - wysok. 0,28 m
• Piasek kwarcowy 0,8-1,4 mm - wysok. 0,64 m

Wartość odczynu wody regulowana była poprzez dozowanie rozNaOH do wody przed filtr doświadczalny.

3. Wyniki badań

W przypadku stosowania niektórych złóż katalitycznych konieczne jest ich uaktywnienie lub wpracowania w początkowym okresie eksploatacji.

Efektywność badanych mas G-1 i G-2 bezpośrednio po uruchomieniu filtra świeżo zasypanego materiałem filtracyjnym była wysoka. Już następnego dnia po uruchomieniu mangan był usuwany z poziomu 0,36-0,47 mg/l w wodzie surowej do wartości 0,02-0,03 mg/l w wodzie uzdatnionej przy szybkości filtracji 7-8 m/h. Masy te nie wymagały uaktywniania ani wpracowywania.

Jednym z podstawowych czynników wpływających na skuteczność procesu odmanganiania wody jest czas kontaktu wody z materiałem katalitycznym (zawierającym MnO2). W ramach badań czas kontaktu regulowany był poprzez zmiany szybkości filtracji. W zakresie szybkości filtracji od 5 do 12 m/h czas kontaktu wynosił 1,5 - 3,3 min. Na rysunku 1 przedstawiono wpływ czasu kontaktu wody z masami G-1 i G-2 na efekty usuwania manganu z wody w trybie pracy filtra jako II stopnia filtracji.

Zależności przedstawione na wykresie mogą służyć do szacunkowego określenia wymaganych wielkości czasu kontaktu, co z kolei przekłada się na ustalenie wysokości warstwy masy katalitycznej i szybkości filtracji...