CZ36914U1 - Zařízení pro testy regenerace aktivního uhlí z odstranění stopových xenobiotik po filtraci surové vody na vodárnách - Google Patents

Description

Technické řešení se týká oblasti dekontaminace, konkrétně zařízení pro testy regenerace aktivního uhlí z odstranění stopových xenobiotik po filtraci surové vody na vodárnách.

Dosavadní stav techniky

Povrchové i podzemní vodní zdroje, jsou v současné době zatíženy desítkami různých chemických látek obsažených ve velmi malých koncentracích, řádově ve stovkách ng/l, což je prokázáno mj. dlouhodobým monitoringem ČHMÚ i cílenými odbornými studiemi. Jedná se zejména o pesticidní látky či zbytky farmak, jako jsou analgetika, antikoncepce či psychofarmaka. Nejnověji byl ve vodních zdrojích prokázán výskyt látek na bázi polyfluorovaných uhlovodíků neboli PFAS, zejména polyfluorované sulfonové kyseliny neboli PFSA a polyfluorované karboxylové kyseliny neboli PFCA. Jedná se o látky přítomné v mnoha produktech a výrobcích, např. potravinářské obaly, papírové výrobky, oděvy a obuv s membránami, krémy a repelenty, čisticí prostředky, hasební pěny, vosky a další. Tyto látky jsou obsaženy v odpadních vodách, procházejí čistírnami odpadních vod a mohou se dostat do zdrojů pitné vody. Souhrnně lze tyto látky nazvat jako xenobiotika, tedy uměle vytvořené a organismu cizí látky.

Hygienické požadavky na zdravotní nezávadnost a kvalitu neboli jakost pitné vody se stanoví hygienickými limity obsahu mikrobiologických, biologických, fyzikálních, chemických a organoleptických ukazatelů jakosti, které jsou upraveny vyhláškou, nebo jsou určeny podle zákona o ochraně veřejného zdraví příslušným hygienickým orgánem. Odstranění stopových látek z vody je proto nevyhnutelné jak z pohledu kvality pitné vody, tak i ochrany kvarterních sedimentů využívaných k umělé infiltraci při její výrobě na některých typech vodáren.

Vodárny využívající umělou infiltraci jsou od vícestupňových úpraven vody velmi odlišné a specifické. Surová voda z řeky dopravená do úpravny vody je zde pouze přefiltrována na rychlofiltrech přes filtrační písek či jinou filtrační náplň. Následně je pak přečerpána do vsakovacích nádrží s pískovým dnem na štěrkopískových náplavech. Vsakovaná voda intenzivně obohacuje přirozené zásoby podzemní vody. Kontaktem s geologickými vrstvami získává vlastnosti vody podzemní. Po 40 až 50 dnech zdržení je takto infiltrovaná voda odebírána jako kvalitní pitná voda, která je po hygienickém zabezpečení přímo distribuována.

Ve vodárenství se k odstranění stopových množství látek z vody úspěšně využívá adsorpce na zrnitém aktivním uhlí v sorpčních filtrech. Použití aktivního uhlí je velice efektivní. V běžných vodárnách, vybavených několikastupňovým čistěním vody, je sorpční filtr použit vždy v konečné fázi úpravy vody a lze říci, že přes něj protéká již téměř čistá voda. Zcela jiná je ale situace např. na vodárně Káraný, která je svou povahou a kapacitou evropským unikátem a čištění vody v konečné fázi její úpravy není z různých důvodů možné. Jedinou technologií je zde filtrace říční vody z Jizery na pískových filtrech a její následný zásak do kvarterních sedimentů, kde dochází přirozenými procesy k jejímu dočistění až na úroveň pitné vody. Systémem vrtů je potom podzemní voda čerpána a distribuována spotřebitelům. Výhledově však bude nutné i na této úpravně zařadit další stupeň čistění, a to z technických důvodů na začátku celého procesu, nejlépe ihned za pískovou filtraci, jelikož osazení sorpčních filtrů s aktivním uhlím do místa odběru podzemních vod před distribucí by bylo problematické, a to jak technicky tak z důvodu pokračování kontaminace kvarterních sedimentů. Na rozdíl od běžných vodáren s několikastupňovým čistěním vody, kde aktivní uhlí je koncovým stupněm, na popsaném typu vodáren na aktivní uhlí natéká téměř surová říční voda. Aktivní uhlí zde proto bude mít patrně podstatně menší životnost díky sorpci přirozených organických látek z říční vody, bude hrozit zarůstání mikroorganismy a řasami,

- 1 CZ 36914 U1 zanášení nerozpuštěnými látkami (< cca 5 pm) a další problémy. Aplikace sorpčního stupně zde proto bude velmi specifická a není možné přenést zkušenost z jiných typů úpraven pitných vod, a to ani v oblasti zpracování či recyklace vyčerpaného aktivního uhlí.

Životnost aktivního uhlí ve vodárenském filtru je obvykle 2 až 4 roky. Po této době již aktivní uhlí ztrácí své sorpční schopnosti a je nutné ho vyměnit. Použité aktivní uhlí se v tomto případě buď stává odpadem pod kódem 19 09 04 (odpady z výroby vody pro spotřebu lidí - upotřebené aktivní uhlí, vyloučit však nelze jeho nebezpečné vlastnosti a klasifikování jako odpad kategorie „N“), nebo je ho možné upravit k opětovnému použití procesem nazývaným regenerace nebo reaktivace a znovu ho použít k danému účelu v sorpčním vodárenském filtru.

K danému účelu lze teoreticky využít několik různých principů, které byly a jsou předmětem výzkumných aktivit řady pracovišť. Drtivá většina procesů je založena na ohřevu aktivního uhlí v inertní nebo vhodné reaktivní atmosféře, kde rozdíl spočívá v teplotě a typu atmosféry. Testováno bylo mnoho variant a uspořádání včetně ohřevu přímého, nepřímého, elektrického, plynového, mikrovlnného a dalších. Druhá skupina procesů využívá extrakci nejrůznějšími rozpouštědly a roztoky, nicméně bez využívání v praxi a jedná se zde pouze o experimentální a čistě vědecké aktivity. Praktického uplatnění se dočkala technologie založená na ohřevu aktivního uhlí v inertní atmosféře s obsahem vodní páry v rotační peci nebo peci etážové.

Ohřev je buď elektrický nepřímý, nebo plynový, a to nepřímý nebo přímý. Jedná se o ověřený a v zahraničí používaný proces, se kterým se proto počítá i pro aktivní uhlí z infiltračních vodáren.

Termickou regeneraci aktivního uhlí z vodáren lze provozovat dvěma způsoby dle teploty:

Při prvním, s teplotou cca 500 až 600 °C, který probíhá v inertním plynu (resp. za teplot nedostatečných pro reakci mezi uhlím a vodní párou), dochází k pyrolýze netěkavých adsorbovaných složek na povrchu aktivního uhlí, částečné depozici pyrolýzních zbytků v pórech aktivního uhlí, snížení sorpční kapacity oproti novému aktivnímu uhlí (o cca 5 až 15 %) a úbytku aktivního uhlí o cca 2 až 5 %. Běžně se tato termická regenerace neprovádí ani nenabízí. K obnovení sorpční kapacity aktivního uhlí sice dochází, ovšem nikoli až na úroveň nového produktu. Výhodou jsou naopak menší náklady a menší ztráty aktivního uhlí.

Druhý způsob termické regenerace aktivního uhlí probíhá při teplotách cca 600 až 900 °C. Proces se obvykle označuje jako „reaktivace“ a je komerčně nabízen u zahraničních firem. Probíhá v inertním plynu s obsahem vodní páry, což je reaktivační činidlo. Dochází ke zplynění adsorbovaných složek, pyrolýzních zbytků i uhelné matrice. Úbytek aktivního uhlí je cca 10 až 20 %, je zde ale možnost ho omezit vhodným teplotním režimem. Dále dochází ke snížení obsahu některých kovů, např. zinku. Aktivní uhlí je vlastnostmi podobné novému, případně může vykazovat sorpční kapacitu i mírně vyšší.

Výše popsané procesy se liší především teplotou, kterou je třeba vhodně zvolit a pečlivě měřit i regulovat, nejlépe přímo v aktivním uhlí. Optimální teplota zpracování je přitom klíčem k efektivnímu využití drahého aktivního uhlí. Probíhající procesy jsou však natolik ovlivněny mnoha proměnnými, že není možné vhodnou teplotu regenerace/reaktivace jakkoli spolehlivě odhadnout a je nutné provést experimentální ověření, jak se konkrétní aktivní uhlí bude chovat. Testovací zařízení přitom musí být podobné reálné full-scale aplikaci, protože průběh probíhajících procesů závisí i na použitém zařízení, např. na množství testovaného aktivního uhlí a dalších faktorech. Bylo prokázáno, že na malém laboratorním zařízení lze získat i přímo zavádějící výsledky. Potřeba spolehlivého ověření využitelnosti termické regenerace je obzvlášť důležitá právě pro aktivní uhlí z velmi netypické aplikace na vodárnách, kde nátokem je pouze filtrovaná surová říční voda, a lze proto čekat vysoký obsah adsorbovaných organických látek.

Při testování průběhu procesu regenerace/reaktivace je, kromě spolehlivého měření a regulace teploty aktivního uhlí v reaktoru, velmi podstatnou součástí také monitoring složení odplynů.

- 2 CZ 36914 U1

Odplyny se rozumí znečištěná plynná fáze obsahující řadu znečišťujících látek vstupující do absorpčního zařízení, např. absorpční kolony. Znalost jejich složení v reálném čase poskytuje informaci o převažujících procesech, které v reaktoru při různých teplotách probíhají čili lze průběh testů ihned optimalizovat, jako jsou maximální teploty, doby trvání atd. Pro využití běžných kontinuálních analyzátorů plynů je však nutné, aby analyzovaný plyn byl suchý, zbavený tuhých a kondenzujících složek a při běžné teplotě. V případě aktivního uhlí z čistění surové vody je však problémem vysoký obsah adsorbovaných organických látek čili následně vysoký obsah pyrolyzních produktů i prachových částic v odplynu reaktoru. Spolu s obsahem vodní páry a teplotou až do 900 °C je proto odplyn z reaktoru neanalyzovatelný bez důkladné předúpravy spočívající v několikastupňovém chlazení, zbavení prachových a kondenzujících složek a snížení relativní vlhkosti. Nutné je také bezpečně ochránit analyzátor pro případ selhání systému předúpravy odplynů, kde může hrozit nasátí vody a prachových částic s následným zničením přístroje.

Úkolem technického řešení je proto vytvoření takového zařízení pro testy regenerace aktivního uhlí z odstranění stopových xenobiotik po filtraci surové vody na vodárnách, jehož analýza plynné fáze obsahující znečišťující složky na výstupu z reaktoru by poskytovala spolehlivé údaje, na základě kterých by bylo možné efektivně a bezpečně vyhodnotit, jaké probíhají v reaktoru procesy a průběh testu optimalizovat.

Podstata technického řešení

Vytčený úkol je vyřešen pomocí zařízení pro testy regenerace aktivního uhlí z odstranění stopových xenobiotik po filtraci surové vody na vodárnách podle tohoto technického řešení. Zařízení zahrnuje alespoň jeden rotační reaktor pro plnění aktivním uhlím, který je opatřený alespoň jedním vstupem aktivního uhlí, alespoň jedním prostředkem pro ohřev vnitřního prostoru reaktoru, alespoň jedním zdrojem páry, alespoň jedním zdrojem dusíku pro vytvoření inertní atmosféry uvnitř reaktoru a alespoň jedním výstupem znečištěné plynné fáze z reaktoru. Zařízení dále zahrnuje alespoň jednu absorpční kolonu napojenou na výstup znečištěné plynné fáze z reaktoru a opatřenou výstupem vyčištěné plynné fáze ze zařízení. Výstup znečištěné plynné fáze z reaktoru je opatřen alespoň jedním zařízením pro odběr, úpravu a analýzu vzorku znečištěné plynné fáze.

Podstata tohoto technického řešení spočívá v tom, že zařízení pro odběr, úpravu a analýzu vzorku znečištěné plynné fáze zahrnuje vzorkovací potrubí s uzavíracím ventilem napojené na výstup znečištěné plynné fáze, alespoň jednu promývačku plynné fáze ve vodní lázni pro vyloučení kondenzátu napojenou na vzorkovací potrubí, alespoň jednu promývačku plynné fáze v ledové lázni pro odstranění nečistot napojenou na promývačku plynné fáze ve vodní lázni, alespoň jednu pojistnou promývačku plynné fáze s filtrem napojenou na promývačku plynné fáze v ledové lázni a alespoň jeden kontinuální analyzátor plynů.

Kontinuální analyzátor plynů vyžaduje předúpravu vzorku vstupující plynné fáze, a to ochlazení plynné fáze v prvním kroku pro vyloučení kondenzátu obsahujícího vodu, dehty a prachové částice v promývačce plynné fáze ve vodní lázni a následné podchlazení plynné fáze v druhé fázi v promývačce plynné fáze v ledové lázni, tedy v lázni voda-led. Promývačka plynné fáze v ledové lázni je naplněna čistou vodou pro odstranění zbytků dehtů a prachových částic z plynné fáze, neboť plynná fáze vodou v promývačce volně probublává. Plynná fáze vystupující z promývačky plynné fáze v ledové lázni má teplotu maximálně 8 °C a opouští promývačku plynné fáze v ledové lázni bez kondenzátu při 100% nasycení párou. Teplota 8 °C je v tu chvíli teplota rosného bodu plynné fáze.

Plynná fáze vystupující z promývačky plynné fáze v ledové lázni, která je ochlazená na teplotu maximálně 8 °C, je následně samovolně ohřáta na teplotu okolí průchodem několika metry hadičky a prochází do pojistné promývačky plynné fáze, která je prázdná, a poté vstupuje do filtru. Plynná

- 3 CZ 36914 U1 fáze následně vstupuje do kontinuálního analyzátoru plynů, který je vyhřívaný na 30 °C, a je zbavená dehtu a prachových částic, má nízkou relativní vlhkost a obsahuje pouze tzv. permanentní plyny, které jsou analyzovány. Jedná se zejména o methan, oxid uhličitý, oxid uhelnatý, vodík a kyslík.

Ve výhodném provedení je promývačka plynné fáze v ledové lázni dvoustupňová a je tvořena dvěma nádobami umístěnými v ledové lázni. Dvě nádoby promývačky plynné fáze v ledové lázni zajišťují dostatečné podchlazení plynné fáze a efektivní odstranění vodní páry, dehtu a prachových částic z plynné fáze. Za promývačkou plynné fáze v ledové lázni je uspořádán senzor teploty s alarmem. Sledování teploty plynné fáze na výstupu z promývačky plynné fáze v ledové lázni zajišťuje správný provoz celého zařízení pro odběr, úpravu a analýzu vzorku znečištěné plynné fáze. Jakmile vystoupá teplota plynné fáze na výstupu z promývačky plynné fáze v ledové lázni nad 13 °C, spustí se alarm a automaticky se odpojí kontinuální analyzátor plynů, případně je nutné odpojit kontinuální analyzátor plynů ručně. Při zvýšení teploty plynné fáze na výstupu z promývačky plynné fáze v ledové lázni nad 13 °C není chlazení a podchlazení plynné fáze dostatečné, nedochází k odloučení veškeré páry, hrozí zahlcení trasy kondenzátem a jeho nasátí kontinuálním analyzátorem plynů, a tím pádem jeho zničení.

Zařízení pro odběr, úpravu a analýzu vzorku znečištěné plynné fáze je s výhodou opatřeno čerpadlem znečištěné plynné fáze, zajišťuje tedy kontinuální přívod plynné fáze do kontinuálního analyzátoru plynů v definovaném, nastavitelném průtoku a kontinuální analýzu sledovaných plynů.

Zařízení dále ve výhodném uspořádání zahrnuje alespoň jeden termočlánek pro měření teploty aktivního uhlí uvnitř reaktoru, který je uspořádaný v ohebném pouzdře a umístěný v ose rotace reaktoru, a který sleduje teplotu aktivního uhlí uvnitř reaktoru.

Zařízení umožňuje během jednoho dne provést test ohřevu přesně známého množství aktivního uhlí v inertní atmosféře v rotačním reaktoru s případným přídavkem vodní páry a přesným monitoringem teploty a složení znečištěné plynné fáze. Posoudit tak lze probíhající procesy, jako je pyrolýza, reakce s vodní párou atd., a přesně stanovit úbytek hmoty testovaného vzorku aktivního uhlí.

Výhody zařízení pro testy regenerace aktivního uhlí z odstranění stopových xenobiotik po filtraci surové vody na vodárnách podle tohoto technického řešení spočívají zejména v tom, že zajišťuje analýzu požadovaných složek plynné fáze obsahující znečišťující složky na výstupu z reaktoru, což umožňuje efektivně a bezpečně vyhodnotit, jaké probíhají v reaktoru procesy a průběh testu optimalizovat.

Objasnění výkresů

Uvedené technické řešení bude blíže objasněno na následujících vyobrazeních, kde:

obr. 1 znázorňuje schéma zařízení podle tohoto technického řešení.

Příklad uskutečnění technického řešení

Základem zařízení 1 pro testy regenerace aktivního uhlí z odstranění stopových xenobiotik po filtraci surové vody na vodárnách podle tohoto technického řešení je horizontální pomaloběžný vsádkový rotační reaktor 2, který je plněn aktivním uhlím 5 k ověření regenerace a/nebo reaktivace. Reaktor 2 má délku 600 mm, průměr 500 mm a objem 118 l, maximální provozní teplota reaktoru 2 je 900 °C. Maximální plnění reaktoru 2 aktivním uhlím 5 je 41 l. Rychlost otáčení reaktoru 2 kolem své osy je nastavitelná na 0 až 2,6 otáčky/min. Reaktor 2 je vyhříván prostředkem 4 pro ohřev vnitřního prostoru reaktoru 2 elektricky skrze plášť reaktoru 2 radiačním ohřevem.

- 4 CZ 36914 U1

Reaktor 2 je inertizován dusíkem dodávaným ze zdroje 7 dusíku z tlakové lahve průtokem cca 5 l/min (101,3 kPa, 20 °C). Pára ze zdroje 6 páry z baňky ohřívané topným hnízdem bude před vstupem do reaktoru 2 přehřáta na cca 150 až 200 °C přehřívačem 23 páry. Reaktor 2 je otevíratelný, přičemž z čela reaktoru 2 je umožněn přístup do reaktoru 2 vstupem 3 aktivního uhlí 5 pro plnění, vyprázdnění, čistění atd.

Teplota aktivního uhlí 5 uvnitř reaktoru 2 je snímána termočlánkem 16 v ohebném pouzdře umístěným uvnitř aktivního uhlí 5 a zaústěným přímo do vrstvy pláště reaktoru 2 v ose rotace reaktoru 2. Reaktor 2 je opatřen výstupem 8 znečištěné plynné fáze z reaktoru 2, odkud je výstupní plynná fáze vedena do mokré pračky pro zchlazení a odstranění prachových částic a jiných nečistot. Mokrá pračka je konstruována jako skrápěná absorpční kolona 9, přičemž voda je chlazena přímo glykolovým chladícím okruhem 22. Absorpční kolona 9 je opatřena výstupem 10 vyčištěné plynné fáze ze zařízení 1.

Na výstupu 8 znečištěné plynné fáze z reaktoru 2 je kontinuálně odebírán vzorek odplynů neboli znečištěné plynné fáze do zařízení 11 pro odběr, úpravu a analýzu vzorku znečištěné plynné fáze. Vzorek znečištěné plynné fáze je odebírán do vzorkovacího potrubí 18 s uzavíracím ventilem 19, které je napojeno na výstup 8 znečištěné plynné fáze, průtokem 1 l/min za tlaku 101,3 kPa a teploty 20 °C k analýze obsahu vybraných složek kontinuálním analyzátorem 15 plynů. Vzorkovací potrubí 18 je zaústěno do promývačky 12 plynné fáze ve vodní lázni pro vyloučení kondenzátu. Dále je na promývačku 12 plynné fáze ve vodní lázni napojena dvoustupňová promývačka 13 plynné fáze v ledové lázni, která je tvořená dvěma nádobami umístěnými v ledové lázni, pro zajištění podchlazení plynné fáze na teplotu 8 °C. Na výstupu z promývačky 13 plynné fáze v ledové lázni je nainstalován senzor 17 teploty s alarmem, který je nastaven na maximální teplotu 13 °C procházející plynné fáze. Při dosažení teploty 13 °C procházející plynné fáze se spustí alarm a dojde k automatickému odstavení kontinuálního analyzátoru 15 plynů z provozu.

Z promývačky 13 plynné fáze v ledové lázni je dále vyvedena hadice volně umístěná na vzduchu s průměrem 0,8 cm v délce 6 m, ve které se plynná fáze samovolně ohřeje na teplotu okolí a ohřátá plynná fáze dále vstupuje do pojistné promývačky 14 plynné fáze s následným filtrem 20. Filtr 20 je přes potrubí napojen do kontinuálního analyzátoru 15 plynů. Provozní teplota kontinuálního analyzátoru 15 plynů je nastavena na konstantní teplotu 30 °C a kontinuální analyzátor 15 plynů je průběžně vyhříván na tuto teplotu. Analýza plynu v kontinuálním analyzátoru 15 plynů probíhá pomocí nedisperzní a disperzní infračervené spektrometrie (NDIR), tepelně-vodivostního detektoru (TCD) a detektoru elektronového záchytu (ECD), kde rozsah obsahu plynů je následující:

CH4: 0 až 40 % (NDIR)

CO2: 0 až 50 % (NDIR)

CO: 0 až 35 % (NdIR)

H2: 0 až 50 % (TCD)

O2: 0 až 25 % (ECD)

Z kontinuálního analyzátoru 15 plynů je vyveden výstup 21 vzorku znečištěné plynné fáze, který je zaústěn do komína a je odváděn ven ze zařízení 1.

Claims (5)

1. Zařízení (1) pro testy regenerace aktivního uhlí z odstranění stopových xenobiotik po filtraci surové vody na vodárnách, zahrnující alespoň jeden rotační reaktor (2) pro plnění aktivního uhlí (5) opatřený alespoň jedním vstupem (3) aktivního uhlí (5), alespoň jedním prostředkem (4) pro ohřev vnitřního prostoru reaktoru (2), alespoň jedním zdrojem (6) páry, alespoň jedním zdrojem (7) dusíku pro vytvoření inertní atmosféry uvnitř reaktoru (2) a alespoň jedním výstupem (8) znečištěné plynné fáze z reaktoru (2), a dále zahrnující alespoň jednu absorpční kolonu (9), napojenou na výstup (8) znečištěné plynné fáze a opatřenou výstupem (10) vyčištěné plynné fáze ze zařízení (1), přičemž výstup (8) znečištěné plynné fáze je opatřen alespoň jedním zařízením (11) pro odběr, úpravu a analýzu vzorku znečištěné plynné fáze, vyznačující se tím, že zařízení (11) pro odběr, úpravu a analýzu vzorku znečištěné plynné fáze zahrnuje vzorkovací potrubí (18) s uzavíracím ventilem (19) napojené na výstup (8) znečištěné plynné fáze, alespoň jednu promývačku (12) plynné fáze ve vodní lázni pro vyloučení kondenzátu napojenou na vzorkovací potrubí (18), alespoň jednu promývačku (13) plynné fáze v ledové lázni pro odstranění nečistot napojenou na promývačku (12) plynné fáze ve vodní lázni, alespoň jednu pojistnou promývačku (14) plynné fáze s filtrem (20) napojenou na promývačku (13) plynné fáze v ledové lázni a alespoň jeden kontinuální analyzátor (15) plynů.

2. Zařízení (1) podle nároku 1, vyznačující se tím, že promývačka (13) plynné fáze v ledové lázni je dvoustupňová a je tvořena dvěma nádobami umístěnými v ledové lázni.

3. Zařízení (1) podle nároku 1 nebo 2, vyznačující se tím, že za promývačkou (13) plynné fáze v ledové lázni je uspořádán senzor (17) teploty s alarmem.

4. Zařízení (1) podle některého z nároků 1 až 3, vyznačující se tím, že zařízení (11) pro odběr, úpravu a analýzu vzorku znečištěné plynné fáze je opatřeno čerpadlem znečištěné plynné fáze.

5. Zařízení (1) podle některého z nároků 1 až 4, vyznačující se tím, že dále zahrnuje alespoň jeden termočlánek (16) pro měření teploty aktivního uhlí (5) uvnitř reaktoru (2) uspořádaný v ohebném pouzdře a umístěný v ose rotace reaktoru (2).