FI78443B - Anordning foer behandling av vatten. - Google Patents

Description

1 78443

Laite veden käsittelemiseksi.- Anordning för behandling av vatten.

Esillä olevan keksinnön kohteena on laite veden käsittelemiseksi, erityisesti veden raudan ja mangaanin poistamiseksi toisiinsa virtausyhteydessä olevilla pystysuodatinkammiopareilla, joita on useita peräkkäin rivissä tai kehässä, jolloin edellisen parin jälkimmäinen kammio on virtausyhteydessä seuraavan parin ensimmäisen kammion kanssa.

Käsillä olevan vedenkäsittelylaitteen kehittämisen tavoitteena on erityisesti ollut pienissä yksiköissä tapahtuva pohjaveden raudan ja mangaanin poisto, mikä on vedenkäsittelyn eräs ongelma-alue.

Rauta ja mangaani ovat erittäin yleisiä pohjavedessä esiintyviä aineosia. Pohjaveden joutuessa esimerkiksi ilman kanssa kosketukseen otettaessa vesi ulos sen luonnollisesta ympäristöstä nämä aineet herkästi hapettuvat muuttuen kiinteään muotoon. Tämä aiheuttaa huomattavaa käyttöhaittaa mm. syntyvän sakan vuoksi.

Luonnon vesissä rauta ja mangaani esiintyvät erilaisina yhdisteinä, toisinaan esimerkiksi humukseen sitoutuneina, jolloin niiden erottaminen (saostamalla) vaihtelee. Toisinaan erityisesti raudan poistoon riittää vain yksinkertainen ilmastus ja suodatus, toisinaan vaaditaan huomattavasti tehokkaampia prosesseja. Mangaanin poistaminen on yleisesti hankalampaa kuin raudan. Yleisestikin pohjavesien laadullinen kirjo on huomattavan laaja, mistä johtuen niiden käsittelytarpeet ja -mahdollisuudet huomattavasti vaihtele- vat. Raudan ja magnaanin ohella vedenkäsitteyongelmia voivat aiheuttaa mm. pelkistyneessä muodossa olevat typpiyhdisteet (NH4 ja N02~ionit), veteen liuenneet haitalliset kaasut (metaani, rikki, vety, radon), alhainen pH ja korkea C02_pitoisuus (metalliputkis-toja syövyttävät ominaisuudet) sekä hapettomuus.

2 78443

Tunnetut, yleensä tehdasvalmisteiset pienet vedenkäsittelylait-teet, joiden toimintaperiaate lähtee yksinkertaisesta ilmastuksesta ja suodatuksesta aina veden kemialliseen käsittelyyn, kattavat vedenkäsittelyn osa-alueita, mutta huomattavia puutteita esiintyy. Kaikkein tehokkainani11a menetelmillä saavutetaan hyviä tuloksia mutta huomattavien kustannusten hinnalla. Eräänä ongelmana on lisäksi laitteiden vaativa huolto ja lyhyet huoltovälit. Erityisesti suurien rautapitoisuuksien (> 10 mg Fe/1) esiintyessä sakan muodostuminen on runsasta ja puhdistuslaitteet nopeasti tukkeutuvat. Kaikki markkinoilla olevat puhdistuslaitteet perustuvat paineellisiin järjestelmiin, joilla on rajoituksena mm. haitallisten kaasujen poistoa ajatellen. Kaikki puhdistusvaati-mukset täyttävää laitetta on vaikeä löytää.

Pohjaveden käsittelylaitteilta vaaditaan pelkästään jo raudan ja mangaanin poistossa erittäin hyvää, eri veden laadut huomioon ottavaa toimivuutta. Tällainen saavutetaan kohtuullisin kustannuksin yleensä vain vesilaitoksilla jo sovelletuin biologisin käsittelymenetelmin. Tällaiset laitokset käsittävät yleisimmin maanpinnalle rakennettuina ilmastusportaita ja sepelisuodattimia esikäsittely-yksikkönä sekä pääkäsittely-yksikkönä hiekkamaala-jeista tehdyn hidassuodattimen, joka voi olla keinotekoinen allas tai pohjavesivyöhykkeeseen vedet valuttava imeytysallas. Tällaisia tilaa vaativia rakenteita ei voida käyttää pienimuotoisessa veden-käsittelyssä, joka tarvittaessa voidaan sijoittaa talouskäytössä oleviin tiloihin. Lisäksi vesilaitoksienkin talvikäytön kannalta olisi eduksi, jos suhdetta laitoksen kokonaispinta-alatuotto voitaisiin nykyisestä pienentää.

Tunnetuissa ns. hidassuodatuslaitoksissa tai vastaavissa tämä suhde on yleensä sellainen, että tuotettua vesikuutiometriä kohden tarvitaan 1-2 m2 tai suurempikin pinta-ala.

Keksinnön tavoitteena on ollut erityisesti pienmittakaavaiseen vedenkäsittelyyn sopivan laitteen kehittäminen. Sen toimivuusvaa- 3 78443 timuksena on ollut ennenkaikkea tehokas raudan ja mangaanin poisto kaikista vesilaaduista ja kaikissa käsittelyolosuhteissa mutta samalla myös tuloksen aikaansaaminen muissa em. käsittelytarpeissa. Laitteelta on myös edellytetty hyvää toimivuutta huollon suhteen sekä yksinkertaista, jopa omatoimisen rakentamisen mahdollistavaa rakennetta.

Keksinnön tavoitteet saavutetaan laitteella, jolle on tunnusomaista se, että kunkin kammioparin kammiot ovat alaosastaan virtaus-yhteydessä ja että veden täyttämistä kammiopareista ainakin toinen on varustettu osittain vedenpinnan yläpuolella olevalla pintasuo-datinkerroksella, että ainakin yhden suodatinkammioparin ensimmäisessä kammiossa suodatinkerros voi ulottua kammion pohjaan saakka ja että virtausyhteys peräkkäisten kammioparien välillä tapahtuu ylivirtauksena, jolloin samalla tapahtuu veden ilmastus.

Keksinnön muut tuntomerkit selviävät jäljempänä esitettävistä patenttivaatimuksista 2-6.

Käsittelylaitteen muodostaa suodatinkammiosto, joissa vesi hitaasti virtaa pystysuorassa suunnassa. Kammiot toimivat pareittain niin, että kussakin parissa vesi ilmastuksen jälkeen virtaa biologisesti toimivan suodattimen läpi alas ja jälleen ylös suodatti-meen, jonka jälkeen se ilmastuu ennen seuraavaan kammiopariin siirtymistään. Kammioparien määrä voidaan valita mielivaltaisesti esiintyvien tarpeiden mukaan (veden käsittelyvaikeus). Tämä lähtökohta on merkittävä erityisesti suurien vesilaitosten sovellutus-kohdissa, koska edellä olevan mukaisesti käsittelytarve voimakkaasti vaihtelee ja se toisaalta voidaan ennalta tutkia.

Pienet yksiköt voidaan rakentaa käytännöllisimmin suoraan useita kammiopareja käsittävänä yksikkönä, jolloin tarvittava puhdistus-varmuus saavutetaan.

Kammiosuodatinyksikköä voidaan käyttää joko yksin tai kytkeä 4 78443 siihen erillinen pienialainen jälkisuodatin, esim. hiekka- suodatin, joka vaikeissa vedenlaatuolosuhteissa parantaa puhdistusvarmuutta ja pidentää huoltoväliä.

Laitekonstruktion toimivuus perustuu mm. seuraavaan.

- hapetusta tapahtuu koko prosessin ajan veden virratessa kammioparista toiseen. Riittävä hapensaanti on välttämätön edellytys biologiselle toiminnalle - kammiossa oleviin suodatinmateriaaleihin saadaan aikaan biologinen toiminta joko luonnollisesti tai tarvittaessa myös rauta-mangaanibakteeri-istutuksin - laitteen mitoitus on sellainen, että veden viipymä siellä on riittävä, esim. vähintään kaksi tuntia, millä saavutetaan sekä aikaa itse puhdistumisprosessille, että myös hidas veden virtausnopeus - suodattimet sijaitsevat kammioiden yläpäässä, osittain vesipinnan yläpuolella, jolloin saavutetaan parhaat hapen-saantiolosuhteet sekä mahdollisuus erilaisten biologisten vyöhykkeiden syntymiselle - pystykammiosuodattimissa saadaan aikaan puhdistusprosessi, jossa tavoitteen mukaisesti pääosa rautasakasta saadaan muodostumaan ja erottumaan itse suodattimien toimiessa lähinnä biologisen toiminnan alustoina - veden hitaan virtauksen vuoksi sekä suodattimien sijainnista johtuen pääosa syntyvästä sakasta saadaan sedimentoitumaan kammioiden pohjalle ja näin vältetään suodattimien liian nopea tukkiutuminen 5 78443 - laitekonstruktio sallii erilaisten suodatinmateriaalien ja yhdessä kammiossa jopa niiden yhdistelmien käytön. Tavallisimman ongelman muodostavassa raudan poistossa voidaan menestyksellä käyttää karkeitakin suodinmateriaaleja kun taas eräiden muiden aineosien poistoon soveltuvat hienommat materiaalit.

- raudan ja mangaanin poiston ohella käsittelyssä saavutetaan myös muita etuja. Tehokkaan hapetuksen vuoksi verkostoon menevä vesi on hyvin ilmastunutta. Sen fosfori- ja hiilidioksidipitoisuus pienenee ja pH kasvaa, jolloin veden metalliputkistoja syövyttävät ominaisuudet vähenevät tai kokonaan poistuvat. Mahdolliset pelkistyneet typpiyhdisteet hapettuvat haitattomampaan nitraattimuotoon. veden KMn04-kulutus pienenee. Veteen liuenneet haitalliset kaasut poistuvat - laitteiden huoltoväli on pisimmillään ollut jopa puoli vuotta, yleisesti päästään kuukausien pituiseen toimivuuteen.

Keksintöä selostetaan tarkemmin viittaamalla oheistettuihin piirustuksiin, joista

Kuva 1 esittää keksinnön mukaista laitesovellutusta, kuva 2 esittää toista laitesovellutusta, jossa myöskin kolme suodatinkammioyksikköä on sijoitettu peräkkäin, kuva 3 ja 4 esittävät sovellutusta, jossa kolme suodatin-kammioparia on sijoitettu peräkkäin kehään, varustettuina myös yhdistelmäsuodattimien käytön mahdollistavalla korirakenteilla.

6 78443 kuva 5 esittää kuvan 4 mukaista laiterakennetta asennettuna varastoksivoon, kuva 6 esittää suodatinkorin rakenteita, kuvat 7 ja 8 esittävät laitteilla saatuja koetuloksia, ja kuvat 9 ja 10 tarkempia koetuloksia kahdesta koekohteesta.

Kuvan 1 mukainen laite muodostuu kolmesta peräkkäin riviin järjestetystä suodatinkammioparista. Kukin pari muodostuu virtaussuunnassa etummaisesta kammiosta 2 ja takimmaisesta kammiosta 3, joiden alaosassa kammiot ovat virtausyhteydessä toisiinsa. Suodatinkammioparit 1 on siten mitoitettu, että niiden vesipinta alenee portaattain ensimmäisestä kammio·» parista seuraaviin.

Kammion yläosissa on suodatinkerros 4 joka ainakin osittain voidaan sijoittaa vedenpinnan yläpuolelle. Syöttöputkesta 6 tulevan käsiteltävän veden virtaussuunnassa ensimmäisen kam-mioparin ensimmäinen kammio 2 on kuvan 1 esittämässä tapauksessa täytetty pohjaan saakka kalkkikivikappaleilla. Neste virtaa tämän kalkki kivellä täytetyn kammion kautta jossa veden pH nostetaan. Ensimmäisessä kammiossa 2 vesi virtaa hitaasti alaspäin ja kammion alaosassa virtaa seuraavaan kammioon 3 samalla muuttaen virtaussuuntaansa. Kammion 2 yläosassa on suodatinkerros 4 joka voi muodostua sopivasta suodatusai-neesta, kuten vapaasti kelluvasta kevytsorasta, hiekasta, styrox-rakeista tai vastaavista. Edullisesti nämä suodatin-aineet on sijoitettu kammion 4 yläosaan sopivien korirakenteiden tai tukikehysten (19) varassa, joita kehyksiä on esitetty esimerkein ylhäältä ja sivusta katsottuna kuvassa 6. Kuvan 6 alimmainen kuva esittää tukikehykseen sijoitettavaa suodatinallasta (20) , joka täytetään suodatinaineella, tai 78443 -aineilla ja voivat olla erillaisia kuin kammiossa käytetyt. Suodatinaltaasta (20) vesi pääsee poistoaukkojen kautta virtaamaan tukikehyksen (19) suodatinaineeseen.

Kuvassa 1 on peräkkäin esitetty kolme pystysuodatinkammio-paria, joiden kautta siis käsiteltävä vesi hitaasti virtaa alaspäin etummaisissa kammioissa 2 ja ylöspäin jälkimmäisissä kammioissa 3. Kunkin parin jälkimmäisestä kammiosta 3 neste suodatinkerroksen 4 kautta virtaa ylijuoksuna seuraavan kam-mioparin etummaisen kammioparin suodatinkerroksen läpi ja alas kammiossa muuttaen jälleen edellä esitetyllä tavalla suuntaansa kammion alaosassa. Tällä tavalla voidaan pystysuoda-tinkammioparien lukumäärää muuttamalla laitteen kokonaistehoa muuttaa ja säätää tarpeen mukaan. Tästä pystysuodatinyksiköstä käsitelty neste poistuu putken 7 kautta ja se voidaan edullisesti ohjata jälkisuodattimeen, esim. sinänsä tunnettuun hiekkasuodattimeen 8, jossa mahdolliset lisäepäpuhtaudet poistetaan. Jälkisuodattimesta puhdistettu vesi johdetaan putkia 12 myöden joko käytettäväksi tai varastoitavaksi.

Kuvassa 2 on esitetty kuvan 1 mukainen käsittelylaitteisto jossa ruoka-vesikaivosta 10 käsiteltävä vesi johdetaan putkia 6 myöden pumpun 20 avulla käsittelylaitteistoon, jonka rakenne vastaa kuvan 1 esittämää. Ensimmäinen kammio 2 on täytetty kalkkikivellä 5.

Toisen kammioparin ensimmäinen kammio 2 esitetyssä tapauksessa ei lainkaan ole varustettu suodatinaineella. Viimeisen kammioparin ensimmäinen kammio 2 on jälleen täytetty kalkkikivellä 5.

Näin puhdistettu neste johdetaan poistoputkeila 7 hiekkasuodattimeen 8 josta se edelleen johdetaan putkea 12 pitkin käytettäväksi tai varastoitavaksi.

Kuvissa 3 ja 4 on esitetty sovellutus jossa pvstysuodatin-kammioparit on sijoitettu peräkkäin muodostaen kehän. Tällai- β 78443 sella ratkaisulla päästään erittäin pieneen ja kompaktiin kokonaisrakenteeseen, sovellutuksessa on lisäksi yhdistelmä-suodattimia.

Kuvan 3, joka esittää kuvan 4 poikkileikkausta pitkin viivaa IV-IV, kuvaama sovellutus vastaa periaatteessa kuvan 1 laitetta, mutta kammiot ovat läpileikkaukseltaan sektori-maisia. Näin yhteen liitettynä saadaan ympyrämäinen kokonaisuus jonka keskellä on aukko. Käsiteltävä vesi johdetaan syöttöputkea 6 myöden ensimmäiseen sektorimaiseen käsittely-kammioon 2, jonka yläosassa on suodatinainetta varten tarkoitettu kehikko (kts. kuva 6). Nesteen virratessa ylöspäin kammiossa 3 ja täyttäessä sen se virtaa seuraavaan pysty-suodatinkammiopariin ylivuotokynnyksen 11 kautta, jolloin neste samalla ilmastuu ja virtaa biologisesti toimivan suodattimen läpi alas kammioon 2 ja jälleen ylös kammiossa 3 suodattimen läpi ja ylivuotokynnyksen 11 kautta seuraavaan suodatinpariin. Kammioparien 1 määrä voidaan valita mielivaltaisesti esiintyvien tarpeiden mukaan. Lisäksi voidaan laitteen tehoa jälkeenpäin yksinkertaisesti lisätä tai vähentää aina tarpeen mukaan. Pienet yksiköt voidaan rakentaa käytännöllisimmin suoraan useita kammiopareja käsittävinä yksiköinä, jolloin tarvittava puhdistusvarmuus saavutetaan. Kammio suodatinyksikköä voidaan käyttää joko yksin tai kytkeä siihen erillinen jälki- esim. hiekkasuodatin 8, joka vaikeissa veden laatuolosuhteissa parantaa puhdistusvarmuutta ja pienentää huoltovälejä.

Kuvassa 5 on esitetty keksinnön mukainen puhdistuslaite sijoitettuna varastokaivoon, jossa siis puhdistuslaiteyksikkö, pystysuodatinkammioyksiköineen vastaa kuvan 4 rakennetta.

Tämä laite kokonaisuudessaan on sijoitettu varastokaivoon 17, johon laitteen puhdistama vesi syöttöputkesta 12 valutetaan kaivoon ja siellä varastoitu vesi 15 pintasäätimen lfl avulla 9 78443 pidetään tietyllä korkeudella ja poistetaan siitä poistoputken 16 avulla. Puhdistuslaitteesta voidaan raakavesi ja sakka poistuu poistoputken 13 avulla. Suoritetuissa kokeissa koelaitosten tuotto oli keskimäärin 2 m3/cl, kuvan 2 mukaisessa koelaitoksessa 40 m3/d. Kokeita suoritettiin käyttäen kolmea perättäin asetettua kammioparia, joista jokainen oli kooltaan 40 x 80 x 60 cm (vm. pystymittä) ja tilavuus 200 litraa. Kammioiden keskellä oli alapäästä avoin väliseinä. Kammiot oli asetettu portaattain siten, että vesi putoaa ilmastuen laatikosta toiseen.

Suodatinmateriaaleina käytettiin pääasiassa kevytsoraa, joka oli pakattu verkolla varustettuihin kehikkoihin. Nämä oli aluksi upotettu lähelle vedenpintaa, myöhemmin käyttö kehittyi niin, että osa suotimesta oli vedenpinnan yläpuolella, mikä helpoimmin saavutettiin käyttämällä vapaasti kelluvaa kevytsoraa. Muina suodatinmateriaaleina kokeiltiin styrox-rakeita sekä verkkoalustalla olevaa hiekkaa. Kammiosarjän alkupäässä olevaan koriin (tai myös ensimäinen kammio täyttäen) oli pantu kalkkikiveä veden pH:n nostamiseksi.

Näiden suotimien hydraulinen pintakuorma oli 0,5 m/h.

Kammioiden jälkeen oli 100 x 100 x 30 cm kokoinen hiekkasuoda-tinlaatikko, jonka hydraulinen pintakuorma oli 0,08 m/h.

Yksi koelaitos (n:o 5, kuva 5) rakennettiin kiinteänä kolme kammioparia käsittävänä "laatikkona". Sen koko oli 2,8 x 1 x 1,1 m, tilavuus 2,6 m3 sekä suotimien hydraulinen pintakuorma 3,6 m/h. Suodatinmateriaaleina käytettiin kairanioparien jälkimmäiseen puolikkaaseen sijoitettuja kevytsorapakkauksia sekä ensimmäiseen puolikkaaseen kalkkikiveä. Viimeisenä oli kaivorenkaisiin rakennetut heikka-suotimen pinta-alaltaan 6,3 m^. Niiden hydraulinen pinta- 10 78443 kuorma oli 0,27 m/h.

Kuvissa 7 ja 8 on esitetty koelaitteiden vedenpuhdistusmis-tulos kokeen lopulla. Kuvissa 9 ja 10 on lisäksi esitetty kumpaakin laitekokoa edustava puhdistumistulos koko koeajalta (Pe, Mn).

Näiden sekä muiden tässä esittämättömien erillishavaintojen perusteella voidaan todeta seuraavaa.

1) Kaikissa koelaitoksissa saavutettiin hyvä tai ainakin tyydyttävä puhdistumistulos 2) Laitteiden toiminnan täysitehoisuus saavutetaan raakaveden laadun vaihteluista johtuen eri yksikössä eri ajassa. Raudan osalta puhdistuminen voi täysitehoisena käynnistyä jopa viikon kuluessa; vaikeissa vedenlaatu olosuhteissa (humukseen sitoutuneisuus tms) se voi kestää yli kuukauden. Mangaanin osalta käynnistyminen on aina hidas, kuukaudesta jopa yli puolen vuoden. Tässä on todettu rauta- ja magnaa-nibakteerien esiintyminen erittäin merkittäväksi (biotoi-mintojen tutkimus kuului työhön laajana osana).

3) Rauta saattaa poistua pääosiltaan jo yksikön alkupäässä; vaikeissa olosuhteissa puhdistumisprosessi kehittyy kammio kammiolta koko yksikössä viipymän ajan.

4) Mangaanin poistuminen on tehokkainta hiekkasuodattimella.

Laitteisto soveltuu sekä pieniin että suuriin laitoksiin, suurissa yksiköissä (> 100 mVd) käyttösovellutus edullisimmin on perättäisten kammioparien asentaminen. Mitoitus perustuu raakaveden laatuun. Pienehköissä vesilaitoksissa (< 100 mVd) voidaan soveltaa joko edellistä tai rakentaa kohteen 5 tapaan 11 kiinteitä yksikköjä. 784 4 3

Yhden talouden käyttöön tarvittavissa puhdistamoissa voidaan käyttää kiinteää, useamman kammioparin käsittävää puhdistuslaitetta, joka voi olla tehdasvalmisteinen tai yksinkertaisessa muodossa myös itse rakennettu.

Laitteen kustannukset jäävät vastaavia tehdasvalmisteisia pienemmäksi huolimatta siitä, että ei-paineellinen järjestelmä vaatii enemmän säiliötilaa ja kaksinkertaisen pumppauksen.

Puhdistuslaitekonstruktio voidaan valita tarpeiden perusteella. Helposti käsiteltävissä vesissä päätepisteenä ollut hiekkasuodatin on tarpeetn, vaikeasti käsiteltävissä vesissä se varmistaa puhdistumistuloksen. Hiekkasuodatin voidaan sijoittaa myös osana kammiossa 2, 3 oleviin suotimiin 4, jolloin esim. mangaanin poiston kannalta välttämätön biologinen toiminta saadaan aikaan jo täällä.

/

Claims (6)

78443

1. Laite veden käsittelemiseksi, erityisesti veden raudan ja mangaanin poistamiseksi toisiinsa virtausyhteydessä olevilla pystysuodatinkammiopareilla (1), joita on useita peräkkäin rivissä tai kehässä, jolloin edellisen parin jälkimmäinen kammio (3) on virtausyhteydessä seuraavan parin ensimmäisen kammion (2) kanssa, t unnettu siitä, että kunkin kammioparin (1) kammiot (2, 3) ovat alaosastaan virtausyhteydessä ja että veden täyttämistä kammiopareista (2, 3) ainakin toinen on varustettu osittain vedenpinnan yläpuolella olevalla pintasuodatinkerroksella (4), että ainakin yhden suodatinkam-mioparin (1) ensimmäisessä kammiossa (2) suodatinkerros (5) voi ulottua kammion pohjaan saakka ja että virtausyhteys peräkkäisten kammioparien (1, 2) välillä tapahtuu ylivirta-uksena, jolloin samalla tapahtuu veden ilmastus.

2. Patenttivaatimuksen 1 mukainen laite, tunnettu siitä, että veden pinta alenee porrastetusti ensimmäisestä suodatinkammioparista seuraaviin.

3. Patenttivaatimuksen mukainen 1 tai 2 laite, tunnet-t u siitä, että suodatinkerroksen (4) materiaali on kevytsoraa, soraa, hiekkaa tai styrox-rakeita.

4. Jonkin edellä olevan patenttivaatimuksen mukainen laite, tunnettu siitä, että ainakin yksi suodatinkammio-parin (1) jälkimmäinen (3) kammio on liitetty sinänsä tunnettuun jälkisuodattimeen (8), esim. hiekkasuodattimeen.

5. Jonkin edellä olevan patenttivaatimuksen mukainen laite, tunnettu siitä, että suodatin muodostuu kammioon sijoitettavasta revitetystä tukikehikosta (19), johon on pantu suodatinainesta. 13 78443

6. Patenttivaatimuksen 5 mukainen laite, tunnettu siitä, että tukikehikon (19) sisällä on tukikehikkoon johtavilla poistoaukoilla varustettu suodatinallas (20) toista/toisia suodatinaineksia varten. 78443