מנגנוני סינון מים

תיאור מפעל הסינון המרכזי - יעילותו והפקת המים באיכות גבוהה הוסברו בהרצאה ובתקציר ע"י דר' חטוקאי. כאן ננסה לדון על מנגנוני התהליכים הכרוכים בפעולתו.

באופן כללי המנגנונים מורכבים משילוב מיוחד של מנגנונים הידרודינמיים ופיסיקו-כימיים. מהירות הסינון הגבוהה דורשת בחירת גרגירי מצע בקוטר גדול יותר ממהירות קונבנציונלית בכדי לאפשר להעביר את הזרימה (ספיקה) בעומד הזמין, במפעל גרביטציוני בערך 2.4 מטר. בשטיפה נגדית יש להשיג התפשטות מצע רצויה. במצע גרגירים גדולים הגרגירים חייבים, על כן, להיות במשקל סגולי נמוך (חוק סטוקס). לכן נבחר מצע אנטרציט במשקל סגולי 1.25 לעומת חול במשקל סגולי 2.6.

סינון במצע גרנולי אינו סינון מכני, אינו ניפוי רטוב, וחלקיקים קטנים מגודל חללים המצע מורחקים במנגנוני הרחקה שיינתנו להלן.
הסינון (הרחקת החלקיקים) בסקלת מיקרו, בתוך חלל המצע, מורכב משני שלבים עיקריים:
1. הסעת החלקיקים במים בחלל או על פני גרגירי המצע - TRANSPORT.
2. הצמדות החלקיקים שהגיעו לפני הגרגיר לשטח הגרגיר - ATTACHMENT.
2.1 במצב הצטברות מסוים מתרחשת תופעת הינתקות - DETACHMENT.
המנגנון כולו היצמדות-הינתקות.

שלב ההסעה תלוי בגורמים הידראוליים ואופי המצע. שטח ספציפי של גרגירים גדולים קטן משמעותית משטח גרגירים קטנים (קונבנציונלי). שטח ספציפי נמוך ומהירות סינון גבוהה מקטינים סיכויי פגיעה והגעה לפני הגרגיר. על כן דרוש עומק מצע גדול יותר במהירות ומצע קונבנציונליים. בניסויים לקראת הקמת מפעל הסינון המרכזי נמצא עומק דרוש של 2 מטר, לקבלת יעילות סינון גבוהה. לעומק המצע השפעה גם על מנגנוני הצמדות-הינתקות.

היצמדות-הינתקות נקבעים ע"י תופעות שלב פיסיקו-כימיים.
ראשית כל נדרש ערעור יציבות קולואידית של החלקיקים לשם הרחקתם (היצמדותם).
לקבלת עכירות נמוכה מאוד בתסנין (0.2 > יע"ן (יחידת עכירות נפלומטרית)) דרושה, כנראה, גם יצור פתיתונים, בעלי תכונות היצמדות אופטימליות מחד אך בלי סתימת חללי מצע מאידך. התכונות הלל נקבעות ע"י הטיפול הפיסיקו-כימי במים לפני כניסתם לתאי הסינון.

הטיפול במפעל כולל קואגולציה ע"י אלום ב pH מתאים אחרי שהמים עברו חימצון מקדים, ובו הוסף פולימר קטיוני אחרי אלום, מים עוברים בחישה מהירה ובחישה איטית (זמן קצר). טיפול כזה נדרש לקבלת מים מסוננים בעכירות 0.1 יע"ן או פחות ומחזורי סינון ארוכים. פרטי תהליך הטיפול לקראת סינון נקבעו במתקן פיילוט פלנט באשכול ואושרו בהפעלת המפעל בקנה מידה מלא.

תיאור ודיון בטיפול הפיסיקו כימי ואינדיקציות למנגנוני התהליכים הכרוכים בהם

חימצון מקדים (PREOXIDATION)

יש לשער שני מנגנונים בעלי השפעה חשובה על פולקולציה לסינון:
א. חמצון חומרים אורגניים הספוחים לחלקיקי העכירות ומהוים גורם חשוב ביציבותם הקולואידית (נוסף למטען). חימצון החומר האורגני הספוח גורם לדה-סורפציה שלו מהחלקיקים ומהוה כעין ערעור חלקי ביציבותם ו/או סיוע משמעותי לפעולה הקואגולטיבית של אלום.

ב. נמצא השפעתו המיוחדת על הרחקת אצות. יש לשער כי החימצון גרם ל"שיתוקן" ושינוי פני השטח מאפשר לכידתם בתוך ה "פתיתונים" והרחקתן בסינון.

קואגולציה-פליקולציה ע"י אלום

אלום ידוע כקואגולנט ופלוקולנט. לפעילותו האופטימלית במפעל המרכזי (ובפיילוט) נדרשת הורדת pH (שלא תעלה על (pH=7, דבר אשר נותן אינדיקציה חזקה כי מנגנון פעולה ראשי הינו ספיחה-ניטרול מטען ע"י אלומו-הידרוקסו-הידרוליזטום פולימריים של אלומניום. [Alx(OH)y]3x-y

פולימר

תפקידו לחזק את "פתיתונים" הנצמדים לפני גרגירי מצע ובמינון מתאים להבטיח איזון אופטימלי בין היצמדות והינתקות, איזון אשר יבטיח הפקת מים באיכות גבוהה ומחזורי סינון ארוכים.

בחישה מהירה

תפקידה העיקרי פיזור אחיד של הכימיקלים המוספים ותחילת קואגולציה.

בחישה איטית

בתולדות טיפול במים הפלוקולציה מתבצעת לפני שיקוע ומטרתה יצירת פתיתים גדולים לשיקוע מהיר, הבחישה האיטית אחרי הוספת פלוקולנטים (אלום וכו') יוצרת את הפתיתים. בפעולת הסינון איננו מעוניינים בפתיתים גדולים בכדי למנוע סתימת חללי מצע הסינון דבר העלול לתת מחזורים קצרים.

במפעלי סינון ה"ותיקים" בעולם (הקונבנציונליים), הסינון ממוקם אחרי פולוקולציה ושיקוע ומיועד להרחיק שאריות פתיתים קטנים אשר לא שקעו באגני השיקוע.

בשנות ה-60-70 החלו במחקר ופיתוח סינון ללא שיקוע מוקדם במיוחד למים בעלי עכירות גולמית לא גבוהה עד 20 י.ע.ן.. התהליך הפופולרי פותח כ-"סינון מגע" CONTACT FILTRATION בו מינון אלום ו/או פולימר קטיוני נעשה לצינור בכניסה למסנן. הקואגולציה מתבצעת בתוך מצע הסינון - דהיינו שילוב פלוקולציה וסינון בתהליך אחד ומניעת יצירת פתיתים גדולים דבר המאפשר מחזורי סינון ארוכים. מים אחרי סינון הן ב-"ותיקים" והן בסינון מגע היו בעכירות של 2 עד 5 י.ע.ן כך גם נדרש בתקנות מי שתיה בשנים טרם 1980.

עם החמרת סוגיות הסינון בגלל הטפילים ודרישות עכירות מים מסוננים מתחת 0.5 יע"ן רצוי 0.2 יע"ן, התברר כי יש צורך בבחישה איטית (אמנם בזמן שהיה לא ארוך) לפני הסינון (בסינון ישיר ללא שיקוע) ובפרט למים גולמיים בעכירות נמוכה 1 עד 5 יע"ן. רוב המפעלים בעולם אשר עבדו בסינון מגע עברו לסינון "ישיר" ז"א פלוקולציה עם בחישה איטית. גם בניסוי פיילוט במי מוביל באשכול הראו חשיבות בחישה איטית קצרה. הסיבות לצורך בבחישה איטית לא זכו בעולם המקצועי למחקר מדעי להסבר התהליך.

השערה למנגנון אפשרי: בכדי להפוך מים מסוננים בעכירות 0.1-0.2 יע"ן יש ללכוד כמעט כל החלקיקים, אשר בפעולות סינון בעבר (מגע או קונבנציונאלי) לא הורחקו (דבר שהתבטא במים מסוננים של 1 עד 5 יע"ן) לשם כך יש ליצור פתיתונים טרם כניסת המים למסנן. פתיתונים אשר יוצמדו למצע סינון ביעילות ויאפשר קבלת מים בעכירות 0.1 יע"ן.
זאת השערה אשר דורשת מחקר מדעי כדי לאשר אותה או לשלול אותה ויראה מנגנון אחר.

סיכום

הפעלת מפעל הסינון המרכזי, רביעי בגודלו בעולם, מראה כי ע"י שילוב נכון של גורמים הידרודינמיים ופיסיקו-כימיים (האחרונים קלים מאוד לויסות) ניתן בקלות לסנן במצע גרנולרי במהירות גבוהה, ביעילות אנרגטית גבוהה ולקבל מים בעכירות 0.1 יע"ן בעלות נמוכה באופן ניכר (לפחות מחצית) מטכנולוגיה אחרת. על כן רצוי מאוד לחקור ולהבין מנגנונים שעדיין לא נבחנו לייעול נוסף של התהליך.