Archiwum dla Czerwiec, 2018

Pod pojęciem układu płucznego rozumiemy instalację składającą się z pomp i rurociągów służących do usuwania zanieczyszczeń gromadzących się w filtrze uzdatniającym wodę. Przeważnie jest to układ niezależny, od układu filtracyjnego i wykorzystywany jest okresowo, gdy złoże filtru ulegnie nadmiernej kolmatacji. Odpowiednio dobrane pompy odśrodkowe tłoczą wodę ze zbiornika zapasowo-wyrównawczego do filtru płucząc go w dwóch kierunkach: przeciwnym i zgodnym do kierunku filtracji. Pierwszy sposób jest procesem zasadniczym usuwającym nagromadzone podczas filtracji zanieczyszczenia. Od jego intensywności i czasu trwania zależy w głównej mierze skuteczność płukania. Drugi sposób płukania jest procesem wspomagającym płukanie zasadnicze. Zadaniem jego jest usunięcie resztek zanieczyszczeń z filtru i przystosowanie go do normalnej filtracji. Jest to proces nie zawsze występujący niemniej jednak zalecany. Podczas płukania może wystąpić kilka cykli :

-przedmuchiwanie złoża powietrzem

-płukanie powietrzem z wodą

-płukanie samą wodą

Skuteczność płukania ma wpływ na jakość oraz koszt produkcji wody. Dlatego szczególnie ważnym jest ustalenie optymalnej częstotliwości i czasu płukania.

Wody popłuczne zawierają duże ilości zanieczyszczeń typu mineralnego, których nie można odprowadzać bezpośrednio do cieków powierzchniowych czy nawet kanalizacji. Dlatego układ płuczny musi być powiązany z układem odstojnikowym, który ma za zadanie oczyszczenie wody popłucznej w takim stopniu [6,7] aby można ją było odprowadzić do cieku powierzchniowego, bez zagrożenia dla środowiska naturalnego. Układ odstojnikowy [26] to instalacja składająca się z następujących urządzeń:

  1. a) podstawowych

-osadnik (odstojnik)

  1. b) pomocniczych

-zbiornik osadów zagęszczonych

-pompy

-armatura i rurociągi

-armatura kontrolno-pomiarowa i regulująca

Układ ten pracuje w taki sposób, że wody popłuczne z filtru kierowane są do odstojnika, który powinien pomieścić całość wody z jednorazowego płukania. Popłuczyny przetrzymywane są w odstojniku do momentu aż parametry jakościowe wody nadosadowej będą odpowiadać normom [6,7]. Czas przetrzymywania ustala się laboratoryjnie dla danego typu popłuczyn. Odstojniki wykonane z kręgów betonowych oraz monolityczne komory betonowe muszą być tak zbudowane aby miały wydzielone dwie części, przepływową i osadową. Część przepływowa powinna być tak zaprojektowana aby umożliwić spust wód nadosadowych po przebiegnięciu procesu sedymentacji osadów z jednorazowego płukania. Natomiast część osadowa powinna być tak zaprojektowana aby pomieścić osady z kilku kolejnych procesów płukania filtrów, co wynika z założonego w projekcie czasu pracy osadnika. Najczęściej osady wydobyte z części osadowej odstojnika wywożone są wozami asenizacyjnymi lub przepompowywane na poletka osadowe.

PRZEGLĄD PIŚMIENNICTWA NAUKOWEGO I TECHNICZNEGO

Układ płuczny wiąże się historycznie z powstaniem filtrów pośpiesznych, które dzięki niemu mogą pracować w dłuższym okresie czasu bez konieczności częstej wymiany złoża filtracyjnego. Pierwsze filtry, a były to filtry powolne, praktycznie nie posiadały układu płucznego. Filtry te dzięki małej prędkości filtracji wolniej ulegają procesowi kolmatacji i głównie w wierzchniej warstwie złoża filtracyjnego. Jeśli w procesie filtracji wzrosną straty ciśnienia o około 1.5 m H2O filtr musi być czyszczony. Proces ten wykonuje się przez zdjęcie jego górnej warstwy o grubości 2÷3 cm [30]. W związku z tym grubość warstwy złoża w czasie eksploatacji zmniejsza się. Gdy zmaleje do miąższości 0.7÷0.8 m, należy złoże uzupełnić do jego pierwotnej grubości. Taki sposób eksploatacji nie jest możliwy w filtrach pośpiesznych, w których prędkości filtracji są większe od 5 m/h. Proces kolmatacji zachodzi bardzo szybko a zanieczyszczenia zatrzymują się w warstwie piasku na różnej głębokości. Dlatego proces oczyszczania filtrów pośpiesznych musi obejmować warstwę filtracyjną na całej grubości. Warunek ten spełnia płukanie filtru wodą strumieniem przeciwnym do kierunku filtracji z intensywnością kilkakrotnie większą od intensywności filtracji. Dla zwiększenia powietrzem. W większości stacji w Polsce proces płukania filtru przebiega w trzech etapach [8]:

1) Przedmuchiwanie złoża powietrzem.

Przed płukaniem filtr należy częściowo odwodnić co umożliwi szybszy odpływ tłoczonego powietrza, a ponadto zabezpieczy filtr przed wypchnięciem złoża. Przedmuchiwanie powietrzem powinno trwać około 10 minut z wydajnością 12 ÷ 15 dm3/s na 1 m2 powierzchni złoża. Proces ten ma na celu złuszczenie osadu będącego w postaci kłaczków wodorotlenku żelaza i manganu na ziarnach żwiru. W celu uruchomienia przedmuchiwania należy postępować, zgodnie ze schematem przedstawionym na rys.1 :

– wyłączyć pompy tłoczące wodę z ujęcia,

– odłączyć filtr od sieci przez zamknięcie zaworów „Z1„, „Z4„, „Z7„, „Z5″,

– pozostawić zamknięte zawory „Z8„,”Z2„,

– otworzyć zawory „Z10„, „Z6,”Z9„,

– otworzyć zawór na przewodzie do zbiornika powietrza.

 

2) Płukanie wodą złoża filtracyjnego.

Płukanie wodą w kierunku przeciwnym do kierunku filtracji jest dalszym etapem renowacji złoża i ma na celu wypłukanie zebranych osadów po wzruszeniu złoża powietrzem. Czas płukania wynosi około 5 minut z intensywnością 8 – 10 dm3/s na 1 m2 powierzchni złoża.

Intensywność płukania należy ustalać za pomocą skrzynki pomiarowo-kontrolnej ze wskaŸnikiem poziomu lustra wody.

Kolejność czynności związanych z płukaniem jest następująca:

– zamknąć zawór „Z10„,

– otworzyć zawory „Z12„, „Z3„,

– uruchomić pompę.

Po zakończeniu płukania należy:

– zamknąć zawory „Z2„, „Z3„, „Z6„, otworzyć „Z7” i przymknąć   „Z9„,

– otworzyć zawory „Z1„, „Z5„, „Z4„.

3) Pierwszy filtrat.

Spuszczanie pierwszego filtratu przebiega z góry do dołu i trwa około 5 minut z intensywnością równą intensywności filtracji. Proces ten ma na celu usunięcie resztek osadów ze złoża, jak również ustabilizowanie pracy filtra, który bezpośrednio po procesie płukania wykazuje niską sprawność.

Wody popłuczne z obydwu procesów płukania zawierają duże ilości zawiesin, które mogą być szkodliwe dla środowiska naturalnego, w przypadku spuszczania ich do cieków powierzchniowych. Wody te zabrania się bezpośrednio odprowadzać do kanalizacji, gdyż w przepisach traktuje się je jako wody przemysłowe, które powinny być poddawane wstępnemu oczyszczeniu na terenie zakładu. Wynika z tego, że niezbędnym elementem stacji wodociągowych są osadniki, które służą do usuwania z wody zawiesin przy wykorzystaniu zjawiska sedymentacji.

Ogólnie osadniki można podzielić według następującego schematu:

Osadnik

o działaniu ciągłym o działaniu okresowym

(osadniki przepływowe) (odstojniki)

konwencjonalne wielostrumieniowe

poziome pionowe poziomo-pionowe

poziome poziome wielokomorowe dośrodkowe

podłużne radialne (wielokorytowe)

(odśrodkowe)

Osadniki przepływowe stosowane są do uzdatniania wody i ścieków. Charakteryzują się stosunkowo dużą głębokością i znaczną objętością odpowiadającą długiemu czasowi przepływu wody. Z osadników konwencjonalnych najbardziej rozpowszechnione są poziome zwykłe (prostokątne) i poziome radialne. Do grupy tej można również zaliczyć zatoki będące elementem ujęcia wody powierzchniowej oraz zbiorniki wyrównawcze współpracujące z ujęciem. Osadniki wielostrumieniowe są modyfikacją osadników konwencjonalnych polegającą na podziale głębokiego strumienia cieczy poddawanego sedymentacji na wiele płytkich strumieni płynących oddzielnie w równoległych przewodach. W przewodach tych zachodzi proces płytkiej sedymentacji [22], który przyspiesza usuwanie zawiesin, poprzez skrócenie czasu opadania ich. Z tego względu osadniki te charakteryzują się krótkim czasem przepływu wody i mniejszą kubaturą. Natomiast osadniki o działaniu okresowym są wykorzystywane w bardzo małym zakresie, głównie do usuwania zawiesin ze ścieków powstających przy płukaniu filtrów.

Ze względu na wykonanie odstojniki dzielimy na :

  1. a) żelbetowe

– z kręgów żelbetowych

– monolityczne prostokątne

  1. b) ziemne

Wszystkie te osadniki działają dzięki procesowi sedymentacji, którego poznanie umożliwi głębsze zrozumienie póŸniejszych rozważań.

Sedymentacja jest to zjawisko opadania w płynie cząstek stałych pod wpływem działania siły ciężkości.

Sedymentację dzielimy na swobodną (dyskretną) i skrępowaną. Sedymentacja swobodna teoretycznie zachodzi wówczas, gdy pojedyncza cząstka opada w nieograniczenie dużej przestrzeni wypełnionej płynem. Natomiast, gdy cząstka opada z grupą sąsiadujących ze sobą cząstek to zachodzi sedymentacja skrępowana. W praktyce można przyjąć, że sedymentacja swobodna występuje wówczas, gdy stężenie objętościowe zawiesin nie przekracza 0,0005 lub nawet 0,001 cm3/cm3 [14].

Podczas sedymentacji w zbiorniku występują pewne zaburzenia wynikające z oddziaływania ścian zbiornika. Zjawisko to nazywamy efektem przyściennym. Bardzo istotny wpływ na szybkość sedymentacji mają właściwości cząstek podlegających osadzaniu. Z tego punktu widzenia można wyróżnić sedymentację cząstek trwałych, które nie zmieniają swoich właściwości fizycznych w trakcie opadania (kształt, wielkość, masa), oraz sedymentację cząstek nietrwałych, zmieniających swoje właściwości. W procesie uzdatniania wody mamy najczęściej do czynienia z cząsteczkami flokulacyjnymi, które w trakcie opadania łączą się wzajemnie zmieniając wielkość, masę i kształt. Sedymentacja może zachodzić w cieczy znajdującej się w ruchu lub w cieczy znajdującej się w spoczynku, co ma miejsce w odstojniku popłuczyn.

Swobodne opadanie cząstki w cieczy nieruchomej następuje w wyniku oddziaływania na cząstkę siły wypadkowej F, na którą składają się: siła ciążenia F1,siła wyporu F2 i siła oporu hydraulicznego F3. Można założyć, że siły te oddziałują na cząstkę wzdłuż jednej pionowej osi przechodzącej przez jej środek ciężkości.

W związku z tym

F=F1+F2+F3 (1)

Uwzględniając, że

otrzymamy ogólne równanie sedymentacji cząstki trwałej w cieczy nieruchomej

gdzie:

ut – prędkość opadania cząstki w chwili t, cm/s,

t  – czas opadania cząstki, s,

g – przyśpieszenie ziemskie, cm/s2,

c – masa właściwa cząstki, g/cm3,

– masa właściwa cieczy, g/cm3,

Ac – pole rzutu równoległego cząstki w kierunku jej ruchu na płaszczyznę prostopadłą do tego

kierunku, cm2,

Vc – objętość cząstki, cm3,

c – współczynniki oporu hydraulicznego,

Mc – masa cząstki, g,

a – przyspieszenie ruchu cząstki, cm/s2.

Przy pomocy równania (5) można wyznaczyć prędkość opadania cząstki, zakładając że prędkość ut osiągnie wartość graniczną u, przy której nastąpi zrównoważenie się sumy sił F3 i F2 z siłą F1. W warunkach równowagi wymienionych sił następuje ruch ustalony cząstki, która dalej opada już ze stałą prędkością u. W związku z tym: ut=u=const

Wzór (7) jest wzorem ogólnym odnoszącym się do cząstki o dowolnym kształcie. Dla cząstek kulistych przybiera on następującą postać:

Liczba Reynoldsa Reo dla cząstki kulistej równa się

gdzie: d – średnica cząstki, cm,

– lepkość kinetyczna cieczy, cm2/s.

Najczęściej podczas opadania cząstki mamy do czynienia z ruchem laminarnym, w warunkach którego współczynnik oporów hydraulicznych cząstki kulistej o obliczamy ze wzoru:

Przy uwzględnieniu wzorów (7),(8),(9) i (10) otrzymamy równanie na prędkość opadania cząstek kulistych w cieczy znajdującej się w ruchu laminarnym.

W przypadku sedymentacji cząstek nie kulistych można zastosować pojęcie średnicy równoważnej, definiowanej jako średnica kuli o tej samej objętości, co objętość cząstki. Możemy ją obliczyć z następujących wzorów:

lub

gdzie: N – liczba cząstek wziętych do ustalenia średniej średnicy równoważnej,

V,M – objętość i masa wszystkich N cząstek wziętych do ustalania średniej średnicy

równoważnej, odpowiednio cm3 i g,

Vc,Mc,- jak we wzorze (6).

Prędkość opadania cząsteczki o średnicy dr możemy wyznaczyć z następującego wzoru:

lub

c – współczynnik oporów (można go wyznaczyć na podstawie wykresu Ar=f(c,Rec)

Ar – liczba Archimedesa obliczona ze wzoru:

Powyższe rozważania dotyczą swobodnego opadania pojedynczej cząstki, jednak w odstojniku mamy do czynienia z sedymentacją skrępowaną, w czasie której opadanie cząstek jest zakłócone kolizjami pomiędzy nimi oraz zmianami warunków hydraulicznych. Prędkość cząstek w warunkach sedymentacji skrępowanej jest znacznie niższa od prędkości opadania swobodnego i może być dla zakresu laminarnego wyrażona za pomocą półempirycznego wzoru [1]:

gdzie:

us – prędkość opadania cząstek względem ścian osadnika w czasie sedymentacji skrępowanej, cm/s,

u – prędkość opadania pojedynczej cząstki w czasie sedymentacji swobodnej, cm/s,

m – względna objętość cieczy w zawiesinie wyrażona wzorem:

gdzie: V – objętość cieczy zawartej pomiędzy opadającymi cząstkami [cm3],

Vco – suma objętości cząstek i cieczy w strefie sedymentacji [cm3].

Wzór (17) ma zastosowanie w przypadku opadania cząstek kulistych i gdy współczynnik m jest mniejszy od 0,7 [5].

W odstojnikach wód popłucznych mamy w przeważającej części do czynienia z opadaniem cząstek typu kłaczkowatego. Jeżeli stężenie zawiesin w wodach popłucznych nie przekroczy 0,2 cm3/cm3 można stosować empiryczny wzór Kurgajewa [21]

Między masowym a objętościowym stężeniem zawiesin zachodzi związek

gdzie: C – stężenie masowe zawiesin w cieczy, g/dm3,

c‚ – masa właściwa kłaczków z uwzględnieniem zawartej w nich wody, g/cm3.

Przy stosowaniu powyższych wzorów empirycznych należy pamiętać, że odnoszą się one nie zawsze dokładnie do wody dla której przeprowadzamy obliczenia. Z tego powodu zaleca się stosować badania technologiczne ustalające charakterystykę sedymentacyjną badanych wód. W przypadku wód popłucznych badania te można wykonać po uruchomieniu stacji uzdatniania wody, a więc i po wybudowaniu osadnika lub przez analogię do istniejącej stacji wodociągowej czerpiącej wodę o podobnej jakości i posiadającej podobny układ technologiczny.

WZORY

Reklamy