TECHNOLOGIA WODY II
Transkrypt
TECHNOLOGIA WODY II
TECHNOLOGIA WODY II -WYKŁAD 2 – Sedymentacja i Flotacja ródła wody w Polsce 1.Powierzchniowe 2.Wgł bne 1. UJ CIA WÓD POWIERZCHNIOWYCH — zatokowe — brzegowe 8. Woda w przyrodzie cd zawiesiny mikrofauna zw. organiczne wirusy CO2 agresywny bakterie zapach ro linny H2O zapach nadmierny ChZT elazo, mangan pestycydy CH4; H2S twardo metale barwa i m tno Woda w przyrodzie filtracja (powolna) 8. cedzenie sedymentacja zawiesiny mikrofauna dezynfekcja zw. organiczne wirusy CO2 agresywny bakterie zapach ro linny zapach nadmierny H2O ChZT elazo, mangan sorpcja pestycydy CH4; H2S napowietrzanie wi zanie chemiczne twardo metale barwa i m tno sedymentacja filtracja (szybka) utlenianie koagulacja 4 Opisz wła ciwo ci wód powierzchniowych i podziemnych Składnik wody W.powierzchniowe 1. mineralizacja 2. gazy rozpuszczone 3. twardo 4. CO2 5. mikrozanieczyszczenia 6. mikroorganizmy 7. m tno i barwa 8. st enia Fe i Mn +/+/+ + + - W.podziemne +/+ + + + 3. JAKO WODY — Przemysł: normy bran owe ruchowe — Rolnictwo: st enie mikroorganizmów — Ludno : Rozporz dzenie Ministra Zdrowia z dnia 4.09.2002 w sprawie warunków jakim powinna odpowiada woda do picia i na potrzeby gospodarcze (Dziennik Ustaw RP nr 82 z dnia 4.11.2002 r.) 4. WARUNKI ORGANOLEPTYCZNE JAKIM WINNA ODPOWIADA WODA DO PICIA Wska nik Jednostka Wymagania Barwa mg Pt/dm3 < 15 M tno mg SiO2/dm3 < 1 Organizmy niewidoczne Plamy olejowe niewidoczne Zawiesina niewidoczna Zapach akceptowalny 5. WARUNKI FIZYKOCHEMICZNE JAKIM POWINNA ODPOWIADA WODA DO PICIA Wska nik Jednostka NDS Amoniak Azotany Azotyny mg/l mg/l mg/l 0,5 50 0,1 Chlor Chlorki Fluorki Siarczany mg/l mg/l mg/l mg/l 0,3 250 1,5 250 5. WARUNKI FIZYKOCHEMICZNE (c.d.) Wska nik Jednostka Cynk Kadm Mangan Ołów elazo mg/l mg/l mg/l mg/l mg/l Benzen Benzo(a)piren ΣWWA Chlorofenole µg/l µg/l µg/l µg/l NDS 3 0,003 0,05 0,01 0,2 1 (0,001) 0,01 (WWA) 100 10 (ppz) 5. WARUNKI FIZYKOCHEMICZNE (c.d.) Wska nik Jednostka NDS Chloroform Σ THM µg/l µg/l PCB µg/l 0,5 Σ pestycydów µg/l 0,5 ChZT (KMnO4) µg/l 30 (THM) 100 5000 6. WARUNKI BAKTERIOLOGICZNE JAKIM POWINNA ODPOWIADA WODA DO PICIA Wska nik Dopuszczalna liczba bakterii Obj to próbki Escherichia coli 0 100 Enterokoki 0 100 Clostridium perfiringes 0 100 20 1 Ogólna liczba bakterii (37°C) Metno ; NTU; 1mgPt/dm3 = 1-3 NTU Układy technologiczne — usuwanie zawiesin Wz F D Wu Wz S F D Zawiesiny ‘grube’? Wu Wu - woda uzdatniona Wz - woda zasilaj ca F - filtracja D- dezynfekcja S - sedymentacja K - koagulacja U - utlenianie Układy technologiczne (c.d.) — usuwanie barwy i m tno ci Wz K S F D Wu Wz U K S F D Wu — usuwanie zawiesin, barwy i m tno ci - zawiesiny grube??? Wu - woda uzdatniana Wz - woda zasilaj ca F - filtracja D- dezynfekcja S - sedymentacja K - koagulacja U - utlenianie TECHNOLOGIA WODY WYKŁAD USUWANIE ZANIECZYSZCZE MECHANICZNYCH ZANIECZYSZCZENIA MECHANICZNEpodział metod usuwania Sedymentacja/Flotacja przegrody -kraty -sita -µ-sita -przegrody -membrany -µ-filtracja -u-filtracja -n-filtracja -oo (RO) Filtracja zło a porowate -liczba warstw -jednowarstwowe -wielowarstwowe -szybko c filtracji -powolne -szybkie -ciagło pracy -ci głe -okresowe(płukane) -specjalne -od elazianie -wymiana jonowa -adsorpcja zło a namywane -perforowane -siatkowe 2. Podział zanieczyszcze mechanicznych — zawiesiny grube (szcz tki łodyg, li cie) usuwane za pomoc krat — zawiesiny drobne (piasek, rozdrobnione szcz tki ro lin) usuwane za pomoc sit — zawiesiny bardzo drobne (glony i mikroglony) usuwane w mikrositach i w osadnikach 2. Rozmiary substancji rozpuszczonych i zawiesin 2.1. Rozmiary i masy cz steczkowe -6 -5 -4 -3 -2 10-6 10-5 10-4 10-3 102 104 -1 0 1 0.01 0.1 1 10 102 106 cz stki rozpuszczone 2 M. cz stecz. (D) koloidy zawiesiny 3 103 lg Φ Φ (µm) 2.2. Składniki wód w przyrodzie -6 -5 -4 -3 -2 -1 10-6 10-5 10-4 10-3 0.01 0.1 r k k z 0 1 1 10 102 bakterie minerały ilaste kwasy kwasy fulwowe huminowe wirusy j.pr. j.zło one 2 3 103 lg Φ Φ (µm) krzemionka glony cysty 2.3. Metody fizyczne rozdzielania -6 -5 -4 -3 -2 -1 10-6 10-5 10-4 10-3 0.01 0.1 filtry n u 0 1 1 10 102 µ 2 u-wir. wirowanie sedymentacja ED Destyl. 103 cedzenie filtracja RO 3 lg Φ Φ (µm) Φ Φ,ς ρ D T, Rozp. Procesy jednostkowe usuwania zanieczyszcze mechanicznych 1.Cedzenie - kraty, sita, mikrosita - membrany (u-,mikro-,nano-filtracja) - odwrócona osmoza 2.Filtracja cz stkowa (przez zło a) - powolna, pospieszna - jednowarstwowe, wielowarstwowe - specjalne, w tym ci gła 3.Sedymentacja 3. USUWANIE ZANIECZYSZCZE MECHANICZNYCH W WYNIKU CEDZENIA — kraty • nachylenie • prze wit krat : 30 ÷ 50 mm 10 ÷ 20 mm czyszczenie krat • 70° kraty rzadkie kraty g ste Schemat kraty stałej oczyszczanej mechanicznie: 1 - pr ty kraty, 2 - ła cuch Galla ze zgrzebłami 3. USUWANIE ZANIECZYSZCZE MECHANICZNYCH W WYNIKU CEDZENIA (c.d.) — sita • • • • ustawiamy za kratami mog by nieruchome lub obrotowe wykonane s z siatki metalowej oczka : 10 ÷ 20 mm 5 × 5 mm sita g ste 1 × 1 mm sita bardzo g ste 3. USUWANIE ZANIECZYSZCZE MECHANICZNYCH W WYNIKU CEDZENIA (c.d.) — mikrosita • s to b bny obrotowe pokryte nierdzewn siatk metalow o oczkach od 65 do 23 µm, pokrywaj ce siatk podtrzymuj c (2×2 mm) • szybko obrotu b bna 0,3 m/s • wydajno 30-80 m3/m2·godz (10-20×103 m3/doba) Schemat działania mikrosita obrotowego 1 - dopływ wody surowej, 2 - b ben z siatki, 3 - dopływ wody płucz cej, 4 - lej zbieraj cy spłukiwany osad, 5 - odpływ wody popłucznej, 6 - nap d b bna sita, 7 - odpływ wody po sicie Schemat mikrosita. 1- dopływ wody, 2- b ben mikrosita, 3- instalacja do płukania, 4- lej zbieraj cy wod po płukaniu z odpływem do kanalizacji, 5- kanał odpływowy, 6- silnik nap dzaj cy mikrosito Procesy jednostkowe usuwania zanieczyszcze mechanicznych 1.Cedzenie - kraty, sita, mikrosita - membrany (u-,mikro-,nano-filtracja) - odwrócona osmoza 2.Filtracja cz stkowa (przez zło a) - powolna, pospieszna - jednowarstwowe, wielowarstwowe - specjalne, w tym ci gła 3.Sedymentacja ZANIECZYSZCZENIA MECHANICZNEpodział metod usuwania Sedymentacja/Flotacja przegrody -kraty -sita -µ-sita -przegrody -membrany -µ-filtracja -u-filtracja -n-filtracja -oo (RO) Filtracja zło a porowate -liczba warstw -jednowarstwowe -wielowarstwowe -szybko c filtracji -powolne -szybkie -ciagło pracy -ci głe -okresowe(płukane) -specjalne -od elazianie -wymiana jonowa -adsorpcja zło a namywane -perforowane -siatkowe SEDYMENTACJA - definicja — w technologii wody i cieków proces jednostkowy, którego zadaniem jest usuwanie zawiesin — opadanie zawiesin w wyniku działania siły ci ko ci Technologia Wody WYKŁAD 3 SEDYMENTACJA I FLOTACJA Metno ? Jednostki NTU; mgPt/dm3 1mgPt/dm3 = 1-3 NTU 4. USUWANIE ZAWIESINY W WYNIKU SEDYMENTACJI DEFINICJA — proces jednostkowy maj cy na celu usuwanie zawiesiny — usuwanie zawiesiny z roztworu na skutek opadania pod wpływem siły ci ko ci Cele sedymentacji --- klarowanie wody — klarowanie cieków — wydzielanie ze cieków cz stek stałych SEDYMENTACJA - c.d. (1) Siły działaj ce na cz stki zawiesiny a) ci ko ci i wyporu Πd 3 G-W = 6 ( c − R )g W b) oporu v2 R = ⋅F⋅ 2 Re = v⋅d⋅g G powierzchnia czołowa cz stki współczynnik oporu λ = f(Re) = v⋅d lepko l. dynamiczna kinematyczna λ= 24/Re Zale no 18,5 Re 0,6 λ = 0,44 współczynnika oporu λ od liczby Re przy opadaniu cz stek SEDYMENTACJA - c.d. (2) G=R Πd 3 6 ( 2 Πd 2 v s ⋅ ⋅ c − )g = 4 2 4d( c − vs = 3 dla ruchu laminarnego ( v s = f d1/2 , 1/ 2 c 24 24 = = Re v s ⋅ d ⋅ 1 vs = g ⋅ d2 18 ( c − )g ) , -1/2 ) λ 104 λ= 3 24 Re 18,5 λ = 0,6 Re 2 0,4 1 500 λ = 0,44 0 10-1 10-3 10-2 10-1 0 101 2 3 4 Re Zakres piaskowników Zakres osadników sztucznych Strefa Koagulacji koloidy Zakres du ych zbiorników zaporowych Pr dko opadania cz stek kwarcu w wodzie o temperaturze 10°C w zale no ci od rednic. G sto kwarcu 2,63 g/cm3 V cm/s Piaskowniki 0 10-1 10-2 10-3 Osadniki 10-4 10-6 cja ko ag ula 10-5 Du e zbiorniki wodne koloidy 10-5 10-4 10-3 10-2 10-1 0 F cm G sto zawiesin - ρ 1,002 < ρ < 3,50 glina 1,8 - 2,2 kwarc 2,65 Al (OH)3 1,002 Fe(OH)3 1,009 Mg(OH)2 1,05 CaCO3 1,43 Pr dko opadania cz stek w wodzie o temperaturze 10°C w zale no ci od ich rednicy i g sto ci. V cm/s 103 ρ=5 2,5 1,1 1,01 ρ = 1,001 2 1 0 -1 -2 -3 -4 10-5 10-4 -3 -2 -1 0 1 rednica (m) SEDYMENTACJA - c.d. (3) CZ STKI KULISTE A NIEKULISTE dz - rednica zast pcza ( rednica kuli o obj to ci równej...) Φ - sferyczno (iloraz pow. kuli do pow. cz stki) d ≥1 dz Φ ≤1 Cz stki idealne a cz stki rzeczywiste — zło ony kształt rednica zast pcza powierzchnia zast pcza — poło enie cz stki w stosunku do kierunku ruchu λ = f (Re, Φ) Zale no pomi dzy parametrami opadania grawitacyjnego cz stek w wodzie Opadanie cz stek rzeczywistych Cz pr dko ci 106 kuliste zaokr glone kanciaste podłu ne blaszkowate 100 10-4 10-4 107 Cz rednicy Urz dzenia Odstojniki Osadniki (proces obj to ciowy) — przepływ poziomy — przepływ pionowy Urz dzenia (proces strefowy) — klarowniki — pulsatory — akcelatory Osadnik poziomy z zgarniaczem ła cuchowym Osadnik poziomy z od rodkowym przepływem wody Osadnik poziomy -wzdłu ny z wydzielon komor flokulacji i komor szybkiego mieszania A η=h/H B Mechanizm sedymentacji A. Ruch cz steczek zawiesin w osadniku o przepływie poziomym B. Schemat osadnika o przepływie poziomym SEDYMENTACJA - c.d. (4) OSADNIKI I ODSTOJNIKI Skuteczno usuwania zawiesin ŁD − Ł0 ⋅100% = ŁD Cd − C0 = Cd SEDYMENTACJA - c.d. (5) H vo = tp V tp = Q H⋅Q vo = V H⋅Q = H⋅F Q = F SEDYMENTACJA - c.d. (6) — sprawno F v h v ⋅ tp = = = = v⋅ Q H v0 ⋅ t p v0 η=h/Η η= /Η — inaczej H ts = v0 tp V F⋅H tp = = Q Q tp Q F= ⋅ t s v0 F ⋅ v0 = Q ts α SEDYMENTACJA - c.d. (7) tp ts = ( liczba HAZENA ) α = 1 dla urz dze idealnych α > 1 dla urz dze rzeczywistych Wielko współczynnika α w zale no ci od rodzaju i skuteczno ci sedymentacji: A - teoretyczny przebieg sedymentacji, B - sedymentacja w osadniku działaj cym okresowo (wypełnianie, sedymentacja, opró nianie), rzeczywisty przebieg sedymentacji: 1 - w pojedynczym osadniku, 2 - w dwóch osadnikach poł czonych szeregowo, 3 - w 3 ossadnikach poł czonych szeregowo, 4 - w osadniku przepływowym z przegrod , 5 - w osadniku przepływowym z wieloma przegrodami Zadanie Nale y zaprojektowa osadnik o przepływie poziomym, z zgarniaczem mechanicznym, do usuwania zawiesiny z wody po koagulacji. Dane wyj ciowe: Q = 300 m3/godz B = 40 gPt/dm3 Koagulant – Al2(SO4)3 x 18 H2O DK wyznaczona do wiadczalnie = 150g Al2(SO4)3 x 18 H2O Zasadowo = 8 val/m3 Cz = 40 mg/dm3 v = 0,40 mm/s V=kxv L/H K 10 7,5 15 10 20 12 25 13,5 Czas zatrzymania wody w osadniku T = 2-4 godz Predko pozioma przepływu wody vp = 5-12 mm/s Obci enie hydrauliczne powierzchni osadnika Oh = 1,44-2,88 m3/m2 x godz Gł boko osadnika -reczne usuwanie osadu 3,0-3,5 m -mechaniczne usuwanie osadu 2,0-3,0 m Dodatkowa obj to na osad Vo Vo = Q(Co –C ) Tc / n x δ Vo – obj to strefy osadów Q – nat enie przepływu cieków Tc – czas zatrzymania osadu Co – st enie zawiesiny w ciekach dopływaj cych C – st enie zawiesiny w ciekach odpływaj cych n – liczba osadników δ − st enie osadu w strefie osadowej (nale y wyznaczyc z poni szej tablicy) Zale no st enia osadu w strefie osadowej od zawarto ci zawiesiny w dopływaj ceych sciekach Co-st enie w ciekach dopływaj cych(g/m3) δ − st enie osadu w strefie osadowej(g/m3) <100 30000 100-400 30000-50000 400-500 50000-70000 1000-2500 70000-90000 Co = Cz + DK + 0,25B + Z Cz – st zenie zawiesin w ciekach surowych DK – dawka koagulanta B – barwa (mgPt/dm3) Z – zawarto nierozpuszczalnych zanieczyszcze w koagulancie (g/m3) Ilo c zawiesiny w wodzie po koagulacji Co = 10 + Obliczanie wg powierzchni osadników F F=αxQ/v α – współczynnik sprawno ci osadnika v – pr dko c opadania cz stek zawiesiny α = v / ( v – V/30 ) = 0,4 / ( 0,4 – 10 x 0,4/ 30 ) = 1,5 F = 1,5 x 300 / 0,4 x 3,6 = L/H = 15 Przyjmujemy H = 3,0 m L = 45 Szaroko osadnika B = 6 m Liczba osadników n = F/ B x L = Sprawdzenie stabilno ci L/H > 10 L/B > 3 Q/F = 1.44 – 2,88 (m3/m2 x godz) Czas T = 2-4 godz Nale y jeszcze obliczy długo kraw dzi przelewowych Osadniki lamelowe/wielostrumieniowe Zakłócone opadanie cz stek — znaczne zag szczenie ( > 0,22 % obj to ciowo) — sedymentacja „powi zana” Rodzaje zawiesin A. Kształt 1. cz stki ziarniste 2. cz stki kłaczkowate B. Zawarto 1. cz stki rozproszone 2. cz stki strefowe Osadniki w technologii wody — po procesie koagulacji — po str caniu chemicznym — w grawitacyjnym zag szczaniu osadów --- po napowietrzaniu wód wgł bnych SEDYMENTACJA - c.d. (8) Osadnik poziomy i osadnik pionowy Schemat osadnika o przepływie poziomym z zagarniaczem tarczowym Sposoby doprowadzania wody do osadnika o przepływie poziomym Rozmaite rozwi zania wlotu do osadnika Sposoby odbioru wody w osadnikach o przepływie poziomym Zasady doboru procesów jednostkowych usuwania zawiesin FLOTACJA — proces w którym zawiesina, charakteryzuj ca si g sto ci mniejsz ni o rodek rozpraszaj cy, ulega wyniesieniu na powierzchni o rodka rozpraszaj cego i usuni ciu przez zbieranie — w wi kszo ci praktycznych aplikacji g sto zawiesiny ulega zmniejszeniu w wyniku zwi zania z drobnymi p cherzykami gazu SEDYMENTACJA - Flotacja Siły działaj ce na cz stki zawiesiny a) ci ko ci i wyporu Πd 3 G-W = 6 ( c − )g R < 0 W b) oporu v2 R = ⋅F⋅ 2 Re = v⋅d⋅g G powierzchnia czołowa cz stki współczynnik oporu λ = f(Re) = v⋅d lepko l. dynamiczna kinematyczna Zakres zastosowania — fabryki celulozy — przemysł spo ywczy (tłuszczowy), rafineryjny — zat anie rud metali — usuwanie zawiesin po koagulacji — zag szczanie osadu czynnego Wprowadzanie powietrza do roztworu 1. Dyfuzery 2. Technika pró niowa 3. Technika spadku ci nienia Rozpuszczalno powietrza w wodzie Cw = H ·pp H = f(T) Rozp powietrze mg/l ·atm 30 Cw - rozpuszczalno w wodzie (mg/l) H - stała Bousena (mg/l ·atm) pp - ci nienie cz stkowe T - temperatura krzywa saturacji 20 10 10 20 30 40 50 T °C Ilo uwolnionego powietrza Cr Cn = H Pn Ca = H Pa Cn - Ca = H Pn - H Pa = H (Pn - Pa) = H (Pn - 1) Okre lenie warto ci ilorazu powietrze/zawiesina — ci ar wła ciwy zawiesiny musi by mniejszy ni ci ar wła ciwy roztworu (1 g/cm3) ( Va a + Vs s ) c = (Va + Vs ) Va - obj to powietrza zwi zanego z cz stk o obj to ci Vs ρa, ρc - g sto powietrza i zawiesiny Iloraz masy powietrza i masy zawiesin masa powietrza masa cz steczki = a s Poł czenie równa daje: c a 1+ s = 1 1 a + ⋅ s a s = Va ρa Vs ρs Poniewa – – wznoszenie nast pi gdy ρc<ρ ρ minimalna warto ilorazu a/s wyniesie a s 1= s −1 min a Technika spadku ci nienia Zało enia — okre lony iloraz a/s a ⋅ Qc s Qp = Cr a ⋅ Qc s Qp = H(P - 1) C - st enie zawiesiny Qp - przepływ powietrza Qc - przepływ cieków Cr - ilo uwolnionego powietrza Zasady budowy flotatora 5 7 1 3 4 6 2 2 1 woda 3 dławik 4 roztw. nasyc. powietrza 5 zgarniacz 6 odprowadzenie cieczy 7 odprowadzenie flotatu 2 powietrze Flokulacja/Flotacja Pretreated raw water (with coagulant) enters the flocculation basin for two-stage flocculation. Flocculated particles enter the DAF upflow channel; diffuser nozzles create millions of microbubbles that attach to floc particles. Solid particles float to the surface; clarified water flows down through the false floor and out the upflow channel. Porównanie z sedymentacj 1. Usuwanie zawiesiny flotuj cej i sedymentuj cej 2. Wysoka efektywno 3. St ony osad 4. Natlenianie cieków 5. Mniej koagulantu 6. Gorsza jako 7. Kosztowna eksploatacja roztworu sklarowanego Sedymentacja i flotacja- zagadnienia - sedymentacja/definicja - siły dziaj ce na zawiesiny - liczba Reynoldsa, współczynnik oporu - rednica/powierzchnia zast pcza - liczba Hazena - urz dzenia do sedymentacji/flotacji - flotacja/definicja - metody obni ania masy wła ciwej zawiesin - schemat urz dzenia - prównanie sedymentacji i flotacji Mikrofiltracja -zakres filtracji wynosi od 0,05 u do 1 um (mikroorganizmy,duze koloidy). Ultrafiltracja - charakteryzuje si mniejszymi pr dko ciami przepływu, wynikaj cymi z małego mikrona u i odbywa si na specjalnych, podobnych do membrany osmotycznej, wkładach wymiennych. Zakres filtracji od 0,01 do 0,1 um (wirusy, koloidy, makromolekuły). Nanofiltracja - jak wy ej, ale zakres filtracji wynosi od 0,001 do 0,01 um(wirusy, zwi zki organiczne, jony wielowarto ciowe) Filtracja cz stkowa - polega na usuwaniu zanieczyszcze za pomoc filtrów ze zło em filtracyjnym lub wkładów wymiennych. Dolna granica filtracji wynosi 1 um (resztki roslin, glony, pierwotniaki). Hiperfiltracja - jest to filtracja wody metod odwróconej osmozy ,zakres wynosi 0,0001 do 0.003 um (aniony i kationy jednowarto ciowe) Zanieczyszczenia mechaniczne. Sedymentacja. 1. 2. 3. 4. 5. 6. 7. 8. Zanieczyszczenia mechaniczne? Sedymentacja-podstawy teoretyczne Sedymentacja zawiesin nieregularnych Urz dzenia do sedymentacji, schemat osadnika Flotacja Flotacja wspomagana powietrzem Schemat flotatora Porównanie flotacji i sedymentacji