3 - Sedimentační nádrže

8.10.2012
Obsah
MECHANICKÁ ČÁST ČOV
SEDIMENTAČNÍ NÁDRŽE
•
•
•
•
Mechanická část ČOV
Lapáky štěrku a písku
Lapáky tuků a olejů
Sedimentační nádrže
– Primární sedimentace
doc. Ing. Jaroslav Pollert, Ph.D.
3. hodina
Vývoj koncepcí městského odvodnění
stoková
síť
1850
mech.
ČOV
biol.
ČOV
1900
1950
Koncepce: rychlé odvedení
všech odp.vod
Metodika: lokální
řešení
nové
technické
prvky
2000
co nejpomalejší
odvedení
minima odp.vod
„Konvenční“ ČOV
mechanické čištění
biologické čištění
nové technologie
2050
omezení
směšování vody
a látek
integrované principy trvale
udrž. rozvoje
řešení
9
kalové hospodářství
ČOV praxe, příklad technologického schématu velké ČOV,
zkušenosti dle technologických částí
ČOV praxe, čerpací stanice, lapák štěrku, česlovna
•
Šneková čerpadla – archimédův šroub
– vynese vše
– nižší účinnost, omezený výtlak
•
Oběhová čerpadla – vyšší účinnost nutno chránit
– vyšší účinnost
– nutno chránit, ulehčení obsluhy demontáží
ochranných česlí se čerpadlo ucpe
•
•
•
•
•
Externí materiál dovážený do přítoku by neměl obsahovat tuk- podpora
vláknitého bytnění v aktivaci a vyplouvání tuku z dosazováků (DN) do
odtoku. Tuk patří do vyhnívacích nádrží.
Málo vyklízený lapák štěrku vede časem k obroušení lamel u lamelových
česlí s následným sesunem ke kraji a zvětšení mezer mezi lamelami.
Česle dnes mnoha typů – lamely, rotační bubny, pásové.
U větších ČOV je lepší kombo hrubé + jemné 3 mm česle (ochrana výměníků
proti zanášení např. v kalovém hospodářství je pak účinnější a samotné
jemné česle se nepoškodí při bouřce většími předměty)
Často problém, když po dlouhém suchu bouřky – ucpání česlí tukovými
nánosy.
1
8.10.2012
ČOV praxe, lapák písku (LP), usazovací nádrže (UN)
•
Mechanický stupeň
Lapák písku je na větších ČOV spíše podélný a na středních a menších vírový
– pokud se dávkují chemikálie na zvýšení účinnosti UN,
tak koagulant je vhodné dávkovat před LP (rozmíchávací
a koagulační zóna)
– Pokud jsou na ČOV Vyhnívací náderže nebo se písek
usazuje už v AN, pak je vhodně podélný LP z části
neprovzdušňovat – méně sedimentů v technologii
•
•
•
•
•
Usazovací nádrže jsou vhodné na ČOV, které se vypaltí vyrábět bioplyn – primární
kal z UN (surové organické látky) produkuje hodně bioplynu proti přebytečnému
kalu z AN (těla baktérií a mikroorganismů)
– lepší je hůře postavená kruhová UN, než hůře postavená
podelná UN
– nyní se dbá u větších ČOV na dostatečné zahuštění kalu
v UN (pokud to stav UN dovolí tak na 6%), což při špatně
nastavené a naprojektované trase primárního kalu vede
k ucpávání už od koncentrace kalu 3-5% a výše.
(Lapák štěrku)
Česle (hrubé, jemné)
Lapák písku
Primární usazovací nádrže
– Dno:surový kal, čerpán do anaerobního stupně
– Mechanicky vyčištěná voda postupuje do
biologického stupně (10 % NL, ale velké množství
koloidních frakcí a hlavně rozpuštěné nečistoty)
– u malých ČOV často nejsou
7
Mechanické čištění vod
Mechanický stupeň ČOV
odstranění
1. stupeň čištění – mechanické čištění
60 - 80% suspendovaných látek
30 – 40 % organických látek BSK5
předčištění městských odpadních vod
• Základem je sedimentace částic (gravitace)
• Zařízení (nádrže) musí být prostorné tak, aby
se dostatečně snížila rychlost vody a byl
dostatečný čas na sedimentaci částic
• Vlivy způsobující nerovnoměrnou usazovací
rychlost:
odstranit hrubé, makroskopické látky
způsobují mechanické závady
a zanášení objektů a zařízení ČOV
Podklady pro návrh
stoková síť
– druh, charakter, stav
Procesy
turbulentní charakter průtoku nádrží
Změny ve viskozitě vody
Změny v hustotě vody
cezení, filtrace
– zabezpečení s.s. před
průnikem hrubých nečistot
následující stupně č. ČOV
vzplývání, flotace
– druh a technologie biolog. č.
usazování, zahušťování
– sestava a technologie
kalového hospodářství
Typy suspenzí
Typy sedimentace
Zrnité
Částice nemění během usazování tvar
Rozhraní mezi tuhou a kapalnou fází tvoří plocha
povrchu částic
Patří sem i jílové částice, kaolín, uhelný prach,…
Vločkovité
Částice netvoří pevné rozhraní s kapalinou; mění se
jejich tvar a velikost
Aktivovaný kal, hydroxidy těžkých kovů (úpravny
vod),…
Prostá
Částice se neovlivňují
Zrnitý kal do koncentrace cca 0,5 % objemově
Rušená
Částice se ovlivňují, jejich rychlost sedimentace se
snižuje
Zahušťování
Koncentrace suspenze je taková, že se tvoří fázové
rozhraní mezi kapalnou a pevnou fází, tvoří se póry ,
ze kterých je kapalina vytlačována
11
2
8.10.2012
Prostá sedimentace kulové částice v
klidné kapalině. Stokesův zákon.
4. Základní fyzikální procesy
Fg ... gravitační síla
F ... vztlak (dle Arch. zákona)
Fr Fvzr ... tření odporem prostředí
Vs ... objem suspendované částice
g ... tíhové zrychlení
ρs ... měrná hmotnost částice
ρ ... měrná hmotnost kapaliny
Fvz
Fg
ρs > ρ … sedimentace
ρs < ρ … flotace
pohyb → Fr
F=
– opačný směr než pohyb částice
u=
F=Fg-Fvz-Fr=Vs.g.(ρs-ρ)-Fr
Platí pro malé částice 50 – 100 μm
pád částice … ↑ rychlost a současně ↑ odpor prostředí Fr až do stavu rovnováhy (F
= 0) → částice pohyb konstantní rychlostí u
Fr - odporový součinitel k závisející na Re i na rychlosti sedimentace u
→ oblas3 sedimentace
- laminární … Stokes Re ≤ 0,1 – 0,2
- turbulentní
- přechodná … Oseen 1 ≤ Re ≤ 3
obecné rovnice Newton … Re ≤ 0,2; 1 ≤ Re ≤ 500; 500 ≤ Re ≤ 150 000
u=
4.( ρ č − ρ ). g . d
3. ρ .k
k=
24
Re
k=
Re =
k = 0,44
18 , 5
Re 0 , 6
u. d
η
kinematická
viskozita
Základní fyzikální procesy
Výpočet rychlosti usazování částic
Archimédovo kriterium
Re =
l.o. pro Ar ≤ 3,6
Ar =
Ar
18
d 3 .(ρ č − ρ ).ρ .g
η2
=> Re < 1
Ar
p.o. pro 3,6 ≤ Ar ≤ 3,43.105 => 1 ≤ Re ≤ 500 Re = 18.(1+ 0,125.Re 0 , 72 )
t.o. pro 3,43.105 ≤ Ar ≤ 7,4.109 =>500 ≤ Re ≤ 1,5.105
Re = 1,73. Ar1/ 2
Výpočet průměru částice d
LY =
Ljaščenkovo kriterium
l.o. pro LY ≤ 2,22.10-4
=>
Re = 18.Ly
Re ≤ 1
p.o. pro 2,22.10-4 < LY < 2,91. 103 => 1 ≤ Re ≤ 500
t.o. pro 2,91.103 < LY < 4,5.105
. .
průměr částice (koule)
u 3 .ρ 2
η .g.(ρ č − ρ )
Re = 18.L y .(1 + 0,125. Re 0,72 )
=> 500 ≤ Re ≤ 1,5.105
Re = 0,33.LY
Základní typy sedimentace (dle koncentrace suspenze)
prostá - částice se neovlivňují - individuální charakter
i sedimentační rychlost
rušená - při nárůstu objemové koncentrace suspendovaných částic nad cca 0,5 %
Lapák písku + odčerpávání
• Měl by zachytit částice
d 0,2 0,25mm
• Podélný lapák
0,15 – 0,45 m/s
• Vytěžený materiál
co nejkratší skládkování;
zneškodnění podobně
jako
shrabky z česlí
-
dochází k vzájemnému ovlivňování x částice si zachovávají individuální charakter
zahušťování suspenze – vznik 2 oddělených prostředí - kapalina „bez“
suspendovaných částic x suspenze – částice tvoří pórovitou vrstvu, gravitační síly
suspenze vytlačuje kapalnou fázi a zahušťuje se
→
Množství a složení písku
Lapák tuku a olejů
• Množství a složení kolísá podle typu
kanalizační sítě (odlehčovací komory, ředění,
uliční vpusti, udržování sítě,…)
• Za deště mohou být průměrné hodnoty
překročeny až 30 x
• Složení písku – 10 – 20 %sušiny, 50 %
organických látek
• Množsví písku návrhové 5 – 12 l/obyv.rok
• Princip jako u separace látek těžších než
voda, ale obráceně: snížit rychlost průtoku a
nechat lehčí látky vystoupat k hladině
• V městské čistírně tuky procházejí lapákem
písku
• Pro městské odpadní vody se nejčastěji
používají provzdušňované lapáky tuků
(podpora vzestupné rychlosti – „nalepování“
na vzduchové bubliny)
17
18
3
8.10.2012
Lapáky písku
Základní fyzikální procesy
zachytávání písku a min. částic
Flotace
ne kalových částic s vysokým org. podílem
– proces, jímž se oddělují pevné nebo kapalné částice nebo částečky od
vodní fáze tak, že jsou zachycovány vzduchovými bublinami
– plovoucí částice se hromadí na hladině – odstraňovány stíracím zařízením
– vznik mikrobublin - optimální velikost je 10 až 100 μm
– velikost zrn 0,2 až 0,25 mm
– voptim. = 0,3 m.s-1
čištění 1 – 2 x týdně
b, strojní
směr průtoku
druhy flotace podle vzniku mikrobublin
· volná flotace - jemnobublinné provzdušnění
· tlaková flotace - expanze vody nasycené vzduchem při zvýšeném tlaku
· vakuová flotace - snížení tlaku v systému
· biologická flotace - denitrifikační pochody v biomase - vznik plynného dusíku
· chemická flotace - přídaní chemikálií uvolňujících plyn
· elektroflotace - elektrolýza vody
I, horizontální - komorový
- štěrbinový
II, vertikální - vírový (tangenciální)
- provzdušňovaný
Lapáky písku
gravitační separátory
povrchové hydraulické zatížení
Sh … plocha hladiny 1 komory lapáku
11
[
Q
v=
m 3 .m − 2 .h −1
Sh ⋅ n
optimální průřezová rychlost
S … průřezová plocha 1 komory lapáku
vopt
]
štěrbinový lapák písku
[
]
EO
Vp =
V p = EO ⋅ v , ⋅ t p ⋅ 10
tp … kapacita prostoru (2-4 dny)
100 ⋅ v ,,
nejjednodušší zařízení typu Lapol
[m ]
1 komory lapáku
n ⋅V
[s ]
Q
v´´= 0,05 – 0,60 m3/100EO.den
3
stěna
rotační šnek
provzdušňování separátorů
→ zvýšení účinnos3 separace
flotace - separační proces
- oddělení dispergovaných částic z kapaliny
částice + mikrobublina plynu → flotační komplexy
lehčí než voda
Lapáky tuků, škrobů a RoL
10
Primární sedimentace –usazovací
nádrže
koalescenční separátory
koalescence = sdružování
→ vyšší účinnost odstranění ropných látek a tuků – málo stabilních emulzí
… koalesceční filtry – shlukování ropných látek → vyplavání na hladinu
… případné osazení sorpčních filtrů - odstranění nejjemnějších částic
nátok
norná stěna (usměrnění)
sedimentační prostor
přepadová hrana
norná stěna (zachycení
plovoucích nečistot)
6. norná stěna (usměrnění)
7. koalescenční filtr I
8. koalescenční filtr II
9. koalescenční prostor
10. přepadový žlab
11. odtok
- zpomalení proudu + norná
3
jednotná s.s. v´= 14 – 30.10-6 m3/1EO.den
Θ=
- zpomalí se průtok
… částice s ρ < ρvody stoupá k hladině
oddílná s.s. v´= 1- 6.10-6 m3/1EO.den
doba zdržení
protékaná nádrž
→ uklidní se hladina
Q
=
m 3 .m − 2 .h −1
S ⋅n
objem písku
1.
2.
3.
4.
5.
10
Lapáky tuků, škrobů a ropných látek
Podklady pro návrh
V … objem usazovacího prostoru
produkce písku
–
5 až 12 l/1EO.rok
a, ruční
… tam, kde nevyhovuje sedimentace
• částice mají špatné sedimentační vlastnosti
• velmi malý rozdíl mezi hustotou nerozpuštěných látek a hustotou OV
• daná lokalita je prostorově omezena
• mají být odstraněny oleje a mazací tuky
n … počet komor lapáku
8
způsob odstraňování písku
použití
n … počet komor lapáku
10
odlučovač ropných látek
• Usazovací nádrže jsou navrženy pro separaci
a částečné zahuštění primárního nebo
směsného surového kalu
• Tvar nádrže, včetně všech detailů navržen tak,
aby byla co nejvíce využita plocha a objem
nádrže
• Střední doba zdržení (před aktivací) od 1 do 3
hod
24
4
8.10.2012
Teoretické doby zdržení UN
Zásady návrhu UN
Obvyklé poměry při návrhu podélné UN:
• d : š ≈ 3 : 1 a více; š : h ≈ 1 – 2,25 : 1
• Obvykle obdélníkový půdorys
Špatná funkce odstranění usazeného kalu
způsobuje:
• Vyplavování již usazených částic
• Zmenšení průtočného průřezu – vyšší
rychlosti než návrhové
Před aktivací
průtok
t (hod)
Pro Q24
0,5 – 1,5
Pro Qmax
0,2
25
26
27
28
Usazovací nádrž návrh
•
•
•
•
- usazovací rychlost částice
usazovací rychlost částice ve výšce h
h – výška nade dnem
H – celková hloubka usazovací nádrže
•
t – doba zdržení (
-
"
=
!
#
=
) ; objem nádrže V = L x H x S
$
Vybavení UN
Vybavení usazovacích nádrží:
• Vtokový objekt – usměrnění vtoku tak, aby
nenarušoval laminární proudění v usazovacím
prostoru
• Zařízení na stírání kalu – shrabovák (mostový,
řetězový)
• Odtokový žlab – na obvodu nádrže u
kruhových
- Na konci nádrže (pravoúhlé)
29
30
5
8.10.2012
Usazovací nádrže
Usazovací nádrže
gravitační separace suspendovaných látek
Doporučení ČSN 75 6401
• prim. sedim. se zařazuje v ČOV za mech. předčištění
mostový shrabovák
zařazení v technologické lince
8
• do usaz. prostoru se nezapočítává kalový prostor
• primární - separace suspendovaných částic z odpadní vody ( mech. čištění )
• stěny v kal. i usaz. prostoru hladké, min. sklon 1,7:1
• sekundární – separace biologického kalu při biologickém čištění
• sklon dna ke kalové prohlubni,
( dosazovací nádrže )
2 – 3 % pro horizontální UN
dle tvaru a průtoku v nádrži
• pravoúhlé nebo kruhové s horizontálním průtokem
• kruhové s vertikálním
UN s horizontálním průtokem
průtokem
• štěrbinové usazovací
nádrže (s kalovým prostorem)
… emšerská nádrž
5 – 10 % pro vertikální UN
• hloubka usazovacího prostoru 2,0 – 3,0 m
• min. průměr potrubí na odběr kalu 0,15 m
• návrh přepadu přes hranu odtokového
žlabu dokonalý (nebezpečí vzdutí hladiny v UN)
• před odtokem z UN osazeny norné stěny
11
Usazovací nádrže
kruhová UN s radiálním průtokem
Usazovací nádrže
Podklady pro návrh
F … plocha hladiny nádrže
v=
[
Q 3 −2 −1
m .m .h
F
velikost usazovacího prostoru
]
8
Θ … teoretická doba zdržení vody v nádrži [h]
Q … průtokové množství vody [m3.h-1]
doba zdržení
Vs =
η … koeficient hydraulické účinnosti nádrže [ - ]
Θ … teoretická doba zdržení vody v nádrži
Θs … doba zdržení skutečná
Θ=
η … koeficient hydraulické účinnosti
horizontální a radiální 0,4 – 0,5
vertikální 0,7 – 0,8
V
[h]
Q
objem kalu
vk … specifický objem kalu na 1 EO [m3/1EO.d-1]
8
Θ s = t v .η [h ]
štěrbinová UN – „emšerská“
Q … průtokové množství vody
[
B A = X .v kg.m − 2 .h −1
kal se vyváží cca 2x ročně – anaerobně stabilizován
Θ.Q
η
[m ]
3
[
Vk = vk .EO m −3 .d −1
]
Teoretické doby zdržení a povrch. hydraul. zatížení UN (ČSN 73 6707)
Zařazení UN
V … objem nádrže
X … koncentrace kalové sušiny
11
Podklady pro návrh
povrchové hydraulické zatížení
látkové zatížení povrchu
8
]
11
Teoretická doba
zdržení Q (h)
Povrchové zatížení
v (m3.m-2.h-1)
Parametry
QV
Qmax
QV
Qmax
- před biofiltry 1)
- před aktivací 2)
2,0 - 4,0
1,0 - 3,0
1,0
0,5
0,7 - 1,4
1,0 - 2,8
2,5
5,0
1) Recirkuluje-li se v ČOV s biofiltry před usazovací nádrží s vyrovnáním průtoku na stálou
hodnotu průtoku(přítok + recirkulace), má být doba zdržení v UN 2 hodiny.
2) Doba zdržení v UN před aktivací se volí s ohledem na navrženou technologii aktivace.
Konstrukce kruhové usazovací nádrže
• Průměr 40 m i více
• Hloubka 2 – 3 m
Vtoková rychlost ≈ 0,2 m/s
35
36
6
8.10.2012
Usazovací nádrž –podélná, kruhová
Jiné typy UN – vertikální (dortmundské)
•
•
•
•
•
•
•
Mohou být kruhové nebo obdélníkové
V ČR nejčastěji čtvercové, l = 3 – 6 m
Kal se odtahuje na základě hydrostatického tlaku
Celková hloubka 4 – 6 m, svislé stěny výška 0,6 – 1,5 m
Výhoda – malá zastavěná plocha, jednoduchá údržba
Nádrže s přerušovaným
provozem
Nádrže s nepřerušovaným
provozem
37
38
Jiné typy UN – štěrbinové (emšerské)
Nerovnoměrné rozdělení rychlosti v
UN
• Speciální typ podélně protékané usazovací nádrže
• Nádrže, které mají
sedimentační a vyhnívací
prostor
• Štěrbina musí být
zakrytá – bubliny plynu
narušují sedimentaci
• Sklon stěn min. 1,4 : 1
• Vtoková a výtoková rychlost vody vyšší než
má protékat nádrží
• Špatné hydraulické provedení vtoku a výtoku,
špatné rozdělení (zkratové proudy)
• Proudy o různých hustotách mění průtokovou
rychlost
• Nekryté nádrže – vliv větru
39
40
6. Rekapitulace mech. čištění
hrubé/jemné
česle
lapák písku
lapák tuků,
ropných
látek
lapák štěrku
usazovací
nádrž
Proudění v UN
41
štěrk
shrabky
písek
tuky,
rop. l.
kal
7