Politechnika Warszawska

Wydział Inżynierii Środowiska

Projekt stacji uzdatniania wody powierzchniowej z przedmiotu

„Urządzenia do uzdatniania wody i oczyszczania ścieków”

Ćwiczenie nr 2

Projekt ciągu technologicznego SUW składający się z mieszalników, klarowników, filtrów pośpiesznych grawitacyjnych

Wykonała: Prowadzący:

Iwona Nietubyć dr inż. Ryszard Wenda

Gr. ISiW-1

Rok akademicki: 2006/2007

Warszawa dn. 17.01.2007 r.

Dane do projektu

1. średnia dobowa wydajność stacji uzdatniania wody

Q_dśr = 55 000 m³/d

2. maksymalna dobowa wydajność stacji uzdatniania wody

Q_dmax = 65 000 m³/d

3. rodzaj stosowanego reagentu: siarczan glinu, produkt uwodniony, gatunek I

4. przewidywane dawki reagentu w przeliczeniu na produkt bezwodny, chemicznie czysty oraz w przeliczeniu na CaO:

Liczba dni	Lato	Jesień	Zima	Wiosna
		90	93	85	97
	Dawka siarczanu glinu [g/m^3] Dawka wapna [g/m^3]	50	60	45	65
		10	12	9	13

5. magazynowanie siarczanu glinu: „na mokro”

6. stężenie zawiesin w ujmowanej wodzie:

lato Z = 290 g/m³

zima Z'= 400 g/m³

7. barwa ujmowanej wody:

lato B = 30 g Pt/m³

zima B'= 65 g Pt/m³

1. Mieszalnik pionowo-wirowy

Przyjęto cztery mieszalniki pionowo - wirowe.

1. Objętość czynna jednego mieszalnika

gdzie Q - maksymalne natężenie wody przez jeden mieszalnik (2708/4 = 677 m³/h)

T - czas , t = 120 s,

2. Powierzchnia górnej (cylindrycznej ) części mieszalnika

gdzie: v_g - prędkość pionowa w górnej części mieszalnika

(na poziomie koryt zbiorczych ), przyjęto v_g = 0,025 m/s

3. Średnica górnej części mieszalnika

4. Wysokość dolnej (stożkowej) części mieszalnika

gdzie : d - średnica przewodu doprowadzającego wodę do mieszalnika , przy założeniu utrzymania prędkości dopływowej v_d=1÷1,2 m/s, przyjęto v_d =1,2m/s

α - kąt rozwarcia stożka; α = 30 ÷ 40 ˚; przyjęto α = 40 ˚,

5. Objętość dolnej stożkowej części mieszalnika

,

6. Wysokość górnej części mieszalnika

7. Całkowita wysokość mieszalnika

gdzie : h_k = 0,3 ÷ 0,5 m - wzniesienie krawędzi mieszalnika ponad zwierciadło wody,

przyjęto h_k = 0,5 m

8. Koryta zbiorcze

Przekrój poprzeczny koryta

gdzie : v_k - prędkość przepływu wody w korycie zbiorczym , przyjęto v_k = 0,6 m/s

Przy założeniu szerokości koryta równej
wysokość słupa wody wyniesie

Powierzchnia otworów

gdzie: v₀ - prędkość przepływu wody przez otwory , przyjęto v₀ = 1 m/s

,

Liczba otworów

,

gdzie : d₀ = 0,06÷ 0,12 m - średnica otworu, przyjęto d₀ = 0,1 m

otwory

Odległość między otworami

Odprowadzenie wody z mieszalnika

Woda z mieszalnika pionowo - wirowego odprowadzana jest przewodem kołowym, przy zachowaniu prędkości v = 0,8 ÷ 1,2 m/s przy czym czas przebywania wody w przewodzie nie powinien przekraczać 2 minut .

Dla przepływu 677 m³/h = 0,19 m³/s , przyjęto przewód o średnicy d = 0,45 m co zapewnia prędkość przepływu v =1,2 m/s.

Mieszalnik pionowo - wirowy

1. Doprowadzenie wody; 2. Doprowadzenie reagentu; 3. Otwory; 4. Koryto zbiorcze; 5. Odprowadzenie wody

II. Klarowniki

Klarowniki z zawieszonym osadem są urządzeniami służącymi do klarowania i odbarwiania wody w drodze stosowania koagulacji i sedymentacji. Uzdatniana woda, po wymieszaniu z koagulantem oraz z innymi reagentami, doprowadzana jest do klarownika z zawieszonym osadem, gdzie zachodzi zarówno proces koagulacji i sedymentacji. Zaprojektowano klarowniki z zawieszonym osadem o jednostajnym przepływie.

1. Dane wyjściowe

Q_u - wymagana użyteczna wydajność klarownika w okresie letnim Q_u = 2708 m³/h

Q_u^' - wymagana użyteczna wydajność klarownika w okresie zimowym Q_u^'= 2292 m³/h

Z - maksymalna zawartość zawiesin w wodzie surowej w okresie letnim Z = 290 g/m³

Z^' - minimalna zawartość zawiesin w wodzie surowej w okresie zimowym Z^' = 400 g/m³

B - barwa wody surowej w okresie letnim B = 30 gPt/m³

B^' - barwa wody surowej w okresie zimowym B = 65 gPt/m³

D_k - dawka koagulantu w okresie letnim D_k = 65 g/m³

D_k^' - dawka koagulantu w okresie zimowym D_k = 45 g/m³

D_w - dawka wapnia w okresie letnim D_w = 13 g/m³

D_w^' - dawka wapnia w okresie zimowym D_w = 9 g/m³

2. Obliczeniowa wydajność klarowników

Koncentracja zawiesin w wodzie dopływającej do klarownika

• w okresie letnim

• w okresie zimowym

gdzie: K - przyjęto K = 0,55

Średnią koncentrację zawiesin w usuwanym osadzie przyjęto przy czasie zagęszczania T = 6h

• dla okresu letniego C_os = 27000 g/m³

• dla okresu zimowego C_os' = 24000 g/m³

Obliczeniowa wydajność klarowników

Przy założeniu koncentracji zawiesin w wodzie odpływającej z klarownika

C_o = C`_o = 12 g/m³, obliczeniowa wydajność klarowników

• dla okresu letniego

• dla okresu zimowego

3. Powierzchnia strefy klarowania

Dane uzupełniające

- współczynnik rozdziału

• dla okresu letniego K = 0,65

• dla okresu zimowego K^' = 0,7

- pionowa prędkość przepływu

• dla okresu letniego v = 1,1 mm/s

• dla okresu zimowego v^' = 0,8 mm/s

Strefa klarowania powinna posiadać powierzchnię

• dla okresu letniego

• dla okresu zimowego

4. Powierzchnia komory zagęszczacza

Powierzchnię komory zagęszczacza oblicza się po uwzględnieniu poprzednich danych oraz współczynnika α = 0,9

• dla okresu letniego

• dla okresu zimowego

5. Liczba i wymiary klarowników

Łączna powierzchnia klarowników

• dla okresu letniego

F = F_k + F_zg = 450 + 269 = 719 m²

• dla okresu zimowego

F^' = F_k^' + F_zg^' = 567 + 270 = 837 m²

Do dalszych obliczeń przyjęto większe powierzchnie, czyli dla okresu zimowego F' = 837 m²

Powierzchnia 1 klarownika

Przy założeniu, że powierzchnia 1 klarownika nie powinna przekraczać 100 m², przyjęto

n = 10 klarowników, o powierzchni każdego z nich

F₁^' = F^' : n = 837 : 10 = 83,7 m²

Powierzchnia każdej z 2 części strefy klarowania ponad zawieszonym osadem, w jednym klarowniku

Przy założeniu szerokość sfery klarowania b_k = 3 m, długość klarownika

l_k = f_k : b_k = 28,4 : 3 = 9,5 m

6. Powierzchnia zagęszczacza w jednym klarowniku

,

Przy długości klarownika l_k = 9,5 m, szerokość zagęszczacza

b_zg = f_zg : l_k = 27 : 9,5 = 2,8 m

7. Doprowadzenie wody do strefy klarowania

Woda do strefy klarowania doprowadzana będzie przewodami perforowanymi ułożonymi

na dnie.

Maksymalny dopływ wody do jednego przewodu

,

Ponieważ prędkość przepływu wody na początku przewodu powinna być utrzymana w granicach od 0,4 ÷ 0,6 m/s przyjęto przewód o zmiennej średnicy.

Poszczególne odcinki przewodu mają następujące długości i średnice oraz na początku każdego z nich panuje prędkość

Nr odcinka przewodu	Długość [m]	Średnica [mm]	Prędkość [m/s]
1	3,1	300	0,44
2	3,1	250	0,43
3	3,0	200	0,57

Przy założonej prędkości v₀ = 1,8 m/s oraz średnicy otworu d₀ = 0,02 m wymagana liczba otworów wynosi

Odległość między osiami otworów

8. Odprowadzenie wody sklarowanej na zewnątrz klarownika

Woda sklarowana gromadząca się ponad warstwą zawieszonego osadu odprowadzana będzie za pomocą koryt zbiorczych umieszczonych przy ścianach strefy klarowania wzdłuż całej długości klarownika.

Ponieważ z jednej strefy klarowania odprowadzana będzie woda w ilości q_k = 0,0318 m³/s, to przy zachowaniu prędkości przepływu wody w korycie v_k = 0,6 m/s, wymagany przekrój koryta

Wymiary koryta

szerokość b = 0,2 m, maksymalne napełnienie h = 0,135 m.

Woda sklarowana do koryta zbiorczego dopływać będzie przez przelewy Thomsona.

Przy łącznej długości koryt w jednej strefie klarowania 2 ∙ l_k = 2 ∙ 9,5 = 19 m

oraz ilości wody odprowadzanej: 0,0318 ∙ 3600 = 114,5 m³/h, obciążenie krawędzi przelewu

q = 114,5 : 19 = 6,03 m³/(h ∙ m) będzie mniejsze od wartości krytycznej wynoszącej

q_kr = 16,7 m³/(h ∙ m).

Dla q = 6,03 m³/(h ∙ m) napełnienie przelewów wynosi około 4cm.

Przyjęto całkowitą wysokość koryta h = 0,260 m.

9. Odprowadzenie nadmiaru osadu do zagęszczacza

Nadmiar osadu zawieszonego, ze strefy klarowania do komory zagęszczacza, odpływać będzie przez otwory umieszczone w ścianie pionowej rozdzielającej klarownik na te dwie części.

Ilość odpływającego przez otwory nadmiernego osadu

Prędkość przepływu osadu przez otwory powinna być utrzymana w granicach

v_ot = 36 ÷ 54 m/h. Przy założeniu prędkości v_ot = 42 m/h. Powierzchnia otworów

Przyjmuję otwory o przekroju prostokątnym i wysokości h_ot = 0,3 m.

Całkowita długość otworów

Przyjęto 10 otworów o szerokości jednego b_ot = 0,27 m i odległości miedzy osiami

e_ot = l_k : 10 = 9,5 : 10 = 0,95 m.

10. Odprowadzenie wody z komory zagęszczacza

Woda sklarowana z komory zagęszczacza odprowadzana jest za pomocą perforowanych przewodów ułożonych na głębokości 0,3 m poniżej zwierciadła wody. Odległość od osi tych przewodów do górnej krawędzi otworów między strefą klarowania i komorą zagęszczacza nie może być mniejsza niż 1,5 m. Woda sklarowana odprowadzana będzie dwoma przewodami.

Ilość wody odprowadzanej każdym przewodem, przy uwzględnieniu strat wody przy usuwaniu osadu

gdzie: K_r - współczynnik uwzględniający rozcieńczenie usuwanego osadu,

przyjęto K_r = 1,2

n - liczba klarowników w stacji, n = 10

Przy utrzymaniu warunku, że prędkość wypływu wody z przewodu nie może przekraczać prędkości v_oz = 0,6 m/s, przyjęto średnicę przewodu d_oz = 0,15m, co odpowiada prędkości wypływu wody z przewodu v_oz = 0,51 m/s.

Woda dopływa do przewodów przez otwory o osiach odchylonych od osi pionowej przewodu o 45°, umieszczone w dolnej jego części.

Przy założeniu średnicy otworu d₀ = 0,018 m oraz prędkości przepływu wody przez otwór

V₀ = 1,5 m/s liczba otworów o jednym przewodzie

Przy długości klarownika l_k = 9,5 m odległość między osiami otworów

11. Wysokość klarownika

Wysokość klarownika liczona od osi przewodu doprowadzającego wodę do strefy klarowania do górnej krawędzi koryt zbiorczych w strefie klarowania

gdzie: b_k - szerokość jednej części strefy klarowania, przyjęto b_k = 3,0 m

b - szerokość koryta odprowadzającego wodę sklarowaną ze strefy klarowania, przyjęto b = 0,2 m

α - kąt zawarty między prostymi przeprowadzanymi od osi przewodu doprowadzającego wodę do górnej krawędzi koryt zbiorczych,

przyjęto α = 25°

Wysokość warstwy wody ponad zawieszonym osadem przyjęto h_w = 1,7 m.

Wysokość dolnej części klarownika o ścianach odchylonych od pionu

gdzie: a - szerokość dna dolnej części strefy klarowania, przyjęto a = 0,4 m

β - kąt nachylenia ścianek względem poziomu, przyjęto β = 70°

Przy uwzględnieniu powyższych wymiarów oraz wysokości otworów prostokątnych do odprowadzania nadmiaru osadu h_ot = 0,3 m, wysokość warstwy zawieszonego osadu w klarowniku

Spełniony zostaje warunek: 1,5 m ≤ h_z ≤ 2,5 m

12. Sprawdzenie czasu przebywania osadu w komorze zagęszczacza

Objętość zagęszczacza

gdzie: b_zg - szerokość całkowita zagęszczacza, przyjęto b_zg = 2,85 m

Ilość osadu dopływającego w ciągu godziny do zagęszczacza

• w okresie letnim

• w okresie zimowym

Czas zagęszczania osadu

• w okresie letnim

• w okresie zimowym

Ponieważ w obu przypadkach czas zagęszczania przekracza 12h należy przewidzieć konieczność usuwania osadu dwukrotnie w ciągu doby (1 raz na 12h).

13. Odprowadzenie osadu z komory zagęszczacza

Osad z zagęszczacza odprowadzany jest dwoma przewodami perforowanymi.

Czas przepływu osadu przez przewód przyjęto t_p = 0,33 h.. Prędkość przepływu osadu na końcu przewodu: v₁ ≥ 1,0 m/s. Prędkość przepływu osadu w otworach: v₂ ≥ 3,0 m/s.

Biorąc pod uwagę najniekorzystniejsze warunki (wypełnienie całej objętości zagęszczacza), wymagana przepustowość przewodu odprowadzającego

Przyjęto przewód o średnicy d_p = 0,2 m. Przy tej średnicy, prędkość przepływu na końcu przewodu v₁ = 1,39 m/s. Przy założonej prędkości przepływu wody w otworach v₂ = 4 m/s i przy średnicy otworu d₀ = 0,02 m, wymagana liczba otworów w jednym przewodzie:

Przy długości klarownika l_k = 9,5 m, odległość między osiami otworów

Klarownik korytarzowy z zawieszonym osadem

1. Doprowadzenie wody; 2. Koryta zbiorcze wody sklarowanej; 3. Odprowadzenie wody;

4. Odprowadzenie wody ze strefy zagęszczania; 5. Odprowadzenie osadu zagęszczonego

III. Filtr pospieszny dwuwarstwowy

Zaprojektowano filtry pospieszne dwuwarstwowe otwarte (grawitacyjne) wypełnione złożem filtracyjnym z piasku kwarcowego i antracytu.

Maksymalna dobowa przepustowość Q = 65000 m³/d.

1. Charakterystyka złoża filtracyjnego

Przyjęto filtr pospieszny grawitacyjny dwuwarstwowy.

Średnice uziarnienia piasku kwarcowego

- minimalna średnica ziaren d_min ≤ 0,4 mm

- maksymalna średnica ziaren d_max = 1,2 mm

- średnica miarodajna (wymiar czynny) d₁₀ = d_m = 0,455 mm

- średnica przeciętna d₆₀ = d_śr = 0,76 mm

- średnica przeciętna, wg normatywów radzieckich d₈₀ = d_śr = 0,87 mm

- współczynnik nierównomierności uziarnienia K = 1,91

Wysokość warstwy H_p = 0,8 m

Założenia dla piasku antracytowego

- minimalna średnica ziaren d_min ≤ 0,85 mm,

- maksymalna średnica ziaren d_max = 1,8 mm,

• średnica miarodajna (wymiar czynny) d₁₀ = d_m = 0,95 mm,

• efektywna średnica ziaren antracytu d_e = 1,23 mm,

• współczynnik nierównomierności uziarnienia antracytu K = 1,7.

Wysokość warstwy H_a = 0,5 m

Całkowita wysokość warstwy H = H_p + H_a = 1,3 m

Żwirowa warstwa podtrzymująca

Przyjęto warstwę filtracyjną o wysokości H_p = 0,35 m ze żwiru o uziarnieniu 2 ÷ 40 mm.

2. Powierzchnia całkowita i liczba filtrów

gdzie: v_f - obliczeniowa prędkość filtracji: przyjęto v_f = 10 m/h

Q - wymagana maksymalna dobowa wielkość dostawy wody do sieci wodociągowej

Q = 65000 m³/d

T - nominalny czas pracy filtru w ciągu doby; przyjęto T = 24 h

n - liczba płukań każdego filtru na dobę; przyjęto n = 2 d^-1

t₁ - średni czas wyłączenia filtru z efektywnego działania w związku z jego płukaniem,

przyjęto t₁ = 20 min = 0,33 h

t₂ - średni czas płukania filtru; przyjęto t₂ = 6 min = 0,1 h

q - intensywność płukania wodą i powietrzem filtru ustalana dla danego uziarnienia i wymaganego stopnia ekspansji złoża stosownie do sposobu płukania:

przyjęto q = 13,24 l/s·m²

Uwzględniając zalecenia dotyczące powierzchni pojedynczego filtru oraz ich liczby ze względu na utrzymanie odpowiednich parametrów pracy przyjęto N = 12 filtrów.

3. Wymiary filtrów

Powierzchnia 1 filtru wynosi

Przyjęto filtry o wymiarach: szerokość B = 5 m, długość L = 5 m, co odpowiada powierzchni każdego filtru 25 m². Powierzchnia łączna filtrów wynosi F = 25 ·12 = 300 m².

4. Prędkość filtracji w warunkach przeciążenia filtrów

Zakładając, że płukaniu poddawany jest tylko jeden filtr oraz, że jeden filtr wyłączony jest do remontu, prędkość filtracji w warunkach przeciążenia filtrów wyniesie

gdzie: v_f - obliczeniowa prędkość filtracji; przyjęto v_f = 10 m/h

N - liczba wszystkich filtrów na stacji o sumarycznej powierzchni F: przyjęto N = 12

N₁ - liczba filtrów wyłączonych do remontu; przyjęto N₁ = 2

5. Drenaż filtru

Przyjęto drenaż płytowy z dyszami filtracyjnymi.

Ustalenie rodzaju dysz filtracyjnych

Przyjęto dysze grzybkowe z polistyrenu produkcji ZM „Elwo” w Pszczynie.

Czasza dyszy posiada 36 szczelin o wymiarach 0,8 x 10 mm.

Łączna powierzchnia szczelin w 1 dyszy wynosi

Obliczenie liczby dysz

Sumaryczna powierzchnia wszystkich otworów w dyszach

gdzie: F - powierzchnia filtru; przyjęto F = 26 m²

p - procentowy stosunek powierzchni otworów w dyszach do powierzchni

filtru: przyjęto p = 1,2 %

Liczba dysz

Rozmieszczenie dysz

Projektuje się płyty drenażowe o wymiarach 1×1 m w osi. Liczba płyt wynosi 24. W każdej z płyt powinno być n₁ = 1007/24 = 42 dysze (przyjmuje się n₁ = 42 dysz rozstawionych równomiernie w układzie 6 ×7 sztuk). Stąd dysze powinny być rozstawione w odstępach

Łączna liczba dysz

6. Wysokość strat ciśnienia przy płukaniu filtru

Przepływ przez 1 dyszę

gdzie: q- intensywność płukania filtru [l/s]: przyjęto 13,24 l/s

Strata wysokości ciśnienia w drenażu

gdzie: α, β - współczynniki zależne od rodzaju dyszy, dla dysz nie zatkanych: przyjęto α = 1120, β = 2,00

Strata wysokości ciśnienia w warstwach podtrzymujących

gdzie : H_p- wysokość warstwy podtrzymującej,

Strata wysokości ciśnienia we właściwej warstwie filtracyjnej

Przy założeniu ρ_z = 2,65 g/m³, ρ_w = 1 g/m³ oraz porowatości m_o = 40 % strata wysokości ciśnienia we właściwej warstwie filtracyjnej wynosi

Suma wysokości strat ciśnienia

h = h_d + h_p + h_f = 1,15 + 0,37 + 1,29 = 2,81 m

7. Koryta zbiorcze

Przyjęto koryta zbiorcze o przekroju złożonym:

w górnej części o ścianach pionowych, a w dolnej o kształcie trójkąta.

Przy długości filtru L = 5 m, przyjęto n_k = 2 koryta zbiorcze, o długości między osiami

2,5 m.

Jednym korytem zbiorczym odprowadzana będzie woda po płukaniu w ilości

gdzie: q_pl - ilość wody niezbędna do płukania filtru [m³/s]

gdzie: q_max - maksymalna intensywność płukania przy temp. wody 20⁰C

q_max = 15,29 l/s·m²

f − powierzchnia jednego filtru: przyjęto f = 24,2 m²

Szerokość koryta zbiorczego

Wykorzystując zależności przedstawione w nomogramie do określenia wymiarów koryt zbiorczych filtrów pospiesznych przy zbiorczego = 1,5, szerokość koryta zbiorczego wyniesie B_k = 0,45 m

Wysokość prostokątnej części koryta

Całkowita wysokość koryta

Wzniesienie krawędzi koryt zbiorczych ponad powierzchnię złoża filtracyjnego:

Do obliczenia wzniesienia krawędzi koryt zbiorczych ponad powierzchnię złoża filtracyjnego przyjęto e = 45 % i H =1,20 m

Ponieważ ∆h_k > h_k przyjęto ostatecznie h_k = 0,89 m

Kanał zbiorczy

Przyjęto kanał zbiorczy o szerokości B_kz = 1,0m.

Wysokość kanału zbiorczego mierzona od dna koryt zbiorczych

8. Średnice przewodów doprowadzających i odprowadzających wodę

Przewód doprowadzający wodę uzdatnioną

- przepływ wody

.

- prędkość przepływu v₁ = 1,2 m/s

- średnica przewodu:

Przyjęto d₁ = 900 mm

Przewód doprowadzający wodę do każdego z filtrów

- przepływ wody

- prędkość przepływu v₂ = 1,2 m/s

- średnica przewodu

Przyjęto d₂ = 260 mm

Przewody odprowadzające wodę przefiltrowaną

- z każdego filtru - 260 mm

• ze wszystkich filtrów - 900 mm

Przewód doprowadzający wodę do płukania

Przyjęto średnicę jak głównego przewodu drenażowego, czyli 900 mm

Przewód odprowadzający wodę do płukania

- przepływ wody q_pl = 0,37 m³/s

- prędkość przepływu v > 0,8 m/s

- średnica przewodu 900 mm

Całkowita strata wysokości ciśnienia przy przepływie wody przez filtr w czasie płukania

gdzie:
- ustalone poprzednio

- wysokość geometryczna od dna komory do krawędzi koryta zbiorczego[m]

Filtr pospieszny dwuwarstwowy grawitacyjny

---