5.1. Opadanie cząstek w wodzie

Sedymentacja jest jednym z podstawowych procesów wykorzystywanych w oczyszczaniu wody do usuwania z niej cząstek o gęstości większej od gęstości. wody, a więc cząstek opadających.

Opadanie cząstek w wodzie jest zjawiskiem złożonym i zależy między innymi od ich stężenia, wymiaru, kształtu, gęstości i temperatury oraz prędkości i kierunku przepływu wody. W zależności od charakteru i ilości zawiesin wyróżnia się:

• opadanie cząstek ziarnistych

• opadanie cząstek kłaczkowatych.

Ze względu na warunki hydrauliczne wyróżnić można:

• opadanie swobodne

• opadanie skupione.

Swobodne opadanie zachodzi przy małej liczbie cząstek. Wówczas każda cząstka opada oddzielnie, nie oddziałując na cząstki sąsiadujące i nie zmieniając właściwości, fizycznych. Takie opadanie występuje najczęściej w przypadku zawiesin ziarnistych

Przy znacznym zagęszczeniu cząstek, występuje opadanie skupione, podczas którego cząstki nawzajem oddziałują na siebie i przez wzajemne zderzanie tworzą aglomeraty. W wyniku tego zakłócone są prawa rządzące opadaniem cząstki pojedynczej. W takich warunkach cząstki mniejsze mogą opadać z większą od cząstek większych prędkością. Zjawisko to ma miejsce w czasie opadania zawiesin kłaczkowatych, powstałych w wyniku koagulacji, opadających w postaci „chmury" lub „warstwy osadu", oraz gdy w oczyszczanej wodzie jest bardzo dużo zawiesin ziarnistych. Dla zawiesin ziarnistych (takich, które nie tworzą aglomeratów) opadów nie skupione nazywane jest opadaniem zakłóconym [7], podczas którego wiry powstające przy opadaniu cząstek większych powodują wypieranie cząstek drobniej-szych ku górze, zmieniając tym samym ich prędkość opadania. Efekt ten zależy od stężenia zawiesin w wodzie. Przy ilościach zawiesin 1000 g/m³ i 10000 g/m³ , prędkości opadania mogą być odpowiednio mniejsze o 13% i 25% niż w czasie

W procesach oczyszczania wody opadanie swobodne zostało dobrze wyjaśnio-teoretycznie, a uzyskany matematyczny opis zjawiska jest wykorzystywany

5.1.1. Swobodne opadanie cząstek

W matematycznym ujęciu zjawiska sedymentacji przyjmuje się, że opada-, jąca pod wpływem siły ciężkości cząstka jest kulista, opada w ośrodku spokojnym i w czasie opadania nie zwiększa swojej masy i objętości. Jest to tzw. cząstka ziasrnista, w odróżnieniu od cząstki kłaczkowatej. Cząstka początkowo opada ruchem przyspieszonym, a po krótkim czasie następuje równowaga między siłami oporu, a siłą ciężkości i zaczyna opadać ruchem jednostajnym. Siłe ciężkości „G" działający na cząstkę w wodzie można określić wzorem:

natomiast siłę oporu ośrodka ciekłego, tj. siłę przeciwstawiającą się ruchowi cząstki, według równania Newtona określa się wzorem:

Równanie (5.2) określa opór przeciwstawiający się ruchowi cząstki zarówno w ruchu laminarnym, przejściowym, jak i burzliwym. Wartość X jest zmienna i zależy od wielu czynników. Z pewnym uproszczeniem można przyjąć, że X =/(Re), natomiast liczbę Reynoldsa (Re) określa się ze wzoru:

Zależność współczynnika oporu X od liczby Reynoldsa (Re) podano na rysunku 5.1. Dla zakresu 10 ^-4 < Re < 0,4, a w przybliżeniu do Re < 2,0 występuje opadanie laminarne, a współczynnik oporu wynosi:

Dla zakresu 0,4 < Re < 500, a z pewnym błędem do wartości Re < 1000, występuje przejściowa strefa opadania, dla której

^{natomiast dla zakresu 1000} < Re < 2 10⁵, któremu odpowiada opadanie burzliwe,

lepkości ma wartość stałą X = 0,44. W tym przedziale wartości Re wpływ

lepkości cieczy jest nieistotny i dlatego pomija się wartość Re. W wypadku cząstek

5 1 2. Zakłócone opadanie cząstek ten rodzaj opadania zachodzi w przypadku znacznego zagęszczenia cząstek w wodzie Ich opadanie zachodzi przy wzajemnym oddziaływaniu na siebie. Zaczynają one opadać cząstki. opadać jako masa i można mówić o opadaniu zbioru cząstek, a nie pojedyncze cząstki. Opadanie zakłócone występuje przy objętościowym stężeniu zawiesin >0,22 %. odpowiada to wagowemu stężeniu 6,0 g/dm³ nieorganicznych zawiesin obecnych w wodach powierzchniowych bądź zawiesiny węglanu wap-niowego, ale tylko 2,5 g/dm³ zawiesin organicznych [7]. W procesach oczyszczania wody takie i większe stężenia zawiesin występują w warstwie osadu w osadnikach i osadzie zawieszonym w osadnikach kontaktowych, natomiast tylko wyjątkowo spotykane są w wodach powierzchniowych niektórych rzek na świecie. Może to mieć miejsce w wodach rzek i potoków górskich w okresach intensywnych spływów powierzchniowych. Podczas zakłóconego opadania cząstek ziarnistych ich prędkość względem cieczy można określić równaniem Stokesa, uwzględniając poza paramet­rami wchodzącymi do wzoru w opadaniu swobodnym również porowatość układów zawiesin, która podczas sedymentacji ulega ciągłej zmianie [9]. Uwzględniając porowatość zawiesiny, prędkość opadania cząstek wynosi:

Funkcja f(e) zależy od wielkości przestrzeni międzycząsteczkowych i kształtu opadających cząstek. Jej wartość określa się doświadczalnie. Dla cząstek kulistych można ją orientacyjnie obliczyć z równania empirycznego:

Dla porowatości układu zawiesin kulistych zmieniającej się w zakresie 0,3-0,7, równanie określające prędkość opadania cząstek ma postać:

5.1.3. Opadanie zawiesin kłaczkowatych

Matematyczny opis opadania zawiesin kłaczkowatych jest bardzo zło-żony. Wynika to z powiązań w układzie cząstka — ciecz oraz zmieniających się masy (objętości)i kształtu opadających zawiesin kłaczkowatych. Skutkiem aglomeracji cząstek, prędkość opadania pojedynczej cząstki kłaczkowatej jest zawsze większa od prędkość sendymetacji zbioru cząstek, a więc sedymentacji masowej, zachodzącej np. w wartwie osadu zawieszonego. Spowodowane to jest unoszeniem pewnej ilości wody przez cząstki flokulujące. Zgodnie z teorią Smoluchowskiego przebieg łączenia się cząstek w większe aglomeraty można wyrazić równaniem:

5.2. Osadniki

Osadniki są to urządzenia, w których zachodzi proces usuwania zawiesin oczyszczanej wody. Służą więc one do zatrzymywania zawiesin łatwo opadających naturalnych lub wytworzonych w procesie koagulacji i chemicznego strącana związków trudno rozpuszczalnych. Stosowane są w układach oczyszczania wód podziemnych, jak i powierzchniowych.

Ich miejsce w układzie urządzeń zależy od jakości oczyszczanej wody, a więc rodzaju i kolejności procesów jednostkowych oczyszczania wody. W razie koniecz-ności usunięcia zawiesin łatwo opadających z wody przed jej dalszym oczyszczaniem osadniki znajdują się na początku układu urządzeń. Jeżeli natomiast w układzie technologicznym uzdatniania wody stosuje się koagulację lub procesy strącania

chemicznego, to miejsce osadników jest po urządzeniach, w których zachodzą procesy prowadzące do powstawania zawiesin sedymentujących. Woda z osadników kierowana jest zwykle na filtry zapewniające dalsze usuwanie zawiesin. Istnieją również układy oczyszczania wody, w których nie stosuje się osadników,

np. w przypadku stosowania filtrów kontaktowych. Miarą skuteczności działania osadników jest zawartość zawiesin w wodzie po

sedymentacji. Sprawność sedymentacji, określana jako Mo/M*100 (%), zależy od rodzaju cząstek sedymentujących oraz czasu sedymentacji. Zależność tę obrazuje

czas sedymentacji

Ilość zawiesin, którą można doprowadzić po osadnikach na złoża filtracyjne jest

ograniczona. Ogólnie przyjmuje się, że przy stosowaniu filtracji pospiesznej, bez

uprzedniej koagulacji, zawartość zawiesin w wodzie dopływającej na złoża filtracyjne

moze dochodzić do 50 g/m³; 10-20 g/m³ - na filtry powolne oraz 10-20 g/m³

zawiesin po koagulacji w wodzie dopływającej na filtry pospieszne. Przy za-

stosowaniu wielowarstwowych złóż filtrów pospiesznych ilość zawiesin w wodzie po

koagulacji można zwiększyć do 50 g/m³ [7].

Osadniki,z uwagi na kierunek przepływu wody, można podzielić na osadniki o przepływie: poziomym, pionowym i poziomo — pionowym. Ponadto, do oczyszczania wody stosowane mogą być osadniki odśrodkowe i wielostrumieniowe (rurowe). Specjalną odmianą osadników o przepływie pionowym są osadniki kontaktowe z warstwą osadu zawieszonego lub z osadem zawracanym (recyrkulatory) oraz osad-niki zespolone z komorą reakcji, w których realizowane są równocześnie procesy flokulacji i sedymentacji. W osadnikach kontaktowych wykorzystuje się efekt przy-spieszania koagulacji ortokinetycznej poprzez kontakt koagulowanych zanieczysz-

5.2.1. Osadniki o przepływie poziomym

W osadnikach o przepływie poziomym unoszenie cząstek stałych zależne jest od prędkości przepływu wody w osadniku (c ) i prędkości opadania (v_o). W wyniku działania tych dwóch sił cząstki opadają z prędkością, której kierunek opadania jest wypadkową r_p i r_o. Ruch cząstek fazy stałej w poziomym osadniku idealnym przedstawiono na rysunku 5.8, schemat osadnika zaś na rysunku 5.9. Jeżeli prędkość opadania cząstek na drodze H oznaczymy jako:

5.2.2. Osadniki o przepływie pionowym

Cechą tych osadników jest pionowy kierunek przepływu wody. Budowa­ne są one najczęściej jako urządzenia o przekroju kołowym (rys. 5.18), a czasami kwadratowym (rys. 5.19) i stosowane są zwykle do oczyszczania małych ilości wody.

Poza osadnikami, w których zachodzi tylko sedymentacja zawiesin, buduje się również osadniki o przepływie pionowym zespolone z komorą reakcji. Osadnik taki przedstawiono na rysunku 7.35.

Istnieją również osadniki, w których oczyszczana woda zawierająca koagulant przepływa przez warstwę osadu zawieszonego. Nad warstwą osadu zawieszonego znajduje się strefa klarowania, zaś poniżej osadu zawieszonego — komory zagęsz­czania osadu (rys. 5.20). Osadnik z warstwą osadu zawieszonego jest rozwiązaniem pośrednim między typowymi osadnikami o przepływie pionowym a osadnikami kontaktowymi.

W osadnikach o przepływie pionowym woda doprowadzana jest do rury centralnej lub komory reakcji, skąd wypływa do komory klarowania lub warstwy osadu zawieszonego. Rura centralna powinna mieć w dolnej części tarczę kierującą, zapobiegającą mieszaniu i unoszeniu osadu osiadłego w leju osadowym. Do odbioru wody sklarowanej służą koryta przelewowe. Gromadzony w leju osadowym osad usuwany jest najczęściej hydraulicznie pod ciśnieniem hydrostatycznym wody w osadniku. Ściany leja osadowego powinny mieć spadek 45 do 55°. Pozioma (płaska) część dna leja osadowego powinna mieć powierzchnię ^ 1,0 m². Z tego względu średnica osadnika nie powinna być większa od 10 m. Aby osadniki o przepływie pionowym działały właściwie musi być wystarczająco duża ich objętość zapewniająca wymagany czas przetrzymania wody w strefie klarowania.

Głównym parametrem projektowym jest więc prędkość pionowego przepływu wody v_p. Do uzyskania stężenia zawiesin w wodzie po sedymentacji równego 8-12 g/m³ wymagana wartość v_p = 0,4 do 0,8 mm/s, średnio 0,5-0,6 mm/s-W wypadku osadników mających warstwę osadu zawieszonego, prędkość ta może być większa i wynosić 0,8-1,0 mm/s [7]. Stosowanie dolnych wartości v_p daje zawsze większą gwarancję właściwego zwymiarowania osadników. Znając v_p, powierzchnię osadnika (strefy klarowania) oblicza się ze wzoru:

---