Politechnika Wrocławska Rok akademicki: 2002/2003

Instytut Inżynierii Ochrony Środowiska

Zakład Zaopatrzenia w Wodę

i Usuwania Ścieków

ĆWICZENIE PROJEKTOWE Z OCZYSZCZANIA WODY :

ANALIZA WODY NR 1

Prowadzący: Wykonała:

dr Jolanta Czarniecka Maja Kmita , WK Rok IV nr 103597

WODA PODZIEMNA

Parametry wody :

• TWARDOŚĆ WODY

1) Twardość ogólna

T_wo = 15⁰ tw = 5,3 mval/dm

2) Twardość niewęglanowa

T_wn = 5,1⁰ tw = 1,8 mval/dm³

3)Twardość węglanowa

T_w = T_wo - T_wn = 5,3 - 1,8 = 3,5 mval/dm³

• ZASADOWOŚĆ

pH = 6,4 Roztwór obojętny, wyznaczamy tylko zasadowość M.

Zasadowość M = T_w = 3,5 val/m³ = 175 g CaCO₃/m³ .

• BARWA

10 g Pt /m³ (przekroczona -do 15 )

• MĘTNOŚĆ

1 g /m³ (przekroczona -do 1 )

• UTLENIALNOŚĆ

2,5 g O₂ /m³ (w normie - do 5 )

• MANGAN

0,33 g Mn /m³

• ŻELAZO OGÓLNE

3,0 gFe/m³

• DWUTLENEK WĘGLA

Odczytano z nomogramu równowagi węglanowo-wapniowej.

Zawartość CO₂ wolnego - CO_2w = 110 g CO₂ /m³

Zawartość CO₂ przynależnego- CO_2p = 12 g CO₂ /m³

Zawartość CO₂ agresywnego - CO_2a = CO_2w - CO_2p = 110 - 12 = 98 g CO₂ /m³

1. SCHEMAT TECHNOLOGICZNY.

Woda surowa Woda oczyszczona

1 2 3

gdzie:

1. Dysze amsterdamskie (NAPOWIETRZANIE OTWARTE);

2) Filtr ciśnieniowy ze złożem piaskowym wpracowanym (FILTRACJA);

3. DEZYNFEKCJA CHLOREM (Cl₂)

2. OBLICZENIA TECHNOLOGICZNE.

W zależności od jakości i rodzaju oczyszczanej wody stosuje się różne chemikalia. W zakładach oczyszczania wody podziemnej do najczęściej stosowanych chemikaliów należą wapno i substancje używane do dezynfekcji. W szczególnych przypadkach używane są, oprócz wymienionych , koagulanty.

2.1 Wyznaczenie dawki chloru.

Chlor w zakładach oczyszczania wody podziemnej jest stosowany do dezynfekcji wody oraz do utleniania związków zredukowanych obecnych w oczyszczanej wodzie.

D_Cl2 = 1,31 ⋅ Mn + 0,56 Fe

D_Cl2 = 1,31 ⋅ 0,33 + 0,56 ⋅ 3,0 = 2,1 gCl₂ /m³

D_Cl2- dawka chloru , gCl₂ /m³

Mn- zawartość związków manganu w wodzie ,g Mn⁺²/m³

Fe - zawartość związków żelaza dwuwartościowego ,g Fe⁺² /m³

3. URZĄDZENIA DO USUWANIA DWUTLENKU WĘGLA AGRESYWNEGO

3.1. Obliczenia dysz amsterdamskich.

Parametry:

• Ciśnienie w rurociągu, w którym są wkręcone - 8 ÷10 m H₂O ;

• Obciążenie dyszy - 3 ÷8 m³/h ;

• Rozstaw dysz - co 1m

• Obciążenie powierzchni - 3 ÷8 m³/m²⋅h ;

• Wysokość rozbryzgu - 2,5 ÷3,5 m ;

• Sprawność odkwaszania - 60 ÷ 80 % (jeżeli woda jest natleniona w ok. 95 %)

Założono :

- Wydajność jednej dyszy q = 5 m³/h ;

- Rozstaw dysz ⇒ co 1 m ;

- Obciążenie powierzchni ⇒ 5 m³/m²⋅h ;

- Wysokość rozbryzgu ⇒ 3,0 m

- Wydajność zakładu Q = 15000 m³/ d = 625 m³ /h

a)Wymagana powierzchnia hali dysz F:

Przyjęto: halę dysz o wymiarach : 5 m × 25 m

b) Liczba dysz n =100

c) Zbiornik pod dyszami .

V = Q ⋅ t

gdzie:

t - czas przetrzymania wody w zbiorniku ; (t = 15 min. = 0,25 h)

V = 625 ⋅ 0,25 = 156,25 ≈ 157 m³

4. FILTRY.

4.1. Filtr ciśnieniowy ze złożem piaskowym.

Parametry:

• Ciśnienie robocze w filtrach pospiesznych zamkniętych ≤ 0,59 MPa ;

• Ciśnienie obliczeniowe zbiornika ciśnieniowego filtru ⇒ 1,2 ciśnienia roboczego ;

• Średnice : 900 ÷ 3000 mm

• d₁₀ = 0,75 ÷ 1,0mm

• WR = 1,25 ÷ 1,75

- powierzchnia filtrów

gdzie: Q_h - założone obciążenie hydrauliczne m³/m²⋅h

- średnica filtru

przyjęto D = 3,0 m

- powierzchnia jednego filtru

F₁ = 7,07 m²

- liczba filtrów

Przyjęto 17 filtrów.

Wysokość złoża filtracyjnego H_z = 1,2 m .

Warstwa podtrzymująca 0,4m.

- prędkość filtracji

- prędkość filtracji, gdy jeden filtr jest wyłączony z eksploatacji.

< 10 m/h

Przyjęto płukanie wodno - powietrzne. W filtrze zastosowano drenaż wysokooporowy rurowy.

- intensywność płukania filtru I_p

Dla danego uziarnienia złoża przyjęto płukanie filtru wodą.

Intensywnośc płukania wyznaczono z nomogramu do wyznaczania intensywności płukania filtrów piaskowych według wzoru Minca-Szuberta: d_z = (1,8WR - 0,8)⋅ d₁₀

d₁₀ = 0,8 mm

WR = 1,4

temp. wody 8°C

d_z = (1,8⋅ 1,4- 0,8) ⋅ 0,8 = 1,376 cm

dla d_z = 1,376 cm K = 1

z nomogramu odczytano q₁ = 12,5 dm³/m²s

stąd :

I_p = K ⋅ q₁ = 1⋅ 12,5 dm³/m²s = 12,5 dm³/m²s

Q_x = 12,5 dm³/m²s ⋅ 7,1 m² =88,8 dm³/s =0,0888 m³/s

4.2. Drenaż wysokooporowy.

Intensywnośc płukania wodą I_p = 12,5 dm³/m²s

Natężenie przepływu wody płuczącej Q = 0,0888 m³/s

Z nomogramu Colebrooka - White'a dla q = 0,0888 m³/s przyjęto rurociąg główny drenażu o średnicy d = 300 mm, w którym prędkość przepływu wynosi 1,2 m/s, spadek hydrauliczny 7,5 %0 .

Przyjęto rozstaw lateral b = 0,15m.

- liczba lataral n

- długość najdłuższej laterali L_max.

X - odległość laterali od ściany filtru; (X = 0,04 m)

D -średnica filtru; ( D = 3,0 m)

d - średnica rurociągu; (d = 0,3 m)

- powierzchnia filtru przypadająca na najdłuższą lateralę

f₁ = b ⋅ L_max. = 0,15 ⋅ 1,31 = 0,196 m²

- natężenie przepływu wody w najdłuższej laterali

Jako boczne laterale przyjęto rurociągi o średnicy d =32 mm, w których prędkość przepływy wynosi v = 1,65 m/s, a spadek hydrauliczny i = 1,90 %0.

Dla przyjętej ilości lateral n = 20 szt. oraz ich rozstawu co 0,15 m, odległość pierwszej i ostatniej laterali od wewnętrznej ściany zbiornika filtracyjnego ( wzdłuż średnicy) - h, wynosi 0,08 m. Stąd obliczono:

- długość cięciwy c

- długość najkrótszej laterali l_min.

- powierzchnia filtru przypadająca na najkrótszą lateralę

- natężenie przepływu wody w najkrótszej laterali

W rurociągu o średnicy d =32 mm prędkość przepływu wynosi v = 0,35 m/s, a spadek hydrauliczny i = 7,8 %0.

4.3. Obliczanie liczby otworów drenażu wodnego

Przyjęto rozstaw otworów b' = 150 mm .

- powierzchnia filtru przypadająca na 1 otwór laterali

b ⋅ b' = 0,15 ⋅ 0,15 = 0,0225m²

- liczba otworów na całej powierzchni

- powierzchnia 1 otworka o średnicy ∅ 8,0 mm wynosi 5,02 ⋅ 10^-5

- sumaryczna powierzchnia otworów

∑f₀= 314 ⋅ 5,02 ⋅ 10^-5 = 0,0158 m² ;

To stanowi ok. 0,22 % i mieści się w zalecanym zakresie powierzchni otworów (0,18÷0,40F)

- straty ciśnienia Δh

Dla 95 % równomierności rozdziału wody przyjęto ξ12.

4.4. Obliczanie drenażu powietrznego.

Przyjęto intensywność płukania powietrzem Q_p=72m³/m²⋅h

-natężenie przepływu powietrza przez jeden filtr :

Q_p ⋅ F₁ = 72 ⋅ 7,07 =5 09,04 m³/h = 0,141 m³/s

Dla temperatury powietrza 288K i nadciśnieniu powietrza 5 mH₂O,przyjeto rurociąg główny o d=150 mm, w którym jednostkowe straty ciśnienia wynoszą 0,3 mm/m.

Przyjęto 20 sztuk lateral bocznych o rozstawie 0,15m.

- długości laterali najdłuższej i najkrótszej sa takie same, jak w drenażu wodnym.

- natężenie przepływu powietrza w laterali najdłuższej :

q _1pow =
m³/s

Przyjęto boczną lateralę o średnicy 25mm.

W temperaturze 288 K i przy nadciśnieniu powietrza 5 mH₂O straty jednostkowe wynoszą 2,2mm/m.

- natężenie przepływu w laterali najkrótszej :

q _2pow= =
m³/s

Przyjęto lateralę najkrótszą o średnicy 25mm.

4.5.Obliczanie liczby otworków w drenażu powietrznym.

Przyjęto otworki o średnicy 2mm.

- powierzchnia 1 otworka :

f₀ = 3,14 ⋅10^-6m

Przyjęto sumaryczną powierzchnię otworków 0,02% powierzchni filtra, co stanowi :

f = 1,41 ⋅ 10^-3m²

- liczba otworków :

n =

- powierzchnia przypadająca na 1 otworek :

f_1o=
m²

- rozstaw otworków :

l_o =

5. Odstojniki i laguny.

O ilości osadów decyduje masa usuniętego z wody wodorotlenku żelaza(III)oraz manganu(IV). Stężenie związków pozostałych w wodzie czystej wynosi 0,5 gFe/m³ , a manganu 0,1 gMn/m³.

- dobowa ilość suchej masy osadów powstałych z wodorotlenków :

G_X =

G_X- dobowa ilość osadów wytrąconych;

- gęstość wytrąconych wodorotlenków żelaza lub manganu;

- gęstość wody;

C_X⁰- początkowe stężenie żelaza lub manganu;

C_X^K- końcowe stężenie żelaza lub manganu;

- dobowa ilość suchej masy osadu powstałego z Fe(OH)₃ :

G_Fe= 3,5(3,0 -0,5) ⋅ 15000 = 131250 g/d = 131,25 kg/d

-dobowa ilość suchej masy osadu powstałego z MnO(OH)₂:

G_Mn= 4,5(0,33 -0,1) ⋅ 15000 = 15525 g/d = 15,52 kg/d

Po założeniu, że w komorze reakcyjnej zatrzyma się 75% związków żelaza, ilość suchej masy osadu wynosi :

G_{Fe os}= 131,25 ⋅ 0,75 = 98,44 kg/d

Po przyjęciu, że osady w komorze mają uwodnienie 99,6%, objętość uwodnionych osadów wynosi :

V_os=
m³

Przyjęto 17 filtrów płukanych wodą i powietrzem. Intensywność płukania

przyjęto 12,5 m³/m²⋅h, a czas płukania -6min.

- objętość popłuczyn :

V_pł= 12,5 ⋅ 17 ⋅ 7,07 ⋅ 0,1 = 150,24 m³

- objętość odstojnika :

V = 150,24 + 24,61 = 174,85

Przyjęto V = 170 m³

Przyjęto dwa odstojniki o wymiarach : głębokość- 2m, szerokość- 5 m, długość-17m.

- sucha masa osadu z filtra :

G_{Fe f} = G_Fe - G_{Fe os}

G_{Fe f} = 131,25 -98,44 = 32,81 kg/d

- uwodnienie popłuczyn :

100-0,032= 99,97%

- ilość osadu po zagęszczeniu

V₁ = 150,24 ⋅
m³/d

- ilość osadu zagęszczonego do 96% :

V₂ = 24,61 ⋅
m³/d

- ilość osadu odprowadzonego na laguny :

1,13 + 2,46 = 3,59 m³/d

- roczna ilość osadu o uwodnieniu 96%:

V_96% = 3,59 ⋅ 365=1310,4 m³/rok

W pierwszym roku odprowadzenie wody drenażem oraz odparowanie wody pozwoli na obniżenie uwodnienia do 80%:

V_80% =

V_80%= 0,2 ⋅ 1310,4 = 262,08 m³

Jest to objętość miarodajna do obliczania pojemności czynnej lagun.

W obliczeniach całkowitej ilości osadów przeznaczonych do usunięcia z laguny w końcu 3-letniego cyklu eksploatacji założono, że parowanie z warstwy osadu w lagunach wynosi 30% z wolnej powierzchni wody . Przyjęto, że roczna ilość wody odprowadzanej z powierzchni wody wynosi 860mm, a wiec ilość wody wyparowanej z warstwy osadu wyniesie 0,3*860mm.

- obliczeniowa powierzchnia laguny przy założonej głębokości 2,0m wynosi :

m²

- głębokość warstwy osadu przy końcu drugiego roku eksploatacji wynosi :

2-

- objętość osadów:

V_k= 131,04 ⋅ 1,74 = 228 m³

- uwodnienie końcowe osadu :

u_k = 100-

Roczna ilość suchej masy osadu o uwodnieniu 80% i gęstości 1050 kg/m³ :

G_sm= 0,2 ⋅V_80% ⋅

G_sm= 0,2 ⋅ 262,08 ⋅1050 = 55037 kg

u_k = 100-

Przyjęto dwie laguny o objętości 262,08 m³ każda. Pracują w cyklu trzyletnim, tj. w pierwszym roku następuje gromadzenie osadu , w drugim -suszenie, w trzecim - usuwanie osadów i przygotowanie do ponownego wypełnienia.

Wymiary lagun : długość-13m, szerokość-5m, głębokość-2m.

5. Dobór rurociągów.

1)Dopływ wody do ZOW.

Wydajność ZOW : Q_d=15000m³/d

Q = 0,174m³/s

• Prędkość przyjęta V=1,2m/s

d=
=
= 0,43m

• Przyjęto DN 450

• Prędkość rzeczywista V_rz= 1,1m/s

2)Dopływ wody surowej na filtry(wg schematu).

Rurociąg nr 1

Q₁=
m³/s

Dla V=1,0m/s

d=
=
=0,33m

Przyjęto DN 350

Prędkość rzeczywista V_rz=0,9m/s

Rurociąg nr 2

Q₂=
*Q₁=0,077 m³/s

Dla V=1,1m/s

d=
=
=0,298m

Przyjęto DN 300

Prędkość rzeczywista V_rz=1,09 m/s

Rurociąg nr 3

Q₃=
*Q₁=0,068 m³/s

Dla V=1,0m/s

d=
=
=0,294m

Przyjęto DN 300

Prędkość rzeczywista V_rz=0,96m/s

Rurociąg nr 4

Q₄=
*Q₁=0,058 m³/s

Dla V=1,0m/s

d=
=
=0,272m

Przyjęto DN 300

Prędkość rzeczywista V_rz=0,82m/s

Rurociąg nr 5

Q₅=
*Q₁=0,048 m³/s

Dla V=1,0m/s

d=
=
=0,247m

Przyjęto DN 250

Prędkość rzeczywista V_rz=0,98m/s

Rurociąg nr 6

Q₆=
*Q₁=0,039 m³/s

Dla V=0,9m/s

d=
=
=0,235m

Przyjęto DN 250

Prędkość rzeczywista V_rz=0,79 m/s

Rurociąg nr 7

Q₇=
*Q₁=0,029 m³/s

Dla V=0,9m/s

d=
=
=0,202m

Przyjęto DN 200

Prędkość rzeczywista V_rz=0,92 m/s

Rurociąg nr 8

Q₆=
*Q₁=0,019 m³/s

Dla V=0,9m/s

d=
=
=0,148m

Przyjęto DN 150

Prędkość rzeczywista V_rz=1,08 m/s

Rurociąg nr 9

Q₇=
*Q₁=0,0097 m³/s

Dla V=0,9m/s

d=
=
=0,117m

Przyjęto DN 150

Prędkość rzeczywista V_rz=0,55 m/s

Rurociąg nr 10

Q₇=
*Q₁=0,0097 m³/s

Dla V=0,9m/s

d=
=
=0,117m

Przyjęto DN 150

Prędkość rzeczywista V_rz=0,55 m/s

3)Rurociąg doprowadzający powietrze do filtrów podczas płukania.

Q=0,141m³/s

Dla V=10m/s

d=
=
=0,134m

Przyjęto DN 150

Prędkość rzeczywista V_rz=7,9m/s

4)Rurociąg odprowadzający popłuczyny.

Q=0,0888m³/s

Dla V=2,0m/s

d=
=
=0,238m

Przyjęto DN 250

Prędkość rzeczywista V_rz=1,81m/s

5)Rurociąg odprowadzający filtrat.

Przyjęto średnice rurociągu takie same jak przy wodzie surowej doprowadzanej na filtry.

6)Rurociąg doprowadzający wodę do płukania.

Q=0,0888m³/s

Dla V=2,0m/s

d=
=
=0,238m

Przyjęto DN 250

Prędkość rzeczywista V_rz=1,81m/s

OPIS TECHNICZNY

Celem projektu było zaprojektowanie Zakładu Oczyszczania Wody dla wody podziemnej o Q=15 000m³/d . Przeznaczenie wody -zaopatrzenie miasta.

Zaprojektowano układ technologiczny:

• napowietrzanie otwarte-dysze amsterdamskie

• filtracja na filtrach ciśnieniowych pionowych ze złożem piaskowym

• dezynfekcja chlorem

W celu usunięcia dwutlenku węgla agresywnego w ilości 98 gCO₂/m³ zastosowano napowietrzanie otwarte. Biorąc pod uwagę zas.M=3,5 val/m³ proces ten przeprowadza się za pomocą dysz amsterdamskich. Następnie woda spływa do zbiornika gdzie jest przetrzymywana 30 minut.

Woda po napowietrzaniu kierowana jest na halę filtrów. Proces filtracji przeprowadzany będzie na filtrach ciśnieniowych jednowarstwowych. Zaprojektowano 17 filtrów z drenażem wysokooporowym. Filtry jednowarstwowe składają się ze złoża piaskowego o wysokości 1,2m. Wysokość warstwy podtrzymującej: 0,4m. Złoże płukane jest wodą i powietrzem. Popłuczyny i pierwszy filtrat odprowadzane są na odstojniki. Po zagęszczeniu osady z odstojników będą kierowane na laguny. Na dnie lagun ułożony jest drenaż filtrujący wodę osadową, która to jest następnie kierowana do kanalizacji i zawracana na początek zakładu.

Na terenie zakładu znajdują się dwie pompownie: pompownia 1 tłoczy wodę z ujęcia i kieruje ją do budynku napowietrzania, natomiast pompownia 2 kieruje wodę o odpowiednim ciśnieniu na filtry ciśnieniowe. Dezynfekcję wody przeprowadza się za pomocą wody chlorowej w rurociągu, po filtracji po czym kierowana jest ona do miasta.

Do przygotowania wody chlorowej stosujemy chloratory. Zastosowano chlorownice typu C-32, wydatek min.=500gCl₂/h, a max.=6000gCl₂/h. Przyjęto 3 chlorownice (2 pracujące i jedna w rezerwie). Na każdą potrzeba 2m² powierzchni, czyli pod chlorownice potrzeba 6m².

• Powierzchnia chloratorów - 6m².

• Przedsionek - 4m²

• Pomieszczenie unieszkodliwiania chloru - 10m²

• Podręczny magazyn - 10m²

Cała powierzchnia chlorowni wynosi 30²

15

---