Politechnika Rzeszowska

im. Ignacego Łukasiewicza

Wydział Budownictwa i Inżynierii Środowiska

Zakład Budownictwa Ogólnego

„Projekt technologiczny stacji uzdatniania wody”.

Prowadzący: Wykonał:

dr hab. inż. Alicja Puszkarewicz Łukasz Margol

gr. C-3, II SD

ROK AKADEMICKI: 2006/2007

Opis techniczny

Stacja uzdatniania wody wgłębnej została zaprojektowana na zlecenie Zakładu Oczyszczania i Ochrony Wód Politechniki Rzeszowskiej.

Schemat technologiczne SUW został sporządzony na podstawie właściwości fizyko-chemicznych wody surowej, która charakteryzuje się następującymi parametrami:

• Zasadowość Z_M – 3,0 [mval/dm³]

• Odczyn pH = 6,8

• Zawartość żelaza Fe²⁺ = 1,5 [mg/dm³]

• Ekspansja złoża – e = 45%

Wydajność projektowanej stacji wynosi 3900 [m³/d]

Stacja ta jest oparta na klasycznym układzie uzdatniania wody wgłębnej i składa się z:

• ujęcie wody,

• złoże ociekowe z naturalnym ciągiem powietrza,

• filtr z drenażem niskooporowym, którego wypełnieniem jest piasek kwarcowy

• zbiornik popłuczyn,

• zbiornik wody czystej.

Wymiary oczek sita	0,32	0,4	0,55	0,65	0,75	0,82	0,9	1,0	1,1	1,2	1,4
Pozostałość na sicie [%]	4	9	15	17	22	16	10	3	2	2	0

1. Odkwaszanie wody ( usuwanie agresywnego CO₂ ):

   1. Odkwaszanie fizyczne :

Parametry wody wgłębnej:

Z_M = 3,0 [mval/dm³]

M_CaCO3 = 40 + 12 + (3*16) = 100 [g]

gR = 100/2 = 5 0

Z_M = 3,0*50=150 [mg/dm³]

pH = 6,8

CO_{2 W} = 45 [g/m³]

CO_{2 P} = 7,5 [g/m³]

CO_{2 agr} = 45 – 7,5 = 37,5 [g/m³]

Z parametrów wody wgłębnej wynika iż woda ma odczyn kwaśny i nie nadaje się do spożycia. Proces odkwaszanie przeprowadzimy na złożu ociekowym z naturalnym ciągiem powietrza.

Obliczenie powierzchni złoża:

F = Q/Q_h

Q – wydajność stacji – 3900 [m³/d] = 162,5 [m³/h]

Q_h – obciążenie hydrauliczne złoża (5 ÷ 15 [m³/ m² h])

Przyjęto obciążenie hydrauliczne równe Q_h = 10 [m³/ m² h]

Stacja pracuje 16 [h/d]

F = = $\frac{3900}{16*10}$ = 24,37 [m²]

Wysokość kształtek Raschiga przyjęto 1,75 ,czyli F_rz = 1.75*14 = 24,5 [m²]

Q_rz = $\frac{3900}{16*24,5}$ = 9,95 [m³/ m² h]

Po złożu ociekowym pozostaje około 6 mg wolnego dwutlenku węgla.

Określenie zasadowości:

Zasadowość = Zm _* gR

gR = M/W

M – masa cząsteczkowa Zasadowość = Zm _* gR – 100 [mg/mol]

W – wartościowość CaCO₃ – 2

gR = 100/2 = 50

Zasadowość = 3,0 _* 50 = 150 [mval CaCO₃/dm³]

Parametry wody po złożu ociekowym odczytane z wykresu równowagi węglanowo – wapniowej:

CO_{2 w} = 6 [mg CO₂/dm³]

CO_{2 p} = 6 [mg CO₂/dm³]

CO_{2 agr} = 6 – 6 = 0 [mg CO₂/dm³]

pH = 7,68

Dwutlenek węgla agresywny został całkowicie usunięty.

1. Odkwaszanie chemiczne :

Ca(OH)₂ + 2CO₂ → Ca(HCO₃)₂

74 ─ 90

x ─ 37,5

x = $\ \frac{74*37,5}{90}$

x = 30,83 $\frac{\lbrack\ mg}{\text{dm}^{3}\rbrack}$

$x = \ \frac{30,83}{37} = 0,833$ [$\ \frac{\text{mval}}{\text{dm}^{3}\rbrack}$

Zasadowość: 0,833 + 3,0 = 3,833 [$\ \frac{\text{mval}}{\text{dm}^{3}\rbrack}$

Zasadowość: 3,833 * 50 = 191,65 [$\frac{\text{mg}}{\text{dm}^{3}\rbrack}$

pH = 7,8

Dwutlenek węgla agresywny został całkowicie usunięty.

1. Charakterystyka złoża filtracyjnego:

Zastosowane złoże filtracyjne przeznaczone jest do usunięcia żelaza zawartego w wodzie. Złoże jest ceramiczne bierne.

Na zastosowanym złożu filtracyjnym możemy wyróżnić zachodzące procesy jednostkowe: dyfuzje, sedymentacje związków mniejszych, cedzenie zawiesin większych, działanie sił ścinających.

Na podstawie charakterystyki przesiewu sporządzono wykres krzywej. Przy pomocy tej krzywej mogliśmy odczytać średnice: maksymalne (d_max), minimalne (d_min), średnica efektywna (d_e), średnicę zastępczą ziaren, poniżej której zawarte jest w złożu 10% ziaren (d₁₀), średnicę zastępczą ziaren, poniżej której zawarte jest w złożu 60% ziaren (d₆₀), z których możemy określić wskaźniki różnoziarnistości (WR).

d_min = 0,32 [mm]

d_max = 1,2 [mm]

di [cm]	0.036	0.047	0.06	0.07	0.078	0.086	0.05	0.1	0.11	0.13
Xi	0.04	0.09	0.15	0.17	0.22	0.16	0.1	0.03	0.02	0.02
$$\frac{x_{i}}{d_{i}}$$ [cm^-1]	1.111	1.915	2.5	2.428	2.82	1.86	2	0.3	0.18	0.154

d₁₀ = 0,37 [mm]

d₆₀ = 0,72 [mm]

$WR = \ \frac{d_{60}}{d_{10}}$

WR = 1,946 ⇒ ρ_p = 1,6 [g/cm³]

Przy pomocy obliczeniowego wskaźnika różnoziarnistości mogliśmy określić gęstość pozorną, a następnie mając daną gęstość piasku mogliśmy obliczyć porowatość złoża (m_o):

$m_{o} = \frac{\rho - \rho_{p}}{\rho}$

ρ – gęstość właściwa piasku = 2,7 [g/cm³]

ρ_p – gęstość pozorna

m_o = 0,41

d_e – średnica efektywna [cm]

$\Sigma\frac{x_{i}}{d_{i}}\ $= $\frac{1}{d_{e}}$

d_e = 0.0646

k_f – współczynnik filtracji

$k_{f} = 5.343\frac{{d_{e}}^{2}m_{o}}{\alpha^{2}{(1 - m_{o})}^{2}\nu}\ \lbrack\frac{\text{cm}}{s}\rbrack$

ν - współczynnik lepkości kinematycznej = 1,31 _* 10^-2 [cm²/s]

α – kształt ziaren = 1,15

k_f = 0.6215 [cm/s] = 22.374 [m/h]

1. Dobór zbiorników filtracyjnych:

F - orientacyjna powierzchnia filtracji :

$$F = \frac{Q_{d}}{v_{\text{opt}}\left( T - nt_{1} \right) - nt_{2}q}\ \lbrack m^{2}\rbrack$$

v_opt - optymalna prędkość (7 ÷ 12 [m/h]) = 10 [m/h]

T - czas pracy stacji = 16 [h/d]

n - częstotliwość wypłukiwania filtrów = 1/2 [d^-1]

t₁ - czas wyłączenia filtrów z eksploatacji (20 ÷ 40 [min.]) = 30 [min.]

t₂ - czas wypłukiwania wstecznego filtru (5 ÷ 10 [min.]) = 10 [min.]

q - intensywność płukania filtrów

$q = 265\left( \frac{\rho - \rho_{w}}{\rho_{w}} \right)^{0,77}\frac{{d_{e}}^{1,31}}{\alpha^{1,31}\nu^{0,54}}f\left( e,m_{o} \right)\lbrack\frac{m^{3}}{m^{2}h\rbrack}$

ν - współczynnik lepkości kinematycznej = 1,31 _* 10^-2 [cm²/s]

$f\left( e,m_{o} \right) = \frac{{(e + m_{o})}^{2,31}}{\left( 1 - m_{o} \right)^{0,54}{(1 + e)}^{1,77}}$

f(e, m_o) = 0,49

q = 46,7 [m³/m²h]

F = 25,39 [m²]

Dobieram 4 filtry pośpieszne zamknięte pionowe, typ III:

Nr. 29

Powierzchnia: 6,92 [m²]

D_z = 3032 [mm]

h = 2250 [mm]

F_rz – rzeczywista całkowita powierzchnia filtrów

F_rz = 4*6,92 = 27,68 [m²]

H_zb. – wysokość zbiornika

H_zb. = H + H_p + e*H

H – wysokość warstwy filtracyjna (0,8 ÷ 1,2 [m]) = 0,9

H_p – warstwa podtrzymująca (0,2 ÷ 0,5 [m]) = 0,3

e – ekspansja złoża = 0,45

H_zb. = 1,605 [m]

v_rz - prędkość rzeczywista filtracji

$v_{\text{rz}} = \frac{\frac{Q_{d}}{F_{\text{rz}}} + nt_{2}q}{T - nt_{1}}$

v_rz = 9,2 [m/h]

v_p – prędkość filtracji w czasie przeciążenia

$v_{p} = \frac{N}{N - N_{1}}v_{\text{rz}}\ \leq 16\ \lbrack\frac{m}{h\rbrack}$

N – liczba filtrów = 4

N₁ – liczba filtrów wyłączona na czas exploatacji = 1

v_p = 12,26 [m/h]

v_p ≤ 16 [m/h] warunek został spełniony.

1. Wymiarowanie drenażu:

Q_pł – natężenie przepływu

Q_pł = q * F₁

q - intensywność płukania filtru

F₁ – powierzchnia jednego filtra

Q_pł = 323,164 [m³/h] = 89,77 [l/s]

Z monogramu odczytuję prędkość rzeczywistą oraz główną średnice drenażu, przy dopuszczalnej prędkości v_d (1,5 ÷ 2,0 [m/s]) = 2,0 [m/s]

v_rz= 1,9 [m/s]

d = 250 [mm]

n – liczba laterali (liczba nieparzysta)

$n = \frac{D}{b}$

D – średnica drenażu = 3,032 [m]

b – odległość między otworami (0,15 ÷ 0,3 [m]) = 0,2 [m]

n = 15,16 ~ 15

stąd obliczam b_rz:

$b_{\text{rz}} = \frac{D}{n}\ \lbrack m\rbrack$

b_rz = 0,202 [m]

Obliczenie długości laterali najdłuższej:

$l_{\max} = \frac{D - d}{2} - x\ \lbrack m\rbrack$

x - odległości laterali od ściany filtra = 0,04 [m]

l_max = 1,351 [m]

Obliczenie powierzchni filtra przypadającą na najdłuższą laterale:

f_lmax = l_max* b [m²]

f_lmax = 0,27 [m²]

Obliczenie natężenia przepływu w najdłuższej laterali :

$q_{\text{lmax}} = \frac{Q_{pl}}{F_{1}}f_{\text{lmax}}\ \lbrack\frac{l}{s}\rbrack$

q_lmax = 3,5 [l/s]

Z monogramu odczytuję prędkość najdłuższej laterali oraz średnice najkrótszej laterali drenażu, przy dopuszczalnej prędkości v_d (1,0 ÷ 1,5 [m/s]) = 1,0 [m/s]:

d^’ = 65 [mm]

d` > 25 [mm] warunek został spełniony.

v_lmax = 1 [m/s]

Obliczenie długości najkrótszej laterali:

$l_{\min} = \frac{c - d}{2} - x\ \lbrack m\rbrack$

$c = 2\sqrt{2xD - 4x^{2}\ }\ \lbrack m\rbrack$

c = 0,97 [m]

l_min = 0,32 [m]

Obliczenie powierzchni filtra przypadającą na najkrótszą laterale:

$f_{\text{lmin}} = \frac{2}{3}bl_{\min}\ \lbrack m^{2}\rbrack$

f_lmin = 0,043 [m²]

Obliczenie natężenia przepływu w najkrótszej laterali :

$q_{\text{lmax}} = \frac{Q_{pl}}{F_{1}}f_{\text{lmin}}\ \lbrack\frac{l}{s}\rbrack$

q_lmin = 0,56 [l/s]

Dla d^’ i v_d = 0,2 [m/s] odczytujemy z monogramu prędkość v_lmin :

v_lmin=0,15 [l/s]

Obliczenie powierzchni jednego otworu :

$f_{o} = \frac{\pi d_{1}^{2}}{2}\ \lbrack m^{2}\rbrack$

d₁ – średnica jednego otworu (5 ÷ 12 [mm]) = 8 [mm]

f_o = 5,024*10^-5 [m²]

Obliczanie powierzchni filtra przypadającego na jeden otwór:

f ^’= b_rz* b^’ [m²]

b` - odległość między lateralami (7 ÷ 20 [cm]) = 10 [cm]

f `= 0,02 [m²]

Obliczanie liczby otworów:

$N = \ \frac{F_{1}}{f\ }$

N = 346

Obliczanie powierzchni otworów :

f = N * f_o [m²]

f = 17,38*10^-3 [m²]

Sprawdzenie stosunku powierzchni otworów do powierzchni filtra :

$\frac{f}{F_{1}}100\ \% = 0,25\ \%$

(0,18 ÷ 0,4 %) warunek został spełniony.

1. Hydraulika filtracji:

Hydraulika płukania:

1. Straty ciśnienia na drenażu:

$h_{d} = 0,5\zeta\frac{v_{\text{rz}}^{2}}{2g} + 2\zeta\frac{v_{\text{lmax}}^{2}}{2g} - \zeta\frac{v_{\text{lmin}}^{2}}{2g}\ \lbrack m_{H_{2}O}\rbrack$

v_rz = 9,2 [m/h] = 0,002555[m/s]

ζ = 12

Δh_d = 1,209 [m_H2O]

1. Straty ciśnienia w warstwie podtrzymującej:

h_p = 0, 08*H_p * q [m_H2O]

Δh_p = 1,121 [m_H2O]

1. Straty ciśnienia w warstwie płukania:

$h_{pl} = \left( \frac{\rho_{p}}{\rho_{w}} - 1 \right)\left( 100 - \ m_{o} \right)H*10^{- 2}\ \lbrack m_{H_{2}O}\rbrack$

ρ_p – gęstość właściwa piasku = 2,7 [g/cm³]

ρ_w – gęstość wody = 1 [g/cm³]

Δh_pł = 2,717 [m_H2O]

Obliczanie sumy strat (Δh_gł.):

Δh_gł. = a) + b) + c)

Δh_gł. = 5,047 [m_H2O]

Δh_gł. ≤ 6 [m_H2O] warunek został spełniony.

Obliczanie strat ciśnienia we właściwej warstwie filtracyjnej w trakcie filtracji na czystym złożu:

$h_{f} = H*0,178\frac{v_{p}^{2}*\frac{\alpha}{\beta}}{g*m_{o}^{4}}\Sigma\frac{\lambda_{i}x_{i}}{d_{i}}\ \lbrack m_{H_{2}O}\rbrack$

H – wysokość warstwy filtracyjnej

$\frac{\alpha}{\beta}$ - stała dla piasku = 6,1

v_p – prędkość w warunkach przeciążenia = 12,26 [m/h] = 0,0034055 [m/s]

λ_i – newtonowski współczynnik oporu

$\lambda_{i} = \frac{24}{\text{Re}} + \frac{3}{\sqrt{\text{Re}}} + 0,34$

$Re = \frac{v_{p*d_{i}}}{\upsilon}$

υ – kinematyczny współczynnik lepkości = 1,31*10^-6 [m²/s]

di [m]	xi [-]	xi/di [1/m]	Re	λi	λi * xi/di
3,6 * 10^-4	0,04	111,1	0,93	29,26	3250,8
4,7 * 10^-4	0,09	191,5	1,22	22,73	4352,8
6 * 10^-4	0,15	250	1,56	18,13	4532,5
7 * 10^-4	0,17	242,8	1,82	15,75	3824,1
7,8 * 10^-4	0,22	282	2,03	14,27	4024,1
8,6 * 10^-4	0,16	186	2,23	13,11	2438,5
5 * 10^-4	0,1	200	1,30	21,43	4286
1* 10^-3	0,03	30	2,60	11,43	342,9
1,1 * 10^-3	0,02	18	2,86	10,5	189
1,3 * 10^-3	0,02	15,4	3,38	9,07	139,7
Σ	27380,4

Δh_f = 1,996 [m_H2O] ~ 2 [m_H2O]

Obliczanie objętości wody czystej:

V_w.cz. = V_pł + V_nR [m³]

V_pł – zapotrzebowanie na wodę płuczącą

V_pł = F_c * q * t_pł [m³]

F_c = F_rz = 27,68 [m²]

q = 46,7 [m³/m²h]

t_pł = t₂ = 10 [min.]

V_pł = 219,75 [m³]

V_nR – nierównomierność rozwoju wody

V_nR = Q_max(d)*(15 ÷ 18 [%])

$Nd = \frac{Q_{max(d)}}{Q_{sred\ (d)}}$

Nd = (1,3 ÷ 1,5 [%])

przyjmuję: Nd = 1,4

Q_{max (d)} = Q_{śred (d)} * Nd [m³/d]

Q_{max (d)} = 5460 [m³/d]

V_nR = Q_{max (d)} * 16% [m³]

V_nR = 873,6 [m³]

V_w.cz. = 1093,35 [m³]