Politechnika Wrocławska Wrocław, 20.01.2012
Wydział Inżynierii Środowiska
Ochrona Środowiska
Systemy oczyszczania wody
Projekt Zakładu Oczyszczania Wody
Prowadzący: Projekt wykonała:
Dr inż. Agnieszka Urbanowska Sandra Rembisz
Nr albumu: 186581
Spis treści:
1.1. Orzeczenie o jakości wody surowej 6
2. Obliczenia technologiczne 8
2.1. Wyznaczanie wielkości dawek koagulantów 8
2.1.1. Orientacyjną dawkę koagulantu D do usunięcia mętności wyznaczono ze wzoru: 8
2.1.2. Orientacyjną dawkę koagulantu D do usunięcia barwy wyznaczono ze wzoru: 8
2.2. Wyznaczanie dawki wapna 8
2.2.1. Wyznaczenie dawki wapna przed koagulacją 8
2.2.2. Wyznaczenie dawki wapna do związania agresywnego CO2 po koagulacji 8
2.3. Wyznaczenie dawek substancji stosowanych do chlorowania 10
2.4. Zapas i wydatek dobowy reagentów 10
2.4.1. Maksymalne dobowe zużycie oraz zapas reagenta 10
2.4.2. Maksymalne dobowe zużycie oraz zapas wapna 11
2.4.3. Maksymalne dobowe zużycie oraz zapas chloru 12
2.5. Powierzchnia magazynów koagulantu i wapna 12
2.5.1. Powierzchnia magazynu dla koagulantu 12
2.5.2. Powierzchnia magazynu dla wapna 12
2.5.3. Powierzchnia magazynu dla chloru 13
3. Urządzenia do roztwarzania i rozdrabniania reagentów 13
3.3. Objętość zbiornika zarobowo- roztworowego 14
3.4. Zbiornik przygotowania mleka wapiennego 14
4. Urządzenia do uzdatniania wody 16
4.1. Komora szybkiego mieszania 16
4.1.1 Objętość komory mieszacza 16
4.1.2 Powierzchnia górnej cylindrycznej części mieszacza 16
4.1.3 Średnica cylindrycznej części mieszacza 17
4.1.4 Wysokość stożkowej części mieszacza 17
4.1.5 Objętość dolnej części stożkowej mieszacza 17
4.1.6 Wysokość cylindrycznej części mieszacza 17
4.1.7 Wymiary koryta zbiorczego 18
4.1.8 Otwory odpływowe z koryta zbiorczego 18
4.2. Mechaniczna komora wolnego mieszania 19
4.2.4. Wymiarowanie mieszadła 20
4.2.5. Średni gradient prędkości ruchu cieczy 21
4.2.6. Zapotrzebowanie mocy na wałach mieszadeł 21
4.2.7. Względna prędkość łopatek w wodzie 21
4.2.8. Powierzchnia łopatek 22
5. Urządzenia do sedymentacji 22
5.1. Osadnik o przepływie poziomym 22
5.1.1. Ilość zawiesin w wodzie po koagulacji dopływającej do osadnika: 22
5.1.2. Współczynnik sprawności osadnika 23
5.1.3 Powierzchnia osadnika 23
5.1.5. Powierzchnia rzeczywista osadnika 24
5.1.6. Krawędzie przelewowe 24
5.1.7. Całkowita długość osadnika 25
5.1.8. Objętość strefy osadów 25
5.1.10. Czas przetrzymania wody w osadniku 25
5.1.11. Ilość osadów przy ich dwukrotnym odprowadzeniu z osadnika: 26
5.1.12. Obliczenia dla leja osadowego: 26
5.2. Filtry pospieszne grawitacyjne 27
5.2.2. Prędkość filtracji przy jednym filtrze wyłączonym z eksploatacji: 28
5.2.3. Prędkość rzeczywista filtracji: 29
5.2.4. Odległość dna kanału od dna koryta 30
5.2.5. Powierzchnia szczelin w jednym grzybku wynosi: 30
5.2.6. Całkowita liczba grzybków w drenażu 1 filtru wynosi: 31
5.2.7. Całkowita powierzchnia szczelin wynosi: 31
5.2.8. Obliczenie strat ciśnienia w drenażu niskooporowym: 31
5.3.1. Charakterystyka granulometryczna piasku: 31
5.3.3. Znając czynnik prędkości obliczono prędkość opadania ziaren D5p: 32
5.3.5. Dla odczytanego czynnika średnicy wyliczono D95a: 33
6.1. Pojemność użytkowa zbiorników wody czystej: 34
6.2. Objętość jednego zbiornika 34
6.3. Powierzchnia jednego zbiornika wody czystej: 34
6.4. Średnica jednego zbiornika wody czystej: 34
6.5. Powierzchnia rzeczywista zbiornika wody czystej: 35
6.6. Objętość rzeczywista zbiornika wody czystej: 35
7. Gospodarka ściekowo- osadowa 35
7.1. Ilość popłuczyn powstających w czasie płukania filtrów. 35
7.2. Objętość osadnika na osad magazynowany 36
7.3. Ilość osadów przy ich 2-3-krotnym odprowadzaniu z osadników: 36
7.5. Ilość osadów powstałych po zagęszczeniu popłuczyn: 36
7.6. Ilość osadów z osadników po zagęszczeniu w odstojniku 37
8.1.1. Pole przekroju porzecznego rurociągu 37
8.1.3. Rzeczywista prędkość przepływu: 38
8.2. Dopływ wody do komory szybkiego mieszania 38
8.2.2. Rzeczywista prędkość przepływu: 38
8.3. Dopływ wody do komory wolnego mieszania 38
8.3.2. Rzeczywista prędkość przepływu w rurociągu 39
8.4. Dopływ wody do osadników 39
8.4.2. Rzeczywista prędkość przepływu 39
8.5. Odpływ wody z osadników: 39
8.5.2. Rzeczywista prędkość przepływu 40
8.6. Dopływ wody na halę filtrów 40
8.7. Odprowadzanie filtratu 42
8.8. Dopływ wody płuczącej do filtra 45
8.8.2. Rzeczywista prędkość przepływu w rurociągu 45
8.9. Odpływ popłuczyn w rurociągu 45
8.9.2. Rzeczywista prędkość przepływu w rurociągu 45
8.10. Woda czysta w sieci wodociągowej 45
8.10.2. Rzeczywista prędkość przepływu w rurociągu 45
Na podstawie Rozporządzenia Ministra Zdrowia z dnia 20 kwietnia 2010 r. stwierdzono, że badana woda charakteryzuje się odczynem obojętnym, o średniej twardości. Ujmowana woda to woda powierzchniowa mająca zwiększoną mętność, barwę i utlenialność. Pozostałe wskaźniki nie przekraczają dopuszczalnych norm. Badana woda charakteryzuje się małą zawartością jonów azotynowych, azotanowych oraz posiada śladowe ilości jonów amonowych. Woda nie nadaje się do spożycia przez ludzi i wymaga oczyszczenia.
Zaprojektowano Zakład Oczyszczania Wody o wydajności 31800 m3/d. Wodą zastosowaną w projekcie jest woda powierzchniowa, która dopływa do zbiornika wody surowej. Na kolejne urządzenia wodę pompuje pompownia pierwszego stopnia.
Układ technologiczny składa się z następujących procesów:
W projektowanym zakładzie oczyszczania wody powierzchniowej zastosowano koagulant, którym jest siarczan glinu. Wielkości dawek koagulantu określono w badaniach technologicznych. Dotychczas stosowane formuły empiryczne umożliwiają orientacyjne określenie dawki koagulantu do usuwania mętności i barwy.
Al2(SO3)4*18H2O CaO
Woda
surowa
Cl2
Pierwszym urządzeniem w układzie konstrukcyjnym jest komora szybkiego mieszania z ruchem wirowym wody, która ma na celu zapewnienie pełnego wymieszania chemikaliów z całą objętością wody. Jest to stożkowa komora szybkiego mieszania, która przedstawia się następująco:
Rys. 1. Stożkowa komora szybkiego mieszania
Drugim urządzeniem jest mechaniczna komora wolnego mieszania, w której miesza się wodę z koagulantami w celu wytworzenia dobrze sedymentujących kłaczków. W projekcie przyjęto dwie takie komory o objętości 222 m3 każda.
Kolejnymi urządzeniami są osadniki o przepływie poziomym. W projekcie przyjęto 5 osadników, które przedstawiają się następująco:
Rys. 2. Osadnik o przepływie poziomym
Następnie w układzie konstrukcyjnym znajdują się filtry pospieszne grawitacyjne, których podłoże składa się z piasku i węgla aktywnego. Filtry grawitacyjne charakteryzują się przepływem wody wyłącznie pod działaniem różnicy poziomów swobodnych zwierciadeł wody nad złożem filtru i w zbiorniku wody przefiltrowanej. W projekcie przyjęto 6 filtrów.
Ostatnim urządzeniem w układzie konstrukcyjnym jest zbiornik wody czystej, który ma na celu umożliwić dopasowanie dostaw wody do jej nierównomiernego w czasie zużycia.
gdzie:
M – mętność wody, g/m3.
gdzie:
B – barwa wody, gPt/m3.
Przyjęto dawkę koagulantu 32,83 g/m3 siarczanu glinu Al(SO4)318H2O.
gdzie:
zas M – naturalna zasadowość wody,
W – współczynnik jednostkowego zużycia zasadowości naturalnej wody,
dla siarczanu glinu W = 0,0090,
D – dawka koagulantu, g/m3,
0,7 – zapas zasadowości naturalnej wody.
Nie jest wymagana wstępna dawka wapna przed koagulacją.
Z równowagi węglanowo- wapniowej wyznaczono zawartość CO2:
wolny CO2 = 13,5 g/dm3
przynależny CO2 = 9,9 g/dm3
agresywny CO2 = 3,6 g/dm3
Proces koagulacji powoduje obniżenie zasadowości M i zwiększenie CO2.
- obniżenie zasadowości M
zasM = Dkoag. * 0, 45 gCaCO3/m3
zasM = 32, 83 * 0, 45 = 14, 77 gCaCO3/m3
- zwiększenie zawartości CO2
CO2 = Dkoag. * 0, 4 gCaCO2/m3
CO2 = 32, 83 * 0, 4 = 13, 13 gCaCO2/m3
- woda po koagulacji zawiera ilość wolnego CO2
$$\text{CO}_{2_{w}} = \text{CO}_{2_{w}}^{0} + \text{CO}_{2_{w}}\frac{g\text{CaCO}_{2}}{m^{3}}$$
$$\text{CO}_{2_{w}} = 13,5 + 13,13 = 26,63\ \frac{g\text{CaCO}_{2}}{m^{3}}$$
- zasadowość M wynosi
zasM = zasM0 − zasM gCaCO3/m3
zasM = 182 − 14, 77 = 167, 23 gCaCO3/m3
- z nonogramu równowagi węglanowo- wapniowej odczytano zawartość CO2 przynależnego dla nowej zasadowości M,
CO2p = 12 gCO2/m3
- ilość CO2 agresywnego obecnego w wodzie po koagulacji
CO2agr = CO2w – CO2p, gCO2/m3
CO2agr = 26,63 – 12 = 14,63 gCO2/m3
- obecna w wodzie ilość CO2agr zostanie z wody usunięta przez dodanie do wody wapna, który reaguje z CO2agr zgonie z równaniem:
2CO2 + CaO + H2O → Ca(HCO3)2
- wymaganą do związania CO2agr ilość wapna obliczono metodą kolejnych przybliżeń:
przybliżenie I
założono związanie 80% CO2agr
- po dodaniu wyznaczonej ilości wapna następuje wzrost zasM
$$zasM = \frac{x}{28}*50,\ g\text{CaCO}_{3}/m^{3}$$
$$zasM = \frac{7,45}{28}*50 = 13,3\ g\text{CaCO}_{3}/m^{3}$$
- nowa zasM
zasM′ = zasM + zasM
zasM′ = 167, 23 + 13, 3 = 180, 53
- z nonogramu równowagi węglanowo-wapniowej odczytano
Ilość wapna niezbędnego do związania dwutlenku węgla agresywnego obecnego w wodzie po koagulacji wynosi 7,5 gCaO/m3.
- dawka chloru
gdzie:
CL2poz – chlor pozostały w wodzie po czasie kontaktu 30 minut,
przyjęto Cl2poz = 0,2 gCl2/m3,
utl. – ultlenialność, gO2/m3.
Utlpo koag = 4,8, przyjęto wartość 40%.
Maksymalne dobowe zużycie koagulantu Mdmax obliczono:
gdzie:
Qdmax – maksymalna dobowa wydajność stacji uzdatniani wody, Qdmax = 31800 m3/d,
Dmax – maksymalna dawka koagulantu , Dmax = 32,83 g/m3,
f – współczynnik przeliczeniowy , dla koagulacji f = 1,2.
Wielkość zapasu Z obliczono ze wzoru:
gdzie:
Mdmax - maksymalne dobowe zużycie koagulantu, kg/d,
Tm – wymagany czas składowania, Tm = 30dni.
Maksymalne dobowe zużycie wapna Mdmax obliczono:
gdzie:
Qdmax – maksymalna dobowa wydajność stacji uzdatniani wody, Qdmax = 31800 m3/d,
Dmax – maksymalna dawka wapna , Dmax = 7,5 g/m3,
f – współczynnik przeliczeniowy , dla wapna f = 1,2.
Wielkość zapasu Z obliczono ze wzoru:
gdzie:
Mdmax - maksymalne dobowe zużycie wapna, kg/d,
Tm – wymagany czas składowania, Tm = 30dni.
Maksymalne dobowe zużycie chloru Mdmax obliczono:
gdzie:
Qdmax – maksymalna dobowa wydajność stacji uzdatniani wody, Qdmax = 31800 m3/d,
Dmax – maksymalna dawka chloru , Dmax = 2,85 g/m3,
f – współczynnik przeliczeniowy , dla chloru f = 1,0.
Wielkość zapasu Z obliczono ze wzoru:
gdzie:
Mdmax - maksymalne dobowe zużycie chloru, kg/d,
Tm – wymagany czas składowania, Tm = 30dni.
Powierzchnie magazynu obliczono:
gdzie:
F – powierzchnia magazynu, m2,
α - współczynnik zwiększający, przyjęto α=1,3,
Z – wymagany zapas koagulantu, Z = 37583,78 kg,
ρn – gęstość nasypowa koagulantu, przyjęto 1200 kg/m3,
hs – dopuszczalna wysokość składowania, przyjęto 2 m.
Powierzchnie magazynu obliczono:
gdzie:
F – powierzchnia magazynu, m2,
α - współczynnik zwiększający, przyjęto α=1,3,
Z – wymagany zapas wapna, Z = 8528,76 kg,
ρn – gęstość nasypowa wapna, przyjęto 1000 kg/m3,
hs – dopuszczalna wysokość składowania, przyjęto 1,5 m.
Liczbę butli obliczono:
$$n = \frac{z}{45},\ szt\ $$
gdzie:
Z- zapas chloru, kg
$$n = \frac{2722,76}{45} = 61\ szt.\ $$
Powierzchnię magazynowania obliczono następująco:
F = 1, 5 * n + 20%*(1,5*n), m2
gdzie:
n- liczba butli, szt.
F = 1, 5 * 61 + 0, 2 * (1,5*61) = 109, 8 m2
Zbiornik zarobowy Vzar obliczono ze wzoru:
gdzie:
Qg – godzinowe natężenia dopływu wody, Qg = 1325 m3/h,
D – dawka koagulantu, D = 32,83 g/m3,
b – stężenie roztworu, przyjęto b = 20%,
n – liczba zarobów w ciągu doby, przyjęto n = 2.
Przyjęto dwa zbiorniki, każdy o wysokości oraz średnicy .
Zbiornik roztworowy Vroz obliczono ze wzoru:
gdzie:
b – stężenie roztworu, przyjęto b = 5%,
n – liczba zarobów w ciągu doby, przyjęto n = 2.
Przyjęto dwa zbiorniki ,każdy o wysokości oraz średnicy .
Objętość zbiornika zarobowo- roztworowego obliczono ze wzoru:
Vzar − roz = Vzar − Vroz , m3
Vzar − roz = 2, 61 + 10, 44 = 13, 05 m3
Wapno jest dawkowane do wody w postaci mleka wapiennego, ponieważ D>250 kg 284,29>250
Zbiornik dla mleka wapiennego Vzar obliczono ze wzoru:
gdzie:
Qg – godzinowe natężenia dopływu wody, Qg = 1325 m3/h,
D – dawka koagulantu, D = 7,45 g/m3,
b – stężenie roztworu, przyjęto b = 5%,
n – liczba zarobów w ciągu doby, przyjęto n = 2
Przyjęto zbiornik o wysokości 1,5 m oraz średnicy 1,3 m.
Z tabeli 7.1 Główne wymiary zbiorników mleka wapiennego, przyjęto, że pojemność zbiornika górnego jest równa 0,190 m3, natomiast pojemność zbiornika dolnego wynosi 0,700 m3. Masa orientacyjna tego zbiornika jest równa 627 kg.
Wydatek chloru obliczono z następującego wzoru:
W = DCl2 • Q, gCl2/h
Gdzie:
DCl2 = 2,85 g Cl2/m3
Qg - wydajność, Qg = 1325 m3/h
W = 2, 85 * 1325 = 3782, 08 gCl2/h
Wydatek chloru wynosi 3782,08 gCl2/h. Na tej podstawie dobrano typ chlorownicy C-32
(C3) o wydatku minimalnym 500 gCl2/h i maksymalnym 6000 gCl2/h. Powierzchnia magazynu wynosi 109,8 m2. Przyjęto powierzchnie magazynu: 110 m3.
Przyjęto 3 chloratory, w tym jeden chlorator rezerwowy.
Chlorownia:
- powierzchnia chlorowni: 1,6x22=35,2 m2
- powierzchnia magazynu: 1,6x15= 30 m2
- powierzchnia dechloracji: 1,6x15= 30 m2
- przedsionek 1: 1,6x7=10m2
- przedsionek 2: 1,6x7=10m2
Rys. 3. Chlorownia
Jako komorę szybkiego mieszania zaprojektowano mieszacz pionowy z wirowym ruchem wody.
Objętość komory mieszacza V obliczono ze wzoru:
gdzie;
Q – natężenie przepływu wody, Q = 0,37 m3/s,
t – czas przetrzymania, założono t = 120s
Powierzchnia górnej cylindrycznej części mieszacza fg obliczono ze wzoru:
gdzie:
Q – natężenie przepływu wody, Q = 0,37 m3/s,
vg – prędkość przepływu wody w części cylindrycznej, założono vg = 0,025 m/s
Średnica cylindrycznej części mieszacza D obliczono ze wzoru:
gdzie:
fg – powierzchnia górnej części cylindrycznej mieszacza, m2.
Wysokość stożkowej części mieszacza h1 obliczono ze wzoru:
gdzie:
D - średnica cylindrycznej części mieszacza, m,
d – średnica rurociągu doprowadzająca wodę do mieszacza, założono d = 0,3m,
α - kąt rozwarcia dolnej części stożkowej mieszacza, α = 40°.
Objętość dolnej części stożkowej mieszacza V1 obliczono ze wzoru:
gdzie:
h1 - wysokość stożkowej części mieszacza, m,
D - średnica cylindrycznej części mieszacza, m,
d - średnica rurociągu doprowadzająca wodę do mieszacza, m.
Wysokość cylindrycznej części mieszacza h2 obliczono ze wzoru:
gdzie:
V - objętość komory mieszacza, m3,
V1- objętość dolnej części stożkowej mieszacza, m3,
fg – powierzchnia górnej części cylindrycznej mieszacza, m2.
Pole przekroju koryta zbiorczego fk obliczono ze wzoru:
gdzie:
Q – natężenie przepływu wody, Q = 0,37 m3/s,
v- prędkość przepływu wody w kanale zbiorczym, założono v = 0,6 m/s
Przyjęto przekrój koryta zbiorczego o wymiarach 0,7 × 0,9 m.
Powierzchnię otworów f0 obliczono ze wzoru:
gdzie:
Q – natężenie przepływu wody, m3/h,
v – prędkość przepływu wody przez otwory, przyjęto v = 1 m/s
Założono średnice otworu d = .
Liczbę otworów n obliczono ze wzoru:
gdzie:
f0 – łączna powierzchnia otworów, m2,
d – średnica otworu, m2.
Odległość miedzy otworami L obliczono ze wzoru:
gdzie:
r – promień cylindrycznej części mieszacza, m, przyjęto r =3m
n – liczba otworów na obwodzie komory.
Objętość komory V obliczono ze wzoru:
V = Q • t, m3
Q = 0,37 m3/s
t – czas flokulacji; t =1200 s
V = 0,37 · 1200 = 444 m3
Przyjęto dwie komory wolnego mieszania o objętości 222 m3 każda.
Powierzchnię komory F obliczono ze wzoru:
$$F = \frac{V}{H},\ {\text{\ \ }m}^{3}$$
Gdzie: H – głębokość komory, przyjęto H = 3 m
$F = \frac{444}{3} = 148$ m2
Przyjęto dwie komory o powierzchni 74 m2, o wymiarach 5 × 14,8 m. W każdej komorze flokulacji przyjęto dwa mieszadła o osi pionowej.
Średnicę komory obliczono z następującego wzoru:
D = $\sqrt{\frac{4\ *\ F}{\pi}}$ m
gdzie:
F- powierzchnia komory
D = $\sqrt{\frac{4\ *\ 148}{\pi} =}$ 13,73 m
- średnica mieszadła d:
$$\frac{d}{D} = 0,5 - 0,8$$
Przyjęto: 0,8
$\frac{d}{3} = 0,8$ d = 2,4 m
-szerokość łopatki mieszacza b:
$$\frac{b}{d} = 0,1 - 0,2$$
Przyjęto: 0,2
$\frac{b}{2,4} = 0,2$ b = 0,48 m
-wysokość zawieszenia mieszacza od dna łopatki h:
$$\frac{h}{d} = 0,1 - 0,3$$
Przyjęto: 0,2
$\frac{h}{2,4} = 0,2$ h = 0,48 m
$$D = \sqrt{\frac{4*F}{\pi} = \ }\sqrt{\frac{4*74}{\pi}} = 9,71\ m$$
Fl = 0, 1 * H * D = 0, 1 * 3 * 9, 71 = 2, 91 m2
$$h = \frac{F_{l}}{d*b} = \frac{2,91}{2,4*0,48} = 2,91\ m$$
Przyjęto 3 łopatki o szerokości 0,48 m.
- sumaryczna powierzchnia łopatek wynosi:
f0 = 30, 422, 4 = 3, 024 m2
Średni gradient prędkości ruchu cieczy obliczono w następujący sposób:
G=$\sqrt{\frac{N_{w} \bullet m}{\vartheta \bullet \rho \bullet V}}$ = 20-75 s-1
Gdzie:
Nw - zapotrzebowanie mocy na wale 1 mieszadła
m – liczba mieszadeł w komorze
ϑ – lepkość kinematyczna wody
ρ – gęstość wody
V – objętość cieczy
Przyjęto G-50 s-1.
Skorzystano z następującego wzoru:
$$N = \eta \bullet G^{2} \bullet V,\ \frac{\text{kg} \bullet m^{2}}{s^{3}}$$
Ŋ = 1,14·10-3 (dla wody o temperaturze 283 K)
N = 1,14·10-3 · 502 · 444 = 1265,4 kg·m2/s3
Założono prędkość obwodową łopatek mieszadła: vp=0,6 m/s.
Skorzystano z następującego wzoru:
V = (0,7-0,8) vp
przyjęto v = 0,75
v = 0,75·0,6 = 0,45
Dla stosunku $\frac{d}{2b} = 2,5$, przyjęto z tab. 8.2. ζ = 1,19
$$F = \frac{2N}{\text{ξρ}v^{3}},\ \ m^{2}$$
$F = \frac{2*1265,4}{1,19*1000*(0,45)^{3}} = 23,3\ m^{2}$
Rys.4. Komora wolnego mieszania z pionowym mieszadłem mechanicznym.
Parametry obliczeniowe:
Czas przetrzymania wody w osadniku; T = 2 ÷ 4 h.
Prędkość pozioma przepływu wody vp = 5 – 12 mm/s.
Obciążenie hydrauliczne powierzchni osadnika Oh = 1,44 – 2,88 m2/(m2∙h).
Głębokość osadnika przy ręcznym okresowym usuwaniu osadów wynosi od 3,0 do 3,5 m.
Głębokość osadnika przy mechanicznym zgarnianiu osadów około 2 – 3m.
Qg - wydajność, Qg = 31800 m3/d = 1325 m3/h
Co = Cz + KD + 0, 25B + N, g/m3
Gdzie:
Cz – stężenie zawiesin w wodzie surowej,
K – współczynnik dla siarczanu glinu zanieczyszczonego, K = 1,
D – dawka koagulantu, D= 32,83 g/m3.
B – Barwa wody, g Pt/m3,
N – ilość nierozpuszczonych związków w reagencie dodawanym do wody w przeliczeniu na g/m3,
N = 0
C0=10+1·32,83+0,25·22+0=48,33 g/m3
Z tab.8.4. dla Co = 48,33 g/m3, graniczna wartość prędkości opadania zawiesin vo wynosi: vo= 0,4 mm/s.
Współczynnik sprawności osadnika obliczono ze wzoru:
gdzie:
v0 – graniczna wartość prędkości opadania zawiesin, przyjęto v0 = 0,40 mm/s,
vk – prędkość przepływu wody w osadniku, vk = k⋅v0 = 10⋅0,40 = 4 mm/s.
Powierzchnię osadnika wyznaczono na podstawie wzoru:
gdzie:
Q - ilość oczyszczanej wody, m3/h,
v0 – graniczna wartość prędkości opadania zawiesin, przyjęto v0 = 0,40 mm/s,
α - współczynnik sprawności osadnika .
Przyjęto głębokość osadnika H=3m dla L/H=15, długość osadnika L=45 cm, a szerokość osadnika B=6m.
Liczbę osadników wyznaczono ze wzoru:
gdzie:
F – powierzchnia łączna osadników, m2,
L – długość osadnika, m,
B – szerokość osadnika, m.
Przyjęto 5 osadników.
Powierzchnię rzeczywistą osadnika obliczono wg wzoru:
Frz = B • L = 6 • 45 = 270 m2
Sprawdzenie warunków stabilności:
$$\frac{L}{H} = \frac{45}{3} = 15 > 10$$
$$\frac{L}{B} = \frac{45}{6} = 7,5 > 3$$
Wymiary osadnika zapewniają jego stabilność.
Wymaganą długość krawędzi przelewowych wyznaczono z wzoru:
gdzie:
Q – ilość oczyszczanej wody, m3/h,
Qh – obciążenie hydrauliczne przelewów, przyjęto Qh = 20 m3/m2⋅h,
n – liczba osadników.
Całkowitą długość osadnika wyznaczono na podstawie:
gdzie;
Lp – szerokość zajmowana przez przelewy, m,
L – rzeczywista długość osadnika, m.
Objętość osadnika obliczono ze wzoru:
$$V_{o} = \frac{Q(C_{o} - C)T_{e}}{\text{nδ}},\ \ m^{3}$$
Gdzie:
Vo – objętość strefy osadów,
Q – objętość dopływającej wody w jednostce czasu, Q=1325 m3⁄h
Te – czas między kolejnym usuwaniem osadu z osadnika (Te ≥ 8 h), Te = 10 h
Co, C – stężenie zawiesin w dopływie i odpływie z osadnika, Co = 48,33 g/m3 , C=15 g/m3
n – liczba osadników,
δ - stężenie osadów w strefie osadowej, które zależy od stężenia zawiesiny w dopływającej wodzie. Stężenie osadu δ w osadnikach bez zastosowania koagulacji przyjmuje się w granicach od 12 000 do 150 000 g.m3, δ = 30 000 g/m3
$$V_{\mathbf{0}}\mathbf{=}\frac{1325*\left( 48,33 - 15 \right)*10}{5*30000}\mathbf{=}2,94\ m^{3}$$
Objętość osadnika obliczono ze wzoru:
gdzie:
H – głębokość osadnika, m,
F – powierzchnia 1 osadnika, m2.
Czas przetrzymania wody w osadniku obliczono:
gdzie:
Q – ilość oczyszczanej wody, m3/h,
V - Objętość osadnika, m3.
Vos = n • Vo • 2, m3
Gdzie:
n - liczba osadników, n=5
Vo – objętość strefy osadów
Rys.5. Schemat osadnika o przepływie poziomym.
Dane:
α=45o
b – szerokość leja, stożkowa część, b= 1 m
B – szerokość leja, górna część, B= 6 m
Rys. 6. Lej osadowy
Przyjęto filtr pośpieszny grawitacyjny, o złożu dwuwarstwowym.
Parametry:
Q = 31800 m3/d = 1325 m3/h
d10 = 0,35 m = 0,35 * 10-3 mm
WR = 1,44
Wymaganą powierzchnię filtru obliczono ze wzoru:
gdzie:
Vf- założona prędkość filtracji, przyjęto Vf = 9,5 m/h
Ekonomiczna liczba filtrów
Ekonomiczna liczba filtrów wyznaczono:
gdzie:
F – wymagana powierzchnia filtrów, m3.
Powierzchnia jednego filtra
Powierzchnię jednego filtra obliczono następująco:
$$F_{I} = \frac{139,5}{6} = 23,25\ m^{2} = 23,3\ m^{2}$$
Przyjęto 6 filtrów ustawionych w dwóch szeregach po jednej stronie galerii .Wymiary jednego filtra 4,66 x 5 m . Rzeczywista powierzchnia 1 filtra 23,3 m.
Rzeczywista powierzchnia filtrów
Rzeczywistą powierzchnię filtrów wyznaczono:
Frz = 6 * 4, 66 * 5 = 139, 8 m2
Rys. 7. Układ filtrów pośpiesznych w hali filtrów.
Wyznaczono na podstawie wzoru:
$v = \frac{Q_{\text{dmx}}}{(n - 1) \bullet F}$ , m/h
Gdzie:
F1 – powierzchnia jednego filtra, F1 = 23, 3 m2
n – liczba filtrów, n=6
Q d max – maksymalna wymagana dobowa wydajność filtrów, Q=1325 m3⁄h
$$v_{\text{rz}} = \frac{Q_{\text{dm}\text{ax}}}{n \bullet F}$$
Przyjęto:
Przyjęto wysokość złoża filtracyjnego Hzł=1,0 m. Wysokość warstwy podtrzymującej 0,4 m. Odległość koryt popłuczyn od warstwy podtrzymującej, przy założonej 50% ekspansji złoża wyznacza się ze wzoru:
h = Hzl(1+eksp) + 0, 05
h = 1, 0(1+0,5) + 0, 05 = 1, 55 m
Rys. 8. Filtr
Dla danego uziarnienia złoża przyjęto z tab. 8.22. płukanie filtratu wodą
Dla złoża o parametrach d10=0,35 mm, WR=1,44 oraz temperatury wody 283 K intensywność płukania wodą wyznaczona z rys.8.61. wynosi:
Przyjęto jedno koryto popłuczyn, którego szerokość wynosi:
x – ½ szerokości koryta
Przyjęto kanał zbiorczy o szerokości 0,6 m.
Odległość dna kanału od koryta wyznaczono:
$L = 1,73\sqrt{\frac{q^{2}}{g \bullet B^{2}}} + 0,2\ ,\ \ m$
gdzie:
q – natężenie przepływu popłuczyn w kanale, m3/s
B – szerokość kanału, B=0,6 m
g – przyspieszenie ziemskie
Przyjęto L=0,3m
W filtrze zastosowano drenaż grzybkowy niskooporowy. Przyjęto liczę grzybków 81 szt/1 m2 płyty drenażowej, każdy z nich ma na obwodzie 24 prostokątne szczeliny o wymiarach 10 mm x 0,7 mm.
f1 = 24 • 0, 01 • 0, 0007 = 1, 68 • 10−4m2
szt
Ilość wody płuczącej:
Qpl = qpl • F1, m3/s
qpl = 4, 5 dm3/m2s
F1 = 23, 3 m2
Prędkość wypływu wody ze szczelin wynosi:
$$v = \frac{Q_{pl}}{f_{1}}\ ,\ \ \ \ \ \ m/s$$
Straty ciśnienia:
$$h = \frac{1}{\mu^{2}}\frac{v^{2}}{2g}\ ,\ \ \ \ \ \ m$$
Gdzie:
μ – współczynnik wydatku, dla szczelin wynosi 0,65
Wielkość strat ciśnienia wskazuje, że przyjęty drenaż grzybkowy jest niskooporowy.
D10 = 0, 35 m • 10−3 = 0, 35 mm
WR = 1,44
$$\text{WR} = \frac{D_{60\ }}{D_{10}}\text{\ \ } \rightarrow {\text{\ \ \ \ }D}_{60\ } = \ \text{WR} \bullet D_{10}\ $$
D60 = 1, 44 • 0, 35 • 10−3 = 0, 504 • 10−3m
Nanosząc na wykres wartości d10 i d60 można wyznaczyć charakterystykę granulometryczną piasku. Na podstawie sporządzonej charakterystyki można odczytać d5 piasku.
D5 p = 0, 33 • 10−3 m
Dane do obliczeń:
Gęstość warstwy piasku: ρp = 2,65 g/cm3
Gęstość warstwy węgla aktywnego: ρa = 1,4 g/cm3
kinematyczny współczynnik lepkości: ν = 1,31 ∙10-6 m/s
Współczynniki Ss:
$S_{s_{p}} = \frac{\rho_{p}}{\rho_{w}} = \frac{2,65}{1} = 2,65$
$S_{s_{a}} = \frac{\rho_{a}}{\rho_{w}} = \frac{1,4}{1} = 1,4$
Założenia:
Strefa mieszania obejmuje 5% materiałów filtracyjnych, WRpiasku = WRwęgla aktywnego.
$$\text{cz}_{sr} = \left( \frac{g \bullet \left( s_{s} - 1 \right)}{\nu^{2}} \right)^{\frac{1}{3}} \bullet d_{5p}$$
Gdzie:
Cz śr – czynniki średnicy
g – przyspieszenie ziemskie, g=9,81 m/s2
ν – kinematyczny współczynnik lepkości, ν=1,31∙10-6 m/s
$$\text{cz}_{sr} = \left( \frac{9,81 \bullet \left( 2,65 - 1 \right)}{{(1,31 \bullet 10^{- 6})}^{2}} \right)^{\frac{1}{3}} \bullet 0,33 \bullet 10^{- 3} = 6,97$$
Dla obliczonego czynnika średnicy z wykresy 8,60 odczytano czynnik prędkości:
czp = 2
$$V_{s{\ D}_{5}} = \text{cz}_{p} \bullet \left\lbrack g \bullet \left( s_{s} - 1 \right) \bullet \nu \right\rbrack^{\frac{1}{3}},\ \ m/s$$
$$V_{s{\ D}_{5}} = 2 \bullet \left\lbrack 9,81 \bullet \left( 2,65 - 1 \right) \bullet 1,31 \bullet 10^{- 6} \right\rbrack^{\frac{1}{3}} = 0,055\ \frac{m}{s} = V_{s{\ D}_{95a}}$$
Prędkość opadania ziaren D5p jest równa prędkości opadania ziaren D95w.a VSD95w.a = VSD5p
Czynnik prędkości dla węgla aktywnego obliczono:
$$\text{cz}_{p} = \frac{\nu_{\text{s\ D}_{95a}}}{\left\lbrack g \bullet \left( s_{\text{sa}} - 1 \right) \bullet \nu \right\rbrack^{\frac{1}{3}}}$$
Gdzie: SsaSsa = 1, 4
$$\text{cz}_{p}\text{cz}_{p} = \frac{0,055}{\left\lbrack 9,81 \bullet \left( 1,4 - 1 \right) \bullet 1,31 \bullet 10^{- 6} \right\rbrack^{\frac{1}{3}}} = 3,18$$
Dla obliczonego czynnika prędkości odczytano z wykresu czynnik średnicy D95a:
czsr = 8, 1
$$\text{cz}_{sr} = \left\lbrack \frac{g \bullet \left( s_{\text{sa}} - 1 \right)}{\nu^{2}} \right\rbrack^{\frac{1}{3}} \bullet D95a = 31 \rightarrow \text{\ \ }D95a = \frac{\text{cz}_{sr}}{\left\lbrack \frac{g \bullet \left( s_{\text{sa}} - 1 \right)}{\nu^{2}} \right\rbrack^{\frac{1}{3}}},\ \text{\ \ }m$$
$$D95a = \frac{8,1}{\left\lbrack \frac{9,81 \bullet \left( 1,4 - 1 \right)}{{(1,31 \bullet 10^{- 6})}^{2}} \right\rbrack^{\frac{1}{3}}} = 0,61 \bullet 10^{- 3}\ \text{\ \ }m$$
Obliczoną średnicę D95 naniesiono na wykres charakterystyki granulometrycznej i poprowadzono prostą równoległą do prostej sporządzonej dla piasku (WRp=WRa)
Z wykresu charakterystyki granulometrycznej antracytu odczytano:
D 10 węgla aktywnego = 0, 32 • 10−3m
D 60 węgla aktywnego = 0, 46 • 10−3m
Sprawdzenie obliczeń:
$$\frac{D_{60a}}{D_{10a}}\ \sim\ \text{WR}$$
$$\frac{0,46}{0,32}\ \sim\ 1,437$$
1, 437 ∼ 1, 44
Całkowita objętość zbiornika magazynującego czystą wodę założono, że zbiornik będzie gromadził 40% wydajności ZOW.
Pojemność użytkową zbiorników wody czystej wyznaczono:
Przyjęto 3 zbiorniki.
Objętość jednego zbiornika obliczono w następujący sposób:
$$V_{1} = \frac{\text{Vc}}{n}\ ,\ \ \ \ \ m^{3}$$
Powierzchnię jednego zbiornika wyznaczono z następującego wzoru:
$$F_{1} = \frac{V_{1}}{H},\ {\ m}^{2}$$
Przyjęto H = 7m
≈ 606 m2
Średnicę jednego zbiornika wyznaczono:
$$D_{\text{zb}\ \text{rz}} = \sqrt{\frac{4 \bullet F_{1}}{\pi}},\ \ \ \ m$$
$$D_{\text{zb}\ \text{rz}} = \sqrt{\frac{4 \bullet 606}{\pi}} = 27,77\ \approx 28\ \ m$$
Przyjęto Dzb rz = 28 m każdego zbiornika wody czystej.
Powierzchnię rzeczywistą zbiornika wody czystej obliczono:
$$F_{\text{rz}} = \frac{\pi \bullet D_{\text{zb}\ \text{rz}}^{2}}{4},\ \ m^{2}$$
Objętość rzeczywistą zbiornika wody czystej wyznaczono wg wzoru:
Vzb rz = F • H, m3
Vzb rz = 615, 75 • 7 = 4310, 25 m3
Rys.9. Zbiornik wody czystej.
Vpl = qpl * npl * ΣF * tpl
qpł – intensywność płukania 4,5 dm3/m2s = 0,0045 m3/m2s
npł- liczba płukań w dobie 1
ΣF- powierzchnia wszystkich filtrów 6*23,3 m2
tpł- czas płukania 900 s
Vpł = 0,0045 * 1 * 23,3*6 * 900 = 566,19 m3
Vo = $\frac{Q\ \left( C_{o} - \ C \right)*\ T_{e}}{n*\ C_{\text{os}}}$
Vo - objętość strefy osadów, m3
𝜚 –wydajność zakładu, Q = 31800 g/m3
Te – czas pomiędzy kolejnym usuwaniem osadu z osadnika, przyjęto 24 h
Co, C – stężenie zawiesin w dopływie i odpływie z osadnika, C = (10 – 20 g/m3) przyjeto 15 g/m3
n – liczba osadników, obliczono 5
Cos - stężenie osadów w strefie osadowej, przyjęto 30 000 g/ m3 na bazie obliczonego Co
Vo = $\frac{1325\ \left( 48,33 - \ 15 \right)*\ 24}{5\ *\ 30\ 000}$ = 7,06 m3 ≈ 7 m3
od 2 * 4 * 7,06 = 56,48 m3 do 3 * 4 * 7,06 = 84,72 m3
W układzie z klarownikami objętość odstojników: V = Vpł
Vpł- objętość popłuczyn
V = Vpł * Vos = 566,19 + 84,72 = 650,91 m3 ≈ 651 m3
Przyjęto 3 odstojniki, o objętości 217 m3 i wymiarach:
długość: 10 m,
szerokość: 9 m,
głębokość: 2,4 m.
V1 = Vpl* $\frac{100 - \ u_{0}}{100 - u}$
u0 - uwodnienie początkowe, u0 = 99,9 %
u - uwodnienie końcowe, u = 96,0%
14,15 m3
V2 = Vos* $\frac{100 - \ u_{0}}{100 - u}$
u0 - uwodnienie początkowe, u0 = 99,9 %
u - uwodnienie końcowe, u = 96,0%
0,8 m3
Objętość lagun wyznaczono:
Vi = (V1 + V2) * t * a
gdzie:
Vl - objętość laguny, m3
t - czas eksploatacji laguny, t = 1 rok = 365 d
a - współczynnik zmniejszający objętość lagun ze względu na parowanie, a = 0,3
Vi = (14, 15 + 0, 9) * 365 * 0,3 = 1637,025 m3 ≈ 1637 m3
Przyjęto 3 laguny o objętości 545,6 każda i wymiarach:
długość: 15,6 m
szerokość: 13 m
głębokość: 2,7 m.
Zakładana prędkość v = 0,8÷1,2 m/s, przyjęto v = 1 m/s
Q = 1325 m3/h = 0,37 m3/s
Pole przekroju poprzecznego rurociągu wyznaczono:
$$F\frac{Q}{V} = \frac{0,37}{1} = 0,37\ m^{2}$$
Średnicę rurociągu obliczono wg wzoru:
$$D = \sqrt{\frac{4*F}{\pi}} = \sqrt{\frac{4*0,37}{\pi}} = 0,686\ m$$
Przyjęto średnicę Drz = 0,69 m.
Rzeczywistą prędkość przepływu wyznaczono:
$$V_{\text{rz}} = \frac{4 \bullet Q}{\pi \bullet D^{2}},\ \ \frac{m}{s}$$
Zakładana prędkość v = 1,0÷2,0 m/s, przyjęto v = 1,5 m/s
Ponieważ przyjęto 1 komorę szybkiego mieszania Q = 0,37 m3/s
Średnicę rurociągu wyznaczono wg wzoru:
$$D = \sqrt{\frac{4*Q}{\pi*V}}$$
Rzeczywistą prędkość przepływu obliczono wg wzoru:
$$V_{\text{rz}} = \frac{4*Q}{\pi*d^{2}}$$
Zalecana prędkość v = 0,8 ÷ 1,0 m/s
Przyjęto prędkość v = 0,9 m/s
Ponieważ przyjęto 2 komory wolnego mieszania wydajność Q = 0,5 · 0,37 m3/s = 0,18 m3/s
0,50 m
0,91 m/s
Q – wydajność zakładu, $Q = \frac{1}{n}*Q = \frac{1}{5}*0,37 = 0,074\ m^{3}/s$
V – zalecana prędkość przepływu, V= 0,6 m/s.
Średnicę rurociągu wyznaczono:
$$D = \sqrt{\frac{4*Q}{\pi*V}}$$
Przyjmuję średnicę D=0,40 m
Rzeczywistą prędkość przepływu obliczono wg wzoru:
Q – wydajność zakładu, $Q = \frac{1}{n}*Q = \frac{1}{5}*0,37 = 0,074\ m^{3}/s$
V – zalecana prędkość przepływu, V= 0,6 m/s,
Średnicę rurociągu wyznaczono:
$$D = \sqrt{\frac{4*Q}{\pi*V}}$$
Przyjmuję średnicę D=0,40m
Rzeczywistą prędkość przepływu obliczono wg wzoru:
Ilość filtrów n = 6
Przyjęto prędkość v = 0,6 m/s
Wydajność Q = 31800 m3/d = 0,37 m3/s
a) Odcinek I:
Średnica rurociągu:
= 0,37 m3/s
0,88 m
Rzeczywista prędkość przepływu w rurociągu:
0,61 m/s
b) Odcinek II:
Średnica rurociągu:
= 0,31 m3/s
0,81 m
Rzeczywista prędkość przepływu w rurociągu:
0,60m/s
c) Odcinek III:
Średnica rurociągu:
= 0,25 m3/s
0,73 m
Rzeczywista prędkość przepływu w rurociągu:
0,59 m/s
d) Odcinek IV:
Średnica rurociągu:
= 0,18 m3/s
0,62 m
Rzeczywista prędkość przepływu w rurociągu:
0,59 m/s
e) Odcinek V
Średnica rurociągu:
= 0,12 m3/s
0,50 m
Rzeczywista prędkość przepływu w rurociągu:
0,61 m/s
f) Odcinek VI
Średnica rurociągu:
= 0,06 m3/s
0,35 m
Rzeczywista prędkość przepływu w rurociągu:
0,62 m/s
Rys. 10. Rozkład filtrów i rurociągów w hali filtrów.
Ilość filtrów n = 6
Zalecana prędkość v = 1,0 ÷ 1,5 m/s
Przyjęto prędkość v = 1,2 m/s
Wydajność Q = 31800 m3/d = 0,37 m3/s
a) Odcinek I:
Średnica rurociągu:
Rzeczywista prędkość przepływu w rurociągu:
b) Odcinek II
Średnica rurociągu:
Rzeczywista prędkość przepływu w rurociągu:
c) Odcinek III
Średnica rurociągu:
Rzeczywista prędkość przepływu w rurociągu:
d) Odcinek IV
Średnica rurociągu:
Rzeczywista prędkość przepływu w rurociągu:
e) Odcinek V
Średnica rurociągu:
Rzeczywista prędkość przepływu w rurociągu:
f) Odcinek VI
Średnica rurociągu:
Rzeczywista prędkość przepływu w rurociągu:
e) Wszystkie odcinki
Średnica rurociągu:
Przyjęto prędkość v = 1,2 m/s
Rzeczywista prędkość przepływu w rurociągu:
Zalecana prędkość v = 2,0 ÷ 2,5 m/s
Przyjęto prędkość v = 2,2 m/s
Qpl = 0, 10485 m3/s
Zalecana prędkość v = 2,0 ÷ 2,5 m/s
Przyjęto prędkość v = 2,2 m/s
Qpl = 0, 10485 m3/s
Zalecana prędkość v = 1,0 ÷ 1,2 m/s
Przyjęto prędkość v = 1,0 m/s
Wydajność Q = 0,37 m3/s