POLITECHNIKA ŁÓDZKA
KATEDRA INŻYNIERII ŚRODOWISKA
ROK AKADEMICKI 2010/2011
SEMESTR VI
Projekt z przedmiotu:
TECHNOLOGIA WODY II
Wykonał:
Data oddania:
I Część opisowa :
Przedmiot i zakres projektu :
Celem niniejszego opracowania jest projekt stacji uzdatniania wody o średniej dobowej wydajności 10000 m3/d
Zakres opracowania obejmuje plan sytuacyjno-wysokościowy oraz dobór technologii i urządzeń wykorzystywanych do uzdatniania ujmowanej wody.
Źródło poboru wody :
Źródłem poboru wody jest woda podziemna , której ujęcie znajduje się w odległości
11 km od miasta .
Charakterystyka ujmowanej wody :
odczyn 6,8 pH
mętność 6 mgPt/dm3
barwa 18 mg/dm3
żelazo 3,2 mg/dm3
mangan 0,3 mg/dm3
twardość 4,1 mval/dm3
utlenialność 2,6 mgO2/dm3
zasadowość 1,8 mval/dm3
Wymagania jakościowe stawiane wodzie :
Zgodnie z Rozporządzeniem Ministra Zdrowia z dnia 20 kwietnia 2010 r. woda pitna powinna spełniać następujące wymagania :
odczyn 6,5 - 9,5 pH
mętność 1 NTU
barwa - akceptowalna
żelazo 0,2 mg/dm3
mangan 0,05 mg/dm3
twardość 1,2 - 10 mval/dm3
utlenialność 5,0 mg 02/dm3
smak, zapach - akceptowalny
Proponowany zakres procesów technologicznych :
Ujmowana woda pochodzi ze studni głębinowych - jest wodą podziemną .Charakteryzuje się podwyższoną zawartością żelaza oraz manganu. Nieznacznie przekroczona jest także dopuszczalna barwa i mętność wody. Przed wykorzystaniem do picia oraz na cele gospodarcze musi być ona uzdatniona według poniższego schematu:
Zastosowano następujące procesy oczyszczania wody :
a) aeracja -zmniejsza zawartość CO2 agresywnego w wodzie, nadającego wodzie charakter agresywny przez co zmniejsza się dalsze zużycie wapna. Zastosowano aerator otwarty z dyszami rozbryzgowymi typu Schlick MN VII w hali napowietrzania ;
b) wapnowanie - zastosowane wapno wiąże chemicznie pozostały CO2 agresywny i powstaje Ca(HCO3)2 oraz uzyskuje się równowagę węglanowo - wapniową;
c) filtracja - na filtrze pospiesznym grawitacyjnym otwartym ze złożem wpracowanym pokrytym tlenkami żelaza (III) i manganu (IV), piaskowo antracytowym, płukanym wodą i powietrzem. Filtracja zatrzymuje obecne w wodzie zawiesiny oraz usuwa związki żelaza i manganu .
d) dezynfekcja - niszczy żywe i przetrwalnikowe formy organizmów patogennych oraz zapobiega ich wtórnemu rozwojowi w sieci wodociągowej .Dezynfekcja prowadzona jest za pomocą Cl2 .
Charakterystyka obiegu wody uzdatnianej :
Woda surowa z ujęcia tłoczona jest rurociągiem Ø450 do aeratora- hali napowietrzania. Woda po napowietrzeniu odprowadzana jest do zbiornika kontaktowego zlokalizowanego bezpośrednio pod halą napowietrzania. Dno zbiornika należy wykonać ze spadkiem w kierunku przepływu wody w celu odprowadzenia powstałego osady.
Woda z komory kontaktowej zostaje przesłana rurociągiem Ø400 do hali filtrów ze złożem piaskowo-antracytowym. Projektuje się pięć filtrów pospiesznych grawitacyjnych z niskooporowym drenażem. Projektuje się płukanie filtrów za pomocą sprężonego powietrza, wody z powietrzem a następnie samej wody. Odprowadzenie popłuczyn po procesie płukania filtrów odbywa się rurociągiem Ø400. Po procesie filtracji woda poddana jest procesowi dezynfekcji poprzez podanie do rurociągu Ø400 wody chlorowej dawkowanej za pomocą chloratorów typu C7. Następnie woda transportowana jest do dwóch zbiorników magazynujących o łącznej objętości 3800 m3. Woda ze zbiornika zostaje podana do systemu dystrybucji tj. sieci wodociągowej - rura magistralna Ø400. W tym celu dobrano 3 pompy (+1 rezerwowa) odśrodkowe Warszawskiej Fabryki Pomp typu 15A40 o wydajności Q=275
i wysokości podnoszenia H=70m.
Magazynowanie, przygotowanie i dawkowanie reagentów:
Wapno magazynowane jest „na mokro” w 2 zbiornikach mleka wapiennego. Magazyn wapna połączony jest z dawkownikiem wody wapiennej, w której znajdują się sytniki. Wapno niegaszone magazynowane jest luzem, a jego wysokość składowania wynosi 1,5m. Roztwór mleka wapiennego podany jest na sytniki a następnie dawkowany bezpośrednio do zbiornika kontaktowanego zlokalizowanego pod halą napowietrzania.
Magazyn chloru połączony jest z chlorownią i wyposażony jest w instalację do neutralizacji chloru w czasie awarii, oraz instalację sygnalizacyjną i alarmową. Chlor magazynowany jest w postaci gazowej w butlach 40-litrowych o zawartości chloru do 50kg. Chlor dawkowany jest bezpośrednio do rurociągu za pomocą dwóch chloratorów typu C7 o zakresie przepływu chloru 0,05÷1,0
.
Chlorownia składa się z pomieszczenia chloratorów, podręcznego magazynu chloru, pomieszczenia urządzeń unieszkodliwiania chloru i przedsionka. Przedsionek pełni rolę dyżurki i pomieszczenia izolującego obsługę przed bezpośrednim kontaktem z gazowym chlorem. W pomieszczeniu tym powinna być umieszczona szafa do przechowywania masek przeciwgazowych, aparatów tlenowych i apteczka. Połączenie przedsionka z innymi pomieszczeniami powinno być przez drzwi gazoszczelne wyposażone w okienko kontrolne.
Gospodarka ściekowo-osadowa:
Powstałe osady z osadnika oraz z płukania filtrów pospiesznych i osady nadmiernego ze zbiornik kontaktowego, należy unieszkodliwić i zagospodarować. Osady z osadnika i popłuczyny z filtrów trafiają do dwóch odstojników, gdzie uwodnienie osadu dochodzi do 96% , a następnie osad trafia na lagunę osadową pracującą w cyklu trzyletnim.
Zestawienie urządzeń:
Hala napowietrzania
- wymiary 6m x 18m = 108 m2
- ilość dysz - 108 szt.
- przewód doprowadzający wodę - Ø450
Zbiornik kontaktowy
- wymiary 6m x 13 m = 78 m2
- wysokość - 2,5 m
- objętość 195 m3
- pochylenie dna 2%
Wapnowanie
- dawka wapna - 5,21 gCaO/m3
- zbiornik zarobowy - 2 zbiorniki o V=0,625 m3 każdy
- 2 sytniki o pojemności V=21,16 m3 każdy
- moc silnika mieszadla zarobowego - 3 kW
Filtry pospieszne
- powierzchnia rzutu poziomego pojedynczego filtru -18 m2
- liczba filtrów - 5
- ilość dysz filtracyjnych w jednym filtrze - 1500 szt.
- liczba płyt drenażowych w filtrze - 8 szt. (1,5m x 1,5m)
- wysokość warstwy podtrzymującej złoże filtracyjne - 0,3 m
- wysokość złoża - 1,5 m
Zbiornik wody czystej do płukania filtrów
- wysokość - 3 m
- szerokość - 10 m
- długość - 10 m
Dezynfekcja
- wydajność chlorowni - 0,68 kg/d
- 3 chloratory (1 rezerwowy) typu C7
Zbiornik na wodę wodociągową (dwukomorowy)
- objętość - 3800 m3
- średnica zbiornika - 22 m
- ilość zbiorników - 2
Pompownia wody czystej do sieci wodociągowej
- ilość pomp - 3 pompy (+1 rezerwowa)
- zestaw pompowy - Warszawskiej Fabryki Pomp typu 15A40
- wysokość podnoszenia - 70 m
- wydajność 275 m3/h
- wydajność sumaryczna 825 m3/h
II Część obliczeniowa :
1. NAPOWIETRZANIE :
Woda:
-zasadowość M=1,8
=90
-odczyn pH=6,8
Wydajność stacji:
-Qśr d =10000
- Qmax d = Qśr d xNd=10000
x1,25=12500
=521
Zasadowość < 2,0
, a więc oprócz napowietrzania trzeba zastosować chemiczne wiązanie dwutlenku węgla.
Z nomogramu równowagi węglanowo-wapniowej odczytałam zawartość:
-CO2 wolnego CO2 w=28,0
-CO2 przynależnego CO2 p=1,8
-CO2 agresywnego CO2a=28-1,8=26,2
Do napowietrzania przyjęłam halę napowietrzania z dyszami amsterdamskimi.
Powierzchnia aeratora
Q= Qmax d=521
Zakładam wydajność jednej dyszy q=5,0
i rozstaw co 1,0m →Oh=5,0
Zakładam wysokość rozbryzgu 2,0m.
Wymagana powierzchnia hali dysz: F=
=
=104,2m2
Przyjmuję halę o wymiarach 18 x 6 m, czyli Frzecz=108m2
Liczba dysz
nd=
- powierzchnia niezbędna dla 1 dyszy,
=1,0m2
nd=
=108 dysz
Dobór rurociągów
Przewód główny doprowadzający wodę surową:
-zakładam prędkość przepływu v=1,0
(0,8÷1,5
)
-natężenie przepływu Q= Qmax d=12500
=144,67
z nomogramu Colebrooka-White'a dla rur ciśnieniowych z PE firmy PipeLive,
k=0,01mm, temp. 10oC odczytuję średnicę wewnętrzną przewodu:
dg=450mm
vrzecz=1,25
i=3‰
Przewody rozdzielcze:
-zakładam prędkość przepływu v=1,5
(1,0÷1,5
)
-natężenie przepływu Q= Qr=
=14,47
z nomogramu Colebrooka-White'a dla rur ciśnieniowych z PE firmy PipeLive,
k=0,01mm, temp. 10oC odczytuję średnicę wewnętrzną przewodu:
dr=125mm
vrzecz=1,48
i=18‰
Zbiornik na magazynowanie wody po procesie napowietrzania
Zbiornik liczymy na czas przetrzymania wody ok. 15-20 min.
V=Qśrh/3=521/3=174 m3
Przyjęto zbiornik o wymiarach: szerokość - 6m; długość - 13m; wysokość - 2,5m o pojemności całkowitej 195m3.
Pochylenie dna zbiornika pod kątem 2% w kierunku koryta zbierającego.
Dysze amsterdamskie obniżają zawartość CO2 w do 8÷12
. Przyjmuję 10
.
Odczyn wody po napowietrzaniu (z nomogramu równowagi węglanowo wapniowej):
pH=7,25
Ilość CO2 pozostałego do usunięcia wynosi 10,0 - 1,8=8,2
WAPNOWANIE :
Wyznaczanie dawki wapna koniecznej do uzyskania stanu równowagi węglanowo-wapniowej
Przyjęto do wiązania 8,2
Z reakcji:
2CO2 agr + CaO +H2O →Ca(HCO3)2
Wynika, że 1 mol CaO (56g) reaguje z 2 molami CO2 agr (88g). Zatem przy założeniu, że potrzebuję związać 9,0
niezbędną dawkę CaO (Dw) wyznaczam z proporcji:
56 gCaO → 88 gCO2 agr
Dw → 8,2 gCO2 agr
Dw =5,21
Zaleca się użycie dawki wapna w ilości Dw=10g/m3
Zużycie dobowe wapna:
Mdmax= Dw*Qmaxd=10*12500=125000g/d=125kg/d
Zapas reagenta na czas 30 dni:
Z=Mdmax*T=125*30=3750 kg
Powierzchnia magazynowa reagenta:
α - współczynnik zwiększający ze względu na transport wewnętrzny (1,2)
ρn - gęstość nasypowa reagenta , kg/m3 (1000 kg/m3)
hd - dopuszczalna wysokość składowania, m (1,5)
Zbiornik zarobowy mleka wapiennego (dwa zbiorniki)
Objętość jednego zbiornika:
V=
c- stężenie roztworu wapna, przyjmuję c=5%
ρ- gęstość właściwa roztworu, kg/m3 (1000 kg/m3)
n- ilość przygotowanych roztworów w ciągu doby (2)
m-ilość zbiorników (2)
V=
=0,625 m3
Wymiary zbiornika:
Przyjmuję że H=D
H=D=
=
=1,0m
D=1,0m
H=1,0m
Vrzecz=0,79
Wymiary mieszadła:
Powierzchnia łap:
f=0,15*V=0,15*0,79=0,12 m2
Długość łapy:
l=0,85*D=0,85*1=0,85 m
Szerokość łapy (dwie łapy)
z-liczba par łap na jednej osi. (2)
b=f/(z*l)=0,12/(2*0,85)=0,07 m
Moc silnika poruszającego mieszadło:
m-liczba łap mieszadła (4)
ζ- współczynnik oporów hydraulicznych łap mieszadła (1,29)
ρ - gęstość wody, kg/m3 (1000 kg/m3)
n - prędkość obrotowa łap mieszadła, Hz (0,67)
b- szerokość łap mieszadła m, (0,07)
r- długość łapy mieszadła, (0,85)
k- współ. Zapasu mocy (1,2)
η- sprawność (0,9)
Ns=m*π3* ζ* ρ*n3*b*r4*k/ η*10-3 [kW]
Ns=4* π3*1,29*1000*0,673* 0,07*0,854*1,2/0,9*10-3=2,34 kW
Dobiera się silnik o mocy 3 kW.
Dobór sytników
Wydajność sytników (2)
Cr = 1250
dla t= 283K
Objętość sytnika:
K1= 7,5 dla t= 283K
K2= 1,3
Średnica sytnika:
Dopuszczalna prędkość pionowa w części cylindrycznej sytnika: 0,20
=0,0002
Dobieram 2 sytniki typu C [D=2000mm H=6000mm]
FILTR POSPIESZNY
Filtr grawitacyjny pospieszny
Charakterystyka użytego złoża filtracyjnego:
Materiał - piasek kwarcowy
Wymiar czynny - d10=0,8
Współczynnik nierównomierności piasku filtracyjnego K=1,5
Wysokość złoża - H=1,5 m
Wysokość warstwy podtrzymującej Hp=0,3 m
-zawiesina Z=1,91*3,2=6,11
-temperatura wody t=10oC
Przyjmuję chłonność złoża A=2000
Wymagana powierzchnia filtracji
F=
T- czas pracy filtrów w ciągu doby, przyjmuję T=24
t'- czas płukania powietrzem, przyjmuje t'=0,02h
t'' - czas płukania mieszaniną wody i powietrza, przyjmuję t''=0,17h
t''' - czas płukania wodą, przyjmuję t'''=0,083h
t -czas płukania: t=t'+t''+t'''=0,02h+0,17h+0,083h=0,27h
t1 - czas wyłączenia związany z wykonywaniem dodatkowych czynności przy płukaniu, przyjmuję t1 =0,33h
t2- czas odprowadzania pierwszych partii filtratu po płukaniu, przyjmuję t2=0,17h
tpł - czas postoju filtrów związany z płukaniem
tpł= t1+t2+t=0,33h+0,17h+0,27h=0,77h
Czas użytecznej pracy filtrów:
tu=
tu=
=54,55h
vf - prędkość filtracji, przyjmuję vf=8
(5÷10
)
q - intensywność płukania, przyjmuję q= 13
=46,8
(zalecane 13÷15
)
n - liczba płukań każdego filtra na dobę, n=
=
=0,45
=0,5 1/d
F=
=68,3m2
Ekonomiczna liczba filtrów n=
=4,13
n=5 filtrów
Przyjmuję filtr o wymiarach 6,0 x 3,0m
F1=18,0 m2
Frzecz=5 x 18,0=90,0m2
Vfrzecz=
=
=5,79
Dla złoża dwuwarstwowego Vfrzecz =5÷10
Sprawdzam, czy można wyłączyć 1 filtr:
Vf `=
Drenaż filtracyjny
Zakładam drenaż niskooporowy - dysze filtracyjne - drenaż płytowy wyposażony w grzybki.
Wymagana powierzchnia otworów w dyszach - min 1% F
∑fo=0,01 x 18,0 m2= 0,18 m2
Przyjmuję dyszę szczelinową o wymiarach szczelin 0,5 x 10 mm- 24 szt.
Powierzchnia otworów w 1 dyszy:
fo=24 x 0,5mm x 10mm = 120mm2=120 x 10-6 m2
Ilość dysz w 1 filtrze:
Nd=
=
=1500 dysz
Ilość płyt drenażowych:
-płyta drenażowa o wymiarach 1,5 x 1,5 m
-liczba płyt -8szt.
Ilość dysz w jednej płycie
=187,5
Przyjmuję 14 dysz w 14 rzędach w rozstawie co:
b=
=0,1 m
Ilość dysz w 1 filtrze: nd rzecz=8 x 14 x 14=1568 dysz>1500
Ilość wody płuczącej dla 1 filtra:
Qpł1=F1 x q= 18,0 x 46,8=842,4
=234dm3/s
Straty ciśnienia przy płukaniu
Straty na drenażu
Δhd=α x qdβ x 10-2 [m]
qd=
=
=0,15
Dysza szczelinowa o wymiarach szczelin 0,5 x 10,0 mm:
α=2570
β=1,74
Δhd=2570 x 0,151,74 x 10-2 =0,97m
Straty w warstwie podtrzymującej
Zakładam warstwę podtrzymującą za żwiru o wysokości Hp=0,3m (0,3÷0,5m)
Δhp =0,08 x Hp x q=0,08 x 0,3 x 46,8=1,12m
Straty w złożu filtracyjnym
Δhf =(
-1)x(1-mo)xH
ρz- gęstość złoża filtracyjnego, ρp =2,65
ρ- gęstość wody, ρ=1
mo - porowatość złoża przed płukaniem, mo =40%=0,4
H=1,5m
Δhfp =(
-1)x(1-0,4)x1,5=1,48m
Łączne straty ciśnienia
∑Δh= Δhd + Δhp + Δhf=0,97+1,12+1,48=3,57
Zbiornik na wodę do płukania
Objętość zbiornika dla 2 płukań pojedyńczych filtrów.
V=2 x (q x F1 x t2) =2 (18x46,8x0,17)=286,4 m3
Przyjęto zbiornik o wymiarach:
Wysokość=3,0m
Szerokość=10m
Długość=10m co daje objętość V=300m3
Koryta popłuczyn
Przyjęte dwa koryta na jeden filtr .
Przepływ koryta:
qk=0,5 x Qpł1=0,5 x 842,4=421,25
=0,12
Szerokość koryta:
Bk=0,98 x qk0,4=0,98*0,120,4=0,42m
Przyjęto szerokość koryta Bk =0,40m
Hk =1,25 Bk =0,50m
Wysokość koryta nad złożem
Δhkp =
=0,675m=0,68m
e- ekspansja złoża, przyjęłam r=25%=0,25
Zbiorczy kanał odpływu z koryt połuczyn
Szerokość kanału:
Bkz =1,0m
Wysokość kanału:
Hkz =0,8 x (
)0,67+0,20=0,8 x (
)0,67+0,20=0,5m
Dobór rurociągów
Przewód doprowadzający wodę do wszystkich filtrów:
-zakładam prędkość przepływu v=1,2
(0,8÷1,2
)
- natężenie przepływu Q= Qmax d=12500
=144,67
z nomogramu Colebrooka-White'a dla rur ciśnieniowych z PE firmy PipeLive,
k=0,01mm, temp. 10oC odczytuję średnicę wewnętrzną przewodu:
d=400mm
vrzecz=1,10
i=3‰
Przewód doprowadzający wodę do 1 filtra:
-zakładam prędkość przepływu v=1,0
(0,8÷1,2
)
- natężenie przepływu Q=
=
=28,93
odczytuję średnicę wewnętrzną przewodu:
d=200mm
vrzecz=1,2
i=7‰
Przewód odprowadzający wodę z 1 filtra:
-zakładam prędkość przepływu v=1,5
(1,0÷1,5
)
- natężenie przepływu Q=
=
=28,93
odczytuję średnicę wewnętrzną przewodu:
d=180mm
vrzecz=1,5
i=12‰
Przewód odprowadzający wodę ze wszystkich filtrów:
-zakładam prędkość przepływu v=1,5
(1,0÷1,5
)
- natężenie przepływu Q=144,67
odczytuję średnicę wewnętrzną przewodu:
d=400mm
vrzecz=1,4
i=4,5‰
Przewód wody do płukania 1 filtra i przewód odprowadzający popłuczyny z 1 filtra:
-zakładam prędkość przepływu v=2,5
(2,0÷2,5
)
- natężenie przepływu Q=Qpł1=842,4
=234,0
odczytuję średnicę wewnętrzną przewodu:
d=300mm
vrzecz=2,5
i=13‰
DEZYNFEKCJA WODY
Przyjąłem dezynfekcję wody przy użyciu chloru gazowego w postaci wody chlorowej.
Wymagana wydajność chlorowni: G=DCl2 x Qmax d
DCl2- wymagana dawka chloru; dla wód podziemnych DCl2=0,7÷1,0
Przyjmuję DCl2=1,0
Gh=1,0 x 521=521
=0,52
Dobowe zużycie chloru:
Gd=12,48
Wydajność chlorowni zwiększona 30%
G=0,68
Przyjmuję 3 chloratory(1 rezerwowy) typu C7 o wydajności 50÷3000
Ilość pobieranej wody wynosi 1,5
. Ciśnienie wody pobieranej( zasilającej chloratory) powinno wynosić 0,2÷0,6 MPa
Zapas chloru na 30 dni:
Z=G*24*30=0,68*24*30=489,6 kg Cl2
Miesięczny zapas chloru: 10 x 50 kg butli z chlorem
ZBIORNIK NA WODĘ DLA WODOCIĄGÓW
Objętość zbiornika:
V=30%*Qmaxd=0,3*12500=3750m3
Dobrano zbiornik dwukomorowy o wymiarach:
H=5m
D=22 m
Objętość jednego zbiornika
Łączna objętość zbiorników wynosi V=3799,4m3=3800 m3
DOBÓR POMP WODY CZYSTEJ
Wysokość podnoszenia wody czystej: 20 m
Odległość transportu wody czystej: 11 km
Średnica przewodu transportującego wodę (z nomogramu Colebrocka-Whita)
Dla Qmaxh=729,4 m3/h=202,6 dm3/s=0,203 m3/s i prędkości v=1,5m/s otrzymujemy d=400 mm, i=4,0‰
Straty hydrauliczne na długości 11 km:
HL=i*L=0,004*11000=44 m
Wysokość podnoszenia:
HP=44+20+6=70 m
STRATY
|
|
Długość |
Średnica |
Spadek |
Straty |
|
|
m |
mm |
‰ |
m |
Gr. Stacji |
Areator |
19 |
450 |
3 |
0,06 |
Areator |
Filtr |
61 |
400 |
3 |
0,18 |
Filtr |
Chlorownia |
52 |
400 |
4,5 |
0,23 |
Chlorownia |
Zbiornik |
19 |
400 |
4,5 |
0,09 |
Zbiornik |
Sieć |
29 |
600 |
4,0 |
0,12 |
Areator |
7 |
||||
Filtr |
3,57 |
||||
Chlorownia |
0,1 |
||||
Zbiornik wody czystej |
0,2 |
||||
|
|
|
|
SUMA |
11,55 |
GOSPODARKA OSADOWO- ŚCIEKOWA
Masa osadów powstałych w procesie odżelaziania
2. Objętość popłuczyn
3. Objętość odstojnika
=
+
1145,49
Przyjmuję dwa odstojniki każdy o wymiarach:
H= 5 m, B = 6 m, L = 20 m
4. Objętość laguny
V1 -ilość osadów pozostałych po zagęszczeniu popłuczyn
V2- ilość osadów z osadnika zagęszczonych do 96%
Ilość osadów odprowadzanych na laguny:
=20,73
Roczna ilość osadu o uwodnieniu 96%:
=20,73 x 365=7566,45
W pierwszym roku odprowadzanie wody drenażem oraz odparowanie wody pozwoli na obniżenie uwodnienia osadu do 80%. Objętość więc osadu o uwodnienie 80%:
=
x
=1513
Przyjmuję 2 laguny:
Wymiary poszczególnych lagun
B=16,0m, H=3,0m, L=16,0m
18