8.10.2012
Obsah
MECHANICKÁ ČÁST ČOV SEDIMENTAČNÍ NÁDRŽE
• • • •
Mechanická část ČOV Lapáky štěrku a písku Lapáky tuků a olejů Sedimentační nádrže – Primární sedimentace
doc. Ing. Jaroslav Pollert, Ph.D. 3. hodina
Vývoj koncepcí městského odvodnění stoková síť
1850
mech. ČOV
biol. ČOV
1900
1950
Koncepce: rychlé odvedení všech odp.vod
Metodika: lokální řešení
nové technické prvky 2000
co nejpomalejší odvedení minima odp.vod
„Konvenční“ ČOV mechanické čištění
biologické čištění
nové technologie
2050
omezení směšování vody a látek
integrované principy trvale udrž. rozvoje řešení 9
kalové hospodářství
ČOV praxe, příklad technologického schématu velké ČOV, zkušenosti dle technologických částí
ČOV praxe, čerpací stanice, lapák štěrku, česlovna •
Šneková čerpadla – archimédův šroub
– vynese vše – nižší účinnost, omezený výtlak •
Oběhová čerpadla – vyšší účinnost nutno chránit
– vyšší účinnost – nutno chránit, ulehčení obsluhy demontáží ochranných česlí se čerpadlo ucpe •
• • •
•
Externí materiál dovážený do přítoku by neměl obsahovat tuk- podpora vláknitého bytnění v aktivaci a vyplouvání tuku z dosazováků (DN) do odtoku. Tuk patří do vyhnívacích nádrží. Málo vyklízený lapák štěrku vede časem k obroušení lamel u lamelových česlí s následným sesunem ke kraji a zvětšení mezer mezi lamelami. Česle dnes mnoha typů – lamely, rotační bubny, pásové. U větších ČOV je lepší kombo hrubé + jemné 3 mm česle (ochrana výměníků proti zanášení např. v kalovém hospodářství je pak účinnější a samotné jemné česle se nepoškodí při bouřce většími předměty) Často problém, když po dlouhém suchu bouřky – ucpání česlí tukovými nánosy.
1
8.10.2012
ČOV praxe, lapák písku (LP), usazovací nádrže (UN) •
Mechanický stupeň
Lapák písku je na větších ČOV spíše podélný a na středních a menších vírový
– pokud se dávkují chemikálie na zvýšení účinnosti UN, tak koagulant je vhodné dávkovat před LP (rozmíchávací a koagulační zóna) – Pokud jsou na ČOV Vyhnívací náderže nebo se písek usazuje už v AN, pak je vhodně podélný LP z části neprovzdušňovat – méně sedimentů v technologii •
• • • •
Usazovací nádrže jsou vhodné na ČOV, které se vypaltí vyrábět bioplyn – primární kal z UN (surové organické látky) produkuje hodně bioplynu proti přebytečnému kalu z AN (těla baktérií a mikroorganismů)
– lepší je hůře postavená kruhová UN, než hůře postavená podelná UN – nyní se dbá u větších ČOV na dostatečné zahuštění kalu v UN (pokud to stav UN dovolí tak na 6%), což při špatně nastavené a naprojektované trase primárního kalu vede k ucpávání už od koncentrace kalu 3-5% a výše.
(Lapák štěrku) Česle (hrubé, jemné) Lapák písku Primární usazovací nádrže – Dno:surový kal, čerpán do anaerobního stupně – Mechanicky vyčištěná voda postupuje do biologického stupně (10 % NL, ale velké množství koloidních frakcí a hlavně rozpuštěné nečistoty)
– u malých ČOV často nejsou
7
Mechanické čištění vod
Mechanický stupeň ČOV
odstranění
1. stupeň čištění – mechanické čištění
60 - 80% suspendovaných látek 30 – 40 % organických látek BSK5
předčištění městských odpadních vod
• Základem je sedimentace částic (gravitace) • Zařízení (nádrže) musí být prostorné tak, aby se dostatečně snížila rychlost vody a byl dostatečný čas na sedimentaci částic • Vlivy způsobující nerovnoměrnou usazovací rychlost:
odstranit hrubé, makroskopické látky způsobují mechanické závady
a zanášení objektů a zařízení ČOV
Podklady pro návrh stoková síť – druh, charakter, stav
Procesy
turbulentní charakter průtoku nádrží Změny ve viskozitě vody Změny v hustotě vody
cezení, filtrace
– zabezpečení s.s. před průnikem hrubých nečistot
následující stupně č. ČOV
vzplývání, flotace
– druh a technologie biolog. č.
usazování, zahušťování
– sestava a technologie kalového hospodářství
Typy suspenzí
Typy sedimentace
Zrnité Částice nemění během usazování tvar Rozhraní mezi tuhou a kapalnou fází tvoří plocha povrchu částic Patří sem i jílové částice, kaolín, uhelný prach,… Vločkovité Částice netvoří pevné rozhraní s kapalinou; mění se jejich tvar a velikost Aktivovaný kal, hydroxidy těžkých kovů (úpravny vod),…
Prostá Částice se neovlivňují Zrnitý kal do koncentrace cca 0,5 % objemově Rušená Částice se ovlivňují, jejich rychlost sedimentace se snižuje Zahušťování Koncentrace suspenze je taková, že se tvoří fázové rozhraní mezi kapalnou a pevnou fází, tvoří se póry , ze kterých je kapalina vytlačována 11
2
8.10.2012
Prostá sedimentace kulové částice v klidné kapalině. Stokesův zákon.
4. Základní fyzikální procesy Fg ... gravitační síla F ... vztlak (dle Arch. zákona) Fr Fvzr ... tření odporem prostředí Vs ... objem suspendované částice g ... tíhové zrychlení ρs ... měrná hmotnost částice ρ ... měrná hmotnost kapaliny
Fvz
Fg
ρs > ρ … sedimentace ρs < ρ … flotace pohyb → Fr
F=
– opačný směr než pohyb částice
u=
F=Fg-Fvz-Fr=Vs.g.(ρs-ρ)-Fr
Platí pro malé částice 50 – 100 μm
pád částice … ↑ rychlost a současně ↑ odpor prostředí Fr až do stavu rovnováhy (F = 0) → částice pohyb konstantní rychlostí u Fr - odporový součinitel k závisející na Re i na rychlosti sedimentace u → oblas3 sedimentace - laminární … Stokes Re ≤ 0,1 – 0,2 - turbulentní - přechodná … Oseen 1 ≤ Re ≤ 3 obecné rovnice Newton … Re ≤ 0,2; 1 ≤ Re ≤ 500; 500 ≤ Re ≤ 150 000
u=
4.( ρ č − ρ ). g . d 3. ρ .k
k=
24 Re
k=
Re =
k = 0,44
18 , 5 Re 0 , 6
u. d
η
kinematická viskozita
Základní fyzikální procesy Výpočet rychlosti usazování částic Archimédovo kriterium
Re =
l.o. pro Ar ≤ 3,6
Ar =
Ar 18
d 3 .(ρ č − ρ ).ρ .g
η2
=> Re < 1 Ar p.o. pro 3,6 ≤ Ar ≤ 3,43.105 => 1 ≤ Re ≤ 500 Re = 18.(1+ 0,125.Re 0 , 72 )
t.o. pro 3,43.105 ≤ Ar ≤ 7,4.109 =>500 ≤ Re ≤ 1,5.105
Re = 1,73. Ar1/ 2
Výpočet průměru částice d
LY =
Ljaščenkovo kriterium l.o. pro LY ≤ 2,22.10-4
=>
Re = 18.Ly
Re ≤ 1
p.o. pro 2,22.10-4 < LY < 2,91. 103 => 1 ≤ Re ≤ 500 t.o. pro 2,91.103 < LY < 4,5.105
. .
průměr částice (koule)
u 3 .ρ 2 η .g.(ρ č − ρ )
Re = 18.L y .(1 + 0,125. Re 0,72 )
=> 500 ≤ Re ≤ 1,5.105
Re = 0,33.LY
Základní typy sedimentace (dle koncentrace suspenze) prostá - částice se neovlivňují - individuální charakter
i sedimentační rychlost
rušená - při nárůstu objemové koncentrace suspendovaných částic nad cca 0,5 %
Lapák písku + odčerpávání • Měl by zachytit částice d 0,2 0,25 mm • Podélný lapák 0,15 – 0,45 m/s • Vytěžený materiál co nejkratší skládkování; zneškodnění podobně jako shrabky z česlí
-
dochází k vzájemnému ovlivňování x částice si zachovávají individuální charakter
zahušťování suspenze – vznik 2 oddělených prostředí - kapalina „bez“ suspendovaných částic x suspenze – částice tvoří pórovitou vrstvu, gravitační síly suspenze vytlačuje kapalnou fázi a zahušťuje se
→
Množství a složení písku
Lapák tuku a olejů
• Množství a složení kolísá podle typu kanalizační sítě (odlehčovací komory, ředění, uliční vpusti, udržování sítě,…) • Za deště mohou být průměrné hodnoty překročeny až 30 x • Složení písku – 10 – 20 %sušiny, 50 % organických látek • Množsví písku návrhové 5 – 12 l/obyv.rok
• Princip jako u separace látek těžších než voda, ale obráceně: snížit rychlost průtoku a nechat lehčí látky vystoupat k hladině • V městské čistírně tuky procházejí lapákem písku • Pro městské odpadní vody se nejčastěji používají provzdušňované lapáky tuků (podpora vzestupné rychlosti – „nalepování“ na vzduchové bubliny) 17
18
3
8.10.2012
Lapáky písku
Základní fyzikální procesy
zachytávání písku a min. částic
Flotace
ne kalových částic s vysokým org. podílem
– proces, jímž se oddělují pevné nebo kapalné částice nebo částečky od vodní fáze tak, že jsou zachycovány vzduchovými bublinami – plovoucí částice se hromadí na hladině – odstraňovány stíracím zařízením – vznik mikrobublin - optimální velikost je 10 až 100 μm
– velikost zrn 0,2 až 0,25 mm – voptim. = 0,3 m.s-1
čištění 1 – 2 x týdně
b, strojní
směr průtoku
druhy flotace podle vzniku mikrobublin · volná flotace - jemnobublinné provzdušnění · tlaková flotace - expanze vody nasycené vzduchem při zvýšeném tlaku · vakuová flotace - snížení tlaku v systému · biologická flotace - denitrifikační pochody v biomase - vznik plynného dusíku · chemická flotace - přídaní chemikálií uvolňujících plyn · elektroflotace - elektrolýza vody
I, horizontální - komorový - štěrbinový
II, vertikální - vírový (tangenciální) - provzdušňovaný
Lapáky písku
gravitační separátory
povrchové hydraulické zatížení Sh … plocha hladiny 1 komory lapáku
11
[
Q v= m 3 .m − 2 .h −1 Sh ⋅ n
optimální průřezová rychlost S … průřezová plocha 1 komory lapáku
vopt
]
štěrbinový lapák písku
[
]
EO Vp = V p = EO ⋅ v , ⋅ t p ⋅ 10 tp … kapacita prostoru (2-4 dny) 100 ⋅ v ,,
nejjednodušší zařízení typu Lapol
[m ]
1 komory lapáku
n ⋅V [s ] Q
v´´= 0,05 – 0,60 m3/100EO.den
3
stěna
rotační šnek
provzdušňování separátorů → zvýšení účinnos3 separace
flotace - separační proces - oddělení dispergovaných částic z kapaliny částice + mikrobublina plynu → flotační komplexy lehčí než voda
Lapáky tuků, škrobů a RoL
10
Primární sedimentace –usazovací nádrže
koalescenční separátory koalescence = sdružování → vyšší účinnost odstranění ropných látek a tuků – málo stabilních emulzí … koalesceční filtry – shlukování ropných látek → vyplavání na hladinu … případné osazení sorpčních filtrů - odstranění nejjemnějších částic nátok norná stěna (usměrnění) sedimentační prostor přepadová hrana norná stěna (zachycení plovoucích nečistot) 6. norná stěna (usměrnění) 7. koalescenční filtr I 8. koalescenční filtr II 9. koalescenční prostor 10. přepadový žlab 11. odtok
- zpomalení proudu + norná
3
jednotná s.s. v´= 14 – 30.10-6 m3/1EO.den
Θ=
- zpomalí se průtok
… částice s ρ < ρvody stoupá k hladině
oddílná s.s. v´= 1- 6.10-6 m3/1EO.den
doba zdržení
protékaná nádrž
→ uklidní se hladina
Q = m 3 .m − 2 .h −1 S ⋅n
objem písku
1. 2. 3. 4. 5.
10
Lapáky tuků, škrobů a ropných látek
Podklady pro návrh
V … objem usazovacího prostoru
produkce písku – 5 až 12 l/1EO.rok
a, ruční
… tam, kde nevyhovuje sedimentace • částice mají špatné sedimentační vlastnosti • velmi malý rozdíl mezi hustotou nerozpuštěných látek a hustotou OV • daná lokalita je prostorově omezena • mají být odstraněny oleje a mazací tuky
n … počet komor lapáku
8
způsob odstraňování písku
použití
n … počet komor lapáku
10
odlučovač ropných látek
• Usazovací nádrže jsou navrženy pro separaci a částečné zahuštění primárního nebo směsného surového kalu • Tvar nádrže, včetně všech detailů navržen tak, aby byla co nejvíce využita plocha a objem nádrže • Střední doba zdržení (před aktivací) od 1 do 3 hod 24
4
8.10.2012
Teoretické doby zdržení UN
Zásady návrhu UN Obvyklé poměry při návrhu podélné UN: • d : š ≈ 3 : 1 a více; š : h ≈ 1 – 2,25 : 1 • Obvykle obdélníkový půdorys Špatná funkce odstranění usazeného kalu způsobuje: • Vyplavování již usazených částic • Zmenšení průtočného průřezu – vyšší rychlosti než návrhové
Před aktivací průtok
t (hod)
Pro Q24
0,5 – 1,5
Pro Qmax
0,2
25
26
27
28
Usazovací nádrž návrh • • • •
- usazovací rychlost částice usazovací rychlost částice ve výšce h h – výška nade dnem H – celková hloubka usazovací nádrže
•
t – doba zdržení (
-
"
= !
#
=
) ; objem nádrže V = L x H x S $
Vybavení UN Vybavení usazovacích nádrží: • Vtokový objekt – usměrnění vtoku tak, aby nenarušoval laminární proudění v usazovacím prostoru • Zařízení na stírání kalu – shrabovák (mostový, řetězový) • Odtokový žlab – na obvodu nádrže u kruhových - Na konci nádrže (pravoúhlé)
29
30
5
8.10.2012
Usazovací nádrže
Usazovací nádrže
gravitační separace suspendovaných látek
Doporučení ČSN 75 6401 • prim. sedim. se zařazuje v ČOV za mech. předčištění
mostový shrabovák
zařazení v technologické lince
8
• do usaz. prostoru se nezapočítává kalový prostor
• primární - separace suspendovaných částic z odpadní vody ( mech. čištění )
• stěny v kal. i usaz. prostoru hladké, min. sklon 1,7:1
• sekundární – separace biologického kalu při biologickém čištění
• sklon dna ke kalové prohlubni,
( dosazovací nádrže )
2 – 3 % pro horizontální UN
dle tvaru a průtoku v nádrži • pravoúhlé nebo kruhové s horizontálním průtokem • kruhové s vertikálním UN s horizontálním průtokem průtokem • štěrbinové usazovací nádrže (s kalovým prostorem) … emšerská nádrž
5 – 10 % pro vertikální UN • hloubka usazovacího prostoru 2,0 – 3,0 m • min. průměr potrubí na odběr kalu 0,15 m • návrh přepadu přes hranu odtokového žlabu dokonalý (nebezpečí vzdutí hladiny v UN) • před odtokem z UN osazeny norné stěny
11
Usazovací nádrže
kruhová UN s radiálním průtokem
Usazovací nádrže
Podklady pro návrh F … plocha hladiny nádrže
v=
[
Q 3 −2 −1 m .m .h F
velikost usazovacího prostoru
]
8
Θ … teoretická doba zdržení vody v nádrži [h] Q … průtokové množství vody [m3.h-1]
doba zdržení
Vs =
η … koeficient hydraulické účinnosti nádrže [ - ]
Θ … teoretická doba zdržení vody v nádrži Θs … doba zdržení skutečná
Θ=
η … koeficient hydraulické účinnosti horizontální a radiální 0,4 – 0,5 vertikální 0,7 – 0,8
V [h] Q
objem kalu vk … specifický objem kalu na 1 EO [m3/1EO.d-1]
8
Θ s = t v .η [h ]
štěrbinová UN – „emšerská“
Q … průtokové množství vody
[
B A = X .v kg.m − 2 .h −1
kal se vyváží cca 2x ročně – anaerobně stabilizován
Θ.Q
η
[m ] 3
[
Vk = vk .EO m −3 .d −1
]
Teoretické doby zdržení a povrch. hydraul. zatížení UN (ČSN 73 6707) Zařazení UN
V … objem nádrže
X … koncentrace kalové sušiny
11
Podklady pro návrh
povrchové hydraulické zatížení
látkové zatížení povrchu
8
] 11
Teoretická doba zdržení Q (h)
Povrchové zatížení v (m3.m-2.h-1)
Parametry
QV
Qmax
QV
Qmax
- před biofiltry 1) - před aktivací 2)
2,0 - 4,0 1,0 - 3,0
1,0 0,5
0,7 - 1,4 1,0 - 2,8
2,5 5,0
1) Recirkuluje-li se v ČOV s biofiltry před usazovací nádrží s vyrovnáním průtoku na stálou hodnotu průtoku(přítok + recirkulace), má být doba zdržení v UN 2 hodiny. 2) Doba zdržení v UN před aktivací se volí s ohledem na navrženou technologii aktivace.
Konstrukce kruhové usazovací nádrže • Průměr 40 m i více • Hloubka 2 – 3 m
Vtoková rychlost ≈ 0,2 m/s
35
36
6
8.10.2012
Usazovací nádrž –podélná, kruhová
Jiné typy UN – vertikální (dortmundské) • • • • •
• •
Mohou být kruhové nebo obdélníkové V ČR nejčastěji čtvercové, l = 3 – 6 m Kal se odtahuje na základě hydrostatického tlaku Celková hloubka 4 – 6 m, svislé stěny výška 0,6 – 1,5 m Výhoda – malá zastavěná plocha, jednoduchá údržba
Nádrže s přerušovaným provozem Nádrže s nepřerušovaným provozem 37
38
Jiné typy UN – štěrbinové (emšerské)
Nerovnoměrné rozdělení rychlosti v UN
• Speciální typ podélně protékané usazovací nádrže • Nádrže, které mají sedimentační a vyhnívací prostor • Štěrbina musí být zakrytá – bubliny plynu narušují sedimentaci • Sklon stěn min. 1,4 : 1
• Vtoková a výtoková rychlost vody vyšší než má protékat nádrží • Špatné hydraulické provedení vtoku a výtoku, špatné rozdělení (zkratové proudy) • Proudy o různých hustotách mění průtokovou rychlost • Nekryté nádrže – vliv větru
39
40
6. Rekapitulace mech. čištění hrubé/jemné česle
lapák písku lapák tuků, ropných látek
lapák štěrku
usazovací nádrž
Proudění v UN
41
štěrk
shrabky
písek
tuky, rop. l.
kal
7
