Badania nad zastosowaniem sedymentacji wielostrumieniowej w procesie oczyszczania zawiesin komunalnych

Transkrypt

1 Akademia Górniczo Hutnicza Im. Stanisława Staszica Wydział Inżynierii Mechanicznej i Robotyki Katedra Energetyki i Ochrony Środowiska Mgr inż. Marcin Zaczyński ROZPRAWA DOKTORSKA Badania nad zastosowaniem sedymentacji wielostrumieniowej w procesie oczyszczania zawiesin komunalnych Promotor Prof. dr hab. inż. Włodzimierz Piotr Kowalski KRAKÓW 2010

2 2

3 SPIS TREŚCI 1. Geneza, cele, teza i zakres pracy Geneza pracy Cel pracy Teza pracy Zakres pracy Główne założenia pracy doktorskiej Zbiór czynników uwzględniany w badaniach doświadczalnych Stan wiedzy w zakresie sedymentacji wielostrumieniowej Sedymentacja przeciwprądowa Zastosowanie i rozwiązania konstrukcyjne osadników z wkładami wielostrumieniowymi [27] Charakterystyka wkładów wielostrumieniowych [27] Miary jakości pakietów Wydajność i skuteczność osadników wielostrumieniowych Sedymentacja prostopadłoprądowa [23] Sedymentacja współprądowa [14] Stan wiedzy w zakresie zawiesin komunalnych [11] Osad czynny ogólna charakterystyka procesu [38] Wybrane wskaźniki ścieków komunalnych [38] Oczyszczanie ścieków osadem czynnym [38] Efektywność sedymentacji zawiesiny polidyspersyjnej [27] Prawo Hazena Ogólna metoda obliczeń efektywności sedymentacji Projektowanie osadników z wkładami wielostrumieniowymi [27] Obciążenie powierzchniowe Charakterystyka oczyszczalni ścieków Kraków Kujawy Wiadomości wstępne Droga przepływu ścieków Technologia przeróbki osadów ściekowych Charakterystyka PIX-u (siarczanu (VI) żelaza (III) i PAX u (chlorku poliglinu) Stanowiska do badań procesu sedymentacji i metodyka badań Stanowisko do badań statycznych procesu sedymentacji wielostrumieniowej zawiesiny komunalnej [13] Metodyka badań

4 7.3 Stanowisko laboratoryjne do badań procesu sedymentacji przeciwprądowej Schemat układu badawczego Metodyka badań Stanowisko do badań współprądowego i przeciwprądowego procesu sedymentacji w skali ułamkowo technicznej Metodyka badań Stanowisko do badań procesu sedymentacji wielostrumieniowej w postaci mikrowypełnienia osadnika kołowego Metodyka badań Badania procesu sedymentacji wielostrumieniowej zawiesiny komunalnej Schemat ciągu technologicznego oczyszczalni ścieków z naniesionymi punktami poboru zawiesiny Opis badań statycznych procesu sedymentacji wielostrumieniowej zawiesiny komunalnej Wyniki badań statycznych Podsumowanie wyników badań statycznych Opis badań laboratoryjnych procesu sedymentacji wielostrumieniowej Wyniki badań laboratoryjnych Podsumowanie wyników badań laboratoryjnych Opis badań na stanowisku w skali ułamkowo technicznej Wyniki badań ze stanowiska w skali ułamkowo technicznej umiejscowionego na komorze rozdzielczej Wyniki badań ze stanowiska w skali ułamkowo technicznej umiejscowionego na końcu komór osadu czynnego Podsumowanie wyników badań ze stanowiska umiejscowionego na końcu komór osadu czynnego Opis badań na stanowisku w skali ćwierćtechnicznej Wyniki badań ze stanowiska w skali ćwierćtechnicznej umiejscowionego na zgarniaczu wtórnego osadnika kołowego Dorra Podsumowanie wyników badań na stanowisku w skali ćwierćtechnicznej Opracowanie modelu empirycznego Wnioski z badań Sformułowanie wytycznych do projektu prototypowych przemysłowych urządzeń sedymentacyjnych oraz wskazanie zakresu zastosowań dla różnych zawiesin Podsumowanie

5 Literatura Spis rysunków

6 Wykaz ważniejszych oznaczeń mętności tlen - kąt nachylenia dna osadnika, kąt nachylenia przewodu h - droga opadania cząstki, wysokość osadnika l - długość osadnika prostokątnego, długość przewodu m - masa s - stężenie zawiesiny pw - powierzchnia właściwa pakietu wielostrumieniowego F, F 1, F 2 pole powierzchni sedymentacji Q - natężenie przepływu zawiesiny q - obciążenie powierzchniowe d - średnica cząstki - efektywność sedymentacji v - prędkość opadania cząstki V - objętość NTU Nephelometric Turbidity Unit nefelometryczna jednostka BZT 5 pięciodniowe, biochemiczne zapotrzebowanie ścieków na Indeksy n, p, w - nadawa, przelew, wylew 6

7 Podstawowe definicje Układ dyspersyjny, układ rozproszony układ fizycznie niejednorodny, złożony z co najmniej dwóch faz, z których jedna faza jest rozproszona w drugiej nazywanej ośrodkiem dyspersyjnym; zarówno faza rozproszona jak i ośrodek dyspersyjny mogą występować w stanie stałym, ciekłym lub gazowym. (wg: Leksykon naukowo techniczny, WNT, Warszawa, 2001, str. 1118). Układy dyspersyjne można podzielić na: Układ monodyspersyjny, układ izodyspersyjny układ dyspersyjny, w którym cząstki fazy rozproszonej mają jednakowe rozmiary. (wg: Leksykon naukowo techniczny, WNT, Warszawa, 2001). Układ polidyspersyjny, układ heterodyspersyjny układ dyspersyjny, w którym cząstki fazy rozproszonej mają rożne rozmiary. (wg: Leksykon naukowo techniczny, WNT, Warszawa, 2001.) Zawiesina 1) nietrwały układ dyspersyjny, w którym cząstki ciała stałego (faza rozproszona) są rozmieszczone (zawieszone) w ośrodku ciekłym (wg: Encyklopedia Fizyki, PWN, Warszawa, 1974, t.3, str. 825). 2) Układ dyspersyjny o wymiarach cząstek fazy rozproszonej większej od 500 nm (wg: Leksykon Naukowo Techniczny, WNT, Warszawa, 2001, str. 1238). Sedymentacja osiadanie cząstek rozproszonej fazy w polu grawitacyjnym lub odśrodkowym wywołane różnicą gęstości tej fazy i ośrodka dyspersyjnego. (wg: Encyklopedia Fizyki, PWN, Warszawa, 1974, t.3, str.292). Efektywność sedymentacji w urządzeniu sedymentacyjnym wartość udziału masowego cząstek fazy stałej zawiesiny zatrzymanych w urządzeniu sedymentacyjnym: m w n p p 1 1 m n m m m n m m n Q Q gdzie: m n, m p, m w strumień masowy nadawy, przelewu, wylewu. [26] p n S S p n 7

8 mn QnS n Urządzenie m p Q ps p nadawa sedymentacyjne przelew m Q w w S w wylew Schemat przepływu zawiesiny przez urządzenie sedymentacyjne Mieszanina ciało fizyczne składającej się z dwu lub więcej substancji zachowujących swe cechy indywidualne, zmieszanych w dowolnym stosunku masowym, właściwości fizyczne mieszaniny zmieniają się w zależności od stosunków ilościowych tworzących ją składników; rozróżnia się mieszaniny jednorodne (np. powietrze) lub mieszaniny niejednorodne (np. mieszanina dwu lub więcej sproszkowanych substancji, mleko) (wg: Leksykon Naukowo Techniczny, WNT, Warszawa, 2001, str. 544). Nadawa strumień zawiesiny dostarczanej do urządzenia sedymentacyjnego (osadnika). Przelew strumień sklarowanej cieczy odbieranej z urządzenia sedymentacyjnego (osadnika). Wylew strumień zagęszczonej cieczy odbieranej z urządzenia sedymentacyjnego (osadnika). Cząstka, ziarno najmniejsza dająca się wyodrębnić metodami nieniszczącymi część składowa materiału sypkiego fazy rozproszonej (wg: Leksykon Naukowo Techniczny, WNT, Warszawa, 2001, str. 1252). Koagulacja proces polegający na łączeniu się cząstek fazy rozproszonej koloidu w większe agregaty tworząc fazę ciągłą o nieregularnej strukturze. W procesie oczyszczania ścieków koagulację określa się jako pośredni stopień między oczyszczaniem mechanicznym i biologicznym. PIX koagulant nieorganiczny oparty na trójwartościowym żelazie służący do strącania i koagulacji flokuł zawiesin PAX glinowy koagulant nieorganiczny oparty na trójwartościowym glinie służący do strącania i koagulacji flokuł zawiesin 8

9 1. Geneza, cele, teza i zakres pracy 1.1. Geneza pracy W Katedrze Energetyki i Ochrony Środowiska na Wydziale Inżynierii Mechanicznej i Robotyki Akademii Górniczo Hutniczej od wielu lat prowadzi się badania teoretyczne i doświadczalne procesu sedymentacji. Wynikiem badań jest ponad sto prac opublikowanych w kraju i za granicą, w tym kilka prac doktorskich i habilitacyjnych, jak również szereg wdrożeń w przemyśle górniczym i hutniczym (m.in. Zakłady Górnicze Rudna i Zakłady Górnicze Lubin Kombinatu Górniczo Hutniczego Polska Miedź S.A., Zakłady Górnicze Trzebionka, Huta im. T. Sendzimira, Huta Baildon, Kopalnie i Zakłady Przetwórstwa Siarki Siarkopol, Zakłady Przerobu Złomu Akumulatorowego Orzeł Biały ), a także w zakładzie uzdatniania wody ZUW Zbylitowska Góra.[28] Jakkolwiek badań oraz wdrożeń było wiele, dotyczyły jednak modernizacji obiektów, w których medium stanowiły zawiesiny ziarniste o znanej ustabilizowanej i jednorodnej strukturze [29]. Rozróżnia się zawiesiny ziarniste, których poszczególne cząstki opadają na dno osadnika niezależnie od innych i z jednakową prędkością, oraz zawiesiny kłaczkowate, które w czasie opadania zlepiają się w coraz większe kłaczki i wskutek tego opadają z coraz większą prędkością. Cechy zawiesin kłaczkowatych mają np. wodorotlenek żelazowy lub osad czynny. Zawiesina komunalna ma charakter kłaczkowaty, pojedyncze, opadające ziarna tworzą konglomeraty, łącząc się ze sobą. Ich prędkość opadania jest większa, aniżeli prędkość opadania pojedynczych ziaren.[15] W odróżnieniu od zawiesin komunalnych zawiesiny ziarniste, cechują się tym, że każda cząstka opada niezależnie od siebie i ze stałą prędkością. W odniesieniu do ścieków zanieczyszczonych związkami organicznymi powyższe proste reguły mają ograniczone zastosowanie, gdyż zawiesiny w nich zawarte są głównie kłaczkowate, a nie ziarniste. Przy strącaniu chemicznym i w osadnikach wtórnych po osadzie czynnym mamy wyłącznie osad kłaczkowaty, ten zaś zachowuje się przy opadaniu zupełnie inaczej niż osad ziarnisty [12]. W oczyszczalniach ścieków komunalnych stosowane są osadniki kołowe Dorra bez wkładów wielostrumieniowych. Obszar badań wymagający potwierdzenia obejmuje sprawdzenie, czy: - zastosowanie wkładów może podnieść wartość efektywności procesu sedymentacji przebiegającej w osadnikach kołowych Dorra, - zastosowanie wkładów pozwoliłoby na zmniejszenie kosztów procesu koagulacji poprzez zminimalizowanie reagentów, 9

10 - koszty budowy osadników wtórnych Dorra mogą ulec zminimalizowaniu poprzez wyrugowanie kilku nowych osadników w zamian budując jeden wypełniony pierścieniem wkładów wielostrumieniowych. Wielostrumieniowy proces oczyszczania zawiesin został dobrze zbadany oraz rozpoznany dla zawiesin o charakterze ziarnistym, czego dobrym przykładem może być zawiesina węglowa, czy też zawiesina pochodząca z górnictwa miedzi. W przypadku zawiesiny komunalnej pozostaje nadal niezbadany obszar dotyczący zastosowania wkładów wielostrumieniowych przy oczyszczaniu zawiesin kłaczkowatych. Badania dotyczące wypełnienia osadnika kołowego Dorra pierścieniem wkładów wielostrumieniowych mogłoby dać pewną odpowiedź na słuszność wspomagania procesu oczyszczania ścieków, podniesienia efektywności procesu sedymentacji. Wkłady wielostrumieniowe stosowane są z powodzeniem do zawiesin o charakterze ziarnistym, więc badania nad zastosowaniem wkładów wielostrumieniowych do zawiesin komunalnych stanowią lukę wartą wypełnienia. Stąd też celem poznawczym rozprawy jest dalsze teoretyczne i doświadczalne poznanie wielostrumieniowego procesu sedymentacji ze szczególnym uwzględnieniem aspektu wypełnienia osadników kołowych Dorra pakietami wielostrumieniowymi. Natomiast celem praktycznym jest uzyskanie danych do projektowania i wdrożenia w oczyszczalniach ścieków komunalnych pakietów wkładów wielostrumieniowych. Powyższe cele wynikają z następującej tezy: zastosowanie pakietów wkładów wielostrumieniowych w osadnikach kołowych Dorra w oczyszczalniach ścieków komunalnych zwiększa efektywność procesu sedymentacji. Zakres rozprawy obejmuje następujące główne zagadnienia: badanie procesu sedymentacji zawiesiny komunalnej w warunkach statycznych, badania w warunkach przepływowych sedymentacji wielostrumieniowej na laboratoryjnym stanowisku będącym pojedynczym reprezentantem wkładu wielostrumieniowego, badania w skali ułamkowo technicznej na stanowisku umiejscowionym na różnych etapach procesu oczyszczania ścieków w oczyszczalni, a także badania w postaci implementacji mikrowypełnienia (wkładu wielostrumieniowego) na rzeczywistym badanym obiekcie, jakim jest osadnik kołowy Dorra. W zakończeniu rozprawy będą sformułowane wytyczne do projektu prototypowych przemysłowych urządzeń sedymentacyjnych. W realizacji rozprawy będzie zastosowana metodyka opracowana i udoskonalana w dotychczasowych badaniach. 10

11 1.2. Cel pracy Cel poznawczy: dalsze teoretyczne i doświadczalne poznanie wielostrumieniowego procesu sedymentacji ze szczególnym uwzględnieniem aspektu wypełnienia osadników kołowych Dorra pakietami wielostrumieniowymi Cel praktyczny: uzyskanie danych do projektowania i wdrożenia w oczyszczalniach ścieków komunalnych pakietów wkładów wielostrumieniowych 1.3. Teza pracy Zastosowanie pakietów wkładów wielostrumieniowych w osadnikach kołowych Dorra w oczyszczalniach ścieków komunalnych zwiększa efektywność procesu sedymentacji 1.4. Zakres pracy Zakres pracy obejmuje realizację następujących zadań: 1. Analiza stanu wiedzy w zakresie sedymentacji wielostrumieniowej ze szczególnym zwróceniem uwagi na zawiesiny o charakterze nieziarnistym 2. Badania w warunkach statycznych procesu zagęszczania wielostrumieniowego 3. Badania przepływowe procesu sedymentacji w skali laboratoryjnej 4. Badania przepływowe procesu sedymentacji w skali ułamkowo technicznej 5. Opracowanie wytycznych do projektowania wypełnienia wielostrumieniowego osadników pracujących w oczyszczalniach komunalnych, a w szczególności ich: stopnia wypełnienia miejsca wypełnienia w układzie parametrów pracy 6. Badania w skali półtechnicznej - zastosowanie mikrowypełnienia w postaci pakietu umiejscowionego w osadniku kołowym Dorra 11

12 7. Sformułowanie wytycznych do projektu prototypowych przemysłowych urządzeń sedymentacyjnych oraz wskazanie zakresu zastosowań dla zawiesiny komunalnej 1.5. Główne założenia pracy doktorskiej - badanym medium jest zawiesina komunalna, - zawiesina komunalna ma charakter kłaczkowaty, niejednorodny, - badania prowadzone są na kilku rodzajach stanowisk badawczych: badania na pojedynczym przewodzie, będącym reprezentantem pojedynczego wkładu wielostrumieniowego, badania na stanowisku badawczym stanowiącym przewód przytwierdzony do płyty z możliwością przepływu zawiesiny i regulowania kąta pochylenia przewodu, badania w skali ułamkowo technicznej badania w skali ćwierćtechnicznej na stanowisku będącym pakietem wielostrumieniowym umiejscowionym na rzeczywistym obiekcie, jakim jest osadnik kołowy Dorra Zbiór czynników uwzględniany w badaniach doświadczalnych Efektywność procesu sedymentacji jest miarą jakości działania urządzenia sedymentacyjnego. Efektywność procesu sedymentacji jest określona jako iloraz wartości strumienia masy cząstek, które zostały od zawiesiny oddzielone i wartości strumienia masy cząstek, które ze źródła zostały wprowadzone do przestrzeni sedymentacji. Zbiór czynników wpływających bezpośrednio na efektywność procesu sedymentacji wielostrumieniowej zawiesiny komunalnej: - Natężenie przepływu zawiesiny w przestrzeni sedymentacji, - Udział masowy (zawartość) cząstek stałych w zawiesinie, - Parametry geometryczne osadnika - Parametry geometryczne pojedynczego przewodu, w tym: Długość przewodu, Kształt i wymiary charakterystyczny przekroju poprzecznego, Kąt nachylenia, 12

13 2. Stan wiedzy w zakresie sedymentacji wielostrumieniowej Sedymentacja, będąca procesem grawitacyjnego oddzielenia fazy stałej zawiesiny od fazy ciekłej jest powszechnie stosowana w różnych gałęziach przemysłu, w tym także w gospodarce komunalnej. Zaistnienie różnicy gęstości pomiędzy fazami: stałą i ciekłą zawiesiny jest warunkiem wystąpienia procesu sedymentacji. Gdy faza stała posiada gęstość większą od gęstości fazy ciekłej zachodzi proces sedymentacji, w przypadku odwrotnym, kiedy faza ciekła posiada gęstość większą od fazy stałej zachodzi proces flotacji. Proces ten stosowany jest także do usuwania z zawiesiny zanieczyszczeń, takich jak tłuszcze czy oleje, służy także do klasyfikacji (np. flotacyjne wzbogacanie rud). W urządzeniach zwanych osadnikami przebiega proces sedymentacji, urządzenia te są z reguły zbiornikami przepływowymi o zróżnicowanych konstrukcjach, w których zapewniono na tyle powolny przepływ zawiesiny, aby proces sedymentacji mógł zachodzić. W osadniku przelew stanowi zazwyczaj koryto pilaste. Przez to koryto przelewa się sklarowana zawiesina, Osadniki wywodzą się z Anglii, gdzie w połowie XIX wieku wykopywano doły w ziemi, które z biegiem czasu, po modernizacji przekształcano w osadniki ze wzmacnianymi ścianami oraz dnem. Osadniki te działały okresowo, a osad usuwany był ręcznie. Z historycznego punktu widzenia kolejny etap rozwoju konstrukcji osadników to budowa w 1887 roku osadnika pionowego. W 1900 roku wprowadzono mechaniczny zgarniacz osadu a kolejne lata rozwoju to badania Travisa oraz osadniki zespolone, które wprowadzono w 1903 r. Osadniki zespolone udoskonalił Imhoff w 1906 r. Teoria procesu sedymentacji oparta była o prawa Newtona (1703) oraz Stokesa (1851). Około roku 1900 zaczęto prowadzić szersze badania procesu sedymentacji 13

14 na skalę techniczną, zaś ogłoszenie przez Hazena w 1904 roku teorii, która przeciwstawiła istotne znaczenie powierzchni sedymentacji osadnika nieistotnemu znaczeniu głębokości było przyczynkiem do pojawienia się konstrukcji osadników piętrowych. Osadniki kołowe Dorra posiadają dużą średnicę, natomiast są względnie płytkie, co jest zgodne z teorią Hazena. Efekt Boycotta stanowił podwaliny procesu sedymentacji wielostrumieniowej. Pracując w laboratorium w Londynie Boycott zaobserwował, że krew pacjentów w pochylonych probówkach klarowała się znacznie szybciej niż w probówkach ustawionych idealnie pionowo.[7] (rys 2.1) Rys. 2.1 Wizualizacja doświadczenia Boycotta (Mat. firmy Metso Mineral. 1980) [27] Efekt ten tłumaczy się wzrostem powierzchni sedymentacji w pochylonych przewodach. W takim przypadku powierzchnia sedymentacyjna zawarta jest zarówno w rzucie prostokątnym na powierzchnię poziomą dna osadnika, jak i w rzucie prostokątnym dolnej powierzchni przewodu. Podstawy teoretyczne wykorzystania efektu Boycotta w procesie oczyszczania zawiesin dali Hanzen oraz Culp w 1964 r. Zastosowali oni podział głębokiego strumienia zawiesiny na płytsze strugi. Pozwoliło to na osiągnięcie znacznie wyższych efektywności sedymentacji przy zachowaniu stałej wydajności. Hanzen i Culp zapoczątkowali tym samym nową jakość w urządzeniach sedymentacyjnych, wyposażonych we wkłady wielostrumieniowe. Proces, który realizowany jest w urządzeniach wyposażonych we wkłady wielostrumieniowe nosi nazwę sedymentacji wielostrumieniowej, natomiast elementy wypełnienia osadników nazywane są wkładami lamellowymi. [6] Proces sedymentacji wielostrumieniowej jest zależny od wielu istotnych czynników, których ujęcie w modelu matematycznym nie jest łatwe. Jednakże opracowano pewne modele matematyczne, które znalazły zastosowania 14

15 w projektowaniu wielostrumieniowych urządzeń sedymentacyjnych. Stworzono je dla określenia efektywności sedymentacji i stężenia końcowego; uzależnione od właściwości zawiesiny, a zwłaszcza od uziarnienia cząstek fazy stałej, od parametrów konstrukcyjnych urządzenia i od sposobu prowadzenia procesu, w tym rodzaju przepływu zawiesiny przez przewody wielostrumieniowe [35]. Proces sedymentacji wielostrumieniowej zachodzi w wydzielonych częściach przestrzeni nazywanej elementarnymi przewodami wielostrumieniowymi. Wyróżnia się trzy podstawowe procesy lub układy realizacji procesów (rys. 2.2): 1) przeciwprądowy 2) współprądowy 3) prostopadłoprądowy Rys. 2.2 Układy realizacji procesów sedymentacji wielostrumieniowej [27] 2.1 Sedymentacja przeciwprądowa Najszerzej rozpowszechnionym procesem jest proces sedymentacji przeciwprądowej. W układzie przeciwprądowym kierunki przepływu zawiesiny i zsuwania się osadu są równoległe i przeciwnie skierowane [22]. Zawiesina przepływa ku górze ukośnego przewodu, a osad zsuwa się równolegle ku dołowi przewodu. Proces ten jest stosowany w osadnikach konwencjonalnych. Na rysunku (rys. 2.3), oraz na rysunku (rys. 2.4) przedstawiono szkice rozwiązań konstrukcyjnych osadników konwencjonalnych z warstwami pakietów wielostrumieniowych. 15

16 Rys. 2.3 Osadnik prostokątny (komorowy) z wypełnieniem wielostrumieniowym [32] Rys. 2.4 Osadnik Dorra z pierścieniem wkładów wielostrumieniowych 1 - konstrukcja wsporcza, 2 - pakiety wielostrumieniowe 16

17 Podstawowe, specyficzne cechy konstrukcji osadnika z wkładami wielostrumieniowymi to: 1. Pakiety wkładów wielostrumieniowych stanowią warstwę usytuowaną w strefie klarowania zawiesiny. 2. Od pozostałej części przestrzeni osadnika warstwa jest odgrodzona za pomocą pionowej przegrody wystającej ponad poziom zawiesiny i wspartej na konstrukcji podtrzymującej wkłady. 3. W kołowych osadnikach Dorra pakiety wkładów wielostrumieniowych stanowią warstwę w kształcie pierścienia, który rozciąga się od progu przelewowego ku środkowi osadnika, lub także do ściany osadnika, jeśli okólne koryto przelewowe jest od ściany odsunięte. 4. W osadnikach prostokątnych warstwa pakietów wkładów wielostrumieniowych ma kształt prostokątny z wyłączeniem ewentualnych obszarów zajmowanych przez elementy konstrukcji napędu zgarniacza osadu. 5. W przestrzeni osadnika z wkładami wielostrumieniowymi o podanych wyżej cechach można wyróżnić następujące strefy sedymentacji: strefa nie zawierająca wkładów wielostrumieniowych zawarta między miejscem wpływu zawiesiny a pionowa przegrodą; strefa znajdująca się pod warstwą wkładów wielostrumieniowych; strefa składająca się z wielu elementarnych przestrzeni zawartych w przewodach pakietów wkładów wielostrumieniowych. [1] 2.2 Zastosowanie i rozwiązania konstrukcyjne osadników z wkładami wielostrumieniowymi [27] Stosowane w hutnictwie, górnictwie osadniki Dorra wraz z infrastrukturą, na którą składają się systemy pompowni i transportu zawiesiny stanowią poważną część majątku zakładów produkcyjnych, implementacja w istniejące osadniki Dorra pakietów wielostrumieniowych intensyfikujących proces sedymentacji wydaje się być słusznym celem. Intensyfikacja procesu sedymentacji w istniejących osadnikach Dorra znalazła rozwiązanie polegające na wypełnieniu wnętrz osadników warstwami pakietów wielostrumieniowych. W literaturze zagranicznej można odnaleźć zaledwie zalążki zazwyczaj powierzchownych informacji o osadnikach z wkładami wielostrumieniowymi. Informacje zawierają zwykle ideę rozwiązania technicznego, dane o obiegu wodnym a także osiągnięte niepodważalnie pozytywne wyniki technologiczne 17

18 i ekonomiczne przedsięwzięcia. W Polsce pracuje kilkanaście osadników Dorra wyposażonych we wkłady wielostrumieniowe. Jest to rezultat prac badawczych prowadzonych w Katedrze Urządzeń Technologicznych i Ochrony Środowiska, kierowanych przez J. Gęgę i W.P. Kowalskiego. Do szerzej znanych należą także rozwiązania techniczne opracowane przez St. Bednarskiego [2-5]. Rozwiązania techniczne są chronione patentami polskimi i zagranicznymi w obrębie dwóch podstawowych typów osadników Dorra, a mianowicie z centralnym oraz z peryferyjnym napędem zgarniacza osadu. Osadniki Dorra wyposażone we wkłady wielostrumieniowe zostały zastosowane w obiegach wodnych w hutnictwie (stalownia elektryczna Huty Baildon, stalownia konwertorowa i oczyszczalnia gazu wielkopiecowego Hutyim. T. Sendzimira) i w obiegach wodno mułowych przeróbki mechanicznej i wzbogacania kopalin w górnictwie (zagęszczanie koncentratu flotacyjnego miedzi w Zakładach Górniczych Rudna i w Zakładach Górniczych Lubin, zagęszczanie blendy cynkowej w Zakładach Górniczych Trzebionka, zagęszczanie filtratu powirówkowego w Kopalniach i Zakładach Przetwórstwa Siarki Siarkopol. We wszystkich przypadkach wkłady wielostrumieniowe zostały umieszczone w osadnikach w strefie klarowania zawiesiny, aby obniżać zawartość cząstek fazy stałej w sklarowanej wodzie. Na rysunku 2.5 przedstawiono osadnik kołowy Dorra o średnicy 40 m z wypełnieniem pakietami wielostrumieniowymi. Osadnik ten pełni funkcję zagęszczacza koncentratu flotacyjnego w Kombinacie Górniczo Hutniczym Miedzi Polska Miedź S.A w zakładzie Wzbogacania Rudy Zakładów Górniczych Rudna, zmodernizowanego przez zastosowanie pierścienia wkładów wielostrumieniowych na podstawie prac naukowo badawczych prowadzonych przez Katedrę Urządzeń Technologicznych i Ochrony Środowiska AGH. Powierzchnia sedymentacji w opisywanym osadniku została zwiększona ponad dwukrotnie poprzez zastosowanie wkładów wielostrumieniowych, szerokość pierścienia wkładów wynosiła 2 m. Umożliwiło to obniżenie zawartości części stałych z poziomu 0,5 0,8 kg/m 3 do około 0,03 0,05 kg/m 3. 18

19 Rys. 2.5 Osadnik Dorra wypełniony wkładami wielostrumieniowymi Charakterystyczną cechą modernizacji osadników kołowych Dorra poprzez wypełnienie ich pierścieniem pakietów wielostrumieniowych jest powiększenie powierzchni sedymentacyjnej, warstwa pakietów może zajmować praktycznie całą powierzchnię osadnika, z wyłączeniem strefy centralnej, którą zajmuje komora, zwana rurą zalewową o średnicy od 4 do 6 m. Osadniki z wypełnieniem pakietami wielostrumieniowymi zastosowano w górnictwie, jednakże biorąc pod uwagę znany i stały charakter zawiesiny, zastosowanie ich w istniejących układach było stosunkowo proste. Nie wykonywano jednak badań mających na celu wypełnienie osadników kołowych Dorra pierścieniami pakietów wielostrumieniowych. Na poniższych rysunkach przedstawiono widok osadnika w trakcie prac modernizacyjnych, których celem było wypełnienie osadnika pierścieniem wkładów wielostrumieniowych. Modernizowany osadnik Dorra znajdował się w zakładach utylizacji złomu akumulatorowego, jego średnica wynosiła 15 m. Wkłady wielostrumieniowe wypełniały prawie całą przestrzeń wewnątrz osadnika od komory zalewowej o średnicy około 6 m do okólnego koryta przelewowego. 19

20 Rys. 2.6 Wnętrze osadnika w trakcie prac modernizacyjnych (u góry widok konstrukcji wsporczej, na dole pakiety wkładów wielostrumieniowych ułożone na konstrukcji wsporczej) Wkłady wielostrumieniowe znalazły także zastosowanie w ZUW Zbylitowska Góra. Dokonano obliczeń i opracowano wytyczne do zabudowy osadników pakietami wielostrumieniowymi. Celem prac było zmniejszenie mętności uzdatnianej wody poniżej wartości 3NTU. Po dokonaniu identyfikacji oczyszczanej wody z uwzględnieniem zmian w ciągu roku, wykonaniu obliczeń 20

21 rozmiaru ziarna granicznego dla różnych wariantów wypełnienia osadnika wkładami wielostrumieniowymi, przebadano skład ziarnowy sflokulowanej zawiesiny i sformułowano wytyczne odnośnie wypełnienia osadnika wkładami wielostrumieniowymi. 2.3 Charakterystyka wkładów wielostrumieniowych [27] Aby przeprowadzić proces sedymentacji wielostrumieniowej wnętrze osadnika wypełniane jest lekkimi pakietami przewodów, wykonanych z tworzyw sztucznych. Przykładowe rozwiązania przedstawiono na rysunku 2.7. a) Pakiet firmy KARY GmbH b) Pakiet plaster miodu c) Pakiet firmy Neptune Microfloc d) Pakiet Bednarskiego (1982) 21

22 e) Pakiet zaprojektowany w AGH f) Pakiet mutlised firmy Halson [10] (pat. nr ) Rys. 2.7 Przykłady rozwiązań konstrukcyjnych pakietów wielostrumieniowych Na rysunku 2.7a przedstawiono pakiet wyprodukowany przez niemiecką firmę Kary GmbH na licencji amerykańskiej firmy Microfloc. Pakiety są produkowane w blokach o wymiarach: długość 3 m, szerokość 1 m. Wysokość warstwy pakietów wynosi około 0,6 m. Materiał, z którego pakiet zbudowano to tworzywo ABS. Przewody pakietu są o kwadratowym przekroju (0,05 m x 0,05 m), ich długość to około 0,6 m. Pakiety zostały po raz pierwszy w Polsce zastosowane w oczyszczalni ścieków ze stalowni elektrycznej Huty Baildon pochodzących z mokrego odgazowania stali. Zastosowanie było ukierunkowane na zwiększenie wydajności osadnika i oszczędności zajmowanego miejsca. Po wykonaniu szeregu badań zamiast osadnika o średnicy 36 m wybudowano osadnik o średnicy 15 m. (projekt Biprohutu Oddział w Warszawie). Po zastosowaniu wkładów efektywność sedymentacji utrzymywała się na poziomie 98%. Osadnik był eksploatowany przez około 16 lat, w przeciągu tego okresu nie zaobserwowano żadnych uszkodzeń pakietów. Na rysunku 2.7f zaprezentowano pakiet polskiej firmy Halson, noszący nazwę handlową multised. Wymiary podstawy pakietu wynoszą 1 m x 60 cm, masa wynosi około 15 kg. Pakiet jest produkowany z folii zmodyfikowanego PVC. Z folii kształtowane są pofalowane płyty, które po złączeniu grzbietami tworzą przewody o szerokości około 0,15 m i odległości pomiędzy grzbietami wynoszącej około 0,06 m. Warstwa pakietów ma wysokość około 0,6 m, długość przewodów wynosi około 0,7 m. W 1983 r. pakiet ten przeszedł serię testów na AGH, badania wykazały że dzięki specyficznemu kształtowi przewodów jego powierzchnia sedymentacyjna jest około dwukrotnie większa aniżeli pakiety firmy Kary GmbH. Omówienie rozwiązań konstrukcyjnych innego typu wkładów wielostrumieniowych ENVISED przedstawiono szerzej w pracy [16]. 22

23 2.4 Miary jakości pakietów Miarą jakości pakietów jest tzw. powierzchnia właściwa. Powierzchnia właściwa jest to wskaźnik podający stosunek powierzchni sedymentacyjnej zawartej w pakiecie do powierzchni zajmowanej przez pakiet, czyli do podstawy pakietu. Powierzchnię właściwą oznacza się zwykle przez p w. Dla pakietów omawianych w poprzednim rozdziale powierzchnia właściwa wynosi zwykle około 7. Jest to górne ograniczenie powierzchni właściwej, niespotykane są konstrukcje, w których udałoby się uzyskać wyższą powierzchnię właściwą. Uwaga ta nie dotyczy pakietów o działaniu opartym o sedymentację prostopadłoprądową. [27] 2.5 Wydajność i skuteczność osadników wielostrumieniowych Wydajność i efektywność (skuteczność) osadników wielostrumieniowych jest wyższa aniżeli osadników tradycyjnych. To wiąże się bezpośrednio ze zmianą obciążenia powierzchniowego. Spotykane są dwa określenia obciążenia powierzchniowego i związane z nim sposoby na postrzeganie powierzchni sedymentacji: Obciążenie powierzchniowe jest określane identycznie jak w osadniku pozbawionym wkładów wielostrumieniowych, pomimo ich zastosowania. Pole powierzchni sedymentacji jest wtedy przyjmowane jako pole powierzchni lustra cieczy w osadniku. Jest to równoważne ze stwierdzeniem, że wkłady wielostrumieniowe nie wnoszą dodatkowej powierzchni sedymentacji Obciążenie powierzchniowe jest utożsamiane ze średnią prędkością przepływu zawiesiny wzdłuż przewodu. W takim podejściu jako pole powierzchni sedymentacyjnej przyjmowane jest pole przekroju poprzecznego przewodu. Wartości obciążeń powierzchniowych są do siebie zbliżone i wielokrotnie przewyższające obciążenia konwencjonalnych osadników. W.Olszewski w swoich kilkunastu pracach zawarł opinię, iż obciążenia powierzchniowe w osadnikach z wkładami są wielokrotnie wyższe aniżeli w osadnikach konwencjonalnych. W 1976 r. Schlitter i Markl dokonali analizy przydatności osadników wyposażonych we wkłady wielostrumieniowe, z której wynika że większym obciążeniom powierzchniowym odpowiadają niższe wartości stężeń sklarowanej zawiesiny, co związane jest z niższymi wartościami prędkości opadania cząstek o wielkości granicznej. Wyższa wydajności i efektywność sedymentacji wynika z niższego obciążenia powierzchniowego, jakie występuje w osadnikach wielostrumieniowych, dzięki zastosowaniu w nich dodatkowej powierzchni sedymentacyjnej. 23

24 2.6 Sedymentacja prostopadłoprądowa [23] Efektywność sedymentacji a także wydajność urządzenia sedymentacyjnego są tym większe, im większa jest powierzchnia sedymentacji. Ta natomiast jest tym większa im większa jest długość przewodów, a zarazem mniejszy przekrój poprzeczny. Jednakże wykonanie pakietu o długich i wąskich przewodach jest trudne. Obecnie do sedymentacji przeciwprądowej stosowane są pakiety pozwalające uzyskać 6 7 -krotny wzrost powierzchni sedymentacyjnej. W przypadku prostopadłoprądowego układu zawiesina przepływa w kierunku poziomym, a osad zsuwa się po pochyłych płaszczyznach pod kątem prostym do kierunku przepływu zawiesiny. W tym układzie wzrost powierzchni sedymentacyjnej nie jest ograniczony względami konstrukcyjnymi tak jak w przypadku układów przeciwprądowych, ponieważ ukośne powierzchnie nakładają się, tworząc stos przypominający swym kształtem jodełkę (rys 2.8) Rys. 2.8 Zasada rozwoju powierzchni sedymentacyjnej w pakiecie prostopadłoprądowym Istnieje wiele konstrukcji pakietów wielostrumieniowych. Ich przekroje poprzeczne pokazane są na rysunku (rys. 2.9) 24

25 Rys. 2.9 Różne przekroje poprzeczne prostopadłoprądowych pakietów wielostrumieniowych autorstwa S. Bednarskiego [9] [31] 2.7 Sedymentacja współprądowa [14] Proces sedymentacji współprądowej jest najmniej rozpowszechniony spośród trzech przedstawianych. Powodem tego jest wspólny odpływ zawiesiny sklarowanej i odpływ osadu. Powoduje to mieszanie się tych dwóch strumieni zawiesiny. Dzięki tej właściwości układ współprądowy wykorzystywany jest do zagęszczania osadów. 25

26 Szersze zastosowanie znalazła koncepcja wykorzystująca jednocześnie współprądową i przeciwprądową sedymentację. Jest to układ jednoczesnego klarowania i zagęszczania. Rys Układ realizacji jednoczesnego klarowania i zagęszczania Nadawa dostarczana jest pomiędzy dwie warstwy wkładów. W górnej warstwie odbywa się przeciwprądowa sedymentacja (klarowanie zawiesiny), w dolnej współprądowa sedymentacja (zagęszczanie osadu). Dzięki zastosowaniu takiego rozwiązania możemy w zmniejszyć liczbę potrzebnych urządzeń do wykonania zadania, przez co proces technologiczny byłby mniej energochłonny. Zastosowanie jednego urządzenia, które jest w stanie oczyścić zawiesinę na tym samym, lub lepszym poziomie, co dwa osobne urządzenia, pozwala na zmniejszenie obszaru potrzebnego na umiejscowienie oddzielnych urządzeń. Dzięki temu zostaje znacznie obniżony koszt całego procesu. 26

27 3. Stan wiedzy w zakresie zawiesin komunalnych [11] Zawiesiny komunalne, traktowane jako ścieki zanieczyszczone związkami organicznymi są przykładem zawiesin kłaczkowatych Zawiesiny komunalne mają charakter ściśle nieziarnisty, w osadnikach wtórnych, po oczyszczaniu biologicznym osad ten zachowuje się zupełnie inaczej aniżeli osad ziarnisty. W przypadku zawiesin ziarnistych każda cząstka opada niezależnie od innych i ze stałą prędkością. Cząstki opadając w osadnikach zlepiają się, stając się coraz większe i cięższe a zatem wzrasta ich szybkość opadania. Dla osadu kłaczkowatego duże znaczenie ma również przepływ pionowy, gdyż ścieki przepływają jak gdyby przez filtr złożony z opadających kłaczków, wskutek czego zatrzymują się w dużej ilości nawet bardzo drobne zawiesiny, które normalnie nie byłyby zdolne do opadnięcia. Wlot dopływających ścieków może znajdować się wtedy nawet wewnątrz wytrąconego już osadu. W ten sposób ścieki przy wznoszeniu filtrują się w pewnym stopniu przez własny osad. Osad zawieszony, stanowiący filtr musi być jednak zwarty i nie może być rozrywany strugami przepływającej cieczy. Jeżeli taka możliwość występuje, korzystniejsze jest zasilanie osadnika z przerwami. Prędkość pionowego przepływu ścieków przy typowo kłaczkowatym osadzie, np. przy osadzie czynnym lub chemicznym strącaniu przyjmuje się zależnie od wielkości kłaczków 0,5-3 m/h. Obecnie w użyciu są osadniki kołowe Dorra z centrycznymi układami kolumn rozprowadzających. W osadnikach tych głębokości są nieco zwiększone (np. do 5,0 m), a średnice mniejsze. Dopływ zakłada się dość głęboko, tak że uzyskuje się przepływ częściowo skierowany w kierunku pionowym. Jeżeli ścieki zawierają bardzo dużą ilość zawiesin kłaczkowatych, np. w osadnikach wtórnych po osadzie czynnym, proces opadania może ulec 27

28 zupełnemu zakłóceniu przez prądy wsteczne ścieków sklarowanych, wywołane dopływem bardziej gęstej cieczy. Przebieg tego zjawiska w osadnikach okrągłych opisał Anderson, a w osadnikach prostokątnych Gould. Gęstość ścieków dopływających do osadnika, a obciążonych zawiesinami jest większa od gęstości ścieków sklarowanych. Ścieki bardziej gęste opadają szybko na dno, płyną wzdłuż dna do końca osadnika i zmuszają ścieki już sklarowane do przepływu w odwrotnym kierunku, tzn. do dopływu. Podobne zakłócenia w przepływie występują zawsze, jeżeli dopływają ścieki, które z różnych przyczyn zmieniły swoją gęstość, np. na skutek obniżania temperatury lub stężenia soli w nich zawartych. Ścieki nie płyną wówczas równomiernie przez osadnik, lecz powstają zawirowania, mimo jak najbardziej właściwie wykonanych wlotów do osadnika. Powstawaniu prądów wstecznych można przeciwdziałać przez zachowanie odpowiedniego stosunku głębokości do długości. Prądom wstecznym w głębokich osadnikach można przeciwdziałać przez odpowiednią konstrukcję lub fachową obsługę. Tak np. Gould w osadnikach wprowadził zgarnianie osadu zgodnie z kierunkiem przepływu ścieków, zaś spust dla osadów umieścił w końcu osadnika, gdyż gęste ścieki obfitujące w zawiesiny obierają sobie właśnie taką drogę. 3.1 Osad czynny ogólna charakterystyka procesu [38] Osad czynny to kłaczkowata zawiesina, zasiedlona przez drobnoustroje o rozmiarach od 50 do 100 µm. Osad czynny powinny zasiedlać mikroorganizmy zdolne do prowadzenia: utleniania związków organicznych, nitryfikacji, denitryfikacji bądź wykazujących zdolność do nadmiernego kumulowania fosforu. W obecności tlenu i mikroorganizmów po zatrzymaniu zanieczyszczeń na kłaczkach osadu czynnego następuje utlenianie związków organicznych i przyrost masy osadu. W układzie konwencjonalnym proces oczyszczania polega na intensywnym natlenianiu mieszaniny ścieków i osadu czynnego w celu utrzymania odpowiedniego stężenia tlenu rozpuszczonego i utrzymania osadu w stanie zawieszenia. Po procesie napowietrzania mieszaninę tę odprowadza się do osadnika wtórnego, gdzie następuje oddzielenie osadu od oczyszczonych ścieków. Osad po zagęszczeniu w osadniku wtórnym jest tylko częściowo recyrkulowany (zawracany) do komory napowietrzania. Pozostała jego część jako osad nadmierny jest kierowana do procesów unieszkodliwiania i dalszego zagospodarowania. Oczyszczone ścieki odprowadzane są do odbiornika ścieków. W ściekach występują także zanieczyszczenia nierozkładalne przez mikroorganizmy. Dlatego zanieczyszczenia, które nie uległy asymilacji lub rozkładowi znajdują się w ściekach odpływających z oczyszczalni. Instalacje osadu 28

29 czynnego mogą pracować zarówno w sposób ciągły, jak również mogą być tylko okresowo zasilane ściekami. 3.2 Wybrane wskaźniki ścieków komunalnych [38] W procesie oczyszczania osadu czynnego do komory napowietrzania doprowadzane są ścieki mechanicznie oczyszczone, które zawierają zanieczyszczenia organiczne i/lub nieorganiczne, głównie w postaci rozpuszczonej lub koloidalnej. Chemizm substancji organicznych jest podstawowym parametrem ścieków. Ilość zanieczyszczeń organicznych w ściekach dopływających w ciągu doby do komory napowietrzania podawana jest jako dobowy ładunek zanieczyszczeń L z. Jest to iloczyn stężenia zanieczyszczeń wyrażonych przykładowo wskaźnikiem BZT 5 i ilości dopływających ścieków w ciągu doby. L z C Q [g BZT 5 /d] z gdzie: L z dobowy ładunek zanieczyszczeń organicznych wyrażony wskaźnikiem BZT 5 [g BZT 5 /d]; C z stężenie zanieczyszczeń organicznych w ściekach dopływających do bioreaktora wyrażone wskaźnikiem BZT 5 [g BZT 5 /m 3 ] [18]; Q ilość ścieków dopływających do oczyszczalni w ciągu doby [m 3 /d]. a) Temperatura Temperatura ścieków dopływających do oczyszczalni ścieków jest uzależniona od wielu czynników np. rodzaju ujęcia wody wprowadzanej do wodociągu (powierzchniowe, głębinowe), systemu i rozległości sieci kanalizacyjnej, ilości i rodzaju dopływających ścieków a także pory roku. Temperatura ścieków ma wpływ na ich własności fizyczno chemiczne ich gęstość, lepkość, rozpuszczalność tlenu a także na szybkość procesu biodegradacji. W zależności od temperatury ścieków ustalany jest taki zespół organizmów, dla którego dana temperatura jest optymalna. Organizmy te mogą być zaliczane do grupy psychrofilowych, mezofilowych, czy termofilowych. Wymiana mikroorganizmów z poszczególnych grup może zachodzić w związku ze zmianą pór roku. W przypadku bakterii nitryfikacyjnych, zaliczanych do mezofili obniżenie temperatury może spowodować zahamowanie procesu nitryfikacji. b) ph ph ścieków zarówno komunalnych, jak i bytowych waha się w zakresie od 6,5 do 7,5. Najbardziej optymalny zakres ph dla prawidłowo rozwijającej się mikroflory osadu czynnego to 7,0 7,5. Jeśli ph spadłoby do

30 spowodowałoby nadmierny rozwój kwasolubnych, w tym nitkowatych drobnoustrojów, które są niekorzystne dla procesu osadu czynnego. c) Zasadowość Zasadowość ścieków określa się obecnością wodorowęglanów, węglanów i wodorotlenków. Zasadowość ścieków dopływających do komór osadu czynnego powodowana jest zawartością wodorowęglanów w wodzie wodociągowej oraz amoniaku w ściekach. Zmiany w zasadowości mogą być także spowodowane przez różne rodzaje ścieków. Zasadowość ścieków bytowych zwykle mieści się w zakresie od 150 do 600 mg CaO 3 /dm 3. Zasadowość ta ulega zmianie podczas nitryfikacji oraz denitryfikacji. W procesie nitryfikacji zostaje obniżona zasadowość, a podczas biodegradacji substratu organicznego i denitryfikacji następuje wzrost zasadowości. 3.3 Oczyszczanie ścieków osadem czynnym [38] Do pełnego oczyszczania ścieków nie wystarcza samo napowietrzanie, lecz konieczny jest czynny udział zespołu drobnoustrojów. Tak powstała metoda oczyszczania ścieków osadem czynnym". Sposób ten polega na oczyszczaniu ścieków kłaczkami ożywionymi" (czyli zawiesiną złożoną z drobnoustrojów). Proces ten jest do pewnego stopnia sztucznie spotęgowanymi procesem samooczyszczania wody. Przebieg jego jest zupełnie identyczny jak w naturalnej rzece lub jeziorze z tą tylko różnicą, że w komorach napowietrzania jest zgromadzona w małej objętości bardzo duża liczba drobnoustrojów. Ich powierzchnia wynosi 2 do 10 tys. m 2 na każdy m 3 komory napowietrzania. Sztuczne doprowadzenie powietrza zaopatruje drobnoustroje w odpowiednią ilość tlenu, a utrzymanie wody w stałym ruchu uniemożliwia opadanie kłaczkowatego osadu czynnego na dno, gdzie z braku tlenu obumarłby. Biologiczne oczyszczanie ścieków przebiega dwufazowo. W pierwszej fazie w celu uzyskania energii zostaje utleniona część związków organicznych i równocześnie tworzą się nowe komórki. W drugiej fazie bakterie łączą się w łatwo opadające kłaczki. Według Tenneya i Stumma biologiczne kłaczkowanie możliwe jest wówczas, gdy przyrost bakterii ustaje i zostaną wydzielone naturalne związki spolimeryzowane o długości łańcucha dostatecznej do połączenia bakterii. Druga faza zajmuje zasadniczą część napowietrzania. Kłaczki osadu czynnego składają się zatem z galaretowatej zooglei, w której żyją bakterie i pierwotniaki. Węgiel organiczny, azot i fosfor w masie osadu jest w stosunku 5: l :0,15. 30

31 Prędkość oczyszczania ścieków jest proporcjonalna do stężenia bakterii względnie osadu czynnego. Prędkość rozwoju bakterii rośnie wraz ze stężeniem substancji pożywkowej (substratu). Z tego powodu w układach wysokoobciążonych można w łatwy sposób osiągnąć częściowe oczyszczenie biologiczne. W porównaniu ze złożami zraszanymi osad czynny wykazuje wyższy stopień oczyszczenia, jest zawsze pozbawiony much i zapachów, a jego sprawność jest zarówno zimą, jak i latem prawie jednakowa. Najwyższą sprawność osiąga się przy 30 C. Do ujemnych cech oczyszczalni z osadem czynnym należą: trudniejsza obsługa, większe ilości silnie uwodnionego osadu, co wymaga zwiększenia komór fermentacyjnych i urządzeń do suszenia osadu. Oczyszczalnia z osadem czynnym powinna mieć dobre osadniki do oczyszczania wstępnego. Osadniki powinny być zawsze powiązane z komorami fermentacyjnymi, aby w nich przerobić również nadmiar osadu czynnego. W ten sposób praca biologicznej części oczyszczalni sprowadza się tylko do przerobienia zawiesin trudno opadających oraz rozpuszczonych związków organicznych zawartych w ściekach. Są jednak wyjątki, gdy można osadniki wstępne ograniczyć lub ich poniechać. Do ścieków oczyszczanych w osadnikach wstępnych osad czynny jest doprowadzany z osadników wtórnych. Mieszanina ta odpływa następnie do właściwych komór napowietrzania osadu czynnego. Komory napowietrzania powinny dostarczyć niezbędnej ilości tlenu do przebiegu procesów biologicznych. Powinny one zapewnić czas przepływu mieszaniny osadu ze ściekami wystarczający do regeneracji wyczerpanego osadu powrotnego zawracanego z osadników wtórnych oraz do adsorpcji zanieczyszczeń organicznych na kłaczkach osadu czynnego. Przy tym wymaga się, aby osad był mało uwodniony i łatwo opadał. W celu jak najlepszego wykorzystania wprowadzanego tlenu, komory osadu wykonuje się z przykryciem oraz w formie wielostopniowej kaskady. Osad staje się bardziej zwarty. Urządzenia można zatem obciążać w podwójnej wysokości. Korzyści występują przy bardzo stężonych ściekach, w ciasnych warunkach terenowych oraz gdy ścieki mają intensywny zapach. Wielkość komory, tj. dopuszczalne obciążenie określonymi ściekami, można obliczyć z ilości ścieków, jeżeli w badaniach w skali technicznej ustalono czas napowietrzania niezbędny w danej komorze w celu uzyskania pożądanego stopnia oczyszczenia. Czas napowietrzania określa się niekiedy wg zawartości mieszaniny komorach, tj. ścieków i osadu powrotnego. Słuszniej jest jednak określać czas napowietrzania wg ilości samych ścieków, gdyż ścieki zawarte w osadzie powrotnym już były raz oczyszczane w komorach napowietrzania. 31

32 4. Efektywność sedymentacji zawiesiny polidyspersyjnej [27] Efektywność sedymentacji jest miarą zdolności urządzenia sedymentacyjnego. Obliczenia tej miary w osadnikach wielostrumieniowych opierają się na prawie sedymentacji Hazena. 4.1 Prawo Hazena Aby rozpocząć rozważanie problemu musimy założyć, że osadnik jest prostokątny o długości l i szerokości b, oraz głębokości h. W osadniku tym 3 m zawiesina w ilości Q przepływa poziomo z prędkością u równą h Q u (4.1) bh a ziarna o wielkości granicznej d opadają z prędkością v d ). Zasięg tych g g ( g ziaren równy jest długości osadnika l. Porównując czas przepływu ziarna przez osadnik t 1 i czas opadania tego ziarna z wysokości h na dno osadnika t 2, otrzymamy: l h t1 t2 u v (4.2) ( ) g d g 32

33 skąd l h (4.3) u v g d ) ( g Q h hu bh Q Q vg ( d g ) (4.4) l l bl F Równanie to można przekształcić do postaci wyrażającej prawo Hazena: Q vg ( d g ) q (4.5) F Mówi ono, że: prędkość opadania ziaren o wielkości granicznej jest równa ilorazowi natężenia przepływu zawiesiny i pola powierzchni osadnika.[36] Rys Szkic do wyprowadzenia prawa Hazena Iloraz (4.5) nazywamy wskaźnikiem obciążenia powierzchniowego 3 m 3 q 2. Podaje on ile m zawiesiny oczyszcza się na 1 metrze kwadratowym hm osadnika w czasie 1 godziny. Jest to bardzo ważny parametr, ponieważ wiąże wymiary osadnika, natężenie przepływu zawiesiny, oraz właściwości materiału ziaren. 33

34 Prawo Hazena wyprowadzone zostało dla sedymentacji w osadnikach prostokątnych. Dla sedymentacji w osadnikach kołowych analogiczne prawo wyprowadził Dohen. 4.2 Ogólna metoda obliczeń efektywności sedymentacji W osadnikach z pochylonym dnem, a także w przewodach wkładów wielostrumieniowych, słuszne jest równanie sedymentacji Hazena. Dlatego przyjmuje się, że w osadniku, w którym zainstalowano pierścień wkładów wielostrumieniowych następuje wzrost powierzchni sedymentacji według równania F F 1 F 2 (4.6) F1 - powierzchnia sedymentacyjna zawarta w strefie centralnej F - powierzchnia sedymentacyjna zawarta w pakietach 2 Powierzchnia F 2 jest iloczynem powierzchni posadowienia warstwy/pierścienia pomnożonej przez charakterystykę zastosowanych pakietów. Charakterystyka ta wyraża iloraz wzrostu powierzchni sedymentacyjnej w stosunku do powierzchni zajmowanej przez pakiety. Współczynnik F F 1 F2 p w p w przyjmuje się zazwyczaj 4 7. (4.7) Kolejne obliczenia oparte są na teorii sedymentacji Campa. Teoria ta mówi, że ziarna opadające na dno osadnika można podzielić na dwie grupy: 1) większe od ziarna granicznego, 2) część ziaren mniejszych od ziarna granicznego. Efektywność sedymentacji jest więc sumą masy wszystkich ziaren o wielkości większej od granicznej, oraz częścią masy ziaren o wielkościach mniejszych od granicznych proporcjonalnie do ilorazu ich prędkości opadania i prędkości opadania ziaren granicznych. Przy założeniu, że rozkład wielkości ziaren jest interpolowany jako zmienna losowa o funkcji gęstości f(d), efektywność sedymentacji można zapisać: g v( d d g ) f ( d) dd * f ( d) dd (4.8) v( d d ) d g d 0 g 34

35 lub po przekształceniach dg 2 ( d) dd f ( d) d dd I1 I 2 0 f (4.9) d g lub z wykorzystaniem funkcji rozdziału Trompa T(d) 0 T ( d) f ( d) dd (4.10) Obliczenie efektywności wymaga więc obliczenia dwóch całek I 1 i I 2. Jest to możliwe we wszystkich trzech przypadkach opisu rozkładu wielkości ziaren. Rys Położenie pól I 1 i I 2 względem ziarna o wielkości granicznej d g a) Rozkład logarytmiczno-normalny: Podstawiając d m a ln (4.11) Przekształcamy całkę I 1 w całkę identyczną z dystrybuantą rozkładu normalnego (a) 35

36 ln d m ln d m I1 exp a da (4.12) 2 2 Za pomocą podstawienia (4.12), a następnie podstawienia b a 2 wskazanego przez tożsamość (4.13) 1 1 2m 2a a 2 a 2 2 2m 2 (4.13) 2 2 przedstawiamy całkę I 2 w postaci m * ln m I 2 exp exp b db (4.14) 2 2 d g czyli w postaci iloczynu pewnej stałej (zależnej od parametrów identycznej z dystrybuantą rozkładu normalnego (b) I 2 exp ln d 2 g m 2 m * 2 m i ) i całki (4.15) Ostatecznie, dla rozkładu logarytmiczno-normalnego otrzymujemy wzór na efektywność sedymentacji ln d g m ln d 2 g m d ;, 1 exp 2 ln * g m d g m 2 (4.16) b) Uogólniony rozkład gamma: d Dokonujemy podstawienia a d otrzymując: 0 n d d g g p, d0 1 d 0 p1 a I 1 a e dd (4.17) ( p) ( p) 0 n 36

37 ) (, 2 * ) ( d d n g a n p g p d d n p d da e a p d I (4.18) Efektywność sedymentacji wynosi: ) (, 2 * ) (, 1 ),, ; ( p d d n p d d p d d p n p d d n g g n g g (4.19) c) Rozkład Rosina-Rammlera-Benetta: W tym przypadku przeprowadzamy podobne obliczenia jak podczas obliczania efektywności sedymentacji przy uogólnionym rozkładzie gamma, lecz dla parametru kształtu p=1. Efektywność sedymentacji wyraża równanie: n g g n d d n d d d d , 2 1 * exp 1 (4.20)