Sedymentacja i Flotacja

TECHNOLOGIA WODY II

- WYKŁAD 2 –

Sedymentacja i Flotacja

1.

— zatokowe

— brzegowe

ródła wody w Polsce

1.Powierzchniowe 2.Wgł bne

H₂O

zw. organiczne

CO₂ agresywny zawiesiny

zapach nadmierny ChZT

pestycydy barwa i m tno mikrofauna

wirusy bakterie zapach ro linny

elazo, mangan

twardo metale CH₄; H₂S

8.

Woda w przyrodzie

Woda w przyrodzie cd

H₂O

zw. organiczne

CO₂ agresywny zawiesiny

zapach nadmierny ChZT

pestycydy barwa i m tno mikrofauna

wirusy bakterie zapach ro linny

elazo, mangan

twardo metale CH₄; H₂S

filtracja (powolna)

sedymentacja cedzenie

dezynfekcja wi zanie

chemiczne

sorpcja

utlenianie koagulacja

napowietrzanie

sedymentacja filtracja (szybka)

8.

Opisz wła ciwo ci wód powierzchniowych i podziemnych

1. mineralizacja

2. gazy rozpuszczone 3. twardo

4. CO₂

5. mikrozanieczyszczenia 6. mikroorganizmy

7. m tno i barwa 8. st enia Fe i Mn

W.powierzchniowe W.podziemne Składnik wody

4

+/-- +/-- ++ +-

+/-+ ++ -- -+

3. JAKO WODY

— Przemysł: normy bran owe ruchowe

— Rolnictwo: st enie mikroorganizmów

— Ludno : Rozporz dzenie Ministra Zdrowia z dnia 4.09.2002 w sprawie warunków jakim powinna odpowiada woda do picia i na

potrzeby gospodarcze (Dziennik Ustaw RP nr 82 z dnia 4.11.2002 r.)

4. WARUNKI ORGANOLEPTYCZNE JAKIM WINNA ODPOWIADA WODA DO PICIA

Barwa mg Pt/dm³ < 15

M tno mg SiO₂/dm³ < 1

Organizmy niewidoczne

Plamy olejowe niewidoczne

Zawiesina niewidoczna

Zapach akceptowalny

Wska nik Jednostka Wymagania

5. WARUNKI FIZYKOCHEMICZNE JAKIM

POWINNA ODPOWIADA WODA DO PICIA

Wska nik Jednostka NDS

Amoniak mg/l 0,5

Azotany mg/l 50

Azotyny mg/l 0,1

Chlor mg/l 0,3

Chlorki mg/l 250

Fluorki mg/l 1,5

Siarczany mg/l 250

5. WARUNKI FIZYKOCHEMICZNE (c.d.)

Wska nik Jednostka NDS

Cynk mg/l 3

Kadm mg/l 0,003

Mangan mg/l 0,05

Ołów mg/l 0,01

elazo mg/l 0,2

Benzen µµµµg/l 1 (0,001)

Benzo(a)piren µµµµg/l 0,01 (WWA)

ΣΣΣΣWWA µµµµg/l 100

Chlorofenole µµµµg/l 10 (ppz)

5. WARUNKI FIZYKOCHEMICZNE (c.d.)

Wska nik Jednostka NDS

Chloroform µµµµg/l 30 (THM)

ΣΣΣΣ THM µµµµg/l 100

PCB µµµµg/l 0,5

ΣΣΣΣ pestycydów µµµµg/l 0,5

ChZT (^KMnO4) µµµµg/l 5000

6. WARUNKI BAKTERIOLOGICZNE JAKIM POWINNA ODPOWIADA WODA DO PICIA

Wska nik Dopuszczalna Obj to

liczba bakterii próbki

Escherichia coli 0 100

Enterokoki 0 100

Clostridium perfiringes 0 100

Ogólna liczba bakterii (37°C) 20 1

Metno ; NTU; 1mgPt/dm3 = 1-3 NTU

Układy technologiczne

— usuwanie zawiesin

F D Wu

Wz

Wu

Wz F

S

D

Wu - woda uzdatniona Wz - woda zasilaj ca F - filtracja

D- dezynfekcja S - sedymentacja K - koagulacja U - utlenianie

Zawiesiny ‘grube’

?

Układy technologiczne (c.d.)

— usuwanie barwy i m tno ci

Wu

Wz D

Wu - woda uzdatniana Wz - woda zasilaj ca F - filtracja

D- dezynfekcja S - sedymentacja K - koagulacja U - utlenianie

Wz Wu

F S

K U

D F

S K

— usuwanie zawiesin, barwy i m tno ci - zawiesiny grube???

TECHNOLOGIA WODY WYKŁAD

USUWANIE ZANIECZYSZCZE MECHANICZNYCH

ZANIECZYSZCZENIA MECHANICZNE- podział metod usuwania

przegrody

-kraty -sita -µ-sita -przegrody -membrany

zło a porowate

-jednowarstwowe -wielowarstwowe -powolne

-szybkie -ci głe

-okresowe(płukane) -od elazianie

-wymiana jonowa -adsorpcja

zło a namywane

-µ-filtracja -u-filtracja -n-filtracja -oo (RO)

-liczba warstw

-szybko c filtracji

-ciagło pracy

-^specjalne

-perforowane

-^siatkowe Sedymentacja/Flotacja Filtracja

2.

Podział zanieczyszcze mechanicznych

—

—

—

2. Rozmiary substancji

rozpuszczonych i zawiesin

2.1. Rozmiary i masy cz steczkowe

-6 -5 -4 -3 -2 -1 0 1 2 3 lg Φ Φ (µm)

10² 10⁴ 10⁶ M. cz stecz. (D)

10^-6 10^-5 10^-4 10^-3 0.01 0.1 1 10 10² 10³

cz stki

rozpuszczone koloidy zawiesiny

2.2. Składniki wód w przyrodzie

-6 -5 -4 -3 -2 -1 0 1 2 3 lg Φ Φ (µm) 10^-6 10^-5 10^-4 10^-3 0.01 0.1 1 10 10² 10³

krzemionka glony

cysty bakterie

minerały ilaste kwasy

fulwowe kwasy huminowe wirusy

j.pr. j.zło one

k z

r k

2.3. Metody fizyczne rozdzielania

-6 -5 -4 -3 -2 -1 0 1 2 3 lg Φ Φ (µm) 10^-6 10^-5 10^-4 10^-3 0.01 0.1 1 10 10² 10³

filtry

Φ

n u µ cedzenie

Φ,ς

filtracja u-wir. wirowanie sedymentacja RO

ED Destyl.

D T, Rozp.

ρ

Procesy jednostkowe usuwania zanieczyszcze mechanicznych

1.Cedzenie

- kraty, sita, mikrosita

- membrany (u-,mikro-,nano-filtracja) - odwrócona osmoza

2.Filtracja cz stkowa (przez zło a) - powolna, pospieszna

- jednowarstwowe, wielowarstwowe - specjalne, w tym ci gła

3.Sedymentacja

3. USUWANIE ZANIECZYSZCZE MECHANICZNYCH W WYNIKU CEDZENIA

—

•

•

•

Schemat kraty stałej oczyszczanej mechanicznie:

1 - pr ty kraty, 2 - ła cuch Galla ze zgrzebłami

3. USUWANIE ZANIECZYSZCZE MECHANICZNYCH W WYNIKU CEDZENIA (c.d.)

— sita

•

•

•

•

5 × 5 mm sita g ste

1 × 1 mm sita bardzo g ste

3. USUWANIE ZANIECZYSZCZE MECHANICZNYCH W WYNIKU CEDZENIA (c.d.)

— mikrosita

• s to b bny obrotowe pokryte nierdzewn siatk metalow o oczkach od 65 do 23 µµµµm, pokrywaj ce siatk podtrzymuj c (2×2 mm)

• szybko obrotu b bna 0,3 m/s

• wydajno 30-80 m³/m²·godz (10-20×10³ m³/doba)

Schemat działania mikrosita obrotowego

1 - dopływ wody surowej, 2 - b ben z siatki,

3 - dopływ wody płucz cej,

4 - lej zbieraj cy spłukiwany osad, 5 - odpływ wody popłucznej,

6 - nap d b bna sita, 7 - odpływ wody po sicie

Schemat mikrosita.1- dopływ wody, 2- b ben mikrosita, 3- instalacja do płukania, 4- lej zbiera- j cy wod po płukaniu z odpływem do kanalizacji, 5- kanał odpływowy, 6- silnik nap dzaj cy mikrosito

Procesy jednostkowe usuwania zanieczyszcze mechanicznych

1.Cedzenie

- kraty, sita, mikrosita

- membrany (u-,mikro-,nano-filtracja) - odwrócona osmoza

2.Filtracja cz stkowa (przez zło a) - powolna, pospieszna

- jednowarstwowe, wielowarstwowe - specjalne, w tym ci gła

3.Sedymentacja

ZANIECZYSZCZENIA MECHANICZNE- podział metod usuwania

przegrody

-kraty -sita -µ-sita -przegrody -membrany

zło a porowate

-jednowarstwowe -wielowarstwowe -powolne

-szybkie -ci głe

-okresowe(płukane) -od elazianie

-wymiana jonowa -adsorpcja

zło a namywane

-µ-filtracja -u-filtracja -n-filtracja -oo (RO)

-liczba warstw

-szybko c filtracji

-ciagło pracy

-^specjalne

-perforowane

-^siatkowe Sedymentacja/Flotacja Filtracja

S EDYMENTACJA - definicja

— w technologii wody i cieków proces jednostkowy, którego zadaniem jest usuwanie zawiesin

— opadanie zawiesin w wyniku działania siły ci ko ci

Technologia Wody

W ^{YKŁAD 3}

S EDYMENTACJA

I F ^LOTACJA

Metno ? Jednostki NTU;

mgPt/dm3

1mgPt/dm3 = 1-3 NTU

4. USUWANIE ZAWIESINY W WYNIKU SEDYMENTACJI

DEFINICJA — proces jednostkowy maj cy na celu usuwanie zawiesiny

— usuwanie zawiesiny z roztworu na skutek opadania pod wpływem siły ci ko ci

Cele sedymentacji

— klarowanie cieków

— wydzielanie ze cieków cz stek stałych --- klarowanie wody

SEDYMENTACJA - c.d. (1)

Siły działaj ce na cz stki zawiesiny

a) ci ko ci i wyporu

( ) ^g

6 W d

-

G = Π

−

b) oporu

2 F v

R = ⋅ ⋅

d v g

d

Re = v ⋅ ⋅ = ⋅

powierzchnia czołowa cz stki współczynnik oporu λ = f(Re)

l. dynamiczna

lepko kinematyczna

G R W

Zale no współczynnika oporu λ λ λ od liczby Re przy opadaniu cz stekλ

24/Re

Re0,6

= 18,5 λ

= 0,44 λ

SEDYMENTACJA - c.d. (2) G = R

( )

2 v 4

g d 6

d ² _s²

c

3 − = Π ⋅ ⋅

Π

( )

3 v_s = 4d ^c −

(

)

s f d , ,

v = d v

24 Re

24

s ⋅ ⋅

=

=

( )

d 18 g

v_s = 1 ⋅ ^{2 c} −

dla ruchu laminarnego

λλλλ

Re

10^-1 0 1 2 3 10⁴

10^-3 10^-2 10^-1 0 10¹ 2 3 4

Re = 24 λ

Re0,6

= 18,5 λ

= 0,44 λ

0,4 500

Pr dko opadania cz stek kwarcu w wodzie o tempe- raturze 10°C w zale no ci od rednic.

G sto kwarcu 2,63 g/cm³

Zakres du ych zbiorników zaporowych

Zakres piaskowników

Zakres osadników sztucznych

Strefa

Koagulacji koloidy

10^-6 10^-5 10^-4 10^-3 10^-2 10^-1 0

10^-5 10^-4 10^-3 10^-2 10^-1 0 cm/sV

cmF koloidy

koagulacja Du e zbiorniki wodne Osadniki

Piaskowniki

G sto zawiesin - ρρρρ

1,002 < ρρρρ < 3,50

glina 1,8 - 2,2

kwarc 2,65

Al (OH)₃ 1,002

Fe(OH)₃ 1,009

Mg(OH)₂ 1,05

CaCO₃ 1,43

Pr dko opadania cz stek w wodzie o temperaturze 10°C w zale no ci od ich rednicy i g sto ci.

10^-5

-4 -3 -2 -1

0

1 2

10³ cm/sV

rednica 10^{-4 -3 -2 -1} 0 ¹ (m)

ρρρρ = 5

ρρρρ = 1,001 2,5

1,1 1,01

SEDYMENTACJA - c.d. (3)

CZ STKI KULISTE A NIEKULISTE

d_z - rednica zast pcza ( rednica kuli o obj to ci równej...) Φ

ΦΦ

Φ - sferyczno (iloraz pow. kuli do pow. cz stki)

d 1 d

z

≥

≤ 1

Φ

Cz stki idealne a cz stki rzeczywiste

— zło ony kształt rednica zast pcza

powierzchnia zast pcza

— poło enie cz stki w stosunku do kierunku ruchu λλλλ = f (Re, ΦΦΦ)Φ

Zale no pomi dzy parametrami opadania grawitacyjnego cz stek w wodzie

10^-4 10⁶ pr dko ciCz

rednicyCz

10^-4 10⁷

10⁰

kuliste

zaokr glone kanciaste podłu ne blaszkowate

Opadanie cz stek rzeczywistych

Urz dzenia

Odstojniki

Osadniki (proces obj to ciowy)

— przepływ poziomy

— przepływ pionowy Urz dzenia (proces strefowy)

— klarowniki

— pulsatory

— akcelatory

Osadnik poziomy z zgarniaczem ła cuchowym

Osadnik poziomy z od rodkowym przepływem wody

Osadnik poziomy -wzdłu ny z wydzielon komor flokulacji i komor szybkiego mieszania

A

B

Mechanizm sedymentacji

A. Ruch cz steczek zawiesin w osadniku o przepływie poziomym B. Schemat osadnika o przepływie poziomym

ηηηη=h/H

SEDYMENTACJA - c.d. (4)

OSADNIKI I ODSTOJNIKI

Skuteczno usuwania zawiesin

d 0 d

D 0 D

C C C

% Ł 100

Ł Ł

= −

− ⋅

=

SEDYMENTACJA - c.d. (5)

Q t

= V

p

o

t

v = H

F Q

F H

Q H

V Q v

H

=

⋅

= ⋅

= ⋅

SEDYMENTACJA - c.d. (6)

— sprawno

Q v F

v v t

v t v H

h

0 p

0

p

= = ⋅

⋅

= ⋅

=

— inaczej

0

s

v

t = H

Q H F Q

t

= V = ⋅

Q v F t

t

s

p

= ⋅

0 s

p

v Q t

F = t ⋅

αααα η=

η=

η=η=h/Η/Η/Η/Η

SEDYMENTACJA - c.d. (7)

t t

s

p

=

αααα > 1 dla urz dze rzeczywistych

Wielko współczynnika α w zale no ci od rodzaju i skuteczno ci sedymentacji:

A - teoretyczny przebieg sedymentacji, B - sedymentacja w osadniku działaj cym okresowo (wypełnianie, sedymentacja, opró nianie), rzeczywisty przebieg sedy- mentacji: 1 - w pojedynczym osadniku, 2 - w dwóch osadnikach poł czonych szeregowo, 3 - w 3 ossadnikach poł czonych szeregowo, 4 - w osadniku przepły- wowym z przegrod , 5 - w osadniku przepływowym z wieloma przegrodami

Zadanie

Nale y zaprojektowa osadnik o przepływie poziomym,

z zgarniaczem mechanicznym, do usuwania zawiesiny z wody po koagulacji. Dane wyj ciowe:

Q = 300 m3/godz B = 40 gPt/dm3

Koagulant – Al²(SO⁴)³ x 18 H²O

DK wyznaczona do wiadczalnie = 150g Al²(SO⁴)³ x 18 H²O Zasadowo = 8 val/m3

Cz = 40 mg/dm3 v = 0,40 mm/s V = k x v

L/H 10 15 20 25

K 7,5 10 12 13,5

Czas zatrzymania wody w osadniku T = 2-4 godz Predko pozioma przepływu wody vp = 5-12 mm/s

Obci enie hydrauliczne powierzchni osadnika Oh = 1,44-2,88 m3/m2 x godz Gł boko osadnika

-reczne usuwanie osadu 3,0-3,5 m -mechaniczne usuwanie osadu 2,0-3,0 m Dodatkowa obj to na osad Vo

Vo = Q(Co –C ) Tc / n x δδδδ Vo – obj to strefy osadów Q – nat enie przepływu cieków Tc – czas zatrzymania osadu

Co – st enie zawiesiny w ciekach dopływaj cych C – st enie zawiesiny w ciekach odpływaj cych n – liczba osadników

δ δ

δ δ −−−− st enie osadu w strefie osadowej (nale y wyznaczyc z poni szej tablicy)

Zale no st enia osadu w strefie osadowej od zawarto ci zawiesiny w dopływaj ceych sciekach Co-st enie w ciekach dopływaj cych(g/m3) δ δ δ δ −−−− st enie osadu w strefie osadowej(g/m3)

<100 30000

100-400 30000-50000

400-500 50000-70000

1000-2500 70000-90000

Co = Cz + DK + 0,25B + Z

Cz – st zenie zawiesin w ciekach surowych DK – dawka koagulanta

B – barwa (mgPt/dm3)

Z – zawarto nierozpuszczalnych zanieczyszcze w koagulancie (g/m3)

Ilo c zawiesiny w wodzie po koagulacji Co = 10 + Obliczanie wg powierzchni osadników F

F = αααα x Q / v α α α α – współczynnik sprawno ci osadnika v – pr dko c opadania cz stek zawiesiny αααα = v / ( v – V/30 ) = 0,4 / ( 0,4 – 10 x 0,4/ 30 ) = 1,5

F = 1,5 x 300 / 0,4 x 3,6 = Przyjmujemy H = 3,0 m L/H = 15

L = 45 Szaroko osadnika B = 6 m Liczba osadników n = F/ B x L = Sprawdzenie stabilno ci

L/H > 10 L/B > 3

Q/F = 1.44 – 2,88 (m3/m2 x godz) Czas T = 2-4 godz

Nale y jeszcze obliczy długo kraw dzi przelewowych

Osadniki lamelowe/wielostrumieniowe

Zakłócone opadanie cz stek

— znaczne zag szczenie ( > 0,22 % obj to ciowo)

— sedymentacja „powi zana”

Rodzaje zawiesin

A. Kształt

1. cz stki ziarniste

2. cz stki kłaczkowate B. Zawarto

1. cz stki rozproszone 2. cz stki strefowe

Osadniki w technologii wody

— po procesie koagulacji

— po str caniu chemicznym

— w grawitacyjnym zag szczaniu osadów --- po napowietrzaniu wód wgł bnych

SEDYMENTACJA - c.d. (8)

Osadnik poziomy i osadnik pionowy

Schemat osadnika o przepływie poziomym z zagarniaczem tarczowym

Sposoby doprowadzania wody do osadnika o przepływie poziomym

Rozmaite rozwi zania wlotu do osadnika

Sposoby odbioru wody w osadnikach o przepływie poziomym

Zasady doboru procesów jednostkowych usuwania zawiesin

F ^LOTACJA

— proces w którym zawiesina, charakteryzuj ca si g sto ci mniejsz ni o rodek rozpraszaj cy, ulega wyniesieniu na powierzchni o rodka rozpraszaj cego i usuni ciu przez zbieranie

— w wi kszo ci praktycznych aplikacji g sto zawiesiny ulega zmniejszeniu w wyniku zwi zania z drobnymi p cherzykami gazu

SEDYMENTACJA - Flotacja

Siły działaj ce na cz stki zawiesiny

a) ci ko ci i wyporu

( ) ^{g 0}

6 W d

-

G = Π

− <

b) oporu

2 F v

R = ⋅ ⋅

d v g

d

Re = v ⋅ ⋅ = ⋅

powierzchnia czołowa cz stki współczynnik oporu λ = f(Re)

l. dynamiczna

lepko kinematyczna

G W R

Zakres zastosowania

— fabryki celulozy

— przemysł spo ywczy (tłuszczowy), rafineryjny

— zat anie rud metali

— usuwanie zawiesin po koagulacji

— zag szczanie osadu czynnego

Wprowadzanie powietrza do roztworu

1. Dyfuzery

2. Technika pró niowa

3. Technika spadku ci nienia

Rozpuszczalno powietrza w wodzie

C

= H ·p

H = f(T)

powietrzeRozp mg/l ·atm

T °C

10 20 30

10 20 30 40 50

krzywa saturacji

C_w - rozpuszczalno w wodzie (mg/l) H - stała Bousena (mg/l ·atm)

p_p - ci nienie cz stkowe T - temperatura

Ilo uwolnionego powietrza C

C

= H P

C

= H P

C

- C

= H P

- H P

= H (P

- P

)

= H (P

- 1)

Okre lenie warto ci ilorazu powietrze/zawiesina

— ci ar wła ciwy zawiesiny musi by mniejszy ni ci ar wła ciwy roztworu (1 g/cm³)

( )

(

)

s s a

c a

V V

V V

+

= +

V_a - obj to powietrza zwi zanego z cz stk o obj to ci V_s ρρρρ_a, ρρρρ_c - g sto powietrza i zawiesiny

Iloraz masy powietrza i masy zawiesin masa powietrza

= a

= V

ρ

V

ρ

s

masa cz steczki

Poł czenie równa daje:

⋅ +

+

=

s a 1

1

s 1 a

a s

c

Poniewa – wznoszenie nast pi gdy ρρρρ_c<ρρρρ

– minimalna warto ilorazu a/s wyniesie

−

=

1 -

1 s

a

a s min

Technika spadku ci nienia

Zało enia

— okre lony iloraz a/s

r c

p

C

s Q a Q

⋅

=

( ) ^{P - 1}

H s Q a

Q

⋅

=

C - st enie zawiesiny Q_p - przepływ powietrza Q_c - przepływ cieków

C_r - ilo uwolnionego powietrza

Zasady budowy flotatora

1

2

2

3 4

5

6

7

1 woda ² powietrze dławik

roztw. nasyc. powietrza zgarniacz

odprowadzenie cieczy odprowadzenie flotatu

4 6

3 5 7

Flokulacja/Flotacja

Pretreated raw water (with coagulant) enters the flocculation basin for two-stage flocculation.

Flocculated particles enter the DAF upflow channel; diffuser

nozzles create millions of microbubbles that attach to floc particles.

Solid particles float to the surface; clarified water flows down through the false floor and out the upflow channel.

Porównanie z sedymentacj

1.

2.

3.

4.

5.

6.

7.

Usuwanie zawiesiny flotuj cej i sedymentuj cej Wysoka efektywno

St ony osad

Natlenianie cieków Mniej koagulantu

Gorsza jako roztworu sklarowanego Kosztowna eksploatacja

Sedymentacja i flotacja- zagadnienia

- sedymentacja/definicja - siły dziaj ce na zawiesiny

- liczba Reynoldsa, współczynnik oporu - rednica/powierzchnia zast pcza

- liczba Hazena

- urz dzenia do sedymentacji/flotacji - flotacja/definicja

- metody obni ania masy wła ciwej zawiesin - schemat urz dzenia

- prównanie sedymentacji i flotacji

Mikrofiltracja -zakres filtracji wynosi od 0,05 u do 1 um (mikroorganizmy,duze koloidy).

Ultrafiltracja - charakteryzuje si mniejszymi

pr dko ciami przepływu, wynikaj cymi z małego

mikrona u i odbywa si na specjalnych, podobnych do membrany osmotycznej, wkładach wymiennych. Zakres filtracji od 0,01 do 0,1 um (wirusy, koloidy,

makromolekuły).

Nanofiltracja - jak wy ej, ale zakres filtracji wynosi od 0,001 do 0,01 um(wirusy, zwi zki organiczne, jony

wielowarto ciowe)

Filtracja cz stkowa - polega na usuwaniu zanieczyszcze za pomoc filtrów ze zło em filtracyjnym lub wkładów wymiennych. Dolna granica filtracji wynosi 1 um (resztki roslin, glony, pierwotniaki).

Hiperfiltracja - jest to filtracja wody metod odwróconej osmozy ,zakres wynosi 0,0001 do 0.003 um (aniony i

kationy jednowarto ciowe)

Zanieczyszczenia mechaniczne.

Sedymentacja.

1. Zanieczyszczenia mechaniczne?

2. Sedymentacja-podstawy teoretyczne 3. Sedymentacja zawiesin nieregularnych

4. Urz dzenia do sedymentacji, schemat osadnika 5. Flotacja

6. Flotacja wspomagana powietrzem 7. Schemat flotatora

8. Porównanie flotacji i sedymentacji