Zahušťování suspenzí v oboru čištění odpadních vod

Transkript

1 Zahušťování suspenzí v oboru čištění odpadních vod Obsah přednášky význam zahušťování suspenzí sedimentační procesy suspenzí s vysokou koncentrací zahušťovací zkoušky návrh a posouzení dosazovací nádrže

2 Význam zahušťování v oboru ČOV Uplatňuje se v sekundární sedimentaci (usazování aktivovaného kalu v dosazovacích nádržích) zachycení nerozpuštěných látek v DN odtok vyčištěné vody do recipientu Zahušťování recirkulovaného kalu a kalu odtahovaného snížení obsahu vody

3 Sedimentační procesy suspenzí s vysokou koncentrací Rušené usazování Zahušťování suspenzí Oblast flokulace Oblast volné sedimentace Deformační oblast Kompresní oblast

4 Rušené usazování Každá částice si stále ponechává vlastní charakter, ale rozruch způsobený jejím pádem ovlivňuje částice okolní Objemová koncentrace suspenze > 0.5%, změna viskozity a měrné hmotnosti dvoufázového systému Rychlost usazování dle Robinsona u r d 2 g( s 18 susp susp Pro měrnou hmotnost a viskozitu platí e = objemová koncentrace ) e( f ( e) ) viskozita vztahy závislé na koncentrací a velikosti částic (Einstein, Brinkman, Roscoe) susp susp s f f

5 Rušené usazování Usazovací rychlost ur u ( 1 susp e) Rychlost rušeného usazování je v podstatě funkcí objemové koncentrace u r u f (e)

6 Zahušťování suspenzí Vysoká koncentrace nerozpuštěných látek Objemová C > 15%, u aktivovaného kalu již kg/m 3,anorganické kaly kg/m 3 Částice se usazují jako celek (nulová rychlost mezi částicemi) Vytlačování kapaliny ze suspenze zahušťování Vytvoření typického rozhraní voda - suspenze

7 Fáze zahušťovacího procesu hinder.gif

8 Oblast flokulace Pohyb rozhraní malý nebo nulový Flokulace a tvorba kanálků Zrnité a vločkové kaly tato fáze většinou nenastává

9 Oblast volné sedimentace rozhraní kapalina-suspenze, pohybuje s konstantní rychlostí volné sedimentace v h t 1 2 neexistuje koncentrační gradient, v této fázi je koncentrace po výšce konstantní u dna se tvoří deformační a kompresní zóna (koncentrační gradient) V bodě A se spojí rozhraní s oblastí, kde existuje koncentrační gradient (deformační oblast) h t 1 2

10 Kompresní oblast vrtsva kalu s maximální ulehlostí kalu výška rozhraní se asymptoticky blíží konstantní hodnotě h - zahušťovací křivka má exponenciální tvar dd dt D D k D D D je zřeďovací faktor v čase t kt D D e 0 D 0, D hodnoty zř. faktoru na počátku a konci komprese zřeďovací faktor poměr hmotnosti kapaliny k hmotnosti částic ve vrstvě kalu D f c 0 h h 0 f s na počátku sedimentace platí pro D 0 h = h 0 suspenze s vysokou koncentrací někdy se nevytváří oblast volné sedimentace či deformační oblast

11 Návrh a posouzení dosazovacích nádrží Separace částic nutná podmínka pro odvod vyčištěné vody do recipientu a použití zahuštěného kalu pro další procesy (recirkulace, zpracování) Návrhový průtok musí být tedy stanoven s ohledem Plochu nutnou k usazování Plochu nutnou k zahušťování Průtokem recirkulovaného a zpracovávaného kalu Základním parametrem pro usazování/zahušťovaní je povrchové látkové zatížení q ( Q Qu ) X 2 1 M. L. T A

12 Zahušťovací zkoušky Důvod: velká variabilita podmínek k získání sedimentačních vlastností kalů v oblasti volné sedimentace a v kompresní zóně je nutné provést sedimentační zkoušky Návrh usazovacích/zahušťovacích zařízení 2 základní metody na základě jednoho nebo více testů v jednom válci (Talmadge and Fitch, 1955) na základě testů s různými koncentracemi dané suspenze metoda hmotnostního toku částic obě metody jsou využívány k posouzení, modifikaci či rozšíření čistíren zřídka pro návrh malých čistíren pro nové systémy, kde neexistují data lze využít návrhové parametry dle TAB.

13 Parametry pro návrh nového systému

14 Návrh plochy nádrže na základě zkoušky v jednom válci Připomenutí: Návrhový průtok musí být tedy stanoven s ohledem Plochu nutnou k usazování Plochu nutnou k zahušťování Průtokem recirkulovaného a zpracovávaného kalu Ze zahušťovací zkoušky jsme schopni zjistit přímo plochu nutnou pro volnou sedimentaci, nepřímo plochu k zahušťování většinou platí plocha k usazování < plocha k zahušťování Plocha k zahušťování = kontrolní faktor

15 Plocha potřebná k zahuštění kalu (Talmadge and Fitch, 1955) Suspenze ve válci C 0, H 0 Plocha k zahuštění A Qt u H 0 t u = čas potřebný k dosažení požadované koncentrace Kritická koncentrace ovlivňující schopnost nádrže zachytit NL = C 2 A Qt u H 0 Odvození času t u 1. C H C 0 0 H u u 2. Sestrojení tangenty bodem pro C 2 3. Sestrojení horizontály bodem H u 4. Průsečík určuje hodnotu t u

16 Plocha potřebná k usazování (Talmadge and Fitch, 1955) stanovení rychlosti volné sedimentace v Určení poměrné části průtoku pro usazování (nutno zohlednit výšku kompresní zóny H u ) Q c H Q 0 H 0 H u A Qt u H 0 Plocha potřebná k usazování A Q v c Navrhuji na větší plochu Příklad

17 Návrh plochy nádrže na základě metody hmotnostního toku částic (Dick and Ewing, 1967; Dick and Young, 1972; Keinath, 1972; Wahlberg and Keinath, 1988; Yoshika et al., 1957) 2 metody založené na stejném principu metoda hmotnostního toku a metoda state point analysis Plocha potřebná pro zahuštění závisí na limitním hmotnostní toku částic, který může být transportován na dno nádrže Hmotnostní tok částic se mění s charakteristikami suspenze testy musí určit vztah mezi koncentrací kalu a usazovací rychlostí (množství) Zahušťovací zkouška pro několik koncentrací kalů

18 Metoda hmotnostního toku částic v dosazovací nádrži (steady state) je transportované množství částic konstantní směrem dolů Hmotnostní tok je způsoben a) gravitací (sedimentace) a b) advekcí způsobenou průtokem recirkulovaného kalu q q q g u t C v q i g i i C U b q u C i Qu A

19 Metoda hmotnostního toku částic Hmotnostní tok částic způsobený gravitací Nízká koncentrace nízká úroveň, usazovací rychlost víceméně nezávisí na koncetraci Střední koncentrace rychlost v i = konst., koncentrace se zvyšuje, hustota hmotnostního toku se zvyšuje. Vysoké koncentrace opět snižování, mizí oblast volného usazování. Transport částic dán advekcí.

20 Metoda hmotnostního toku částic Hmotnostní tok částic způsobený advekcí lineární funkce Celkový Hmotnostní tok částic prostý součet kontrolní faktor celého procesu průtok reciklovaného kalu

21 Metoda hmotnostního toku částic Návrh plochy potřebné pro zahuštění Limitní hustota hmotnostního toku q t / C i = 0 ( Q Q q u 0 A L ) C

22 Metoda hmotnostního toku částic Alternativní grafická metoda Limitní hustota hmotnostního toku q t / C i = 0 = v i - U b Přímka charakterizující U b je tangentou ke gravitační hmotnostní tokové křivce a vychází z bodu potřebné koncentrace recyklovaného kalu C u Vhodné tam, kde chceme posoudit rozdílné koncentrace recyklu na velikost zařízení

23 Metoda state point analysis (Keinath et al., 1977; Keinath, 1985) Poskytuje navíc možnost posouzení různých koncentrací na přítoku do nádrže a provozních podmínek vzhledem k limitnímu hmotnostnímu toku částic State point (rovnovážný bod) průsečík hmotnostního toku částic připadající na odtok a recykl z nádrže. X = MLSS koncentrace na přítoku q Q QX A M. L 2. T 1 Sklon čáry hmotnostního toku částic připadající na recykl reprezentuje průtočnou rychlost U b U b Q A R

24 Metoda state point analysis (Keinath et al., 1977; Keinath, 1985)

25 Příklad 1: Návrh rozměrů dosazovací nádrže 1. Počáteční koncentrace sušiny C 0 = mg/l; počáteční výška rozhraní h 0 = 0.75 m 2. Stanovte plochu potřebnou k dosažení koncentrace sušiny C u = mg/l pro celkový průtok 3800 m 3 /d 3. Stanovte rovněž látkové zatížení [M.L -2.T -1 ] a hydraulické zatížení [L 3.L -2.T -1 ] nádrže

26 Příklad 1: Návrh rozměrů dosazovací nádrže Řešení: 1. Stanovení plochy potřebné pro zahuštění a) Určete hodnotu výšky rozhraní h u kdy je dosažena koncentrace C u C0H u m C H. u b) Sestrojení tangenty bodem C 2 c) Sestrojení horizontály bodem H u d) Průsečík určuje hodnotu t u e) Stanovíme potřebnou plochu pro zahuštění Qtu A H m 2

27 Příklad 1: Návrh rozměrů dosazovací nádrže Řešení: 2. Stanovení plochy potřebné pro usazování a) Z křivky usazování určete rychlost volné sedimentace b) Určete proporcionální průtok Q c pro usazovací proces c) Určete plochu potřebnou pro usazování v Q c Qc 2847 A v mh 2847 m 2 m 3 d 1 3. Návrhovou plochou je plocha pro zahuštění, která převyšuje plochu pro usazovaní. A m

28 Příklad 1: Návrh rozměrů dosazovací nádrže Řešení: 4. Stanovení látkového zatížení a) Hmotnostní tok b) Látkové zatížení Q NL q NL kg. d kg. m 2 d Hydraulické zatížení q H m. m d 165