OPTIMALIZACE SEKUNDÁRNÍCH SEDIMENTAČNÍCH NÁDRŽÍ ÚČOV PRAHA VÍCEFÁZOVÝM MODELEM Autoři: Doc. Ing. Jaroslav POLLERT, Ph.D., ČVUT v Praze, Fakulta stavební, Katedra zdravotního a ekologického inženýrství, Thákutova 7, Praha 6, tel. 224 354 334, e-mail: pollertj@fsv.cvut.cz Ing. Ondřej BALIHAR, ČVUT v Praze, Fakulta stavební, Katedra zdravotního a ekologického inženýrství Ing. Dana PAVLÍČKOVÁ, Pražská vodohospodářská společnost a.s., Žatecká 110/2, Praha 1, pavlickovad@pvs.cz Ing. Vladimír TODT, Pražské vodovody a kanalizace, a.s., Pařížská 11, 110 00 Praha 1, vladimir.todt@pvk.cz Annotation: Main wastewater treatment plant in Prague is mechanical and secondary biological treatment with an upgrade of the activated sludge process to partial nitrification and denitrification and gas facility. Capacity of the WWTP is 1,43 mil. EI, hydraulic is 7,0 m 3 /s (during grain 8,2 m 3 /s). Main aim is to increase efficiency of sludge removal from secondary clarifiers after necessary reconstruction. For improving efficiency 3D multiphase mathematical model were used. 12 different scenarios (+1 present state) were simulated and compared. Simulation of the clarifiers brings new knowledge about its behaviour. As a result is optimized design of the secondary clarifiers for reconstruction. Úvod K základním parametrům, které se sledují na odtoku z ČOV, jsou nerozpuštěné látky. Přísné limity vedou provozovatele k pravidelnému monitorování a vyhodnocování problémů. Vzhledem ke složitosti procesů není jednoduché zjistit jejich pravou příčinu. Klasické posouzení podle norem ne vždy ukáže pravou slabinu systému. Dosavadní praxe využívala pouze statické modely nebo se spoléhala na zkušenosti provozovatele či projektanta. Statické modely vycházejí ze sedimentačních zkoušek a dob zdržení. Nerespektují však geometrické diferenciace jednotlivých typů nádrží. Dnešní technika již tyto možnosti nabízí. Pro zlepšení chování dosazovacích nádrží je vhodné použití matematických modelů, které ukáží proudění v nádrži, které má zásadní vliv na separaci nerozpuštěných látek (kalu). S využitím nejmodernějších výpočetních postupů a modelů je možné tyto jevy sledovat dynamicky a podle chování upravovat tvary nádrže pro zvýšení účinnosti separace. 1
Nedílnou součástí matematických modelů je i grafické zobrazení, které dává nahlédnout do problému a lépe jej pochopit. K vrcholům současného modelování patří modelování více fází vzájemně se prolínajících vody a kalu. K separaci aktivovaného kalu od vyčištěné odpadní vody slouží na ÚČOV osm starých a čtyři nové dosazovací nádrže. Jedná se o kruhové nádrže, radiálně protékané. Staré dosazovací nádrže mají průměr 43 m a hloubku u vnější stěny 2,5 m. Aktivační směs natéká středovým vtokovým objektem ve tvaru osmihranu. Usazený kal je stírán ke středu nádrže shrabováky zavěšenými na otočném jednoramenném pojezdovém mostě do kalové jímky, odkud gravitačně odtéká do čerpací stanice vratného a přebytečného kalu. Vyčištěná voda natéká do mezikruhového ocelového odtokového žlabu, neseného na betonových sloupech, který je propojen s obvodovým sběrným odtokovým žlabem, odkud odtéká do podzemního betonového žlabu. V r. 2009 byly na odtokové žlaby instalovány norné stěny a zařízení pro stírání a odtah plovoucích nečistot. Cíle Cílem tohoto projektu je v souvislosti s nutným provedením celkové rekonstrukce starých dosazovacích nádrží navrhnout optimalizaci jejich funkce, zejména řešit odběr vyčištěné odpadní vody, zabezpečení měření a regulace výšky kalového mraku a čerpání kalů. Výpočty funkce a stanovení max. hydraulické kapacity dosazovacích nádrží byly provedeny za pomoci matematického modelu. Metodika Pro posouzení starých dosazovacích nádrží ÚČOV (Obr. 1) a návrh optimalizace jejich funkce byla použita následující metodika: Na začátku posouzení je vždy prohlídka v místě, kdy se seznámíme s celkovou funkcí ČOV a jednotlivými zařízeními, která vstupují do procesu čištění. Samozřejmostí je klasické posouzení pro zjištění kapacity a funkčnosti jednotlivých prvků systému. Jednotlivé prvky se posuzují odděleně a posuzuje se jejich vzájemný vliv na výslednou účinnost ČOV. Vzhledem k tomu, že nebyla dostupná potřebná dokumentace, bylo provedeno detailní zaměření dvou dosazovacích nádrží. Dalším bodem je již samotné modelování. Pro postavení 3D modelu v některých případech můžeme využít symetrie a rozdělit nádrž na ¼ a tím zrychlit výpočetní proces. Prvním krokem modelování je model proudění čisté vody v nádrži. Z tohoto typu modelování zjistíme mrtvé prostory, místa s vysokou turbulencí nebo vířivostí atp. Tento model nám pak slouží pro porovnání s navrhovanými variantami řešení. Někdy pro urychlení můžeme použít 2D modelu, kdy testujeme vliv úprav na proudění. 2
Druhý krok je simulace s vícefázovým prouděním simulace usazování kalu. Bohužel tato simulace je velmi časově náročná a tak ji používáme pouze k simulaci současného stavu (pro kalibraci a porovnání) a simulaci vybraných variant řešení. Z tohoto způsobu simulace zjistíme přímo koncentrace nerozpuštěných látek kdekoliv v objemu nádrže a tedy i na přepadu přelivné hrany. Výsledkem je porovnání jednotlivých variant řešení se současným stavem. Porovnává se na základě průměrných hodnot různých veličin (rychlost, turbulence, vířivost, koncentrace NL aj.) Matematický model Pro matematický model byla vytvořena geometrie objektu v programu GAMBIT v. 2.4.6. Geometrie dosazovací nádrže byla vypracována do co možná největších detailů, aby bylo dosaženo co největší věrohodnosti modelu. Drobná zjednodušení nemají na výsledek podstatný vliv. Geometrie byla poté potažena trojúhelníkovou mřížkou, velikost modelu se pohybovala okolo 1 milionu buněk podle geometrie. Síťování objektu bylo dynamické s ohledem na rozměry, tzn. uprostřed nádrže byla síť rozšířena a v důležitých uzlech byla zhuštěna. Tím bylo dosaženo vyšší přesnosti s menším počtem buněk. Simulace proudění V simulačním modelu Fluent - Ansys v. 12.0.16 byly spočítány jednotlivé zatěžovací stavy a to nejprve modelem čisté vody. Pro simulaci proudění v nádrži byl zvolen k-ε turbulentní model pro svoji rychlost, robustnost a spolehlivost. Okrajové podmínky byly zvoleny s ohledem na potřeby modelů a možnosti výsledků. Hladina byla simulována jako stěna bez tření symetry. Nátok byl definován jako velocity inlet stejně jako odtah kalu. Přepad je definován jakou outflow. Ostatní stěny jsou definovány jako wall s klasickou drsností pro beton. Jako základní počáteční podmínky byly pro tento případ počítány rychlosti pro průměrný a maximální stav: Průměrný průtok FLUENT spočteno Q v NL vtok 2,498 2,544 0,546 0,218 3,912 odtah -27,579 30,581 0,302-0,010 5,458 Maximální průtok vtok 2,498 2,546 0,934 0,374 4,68 odtah -27,579 30,581 0,326-0,011 7,39 Tab. 1 počáteční podmínky modelu 3
Vysvětlivky: FLUENT...plocha na vtoku z matematického modelu Spočteno...plocha na vtoku spočtena z πr 2 (hodnoty se liší, neboť matematický model počítá plochu z trojúhelníkové sítě) Q...průtok [m 3 /s] v...rychlost Q/S [m/s] NL...koncentrace nerozpuštěných látek na vtoku [g/l] Simulace sedimentace kalu Po simulacích s čistou vodou bylo přistoupeno k simulaci kalu. Sledována byla účinnost sedimentačních nádržích na separaci kalu v porovnání se současným stavem. Pro tento výpočet se používá časově závislé výpočetní schéma. Jako model separace kalu je použit Eulerian model. Na vtoku byla vpuštěna suspenze kalu a vody ve stejném poměru jako je poměr odtahovaného kalu ku odtoku. Varianty řešení Na základě zkušeností z předchozích projektů a dle dohody se správcem a provozovatelem byly se současným stavem porovnávány následující možnosti optimalizace starých dosazovacích nádrží: 1. růžice klasická 2. růžice zkrácená 3. různé způsoby řešení otevření přelivných hran (otevřeny všechny přepady, uzavřen vnitřní přepad mezikruží, ostatní přepady otevřeny, uzavřen vnější přepad mezikruží, ostatní přepady otevřeny) 4. nový středový objekt 5. nový středový objekt a posun přepadového žlabu mezikruží (dovnitř a vně) 6. nový středový objekt s dělící deskou 7. nový středový objekt s dělící deskou a posun přepadového žlabu (dovnitř a vně) 8. nový středový objekt s malou dělící deskou Hodnocení výsledků Nádrž je posuzována jako celek, tedy hodnoty se vždy vztahují k celému objektu. Ve výjimečných případech je možné posuzovat i jednotlivé detaily (např.: nátokový objekt). Parametry rychlosti je možné srovnat s literaturou, ostatní parametry však žádná dostupná literatura nenabízí a tak jejich posouzení je na zkušenosti z ostatních projektů. Rychlosti [m/s] Čím vyšší jsou průměrné rychlosti proudění, tím lepší je využití prostoru (méně mrtvých prostorů). Maximální rychlosti by však neměly překračovat únosnou mez vzhledem k průměrné rychlosti. Podle literatury (De Gal) při maximálních rychlostech nad 0,6 m/s dochází k deflokulaci rozbíjení vloček. 4
Turbulence turbulentní intensita [%] Maximální hodnoty by neměly být příliš vysoké způsobuje to přílišné víření kalu. Průměrné hodnoty by se také měly pohybovat v únosné míře. V tomto parametru se žádná ze zkoumaných variant nevymykala běžným hodnotám. Vírovitost [s-1] Tento parametr nám popisuje vířivé proudění (principem je rozdíl rychlostí mezi dvěma místy na vzdálenost), které má ve vtokovém objektu pozitivní vliv tvorbu vloček. V maximálních hodnotách by neměla přesáhnout hodnotu 10 s -1, kdy dochází k trhání vloček vlivem víru. Většinou tyto hodnoty byly překročeny pouze lokálně v okolí sloupů v nátokovém objektu. Objem kalu [%] Tato hodnota určuje objem naplnění nádrže kalem. Pro jasné vysvětlení není to čistý objem kalu, neboť v modelu je počítán kal jako kal vratný, a tedy je to směs vody s kalem. Tato hodnota nám udává naplnění objemu se sedimentačním prostorem. Pokud by hodnota byla 100% nádrž by byla naplněna kalem o různé koncentraci. Čím je vyšší hodnota, tím hůře. Přepad NL [g/l] Koncentrace nerozpuštěných látek (kalu) na přepadu. Základní výsledný posuzovací parametr. Je jasné, že čím je hodnota nižší, tím lépe. Výsledky Hodnocení funkce vychází z porovnání současného a nově navržených stavů. Prvním stupněm je porovnání hydraulických vlastností nádrže a druhým stupněm (pouze u vybraných variant) je porovnání sedimentace kalu. Současný stav Geometrie pro vstup do modelu byla vytvořena ze současného (zaměřeného) stavu (Obr. 1). Z hodnot matematického modelu vyplývá, že nádrž nemá větší problémy, ať už z posouzení proudění nebo z posouzení proudění kalu. Využití všech prostor nádrže je velmi dobré (Obr. 2), turbulence a vírovitosti se drží v únosných mezích, jen v některých částech jsou patrny vyšší hodnoty vírovitosti na vtoku a v okolí pilířů. Z výsledků proudění kalu (Obr. 3) je patrné navýšení kalu uprostřed nádrže vlivem rychlostí pod stěnou nátokového objektu, která jej vytlačuje. Ve skutečnosti zřejmě není tato boule tak vysoká, protože je stahována pomocí shrabovadla. Dále je patrné zahušťování kalu vlivem vratného proudění v okolí výtokové trubky. To má za následek vyšší koncentraci kalu vytékající ze středového objektu, čímž se snižuje účinnost nádrže. Dalším zajímavým prvkem je hromadění kalu na zvýšeném vnějším okruží za přepadovým žlábkem. Zde hraje svou úlohu nerovnost ve dně, která mění rychlosti u dna. Při simulacích se kal hrnul 5
směrem od středu ke krajům a nazpět. Zřejmě to má na svědomí i malé rozměry pod nátokovou nornou stěnou. Ve skutečnosti zřejmě tento efekt snižují shrabováky kalu. Tato zjištění potvrdil i provozovatel. Následující Obr. 4 6 prezentují výsledky modelování různých stavů vybraných variant. Obr. 4 ukazuje nevhodné chování při použití růžice (mrtvé prostroy). Obr. 5 ukazuje vhodnost nových úprav středu je zde vidět hlavní proudění ve středu, vratný kal (dole) a sekundární proud (nahoře). To potvrzuje i Obr. 6 kde je vidět rovnoměrné rozložení kalu. Obr. 2 původní stav proudnice pro průměrný průtok 6
Obr. 3 řez nádrží s kalem pro maximální průtok Obr. 4 proudnice pro maximální stav použití růžice 7
Obr. 5 proudnice pro průměrný průtok voda s kalem, nový střed Obr. 6 vrstvy kalu pro maximální průtok, dělící deska malá 8
Výsledky - porovnání variant Pro posouzení celkového stavu a vyhodnocení účinnosti nádrže byly porovnávány tyto veličiny (maximální, minimální, průměrná): rychlost, turbulence, vírovitost, koncentrace nerozpuštěných látek na odtoku u vybraných variant (Obr. 7), objem kalu v nádrži u vybraných variant Závěr Obr. 7 Porovnání výsledků turbulentní intensity a nerozpuštěných látek na přepadu pro jednotlivé varianty (maximální a průměrný průtok) Posouzení starých dosazovacích nádrží přineslo nové poznatky o jejich chování. Pro posouzení bylo nutné detailní zaměření všech objektů, protože nebyla k dispozici dokumentace současného stavu. Ze dvou zaměřených nádrží byla vytvořena geometrie nádrže pro matematický model. Ten se stal verifikačním modelem pro vývojové varianty. Celkem bylo spočítáno 12 variant (+současný stav) obojí pro maximální a průměrný průtok pro proudění bez kalu a 5 varianty (+současný stav) pro proudění s kalem také pro maximální a průměrný průtok. Změna nátokového objektu Významný vliv na účinnost nádrže vykázal vtokový objekt. Objekt byl rozšířen a byl zvětšen otvor pro výtok. Teoretická doba zdržení se zvýšila na 14 min oproti 10 minutám v původní variantě. Průměrná rychlost v celé nádrži se zvýšila o 11% a koncentrace NL na přepadu se snížila o 13%. 9
Dělící kalová deska Jako nový prvek byla navržena dělící kalová deska. Jejím hlavním úkolem je oddělit separovaný, zhutnělý kal od přitékající směsi kalu a vody. Ukázalo se totiž, že přitékající voda nasává již zhutnělý kal a recykluje jej znovu do prostru sedimentace, čímž snižuje účinnost nádrže. Doporučuji proto osadit nátokový objekt touto deskou, která svou úlohu hraje především při vyšších průtocích. Dalším doporučením je zkusit tuto desku (i v malé variantě) osadit do současného stavu a vyzkoušet její chování v praxi. Změna posazení přepadového žlábku Přepadový žlábek byl posunut vně a dovnitř dosazovací nádrže. Posunutí žlábku neukázalo velký vliv na účinnost nádrže. Jako nejvýhodnější se sice ukázala varianta posunutí vně, avšak nijak výrazně. Zde je vhodné zvážit ekonomickou náročnost přestavby. Další možnosti optimalizace Neměněným prvkem bylo zvýšené dno za přepadovým objektem. Podle mého názoru tento prvek má na svědomí nevhodné chování v současném stavu a snížení účinnosti ve všech variantách. Možností na zlepšení je několik vylepšení nátokové hrany, snížení či zrušení. Jako další možnost se zdá vybudování radiálních přepadových potrubí, čímž se zbavíme nabetonávky u dna a docílíme stejného efektu jako u přepadového žlábku. Poděkování Publikované výsledky byly dosaženy s podporou PVS a.s., PVK a.s., grantu GAČR č. 103/08/0134 a interního grantu ČVUT OHK1-091/10 P3607 SGS10/147/OHK1/2T/11 LITERATURA: [1] Carbery, J.B. Sludge Characteristic and Behavior, ISBN 90-247-2831-2, Martinus Nijhoff Publishers, The Hague, 1983 [2] KREJČÍ V. a kolektiv: Odvodnění urbanizovaných území koncepční přístup, ISBN 80-86020-39-8, NOEL 2000 spol. s r. o., Brno 2002. [3] Rovel, J.M. Water Treatment Handbook, ISBN 978-2-7430-0970-0, Degrémont 2007 [4] Fluent users manual [5] Tuček, F., Chudoba, J., Koníček, Z., Základní procesy a výpočty v technologii vody, SNTL Nakladatelství technické literatury Alfa, Praha 1988 10