DISTRIBUCE RYCHLOSTNÍHO GRADIENTU DŮLEŽITÉ

DISTRIBUCE RYCHLOSTNÍHO GRADIENTU DŮLEŽITÉ KRITERIUM PODMÍNEK PŘÍPRAVY VLOČKOVITÝCH SUSPENZÍ RNDr. Bohumír Halámek TZÚV Brno Preslova č. 50, 602 00 Brno, tel./fax: 543 245 266 Při navrhování zařízení na přípravu vločkovitých suspenzí se jako směrodatné veličiny berou v úvahu tzv. střední rychlostní gradient a zdržení upravované vody v agregační nádrži 1 ). Rychlostní gradient je definován jako rychlostní spád mezi dvěma sousedními vrstvami upravované vody, které se pohybují různými rychlostmi, a je tedy veličinou, která může nabývat různých hodnot. Střední rychlostní gradient je však neurčitý výraz kvalitativní povahy, který o skutečných hodnotách rychlostního gradientu působících v upravované vodě, vypovídá jen velmi málo [4, 6] a o jejich distribuci v ní pak už vůbec nic. Regulerní, tj. teorii agregace odpovídající průběh přípravy vloček vyžaduje rovnoměrnou distribuci rychlostního gradientu, jehož hodnoty jsou v každém konkretním čase jejich přípravy přiměřené dosaženému stupni agregace vloček a následnému způsobu jejich separace (dále též distribuce rychlostního gradientu přiměřených hodnot ). Pro splnění tohoto požadavku je však třeba kromě aplikace vhodného způsobu agregačního míchání zajistit v agregační nádrži i stejné zdržení všech dílčích objemů upravované vody. Toho lze dosáhnout jen zcela rovnoměrným průtokem upravované vody touto nádrží. Vzhledem k současné nabídce více typů agregačních nádrží s různými způsoby agregačního míchání je žádoucí nalézt vhodné kriterium, podle něhož by bylo možné tyto nádrže objektivně hodnotit. Za velmi vhodné kriterium lze považovat distribuci rychlostního gradientu v upravované vodě. Distribucí rychlostního gradientu se rozumí rozložení jeho hodnot v objemech upravované vody transportovaných agregačními nádržemi, které může být velmi nerovnoměrné až chaotické nebo méně či více rovnoměrné a vytvářející příznivější podmínky pro agregaci vloček. Agregace vloček je časový proces, v jehož průběhu se elementární částice 1 ), které se v upravované vodě vytvořily při homogenizaci koagulantu, postupně spojují v malé, větší a velké vločky. Agregačním mechanizmem je působení rychlostního gradientu, který charakterizuje turbulentní proudění vyvolávaná v upravované vodě jejím mícháním. Podle teorie by v průběhu agregace měl působit rychlostní gradient, jehož konkretní hodnoty a jejich průběh by měly odpovídat způsobu separace připravených vloček. Tyto požadavky částečně respektuje klasické dělení agregačních nádrží na rychlé mísiče a vločkovací nádrže, avšak toto dělení je příliš hrubé a k zajištění rovnoměrné distribuce přiměřených hodnot rychlostního gradientu a tím i přípravy efektivně separovatelných vloček již dnes nepostačuje. Rovnoměrnější distribuce rychlostního gradientu přiměřených hodnot umožňuje aplikovat při přípravě vloček jeho vyšší hodnoty, při jejichž působení lze připravit hutnější vločky, které mají větší měrnou hmotnost a jsou odolnější proti rozbití. Tato skutečnost se vysvětluje tak, že zatímco při působení rychlostního gradientu nižších hodnot se vytvářejí křehké vločky spojené jednoduchými vazbami v místech jejich prvního dotyku, při působení rychlostního gra- 1 ) Agregační nádrží se v tomto příspěvku rozumí nádrž, v níž probíhá agregace vloček v režimech rychlého a pomalého míchání, a které v praxi odpovídají zpravidla dvě technologická zařízení rychlý mísič a vločkovací nádrž. Nezahrnuje technologicky využívané prostory v nichž dochází ke vzniku elementárních (destabilizovaných a primárních) částic schopných agregovat (např. mechanické nebo hydraulické směšovače případně přívodní potrubí s clonou za místem dávkování koagulantu). 119

dientu vyšších hodnot se takto spojené vločky posouvají po svých nerovných površích za vzniku vícečetných vazeb a vytvářejí pevné struktury [2, 3, 8]. Z technologického hlediska je hutnost důležitější vlastností vloček než jejich velikost, která se dnes chápe spíše jako ukazatel efektivnosti jejich separace (např. příliš velké vločky kolmatují horní vrstvy filtračních náplní a tím snižují využití jejich kalových kapacit). Při hodnocení agregačních nádrží podle zmíněného kriteria je výhodné hodnotit zvlášť distribuci rychlostního gradientu v příčných profilech agregační nádrže a distribuci rychlostního gradientu v podélném profilu agregační nádrže. V konkretních případech lze tyto termíny upřesnit (např. distribuce rychlostního gradientu přiměřených nebo klesajících hodnot ). Praktický význam přitom má i pojem plynulý průtok upravované vody. Popisuje tok upravované vody, který není narušován nárazem na překážku, kterou musí obtéci, nebo jejímiž otvory musí protéci, nebo která ho donutí změnit směr. Vysvětluje některé účinky konkretních způsobů agregačního míchání (např. tvorbu válcovitých vírů za obraty meandru nebo usazování vloček před děrovanými přepážkami). Užitečnou pomůckou při hodnocení agregačních nádrží může být představa ideální agregační nádrže s pístovým průtokem upravované vody, ve které je rychlostní gradient distribuován rovnoměrně v jejích příčných profilech a požadovaným způsobem v jejím podélném profilu. V případě, že se připravená suspenze bude separovat dvoustupňově, budou hodnoty rychlostního gradientu ve směru průtoku upravované vody klesat, a v případě přípravy suspenze pro jednostupňovou separaci se budou udržovat na stejné úrovni. V ideální agregační nádrži nedochází k rozbíjení velkých vloček, neboť rychlostní gradient je v ní distribuován zcela rovnoměrně a v přiměřených hodnotách. Při hodnocení agregačních nádrží nelze opomenout ani skutečnost, že rychlostní gradient s pozitivními i negativními dopady na charakter vloček se nevytváří jen účinkem míchacích zařízení nebo uspořádání ať již jednoduchých nebo různě kombinovaných, ale i z příčin, které se v praxi vesměs neberou v úvahu (např. obtokem podstavců, na nichž jsou uložena ložiska míchadel, tokem podél přirozeně drsných nebo uměle zdrsněných stěn a den agregačních nádrží). Rychlostní gradient s účinky na charakter vloček se vytváří i za zařízeními, která se používají k potlačení zkratových proudů (např. za deflektory nebo za děrovanými přepážkami instalovanými v agregačních nádržích s pádlovými míchadly). Účinky relevantních míchacích zařízení a uspořádání a další druhotné účinky se navzájem ovlivňují, při čemž výsledek této synergie může být nejen pozitivní, ale i negativní. Separovatelnost připravených vloček může být ovlivňována i mimo agregační nádrže (např. průtokem ohyby a tvarovkami spojovacích potrubí nebo přepady žlabů za agregačními nádržemi). Při objektivním hodnocení agregačních nádrží jako jednoho z prvků sestavy technologických zařízení úpravny vody je proto třeba přihlédnout ke všem uvedeným skutečnostem. Agregační nádrže (rychlé mísiče a vločkovací nádrže) lze rozdělit na nádrže s mícháním pádlovými míchadly nebo s hydraulickým mícháním. Z hlediska vytváření agregačně účinných turbulentních proudění není mezi oběma těmito způsoby míchání principielní rozdíl : v obou případech se tato proudění vytvářejí rozpadem vírů, které vznikají z různých příčin (např. obtokem pevných těles upravovanou vodou, změnami směru jejího toku, jejím výtokem ze zatopených otvorů apod. [1, 5]). Rozdíl z provozního hlediska jistě významný je v tom, že míchání pádlovými míchadly vyžaduje příkon elektrické energie, zatímco hydraulické míchání využívá gravitační energii z rozdílu hladin upravované vody. Hydraulické míchání se provádí průtokem upravované vody agregačními nádržemi s vnitřními tvarovými úpravami nebo vestavbami. 120

Míchání pádlovými míchadly, které se využívá v rychlých mísičích i ve vločkovacích nádržích, patří k dosud nejvyužívanějším způsobům agregačního míchání. Míchadla mohou být v těchto agregačních nádržích uložena buď horizontálně nebo vertikálně, a mohou být opatřena pádly orientovanými kolmo na směr průtoku upravované vody (příčná pádla) nebo rovnoběžně s ním (podélná pádla). Z hydraulického hlediska je míchání pádly obtokem pevného tělesa kapalinou, při němž se turbulentní proudění vytvářejí rozpadem vírů vznikajících za otáčejícími se pádly [1, 4, 5, 6]. Hodnoty rychlostního gradientu závisejí především na relativních rychlostech pohybu pádel oproti rychlosti průtoku upravované vody, při čemž skutečné rychlosti pádel jsou různé v závislosti na jejich vzdálenostech od osy otáčení míchadla. Tato turbulentní proudění jsou rozptýlena prakticky v celém objemu upravované vody, ale rychlostní gradient je v něm distribuován velmi nerovnoměrně jak v příčných tak i v podélném profilu agregační nádrže a ve velmi širokém rozmezí hodnot od nízkých, jejichž agregační účinky jsou malé, až po vysoké, které rozbíjejí větší vločky [např. 10]. Nepříznivé hydraulické účinky pádlových míchadel jsou systémové povahy a nelze je odstranit, ale jen poněkud zmírnit jejich vhodnou konstrukcí nebo uspořádáním (např. použitím míchadel s podélnými pádly, při jejichž otáčení nedochází k tak extremním rozdílům relativních rychlostí pohybu pádel jako při použití míchadel s příčnými pádly). Vedle velmi nerovnoměrné distribuce rychlostního gradientu jsou dalšími nevýhodami míchání pádlovými míchadly spotřeba elektrické energie a to, že nepotlačuje zkratové proudy upravované vody. Pozitivní může být někdy skutečnost, že otáčení pádel ruší sedimentaci vloček a tím omezuje usazování kalu zejména ve vločkovacích nádržích pravoúhlého půdorysu. Agregační nádrže s hydraulickým mícháním lze rozdělit na nádrže starších konstrukcí s nerovnoměrnou distribucí rychlostního gradientu a nádrže konstrukčně novější, v nichž je rychlostní gradient distribuován více či méně rovnoměrně. Do první skupiny patří zejména rychlé mísiče s přímým nebo tangenciálním vtokem upravované vody a vločkovací nádrže s plnými přepážkami uspořádanými tak, že zajišťují meandrový průtok upravované vody v horizontálním nebo vertikálním směru (nádrže s horizontálním nebo vertikálním meandrem), do druhé pak rychlé mísiče se vznášenou vrstvou zrnitého materiálu a vločkovací nádrže s děrovanými přepážkami. Hydraulické děje, které probíhají při hydraulickém míchání, jsou velmi složité a obtížně postižitelné. To se týká jak hlavního cíle agregace přípravy efektivně separovatelných vloček - tak i druhotných účinků s provozně významnými dopady. Významnými přednostmi konstrukčně novějších agregačních nádrží s hydraulickým mícháním jsou nejenom rovnoměrnější distribuce rychlostního gradientu, ale i rovnoměrnější průtok upravované vody, jehož se dosahuje potlačením jejích zkratových proudů, a jistá samoregulace hodnot rychlostního gradientu průtokem upravované vody podle Campova vztahu. Podle něho je součin obou těchto veličin tzv. Campovo číslo konstantní. I když tento vztah platí jen v omezené míře, určitý pozitivní význam nepochybně má. Rychlé mísiče s přímým nebo tangenciálním vtokem upravované vody jsou nádrže kuželovitého tvaru rozšiřující se zespoda vzhůru, do nichž upravovaná voda přitéká v prvém případě potrubím zaústěným do jejich spodní části a nasměrovaným do osy rychlého mísiče a ve druhém jedním nebo dvěma potrubími tangenciálně zaústěnými do spodní části rychlého mísiče. Z hydraulického hlediska jde v prvém případě o běžný tok kapaliny difuzorem [1, 5], a ve druhém případě o zvláštní případ toku kapaliny v difuzoru, při němž kolem osy rychlého mísiče vzniká válcovitý vír. Rychlostní gradient se vytváří v prvém případě rozpadem osového paprsku upravované vody, ve druhém případě rozpadem válcovitého víru v ose rychlého mísiče, a v obou případech 121

i tokem upravované vody podél přirozeně drsných stěn těchto rychlých mísičů. Rychlostní gradient je distribuován nerovnoměrně v příčných i v podélném profilu těchto rychlých mísičů. Jeho distribuci lze zlepšit v rychlém mísiči s přímým vtokem instalací deflektoru, jímž se zruší osový paprsek upravované vody, a v rychlém mísiči s tangenciálním vtokem instalací statorových mísičů do vyústění přívodních potrubí upravované vody, jimiž se vyvolá rotace jejích paprsků vstupujících do rychlého mísiče [15]. Těmito úpravami lze dosáhnout poněkud rovnoměrnější distribuce rychlostního gradientu v příčných i v podélném profilu těchto rychlých mísičů. Vločkovací nádrže s horizontálním nebo vertikálním meandrem mají pravoúhlý půdorys a jsou uvnitř rozčleněny plnými přepážkami na více za sebou zařazených sekcí, jimiž upravovaná voda protéká v prvém případě horizontálně a ve druhém vertikálně, a zakončených obraty, v nichž se směr jejího průtoku střídavě mění o 180 o. Z hydraulického hlediska jde v obou případech o tok kapaliny žlabem proloženým obraty, tj. zatopenými otvory, v nichž dochází ke změnám jeho směru [1, 4, 5, 6]. Za obraty vznikají válcovité víry, které zužují průtočné profily ve vtokových částech jednotlivých sekcí meandru a způsobují v nich vznik zkratových proudů [4, 6]. Turbulentní proudění se vytvářejí rozpadem válcovitých vírů za obraty meandru a tokem upravované vody podél jeho přirozeně drsných stěn a dna. Distribuce rychlostního gradientu je nerovnoměrná v příčných i v podélném profilu sekcí meandru. Zlepšit ji lze instalací děrovaných přepážek v prvém případě bezprostředně za obraty meandru a ve druhém mezi plné přepážky vytvářející meandr. Tím se potlačí vznik válcovitých vírů a zajistí se rovnoměrný vtok upravované vody do jednotlivých sekcí a rovnoměrná distribuce rychlostního gradientu v jejich příčných profilech. Rychlostní gradient se pak vytváří rozpadem ponořených vodních paprsků, které vytékají z otvorů v děrovaných přepážkách, a nadále i změnou směru toku upravované vody v obratech a jejím tokem podél přirozeně drsných stěn a dna meandru [15]. Za agregační nádrže s optimální distribucí rychlostního gradientu přiměřených hodnot v příčných i v podélném profilu těchto nádrží lze označit rychlé mísiče se vznášenou vrstvou zrnitého materiálu (např. křemičitého písku), jejichž využití v úpravnách vod však zproblematizovaly provozní potíže, které zapříčinily jejich vyřazení z provozu v úpravně vody Želivka 2 [15]. Z hydraulického hlediska jde o obtékání velkého počtu malých pevných tělísek rovnoměrně rozptýlených v kapalině, jejímž vzestupným tokem jsou udržována ve vznosu. Turbulentní proudění se vytvářejí rozpadem obrovského počtu malých vírů, které vznikají za vznášenými zrny. Hodnoty rychlostního gradientu závisejí na použitém materiálu, velikosti jeho zrn a průtoku upravované vody) [3, 8]. Požadavkům na rovnoměrnou distribuci rychlostního gradientu přiměřených hodnot poměrně dobře vyhovují vločkovací nádrže s děrovanými přepážkami, jimiž byla v posledním desetiletí nahrazena pádlová míchadla ve vločkovacích nádržích řady úpraven vod v České republice [14], a které byly již předtím instalovány ve dvou úpravnách vod na Slovensku [7, 14]. Důvodem pro použití tohoto způsobu agregačního míchání byla původně snaha ušetřit elektrickou energii a zajistit rovnoměrnější průtok upravované vody vločkovacími nádržemi [10, 12]. Poznatky získané v praxi však prokázaly i technologickou výhodnost tohoto způsobu agregačního míchání [14]. Z hydraulického hlediska jde o zvláštní případ souběžného toku rozpadajících se ponořených paprsků kapaliny, při němž technologicky výhodnou distribuci rychlostního gradientu způsobují i další hydraulické děje. Popis tohoto způsobu agregačního míchání se opírá o popis 122

rozpadu ponořeného vodního paprsku [1, 5] a četná pozorování upravované vody ve vločkovacích nádržích míchaných děrovanými přepážkami [např. 10, 11, 12, 13]. Při výtoku ponořeného vodního paprsku vznikají za otvorem, z něhož vytéká, víry, které se vzápětí rozpadají na turbulentní proudění, v nichž působí rychlostní gradient klesajících hodnot. Oblast turbulentních proudění vytvářejících se rozpadem jednoho paprsku se postupně kónicky rozšiřuje [5], takže po protečení určité dráhy se tato proudění střetávají a mísí s turbulentními prouděními vytvořenými rozpady paprsků vytékajících z okolních otvorů v děrované přepážce. Upravovaná voda, v níž jsou rozptýlena turbulentní proudění, přitéká k další děrované přepážce, před kterou dochází ke třem hydraulicky významným dějům : směřování dílčích objemů upravované vody do otvorů v této přepážce a jejich vtoku do nich, nárazu jejích dalších dílčích objemů na plnou plochu této přepážky a jejich odrazu od ní a k jejich střetávání a mísení se s dalšími dílčími objemy upravované vody teprve přitékajícími k této přepážce. Důsledkem obou posledně zmíněných dějů je to, že se před touto přepážkou vytváří nárazová zóna s distribucí rychlostního gradientu zvýšených hodnot a vyšší koncentrací agregujících vloček 2 ). Rozšířením uvedeného popisu na celou vločkovací nádrž s více děrovanými přepážkami lze dospět k závěru, že mezi kterýmikoli dvěma za sebou zařazenými děrovanými přepážkami dochází k rovnoměrné distribuci rychlostního gradientu v příčných profilech vločkovací nádrže, zatímco v jejím podélném profilu je rychlostní gradient distribuován tak, že od jedné k další děrované přepážce jeho hodnoty nejprve postupně klesají, poté se v nárazové zóně a do určité vzdálenosti za další děrovanou přepážkou poněkud zvyšují, načež se tento průběh jeho hodnot opakuje. Hodnoty rychlostního gradientu jsou úměrné mj. velikosti průtočných ploch otvorů v děrovaných přepážkách a patří tedy k jejich návrhovým parametrům. Lze tedy zajistit, aby se v upravované vodě protékající agregační nádrží s odhlédnutím od popsaných opakujících se výkyvů hodnoty rychlostního gradientu postupně snižovaly při přípravě vloček pro dvoustupňovou nebo se udržovaly na stejné úrovni při přípravě vloček pro jednostupňovou separaci (řízená distribuce rychlostního gradientu v podélném profilu nádrže). Závěr Při navrhování nových případně i rekonstrukci starších agregačních nádrží nelze jako dosud vystačit jen s využitím doporučených hodnot středního rychlostního gradientu a zajištěním rovnoměrného zdržení upravované vody, ale je třeba vzít v úvahu i distribuci rychlostního gradientu přiměřených hodnot v upravované vodě. Z tohoto hlediska jsou konstrukčně novější agregační nádrže s hydraulickým mícháním podstatně výhodnější než agregační nádrže s pádlovými míchadly, neboť v novějších nádržích s hydraulickým mícháním lze zajistit rovnoměrnější a teorii agregace vloček lépe odpovídající distribuci rychlostního gradientu přiměřených hodnot. Skutečnosti uvedené v příspěvku hovoří ve prospěch dalšího vývoje agregačních nádrží s hydraulickým mícháním, při čemž pozornost by měla být věnována především komplexnímu studiu hydraulických dějů, které ovlivňují distribuci rychlostního gradientu a tím i účinnost těchto nádrží při přípravě vločkovitých suspenzí. 2 ) Existencí nárazových zón lze vysvětlit nejen vyšší účinnost přípravy obtížně agregujících vloček ve vločkovacích nádržích s děrovanými přepážkami v porovnání s týmiž nádržemi, v nichž byla před jejich rekonstrukcí instalována pádlová míchadla [9, 14], ale i usazování vloček a tvorbu kalových závalů před děrovanými přepážkami při přípravě rychle agregujících vloček [12, 13]. 123

Literatura a podklady [1] Boor, B. Kunštátský, J. Patočka, C.: Hydraulika pro vodohospodářské stavby, SNTL, Praha, 1968 [2] Hereit, F. Mutl, S. Vágner, V.: Některé specifické problémy separace suspenze plynoucí z jejího vločkovitého charakteru, sborník z aktivu,brno, 1979, str. 43 [3] Hereit, F. Mutl, S. Vágner, V.: Rychlé míchání při úpravě vody, sborník ze semináře z oboru technologie úpravy vody, Příbram, 1979, str. 155 [4] Tesařík, I.: Separácia suspendovaných častíc pri úprave vody, VEDA vydavateľstvo SAV, Bratislava, 1980 [5] Boor, B. Kolář, V. Patočka, C. : Hydraulika, SNTL, Praha Alfa, Bratislava, 1983 [6] Tesařík, I. a kol.: Vodárenství, SNTL, Praha, 1985 [7] Halámek, B.: Hydraulické míchání při přípravě vodárenských suspenzí, sborník z konference AQUA Příbram 95, Příbram, 1995, str. 139 [8] Mutl, S.- Knesl, B.: Porovnání technologie úpraven Želivka 1 a 2, sborník z konference Pitná voda z údolních nádrží 1995, Tábor, 1995, str. 249 [9] Halámek, B.: Posuzování Campových čísel při přípravě suspenzí hydraulickým mícháním, sborník z konference Pitná voda 1999, Tábor, 1999. str. 291 [10] Halámek, B.: Optimalizace agregačního míchání, sborník z konference VODA Zlín 2000, Zlín, 2000, str. 95 [11] Halámek, B.: Příprava suspenze hydraulickým mícháním v úpravnách vod s jednostupňovou separací, sborník z konference VODA Zlín 2003, Zlín, 2003, str. 83 [12] Halámek, B.: Poznatky z použití děrovaných přepážek ve vločkovacích a usazovacích nádržích úpraven vod, sborník z konference VODA Zlín 2005, Zlín, 2005, str. 105 [13] Halámek, B.: Okamžitá tvorba těžké suspenze a její důsledky, sborník z konference VODA Zlín 2006, Zlín, 2006, str. 137 [14] Halámek, B.: Náhrada pádlových míchadel děrovanými přepážkami přínosy a rizika, sborník z konference Pitná voda, Trenčianské Teplice, 2006, str. 229 [15] Halámek, B.: Distribuce rychlostního gradientu při různých způsobech agregačního míchání, sborník z konference Pitná voda, Trenčianské Teplice, 2007, str. 159 124