Politechnika
Wrocławska
Instytut Inżynierii Ochrony Środowiska
Ćwiczenie projektowe z oczyszczania wody
Analiza wody podziemnej.
Prowadzący:
dr inż. Małgorzata Wolska
Tomasz Owczarek
IV rok WK
Nr albumu 124098
Rok akademicki 2005/2006
WODA PODZIEMNA
Parametry wody:
TWARDOŚĆ WODY
1) Twardość ogólna
Two = 15,10 tw = 5,39 mval/dm3
2) Twardość niewęglanowa
Twn = 6,00 tw = 2,14 mval/dm3
3)Twardość węglanowa
Tw = Two - Twn = 5,39 - 2,14 = 3,25 mval/dm3
• ZASADOWOŚĆ
pH = 6,6
Zasadowość M = Tw = 3,25 val/m3 = 162,5 g CaCO3/m3 .
• BARWA
19 g Pt /m3 (w normie)
• MĘTNOŚĆ
27 NTU (przekroczona)
• UTLENIALNOŚĆ
2,8 g O2 /m3 (w normie)
• MANGAN
0,6 g Mn /m3 (przekroczona)
• ŻELAZO OGÓLNE
5,9 gFe/m3 (przekroczona)
• DWUTLENEK WĘGLA
Odczytano z nomogramu równowagi węglanowo-wapniowej.
Zawartość CO2 wolnego - CO2w = 90 g CO2 /m3
Zawartość CO2 przynależnego- CO2p = 9,2 g CO2 /m3
Zawartość CO2 agresywnego - CO2a = CO2w - CO2p = 90 - 9,2 = 80,8 g CO2 /m3
1. SCHEMAT TECHNOLOGICZNY.
Woda surowa Woda oczyszczona
1 2 3
gdzie:
Dysze amsterdamskie (NAPOWIETRZANIE OTWARTE);
2) Filtr ciśnieniowy ze złożem piaskowo-antracytowym wpracowanym (FILTRACJA);
DEZYNFEKCJA CHLOREM (Cl2)
2. OBLICZENIA TECHNOLOGICZNE.
W zależności od jakości i rodzaju oczyszczanej wody stosuje się różne chemikalia. W zakładach oczyszczania wody podziemnej do najczęściej stosowanych chemikaliów należą wapno i substancje używane do dezynfekcji. W szczególnych przypadkach używane są, oprócz wymienionych, koagulanty.
2.1 Wyznaczenie dawki chloru.
Chlor w zakładach oczyszczania wody podziemnej jest stosowany do dezynfekcji wody oraz do utleniania związków zredukowanych obecnych w oczyszczanej wodzie.
DCl2 = 1,31 ⋅ Mn + 0,56 Fe
DCl2 = 1,31 ⋅ 0,6 + 0,56 ⋅ 5,9 = 4,09 gCl2 /m3
Przyjęto DCl2 = 2,0 gCl2 /m3
DCl2- dawka chloru, gCl2 /m3
Mn- zawartość związków manganu w wodzie, g Mn+2/m3
Fe - zawartość związków żelaza dwuwartościowego, g Fe+2 /m3
Magazyn chloru:
Mdmax = Q·Dmax·f
Mdmax = 14500·2,0·1 = 29000 g/d = 29,00 kg/d
f- współczynnik przeliczeniowy masy reagenta w postaci chemicznie czystej i bezwonnej na masę produktu technicznego.
Zapas:
Z = Mdmax·T
Z = 29,00 ·30 = 870 kg
Powierzchnia magazynu(ilość magazynowanych butli):
przyjęto 22 butli do magazynowania chloru.
Powierzchnia magazynowania:
F= F1+ F2
F1 - na butle z chlorem 22·0,5 m2 = 11 m2
F2 - na transport 19,0 m2
Powierzchnia magazynowania F = 30m2.
Do przygotowania wody chlorowej stosujemy chloratory. Zastosowano chlorownice typu C-32, wydatek min.= 500gCl2/h, a max. = 6000gCl2/h. Przyjęto chlorownice 2 ( pracujące 1 i 1 jedna w rezerwie). Na każdą potrzeba 2m2 powierzchni, czyli pod chlorownice potrzeba 4 m2.
Powierzchnia chloratorów - 4m2.
Przedsionek - 4m2
Pomieszczenie unieszkodliwiania chloru -10m2
Podręczny magazyn - 22m2
Cała powierzchnia chlorowni wynosi 40m2
3. URZĄDZENIA DO USUWANIA DWUTLENKU WĘGLA AGRESYWNEGO
3.1. Obliczenia dysz amsterdamskich.
Parametry:
Ciśnienie w rurociągu, w którym są wkręcone - 8 ÷10 m H2O ;
Obciążenie dyszy - 3 ÷8 m3/h ;
Rozstaw dysz - co 1m
Obciążenie powierzchni - 3 ÷8 m3/m2⋅h ;
Wysokość rozbryzgu - 2,5 ÷3,5 m ;
Sprawność odkwaszania - 60 ÷ 80 % (jeżeli woda jest natleniona w ok. 95 %)
Założono :
- Wydajność jednej dyszy q = 5 m3/h ;
- Rozstaw dysz ⇒ co 1 m ;
- Obciążenie powierzchni ⇒ 5 m3/m2⋅h ;
- Wysokość rozbryzgu ⇒ 3,0 m
- Wydajność zakładu Q =14500 m3/d = 604,2 m3 /h
a)Wymagana powierzchnia hali dysz F:
Przyjęto: halę dysz o wymiarach: 5 m × 25 m
b) Liczba dysz n =120
c) Zbiornik pod dyszami .
V = Q ⋅ t
gdzie:
t - czas przetrzymania wody w zbiorniku ; (t = 30 min. = 0,5 h)
V = 604,2 ⋅ 0,5 = 302,1 ≈ 302 m3
m
4. FILTRY.
4.1. Filtr ciśnieniowy ze złożem piaskowo-antracytowym.
Parametry:
Ciśnienie robocze w filtrach pospiesznych zamkniętych ≤ 0,59 MPa ;
Ciśnienie obliczeniowe zbiornika ciśnieniowego filtru ⇒ 1,2 ciśnienia roboczego;
Średnice : 900 ÷ 3000 mm
d10 = 0,75 ÷ 1,0mm
WR = 1,25 ÷ 1,75
- powierzchnia filtrów
gdzie: Qh - założone obciążenie hydrauliczne w m3/m2⋅h
- średnica filtru
przyjęto D = 3,0 m
- powierzchnia jednego filtru
F1 = 7,07 m2
- liczba filtrów
Przyjęto 18 filtrów.
Wysokość złoża filtracyjnego Hz = 1,2 m.
Warstwa podtrzymująca 0,4m.
- prędkość filtracji
- prędkość filtracji, gdy jeden filtr jest wyłączony z eksploatacji.
< 10 m/h
Przyjęto płukanie wodno - powietrzne. W filtrze zastosowano drenaż wysokooporowy rurowy.
- intensywność płukania filtru Ip
Dla danego uziarnienia złoża przyjęto płukanie filtru wodą.
Intensywność płukania wyznaczono z nomogramu do wyznaczania intensywności płukania filtrów piaskowych według wzoru Minca-Szuberta: dz = (1,8WR - 0,8)⋅ d10
d10 = 0,8 mm
WR = 1,4
temp. wody 7°C
dz = (1,8⋅ 1,4- 0,8) ⋅ 0,8 = 1,376 cm
dla dz = 1,376 cm K = 1
z nomogramu odczytano q1 = 12,5 dm3/m2s
stąd :
Ip = K ⋅ q1 = 1⋅ 12,5 dm3/m2s = 12,5 dm3/m2s
Qx = 12,5 dm3/m2s ⋅ 7,07 m2 =88,375 dm3/s =0,0884 m3/s
4.2. Drenaż wysokooporowy.
Intensywność płukania wodą Ip = 12,5 dm3/m2s
Natężenie przepływu wody płuczącej Q = 0,0884 m3/s
Z nomogramu Colebrooka - White'a dla q = 0,0884 m3/s przyjęto rurociąg główny drenażu o średnicy d = 300 mm, w którym prędkość przepływu wynosi 1,2 m/s, spadek hydrauliczny 7,5 %0.
Przyjęto rozstaw lateral b = 0,15m.
- liczba lataral n
20szt.
V = 1,5 ÷ 2,0 m/s
Przyjęto V = 1,8 m/s
- długość najdłuższej laterali Lmax.
X - odległość laterali od ściany filtru; (X = 0,04 m)
D -średnica filtru; ( D = 3,0 m)
d - średnica rurociągu; (d = 0,25 m)
1,34 m
- powierzchnia filtru przypadająca na najdłuższą lateralę
f1 = b ⋅ Lmax. = 0,15 ⋅ 1,34 = 0,2 m2
- natężenie przepływu wody w najdłuższej laterali
V = 1,0 ÷ 1,5 m/s
Przyjęto V = 1,3 m/s
Jako boczne lateraly przyjęto rurociągi o średnicy d = 49 mm, w których prędkość przepływy wynosi v = 1,3 m/s, a spadek hydrauliczny i = 2 %0.
Dla przyjętej ilości lateral n = 20 szt. oraz ich rozstawu co 0,15 m, odległość pierwszej i ostatniej laterali od wewnętrznej ściany zbiornika filtracyjnego ( wzdłuż średnicy) - h, wynosi 0,08 m. Stąd obliczono:
- długość cięciwy c
- długość najkrótszej laterali lmin.
- powierzchnia filtru przypadająca na najkrótszą lateralę
- natężenie przepływu wody w najkrótszej laterali
W rurociągu o średnicy d = 49 mm prędkość przepływu wynosi v = 0,21 m/s, a spadek hydrauliczny i =2 %0.
4.3. Obliczanie liczby otworów drenażu wodnego.
Przyjęto rozstaw otworów b' = 150 mm.
- powierzchnia filtru przypadająca na 1 otwór laterali
b ⋅ b' = 0,15 ⋅ 0,15 = 0,0225m2
- liczba otworów na całej powierzchni
314szt.
- powierzchnia 1 otworka o średnicy ∅ 8,0 mm wynosi 5,02 ⋅ 10-5
- sumaryczna powierzchnia otworów
∑f0= 314 ⋅ 5,02 ⋅ 10-5 = 0,0158 m2 ;
co stanowi ok. 0,22 % i mieści się w zalecanym zakresie powierzchni otworów (0,18÷0,40F)
- straty ciśnienia Δh
Dla 95 % równomierności rozdziału wody przyjęto ξ=12.
4.4. Obliczanie drenażu powietrznego.
Przyjęto intensywność płukania powietrzem Qp=72m3/m2⋅h
-natężenie przepływu powietrza przez jeden filtr :
Qp ⋅ F1 = 72 ⋅ 7,07 =509,04 m3/h = 0,141 m3/s
V = 8 ÷ 12 m/s
Przyjęto V = 10 m/s
- długość najdłuższej laterali Lmax.
- powierzchnia filtru przypadająca na najdłuższą lateralę
f1 = b ⋅ Lmax. = 0,15 ⋅ 1,4 = 0,21 m2
- natężenie przepływu powietrza w najdłuższej laterali
V = 8 ÷ 12 m/s
Przyjęto V = 8 m/s
Dla temperatury powietrza 288K i nadciśnieniu powietrza 5 mH2O,przyjeto rurociąg główny o d =134 mm.
Przyjęto 20 sztuk lateral bocznych o rozstawie 0,15m.
Przyjęto boczną lateralę o średnicy 26 mm.
- długość najkrótszej laterali lmin.
.
- powierzchnia filtru przypadająca na najkrótszą lateralę
- natężenie przepływu w laterali najkrótszej :
q 2pow= =
m3/s
W rurociągu o średnicy d = 26 mm prędkość przepływu wynosi v = 1,6 m/s, a spadek hydrauliczny i =2 %0.
Przyjęto lateralę najkrótszą o średnicy 26 mm.
4.5.Obliczanie liczby otworków w drenażu powietrznym.
Przyjęto otworki o średnicy 2 mm.
- powierzchnia 1 otworka :
f0 = 3,14 ⋅10-6 m2
Przyjęto sumaryczną powierzchnię otworków 0,02 % powierzchni filtra, co stanowi:
f = 1,41 ⋅ 10-3m2
- liczba otworków :
n =
449szt.
- powierzchnia przypadająca na 1 otworek :
f1o=
m2
- rozstaw otworków :
lo =
105 mm
5. Odstojniki i laguny.
O ilości osadów decyduje masa usuniętego z wody wodorotlenku żelaza (III) oraz manganu (IV). Stężenie związków pozostałych w wodzie czystej wynosi 0,2 gFe/m3 , a manganu 0,05 gMn/m3.
- dobowa ilość suchej masy osadów powstałych z wodorotlenków :
GX =
GX- dobowa ilość osadów wytrąconych;
- gęstość wytrąconych wodorotlenków żelaza lub manganu;
- gęstość wody;
CX0- początkowe stężenie żelaza lub manganu;
CXK- końcowe stężenie żelaza lub manganu;
- dobowa ilość suchej masy osadu powstałego z Fe(OH)3 :
GFe= 3,5(5.9 -0,2) ⋅ 14500 = 289275 g/d = 289,28 kg/d
-dobowa ilość suchej masy osadu powstałego z MnO(OH)2:
GMn= 4,5(0,6 -0,05) ⋅ 14500 = 35887,5 g/d =35,88 kg/d
Po założeniu, że w komorze reakcyjnej zatrzyma się 75% związków żelaza, ilość suchej masy osadu wynosi:
GFe os= 289,275 ⋅ 0,75 = 216,96 kg/d
Po przyjęciu, że osady w komorze mają uwodnienie 99,6%, objętość uwodnionych osadów wynosi:
Vos=
m3
Przyjęto 12 filtrów płukanych wodą i powietrzem. Intensywność płukania
przyjęto 12,5 dm3/m2⋅s, a czas płukania: 6min.
- objętość popłuczyn :
Vpł= 12,5 ⋅ 12 ⋅ 7,07 ⋅ 0,1 = 381,8 m3
- objętość odstojnika
V = 381,8 + 54,24 = 436,0 m3
Przyjęto V = 440 m3
Przyjęto dwa odstojniki o wymiarach: głębokość- 2m, szerokość- 10 m, długość-22m.
- sucha masa osadu z filtra :
GFe f = GFe - GFe os
GFe f = 289,28 -216,96 = 72,32 kg/d
- uwodnienie popłuczyn
100-0,028= 99,97 %
- ilość osadu po zagęszczeniu
V1 = 381,8 ⋅
m3/d
- ilość osadu zagęszczonego do 96% :
V2 = 54,24 ⋅
m3/d
- ilość osadu odprowadzonego na laguny :
2,86 + 5,42 = 8,3 m3/d
- roczna ilość osadu o uwodnieniu 96%:
V96% = 8,3 ⋅ 365 = 3030 m3/rok
W pierwszym roku odprowadzenie wody drenażem oraz odparowanie wody pozwoli na obniżenie uwodnienia do 80%:
V80% =
V80%= 0,2 ⋅ 3030 = 606,0 m3
Jest to objętość miarodajna do obliczania pojemności czynnej lagun.
W obliczeniach całkowitej ilości osadów przeznaczonych do usunięcia z laguny w końcu 3-letniego cyklu eksploatacji założono, że parowanie z warstwy osadu w lagunach wynosi 30% z wolnej powierzchni wody. Przyjęto, że roczna ilość wody odprowadzanej z powierzchni wody wynosi 860 mm, a wiec ilość wody wyparowanej z warstwy osadu wyniesie 0,3·860mm.
- obliczeniowa powierzchnia laguny przy założonej głębokości 2,0 m wynosi :
m2
- głębokość warstwy osadu przy końcu drugiego roku eksploatacji wynosi :
2-
- objętość osadów:
Vk= 303,0⋅ 1,74 = 527,72 m3
- uwodnienie końcowe osadu :
uk = 100-
Roczna ilość suchej masy osadu o uwodnieniu 80% i gęstości 1050 kg/m3 :
Gsm= 0,2 ⋅V80% ⋅
Gsm= 0,2 ⋅ 606,0 ⋅1050 = 127260 kg
uk = 100-
Przyjęto 3 laguny o objętości całkowitej 606,0m3. Pracują w cyklu trzyletnim, tj. w pierwszym roku następuje gromadzenie osadu, w drugim -suszenie, w trzecim - usuwanie osadów i przygotowanie do ponownego wypełnienia.
Wymiary lagun : długość-30 m, szerokość-10 m, głębokość-2m.
5. Dobór rurociągów.
1)Dopływ wody do ZOW.
Wydajność ZOW : Qd=14500m3/d
Q = 0,17 m3/s
Prędkość przyjęta V=1,1m/s
d=
=
= 0,44 m
Przyjęto DN 450
Prędkość rzeczywista Vrz= 1,07 m/s
2)Dopływ wody surowej na filtry
Rurociąg nr 1: doprowadzenie wody do hali filtrów
Q1 =0,17m3/s
Dla V=1,1m/s
d=
=
=0,44 m
Przyjęto DN 450
Prędkość rzeczywista Vrz= 1,07 m/s
Rurociąg nr 2 : rozprowadzenie wody na poszczególne filtry
Q2=
Q1=0,14 m3/s
Dla V=1,1m/s
d=
=
= 0,4 m
Przyjęto DN 400
Prędkość rzeczywista Vrz=1,19 m/s
Rurociąg nr 3
Q3=
Q1=0,11 m3/s
Dla V=1,0m/s
d=
=
= 0,37 m
Przyjęto DN 400
Prędkość rzeczywista Vrz=0,87m/s
Rurociąg nr 4
Q4=
Q1=0,085 m3/s
Dla V=1,0m/s
d=
=
= 0,33 m
Przyjęto DN 350
Prędkość rzeczywista Vrz=0,88m/s
Rurociąg nr 5
Q5=
Q1=0,057 m3/s
Dla V=1,0m/s
d=
=
= 0,27 m
Przyjęto DN 300
Prędkość rzeczywista Vrz=0,8m/s
Rurociąg nr 6
Q6=
Q1=0,028 m3/s
Dla V=1,0m/s
d=
=
= 0,19 m
Przyjęto DN 200
Prędkość rzeczywista Vrz=0,89 m/s
Rurociąg nr 7: rozprowadzenie wody na poszczególne filtry
Q7=
Q1=0,014 m3/s
Dla V=1,0m/s
d=
=
= 0,13 m
Przyjęto DN 150
Prędkość rzeczywista Vrz=0,80 m/s
3)Rurociąg doprowadzający wodę do płukania.
Q=0,0884 m3/s
Dla V=2,0m/s
d=
=
=0,237 m
Przyjęto DN 250
Prędkość rzeczywista Vrz=1,8 m/s
4)Rurociąg odprowadzający filtrat.
Przyjęto średnice rurociągu takie same jak przy wodzie surowej doprowadzanej na filtry.
5)Rurociąg doprowadzający powietrze do filtrów podczas płukania.
Q=0,141m3/s
Dla V=10m/s
d=
=
=0,134 m
Przyjęto DN 150
Prędkość rzeczywista Vrz=7,9m/s
6) Rurociąg odprowadzający popłuczyny
Przyjęto średnice rurociągu takie same jak przy wodzie surowej do płukania.
OPIS TECHNICZNY
Celem projektu było zaprojektowanie Zakładu Oczyszczania Wody dla wody podziemnej o Q = 14500 m3/d. Przeznaczenie wody: zaopatrzenie miasta.
Zaprojektowano układ technologiczny:
napowietrzanie otwarte-dysze amsterdamskie;
filtracja na filtrach ciśnieniowych pionowych ze złożem piaskowo-antracytowym;
dezynfekcja chlorem.
W celu usunięcia dwutlenku węgla agresywnego w ilości 80,8 gCO2/m3 zastosowano napowietrzanie otwarte. Biorąc pod uwagę zas.M = 3,25 val/m3 proces ten przeprowadza się za pomocą dysz amsterdamskich. Następnie woda spływa do zbiornika gdzie jest przetrzymywana 30 minut.
Woda po napowietrzaniu kierowana jest na halę filtrów. Proces filtracji przeprowadzany będzie na filtrach ciśnieniowych dwuwarstwowych. Zaprojektowano 18 filtrów z drenażem wysokooporowym. Filtry dwuwarstwowe składają się ze złoża piaskowego o wysokości 1,0 m. Wysokość warstwy podtrzymującej: 0,3m. Złoże płukane jest wodą i powietrzem. Popłuczyny i pierwszy filtrat odprowadzane są na odstojniki. Po zagęszczeniu osady z odstojników będą kierowane na laguny. Na dnie lagun ułożony jest drenaż filtrujący wodę osadową, która to jest następnie kierowana do kanalizacji i zawracana na początek zakładu.
Na terenie zakładu znajdują się dwie pompownie: pompownia 1 tłoczy wodę z ujęcia i kieruje ją do budynku napowietrzania, natomiast pompownia 2 kieruje wodę o odpowiednim ciśnieniu na filtry ciśnieniowe. Dezynfekcję wody przeprowadza się za pomocą wody chlorowej w rurociągu, po filtracji po czym kierowana jest ona do miasta.
Do przygotowania wody chlorowej stosujemy chloratory. Zastosowano chlorownice typu C-32, wydatek min.=500gCl2/h, a max.=6000gCl2/h. Przyjęto 2 chlorownice
(1 pracująca i jedna w rezerwie). Na każdą potrzeba 2m2 powierzchni, czyli pod chlorownice potrzeba 6m2.
Powierzchnia chloratorów - 4m2.
Przedsionek - 4m2
Pomieszczenie unieszkodliwiania chloru - 10m2
Podręczny magazyn - 22m2
Cała powierzchnia chlorowni wynosi 40m2
14