Politechnika Wrocławska

Wydział Inżynierii Środowiska

Instytut Inżynierii Ochrony Środowiska

Odnowa wody 2

ćwiczenie projektowe

Projekt koncepcyjny zakładu odnowy wody

Wstęp

Przedmiot opracowania

Przedmiotem opracowania jest ćwiczenie projektowe z Odnowy wody dotyczące opracowania projektu koncepcyjnego zakładu odnowy wody.

Zakres opracowania

Niniejsza praca jest próbą zrealizowania ćwiczenia projektowego w oparciu o wydany temat
i podstawowe dane. Opracowanie to zawiera:

• część opisowo-obliczeniową, tj. dobór schematy technologicznego zakładu odnowy wody (ZOW), obliczenia technologiczne, obliczenia urządzeń ZOW oraz opis techniczny,

• część rysunkową, tzn. profil przez urządzenia ZOW – skala 1:500/100

  1. Podstawa opracowania

Podstawą opracowania jest temat wydany wraz z założonymi danymi dla studenta studiów niestacjonarnych II stopnia, … od …, w semestrze letnim roku akademickiego 2011/2012.

Wykorzystane materiały

[1] A. Kowal i inni – Odnowa wody. Podstawy teoretyczne procesów, Oficyna Wydawnicza Politechniki Wrocławskiej, Wrocław 1997r.

[2] A. Kowal i inni – Podstawy projektowe systemów oczyszczania wód, Oficyna Wydawnicza Politechniki Wrocławskiej, Wrocław 1998r.

[3] Rozporządzenie Ministra Środowiska z dnia 24 lipca 2006r. w sprawie warunków, jakie należy spełnić przy wprowadzaniu ścieków do wód lub do ziemi, oraz w sprawie substancji szczególnie szkodliwych dla środowiska wodnego

[4] Rozporządzenie Ministra Zdrowia z dnia 20 kwietnia 2010r. zmieniające rozporządzenie w sprawie jakości wody przeznaczonej do spożycia przez ludzi

[5] Notatki własne z wykładu Odnowa wody oraz ćwiczenia projektowego

Dane wyjściowe do projektu

Poniżej przedstawiono wszystkie dane zawarte na wydanym temacie ćwiczenia projektowego, podane przez Prowadzącą, jak również na podstawie obowiązujących rozporządzeń przyjęte i zaakceptowane:

Tabela 1. Wartości wskaźników ścieków biologicznie oczyszczonych oraz wody po odnowie wg obowiązujących rozporządzeń [2 i 3].

Wskaźnik	Jednostka	Ścieki biologicznie oczyszczone	Woda po odnowie
Wydajność zakładu	m^3/d	3600	-
Odczyn	pH	6,6	7,4
Barwa	gPt/m^3	42,0	5,0
Mętność	NTU	24,0	1,0
ChZT	gO2/m^3	63,0	4,0
BZT5	gO2/m^3	23,0	1,3
Azot azotanowy	gN/m^3	14,0	4,0
Azot azotynowy	gN/m^3	-	-
Azot amonowy	gN/m^3	22,0	0,3
Azot organiczny	gN/m^3	4,0	0,0
Fosforany	$$\frac{\mathrm{\text{gPO}}_{\mathrm{4}}^{\mathrm{3 -}}}{\mathrm{m}^{\mathrm{3}}}$$	25,0	0,3
Chlorki	val/m^3	2,40	0,4
Siarczany	val/m^3	2,16	0,5
Sód	val/m^3	0,2	0,1
Potas	val/m^3	0,1	0,1
Wapń	val/m^3	4,6	0,8
Magnez	val/m^3	2,9	0,4
Zasadowość	val/m^3	3,0	2,6
Ciała rozpuszczone	g/m^3	700	275

Wybrany układ technologiczny

Przyjęto następujący układ technologiczny dla odnowy wody o podanych parametrach ścieków oczyszczonych biologicznie z żądanymi wartościami parametrów po procesach odnowy.

Przedstawiony układ technologiczny odnowi wodę do jakości wody do spożycia przez ludzi. Część z tych zasobów zostanie przeznaczona na cele przemysłowe.

Obliczenia technologiczne

Koagulacja – dawka wapna

Jako koagulant przyjęto wapno, a dawkę jego uzależniono od zasadowości ścieków i pH. Przyjęta zasadowość ścieków to:

$$zasadowosc = 3,0\frac{\text{val}}{m^{3}} = 3,0 \bullet 50 = 150,0\frac{\text{g\ CaCO}_{3}}{m^{3}}$$

Poniżej przedstawiono wykres, z którego odczytano ilość wapna potrzebną
do podniesienia pH=11,0.

Z wykresu odczytano dawkę wapna $D_{\text{CaO}} = 310,0\frac{\text{gCaO}}{m^{3}}$.

Na podstawie nomogramu równowagi węglanowo-wapniowej odczytano dwie wartości:

• zawartość dwutlenku węgla wolnego $\text{CO}_{2 - w} = 74,0\ \frac{g\text{CO}_{2}}{m^{3}}$

• zawartość dwutlenku węgla przynależnego $\text{CO}_{2 - p} = 7,4\ \frac{g\text{CO}_{2}}{m^{3}}$

Zawartość dwutlenku agresywnego wynosi:

$$\text{CO}_{2 - a} = \text{CO}_{2 - w} - \text{CO}_{2 - p} = 74,0 - 7,4 = 66,6\ \frac{g\text{CO}_{2}}{m^{3}}$$

Tym samym kwasowość wody wynosi:

$$\text{kwa}sowosc = \frac{\text{CO}_{2 - a}}{22} = \frac{66,6}{22} = 3,03\frac{\text{val}}{m^{3}}$$

Dawka wapna niezbędna do dekarbonizacji wyznaczana jest ze wzoru:

$$D_{CaO - dekarb.} = 28 \bullet \left( zasadowosc + kwasowosc \right) = 28 \bullet \left( 3,0 + 3,03 \right) = 28 \bullet 6,06 = 169,7\ \frac{\text{gCaO}}{m^{3}}\ $$

Strącanie fosforanów przebiega m. in. wg poniższej reakcji:

$$3\text{PO}_{4}^{3 -} + 5{\text{Ca}\left( \text{OH} \right)}_{2}\overset{\rightarrow}{}\text{Ca}_{5}{\text{OH}\left( \text{PO}_{4} \right)}_{3} + 9\text{OH}^{-}$$

3 • 31, 0 gP − 5 • 56, 0 gCaO

1, 0 gP − x $x = \frac{1 \bullet 5 \bullet 56,0}{3 \bullet 31,0} = \frac{280}{93} = 3,01\ \frac{\text{gCaO}}{\text{gP}}$

Ilość fosforu w fosforanach w tej reakcji wynosi:

31, 0 + 4 • 16 = 95, 0gPO₄³⁻ − 1 • 31, 0 gP

1, 0 gPO₄³⁻ − x $x = \frac{1 \bullet 1 \bullet 31,0}{95,0} = \frac{31,0}{95,0} = 0,33\ \frac{\text{gP}}{g\text{PO}_{4}^{3 -}}$

Przyjęto, że w 100% wytrącą się fosforany. Tym samym dawka wapna ze względu
na usuwanie fosforanów wynosi:

$$D_{CaO - \text{PO}_{4}^{3 -}} = 3,01 \bullet 0,33 \bullet 25 = 24,8\ \frac{\text{gCaO}}{m^{3}}$$

Pozostała ilość dawki wapna w roztworze wynosi:

$$D_{CaO - pozostale} = D_{\text{CaO}} - \left( D_{CaO - dekarb.} + D_{CaO - \text{PO}_{4}^{3 -}} \right) = \left\lbrack 310,0 - \left( 169,7 + 24,8 \right) \right\rbrack\frac{\text{gCaO}}{m^{3}}$$

$$D_{CaO - pozostale} = \left( 310,0 - 194,6 \right)\frac{\text{gCaO}}{m^{3}} = 115,4\frac{\text{gCaO}}{m^{3}}$$

Rekarbonizacja – dawka dwutlenku węgla

Proces rekarbonizacji można prowadzić dwoma sposobami. Jednym z nich jest rekarbonizacja jednostopniowa, gdzie występuje tam tylko komora saturacji.

${\text{Ca}\left( \text{OH} \right)}_{2} + 2\text{CO}_{2}\overset{\rightarrow}{}{\text{Ca}\left( \text{HCO}_{3} \right)}_{2}$

56, 0 gCaO − 2 • 44, 0 gCO₂

115, 4 gCaO − x $x = 181,3\frac{g\text{CO}_{2}}{m^{3}}$

Innym sposobem jest rekarbonizacja II^o, czyli komora saturacji I^o, osadnik i komora saturacji II^o.

Pierwsza reakcja: ${\text{Ca}\left( \text{OH} \right)}_{2} + \text{CO}_{2}\overset{\rightarrow}{} \downarrow \text{CaCO}_{3} + H_{2}O$

56, 0 gCaO − 44, 0 gCO₂

115, 4 gCaO − x $x = \ 90,7\frac{g\text{CO}_{2}}{m^{3}}$

Ilość osadów CaCO₃: 56, 0 gCaO − 100, 0 gCaCO₃

115, 4 gCaO − x $x = \ 206,1\frac{\text{gCa}\text{CO}_{3}}{m^{3}}$

Przyjęto sprawność osadnika równą η = 90%. Zatem ilość osadów jaka pozostanie to:

$$\left( 1 - 0,90 \right) \bullet 206,1 = 20,6\frac{\text{gCa}\text{CO}_{3}}{m^{3}}$$

Druga reakcja: $\downarrow \text{CaCO}_{3} + H_{2}O + \text{CO}_{2}\overset{\rightarrow}{}{\text{Ca}\left( \text{HCO}_{3} \right)}_{2}$

100, 0 gCaCO₃ − 44, 0 gCO₂

20, 6 gCaCO₃ − x $x = \frac{9,06\ g\text{CO}_{2}}{m^{3}}$

Łączne zużycie CO₂ wynosi:

$$90,7 + 9,06 = 99,76\frac{g\text{CO}_{2}}{m^{3}} \cong 100,0\frac{g\text{CO}_{2}}{m^{3}}$$

Dezynfekcja – dawka chloru

Do dezynfekcji zastosowano roztwór chloru. Dawka dezynfektanta oparta jest na dwóch wartościach wskaźników odnowionej wody:

• dawka chloru ze względu na utlenienie azotu amonowego przy chlorowaniu do punktu przełamania:

D_{N − NH4⁺} = 10 • [N−NH₄⁺]

Dla $\left\lbrack N - \text{NH}_{4}^{+} \right\rbrack = 0,30\frac{\text{gN}}{m^{3}}$ $D_{N - \text{NH}_{4}^{+}} = 10 \bullet 0,30 = 3,0\frac{g\text{Cl}_{2}}{m^{3}}$

• dawka chloru ze względu na utlenienie związków organicznych:

D_zw.org. = Cl_{2 − pozostaly} + 0, 79 • Utl

Dla $Utl = 4,0\frac{gO_{2}}{m^{3}}$

Przyjęto $\text{Cl}_{2 - pozostaly} = 0,20\frac{g\text{Cl}_{2}}{m^{3}}$

$$D_{\text{zw.org.}} = 0,20 + 0,79 \bullet 4,0 = 0,20 + 3,16 = 3,36\frac{g\text{Cl}_{2}}{m^{3}}$$

Ostatecznie przyjęto dawkę dezynfektanta:

$$D_{\text{Cl}_{2}} = D_{N - \text{NH}_{4}^{+}} + D_{\text{zw.org.}} = 4,0 + 3,36 = 7,4\frac{g\text{Cl}_{2}}{m^{3}}$$

Obliczenia urządzeń ZOW

Poniżej przedstawiono tok obliczeniowy mający na celu dobór wymiarów i innych parametrów urządzeń niezbędnych do przeprowadzenia kolejnych procesów odnowy wody.

Proces koagulacji

Przyjęto komorę szybkiego mieszania z mieszadłem mechanicznym oraz klarownik korytarzowy. Dobór parametrów urządzeń przedstawiono poniżej.

Komora szybkiego mieszania z mieszadłem mechanicznym

Przyjęty czas mieszania t = 3 min = 180s

Objętość komory:

V_k = Q • t

gdzie:

V_k - objętość komory szybkiego mieszania, m³,

Q - strumień objętościowy ścieków przeznaczony do odnowy, $\frac{m^{3}}{h}$,

Dla $Q = 3600\frac{m^{3}}{d} = 150,0\frac{m^{3}}{h}$

$$V_{k} = 150,0 \bullet \frac{3}{60} = 7,50m^{3}$$

Przyjęto ilość sztuk komór n = 1

Objętość jednej komory wynosi:

$$V_{1} = \frac{V_{k}}{n} = \frac{7,50}{1} = 7,50m^{3}$$

W celu obliczenia średnicy komory, przyjęto jej wysokość H = 3, 0m.

Pole powierzchni dna jednej komory wynosi:

$$F_{1} = \frac{V_{1}}{H} = \frac{7,50}{3,0} = 2,50m^{2}$$

Średnica komory wynosi:

$$D_{k} = \sqrt{\frac{4 \bullet F_{1}}{\pi}} = \sqrt{\frac{4 \bullet 2,05}{\pi}} = 1,78m \cong 1,80m$$

Klarownik korytarzowy

Powierzchnia klarownika składa się z powierzchni sklarowanej i zagęszczonej i wyraża się wzorem:

$$F_{\text{klarownik}} = F_{\text{klarowania}} + F_{zageszczania} = \frac{K \bullet Q}{v_{p}} + \frac{\left( 1 - K \right) \bullet Q}{\alpha \bullet v_{p}}$$

gdzie:

Q - strumień objętościowy ścieków przeznaczony do odnowy, $\frac{m^{3}}{h}$,

α - współczynnik zmniejszający prędkość przepływu wody w komorze zagęszczania, α = 0, 90,

v_p - prędkość przepływu wody w strefie klarowania, $\frac{\text{mm}}{s}$,

K - współczynnik rozdziału wody między strefą klarowania a zagęszczania, -,

Współczynnik K oraz prędkość przepływu wody v_p uzależnione są od stężenia zawiesin w dopływie. Zależność tą przedstawia Tabela 2.

Tabela 2. Prędkość przepływu v_p oraz współczynnik rozdziału K wody w klarowniku korytarzowym w zależności od stężenia zawiesin w dopływie[2].

Stężenie zawiesin, g/m^3	Prędkość vp, $\frac{\mathbf{\text{mm}}}{\mathbf{s}}$	Współczynnik K
	zima	lato
10-100	0,7-0,8	0,9-1,0
100-400	0,8-1,0	1,0-1,1
400-1000	1,0-1,1	1,1-1,2
1000-2500	1,1-1,2	1,1-1,2

Z procesu dekarbonizacji powstają osady według reakcji:

${\text{Ca}\left( \text{HCO}_{3} \right)}_{2} + {\text{Ca}\left( \text{OH} \right)}_{2}\overset{\rightarrow}{} \downarrow {2CaCO}_{3} + 2H_{2}O$

56, 0 gCaO − 200, 0 gCaCO₃

169, 7 gCaO − x $x = \ \frac{606,1gCa\text{CO}_{3}}{m^{3}}$

Na podstawie obliczonej ilości zawiesin przyjęto:

• współczynnik rozdziału K = 0, 68

• prędkość przepływu wody dla okresu zimowego $v_{p} = 1,02\frac{\text{mm}}{s}$

• prędkość przepływu wody dla okresu letniego $v_{p} = 1,12\frac{\text{mm}}{s}$

Obliczenia dla okresu zimowego

$$F_{\text{klarownik}} = \frac{0,68 \bullet 150,0}{1,02 \bullet 3,6} + \frac{\left( 1 - 0,68 \right) \bullet 150,0}{0,90 \bullet 1,02 \bullet 3,6} = 27,8 + 14,5 \cong {42,3m}^{2}$$

Obliczenia dla okresu letniego

$$F_{\text{klarownik}} = \frac{0,68 \bullet 150,0}{1,12 \bullet 3,6} + \frac{\left( 1 - 0,68 \right) \bullet 150,0}{0,90 \bullet 1,12 \bullet 3,6} = 25,3 + 13,2 \cong 38,5m^{2}$$

Przyjęto powierzchnię strefy sklarowania równą 27, 8m² i powierzchnię strefy zagęszczania 14, 5m². W związku z tym, że sumaryczna powierzchnia jest mniejsza niż 100m² uznano, że będzie tylko jeden klarownik korytarzowy.

Dla projektowanej długości klarownika L = 7m, szerokość strefy klarowania jest równa $\frac{27,8}{2 \bullet 7} = 1,99 \cong 2,0m$, a szerokość strefy zagęszczania wynosi $\frac{14,5}{7} = 2,07 \cong 2,1m$.

Wysokość warstwy wody wynosić będzie H_w = 2, 0m, a wysokość warstwy osadu zawieszonego H_os = 2, 5m.

Proces rekarbonizacji II^o

Przyjęto czas kontaktu w komorach saturacji t = 15min = 0, 25h. Dla osadnika minimalny czas przetrzymania to t_min = 30min - przyjęto t = 45min = 0, 75h. Ponadto, obciążenie hydrauliczna osadnika nie może być większe od $O_{h} \leq 4\frac{m^{3}}{m^{2} \bullet s}$.

Objętość osadnika:

V_os = Q • t

gdzie:

V_os - objętość osadnika, m³,

Q - strumień objętościowy ścieków przeznaczony do odnowy, $\frac{m^{3}}{h}$,

Dla $Q = 150,0\frac{m^{3}}{h}$

V_os = 150, 0 • 0, 75 = 112, 5m³

Przyjęto ilość sztuk osadników n = 1

Objętość jednego osadnika wynosi:

$$V_{1} = \frac{V_{\text{os}}}{n} = \frac{112,5}{1} = 112,5m^{3}$$

W celu obliczenia wymiarów osadnika, przyjęto jego wysokość H = 3, 0m.

Pole powierzchni jednego osadnika wynosi:

$$F_{1} = \frac{V_{1}}{H} = \frac{112,5}{3,0} = 37,5m^{2}$$

Przyjęto szerokość osadnika B = 3, 0m.

Długość osadnika wynosi:

$$L = \frac{F_{1}}{B} = \frac{37,5}{3,0} = 12,5m$$

Objętość komory saturacji:

V_sat = Q • t

gdzie:

V_sat - objętość komory saturacji, m³,

Q - strumień objętościowy ścieków przeznaczony do odnowy, $\frac{m^{3}}{h}$,

Dla $Q = 150,0\frac{m^{3}}{h}$

V_sat = 150, 0 • 0, 25 = 37, 5m³

Ze względu na przyjętą jedną komorę osadnika, należy przyjąć również po jednej komorze saturacji I^o oraz jedną komorę saturacji II^o.

Objętość jednej komory saturacji:

$$V_{1} = \frac{V_{\text{sat}}}{n} = \frac{37,5}{1} = 37,5m^{3}$$

W celu obliczenia wymiarów komory, przyjęto, jak dla osadnika, wysokość H = 3, 0m.

Pole powierzchni jednej komory saturacji:

$$F_{1} = \frac{V_{1}}{H} = \frac{37,5}{3,0} = 12,5m^{2}$$

Przyjęto szerokość identyczną jak dla osadnika, B = 3, 0m.

Długość komory saturacji wynosi:

$$L = \frac{F_{1}}{B} = \frac{12,5}{3,0} = 4,2m$$

Proces filtracji

Jako złoża filtracyjne wybrano filtry grawitacyjne piaskowe. Przyjęto prędkość filtracji $v_{f} = 5\frac{m}{h}$.

Powierzchnia filtrów:

$$F_{\text{filtr}} = \frac{Q}{v_{f}}$$

gdzie:

F_filtr - powierzchnia filtrów, m²,

Q - strumień objętościowy ścieków przeznaczony do odnowy, $\frac{m^{3}}{h}$,

Dla $Q = 150,0\frac{m^{3}}{h}$

$$F_{\text{filtr}} = \frac{150,0}{5,0} = 30,0m^{2}$$

Liczba filtrów:

$$n = \frac{1}{2} \bullet \sqrt{F_{\text{filtr}}} = \frac{1}{2} \bullet \sqrt{30,0} = 2,74 \cong 3\ filtry$$

Powierzchnia jednego filtra:

$$F_{1} = \frac{F_{\text{filtr}}}{n} = \frac{30,0}{3} = 10,0m^{2}$$

Wymiary pojedynczej płyty drenażowej to 0, 60x1, 00m. Tym samym przyjęto wymiary filtra 2, 40x4, 00m(16 płyt drenażowych) dając rzeczywistą powierzchnię filtra F_1 − rz = 9, 60m².

Prędkość rzeczywista filtracji:

$$v_{f - rz} = \frac{Q}{n \bullet F_{1 - rz}} = \frac{150,0}{3 \bullet 9,6} = 5,21\frac{m}{h}$$

Prędkość filtracji przy jednym wyłączonym filtrze:

$$v_{f - rz - 1} = \frac{Q}{\left( n - 1 \right) \bullet F_{1 - rz}} = \frac{150,0}{2 \bullet 9,6} = 7,81\frac{m}{h}$$

Obliczona prędkość podczas płukania jednego filtra jest nieco większa niż maksymalna, zalecana równa $7,00\frac{m}{h}$.

Parametry przyjętego złoża filtracyjnego:

• d₁₀ = 0, 4mm,

• WR = 1, 5,

• wysokość złoża filtracyjnego H = 1, 0m,

• wysokość wody nad złożem H_w = 1, 5m,

• wysokość warstwy podtrzymującej H_podt = 0, 5m,

• obciążenie hydrauliczne $O_{h} = 5\frac{m^{3}}{\left( m^{2} \bullet h \right)}$.

  1. Proces adsorpcji

Jako złoża adsorpcyjne wybrano węgiel aktywny. Przyjęto prędkość adsorpcji równą $v_{\text{ads}} = 10\frac{m}{h}$. Powierzchnia adsorberów:

$$F_{\text{ads}} = \frac{Q}{v_{\text{ads}}}$$

gdzie:

F_ads - powierzchnia adsorberów, m²,

Q - strumień objętościowy ścieków przeznaczony do odnowy, $\frac{m^{3}}{h}$,

Dla $Q = 150,0\frac{m^{3}}{h}$

$$F_{\text{ads}} = \frac{150,0}{10,0} = 15,0m^{2}$$

Przyjęta średnica pojedynczego filtru D = 3, 0m. Powierzchnia pojedynczego filtru wynosi:

$$F_{1} = \frac{\pi \bullet D^{2}}{4} = \frac{\pi \bullet {3,0}^{2}}{4} = 7,1m^{2}$$

Liczba filtrów:

$$n = \frac{F_{\text{ads}}}{F_{1}} = \frac{15,0}{7,1} = 2,11 \cong 3\ filtry$$

Prędkość rzeczywista adsorpcji:

$$v_{ads - rz} = \frac{Q}{n \bullet F_{1}} = \frac{150,0}{3 \bullet 7,1} = 7,04\frac{m}{h}$$

Prędkość filtracji przy jednym wyłączonym filtrze:

$$v_{ads - rz - 1} = \frac{Q}{\left( n - 1 \right) \bullet F_{1}} = \frac{150,0}{2 \bullet 7,1} = 10,56\frac{m}{h}$$

Obliczona prędkość podczas płukania jednego filtra mieści się w zakresie prędkości
do $12,00\frac{m}{h}$.

W celu regeneracji złoża przyjęto płukanie wodno-powietrzne:

• założona intensywność płukania $q_{pl\ wod} = 20,0\frac{m^{3}}{\left( m^{2} \bullet h \right)}$,

• natężenie przepływu wody płuczącej:

$$Q_{pl\ wod} = q_{pl\ wod} \bullet F_{1} = 20,0 \bullet 7,1 = 142,0\frac{m^{3}}{h} = 0,04\frac{m^{3}}{s}$$

• intensywność płukania powietrzem $q_{pl\ pow} = 72,0\frac{m^{3}}{\left( m^{2} \bullet h \right)}$

• natężenie przepływu powietrza:

$$Q_{pl\ pow} = q_{pl\ pow} \bullet F_{1} = 72,0 \bullet 7,1 = 511,0\frac{m^{3}}{h} = 0,14\frac{m^{3}}{s}$$

Proces wymiany jonowej

Bilans jonów w ściekach biologicznie oczyszczonych zawarto w Tabela 3.

Tabela 3. Bilans jonów w ściekach oczyszczonych biologicznie.

Kationy	Aniony
Jon	val/m^3
N−NH4^+	1,57
Na^+	0,20
K^+	0,10
Ca^2+	4,60
Mg^2+	2,90
Suma	9,37

Przyjęto strumień objętościowy ścieków biologicznie oczyszczonych w wysokości 25% nominalnego strumienia, tj. $Q = 900\frac{m^{3}}{d} = 37,5\frac{m^{3}}{h}$.

Dobór kationitu

Dobrano kationit silnie kwasowy Wofatit KPS o następujących parametrach:

• zakres pH 2÷14,

• wysokość warstwy 600÷1800mm,

• woda do spulchniania złoża 2 • V₁,

• zalecana ekspansja w czasie spulchniania E=60%,

• regeneracja jonitu $50 \div 150\frac{\text{gHCl}}{\text{dm}^{3}}\text{\ kationitu}$,

• stężenie środka regenerującego 5÷10%,

• czas regeneracji minimum 30 minut,

• woda do płukania (4÷8) • V₁,

• prędkość w czasie płukania $\leq 15\frac{m}{h}$,

• prędkość w czasie pracy $5 \div 60\frac{m}{h}$,

• robocza zdolność jonowymienna $Z_{w} = 1,25\frac{\text{val}}{\text{dm}^{3}}$.

Ilość jonów do wymiary:

$$n_{\text{jon}} = \sum_{}^{}\text{kation} \bullet Q = 9,37 \bullet 900 = 8433\frac{\text{val}}{\text{dm}^{3}}$$

Objętość jonitu:

$$V_{\text{jon}} = \frac{n_{\text{jon}}}{Z_{w}} = \frac{8433}{1,25} = 6746,4\frac{\text{dm}^{3}}{d} = 6,75\frac{m^{3}}{d}$$

Ilość jonitów n_jonit = 2 o średnicy D = 2, 0m. Powierzchnia jonitu:

$$F_{1} = \frac{\pi \bullet D^{2}}{4} = \frac{\pi \bullet {2,0}^{2}}{4} = 3,14m^{2}$$

Wysokość złoża:

$$H_{zl} = \frac{V_{\text{jon}}}{n_{\text{jonit}} \bullet F_{1}} = \frac{6,75}{2 \bullet 3,14} = 1,07m$$

Przyjęto wysokość złoża kationitu H_zl = 1, 20m.

Prędkość przepływu:

$$v = \frac{Q}{n_{\text{jonit}} \bullet F_{1}} = \frac{37,5}{2 \bullet 3,14} = 5,97\frac{m}{h}$$

Dobór anionitu

Dobrano anionit silnie kwasowy Wofatit SBK o następujących parametrach:

• zakres pH <10,5,

• wysokość warstwy 600÷1800mm,

• woda do spulchniania złoża 2 • V₁,

• zalecana ekspansja w czasie spulchniania E=70%,

• regeneracja jonitu $20 \div 120\frac{\text{gNaOH}}{\text{dm}^{3}}\text{anionitu}$,

• stężenie środka regenerującego 5÷10%,

• czas regeneracji minimum 30 minut,

• woda do płukania (4÷8) • V₁,

• prędkość w czasie płukania $\leq 15\frac{m}{h}$,

• prędkość w czasie pracy $5 \div 60\frac{m}{h}$,

• robocza zdolność jonowymienna $Z_{w} = 1,15\frac{\text{val}}{\text{dm}^{3}}$.

Ilość jonów do wymiary:

$$n_{\text{jon}} = \sum_{}^{}\text{anion} \bullet Q = 9,37 \bullet 900 = 8433\frac{\text{val}}{\text{dm}^{3}}$$

Objętość jonitu:

$$V_{\text{jon}} = \frac{n_{\text{jon}}}{Z_{w}} = \frac{8433}{1,15} = 7333\frac{\text{dm}^{3}}{d} = 7,4\frac{m^{3}}{d}$$

Ilość jonitów n_jonit = 2 o średnicy D = 2, 0m. Powierzchnia jonitu:

$$F_{1} = \frac{\pi \bullet D^{2}}{4} = \frac{\pi \bullet {2,0}^{2}}{4} = 3,14m^{2}$$

Wysokość złoża:

$$H_{zl} = \frac{V_{\text{jon}}}{n_{\text{jonit}} \bullet F_{1}} = \frac{7,4}{2 \bullet 3,14} = 1,18m$$

Przyjęto wysokość złoża anionitu H_zl = 1, 20m.

Prędkość przepływu:

$$v = \frac{Q}{n_{\text{jonit}} \bullet F_{1}} = \frac{37,5}{2 \bullet 3,14} = 5,97\frac{m}{h}$$

Opis techniczny

Proces koagulacji

Za koagulant przyjęto wapno w postaci mleka wapiennego. Dobrano komorę szybkiego mieszania oraz klarownik korytarzowy. Przyjęto jedną komorę szybkiego mieszania o objętości V_k = 7, 50m³, tj. wysokości H = 3, 0m i średnicy D_k = 1, 80m. Przyjęty czas mieszania to t = 180s.

Zaprojektowany klarownik korytarzowy charakteryzuje się podanymi niżej parametrami:

• prędkość przepływu wody dla okresu zimowego $v_{p} = 1,02\frac{\text{mm}}{s}$,

• prędkość przepływu wody dla okresu letniego $v_{p} = 1,12\frac{\text{mm}}{s}$,

• powierzchnia strefy sklarowania 27, 8m²,

• powierzchnia strefy zagęszczania 14, 5m²,

• długość klarownika L = 7m,

• szerokość strefy sklarowania 2, 0m,

• szerokość strefy zagęszczania 2, 1m,

• wysokość warstwy wody H_w = 2, 0m,

• wysokość warstwy osadu zawieszonego H_os = 2, 5m.

Całkowita dawka wapna wynosi $D_{\text{CaO}} = 310,0\frac{\text{gCaO}}{m^{3}}$. Dawka wapna niezbędna
do dekarbonizacji to $D_{CaO - dekarb.} = 169,7\frac{\text{gCaO}}{m^{3}}$. Dawka dla usunięcia fosforanów
$D_{CaO - \text{PO}_{4}^{3 -}} = 24,8\frac{\text{gCaO}}{m^{3}}$. Pozostała dawka wapna to $D_{CaO - pozostale} = 115,4\frac{\text{gCaO}}{m^{3}}$.

Proces rekarbonizacji II^o

Przyjęto proces rekarbonizacji II^o, dla której charakterystyczne wymiary komór podano poniżej:

• komory saturacji I^o i II^o – przyjęto czas kontaktu t = 15min = 0, 25h,  po jednej sztuce komór dla każdego z stopnia saturacji o objętości V_sat = 37, 5m³, tj. wysokości H = 3, 0m, szerokości B = 3, 0m i długości L = 4, 2m,

• osadnik - przyjęto czas kontaktu t = 45min = 0, 75h,   jedną sztukę o objętości
  V_os = 112, 5m³, tj. wysokości H = 3, 0m, szerokości B = 3, 0m i długości L = 12, 5m. Sprawność sedymentacji osadnika przyjęto η = 90%.

Dawka dwutlenku węgla niezbędna do przeprowadzenia tego procesu
wynosi $100,0\frac{g\text{CO}_{2}}{m^{3}}$.

Proces filtracji

Jako złoża filtracyjne wybrano filtry grawitacyjne piaskowe. Przyjęto prędkość filtracji $v_{f} = 5\frac{m}{h}$. Powierzchnia filtrów wynosi F_filtr = 30, 0m², a liczba filtrów n = 3 filtry. Powierzchnia jednego filtra to F₁ = 10, 0m².

Wymiary pojedynczej płyty drenażowej to 0, 60x1, 00m. Tym samym przyjęto wymiary filtra 2, 40x4, 00m(16 płyt drenażowych) dając rzeczywistą powierzchnię filtra F_1 − rz = 9, 60m². Prędkość rzeczywista filtracji jest równa $v_{f - rz} = 5,21\frac{m}{h}$, a prędkość filtracji przy jednym wyłączonym filtrze $v_{f - rz - 1} = 7,81\frac{m}{h}$.

Parametry przyjętego złoża filtracyjnego:

• d₁₀ = 0, 4mm,

• WR = 1, 5,

• wysokość złoża filtracyjnego H = 1, 0m,

• wysokość wody nad złożem H_w = 1, 5m,

• wysokość warstwy podtrzymującej H_podt = 0, 5m,

• obciążenie hydrauliczne $O_{h} = 5\frac{m^{3}}{\left( m^{2} \bullet h \right)}$.

  1. Proces adsorpcji

Jako złoża adsorpcyjne wybrano węgiel aktywny. Przyjęto prędkość adsorpcji równą $v_{\text{ads}} = 10\frac{m}{h}$. Powierzchnia adsorberów wynosi F_ads = 15, 0m². Przyjęta średnica pojedynczego filtru to D = 3, 0m. Powierzchnia pojedynczego filtru wynosi F₁ = 7, 1m². Liczba filtrów jest równa n = 3 filtry. Prędkość rzeczywista adsorpcji to $v_{ads - rz} = 7,04\frac{m}{h}$. Prędkość filtracji przy jednym wyłączonym filtrze wynosi $v_{ads - rz - 1} = 10,56\frac{m}{h}$.

W celu regeneracji złoża przyjęto płukanie wodno-powietrzne:

• założona intensywność płukania $q_{pl\ wod} = 20,0\frac{m^{3}}{\left( m^{2} \bullet h \right)}$,

• natężenie przepływu wody płuczącej $Q_{pl\ wod} = 142,0\frac{m^{3}}{h} = 0,04\frac{m^{3}}{s}$,

• intensywność płukania powietrzem $q_{pl\ pow} = 72,0\frac{m^{3}}{\left( m^{2} \bullet h \right)}$,

• natężenie przepływu powietrza $Q_{pl\ pow} = 511,0\frac{m^{3}}{h} = 0,14\frac{m^{3}}{s}$.

  1. Proces wymiany jonowej

Bilans jonów w ściekach biologicznie oczyszczonych jest następujący:

Kationy	Aniony
Jon	val/m^3
N−NH4^+	1,57
Na^+	0,20
K^+	0,10
Ca^2+	4,60
Mg^2+	2,90
Suma	9,37

Przyjęto strumień objętościowy ścieków biologicznie oczyszczonych w wysokości 20% nominalnego strumienia, tj. $Q = 900\frac{m^{3}}{d} = 37,50\frac{m^{3}}{h}$.

Dobór kationitu

Dobrano kationit silnie kwasowy Wofatit KPS o następujących parametrach:

• zakres pH 2÷14,

• wysokość warstwy 600÷1800mm,

• woda do spulchniania złoża 2 • V₁,

• zalecana ekspansja w czasie spulchniania E=60%,

• regeneracja jonitu $50 \div 150\frac{\text{gHCl}}{\text{dm}^{3}}\text{\ kationitu}$,

• stężenie środka regenerującego 5÷10%,

• czas regeneracji minimum 30 minut,

• woda do płukania (4÷8) • V₁,

• prędkość w czasie płukania $\leq 15\frac{m}{h}$,

• prędkość w czasie pracy $5 \div 60\frac{m}{h}$,

• robocza zdolność jonowymienna $Z_{w} = 1,25\frac{\text{val}}{\text{dm}^{3}}$.

Ilość jonów do wymiary wynosi $n_{\text{jon}} = 8433\frac{\text{val}}{\text{dm}^{3}}$, a objętość jonitu $V_{\text{jon}} = 6,75\frac{m^{3}}{d}$. Ilość jonitów to n_jonit = 2 o średnicy D = 2, 0m. Powierzchnia jonitu jest równa F₁ = 3, 14m². Przyjęto wysokość złoża kationitu H_zl = 1, 20m. Prędkość przepływu przez złoże wynosi $v = 5,97\frac{m}{h}$.

Dobór anionitu

Dobrano anionit silnie kwasowy Wofatit SBK o następujących parametrach:

• zakres pH <10,5,

• wysokość warstwy 600÷1800mm,

• woda do spulchniania złoża 2 • V₁,

• zalecana ekspansja w czasie spulchniania E=70%,

• regeneracja jonitu $20 \div 120\frac{\text{gNaOH}}{\text{dm}^{3}}\text{anionitu}$,

• stężenie środka regenerującego 5÷10%,

• czas regeneracji minimum 30 minut,

• woda do płukania (4÷8) • V₁,

• prędkość w czasie płukania $\leq 15\frac{m}{h}$,

• prędkość w czasie pracy $5 \div 60\frac{m}{h}$,

• robocza zdolność jonowymienna $Z_{w} = 1,15\frac{\text{val}}{\text{dm}^{3}}$.

Ilość jonów do wymiary wynosi $n_{\text{jon}} = 8433\frac{\text{val}}{\text{dm}^{3}}$, a objętość jonitu $V_{\text{jon}} = 7,4\frac{m^{3}}{d}$. Ilość jonitów to n_jonit = 2 o średnicy D = 2, 0m. Powierzchnia jonitu jest równa F₁ = 3, 14m². Przyjęto wysokość złoża anionitu H_zl = 1, 20m. Prędkość przepływu przez złoże wynosi $v = 5,97\frac{m}{h}$.

Proces dezynfekcji

Do dezynfekcji zastosowano roztwór chloru. Dawka dezynfektanta oparta jest na dwóch wartościach wskaźników odnowionej wody, tj. dawce chloru ze względu na utlenienie azotu amonowego przy chlorowaniu do punktu przełamania oraz dawce chloru ze względu na utlenienie związków organicznych.

Ostatecznie przyjęto dawkę dezynfektanta $D_{\text{Cl}_{2}} = 7,4\frac{g\text{Cl}_{2}}{m^{3}}$.