8.10.2012

1

MECHANICKÁ ČÁST ČOV SEDIMENTAČNÍ NÁDRŽE

doc. Ing. Jaroslav Pollert, Ph.D.

3. hodina

Obsah

• Mechanická část ČOV

• Lapáky štěrku a písku

• Lapáky tuků a olejů

• Sedimentační nádrže

– Primární sedimentace

Vývoj koncepcí městského odvodnění

1850 1900 1950 2000 2050

stoková síť

mech. ČOV

biol. ČOV

nové technické prvky

integrované řešení

omezení směšování vody a látek

nové techno-logie

principy trvale udrž. rozvoje

rychlé odvedení všech odp.vod

co nejpomalejší odvedení minima odp.vod

lokální řešení

Koncepce:

Metodika:

„Konvenční“ ČOV

kalové hospodářství

biologické čištěnímechanické čištění

9

ČOV praxe, příklad technologického schématu velké ČOV, zkušenosti dle technologických částí ČOV praxe, čerpací stanice, lapák štěrku, česlovna

• Šneková čerpadla – archimédův šroub

– vynese vše

– nižší účinnost, omezený výtlak• Oběhová čerpadla – vyšší účinnost nutno chránit

– vyšší účinnost

– nutno chránit, ulehčení obsluhy demontážíochranných česlí se čerpadlo ucpe

• Externí materiál dovážený do přítoku by neměl obsahovat tuk- podporavláknitého bytnění v aktivaci a vyplouvání tuku z dosazováků (DN) do odtoku. Tuk patří do vyhnívacích nádrží.

• Málo vyklízený lapák štěrku vede časem k obroušení lamel u lamelovýchčeslí s následným sesunem ke kraji a zvětšení mezer mezi lamelami.

• Česle dnes mnoha typů – lamely, rotační bubny, pásové.

• U větších ČOV je lepší kombo hrubé + jemné 3 mm česle (ochrana výměníkůproti zanášení např. v kalovém hospodářství je pak účinnější a samotnéjemné česle se nepoškodí při bouřce většími předměty)

• Často problém, když po dlouhém suchu bouřky – ucpání česlí tukovýminánosy.

8.10.2012

2

7

ČOV praxe, lapák písku (LP), usazovací nádrže (UN)

• Lapák písku je na větších ČOV spíše podélný a na středních a menších vírový

– pokud se dávkují chemikálie na zvýšení účinnosti UN, tak koagulant je vhodné dávkovat před LP (rozmíchávacía koagulační zóna)

– Pokud jsou na ČOV Vyhnívací náderže nebo se písekusazuje už v AN, pak je vhodně podélný LP z částineprovzdušňovat – méně sedimentů v technologii

• Usazovací nádrže jsou vhodné na ČOV, které se vypaltí vyrábět bioplyn – primárníkal z UN (surové organické látky) produkuje hodně bioplynu proti přebytečnémukalu z AN (těla baktérií a mikroorganismů)

– lepší je hůře postavená kruhová UN, než hůře postavenápodelná UN

– nyní se dbá u větších ČOV na dostatečné zahuštění kaluv UN (pokud to stav UN dovolí tak na 6%), což při špatněnastavené a naprojektované trase primárního kalu vedek ucpávání už od koncentrace kalu 3-5% a výše.

– u malých ČOV často nejsou

Mechanický stupeň

• (Lapák štěrku)

• Česle (hrubé, jemné)

• Lapák písku

• Primární usazovací nádrže

– Dno:surový kal, čerpán do anaerobního stupně

– Mechanicky vyčištěná voda postupuje do biologického stupně (10 % NL, ale velké množství koloidních frakcí a hlavně rozpuštěné nečistoty)

Mechanický stupeň ČOV

• Základem je sedimentace částic (gravitace)

• Zařízení (nádrže) musí být prostorné tak, aby se dostatečně snížila rychlost vody a byl dostatečný čas na sedimentaci částic

• Vlivy způsobující nerovnoměrnou usazovací rychlost:� turbulentní charakter průtoku nádrží

�Změny ve viskozitě vody

�Změny v hustotě vody

Mechanické čištění vod1. stupeň čištění – mechanické čištění

předčištění městských odpadních vod

odstranit hrubé, makroskopické látky

způsobují mechanické závady

a zanášení objektů a zařízení ČOV

Procesy

�cezení, filtrace

�vzplývání, flotace

�usazování, zahušťování

Podklady pro návrh

�stoková síť

– druh, charakter, stav

– zabezpečení s.s. před

průnikem hrubých nečistot

�následující stupně č. ČOV

– druh a technologie biolog. č.

– sestava a technologie

kalového hospodářství

odstranění 60 - 80% suspendovaných látek

30 – 40 % organických látek BSK5

Typy suspenzí

Zrnité

� Částice nemění během usazování tvar

� Rozhraní mezi tuhou a kapalnou fází tvoří plocha povrchu částic

� Patří sem i jílové částice, kaolín, uhelný prach,…

Vločkovité

� Částice netvoří pevné rozhraní s kapalinou; mění se jejich tvar a velikost

� Aktivovaný kal, hydroxidy těžkých kovů (úpravny vod),…

11

Typy sedimentace

Prostá

� Částice se neovlivňují

� Zrnitý kal do koncentrace cca 0,5 % objemově

Rušená

� Částice se ovlivňují, jejich rychlost sedimentace se snižuje

Zahušťování

� Koncentrace suspenze je taková, že se tvoří fázové rozhraní mezi kapalnou a pevnou fází, tvoří se póry , ze kterých je kapalina vytlačována

8.10.2012

3

4. Základní fyzikální procesy

ρs > ρ … sedimentaceρs < ρ … flotace

pohyb → Fr

– opačný směr než pohyb částice

Fg

FvzFr

Fg ... gravitační sílaFvz ... vztlak (dle Arch. zákona)Fr ... tření odporem prostředíVs ... objem suspendované částiceg ... tíhové zrychleníρs ... měrná hmotnost částiceρ ... měrná hmotnost kapaliny

F=Fg-Fvz-Fr=Vs.g.(ρs-ρ)-Fr

pád částice … ↑ rychlost a současně ↑ odpor prostředí Fr až do stavu rovnováhy (F = 0) → částice pohyb konstantní rychlostí u

Fr - odporový součinitel k závisející na Re i na rychlosti sedimentace u

→ oblas3 sedimentace - laminární … Stokes Re ≤ 0,1 – 0,2

- turbulentní

- přechodná … Oseen 1 ≤ Re ≤ 3

obecné rovnice Newton … Re ≤ 0,2; 1 ≤ Re ≤ 500; 500 ≤ Re ≤ 150 000

kdg

č

..3.)..(4u ρ

ρρ −= Re24=k

průměr částice (koule)

kinematická

viskozita

ηdu.Re=

6,0Re

5,18=k 44,0=k

Prostá sedimentace kulové částice v klidné kapalině. Stokesův zákon.

F = �� � �� � ��

u = ��.�.�� �

���

Platí pro malé částice 50 – 100 μm

��

��

��

Základní fyzikální procesy

Základní typy sedimentace (dle koncentrace suspenze)

prostá - částice se neovlivňují - individuální charakter i sedimentační rychlost

rušená - při nárůstu objemové koncentrace suspendovaných částic nad cca 0,5 % -

dochází k vzájemnému ovlivňování x částice si zachovávají individuální charakter

zahušťování suspenze – vznik 2 oddělených prostředí - kapalina „bez“

suspendovaných částic x suspenze – částice tvoří pórovitou vrstvu, gravitační síly →suspenze vytlačuje kapalnou fázi a zahušťuje se

Výpočet rychlosti usazování částicArchimédovo kriterium

l.o. pro Ar ≤ 3,6 => Re < 1

p.o. pro 3,6 ≤ Ar ≤ 3,43.105 => 1 ≤ Re ≤ 500

t.o. pro 3,43.105 ≤ Ar ≤ 7,4.109 =>500 ≤ Re ≤ 1,5.1052/1.73,1Re rA=

yL.18Re=

Výpočet průměru částice dLjaščenkovo kriterium ( )ρρη

ρ−

=č

Y g

uL

..

. 23

l.o. pro LY ≤ 2,22.10-4 => Re ≤ 1

p.o. pro 2,22.10-4 < LY < 2,91. 103 => 1 ≤ Re ≤ 500

t.o. pro 2,91.103 < LY < 4,5.105 => 500 ≤ Re ≤ 1,5.105YL.33,0Re=

)Re.125,01.(.18Re 72,0+= yL

( )72,0Re.125,01.18Re

+= rA

18Re rA=

( )2

3 ...

ηρρρ gd

A č

r

−=

Lapák písku + odčerpávání

• Měl by zachytit částice d � 0,2 � 0,25mm

• Podélný lapák

0,15 – 0,45 m/s

• Vytěžený materiál

co nejkratší skládkování;

zneškodnění podobně jako

shrabky z česlí

Množství a složení písku

• Množství a složení kolísá podle typu kanalizační sítě (odlehčovací komory, ředění, uliční vpusti, udržování sítě,…)

• Za deště mohou být průměrné hodnoty překročeny až 30 x

• Složení písku – 10 – 20 %sušiny, 50 % organických látek

• Množsví písku návrhové 5 – 12 l/obyv.rok

17

Lapák tuku a olejů

• Princip jako u separace látek těžších než voda, ale obráceně: snížit rychlost průtoku a nechat lehčí látky vystoupat k hladině

• V městské čistírně tuky procházejí lapákem písku

• Pro městské odpadní vody se nejčastěji používají provzdušňované lapáky tuků (podpora vzestupné rychlosti – „nalepování“ na vzduchové bubliny)

18

8.10.2012

4

Flotace– proces, jímž se oddělují pevné nebo kapalné částice nebo částečky od

vodní fáze tak, že jsou zachycovány vzduchovými bublinami

– plovoucí částice se hromadí na hladině – odstraňovány stíracím zařízením– vznik mikrobublin - optimální velikost je 10 až 100 μm

použití… tam, kde nevyhovuje sedimentace• částice mají špatné sedimentační vlastnosti• velmi malý rozdíl mezi hustotou nerozpuštěných látek a hustotou OV• daná lokalita je prostorově omezena• mají být odstraněny oleje a mazací tuky

druhy flotace podle vzniku mikrobublin· volná flotace - jemnobublinné provzdušnění

· tlaková flotace - expanze vody nasycené vzduchem při zvýšeném tlaku

· vakuová flotace - snížení tlaku v systému

· biologická flotace - denitrifikační pochody v biomase - vznik plynného dusíku

· chemická flotace - přídaní chemikálií uvolňujících plyn

· elektroflotace - elektrolýza vody

Základní fyzikální procesy Lapáky písku

způsob odstraňování písku

a, ruční –

čištění 1 – 2 x týdně

b, strojní

směr průtoku

I, horizontální - komorový

- štěrbinový

II, vertikální - vírový (tangenciální)

- provzdušňovaný

zachytávání písku a min. částicne kalových částic s vysokým org. podílem

– velikost zrn 0,2 až 0,25 mm– voptim. = 0,3 m.s-1

10

8

produkce písku5 až 12 l/1EO.rok

10

Lapáky pískuPodklady pro návrh

povrchové hydraulické zatížení

Sh … plocha hladiny 1 komory lapáku

n … počet komor lapáku

optimální průřezová rychlost

S … průřezová plocha 1 komory lapáku[ ]123 .. −−

⋅= hmm

nS

Qvopt

objem písku

tp … kapacita prostoru (2-4 dny) ,,100 v

EOV p ⋅

= 10, ⋅⋅⋅= pp tvEOV [ ]3m

oddílná s.s. v´= 1- 6.10-6 m3/1EO.den

jednotná s.s. v´= 14 – 30.10-6 m3/1EO.den

v´´= 0,05 – 0,60 m3/100EO.dendoba zdržení

n … počet komor lapáku

V … objem usazovacího prostoru

1 komory lapáku

[ ]sQ

Vn ⋅=Θ

[ ]123 .. −−

⋅= hmm

nS

Qv

h

štěrbinový lapák písku

11

Lapáky tuků, škrobů a ropných látekgravitační separátory

protékaná nádrž

- zpomalí se průtok

→ uklidní se hladina

… částice s ρ < ρvody stoupá k hladině

nejjednodušší zařízení typu Lapol

- zpomalení proudu + norná stěna rotační šnek3

provzdušňování separátorů

→ zvýšení účinnos3 separace

flotace - separační proces

- oddělení dispergovaných částic z kapaliny

částice + mikrobublina plynu → flotační komplexy lehčí než voda 10

koalescenční separátory

koalescence = sdružování

→ vyšší účinnost odstranění ropných látek a tuků – málo stabilních emulzí

… koalesceční filtry – shlukování ropných látek → vyplavání na hladinu

… případné osazení sorpčních filtrů - odstranění nejjemnějších částic

1. nátok2. norná stěna (usměrnění)3. sedimentační prostor4. přepadová hrana5. norná stěna (zachycení

plovoucích nečistot)6. norná stěna (usměrnění)7. koalescenční filtr I8. koalescenční filtr II9. koalescenční prostor10. přepadový žlab11. odtok

odlučovač ropných látek

Lapáky tuků, škrobů a RoL Primární sedimentace –usazovací nádrže

• Usazovací nádrže jsou navrženy pro separaci a částečné zahuštění primárního nebo směsného surového kalu

• Tvar nádrže, včetně všech detailů navržen tak, aby byla co nejvíce využita plocha a objem nádrže

• Střední doba zdržení (před aktivací) od 1 do 3 hod

24

8.10.2012

5

Teoretické doby zdržení UN

Před aktivací

průtok t (hod)

Pro Q24 0,5 – 1,5

Pro Qmax 0,2

25

Zásady návrhu UNObvyklé poměry při návrhu podélné UN:

• d : š ≈ 3 : 1 a více; š : h ≈ 1 – 2,25 : 1

• Obvykle obdélníkový půdorys

Špatná funkce odstranění usazeného kalu způsobuje:

• Vyplavování již usazených částic

• Zmenšení průtočného průřezu – vyšší rychlosti než návrhové

26

Usazovací nádrž návrh

• �� - usazovací rychlost částice

• ��- usazovací rychlost částice ve výšce h

• h – výška nade dnem

• H – celková hloubka usazovací nádrže

• t – doba zdržení (� ��

�=

�!�

"

�#=

�

�$) ; objem nádrže V = L x H x S

27 28

29

Vybavení UN

Vybavení usazovacích nádrží:• Vtokový objekt – usměrnění vtoku tak, aby

nenarušoval laminární proudění v usazovacím prostoru

• Zařízení na stírání kalu – shrabovák (mostový, řetězový)

• Odtokový žlab – na obvodu nádrže u kruhových

- Na konci nádrže (pravoúhlé)

30

8.10.2012

6

gravitační separace suspendovaných látek

Usazovací nádrže

zařazení v technologické lince

• primární - separace suspendovaných částic z odpadní vody ( mech. čištění )

• sekundární – separace biologického kalu při biologickém čištění

( dosazovací nádrže )

dle tvaru a průtoku v nádrži

• pravoúhlé nebo kruhové s horizontálním průtokem

• kruhové s vertikálním

průtokem

• štěrbinové usazovací

nádrže (s kalovým prostorem)

… emšerská nádrž

8

mostový shrabovák

11

UN s horizontálním průtokem

Usazovací nádržeDoporučení ČSN 75 6401

• prim. sedim. se zařazuje v ČOV za mech. předčištění

• do usaz. prostoru se nezapočítává kalový prostor

• stěny v kal. i usaz. prostoru hladké, min. sklon 1,7:1

• sklon dna ke kalové prohlubni,

2 – 3 % pro horizontální UN

5 – 10 % pro vertikální UN

• hloubka usazovacího prostoru 2,0 – 3,0 m

• min. průměr potrubí na odběr kalu 0,15 m

• návrh přepadu přes hranu odtokového

žlabu dokonalý (nebezpečí vzdutí hladiny v UN)

• před odtokem z UN osazeny norné stěny

kruhová UN s radiálním průtokem

8

11

Usazovací nádrže

[ ]htvs η.=Θ

8

Podklady pro návrh

povrchové hydraulické zatížení

F … plocha hladiny nádrže [ ]123 .. −−= hmmF

Qv

[ ]hQ

V=Θ

doba zdržení

Θ … teoretická doba zdržení vody v nádrži

Θs … doba zdržení skutečná

η … koeficient hydraulické účinnosti

horizontální a radiální 0,4 – 0,5

vertikální 0,7 – 0,8

V … objem nádrže

Q … průtokové množství vody

látkové zatížení povrchu

X … koncentrace kalové sušiny[ ]12... −−= hmkgvXBA

11

štěrbinová UN – „emšerská“

kal se vyváží cca 2x ročně – anaerobně stabilizován

Usazovací nádrže

[ ]13.. −−= dmEOvV kk

8

Podklady pro návrh

velikost usazovacího prostoru

Θ … teoretická doba zdržení vody v nádrži [h]

Q … průtokové množství vody [m3.h-1]

η … koeficient hydraulické účinnosti nádrže [ - ][ ]3.m

QVs η

Θ=

objem kalu

vk … specifický objem kalu na 1 EO [m3/1EO.d-1]

Teoretické doby zdržení a povrch. hydraul. zatížení UN (ČSN 73 6707)

Zařazení UN Teoretická dobazdržení Q (h)

Povrchové zatížení v (m3.m-2.h-1)

Parametry QV Qmax QV Qmax

- před biofiltry 1)

- před aktivací 2)

2,0 - 4,01,0 - 3,0

1,00,5

0,7 - 1,41,0 - 2,8

2,55,0

1) Recirkuluje-li se v ČOV s biofiltry před usazovací nádrží s vyrovnáním průtoku na stálou hodnotu průtoku(přítok + recirkulace), má být doba zdržení v UN 2 hodiny.

2) Doba zdržení v UN před aktivací se volí s ohledem na navrženou technologii aktivace.

35

Konstrukce kruhové usazovací nádrže

• Průměr 40 m i více

• Hloubka 2 – 3 m

36

Vtoková rychlost ≈ 0,2 m/s

8.10.2012

7

Usazovací nádrž –podélná, kruhová

• Nádrže s přerušovanýmprovozem

• Nádrže s nepřerušovanýmprovozem

37

Jiné typy UN – vertikální (dortmundské)• Mohou být kruhové nebo obdélníkové

• V ČR nejčastěji čtvercové, l = 3 – 6 m

• Kal se odtahuje na základě hydrostatického tlaku

• Celková hloubka 4 – 6 m, svislé stěny výška 0,6 – 1,5 m

• Výhoda – malá zastavěná plocha, jednoduchá údržba

38

Jiné typy UN – štěrbinové (emšerské)

• Speciální typ podélně protékané usazovací nádrže

• Nádrže, které mají

sedimentační a vyhnívací

prostor

• Štěrbina musí být

zakrytá – bubliny plynu

narušují sedimentaci

• Sklon stěn min. 1,4 : 1

39

Nerovnoměrné rozdělení rychlosti v UN

• Vtoková a výtoková rychlost vody vyšší než má protékat nádrží

• Špatné hydraulické provedení vtoku a výtoku, špatné rozdělení (zkratové proudy)

• Proudy o různých hustotách mění průtokovou rychlost

• Nekryté nádrže – vliv větru

40

41

Proudění v UN

6. Rekapitulace mech. čištěníhrubé/jemné

česlelapák písku

usazovací nádržlapák štěrku

štěrk shrabky písektuky, rop. l. kal

lapák tuků, ropných

látek