Embed Size (px)
Citation preview
CuprinsPiese scrise
1 Tema proiect................................................................................................................3
1.1 Date de bază ale temei.........................................................................................3
1.1.1 Calitatea apei influentului staţiei de filtre rapide (apa decantată)................3
1.1.2 Calitatea apei produse..................................................................................4
1.1.3 Cerinţe tehnologice......................................................................................4
1.2 Conţinutul proiectului..........................................................................................4
1.2.1 Piese scrise...................................................................................................4
1.2.2 Piese desenate..............................................................................................4
1.2.3 Bibliografie..................................................................................................5
2 Date generale...............................................................................................................6
3 Descrierea soluţiilor adoptate......................................................................................6
3.1 Staţia de filtre rapide pe nisip..............................................................................6
3.2 Reactoare ozon.....................................................................................................8
3.3 Filtre CAG...........................................................................................................9
3.4 Concluzii............................................................................................................10
4 Note de calcul............................................................................................................10
4.1 Dimensionarea staţiei de filtre rapide de nisip...................................................10
4.2 Tratare ozon.......................................................................................................19
4.3 Filtre carbune activ granular..............................................................................21
4.3.1 Ipoteze de dimensionare............................................................................21
4.3.2 Elemente generale......................................................................................22
4.3.3 Determinare timp de contact......................................................................22
4.3.4 Descriere sisteme componente...................................................................23
4.4 Dimensionare placă susţinere crepine................................................................24
4.4.1 Dimensionare placă....................................................................................24
4.4.2 Dimensionare stâlp susţinere placă............................................................27
5 Evaluări obiecte tehnologice......................................................................................30
5.1 Evaluare staţie filtre rapide de nisip..................................................................30
5.2 Evaluare producere – injecţie – contact ozon....................................................32
1
5.3 Evaluare filtre CAG...........................................................................................32
6 Costul apei.................................................................................................................33
7 Utilizarea ozonului şi cărbunelui activ granular în potabilizarea apei.......................34
7.1 Utilizarea ozonului în potabilizarea apei...........................................................34
7.2 Factorii care influenţează eficienţa dezinfecţiei cu ozon...................................35
7.3 Acţiunea cărbunelui activ..................................................................................36
7.4 Modul de prezentare a cărbunelul activ.............................................................39
7.5 Exemple de uzine de apă care utilizează CAG..................................................41
7.5.1 Staţia de tratare Choisy le Roi...................................................................41
7.5.2 Instalaţii industriale....................................................................................44
7.6 Performanţele filtrelor pe CAG funcţie de parametrii sezonieri........................45
Bibliografie........................................................................................................................47
Piese desenate
Planşa 1 – Uzina de apa Chiriţa – Plan de situaţie.
Planşa 2 – Staţie filtre rapide de nisip - Secţiuni caracteristice.
Planşa 3 – Staţie filtre rapide de nisip - Secţiuni caracteristice.
Planşa 4 – Bazin contact ozon - Secţiuni caracteristice.
Planşa 5 – Filtre cărbune activ granular – bazin contact ozon. Secţiuni caracteristice.
Planşa 6 – Detalii armare placă cu crepine.
2
1 Temă proiectSe va întocmi proiectul unei staţii de tratare pentru un debit de 800 dm3/s (2880
m3/h).
Obiectele componente ale staţiei de tratare sunt:
Ob. 1 Staţie de filtre rapide de nisip
Ob. 2 Staţie de ozonizare a apei
Ob. 3 Staţie de filtre CAG
1.1 Date de bază ale temei
1.1.1 Calitatea apei influentului staţiei de filtre rapide (apa decantată)
Calitatea apei decantate din punct de vedere fizico-chimic.
Apa decantată prezintă următoarele caracteristici fizico - chimice:
Turbiditatea apei decantate prezintă valori medii de 50 NTU, valori maxime de 100
NTU şi minime de 1-2 0NTU. Corespunzător acestor turbidităţi pentru suspensii se înregistrează valori medii de 10 mg/dm3, valorile extreme fiind cuprinse între 5 şi 15 mg/dm3.
Conform analizelor efectuate pH-ul prezintă valori în domeniul slab alcalin 7.4-8.3, predominând valori apropiate de pH = 8.
Mineralizarea apei reprezentată prin indicatorul reziduu fix prezintă o variaţie mare, funcţie de poluanţii minerali, cu valorile limită cuprinse între 237 şi 428 mg/dm3. I.
Duritatea apei decantată prezintă valori de 7.0-12.3 OG.
Indicatorii care au influenţă asupra mineralizării:
- cloruri (Cl-) prezintă concentraţii relativ scăzute, 30-50 mg/dm3, minime de 23.73 mg/dm3 şi maxime de 42.90 mg/dm3;
- sulfaţii (SO42-) se găsesc în concentraţii 100-150 mg/dm3 şi contribuie la
valoarea durităţii permanente;
- alcalinitatea totală a apei, reprezentată numai de bicarbonaţi (HCO3-) prezintă
valori de 2.9 - 4.0 mechiv/dm3 (177 - 244 mg/dm3 HCO3-);
- azotaţii (NO3-) sunt prezenţi în concentraţii de 3-4,5 mg/dm3;
- azotiţii (NO2-) prezintă în general concentraţii de 0.033 - 0.098 mg/dm3;
- amoniu (NH4+), ionii de amoniu sunt prezenţi în concentraţii de 0.5-1.2 mg/dm3,
situându-se predominant la valori apropiate de 1 mg/dm3;
3
- fosforul total se situează în domeniul concentraţiilor 0.1-0.3 mg/dm3;
- substanţele organice, determinate prin metoda oxidării cu KMnO4 au prezentat
valori în domeniul 12.8-32 mg/dm3 KMnO4.
Fierul, conform analizelor se situează în domeniul 0.03-0.33 mg/dm3, predominând valorile de 0.1 mg/dm3.
Fenolii sunt prezenţi în general sub limita detectabilă (SLD); în 15-20% sunt în concentraţii peste limita de 0.001 mg/dm3.
1.1.2 Calitatea apei produse
Calitatea apei produse – conform Legii 458/2002
1.1.3 Cerinţe tehnologice
Filiera tehnologică a staţiei de tratare va cuprinde:
filtre rapide de nisip de cuarţ;
sistem post-ozonare a apei;
filtre de cărbune activ granular (CAG).
1.2 Conţinutul proiectului
Proiectul va cuprinde:
1.2.1 Piese scrise
Memoriu tehnic şi justificativ;
Note de calcul tehnologic pentru obiectele componente ale staţiei de tratare;
Dimensionarea structurii planşeului cu crepine;
Evaluarea costurilor de investiţie pentru obiectele filierei tehnologice pe bază de indici globali de costuri;
Costul apei produse de filiera tehnologică;
Studiu documentar utilizare ozon şi CAG.
1.2.2 Piese desenate
Planşa 1 – Profil tehnologic al filierei de tratare;
Planşa 2 – Plan şi secţiuni caracteristice staţia FRN;
Planşa 3 – Plan şi secţiuni caracteristice reactoare O3;
Planşa 4 – Plan şi secţiuni caracteristice filtre CAG;
Planşa 5 – Detaliu placă cu crepine.
4
1.2.3 Bibliografie
1. Al. Mănescu, M. Sandu, O. Ianculescu – Alimentări cu apă, Editura Didactică şi Pedagogică, 1994.
2. Degremont SA – Memento technique de l'eau, 1989.
3. AWWA – Water Quality and Treatment, McGraw-Hill, 1999.
4. Al. Mănescu, V. Ianuli – Ghid de proiectare, execuţie şi exploatare lucrări de alimentare cu apă şi canalizare, 2004.
5
2 Date generaleÎn conformitate cu cerinţele temei, proiectul trebuie să rezolve filiera tehnologică
pentru un debit de 800 dm3/s asigurând:
- limpezirea finală prin filtrare pe nisip cuarţos (FRN);
- post-oxidare cu ozon;
- filtrare pe cărbune activ granular.
Prin temă s-a indicat calitatea influentului filierei tehnologice (apă decantată) şi calitatea solicitată pentru apa produsă (respectarea condiţiilor impuse de Legea 458/2002).
3 Descrierea soluţiilor adoptate
3.1 Staţia de filtre rapide pe nisip
Pe baza criteriilor privind optimizarea numărului de cuve şi al suprafeţei unitare funţie de mărimea debitului s-a adoptat:
- cuve de filtru de 60 m2 suprafaţă unitară;
- un număr de 8 cuve de filtre amplasate pe două rânduri;
- sistem de filtrare cu nivel constant şi debit variabil.
Tipul de filtru adoptat: cu distribuţie transversală (după latura scurtă) şi baleiaj la spălare; avantajele acestui tip de filtru sunt date de:
- creşterea sarcinii hidraulice (1.10 m) la care lucrează stratul de nisip conduce la utilizarea mai eficace a volumului de goluri pentru reţinerea suspensiilor;
- durata spălării se reduce practic la jumătate faţă de filtrele clasice datorită curentului de baleiaj;
- intensităţile de spălare cu apă în contracurent se reduc la 2-3 l/sm2 în faza I şi 4-6 l/sm2 în faza II; corespunzător se vor reduce la jumătate volumele de apă utilizate la spălarea filtrelor;
Fiecare cuvă de filtru rapid cuprinde:
- Sistemul de alimentare cu apă decantată :
Este format dintr-o galerie frontală (curgere normală pe axul longitudinal al cuvelor) din care printr-un sistem de cămine cu deversor neînecat debitele de apă decantată se repartizează în mod egal şi în situaţia în care una din cuve se află în spălare. Alimentarea fiecărei cuve se realizează prin două jgheaburi longitudinale amplasate pe pereţii laterali ai fiecărei cuve. În procesul de filtrare apa decantată (AD) din jgheaburi deversează la nivelul de filtrare (NF) menţinut constant; debitul de alimentare al cuvei se reduce treptat la 0.6-0.65 din debitul iniţial prin reglajul aval al vanei de apă filtrată (AF); sistemul comandă şi închiderea parţială a stavilei de la intrarea în canalul de apă filtrată.
6
Prelevarea apei filtrate din filtru se realizează printr-un sistem hidraulic format din conductă pe care se află vana de reglaj debit printr-un cămin cu deversor care asigură sarcina la nivelul drenajului (pentru evitarea formării vacuumului în stratul de nisip).
- Materialul fitrant este format din nisip cuarţos cu înălţimea hN=1.10 . Se consideră strat monogranular cu următoarele caracteristici:
o dimensiunea granulelor – 0.9-2.0 mm;
o fracţiunile inferioare dmin şi superioare dmax nu vor depăşi 10% din greutate;
o coeficientul de uniformitate u=d60/d10 nu va depăşi 1.4;
o coeficientul de duritate al rocii componente – indicele Mohs va fi min. 40%;
o coeficientul de friabiliate, valori – sub 2%;
o porozitatea materialului min. 40%.
- Drenajul de mare rezistenţă hidraulică este constituit din plăci cu crepine având caracteristiciile:
o crepină tip ROMIND, cu fante având deschiderea de 200µm;
o sunt prevăzute 64 buc/m2;
o pierderea de sarcină care asigură repartizarea uniformă a debitului de spălare hr_crepina20 cm;
o crepinele sunt montate în plăci de beton armat 1 x 1 m2 cu =10 cm2;
o plăcile sunt fixate pe stâlpişori 18 cm, fixaţi pe radier (conform planşei nr. 6).
- Spălarea filtrelor rapide
Se realizează în contracurent după reţeta următoare:
Faza I
- apă: 2-3 dm3/sm2;
- aer: 14-16 dm3/sm2;
- perioada: 3-4 min.
Faza II
- apă: 4-6 dm3/sm2;
- perioada: 6-8 min.
Pe toată durata fazelor I şi II se realizează un debit de baleiaj (măturare) a suprafeţelor filtrului cu AD de 1.0 – 1.5 dm3/sm2; acest debit este asigurat de orificiile de la baza jgheaburilor laterale şi asigură îndepărtarea nămolului extras din masa filtrantă spre jgheabului de evacuare.
7
Evacuarea apei de la spălare se realizează prin jgheabul din axa cuvei cu descărcare în galeria frontală amplasată sub canalul de distribuţie a apei decantate.
Alegerea utilajelor de spălare s-a efectuat pe baza debitelor necesare pentru:
- spălarea simultană a unei cuve: 180 dm3/s în faza I şi 360 dm3/s în faza II;
- înălţimea de pompare stabilită pe baza calculelor hidraulice.
Au rezultat:
- 2 + 1 Electropompe tip EMU FA 50.21-486 având Q = 650 m3/h, Hp = 7.5 m;
- în faza I funcţionează o pompă, cea de-a doua intră în funcţiune în faza II;
- electropompele aspiră apa filtrată din rezervoarele amplasate sub cuvele de filtrare.
3.2 Reactoare ozon
Au fost prevăzute două reactoare de ozon, fiecare pentru un debit de 400 dm3/s.
Dimensiunile fiecărui reactor s-au adoptat pentru:
- realizarea timpului de contact TR >10 min;
- mişcare uniformă, descendentă pentru curentul de apă;
- mişcare ascendentă pentru voalul de bule de gaz (mici);
- reactorul format din două compartimente şi serie cu posibilitatea de fracţionare a dozei de ozon.
Reactoarele au dimensiunile în plan 5 x 2 x 3.5 m, cu adâncimea de apă utilă de 7.15 m; asigurarea mişcării uniforme se realizează cu deversori cu perete subţire cu funcţionare neînecată. Generatoarele de ozon, amplasate pe planşeul reactoarelor sunt de tip ozon din oxigen, cu capacitatea 3.5 kg O3/h, două unităţi, cu posibilitatea asigurării unui debit de ozon variabil, funcţie de necesar între 0.5 g O3/m3 – 2.0 g O3/m3; frecvenţa de lucru a generatoarelor de ozon: 50 Hz, puterea instalată 37.5 kW; debitul de apă de răcire 10 m3/h (2.77 l/s).
Au fost prevăzute două rezervoare de oxigen alimentar lichid de 30 t fiecare, capabile să asigure producţia de ozon pe o perioadă de 15 zile.
Pentru eliminarea ozonului rezidual au fost prevăzute ansambluri de destructoare termice în compartimentul generare şi dispecer şi în sala filtrelor CAG.
8
3.3 Filtre CAG
Pentru adsorbţia pe cărbune activ granular s-au prevăzut 8 cuve de filtru având următoarele caracteristici:
- suprafaţa unitară a unei cuve 2 x 3 x 10 = 60 m2;
- înălţimea stratului de CAG – hCAG = 1.35 m;
- viteza aparentă de filtrare: medie 5.71 m/h, max;
- tip de filtru cu nivel constant şi debit variabil.
Filtrarea se realizează descendent, înălţimea stratului de cărbune (1.35 m) fiind adoptată astfel încât: timpul real de contact în filtru (min. 5 min) să fie realizat şi indicele EBCT (empty bed contact tank) să rezulte minim dublul timpului efectiv de contact (10 min). Cărbunele activ granular (CAG) este de tip PICABIOL, având granulometria 1.0 mm, coeficientul de uniformitate 1.6, indicele iod: 925 mg/g.
Sistemul de colectare pentru apa filtrată este constituit din:
- reţea de tuburi PVC Dn 123/11.4 mm amplasate pe radierul cuvelor la 33.3. cm distanţă interax;
- tuburile sunt prevăzute cu fante şliţuite (1 x 40 mm2) la 3 mm de-o parte şi de alta a diametrului vertical; suprafaţa fantelor este echivalentă cu suprafaţa fantelor coşurilor crepinelor ROMIND (64 crepine /m2);
- strat de pietriş, sortat şi spălat amplasat pe o înălţime de 15 cm; dimensiunea sortului 3-5 mm; fracţiunile inferioare dim. 3 mm şi superioare dim. 5 mm nu vor depăşi 10%;
- strat de nisip de cuarţ dg = 1 – 2 mm de 25 m înălţime;
- prelevarea apei filtrate se realizează prin cămine prevăzute cu deversor în rezervorul de sub cuve;
- pe sistemul de preluare apă filtrată este prevăzută o vană fluture acţionată de sistemul electronic de înregistrare a pierderii de sarcină astfel încât să se asigure nivelul constant al apei în cuvă şi reducerea progresivă a debitului.
Periodic (la 1-2 zile) stratul de CAG va fi spălat în contracurent cu apă filtrată pentru a se realiza uniformizarea patului prin înfoiere. Intensitatea de spălare 9 l/sm2 o perioadă de 10-15 minute.
9
3.4 Concluzii
Filiera tehnologică proiectată asigură intrarea apei produse în prevederii Legii 458/2002. În acest sens se precizează:
- turbiditatea apei produse se va încadra permanent sub 1o NTU, condiţie impusă pentru o dezinfecţie optimă;
- substanţele organice sunt oxidate şi reduse semnificativ astfel încât TOC (Carbonul Organic Total) să se situeze sub 2.5-3 mg C/dm3.
4 Note de calcul
4.1 Dimensionarea staţiei de filtre rapide de nisip
Q = 800 dm3/s (2880 m3/h)
se suplimentează cu 3% pentru necesarul tehnologic
= 800 x 1,03 = 842 l/s (2996,5 m3/h)
Se adoptă:
viteza medie de filtrare vF = 6 m/h;
viteza maximă de filtrare la spălarea unei cuve 7,5 m/h;
numărul optim de cuve nCF = 5 ... 8;
suprafaţa unitară a unei cuve A1CF = f(Q); pentru debite 700 – 1000 dm3/s se recomandă A1CF = 60 m2.
Aria de filtrare necesară:
m2
Se adoptă CF cu aria efectivă de filtrare 60 m2 (2 x 3 x 10 m)
unităţi
Se aleg 8 CF – amplasate pe două rânduri.
m/h
m/h < 7,5 m/h
Fiecare CF va fi formată din 2 semicuve cu b = 3 m, L = 10 m
10
Elemente generale
Principiul de filtrare: cu debit variabil şi nivel constant;
Tip de filtru: cu baleiaj; se asigură distribuţia apei decantate prin jgheaburi longitudinale şi un curent de baleiaj (măturare) în perioada de spălare.
Secţiunea transversală prin cuva de filtrare
Înălţimea filtrului este formată din:
hd – înălţimea drenajului, hd = 0.75 – 0.90 m;
d – grosimea plăcii cu crepine, = 10 cm;
hN – înălţimea nisipului, hN = 1.10 m;
hA – înălţimea de apă deasupra nisipului în filtrare, hA = 1.0 – 1.10 m;
hs – înălţimea de siguranţă, hs = 0.3 – 0.4 m.
Alimentarea fiecărei cuve cu apă decantată se realizează prin două jgheaburi (formă V) amplasate la partea superioară pe pereţii laterali (longitudinali) ai cuvei de filtrare; apa decantată deversează din jgheaburi în cuvă la nivelul de filtrare în perioada de filtrare
11
Dimensionare jgheaburi
- debitul unei cuve: 2966,5 m3/h / 8 CF = 371 m3/h (0.103 m3/s)
- debitul unui jgheab: 0,13 m3/s / 2 = 0.065 m3/s
- viteza recomandată în jgheab 0.7 – 0.9 m/s
- Anec. j = = 0.072 m2
- hj = NF – NSP = 1.10 – 0.60 = 0.50
- Aj = bj hj = bj 0.5 = 0.072 m2; rezultă bj = = 0.285 m
- înălţimea lamei deversante:
0.02 = 2/3 0.61 10 h3/2
h3/2 = = 0.0036 h = 0,023 m 2,3 cm
- Jgheaburile sunt prevăzute cu orificii la partea inferioară pentru asigurarea baleiajului (măturării suprafeţei apei) la spălare.
12
înălţimea apei în jgheab în faza de spălare (jgheabul nu mai deversează)
h = 0.45 m;
debitul recomandat de baleiaj: 1.0 – 1.5 dm3/sm2;
dm3/s
= 45 l/s =
Aleg orificii 20 mm; A20 = /4 x 0.0202 = 3,14 x 10-4 m2
q1 ORIF = 0.62 x 3,14 x 10-4 = 0.6 dm3/s
nORIF = = 75 orificii
Se adoptă 74 orificii la 13,5 cm.
Alimentarea cu apă decantată a jgheaburilor "V"
Se realizează prin goluri 20x40 cm închise cu stavile plane. Calculul sarcinii hidraulice necesare pentru alimentarea jgheaburilor în faza de filtrare:
• debit maxim de alimentare 1 jgheab V = 1/2 x 60 m2 x 6 m/h = 228 m3/h = 63,5 dm3/s;
Golul 20x40 cm va fi închis cu stavilă acţionată electric montată spre exterior. 20
Orificiul 40 se va calcula ca un orificiu mare la debitul maxim de
alimentare (1 cuvă în spălare).
Debitul prin orificiul mare înecat poate fi determinat cu relaţia:
, în care:
H – sarcina orificiului
A – aria secţiunii orificiului
1 – coeficient de debit care se calculează cu expresia
, în care
- coeficient de contracţie; n – raportul între aria secţiunii orificiului (A) şi aria secţiunii curentului în amonte de orificiu (Aam); m – raportul între aria secţiunii orificiului (A) şi aria secţiunii curentului în aval (Aav); o – coeficient de rezistenţă locală.
- raportul m se poate considera 1 presupunând că aria secţiunii orificiului coincide cu aria secţiunii jgheabului "V".
Pentru calculul coeficientului de contracţie se foloseşte relaţia:
13
n = [(0.4 x 0.2)/2]/[(2+0.4)x1] = 0.0166
S-a considerat nivelul apei în galeria de alimentare ca fiind 1 m, si fiecare jgheab deserveşte o semicuvă.
=0.609
=0.412
=
=0.629
Pierderea de sarcina: hr=o =0.0182 m 2 cm
- Orificiu mare cu sarcina egala cu H=hjgheab/3=0.133 m
=0.07064 m3/s = 70.64 dm3/s
Qcapabil > debitul maxim de alimentare va prelua debitul funcţie de cota de deversare
Jgheabul central de evacuare a apei de la spălare
- înălţimea muchiei deversorului faţă de nivel nisip 0.6 m;
14
- lăţimea constructivă bjc = 0.8 m; (din considerente constructive)
- la partea superioară colectează apa de la spălare iar la partea inferioară distribuie apa şi aerul de spălare sub drenaj.
15
V2 V1
Sistemul de prelevare apă filtrată
Se dimensionează la v = 1.2 – 1.3 m/s
= 0.0816 m2
DAF = 300 mm
Se adoptă Dn 300 mm.
Din căminul amplasat în axul cuvă cond. AF este prevăzută cu:
V1 – vană fluture cu acţionare electrică;
V2 – vană fluture cu program comandat de dispozitiv de pierdere de sarcină pentru asigurare Qvariabil şi nivel constant în cuvă.
Conducta de apă filtrată debuşează în C2 de unde AF se descarcă în rezervorul de sub galeria tehnologică.
Nivelul crestei deversorului se situează la cota drenajului (+1.65) pentru evitarea intrării în vacuum a stratului de nisip.
Aer
Camin în ax cuvă pentru: - prelevare AF - introducere apă şi aer spălare
Apa spalare
16
Sistem preluare AF - plan
Calculul înălţimii de pompare pentru alegerea pompei
Hp = Hg + hr l + hr d
Hg = 3,15 – (-1,60) = 4,75 m
hr local = hr asp + hr local
hr d = i x L
Pierderea de sarcină pe conducta de aspiraţie se apreciază la 0,25 m.
local = 2vană + ramificaţie + cot + intrare rezervor = 2 x 2,0 + 0,25 + 0,15 + 1 = 5,40
hr l = 5,40 x v2/2g = 0,92 m 1,0 m
hrd = =0,245 m
Pierdere de sarcină prin drenaj crepine = 0,3 m
Pierdere de sarcină prin strat colmatat hr = hN = 1,10 m
Total hr = 2,645 m 2,5 m
Hp = 4,75 + 2,50 = 7,25 m 7,5 m
17
Sistem preluare AF - secţiune
-1.60
Nm R CF1 CF4
+ 3.15
Jgheab AdS
hd
hl
Sisteme hidraulice pentru apa de spălare şi aerul de spălare
Apa de spălare
Metoda de spălare:
Faza 1 – apă q1 = 3 l/sm2
Faza 2 – apă q2 = 6 l/sm2
Debitul maxim de apă de spălare:
- Qmax = A1CF 6 l/sm2 60 6 = 360 dm3/s (1296 m3/h)
Viteza în conductă la debitul maxim: v = 2,5 – 3,0 m/s
- Anec = = 0.12 m2 Dnec = 400 mm
Întrucât se consideră o singură cuvă spălată simultan atât distribuitorul cât şi ramificaţiile au Dn 400 mm.
În plan distribuitorul de apă de spălare este pozat cu generatoarea inferioară rezemată pe căminele din axul cuvelor.
Aer de spălare
Numai în faza 1- qaer = 14 – 16 l/sm2
= 15 60 = 900 l/s (3240 m3/h)
Viteza în conductele de aer : vaer = 12 – 15 m/s.
Anec = Dnec = 300 mm
Conducta de transport şi distribuţie aer la cuvele de filtrare se amplasează în partea superioară a galeriei tehnologice (deasupra nivelului maxim al apei în cuvă) şi prin ramificaţii descendente prevăzute cu vane alimentează la partea superioară căminul din axul cuvei.
Camin spalare-apa filtrata
18
Pompele pentru spălarea filtrelor
Q = 180 – 360 dm3/s
Hp = 7,50 m
Se vor alege 3 elactropompe având Q = 650 m3/h, Hp = 7,5 m.
În prima fază de spălare a fiecărei cuve va funcţiona o pompă; în faza a II-a va intra în funcţiune încă o pompă. Electropompele sunt de tip EMU FA 50.21-486.
4.2 Tratare cu ozon
Conform debitelor din literatura de specialite dozele de ozon utilizate în post-oxidare se situează la valori de 1-1.5 g O3/m3 apă.
Se adoptă doza de ozon dmax = 1.5 g O3/m3.
- Producţia de ozon necesară:
.
- Reactoare ozon
S-a adoptat soluţia cu două compartimente care lucrează în serie.
.
- Principiul de funcţionare: curgerea apei se realizează descendent şi interceptează voalul de bule de gaz care datorită forţei Arhimede curge ascendent.
19
- Volumul efectiv = 5 x 7 x 7 =245 m2;
-
- Asigurarea realizării egalităţii timpului de reacţie teoretic cu cel real se va realiza prin:
o uniformizarea încărcării primului contactor printr-un deversor cu funcţionarea neînecată;
sarcina deversorului rezultă:
reglajul creştei deversorului se va realiza cu un deversor amovibil cu perete subţiere din tablă de oţel inoxidabil.
o sistemul de uniformizare se va asigura atât la colectarea apei ozonate din primul contactor cât şi la prelevarea apei din contactorul 2;
o asigurarea mişcării descndente în contactorul doi se va realiza printr-un perete fals (tablă inox 3 mm) fixat la 200 mm de perete;
o toate deversoarele au asigurată o sarcină de neînecare de 5 cm;
o în canalul de apă filtrată influent în contactoarele de ozon se va asigura printr-un timpan atât reducerea turbulenţelor cât şi schimbarea de direcţie a curentului.
Capacitatea de generare ozon
Se aleg generatore de ozon din oxigen C1 ozonor = 3.5 kg O3/h.
Capacitatea instalată va fi:C = 3.5 x 2 = 7.0 kg O3/h.
20
Caracteristici ozon
- producere ozon din oxigen;
- frecvenţa: 50 Hz;
- debitul de apă de răcire: 10 m3/h;
- putere instalată: P = 36.6 kVA.
Utilaje adiţionale
- rezervoare stocare oxigen; capacitatea va fi determinată funcţie de tipul de ozonor adoptat pentru o autonomie T = 15 zile;
- distructoarele de ozon rezidual; capacitatea va fi determinată de debitul de gaz vector şi concentrţia de ozon rezidual în apă;
- analizor de ozon în gazul vector;
- analizor de ozon în apa tratată;
- pompă apă răcire, inclusiv instalaţii aferente.
4.3 Filtre carbune activ granular
4.3.1 Ipoteze de dimensionare
Se prevede transformarea filtrelor rapide de nisip existente in filtre cu carbune activ granular.
- Debitul total de apa ozonata: QAO = 0.8 m3/s = 2880 m3/h;
- Caracteristici cuve de filtrare: n=8 cuve, A1CF=63 m2; Hstrat=1.35 m;
- Inlocuire drenaj cu placi cu crepine cu sistem de conducte perforate, peste care se aplica un strat de pietris cu grosimea de 15 cm si un strat de nisip cu grosimea de 20 cm.
4.3.2 Elemente generale
- Inaltime strat filtrant CAG:
Hstrat = 1.35 m;
- Inaltime de apa in faza de filtrare:
21
Hapa, filtrare = 1,00 m;
- Inaltime strat in faza de înfoiere:
HCAG, spalare = 1.35x(1,15-1,20) = 1,55 ... 1,62 m;
- Intensitati spalare: - numai cu apa pentru infoiere
Etapa Apa: iapa = 9 dm3/s,m2; fluidizare strat CAG la 15-20% din inaltimea stratului.
4.3.3 Determinare timp de contact
- Numarul de cuve in functiune: n = 8 cuve;
- Debitul aferent unei cuve in faza de filtrare:
m3/h = 100 dm3/s;
- Viteza de filtrare aparenta:
m/h;
- Considerând porozitatea stratului filtrant p = 40%, viteza de filtrare efectiva rezulta:
m/h = 3.96 mm/s;
- Timpul de contact efectiv rezulta:
sec. - 5 min., 41 sec.
- Se verifica EBCT (empty bed contact tank):
secunde 14 min., 10 s
4.3.4 Descriere sisteme componente
Sistem admisie influent .
Admisia apei in cuvele de filtrare se va realiza prin canale care filează normal pe axul longitudinal; reglajul uniformităţii debitelor la fiecare cuva se va efectua prin deversori cu muchie ascutita amplasati la fiecare fereastra de acces in cuva; inchiderea se realizeaza cu stavile plane.
22
Drenaj
- Conducte perforate PVC alimentar Dn 123/11,4 mm la 333 mm interax; conductele sunt slituite de o parte si de alta a diametrului vertical (1mm x 40 mm) la 3 mm.
- Grosime strat pietris: 15 cm; dg = 3 ... 5 mm
- Grosime strat nisip suport: 25 cm; dg = 1 ... 2 mm
Prelevare apa filtrata
- conducta de apa filtrata cu vana fluture de reglare debit comandata de dispozitivul de măsurare a pierderii de sarcină şi nivelul in filtru.
Echipamente de reglare si control
- doi captori de presiune care emit semnal electric pozitionati dupa cum urmeaza:
- unul deasupra stratului filtrant;
- unul sub drenaj.
- potentiometru solidar cu axul vanei fluture de reglare debit;
- regulator electronic pentru determinarea deschiderii vanei.
Admisie apa de spalare
- conducta de apa de spalare cu vana fluture cu comanda pneumatica.
Evacuare apa de la spalare
- prin descarcare in galeria de evacuare apa de la spalare atat prin jgheabul central al cuvei cat si prin jgheaburile marginale.
Utilaje infoiere CAG
Infoierea se va realiza cu apa prin utilizarea a (1+1) pompe cu urmatoarele caracteristici: Q = 750 m3/h; H = 9.0 m.
4.4 Dimensionare placă susţinere crepine
Caracteristici geometrice şi de încărcare:
este realizată din beton de clasă Bc30 ( Rc = 155 daN/cm2 ;
Rt = 10.5 daN/cm2 ) dimensiunea plăcii este 1m x 1m ; sarcina la care este supusă placa este p = 3.5 tf/mp
23
Caracteristici geometrice şi de încărcare placă
4.4.1 Dimensionare placă
Placa este solicitată la încovoiere. Valoarea maximă a momentului încovoietor este :
Mmax = 0.234 pa2 = 0.234*3.5 tf/mp * 12 m2 = 0.815 tfm/ml
în acest caz grosimea plăcii în cazul armării cu plase sudate tip Buzău va fi calculată cu realaţia :
hp = h0 + a
h0 = 0.283 =0.283 =8 cm
a = 1.5 cm ( acoperirea de calcul a armăturii ) hp 10 cm
Dimensionare placă la starea limită de rezistenţă
M = 81500 daNcm
a = 1.5 cm
h0 = h - a = 10 cm -1.5 cm = 8.5 cm
24
= = 3.1 cm2
Verificare deschidere fisură la Starea Limită de Deschidere a Fisurilor
Pentru a îndeplini condiţia : vom adopta o armare realizate cu plasă sudată tip Buzău cu ochiuri pătrate 12.5 cm cu o arie efectivă :
În acest caz dimensiunea ochiurilor plasei sunt :
Valoarea efortului unitar în armătura întinsă este :
unde Ra daN/cm2
şi ( )
Deschiderea medie a fisurilor este :
mm < = 0.2 mm
Concluzie
Armarea se va face cu plase sudate cu ochiuri patrate / 12.5 cm dispuse pe ambele fete ale plăcii
25
Armare placă
4.4.2 Dimensionare stâlp susţinere placă
Stâlpul este realizat din beton de clasă Bc 25 ( Rt = 9.5 daN/cm2 ), iar înălţimea stâlpului este de 0.90 m.
26
Caracteristici geometrice şi de încărcare stâlp
În cazul solicitării plăcii cu p = 3.5 tf/m2 ,stâlpul este supus la o compresiune :
Vom adopta forma circulară a sectiunii transversale a stâlpului. Raza stâlpului de calculează cu formula următoare:
Rstalp =
Dimensionare stâlp la starea Limită de Rezistenţă
În cazul solicitării plăcii cu p = - 3.5 tf/mp stâlpul este solicitat la întindere
27
centrică cu o forţa axială:
Aria de armătură necesară este:
Verificare stâlp la Starea Limită de Deschidere a Fisurilor
Vom adopta o armare realizate cu 5 bare unde:
Aria de beton întins este :
Valoarea efortului unitar în armătura întinsă este :
>1 B = 1
Deschiderea medie a fisurilor este :
mm < = 0.1 mm
armarea stâlpului pe direcţie verticală va fi realizată cu 5 bare iar ca armare transversală vom adopta o fretă cm
28
Armare stâlp
Dimensionare bulon
Prinderea plăcii de stâlpi se va face cu buloane inox 32.
Diametrul necesar se calculează cu relaţia următoare:
bulon=
29
5 Evaluări obiecte tehnologice
5.1 Evaluare staţie filtre rapide de nisip
1. Nisip cuarţos de filtru
- d = 0.9 – 2.0 mm fracţ. < 0.9 – pm < 10 %;
fracţ. > 2.0 – pm < 10 %;
- coef. de unif. u = d60/d10 < 1.4;
- costuri Europa (cel mai eficient Spania) – 111 Euro/t
V1 = 8 CF x 60 m2 x 1.11 528 m3 530 m3;
= 1.7 tf/m3; G = 540 x 1.7 920.0 t;
I1 = 920.0 x 111 = 110.000 Euro.
2. Drenaj cu plăci cu crepine
64 crepine / m2 C1 = 3 Euro/buc
NCR = 480 m2 x 64 30.720 rotund 31.000 buc
I2 = 31.000 x 3 = 93.000 Euro.
3. Instalaţii hidraulice
3.1 Confecţii metalice speciale 2 Euro/kg
- prelevare AF:
(8 x 1.75 m + 8 x 1.0 m)57.5 kg/m 1265 kg
- distribuţie apă spălare (AS):
30 m (Dn 500) x 110 kg/m 3300 kg
24 m (Dn 400) x 88 kg/m 2112 kg
- distribuţie aer spălare (AS)
46 m (Dn 300) x 57.5 kg/m 2645 kg
- goliri cuve:
Dn 500 – 8 x 2 = 16 m x 45 kg/m 720 kg
Total: 10012 kg
I3 = 10.012 x 2 Euro/kg = 20.000 Euro.
30
4. Instalaţii hidromecanice
Pentru o cuvă:
- stavilă plană cu acţionare electrică
- 2 vane fluture AF – Dn 300
- 1 vană fluture AF – Dn 400
- 1 vană fluture AF – Dn 300
Global: 25.000 Euro
5. Instalaţii speciale
- distribuitoare şi deversori tablă inox:
25 m2 x 31.5 kg/m2 787.5 kg
I = 785.5 x 7 Euro/kg = 5515 Euro.
- compensatori montaj Dn 300, Dn 500
buc: 16 buc x 500 Euro/buc = 8.000 Euro
- Regulator electronic AF
16 x 15.000 Euro/buc = 120.000 Euro
- Captori de presiune 2 unit/CF
16 x 500 Euro/buc = 8.000 Euro
- Instalaţii electrice şi de automatizare
8 CF x 10.000 Euro/cuvă = 80.000 Euro
- Electropompe apă spălare (37 kW)
3 buc EP = 135.000 Euro
- Suflante aer-spălare (45 kW)
2 buc = 100.000 Euro
Total General: 705.000 Euro
6. Diverse şi neprevăzute la cap. 1 - 5
1.5 x (705.000) 916.500 rotund 920.000 EURO
- Indicele de cost tehnologic
(Euro/m2).
Se compară cu indicatorii din „Ghid de conformare uzine de apă la Dir. CE” – valori 1700 – 2200 Euro/m2 FRN.
31
5.2 Evaluare producere – injecţie – contact ozonNumar unitati: 2 ansambluriUTILAJE+INSTALATII
Nr. Crt.
Denumire obiecte Cantit. U.M. Pret unitar (Euro)
Pret total (Euro)
1 Generator de ozon (3.5 kW) 1+1 buc
2 Rezervoare oxigen 2 buc
3 Destructor termic, P=3.5 kW 3 buc
4 Instalatie de racire si armaturi aferente 1 ans 1,375,000 1,375,000
5 Aparatura determnare ozon rezidual 1 ans
6 Instalatie de automatizare 1 ans
7 Difuzori porosi + circuite injectie 1 ans
8 Pereti deflectori inox 1 ans
9 Vana actionare electrica Dn 600 mm 6 buc
TOTAL 1,375,000 1,375,000DIVERSE SI NEPREVAZUTE 137,500
TOTAL GENERAL 1,512,500
5.3 Evaluare filtre CAGNumar unitati: 2 x 4 cuve x 60 = 480 m2 ansambluri
UTILAJE+INSTALATIINr. Crt.
Denumire obiecte Cantit. U.M. Pret unitar (Euro)
Pret total (Euro)
1 Deversor reglabil apa postozonata 8 buc
2 Stavila plana cu actionare electrica 8 buc
3 Sistem drenaj: conducte slituite PVC 123/11.4 mm, lungime 1440 m; 3 unitati/m de lungime de filtru)
1 ans
4 Vana fluture act. electrica Dn 400 mm 16 buc
5 Compensator montaj Dn 400 mm 16 buc
6 Captori de presiune 16 buc
7 Potentiometru reglare vana 8 buc 60,000 480,000
8 Regulator electronic vana apa filtrata 8 buc
9 Vana fluture act. electrica Dn 400 mm 8 buc
10 Compensator montaj Dn 400 mm 8 buc 11 Vana golire automata 8 buc 12 Stavila plana evacuare apa la infoiere 8 buc 13 Pupitre de comanda 8 buc 14 Circuite evacuare CAG 8 buc 15 Carbune activ granular 650 ans 800 520,00016 Pietris 3 - 5 mm (10 Euro/mc) 75 mc 10 75017 Nisip cuaros 1 - 2 mm (110 Euro/tona) 900 t 110 100,000
TOTAL 60,920 1,100,750DIVERSE SI NEPREVAZUTE 102,000
TOTAL GENERAL 1,202,750
32
6 Costul apei Deviz general: Instalţii Tehnologice
Nr. crt. Obiect Valoare investiţii(Euro)
1 Staţia de filtre rapide 920.0002 Producere şi tratare ozon 1,512,500
3 Filtre CAG 1,202,750
TOTAL IT 3.635.250
Construcţii (IC)
REZERVOARE 3.675m3 x 100 Euro/m3 = 367.500 Euro
CLĂDIRI SPECIALE 160 x 400 Euro/m2 = 930.000 Euro
TOTAL IC: 1.297.500 EURO
Costul apei
(Euro/m3)
a1 = 0.1
a2 = 0.1
E – energia
E = Espalare_F + Eprod_ozon + Espalare_FCAG
kWh
Euro
(Euro/m3)
33
7 Utilizarea ozonului şi cărbunelui activ granular în potabilizarea apei
7.1 Utilizarea ozonului în potabilizarea apei
Apa fiind o cale potenţială de transmitere a bolilor umane (gastroenterite, paludism etc.), preocuparea principală în tratarea apei este de a asigura şi menţine o dezinfecţie eficientă a apelor destinate alimentării populaţiei pornind în primul rând de la nivelul staţiei de tratare. Pentru a atinge acest obiectiv se pot utiliza mai multe tipuri de oxidanţi, printre care şi ozonul care prezintă o acţiune germicidă foarte importantă, dar o slabă remanenţă în timp.
Ozonul se pretează în mod ideal la dezinfectarea bacteriană cât şi la inactivarea viruşilor. La o concentraţie mică, ozonul reacţionează mult mai bine decât alte substanţe oxidante. Acţiunea sa pozitivă rezidă şi din eliminarea unor compuşi secundari cloraţi, în combinaţia ozon - filtre cu cărbune activ şi clorare ulterioară (afinare). Utilizarea acestei filiere de tratare reduce puternic atât formarea substanţelor cancerigene precum cloroformul, cât şi substanţele care dau gust şi miros (clorfenolul), adică întreaga paletă de combinaţii organo-clorurate.
Două caracteristici principale sunt recunoscute în acţiunea ozonului de distrugere a microorganismelor: non-selectivitatea şi rapiditatea:
- non selectivitatea: în conformitate cu condiţiile de aplicare ale ozonului, majoritatea germenilor patogeni sunt distruşi; în cadrul aceleoraşi specii, ozonul se arată eficient pentru doze adesea variabile: astfel, printre bacterii, Drapeau citează cazul Streptococcus Faecalis care este distrus 100% în 15 secunde la 25oC de 0.01 mg O3/l şi cazul bacteriofagului Escherechia Coli, inactivarea se face cu 0.12-0.19 mg O3/l.
Ozonarea apei permite eliminarea germenilor care aparţin unor specii foarte diferite: viruşi, ciuperci şi drojdii, bacterii şi protozoare. Se citează de asemenea lucrările lui Evision despre bacteriofagul Escherechia Coli eliminat 99% în 10 minute cu 4 g O3/l.
Pentru acelaşi tip de germeni, ozonul are o acţiune de distrugere oricare ar fi starea lor, chiar şi pentru forme rezistente: astfel pentru specia Bacillus Cereus, distrugerea totală se obţine cu o doză de ozon dizolvat minim de 0.12 mg O 3/l, în timp ce 0.33 mg O3/l sunt necesare timp de 4 minute pentru a elimina sporii acestei specii.
- rapiditatea: în literatură sunt citate numeroase experimente privind rapiditatea de acţiune a ozonului faţă de mai multe tipuri de viruşi. În general, dacă doza de ozon este constantă, timpii de ozonizare necesari distrugerii microorganismelor variază de la câteva secunde până la câteva minute. De exemplu, la 12C, 48 secunde sunt suficiente pentru eliminarea în proporţie de 99.99% a bacteriofagului Escherechia Coli într-o apă tratată cu 12.5 g O3/l.
Pentru comparare, doze de ozon de 0.05 până la 0.45 mg/l distrug virusul poliomelitei în 2 minute faţă de 1 oră şi 30 de minute până la 3 ore pentru doze de clor de 0.5-1 mg/l.
34
În mod general, timpi relativi mici şi doze de ozon reduse sunt suficiente pentru a răspunde celor mai bune criterii sanitare.
7.2 Factorii care influenţează eficienţa dezinfecţiei cu ozon
Principalii factori susceptibili de a modifica eficienţa dezinfecţiei cu ozon sunt: stadiul fizic al microorganismelor, materiile organice, pH-ul şi temperatura.
În general microorganismele prezente în apele tratate nu sunt în stadiu liber. Ele se găsesc sub mai multe forme: agregate, fixate pe materiale minerale sau organice, adsorbite sau incluse in flocoanele hidroxidului de aluminiu. Formele sub care se prezintă microorganismele şi natura materialelor suport (minerale sau organice) condiţionează eficienţa de dezinfectare astfel: flocoanele de Al(OH)3 nu au un efect protector asupra viruşilor în prezenţa ozonului, ceea ce poate fi explicat prin difuzia ozonului în flocon şi o bună interferenţă a ozonului cu floconul. Experimentele lui Boyce (1981) nu au semnalat nici un efect de protecţie în cursul inactivării cu ozon a polivirusului Sabin tip 1 şi a coliformei Escherechia Coli adsorbiţi pe bentonită; în schimb, un important efect protector a fost constatat în cazul bacteriofagului F2.
Numeroase studii şi experienţe practice arată că o doză de ozon bine determinată trebuie aplicată apei înaintea treptei de inactivare a microorganismelor. Acest fenomen este cu uşurinţă explicabil pentru că dezinfecţia cu ozon este în competiţie cu reacţiile de oxidare care consumă ozonul. Astfel cantitatea şi calitatea materiilor consumatoare de ozon determină necesarul de ozon al apei respective şi viteza de oxidare, aceşti doi factori condiţionând eficienţa dezinfecţiei.
Efectele pH-ului asupra mecanismelor dezinfecţiei cu ozon sunt multiple:
- creşterea pH-ului este asociată cu o creştere a vitezei de descompunere a ozonului sub formă de specii oxidante ce au reactivităţi diferite cu compuşii constituanţi ai microorganismelor;
- reactivitatea constituienţilor biologici faţă de ozon poate de asemenea evolua sub influenţa pH-ului. Acesta este, în parte, cazul substanţelor proteice unde ozonul oxidează foarte uşor acizii aminici la nivelul grupărilor amino (NH2) când acestea din urmă sunt sub forma nestabilă, adică dacă pH-ul creşte.
- pH-ul joacă un rol important în agregarea viruşilor.
În cazul de faţă variaţia pH-ului, în apa brută, pe parcursul unui an, conform analizelor efectuate în cadrul staţiei de tratare, prezintă variaţii foarte mici, media fiind situată în jurul valorii 8.
Temperatura are de asemenea o serie de influenţe asupra dezinfecţiei cu ozon:
- creşterea vitezelor de difuzie şi reacţie a ozonului;
- creşterea vitezei de descompunere a ozonului sub forma de radicali.Temperatura apei din staţia de tratare are o variaţie sezonieră, urmărind
îndeaproape variaţia temperaturii apei brute, dar având valorile minime mai ridicate (+0.250.5OC).
35
7.3 Acţiunea cărbunelui activ
Cărbunele activ este un adsorbant cu spectru foarte larg: majoritatea substanţelor organice se fixează pe suprafaţa lui, cele mai slab fixate fiind substanţele cu moleculele cele mai scurte (în particular cele care conţin mai puţin de 3 atomi de carbon - alcooli simpli, acizi organici primari) şi cele slab polarizate, iar cele foarte bine fixate fiind substanţele cu greutate moleculară mare (compuşi aromatici, hidrocarburi).
Substanţele care se fixează mai slab pe suprafaţa granulelor de cărbune sunt însă uşor biodegradabile, fapt care conferă tratamentului de adsorbţie pe cărbune un caracter complementar în raport cu alt tratament biologic.
Adorbţia substanţelor organice dizolvate. Eliminarea substanţelor organice dizolvate, care pot influenţa gustul şi mirosul apei sau, se pot constitui în nutrienţi pentru microorganisme, se face printr-un proces de adsorbţie pur. La aceste substanţe se adaugă şi pesticidele (erbicide, fungicide, insecticide), detergenţii şi diferiţi produşi industriali (în special din industria chimică): compuşi ai azotului, compuşi cloruraţi etc.
În cazul apelor potabile când apa brută provine din surse de suprafaţă: cărbunele activ fixează compuşii organici dizolvaţi care au depăşit faza de autoepurare.
Durata de eficacitate a cărbunelui activ în cazul reducerii globale a materiilor organice este de ordinul lunilor, în timp ce pentru reducerea gustului şi mirosului durata de eficacitate este superioară unui an.
Eliminarea clorului în exces şi a ozonului. Având în vedere că pentru garantarea transformării complete a materiilor organice conţinute în apă este necesar să se prevadă un oxidant în doze mari, procesul de tratare trebuie să asigure şi eliminarea ulterioară a acestuia; operaţiunea de reducere se poate realiza cu ajutorul cărbunelui activ).
Pentru eliminarea oxidanţilor reziduali suprafaţa exterioară a cărbunelui activ joacă un rol important, pentru că, în acest caz, au loc reacţii chimice de suprafaţă (şi nu adsorbţie). Deci, cu cât suprafaţa exterioară este mai mare (granulometria cărbunelui activ este mai mică) capacitatea de eliminare a oxidanţilor este mai mare.
Eliminarea oxidanţilor cu ajutorul cărbunelui activ se poate face numai prin filtrare printr-un strat de material granular (CAG); în acest caz cărbunele activ pudră nu are efect.
Durata de eficacitate în cazul utilizării cărbunelui activ pentru reducerea oxidanţilor reziduali este de ordinul anilor.
Activitatea biologică în filtre cu cărbune activ. Activitatea biologică în filtrele CAG are mai multe aspecte; dintre care unele se referă la anumiţi componenţi (fenoli, amoniu, p-nitrofenol, nitriţi etc.) care sunt eliminaţi mai uşor prin oxidare biologică decât prin adsorbţie. Adiţional, carbonul organic dizolvat (DOC) aflat în apa brută poate fi oxidat biologic.
Componentele biodegradabile pot fi eliminate prin activitate microbiană fără o adsorbţie prealabilă în cazul în care în care în filtru există un biofilm dezvoltat înaintea introducerii acestora. Componentele adsorbabile biodegradabile vor fi adsorbite primele
36
în cazul în care biofilmul nu este încă dezvoltat şi apoi desorbite şi degradate pe măsură ce se dezvoltă biofilmul.
O observaţie importantă a fost făcută de Glaze et al. la Sherverport unde au constatat că activitatea biologică este mult mai intensă în lunile de vară, când temperatura apei a fost în domeniul 23 - 25OC, dar descreşte la o valoare relativ nesemnificativă când temperatura scade sub 8OC în lunile de iarnă.
Sonthemer şi Hubele au prezentat parametrii generali pentru un proces de afinare redaţi în tabelul 1. Este important de menţionat că aceste valori nu sunt optime pentru toate cazurile. Cu toate acestea rezultatele autorilor se aseamănă destul de bine cu rezultatele altor experimentări: spre exemplu oxidarea biologică de 100 g DOC/m3, zi este comparabilă cu 75 - 150 g TOC/m3, zi prezentată de Glaze et al.
Tabelul 1. Parametri de proces în cadrul procesului de afinare
Doza de ozon 0.5 - 1.0 g O3/g DOCDegradarea biologică 100 g DOC/m3, ziNecesarul de O2 (pentru oxidarea DOC) 200 g O2/m3, ziTimp de contact (pentru un strat curat) 15 - 30 min.
Un important efect benefic al procesului de afinare (oxidare cu O3 urmat de filtre CAG) a fost notat de van der Gaag et al. la tratarea apei decantate a râului Rhin. S-a constatat că mutageneitatea efluentului clorinat al unui proces de afinare este mult mai redusă decât în cazul unei ape clorinate care a fost filtrată pe CAG (fară preozonizare).
Activitatea biologică din filtrele cu cărbune activ determină, în general, cresterea numărului de microorganisme în efluent (faţă de influent). Analizale efectuate de Simons la Beaver Falls au demonstrat că atât numărul de coliformi cât şi cel al microorganismelor standard (uzual întâlnite) este mai mare în efluentul filtrelor CAG, în cazul în care temperatura este superioară valorii de 10OC, chiar în cazul în care există 1-2 mg/dm3 clor rezidual în influent (datorat preclorării). Alte studii efectuate la Philadelphia au semnalat prezenţa unor coliformi (Citrobacter freundi, Enterobacter cloacae şi Klebsiella pneumonia) în efluentul filtrelor CAG. In toate aceste cazuri post-dezinfectarea a redus numărul acestor microorganisme în limitele standard (United States Environmental Protection Agency Regulations - Regulamentul agenţiei de protecţia mediului din SUA).
Chiar dacă bacteriile se dezvoltă notabil în interiorul filtrelor CAG şi se observă în efluent un număr destul de mare de microorganisme cerinţa impusă dezinfectanţilor de a distruge aceste microorganisme este mult uşurată (de filtrarea pe CAG).
Activitatea biologică din filtrele cu CAG trebuie controlată cu atenţie pentru a evita apariţia unor efecte indezirabile. Trebuie evitată apariţia unor condiţii anaerobe; aceasta se poate întâmpla fie când influentul conţine concentraţii mari de amoniu fie când oxigenul dizolvat din apă este insuficient şi stratul filtrant este păstrat inactiv o perioadă mare de timp. Printr-un control sistematic, trebuie să se asigure în permanenţă o cantitate suficientă de oxigen dizolvat în apa.
37
Performanţele filtrelor CAG în reducerea potenţialului de formare a THM sunt similare cu reducerea TOC (total organic carbon). Roberts şi Summers au prezentat o sinteză a performanţelor a 47 de staţii de tratare diferite din punct de vedere al reducerii TOC prezentată în tabelul 2.
Tabelul 2. Condiţii de proiectare pentru CAG
Parametru Media Domeniu Domeniu tipicTimp de contact (pt. strat curat) (min) 10 3-34 5-24Înălţimea stratului (m) 1.0 0.2-8 0.5-4.0Încărcarea hidraulică (m/h) 6.0 1.9-20 2.6-17Concentraţia influentului mg/dm3 TOC 3.5 1-16 2-6
Reducerea turbidităţii. Sinteze recente demonstrează că eficienţa filtrelor cu cărbune activ în reducerea turbidităţii, comparativ cu filtrele cu nisip, este la fel de bună sau uneori mai bună. În cazul în care principalul scop al filtrului este reducerea turbidităţii, în general, se utilizează un strat de nisip suport peste care se amplasează stratul de cărbune activ. Utilizarea filtrelor cu cărbune activ la reducerea turbidităţii este recomandată când sunt impuse condiţii foarte severe efluentului.
Eliminarea fierului şi a magnului din apă. Pentru eliminarea fierului şi a manganului din apă este, necesar să se prevadă o treaptă de pretratare cu un oxidant, înaintea filtrelor. Aceasta se poate realiza cu ozon, oxigen sau aer atmosferic.
Pentru eliminarea fierului dizolvat, care se prezintă, în general, sub formă de ioni de fier II se utilizează aerarea. Ionii de fier II, în măsura în care nu sunt legaţi organic, se transformă în hidrat de fier (III) care este posibil să fie reţinut prin filtrare. Pentru a accelera oxidarea se poate utiliza ozonul sau clorul, iar pentru îmbunătăţirea filtrării se pot folosi, în cazuri dificile, şi în special în cazul existenţei ferobacteriilor în apă, reactivi chimici de coagulare floculare.
Manganul bivalent dizolvat în apă este foarte stabil; din această cauză doar în condiţii favorabile este posibilă transformarea lui, prin oxidare (datorită oxigenului conţinut în aer), în compuşi cu valenţe superioare greu solubili în apă. Prin oxidare cu ajutorul ozonului manganul este adus la forma sa heptavalentă care, prin reducerea pe suprafaţa carbonului activ, este transformat în hidrat de mangan şi eliminat prin filtrare odată cu oxizii de fier insolubili. Excedentul posibil de ozon prezent în apă este şi el distrus pe suprafaţa cărbunelui activ. Manganul poate fi transformat într-un compus filtrabil şi în prezenţa permanganatului care poate fi introdus pentru dezinfectarea apei.
Se poate spune că utilizarea cărbunelui activ este recomandată în cazurile în care este necesară eliminarea unor poluanţi organici (dizolvaţi) din următoarele categorii: detergenţi, coloranţi de sinteză solubili, solvenţi cloraţi, fenoli şi compuşi hidroxilici, compuşi aromatici (în mod particular cei cloraţi sau nitraţi), substanţe care au gust şi miros neplăcut.
38
7.4 Modul de prezentare a cărbunelul activ
Cărbunele activ granular este disponibil sub mai multe forme, alegerea făcându-se în funcţie de caracteristicile fizico-chimice ale apei de tratat. În tabelul 3. sunt date caracteristicile cărbunelui activ granular pentru principalele firme producătoare.
Cărbunele granular este utilizat sub formă de strat filtrant traversat de apa de tratat. Un strat compact de cărbune granular îndeplineşte 4 funcţii: filtrare, acţiune bactericidă, acţiune catalitică şi adsorbţie.
Sunt utilizate două sisteme de straturi filtrante: straturi mobile funcţionând în contracurent şi straturi fixe, utilizându-se două-trei coloane în serie. Tehnologia utilizată este asemănătoare filtrelor cu nisip. Se acordă o atenţie specială sistemelor de spălare, dat fiind riscul pierderilor de cărbune prin flotaţie.
Tabelul 3. Principalele tipuri de cărbune granularChemvirom
CarbonLurgi Norit
TL 830 Hydraffin BD Aquaraffin Norit SupraGranulometrie:- d10 (mm) coef. Uniformitate
0.9-1.11.4
0.5-2.5 1-4
Indicele de iod (mg/g) 1000 650 1200 1100Suprafaţa BET (m2/g) 1050 650 1300Densitate aparentă (kg/m3) 470-530 285 330 min 350Cenuşă (%) max 10 8-10 8 6-10
Capacitatea utilă a cărbunelui se exprimă în cantitatea de DOC (carbon organic dizolvat) în grame, fixată la 1 kg de cărbune activ ceea ce caracterizează consumul de cărbune pentru a obţine un efect determinant. Această capacitate este funcţie de: grosimea stratului filtrant, viteze de schimb (experimental s-a determinat valoarea raportului între volumul de apă tratat şi volumul de cărbune, de maxim 3, pentru cazuri de poluare intensă). Pentru tratamentele obişnuite pentru obţinerea apei potabile acest raport creşte la 5-10.
Proprietăţile fizice principale ale cărbunelui activ, de care depinde valoarea sa comercială sunt suprafaţa de adsorbţie şi structura poroasă.
39
Tabelul 4. Suprafaţa de adsorbţie a cărbunelui activ (m2/g)
Chemivron SGL Cărbune bituminos 1000-1200Chemivron BPL Cărbune bituminos 1000-1200Chemivron Filtrasorb 200 Cărbune bituminos 800-1000Chemivron RB Cărbune bituminos 1200-1400Chemivron SC II Nucă de cocos 1150-1250Chemivron SC XII Nucă de cocos 900-1100Darco S 51 Lignit 500-550Darco G 60 Lemn 750-800Darco K Lemn 950-1000Nuchar Aqua Reziduu de celuloză 550-650Nuchar C Reziduu de celuloză 1050-1100Nuchar (divers) Reziduu de celuloză 300-1400Norit (divers) Lemn 700-1400
Determinarea suprafeţei de adsorbţie a cărbunelui activ s-a făcut prin metoda Brunauer, Emmet şi Teller (metoda BET) bazată pe măsurarea volumului de azot gazos adsorbit la temperatura azotului lichid (-10 la 5 C) la diferite presiuni, determinându-se izotermele de adsorbţie. Valorile suprafeţelor de adsorbţie determinate pentru câteva tipuri de cărbune activ comercial exprimate în m2/g sunt indicate în tabelul de mai jos.
Structura poroasă (capilară) microscopică a cărbunelui este alcătuită prin dispunerea aleatorie a particulelor amorfe, formându-se o reţea complexă de canale neregulate legate parţial între ele. Pentru a se putea face o estimare a dimensiunilor se face presupunerea că aceste canale sau pori sunt de formă cilindrică. Existenţa şi acţiunea porilor din cărbunele activ este demonstrată de căteva teste clasice care pot fi reluate în cazul în care este necesară verificarea calităţii unui material filtrant.
1. 100 g cărbune activ trebuie să adsoarbă cca. 60-70 g gaz sau lichid (de exemplu CCl4) fără modificarea perceptibilă a dimensiunii granulare;
2. diferenţa între volumul granular şi volumul real al cărbunelui (măsurat prin deplasarea heliului) să fie considerabilă;
3. să existe posibilitatea introducerii mercurului sub presiune în golurile granulelor;
4. existenţa unui ciclu histeresis în alura izotermelor de adsorbţie şi desorbţie, dovedind prezenţa tuburilor capilare.
Suprafaţa mare de adsorbţie a cărbunelui activ în comparaţie cu dimensiunile mici ale granulelor demonstrează existenţa unei suprafeţe interne foarte mari, a cărei explicaţie este structura capilară. Cercetările de laborator au arătat existenţa a doua categorii de pori, clasificaţi după dimensiunea lor. Categoria de pori cea mai importantă din care este constituită în principal suprafaţa disponibilă de adsorbţie este a microporilor. Sistemul microporilor este rezultatul procesului de activare.
40
Tuburile capilare mai mari, numite macropori, sunt în dependenţă directă de materiile prime utilizate şi procedeul de fabricaţie, de exemplu măcinarea şi aglomerarea materiei prime. Aceşti pori contribuie foarte puţin la suprafaţa de adsorbţie, dar au ca rol asigurarea căilor de penetrare spre interior a particulelor de cărbune activ.
Microporii pot fi definiţi ca pori ai căror diametru variază între 10 şi 1000 A0
.
Metodele Juhola şi Wild sunt cele admise pentru a caracteriza dimensiunile microporilor.
Aceste metode utilizează izoterma de desorbţie a apei. Dacă se tratează o cantitate de cărbune activ cu vapori de apă la presiune scăzută, foarte puţini vapori vor fi adsorbiţi de cărbune; dacă presiunea vaporilor este mărită, apa va fi adsorbită mai uşor. S-a emis ipoteza că acest fenomen se datorează mai curând unei condensări în pori decât unei adsorbţii la suprafaţă. Dacă experimentul se continuă cu fenomenul de adsorbţie se va înregistra curba de histeresis. Aplicarea ecuaţiei lui Kelvin la curba de desorbţie permite evaluarea cantitativă a dimensiunilor porilor. Metodele dau rezultate compatibile cu cele furnizate în metoda BET.
7.5 Exemple de uzine de apă care utilizează CAG
7.5.1 Staţia de tratare Choisy le Roi
Amplasament: la sud de Paris, apa provine din Sena
Debit: 80000 (m3/zi)
Filieră tratare: preozonizare, coagulare, floculare, decantare, filtre rapide (nisip), ozon, CAG, clorinare, declorare (bisulfit).
Doze: ozon - 1-2 mg O3/dm3;
clorinare - 1-1,5 mg/dm3; timp de contact 2-4 h;
Tabelul 5. Reducerea carbonului biodegradabil şi nebiodegradabil în filtre CAGInfluent Efluent Reducere
Data BDOC(mg C/L)
NBDOC(mg C/L)
BDOC(mg C/L)
NBDOC(mg C/L)
BDOC(mg C/L)
NBDOC(mg C/L)
aug-1994 0.90 0.95 0.55 0.85 0.35 0.10mai-1995 0.70 2.20 0.60 2.10 0.10 0.10oct-1995 0.45 1.55 0.35 1.40 0.10 0.15mar-1996 0.40 1.50 0.20 1.50 0.20 0.0iunie 1996 0.85 1.80 0.65 1.70 0.20 0.10aug-1996 0.70 2.10 0.50 2.00 0.20 0.10
Pentru a determina efectul spălării filtrelor asupra bacteriilor fixate în stratul CAG s-a calculat masa bacteriană pe probe luate imediat înainte şi după spălarea acestora. Profilul prezentat în figura 1, nu prezintă o scădere semnificativă a biomasei datorată
41
spălării filtrului. În cazul în care se utilizează aerul în cadrul metodei de spălare stratificarea verticală a biomasei nu este afectată.
Compararea biomasei din efluentul filtrelor imediat înainte şi după spălare nu a evidenţiat diferenţe semnificative în sensul cantităţii de biomasă bacteriană eliminată. Aceste observaţii duc la concluzia că spălarea filtrelor nu afectează semnificativ funcţiile microbiologice ale filtrelor de cărbue activ granular.
0.00
0.20
0.40
0.60
0.80
1.00
1.00 3.00 5.00 7.00 9.00 11.00 13.00Biomasa bacteriana (gC/ml)
¥nål¡
ime s
trat
(m)
dupa spalare
inaintede spalare
Figura 1. Profilul vertical al biomasei bacteriene în filtre CAG înainte şi după spălare (cota 0 corespunde suprafeţei stratului filtrant)
Carbon organicdizolvat
NBDOC
1.58 gC/m3 0.60
BDOC
3
Bacterii
30.003 gC/mB
AdsorbtieAdsorbitDOC
7.903
7.33
30.6 gC/m h
31.46 gC/m
NBDOC
3 3gC/m h
1.8
5.10B
3
0.35 gC/m h
Bacteriana
3
Productie
FiltruCAG
Efluent
Influent
30.36 gC/mBDOC
B
Spalare
0.0045 gC/m3
gC/m h0.028
3
CO
Respiratie
2
gC/m h0.85
3
gC/mh1.20
3
gC/m h0.015
3
gC/m
gC/m h
gC/m
gC/m h3
gC/m h
Figura 2. Reprezentarea funcţionării unui filtru CAG la staţia Choisy le Roi (valorile prezentate sunt calculate pe baza mediilor tuturor parametrilor măsuraţi în timpul studiului)
42
0.00
0.02
0.04
0.06
0.08
0.10
0.0000 0.0500 0.1000 0.1500 0.2000 0.2500 0.3000 0.3500 0.4000 0.4500
BDOC retinut (mgC/l)
Pro
ducti
a b
acte
riana (
gC
/ml)
Activitatea bacteriană heterotrofică este răspunzătoare pentru îndepărtarea BDOC în filtre, fapt confirmat şi de figura 2.; în această figură s-a reprezentat producţia bacteriană funcţie de cantitatea de BDOC reţinut, pentru care s-a obţinut o corelaţie bună (r=0.70).
Estimarea biomasei bacteriene în interiorul unui filtru este o operaţiune complexă. Aceasta implică considerarea legăturilor cu influentul şi efluentul sau apa de la spălare, producţia şi mortalitatea în interiorul filtrului. După cum se observă şi în figura 2. o parte din biomasa dezvoltată în interiorul filtrului sau adusă de influent este eliminată în timpul spălării filtrului în proporţie de 1% sau 8% prin efluent. Datorită faptului că numai 9% din biomasă este eliminată prin procesele de mai sus, rezultă că partea majoritară din biomasa produsă 91% este eliminată prin mortalitate în interiorul filtrului.
Figura 3. Relaţie între producţia bacteriană şi eliminarea BDOC (Choisy le Roi)
43
7.5.2 Instalaţii industriale
Filieră tratare: reactor Nitrazur (cu flux ascendent), aerare, filtre Mediazur V cu CAG, rezervor de apă filtrată, instalaţie de clorinare.
Tabelul 6. Caracteristicile instalaţiilorChateau Landon Champfleur
Debit (m3/h) 30-50 35-70FiltrareTip filtru Mediazur MediazurMaterial filtrant carbon carbonSuprafaţă (m2) 6.40 8.50Inălţime strat (m) 1.2 1.2Viteză (m/h) 4.7-8.2 4.1-8.2Înmagazinare (volum)Apa de spălare (m3) 35 80Dezinfecţie (m3) 100 120
Tabelul 7. Caracteristicile comparative ale apei brute şi tratateChateau Landon Champfleur Călăraşi
apa bruta apa filtrata apa bruta apa filtrata apa bruta apa filtratapH 7.3 7.40 7.2 7.40 8 7Turbiditate (FTU) 0.15 0.15 0.20 0.17 35.38 0SiO2 3.97 0SiO2
NH4 (mg/dm3) 0 0 0 0 0.155 0.15NO3 (mg/dm3) 87.5 25 72 20 14.5 8.5NO2 (mg/dm3) 0-0.5 0 0 0 0.032 0.015O2 (mg/dm3) 6.8 7.2 5.6 6.6
Tabelul 8 Rezultate analizelor biologice obţinuteApa brută Efluent filtre CAG Apa dezinfectată
Coliformi fecali (100 ml apă) 0-11 0 0Coliformi totali (100 ml apă) 0-200 0-20 0Streptococi fecali (100 ml apă) 0-3 0-1 0
44
0.00
20.00
40.00
60.00
80.00
100.00
120.00
0.00 0.20 0.40 0.60 0.80 1.00
(mg/l)
(mg/g
)
Iarna (6OC)
Vara (19OC)
7.6 Performanţele filtrelor pe CAG funcţie de parametrii sezonieri
Izotermele de adsorbţie sunt reprezentările grafice ale încercărilor efectuate la temperaturi constante şi permit determinarea relaţiilor care există între cantitatea de materii organice care rămâne în apă şi cea care este adsorbită pe cărbunele activ la atingerea echilibrului; această stare de echilibru este funcţie de adsorbabilitatea compuşilor prezenţi în apă la momentul prelevării şi de efectele de competiţie existente la nivelul porilor activi.
În figura 4. sunt prezentate izotermele de adorbţie pentru o apă decantată din Sena, punctul de prelevare al acesteia fiind situat imediat amonte de Paris. Pe baza izotermelor de adsorbţie reprezentate se poate concluziona că, din punct de vedere al adsorbabilităţii materiilor organice, perioada verii este cea mai defavorabilă, în timp ce toamna asigură condiţiile cele mai propice aceste adsorbţii. Pe timpul iernii şi al primăverii echilibrul adsorbţiei este practic acelaşi.
Din figura prezentată se observă bine funcţionarea diferită a unui filtru cu CAG funcţie de sezon. Această diferenţă poate fi:
- cantitativă când variază concentraţiile iniţiale;
- calitativă când variază compoziţia apei ceea ce se traduce prin adsorbabilitate diferită de la un sezon la altul.
45
Figura 4. Efectul sezonier asupra adsorbabilităţii substanţelor organice (izoterme la temperatura prelevării probelor)
Se poate afirma că adsorbţia materiilor organice din apă este foarte puţin influenţată de temperatură chiar în cazul în care se consideră un parametru global precum carbonul organic total.
Pentru o apă de suprafaţă, cum este cea a Senei, influenţa sezonieră asupra funcţionării filtrelor cu cărbune activ granular este foarte importantă. Variaţiile cantitative ale apei duc la producerea unor fenomene de reechilibrare în interiorul filtrelor. Variaţiile calitative ale apei sunt responsabile de diferenţele de adsorbabilitate şi în consecinţă de fenomenele cromatografice şi de competiţie la nivelul porilor activi.
În aceste condiţii modelarea matematică a curbelor de epuizare (penetrare) a filtrelor cu cărbune activ granular rămâne aleatorie în cazul în care acestea sunt făcute pe baza unor măsurători punctuale. Cu toate acestea există studii care demonstrează o foarte bună corelaţie care există între curbele de epuizare experimentale şi cele realizate când modelarea se bazează pe prelevări efectuate la diferite perioade ale anului. Curba de epuizare este calculată în acest caz actualizând pentru fiecare punct valoarea concentraţiei la intrarea în filtru şi a parametrilor caracteristici de adsorbţie.
46
Bibliografie
1 Catedra ISPA – U.T.C.B. Contract 89A/1999 – Studiu de tratabilitate şi soluţii, uzina de apă Chiriţa Iaşi
2 Catedra ISPA – U.T.C.B. Contract 163/1995 – Instalaţie de ozonizare a apei în municipiul Călăraşi
3 Degremont Memento Tehnique de leau 19894 Mănescu, A., Sandu,M.,
Ianculescu, O.,Alimentări cu Apă. Editura Didactică şi Pedagogică, Bucureşti, 1994
5 American Water Works Association
Water Quality and Treatment, McGraw-Hill, 1999.
6 Kawamura, S. Integrated Design Of Treatment Facilities Ed. John Wiley & Sons, 1991
7 *** Une usine de traitment et d'affinage de l'eau potable a Montreau. Compagnie Generale de L'eau
8 *** Conversion of Sand Filters to Granular Activated Carbon Filters. Chemviron Charbon
9 *** Removal of Pesticides from Drinking Water using Granular Activated Charbon. Chemviron Charbon
47
