MINISTERUL EDUCATIEI NATIONALE UNIVERSITATEA TEHNICA DE CONSTRUCTII BUCURESTI FACULTATEA DE HIDROTEHNICA Departamentul de Inginerie Hidrotehnica Ing. Bichir Marius-Costin CERCETARI PRIVIND CAMERELE DE REACTIE UTILIZATE IN PROCESELE DE COAGULARE-FLOCULARE - TEZA DE DOCTORAT - REZUMAT Conducator de doctorat Prof.dr.ing. Gabriel Racoviteanu - Bucuresti, 2015 -
This document is posted to help you gain knowledge. Please leave a comment to let me know what you think about it! Share it to your friends and learn new things together.
Transcript
MINISTERUL EDUCATIEI NATIONALE
UNIVERSITATEA TEHNICA DE CONSTRUCTII BUCURESTI
FACULTATEA DE HIDROTEHNICA
Departamentul de Inginerie Hidrotehnica
Ing. Bichir Marius-Costin
CERCETARI PRIVIND CAMERELE DE REACTIE UTILIZATE IN
PROCESELE DE COAGULARE-FLOCULARE
- TEZA DE DOCTORAT -
REZUMAT
Conducator de doctorat
Prof.dr.ing. Gabriel Racoviteanu
- Bucuresti, 2015 -
CUPRINS
1
1 ELEMENTE INTRODUCTIVE ........................................................................................ 4
1.1 Obiectivul tezei de doctorat .......................................................................................... 4
1.2 Importanta si actualitatea subiectului ........................................................................... 4
2.1 Schema clasica a unei statii de tratare a apei ................................................................. 5
2.2 Materii ce se gasesc in apa bruta ................................................................................... 6 2.2.1 Materii coloidale, caracteristici si proprietati ................................................................................. 6 2.2.2 Stabilitatea sistemelor coloidale ..................................................................................................... 7 2.2.3 Teoria DLVO .................................................................................................................................. 10
2.3 Procese de coagulare-floculare .................................................................................... 10 2.3.1 Definitii ......................................................................................................................................... 10 2.3.2 Stabilirea dozelor de reactivi ........................................................................................................ 11 2.3.3 Gradientul de viteza ...................................................................................................................... 11
3 STADIUL ACTUAL DE DEZVOLTARE AL CAMERELOR DE REACTIE ................................ 14
3.1 Considerente in proiectarea camerelor de reactie ........................................................ 14
3.2 Dezvoltarea camerelor de reactie utilizate in statiile de tratare a apei .......................... 15 3.2.1 Camere de reactie cu sicane sau cu compartimente .................................................................... 15 3.2.2 Camere de reactie ,,turbionare” ................................................................................................... 17 3.2.3 Camere de reactie cu agitatoare mecanice .................................................................................. 18
3.3 Tipuri de decantoare si camere de reactie curent utilizate in statiile de tratare ............. 20 3.3.1 Decantoare suspensionale ............................................................................................................ 20 3.3.2 Decantoare lamelare .................................................................................................................... 23
Figura 2-1 Shema clasica a unei statii de tratare .................................................................................................... 5
Figura 2-2 Reprezentarea stratului dublu electric [60] [80] ................................................................................... 8
Figura 2-3 Particula electro-negativa, stratul dublu difuz si potentialul zeta [54] [60] [80] ................................... 9
Figura 3-1 Camera de reactie cu agitator mecanic: [55]....................................................................................... 14
Figura 3-2 Camere de reactie cu sicane cu circulatie orizontala a apei [36] ........................................................ 16
Figura 3-3 Camera de reactie cu sicane cu circulatie verticala a apei [35] ........................................................... 16
Figura 3-4. Camera de reactie ,,turbionara” conica [35]. ..................................................................................... 17
Figura 3-6 Camera de reactie cu agitator cu miscare rectilinie alternativa de translatie [35] ............................. 18
Figura 3-7 Camera de reactie cu palate articulate [35] ........................................................................................ 18
Figura 3-8 Camera de reactie cu zbaturi (palete) orizontale cu axul paralel cu directia curgerii [35] .................. 19
Figura 3-9 Camera cu palete cu ax orizontal perpendicular pe directia de curgere [35] ..................................... 19
Figura 3-10 Camera de reactie cu palete cu ax vertical [35] ................................................................................ 19
Figura 3-13 Decantor Accelator [65] ..................................................................................................................... 21
Figura 3-15 Decantor Cyclator (Lurgi) [65] ........................................................................................................... 21
Figura 3-16 Decantor Pulsator [65]....................................................................................................................... 22
Figura 3-17 Decantor cu modul lamelar in curent incrucisat [65] ........................................................................ 24
Figura 3-18 Camere de reactie lenta, Ggaba III, Uganda [37] ............................................................................... 25
Figura 3-19 Decantor lamelar- Ggaba III, Uganda. [37] ........................................................................................ 25
Figura 3-20 Decantor Actiflo. [61] ........................................................................................................................ 26
Figura 3-21 Mixer static. Schema mixer static. [85] ............................................................................................. 27
Figura 4-1 Camera de reactie pilot (Laborator Colentina,UTCB) .......................................................................... 28
Figura 5-1 Schema camerelor de reactie rapida (pre-decantare, decantare) ...................................................... 32
Figura 5-2 Camera reactie rapida si lenta, traductori de temperatura, Yatesmeter ............................................ 34
Figura 5-3 Recomandari de optimizare a camerelor de reactie din treapta de pre-decantare ............................ 36
LISTA TABELE
Tabel 2-1 Coeficienti functie de temperatura apei ............................................................................................... 13
LISTA GRAFICE
Graficul 4-1 Graficul puterilor disipate in camera de reactie pilot functie de debitul vehiculat .......................... 30
Graficul 4-2 Graficul randamentului camerei de reactie pilot functie de debitul vehiculat ................................. 31
Graficul 4-3 Randamentul global de transfer al camerei de reactie ..................................................................... 31
Nota: Structura rezumatului, numerotarea capitolelor, figurilor, graficelor si notelor
bibliografice sunt in concordanta cu textul intehral al tezei de doctorat.
3
Lucrarea intitulata "CERCETARI PRIVIND CAMERELOR DE REACTIE
UTILIZATE IN PROCESELE DE COAGULARE-FLOCULARE", este axata pe
cercetari in laborator realizate pe camera de reactie pilot, dar si pe camere de reactie
existente, cu scopul determinarii randamentului de functionare al acestor obiecte tehnologice,
dar si pentru o mai buna cunoastere si intelegere a procesului tehnologic in vederea
optimizarii.
Prezenta lucrare de doctorat este dezvoltata in 6 capitole si cuprinde: 142 pagini, 64
figuri, 47 tabele, 15 grafice, precum si o lista de semnalari bibliografice cu 89 de titluri.
Capitolul 1. Elemente Introductive
4
1 ELEMENTE INTRODUCTIVE
1.1 Obiectivul tezei de doctorat
Obiectivul principal al tezei de doctorat il constituie studiul sub aspectul eficientizarii
proceselor de coagulare-floculare ce au loc in camerele de reactie utilizate in cadrul statiilor
de tratare.
In acest scop, s-a analizat comportarea din punct de vedere energetic a camerelor de
reactie rapida si lenta si s-a construit o camera de reactie pilot capabila sa simuleze procesele
de coagulare-floculare. Aceasta a fost echipata cu un agitator mecanic si a fost utilizata la
realizarea de determinari ale randamentului de functionare. In vederea eficientizarii
proceselor de coagulare-floculare s-au implementat masuri simple de optimizare ale camerei
de reactie pilot, ce pot avea aplicabilitate in statiile existente de tratare.
Continuitatea cercetarii privind eficientizarea proceselor de coagulare-floculare a fost
realizata pe camerele de reactie rapida existente si functionale in cadrul statiei de tratare
Santana de Mures, aferenta municipiului Targu Mures. Pentru acestea s-au stabilit parametrii
de functionare si randamentul global.
1.2 Importanta si actualitatea subiectului
In zilele noastre cerinta de apa potabila a crescut considerabil odata cu sporirea
excesiva a populatiei, cu dezvoltarea activitatilor economice, cu accelerarea procesului de
urbanizare si ridicarea indicelui de confort. Insa, odata cu cresterea nivelului de viata la nivel
global a crescut si gradul de poluare al surselor de apa.
Cresterea exigentei consumatorilor, reflectata in indicatorii de calitate tot mai severi
impusi de legislatia in vigoare, in conditiile in care calitatea apelor de suprafata destinate
potabilizarii s-a deteriorat fata de situatia in care au fost proiectate actualele statii de tratare a
apei in sensul cresterii incarcarii cu materii de natura organica, impune retehnologizarea si
dezvoltarea filierelor de productie a apei potabile.
Procesele de coagulare-floculare reprezinta treapta fundamentala in tratarea apelor in
vederea potabilizarii, scopul acestuia fiind, pe langa aglomerarea materiilor in suspensie si a
materiilor coloidale, indepartarea cu eficienta ridicata a substantelor de natura organica si
obtinerea unei ape care sa-si mentina calitatea in reteaua de distributie.
In acest context lucrarea „Cercetari privind camerele de reactie utilizate in procesele de
coagulare-floculare” se remarca prin faptul ca reprezinta o lucrare de cercetare aplicata cu
rezultate ce pot avea aplicabilitate directa in procesul de tratare al apei.
Obiectivele cercetarilor din prezenta lucrare sunt:
construirea unei camere de reactie la scara, capabila sa simuleze procesele de
coagulare-floculare ce au loc in cadrul statiilor de tratare;
determinarea randamentului de transfer al energiei in volumul de apa si determinarea
gradientului de viteza;
identificarea unor masuri simple de optimizare menite sa eficientizeze procesele de
coagulare-floculare care sa nu necesite costuri ridicare de investitie sau costuri care sa
se reflecte in tariful apei potabile.
Capitolul 2. Baze teoretice
5
2 BAZE TEORETICE
2.1 Schema clasica a unei statii de tratare a apei
Statia de tratare poate si definita ca fiind totalitatea constructiilor si instalatiilor in
care se desfasoara procese prin care se asigura corectarea calitatii apei, pentru a corespunde
cerintelor de calitate impuse de normele in vigoare. Este cunoscut faptul ca apa din surse de
suprafata nu corespunde cerintelor de calitate impuse apei potabile, astfel ca este necesara
tratare acesteia in cadrul unei statii de tratare.
In functie de parametrii sursei apei brute (fizici, chimici, biologici) care sunt necesari a
se corecta, schema unei statii de tratare poate sa varieze. Complexitatea statiei de tratare este
direct proportionala cu calitatea apei brute si cu cerinta de calitate impusa de beneficiar.
CAMERA DE
CONTACT
DECANTOR
LAMELAR
STATIE DE REACTIVI
STATIE DE POMPARE/
STATIE SUFLANTE
FILTRARE RAPIDA PE NISIP
AER-SPALARE
APA-SPALARE
NAMOL
EVACUAT
NAMOL
RECIRCULAT
DEZINFECTIE CU OZON
STATIE
POMPARE
STATIE OZON
APA DE LA
SPALARE
APA PENTRU
SPALARE
IN RETEAUA DE
DISTRIBUTIE
REZERVOR
APA TRATAT
STATIE
POMPARE
STATIE DE CLORARE
FILTRARE PE CARBUNE ACTIV
GRANULAR
NAMOL
EVACUAT
CONCENTRATOR NAMOL
STATIE
POMPARE
SUPERNATANT
SUPERNATANT
RECIRCULAT
APA FILTRATA
APA FILTRATAAPA FILTRATA
APA FILTRATA
APA
TRATATA
APA-SPALARE
AER-SPALARE
APA BRUTA
APA
TRATATA
COAGULANT
FLOCULANT
CAMERE DE
REACTIE
Figura 2-1 Shema clasica a unei statii de tratare
Capitolul 2. Baze teoretice
6
Schema unei statii de tratare poate cuprinde o serie de obiecte tehnologice, fiecare
dintre acestea indeplinind un rol bine definit, insa trei dintre cele mai importante procese
tehnologice si cele mai uzuale sunt decantarea, filtrarea, respectiv dezinfectia.
Dupa cum se poate observa si in Figura 2-1 camerele de reactie utilizate in cadrul
statiilor de tratare sunt amplasate la inceputul schemei tehnologice de tratare, astfel ca de
eficienta acestor obiecte tehnologice sunt direct influentate toate celelalte obiecte tehnologice
ce se regasesc in aval.
2.2 Materii ce se gasesc in apa bruta
Apa bruta contine trei mari categorii de compusi, clasificati dupa cum urmezaza:
Materii in suspensie de origine minerala (nisipuri, argile, etc.) sau organica (rezultate
din descompunerea materiilor vegetale sau animale, acizi humici sau fulvici); la acesti
compusi se adauga microorganisme: bacterii, plancton, alge si virusi. Aceste substante
dau turbiditate si culoare;
Materii coloidale (cu diametrul <1µ); au aceleasi origini ca si cele precedente, dar
marime mult mai redusa si caracterizate de o decantare excesiv de lenta;
Materii dizolvate, in general cationi sau anioni de natura minerala sau chiar organica;
se gasesc de asemenea gaze (O2, CO2, H2S) in stare dizolvata sau libera.
…………………………………………………………………………………………..
2.2.1 Materii coloidale, caracteristici si proprietati
Marimea si concentratia particulelor in apa bruta variaza in functie de natura apei.
Aceste particule din apa bruta pot sa provina din sol sau din surse atmosferice (argile,
organisme patogene, fibre de azbest) sau pot rezulta ca urmare a unor procese chimice si
biologice care au avut loc in apa bruta.
Intervalul dimensiunilor particulelor poate varia cu cateva ordine de marime, de la
cateva zeci de nanometri (ex. virusii) pana la cateva sute de micrometri (ex.
microplanctonul). Totusi, toate aceste particule pot fi eficient indepartate din apa de tratat,
daca procesele de tratare precum: coagulare-floculare, decantare si filtrare - au fost corect
dimensionate si sunt corect realizate.
Expresia "materii organice naturale" este utilizata pentru a descrie un amestec
In cadrul acestui subcapitol sunt specificate o serie de considerente ce sunt avute in
vedere la momentul proiectarii diverselor tipuri de camere de reactie.
Capitolul 2. Baze teoretice
15
3.2 Dezvoltarea camerelor de reactie utilizate in statiile de tratare a apei
In timp, forma si marimea camerelor de reactie au evoluat ca urmare a unei mai bune
cunoasteri a mecanismelor de coagulare-floculare si sedimentare, precum si functie de
formele constructive si tehnologia de functionare a decantoarelor.
O clasificare exacta a camerelor de reactie este foarte dificil de facut avand in vedere
criteriile numeroase care pot fi luate in considerare:
- dupa pozitia fata de decantoare, avand in vedere si legatura tehnologica care exista
intre reactie si decantare, camerele de reactie se pot prezenta sub forma de constructii
independente de decantoare sau constructii cuplate sau integrate cu acestea, ca si in
cazul decantoarelor radiale, verticale, suspensionale la care camera de reactie se afla
in centrul decantorului;
- dupa modul in care sunt parcurse de apa, pot fi orizontale si verticale;
- dupa modul de agitare - cu agitare mecanica, cu agitare hidraulica si cu agitare
pneumatica;
- dupa modul cum se face agitarea fata de directia de curgere, camerele de reactie pot
fi cu agitare axiala sau cu agitare transversala etc.
In ultimul timp s-au raspandit o serie de tipuri speciale de camere de reactie care se
situeaza in afara categoriilor mai sus mentionate si anume:
camere de reactie cu recircularea namolului;
camere de reactie cu precipitat in suspensie;
camere de reactie cu material granular.
O categorie aparte o constituie camera de reactie cu coagulare electrochimica.
In cadrul subcapitolelor urmatoare sunt prezentate cateva dintre tipurile de camare
utilizate de-a lungul timpului, observandu-se astfel evolutia in timp a acestor obiecte
tehnologice.
3.2.1 Camere de reactie cu sicane sau cu compartimente
Camrele de reactie cu sicane reprezinta sisteme de amestec si agitare statice utilizate
in statiile de tratare a apei. Din punct de vedere al randamentului, acestea au o eficienta foarte
redusa, insa reprezinta o metoda inca utilizata in treapta de coagulare-floculare. In figura
urmatoare se prezinta cateva fotografii ale camerelor de reactie din cadrul statiei de tratare
SAM – Dushanbe.
Capitolul 2. Baze teoretice
16
Figura 3-2 Camere de reactie cu sicane cu circulatie orizontala a apei [36]
h
Canal evacuare depuneriSpre
Admisie
Figura 3-3 Camera de reactie cu sicane cu circulatie verticala a apei [35]
Capitolul 2. Baze teoretice
17
Prin modificarea sicanelor si distantelor intre ele, camera de reactie poate fi realizata
pentru o intensitate de agitare determinata in laborator sau pe un model, intensitate ce poate fi
redusa succesiv astfel incat sa se obtina o scadere a gradientilor de viteza pe masura cresterii
dimensiunii flocoanelor. In general, este preferabil sa se foloseasca tipul de camera cu
curgere in sens orizontal care are avantajul ca este usor de golit si curatat. In schimb pentru a
asigura timpi de reactie suficient de mari, acest tip de camera de reactie ocupa suprafete
destul de mari. Rezultatele obtinute in functionare sunt contradictorii. La unele statii acestea
dau rezultate destul de bune, la altele insa rezultatele obtinute in functionare nu sunt cele mai
favorabile [35].
3.2.2 Camere de reactie ,,turbionare”
Acestea sunt de doua tipuri: conice (Figura 3-4) si prismatice. Camerele de reactie de
forma conica au varful in jos, apa fiind admisa pe la partea inferioara si circuland vertical cu
viteza cu valoare descrescatoare pana la partea superioara unde deverseaza intr-un
compartiment inelar si unde este distribuita la decantoare. Prin aceasta circulatie se asigura o
turbulenta suficient de mare pentru ca intr-un timp scurt sa se poata produce flocularea. Au
dezavantajul ca sunt foarte inalte cerand fie o adancime mare de executie, fie amplasarea
decantoarelor la cote ridicate [35].
D
d
Admisie
apa
Evacuare
apa
Figura 3-4. Camera de reactie ,,turbionara” conica [35].
Aceste camere de reactie functioneaza bine la o exploatare corespunzatoare, dand insa
greutati in cazul apei brute cu continut mare de nisip, prin blocarea conului cu un dop de nisip
in cazul reducerii debitului de apa.
…………………………………………………………………………………………..
Capitolul 2. Baze teoretice
18
3.2.3 Camere de reactie cu agitatoare mecanice
Aceste camere de reactie sunt foarte raspandite prezentand o mare varietate de tipuri
constructive. Au avantajul, spre deosebire de tipurile precedente, ca parametrii hidraulici, in
special intensitatea de agitare poate fi variata in timp dupa cerinte (avand realizate
dispozitivele necesare) odata cu modificarile calitatii apei brute, cu perfectionarea sau
inlocuirea reactivilor utilizati [35].
Evacuare
namol
Curatatot cu racleti
CAMERA
REACTIE
DECANTOR
ETAJAT
Apa
bruta
Figura 3-5 Camera de reactie cu agitator cu miscare rectilinie alternativa de translatie [35]
Agitatoarele cu miscare rectilinie alternativa de translatie si cele cu miscare de rotatie
cu ax vertical nu comporta in general elemente sub nivelul apei care sa necesite o intretinere
deosebita. Aceste tipuri presupun sustineri deasupra nivelului apei. Agitatoarele cu miscare
de rotatie cu ax orizontal presupun de obicei elemente sub nivelul apei care necesita
intretinerea, actionarea facandu-se cu lant, curele trapezoidale sau cu roti directoare cu cupe
in care se injecteaza aer comprimat.
Palete
Articulate
Motor electric
cu reductor
Figura 3-6 Camera de reactie cu palate articulate [35]
Capitolul 2. Baze teoretice
19
Motor electric
cu reductor
Apa
bruta DECANTOR
Figura 3-7 Camera de reactie cu zbaturi (palete) orizontale cu axul paralel cu directia curgerii [35]
Apa
brutaSpre
decantor
Figura 3-8 Camera cu palete cu ax orizontal perpendicular pe directia de curgere [35]
Apa
brutaSpre
decantor
Figura 3-9 Camera de reactie cu palete cu ax vertical [35]
Din studiile efectuate pana in prezent rezulta ca aceste tipuri de camere de reactie nu
mai sunt utilizate, iar in statiile de tratare unde acestea exista, nu sunt functionale. Faptul ca
acestea sunt alcatuite dintr-un numar relativ mare de componente precum: curele, lanturi, roti
zimtate, palete, rulmenti, imbinari articulate, etc. a condus la deteriorarea mult mai rapida a
acestor obiecte tehnologice [35].
…………………………………………………………………………………………
Capitolul 2. Baze teoretice
20
3.3 Tipuri de decantoare si camere de reactie curent utilizate in statiile de tratare
3.3.1 Decantoare suspensionale
Aceste tipuri de decantoare se caracterizeaza prin faptul ca limpezirea apei se
realizeaza prin miscarea ascendenta a apei printr-un strat de suspensii format din flocoane si
mentinut in cvasi - echilibru prin miscarea ascensionala a apei sau prin agitarea mecanica.
3.3.1.1 Decantoare suspensionale cu recircularea namolului
Se bazeaza pe amestecul namolului retinut anterior cu apa bruta cu ajutorul
dispozitivelor mecanice.Au ca element tehnologic distinct, faptul ca in decantor sunt
incorporate doua zone: o zona de decantare in care namolul este separat de apa limpezita, si o
zona de amestec in care se introduc apa bruta si reactivii, unde namolul este recirculat pentru
realizarea unui proces de coagulare - floculare imbunatatit si cresterea concentratiei in
suspensii.
Din dorinta solutionarii problemelor mentionate mai sus s-a raspindit un tip special de
camere de reactie care se situeaza in afara categoriilor mentionate si anume: camere de
reactie cu recircularea namolului in care formarea flocoanelor este ajutata pe langa mijloacele
obisnuite si prin recircularea unei parti a namolului retinut in decantor, namol care joaca rol
de catalizator in procesul de coagulare-floculare [35].
De regula camera de reactie face corp comun, este inglobata organic in decantorul
suspensional asigurand pe langa avantajele constructive (compactarea si reducerea
volumului) si avantaje tehnologice (accesul usor si in conditii bune al namolului recirculat).
Forma camerei de reactie este particulara in acest caz, fiind impusa de constructia
decantorului suspensional si modul in care acesta functioneaza. In principiu fiecare tip de
decantor suspensional are o camera de reactie de forma si marime specifica.
La noi in tara au fost dezvoltate doua tipuri de camere (mai importante) dupa tipul
decantoarelor executate:
cu recirculare mecanica la decantoarele de tip Acelator, Lurgi si Sediclar;
cu recirculare hidraulica la decantoarele tip I.C.B.
Acestea au fost executate cu dimensiuni importante, pana la 2000-3000 m3/h apa
tratata, si prezinta cel putin doua avantaje importante din puncte de vedere tehologic:
- permit reglarea intensitatii de agitare functie de calitatea apei brute actionand
dispozitivul mecanic de rotire a agitatorului sau variind gradul de recirculare;
- permit folosirea la maximum a capacitatii de reactie a reactivului introdus in apa, prin
trecerea acestuia de mai multe ori in contact cu apa bruta (si deci o folosire mai
rationala a reactivilor), utilizand totodata si capacitatea de floculare a namolului
retinut anterior. Printr-o buna stapanire a dozelor de reactivi se poate obtine o calitate
foarte buna a apei, lucru dovedit in exploatare [35].
Capitolul 2. Baze teoretice
21
Jgheab colector
radial
Intrare
apa bruta
Motorul agitatorului
Prima camera de
amestec si reactie
A doua camera de
amestec si reactie
Iesire
apa decantat
Concentrator de
namol
Evacuarea namol
in exces
Golire
Agitator cu palete
Solutie
reactivSolutie
reactiv
Figura 3-10 Decantor Accelator [65]
Apa
decantata
Evacuare namol
Pod raclorMotorul
agitatorului
Camera de reactie
Intrare
apa bruta
Figura 3-11 Decantor Cyclator (Lurgi) [65]
3.3.1.2 Decantoare suspensionale cu pulsatie
Conceptul si modul de functionare al acestor decantoare se bazeaza pe urmatoarele
principii:
introducerea ciclica (intermitenta) a apei brute si a reactivilor in bazin, (acest element
creeaza conditiile corespunzatoare asigurarii flocularii suspensiilor coloidale din apa);
eliminarea dispozitivelor mecanice pentru colectarea namolului, prin utilizarea
sistemelor hidraulice (jeturi imersate) pentru evitarea depunerilor de namol in bazine.
Pulsatia reprezinta introducerea intermitenta a apei brute in bazin (timpul de
acumulare Tac = 12 - 15 sec. si timpul de lansare TL = 1/2 Tac) si asigura:
gradienti hidraulici alternativi pentru flocularea suspensiilor din apa;
formarea stratului suspensional la concentratii de 2 - 3 kg/m3 optime pentru retinerea
suspensiilor floculate din apa (stratul este similar unui filtru).
Capitolul 2. Baze teoretice
22
Decantorul Pulsator (Figura 3-12) este utilizat pentru limpezirea apelor, putând
functiona cu viteze ascensionale cuprinse intre 4,5 ÷ 5 m/h.
Apa bruta impreuna cu reactivii chimici de coagulare-floculare (saruri de Al, Fe si
adjuvanti de coagulare) este introdusa in turnul de acumulare-lansare (TAL). Aici se realizeaza
sistemul de pulsatie (introducerea intermitenta), astfel:
se extrage aerul de la partea superioara a TAL cu ajutorul pompelor de vid (intrucât
pef<patm, apa se acumuleaza in volumul hasurat pe figura);
la atingerea inaltimii h, un traductor electrorezistiv de presiune (TEP) furnizeaza un
semnal care comanda deschiderea electrovanei (EV) si pune turnul in contact cu
presiunea atmosferica.
volumul acumulat (VAC este lansat datorita sarcinii h, in bazin, prin sistemul de
lansare apa, SLA);
durata ciclului este data de insumarea timpilor de acumulare si lansare; timpul de
acumulare TAC este de 15 ÷ 25 s, in functie de caracteristicile de tratabilitate ale
fiecarei ape, iar timpul de lansare TL = 1/2 TAC.
Figura 3-12 Decantor Pulsator [65]
Capitolul 2. Baze teoretice
23
Apa bruta impreuna cu reactivii, introdusa in floculator, realizeaza in 12' - 15'
flocularea si aglomerarea particulelor coloidale de natura minerala si organica; aceasta se
manifesta prin cresterea permanenta a concentratiei in suspensii si prin marirea particulelor
aglomerate pâna la dimensiuni de ordinul milimetrilor. Namolul in exces se evacueaza prin
deschiderea sistemului hidraulic de golire a concentratorului de namol, datorita diferentei de
concentratie.
3.3.2 Decantoare lamelare
3.3.2.1 Decantoare in curent incrucisat
Aceste decantoare fac parte din categoria decantoarelor cu module lamelare in curent
incrucisat. Conceptia acestei tehnologii are la baza urmatoarele:
asigurarea proceselor de coagulare - floculare in compartimente de reactie
rapida si floculare in amonte de decantorul propriu - zis; procesele de coagulare -
floculare sunt controlate prin gradienti hidraulici, de timp si concentratie suspensii
functie de complexul de calitate al apei brute; gradientii sunt asigurati prin
functionarea cu turatie variabila a electroagitatoarelor iar concentratia in suspensii
prin recircularea namolului din concentratorul de namol;
un decantor lamelar format din lamele amplasate la un unghi de 52° fata de
orizontala; alimentarea modulelor lamelare se realizeaza din canale de forma literei
H sectiunile laterale ale acestora, in lamele fiind asigurata miscarea laminara;
incarcarea hidraulica pe suprafata proiectata pe orizontala a lamelelor este de 1
m3/h.m
2; decantorul dispune de un sistem de control riguros al debitului intrucât
asigura incarcarea uniforma si independenta a fiecarei lamele prin prelungirea
lamelelor deasupra muchiei de deversare a jgheabului de colectare a apei;
namolul retinut in lamele curge la partea inferioara intr-un concentrator de
namol cu un volum de 700 m3; in concentrator se asigura cresterea concentratiei in
suspensii a namolului retinut pâna la valori de 50 - 70 Kg s.u./m3.
Avantajele tehnologiei pot fi sintetizate astfel:
rezolva intr-o constructie unitara integral procesul de sedimentare (coagulare -
floculare + retinere - sedimentare stadiul I + concentrare namol);
dispune de sisteme tehnologice performante care se adapteaza automat la
variatiile calitative ale apei sursei.
Dezavantajul acestei tehnologii este dat de complexitatea tehnica in realizarea
elementelor H prefabricate care servesc la colectarea apei decantate si distributia apei brute
floculate si intre care se monteaza modulele lamelare; utilizarea jgheaburilor H din otel inox
rezolva aceasta dificultate.
Capitolul 2. Baze teoretice
24
Figura 3-13 Decantor cu modul lamelar in curent incrucisat [65]
1. Camera de reactie rapida; 2. Camera de reactie lenta; 3. Modul lamelar in curent incrucisat; 4. Pod raclor; 5. Pompe recirculare namol; 6. Jgheaburi colectare apa decantata; 7. Canal by-pass decantor; 8. Conducta apa
bruta; AB-Apa bruta; AD-Apa decantata.
Capitolul 2. Baze teoretice
25
Figura 3-14 Camere de reactie lenta, Ggaba III, Uganda [37]
Figura 3-15 Decantor lamelar- Ggaba III, Uganda. [37]
(stanga – sistem admisie apa bruta; dreapta – apa bruta cu turbulenta ridicata in prima parte a decantorului
lamelar datorita lipsei unor deflectori)
Capitolul 2. Baze teoretice
26
3.3.2.2 Decantoare tip Actiflo
Actiflo este un tip de decantor cu capacitate ridicata de decantare a particulelor si este
exclusiv realizat si patentat de catre Veolia Water Technologies. In prezent acest tip de
decantor functionareaza in peste 800 de statii de tratare si epurare din lumea intreaga, cu o
vechime de implementare de peste 20 ani.
Decantor Actiflo se preteaza atat surselor de suprafata, cat si celor subterane, avand
rezultate ridicate ale calitatii apei decantate. Acesta este ideal in procesele de tratare ce
intampina probleme precum:
- surse de apa cu fluctuatii rapide ale calitatii apei brute;
- turbiditate ridicata sau scazuta a apelor din rauri;
- surse de apa cu temperatura ridicata a apei sau izvoare cu temperatura foarte scazuta a
apei (0oC);
- surse salmastre si/sau apa din mare;
- recircularea apei de la spalarea filtrelor.
Aceasta instalatie are la baza realizarea conditiilor care asigura o decantare rapida si
de buna calitate si anume:
- marirea vitezei de sedimentare prin marirea densitatii particulelor conform ecuatiei lui
Stokes;
- schimbarea proprietatii suprafetei particulelor sau marirea cantitatii de particule
conform teoriei Smoluchowschi cu influenta pozitiva asupra procesului de coagulare -
fioculare;
- adaugarea de noi particule in sistem, perturbarea gradului de dispersare initial si
transformarea acestuia intr-un sistem grosier convenabil pentru decantare.
Plecand de la aceste observatii, in instalatiile "Actiflo" se adauga o incarcatura
minerala de nisip de cuart de 3 g/dm3 de apa cu o suprafata specifica de 200 cm
2/g, formand
astfel o suspensie artificiala usor separabila prin decantare.
…………………………………………………………………………………………..
Figura 3-16 Decantor Actiflo. [61]
Capitolul 2. Baze teoretice
27
Apa bruta cu reactivii si microgranulele de nisip cu o granulozitate de 20-100 µm este
introdusa in camera de reactie unde flocoanele care se formeaza adera la microgranulele de
nisip, fiind "lestate" de acesta, ceea ce conduce la o ameliorare considerabila a vitezei de
separare (care este egala cu viteza de cadere a granulelor de cuart).
Instalatia are posibilitatea de recirculare a nisipului care este evacuat pe la partea
inferioara si cu ajutorul unor pompe este trimis la o instalatie de hidrocicloane, care face
separarea nisipului de impuritati, acesta fiind introdus din nou in circuit. Pierderile de nisip
sunt de cca 2 g/m3 apa, iar pierderile de apa intre 4 si 9% din apa bruta, in functie de
turbiditatea acesteia.
Instalatia "Ciclofloc" permite reducerea dozei de reactivi cu 30%, reducerea timpului
de reactie la 10 minute si, prin formarea la partea inferioara a unui pat fluidizat, cresterea
vitezei ascensionale in decantor pana la 2 mm/s, paralel cu reducerea timpului total de
retentie la 45 de minute. Aceasta tehnologie este deosebit de eficienta in tratarea apei brute
din sursele de suprafata in perioadele de explozie algala, ce induc gust si miros neplacut apei
potabile. Totodata sunt utilizate pentru recuperarea/recircularea apei provenita de la spalarea
filtrelor, cu scopul de a reduce pierderile de apa si implicit a costurilor de operare [35].
3.4 Mixere statice
O categorie aparte este reprezentata de mixerele statice care nu sunt extrem de folosite
in domeniul tratarii apei, dar care pot reprezenta o solutie in anumite situatii. Mixerele statice
sunt in general utilizate in industria petroliera, industria chimica, industria alimentara,
industria farmaceutica.
Acestea prezinta marele avantaj de a putea fi montate in mod direct pe conducte. Dupa
cum se poate observa in Figura 3-17 dozarea reactivilor se poate realiza in aval de pozitia
mixerului static, curgerea laminara din conducta fiind transformata intr-o curgere turbulenta,
conferind astfel posibilitatea unei mai bune reactii a adjuvantilor in apa.
Figura 3-17 Mixer static. Schema mixer static. [85]
In cadrul procesului de tratare mixerele statice pot veni in ajutorul camerelor de reactie
folosite in prezent si in anumite situatii pot chiar inlocui camerele de reactie. Mai exact in
cazul surselor de apa bruta care inregistreaza permanent valori scazute ale turbiditatii, aceste
mixere pot fi utilizate, fiind urmate de o treapta de filtrare.
Capitolul 4. Cercetari experimentale pe instalatii pilot
28
4 CERCETARI EXPERIMENTALE PE INSTALATII PILOT
4.1 Descrierea instalatiei pilot
In prezentul studiu de cercetare s-a urmarit determinarea eficientei camerelor de reactie
prevazute cu agitatoare mecanice prin masurarea energiei disipate in interiorul camerei.
Energia disipata astfel in camera de reactie indica gradientul de viteza pe care o anumita
camera il prezinta si totodata cat de eficient este acest obiect tehnologic in cadrul procesului
de tratare.
Pentru a putea determina acest parametru (gradientul de viteza) a fost necesara
confectionarea unei camere de reactie pilot (Figura 4-1) care sa poata simula fenomenele ce
au loc in interiorul unei camere de reactie cu agitare mecanica. Camera de reactie pilot nu
este nimic altceva decat un obiect tehnologic la o scara redusa care sa permita observarea
indeaproape a proceselor reale.
Astfel ca, in cadrul Laboratorului Colentina, al Universitatii Tehnice de Constructii
Bucuresti, s-a confectionat o camera de reactie pilot echipata cu un agitator mecanic cu
scopul realizarii de masuratori ale energiei disipate in interiorul camerei.
Figura 4-1 Camera de reactie pilot (Laborator Colentina,UTCB)
Pentru determinarea randamentului camerei de reactie pilot s-a utilizat un echipament
de masura de tip Yatesmeter ce confera uilizatorului posibilitatea de a masura diferenta de
temperatura dintre doua puncte cu o precizie ridicata. Acest echipament este dotat cu doi
traductori de temperatura prin intermediul carora se poate determina diferenta de temperatura.
Capitolul 4. Cercetari experimentale pe instalatii pilot
29
S-a plecat de la principiul ca prin miscarea de rotatie pe care elicea agitatorului
mecanic o aplica volumului de apa din interiorul camerei, combinat cu ciocnirile dintre
particule, temperatura apei vehiculate va avea tendinta de a creste pana la o valoare constanta.
Iar prin masurarea instantanee a diferentei de temperatura dintre intrarea si iesirea apei din
camera, se poate obtine o diferenta de temperatura specifica camerei de reactie pilot, functie
de un debit constant, respectiv turatie constanta.
Odata masurata aceasta diferenta de temperatura poate fi modelata matematic pentru a
obtine randamentul camerei de reactie pilot. Acest randament al camerei indica defapt care
este procentul de energie consumat de motorul electric, cu care verificam daca se respecta
gradientul de viteza necesar in interiorul camerei de reactie pentru realizarea proceselor de
coagulare-floculare.
Pentru realizarea studiului s-au realizat mai multe seturi de masuratori prin
intermediul carora s-au facut o serie de observatii, urmate de ajustari, toate cu scopul unei cat
mai bune calibrari a camerei de reactie pilot. S-a pus accent pe izolarea termica a camerei cat
si pe masuratorile diferentei de temperatura realizate de echipamentul Yatesmeter.
In final s-au realizat masuratori ale randamentului camerei de reactie pentru trei
conformatii ale camerei.
Pentru a putea compara rezultatele obtinute, o dimensionare prealabila a camerei de
reactie a fost necesara, astfel incat sa se cunoasca debitele pe care camera este capabila sa le
vehiculeze, cat si puterea efectiva a motorului electric cu care trebuie sa fie echipata camera
de reactie pilot.
In cadrul acestui subcapitol este descrisa dimensionarea camerei de reactie pilot, cat si
echipamentele cu care aceasta a fost dotata (motor electric, variator de frecventa,
Yatesmeter).
4.2 Modul de lucru
Pentru relizarea masuratorilor in vederea determinarii energiei disipate in interiorul
camerei de reactie a fost necesara stocarea unui volum de 6 m3 de apa care a fost lasat timp
de cateva zile sa isi stabilizeze temperatura. Apa utilizata in cadrul prezentului studiu de
cercetare a fost apa potabila din reteaua de distributie a municipiului Bucuresti.
Trebuie precizat ca in faza de calibrare a camerei de reactie s-au realizat masuratori ale
diferentei de temperatura utilizand in mod direct apa de la robinet, insa datorita fluctuatiilor
bruste si de peste zi ale apei (11oC – 22.4
oC), echipamentul Yatesmeter nu reusea sa realizeze
citiri ale diferentei de temperatura.
Prin stocarea volumului de apa temperatura apei a inregistrat valori constante de
17.6oC, respectiv 14.6
oC, pe parcursul perioadei de realizare a masuratorilor. Din bazinul de
stabilizarea a temperaturii (stocare) apa a fost pompata pana la intrarea in camera de reactie,
iar de la intrarea curgerea in interiorul camerei s-a realizat cu nivel liber. Pe conducta prin
care s-a pompat apa pana la camera, s-a montat un debitmetru de tip rotametru, cu rolul de a
regla si fixa un debit constant.
Tot pe parcursul perioadei de calibrare s-a observat ca pentru realizarea unor masuratori
corecte este nevoie de un timp de 3-4 ore (aferent unui debit) pentru stabilizarea temperaturii
apei in interiorul camerei de reactie pilot.
In prezentul studiu de cercetare s-au realizat masuratori ale diferentei de temperatura in
vederea determinatii eficientei pentru 3 cicluri experimentale:
Capitolul 4. Cercetari experimentale pe instalatii pilot
30
Ciclul experimental Nr. 1 - a fost reprezentat de camera de reactie pilot fara ca
acesteia sa i se aplice masuri de optimizare.
Ciclul experimental Nr. 2 - pentru a putea compara rezultatele obtinute pe camera de
reactie pilot si cu scopul de a optimiza randamentul acestui obiect tehnologic, s-a redus
volumul camerei pastrandu-se constanta turatia agitatorului mecanic. Reducerea volumului
camerei de reactie pilot s-a realizat prin aplicarea la interior pe toate laturile a unui strat
(polistiren expandat) cu grosimea de 2 cm .
Ciclul experimental Nr. 3 - o a doua masura de optimizare a camerei a constat in
montarea la interior a 4 deflectori. Acesti deflectori au o latime de 5 cm si au fost pozitionati
pe laturile camerei, cu rolul de a spori numarul de ciocniri al particulelor din volumului de
apa.
Modificarile propuse au avut ca scop principal gasirea unor solutii simplu de realizat,
care sa nu implice costuri importante in eventualitatea aplicarii unor situatii reale. In timp
parametrii de calitate ai apei brute s-au modificat, drept urmare specialistii in domeniu trebuie
sa gaseasca in permanenta solutii de optimizare a obiectelor tehnologice din statiile de tratare.
4.3 Interpretarea rezultatelor
Pentru prezentarea rezultatele obtinute si pentru a putea observa cresterea eficientei
camerei de reactie in urma aplicarii celor doua masuri de optimizare, s-au realizat
urmatoarele grafice care reflecta puterea consumata si disipata in camera, respectiv
randamentul pentru fiecare dintre cele 3 cicluri experimentale ale camerei de reactie pilot.
Graficul 4-1 Graficul puterilor disipate in camera de reactie pilot functie de debitul vehiculat