Προεπεξεργασία Υγρών Αποβλήτων (σχάρισμα, εξισορρόπηση παροχής, αμμοσυλλογή, λιποδιαχωρισμός)

Προεπεξεργασία Υγρών Αποβλήτων (σχάρισμα, εξισορρόπηση παροχής, αμμοσυλλογή, λιποδιαχωρισμός)

ΠΡΟΕΠΕΞΕΡΓΑΣΙΑ ΑΣΤΙΚΩΝ ΥΓΡΩΝ ΑΠΟΒΛΗΤΩΝ

Με την προεπεξεργασία στοχεύουμε να προστατεύσουμε τις κυρίως διεργασίες της μονάδας από ορισμένα χαρακτηριστικά των αποβλήτων που ενδέχεται να δημιουργήσουν πρόβλημα στη λειτουργία τους Οι διεργασίες αυτές είναι: Σχάρισμα Αμμοσυλλογή Λιποσυλλογή Εξισορρόπηση Παροχής

Eξισορρόπηση Παροχής στοχεύει στην εξομάλυνση της παροχής, η οποία τυπικά είναι περιοδική

Διακυμάνσεις Παροχής των Αστικών Yγρών Aποβλήτων

Συντελεστής μέγιστης παροχής (ΣMΠ) = (μέγιστη ωριαία παροχή)/ (μέση ημερήσια παροχή)

Για πληθυσμιακό ισοδύναμο μεταξύ 5.000 και 20.000 κατοίκων ο ΣΜΠ προσεφφίζεται από τη σχέση: c P 1,5 2,5 Q ave

Χρόνος, ώρες Μέση παροχή, L/s 0-1 275 1-2 221 2-3 164 3-4 130 4-5 105 5-6 99.1 6-7 119 7-8 204 8-9 353 9-10 410 10-11 426 11-12 430 12-1 426 1-2 405 2-3 385 3-4 351 4-5 325 5-6 325 6-7 328 7-8 365 8-9 399 9-10 399 10-11 379 11-12 345

για να βρούμε τον απαιτούμενο όγκο της δεξαμενής εξισορρόπησης, κατασκευάζουμε το διάγραμμα του όγκου αποβλήτου που έχει δεχθεί η μονάδα, από κάποια δεδομένη χρονική στιγμή για ένα εικοσιτετράωρο

24 Q i 1 Q i 24 ή 24 0 Q( ) d 24 ΔVmin

24 Q i 1 Q i 24 ή 24 0 Q( ) d 24 ΔVmax ΔVmin

Μεταβολή συγκέντρωσης 1 1 1 1 1. i i i i i fi i i i i fi i V t Q V C t Q C V t Q V C t Q C C 1 1 i i i i i i fi V C V C t Q C t Q C t Q t Q V V i i i 1 V 0 =C 0 =0 Δt=1h V i-1, C i-1 V i, C i Q i, C fi Q, C i Αναδρομική σχέση

Ειδική περίπτωση σταθερή παροχή Q V Q C i C fi t t C i1 1) Μεγάλο τ τείνει σε εξομάλυνση C i =C i-1 2) τ=0 καμία εξομάλυνση C i =C fi

Συντελεστής αιχμής έ ή PF ά ή ύ ύ έ έ

Άσκηση Διατίθενται τα ακόλουθα δεδομένα ενός πλήρους 24-ώρου για ένα απόβλητο. Να υπολογισθεί ο απαιτούμενος όγκος της δεξαμενής εξισορρόπησης παροχής, η μέση παροχή εξόδου καθώς και η συγκέντρωση στην έξοδό της.

Χρόνος, ώρες Μέση παροχή, L/s Μέση συγκέντρωση εισόδου, BOD 5 mg/l 0-1 275 150 1-2 221 115 2-3 164 75 3-4 130 50 4-5 105 45 5-6 99,1 60 6-7 119 90 7-8 204 130 8-9 353 175 9-10 410 200 10-11 426 215 11-12 430 220 12-1 426 220 1-2 405 210 2-3 385 200 3-4 351 190 4-5 325 180 5-6 325 170 6-7 328 175 7-8 365 210 8-9 399 280 9-10 399 305 10-11 379 245 11-12 345 180

Η μέση παροχή εξόδου θα είναι Q 26.524.800 24 1.105.200 L / h 307 L / s

χρόνος Q, L/s Q, m 3 /h Vtot, m 3 Vtank, m 3 0 0-1 275 990 990 3985 1-2 221 796 1786 3673 2-3 164 590 2376 3158 3-4 130 468 2844 2522 4-5 105 378 3222 1794 5-6 99,1 357 3579 1044 6-7 119 428 4007 368 7-8 204 734 4741 0 8-9 354 1274 6012 169 9-10 410 1476 7488 540 10-11 425 1530 9022 965 11-12 430 1548 10570 1407 12-13 425 1530 12104 1831 13-14 405 1458 13562 2182 14-15 385 1386 14948 2465 15-16 351 1264 16212 2621 16-17 325 1170 17382 2689 17-18 325 1170 18552 2754 18-19 328 1181 19733 2830 19-20 365 1314 21047 3039 20-21 399 1436 22483 3371 21-22 399 1436 23919 3702 22-23 379 1364 25283 3962 23-24 345 1242 26525 4101

συνολικός όγκος, m3 30000 25000 20000 15000 10000 5000 0 0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24 χρόνος, ώρες

Διαπιστώνουμε ότι η μεγαλύτερη διαφορά εμφανίζεται στις 8 ώρες από την αρχή. Θα είναι δε: V 3 9.200.000 5.000.000 L 4.200.000 L 4.200 m Ο υπολογισμός της συγκέντρωσης εξόδου θα γίνει με βάση την αναδρομική σχέση. Αρχή των υπολογισμών θα είναι η χρονική στιγμή που η δεξαμενή θα είναι εντελώς άδεια, δηλαδή, σύμφωνα με το διάγραμμα την αρχή της 9ης ώρας. Στο τέλος της 9ης ώρας θα είναι: C 9 353 L /s 3600 s 175 mg / l 353 L /s 3600 s 175 mg / L στο τέλος της 10ης ώρας θα είναι C 10 410 L /s 3600 s 200 mg / l 169000 L 175 mg / L 169000 L 410 L /s 3600 s 197 mg / L

t, h Cin, mg/l Cout, mg/l 1 150 214 2 115 196 3 75 179 4 50 162 5 45 147 6 60 132 7 90 119 8 130 126 9 175 175 10 200 197 11 215 210 12 220 216 13 220 218 14 210 214 15 200 209 16 190 203 17 180 196 18 170 188 19 175 184 20 210 192 21 280 220 22 305 245 23 245 245 24 180 230

350 300 250 BOD 5 200 150 100 είσοδος έξοδος 50 0 0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24 χρόνος, h 305 245 PFό 6,8 PF 2, 1 45 ό 119

Oι σχάρες (bar racks) στοχεύουν στην απομάκρυνση των χονδρών στερεών. H βασική παράμετρος σχεδιασμού είναι το μέγεθος των διάκενων της σχάρας, σύμφωνα με το οποίο τις διακρίνουμε σε χονδρές και λεπτές Σχάρισμα

H ταχύτητα ροής στο κανάλι της σχάρας πρέπει να είναι μεγαλύτερη από 0,4 m/s, ώστε να μη γίνεται εναπόθεση στερεών ταχύτητα ροής στα διάκενα πρέπει να είναι μικρότερη από 0,6-1,2 m/s στη μέγιστη παροχή για να μη παρασύρονται τα συγκρατούμενα στερεά.

Oι ράβδοι έχουν τυπικά: πλάτος 5-20 mm βάθος 25-75 mm διάκενα 25-50 mm. H ταχύτητα προσαγωγής και ροής (v) στο κανάλι ανάντη της σχάρας είναι ενδεικτικά μεταξύ 0,4 και 0,6m/s για αποφυγή εναπόθεσης στερεών. Η ταχύτητα ροής στα διάκενα δεν πρέπει να υπερβαίνει τα 1,2m/s. Tο κανάλι έχει πλάτος 0,6-2 m και βάθος όχι πάνω από 0,4 m. Μια σχάρα με αυτές τις προδιαγραφές είναι κατάλληλη για πληθυσμιακό ισοδύναμο μέχρι 20.000. Για παραπάνω έχουμε πολλαπλά κανάλια σχάρας

Επιλέγουμε το πάχος δ των διακένων της σχάρας και το πλάτος d της ράβδου, οπότε υπολογίζουμε το κλάσμα διέλευσης f: f d Επιλέγουμε την ταχύτητα ροής v στο κανάλι. Τότε η απαιτούμενη επιφάνεια ροής είναι: A Q v f max c όπου v η ταχύτητα ροής στο κανάλι και c συντελεστής με τιμή 0,1-0,3 για απλές σχάρες και 0,4-0,5 για αυτόματες μηχανικές σχάρες. Επιλέγουμε το βάθος ροής h, οπότε το απαιτούμενο πλάτος είναι : W A h Αν η σχάρα έχει κλίση γωνίας φ ως προς τξν οριζόντιο, τότε το απαιτούμενο μήκος των ράβδων L είναι: L h

Η ταχύτητα ροής στα διάκενα πρέπει να μην υπερβαίνει τα 1,2 m/s v διακ v f Η υδραυλική απώλεια (πτώση πίεσης ΔP) δια μέσου της σχάρας σε m P d 2,34 4 3 2 v 2g ημφ δίδεται από την σχέση:

Εναλλακτικά: P 1 0,7 V 2 2 g v 2 V η ταχύτητα του ρευστού στα διάκενα, m/s vδιακ η ταχύτητα του ρευστού στο κανάλι, m/s g η επιτάχυνση της βαρύτητας, m/s 2 0,7 εμπειρικός συντελεστής (τύρβες και απώλειες)

Άσκηση Σχεδιάστε απλή σχάρα για πληθυσμιακό ισοδύναμο 10.000 κατοίκων (υποθέσατε 200L/(κάτοικο d))

Αμμοσυλλογή (Εξάμμωση) H μονάδα αυτή στοχεύει στην απομάκρυνση σωματιδίων διαμέτρου μεγαλύτερης από 200 μm. H αμμοσυλλογή γίνεται σε δεξαμενές-αμμοσυλλέκτες που βασίζονται στην καθίζηση H άμμος τυπικά έχει: διάμετρο d=0,200 mm και ειδική βαρύτητα s=2,65, για την οποία αρκεί να εξασφαλισθεί μέγιστη επιφανειακή φόρτιση Q/Α 0,022 m/s. H ταχύτητα ροής μπορεί να σχεδιαστεί να είναι 0,30 m/s.

Τύποι Καθίζησης (α) καθίζηση διακεκριμένων σωματιδίων (τύπος I), όπου τα σωματίδια καθιζάνουν χωρίς αλληλεπίδραση με ταχύτητα ανεξάρτητη της συγκέντρωσης στερεών, (β) καθίζηση με συσσωμάτωση (τύπος II), όπου η ταχύτητα καθίζησης εξαρτάται από την συγκέντρωση των στερεών, (γ) παρεμποδιζόμενη καθίζηση (τύπος III), όπου ισχυρή συσσωμάτωση οδηγεί σε καθιζάνον στρώμα (καθίζηση κατά ζώνας), και (δ) πύκνωση (τύπος IV), όπου το στρώμα των στερεών συμπυκνούται.

Kαθίζηση τύπου I Tα σωματίδια αποκτούν τελική ταχύτητα vc την οποία βρίσκουμε εξισορροπώντας τις ασκούμενες δυνάμεις. H πρώτη δύναμη F 1 είναι η δύναμη που ασκείται από το πεδίο βαρύτητας και δίνεται από την εξίσωση: π F g V g d 1 (ρ σ ρ) (ρ σ ρ) 6 H δύναμη αυτή εξισορροπείται από την οπισθέλκουσα F 2 : 3 2 CD A ρ vc 2 F2 CD π d ρ v 2 όπου A επιφάνεια προβολής (=πd2), CD συντελεστής τριβής 2 c /8 d ρσ ρ V v c η διάμετρος του σωματιδίου πυκνότητα στερεού πυκνότητα υγρού όγκος σωματιδίου (=πd3/6) ταχύτητα σωματιδίου

Eξισώνοντας τις δυνάμεις F1 και F2: 3 d 2 2 4 g ( ρ ) σ ρw d ( ρσ ρw ) g CD π d ρw vc vc 6 3 C D ρw H εξίσωση αυτή ονομάζεται νόμος του Nεύτωνα και αφορά σφαιρικά σωματίδια. O συντελεστής τριβής εξαρτάται από τον αριθμό Reynolds ( Re σύμφωνα με το Σχήμα, όπου μ το ιξώδες. dvρ μ 1/ 2 dv )

24 3 Για Re<104 (στρωτή ροή) ισχύει η σχέση: C D 0, 34 Re Re Για Re<0,3 ο πρώτος όρος υπερισχύει οπότε, C D 24μ dvρ Aντικαθιστώντας έχουμε: v c = g ( ρ σ ρ) 18μ d 2 H εξίσωση αυτή ονομάζεται νόμος του Stokes. Προβλέπει ότι η ταχύτητα καθίζησης είναι ανάλογη του τετραγώνου της διαμέτρου του σωματιδίου.

Εξάρτηση πυκνότητας και κινηματικού ιξώδους του νερού από τη θερμοκρασία w 1.006,63exp 0,00014 1,8 T 32 2 5 0,17487 0,004427T 0,0000405T 10 όπου ρ w σε kg/m 3, ν σε m 2 /s και Τ σε o C

Στο σχεδιασμό δεξαμενών καθίζησης για αμμοσυλλογή, η συνήθης διαδικασία είναι η επιλογή κάποιου σωματιδίου με τελική ταχύτητα vc (που αντιστοιχεί σε κάποια διάμετρο d) και ο σχεδιασμός της δεξαμενής γίνεται ούτως ώστε όλα τα σωματίδια με ταχύτητα μεγαλύτερη από vc να απομακρυνθούν. O ρυθμός παροχής "καθαρού" νερού (νερού που περιέχει σωματίδια διαμέτρου μικρότερης από d) είναι τότε Q A v c v c Q A όπου A επιφάνεια δεξαμενής, vc ταχύτητα καθίζησης Aπό αυτή τη σχέση βλέπουμε ότι για την καθίζηση τύπου I, η ταχύτητα καθίζησης δεν εξαρτάται από το βάθος της δεξαμενής, αλλά μόνο από την επιφανειακή φόρτιση (Q/A).

0 4 8 12 16 20

Όλα τα σωματίδια με v p >vc θα απομακρυνθούν. Oλα τα σωματίδια με vp<vc θα απομακρυνθούν κατά κλάσμα v p x r. vc Tο συνολικό κλάσμα των σωματιδίων που θα απομακρυνθούν δίνεται από την εξίσωση: X a 1 X c x c v v p 0 c dx όπου 1-Xc κλάσμα σωματιδίων με Vp>Vc (όλα αφαιρούνται) v v p c κλάσμα αφαιρούμενων σωματιδίων με vp<vc

Aν Q είναι η παροχή στην δεξαμενή, W το πλάτος και H το βάθος, τότε η οριζόντια ταχύτητα είναι U Q WH Tότε ο χρόνος παραμονής στον αμμοσυλλέκτη είναι: H v c L U LWH Q εξ' ου v c Q LW H εξίσωση ουσιαστικά σημαίνει ότι η ταχύτητα καθίζησης ισούται με την επιφανειακή φόρτιση (παροχή ανά μονάδα επιφανείας) στον αμμοσυλλέκτη, και είναι ανεξάρτητη του βάθους του καναλιού.

Σχεδιασμός αμμοσυλλέκτη Τους αμμοσυλλέκτες συνήθως σχεδιάζουμε έτσι, ώστε να έχουν σταθερή ταχύτητα ροής (οριζόντια ταχύτητα).

Aναλογικός υπερχειλιστής Tο σχήμα της διατομής είναι αυτό που εξασφαλίζει σταθερή οριζόντια ταχύτητα ανεξάρτητα από το βάθος ροής όταν το κανάλι του αμμοσυλλέκτη είναι ορθογώνιας διατομής. H απόσταση h' δίνεται από την σχέση: h h 2α 3 και το πλάτος ροής l (που καθορίζεται από το σχήμα της καμπύλης της διατομής) δίνεται από τη σχέση (Σχήμα): l b 2 1 180 τοξεφ h α 1 / 2

H παροχή είναι Q c b h 2gα όπου c σταθερά 0,62. H οριζόντια ταχύτητα δίνεται τότε από τη σχέση: V Q c b h g A 2 α hw c b W 2 g α όπου A' εμβαδόν διατομής του ορθογώνιου καναλιού του αμμοσυλλέκτη. Παρατηρούμε ότι όντως η οριζόντια ταχύτητα είναι ανεξάρτητη του βάθους ροής h! Eπιλέγεται το α οπότε η διάσταση b δίνεται από την σχέση: Qmax V W b c hmax 2gα c 2gα

Διαδικασία σχεδιασμού (α) Eπιλέγεται το πλάτος του καναλιού W. (β) Yπολογίζεται, από την μέγιστη παροχή Q max το μέγιστο ύψος ροής h max για οριζόντια ταχύτητα v=0,3 m/s. Tο βάθος H του εξαμμωτή λαμβάνεται για ασφάλεια ίσο με 2h max. (γ) Eυρίσκεται η επιφάνεια του εξαμμωτή που αντιστοιχεί στη σωστή επιφανειακή φόρτιση: Kατασκευάζεται αρχικά καμπύλη καθίζησης, που προκύπτει από πειραματική στήλη καθίζησης βάθους 1,5 m. Mετά από αρχική ανάδευση, προσδιορίζεται η συγκέντρωση των στερεών στον βυθό σε τακτά χρονικά διαστήματα και εξ αυτής, το κλάσμα των στερεών που παραμένουν σε αιώρηση.

Tυπικά αποτελέσματα από πείραμα καθίζησης Xρόνος καθίζησης (t,min) Tαχύτητα v=h/t (m/h) Kλάσμα σωματιδίων* που παραμένουν στην αιώρηση 5 18 0,96 10 9 0,85 15 6 0,63 20 4,5 0,48 25 3,6 0,31 30 3 0,22 50 1,8 0,10

Aκολούθως κατασκευάζεται η καμπύλη που δίνεται σχηματικά στην Eικόνα. Για κάποια επιφανειακή φόρτιση vc=q/a, το κλάσμα των σωματιδίων που απομακρύνονται δίνονται από την εξίσωση: X a 1 X c 1 v c X c 0 v p dx Tο ολοκλήρωμα στην σχέση ισούται με το εμβαδόν της σκιασμένης επιφάνειας της Eικόνας.

Eπαναλαμβάνεται αυτός ο υπολογισμός για διάφορες τιμές vc και κατασκευάζεται η καμπύλη Xa ως προς vc Για κάποιο επιθυμητό ποσοστό απομάκρυνσης, προσδιορίζεται από το διάγραμμα η επιθυμητή επιφανειακή φόρτιση vc. Συνήθως, μας ενδιαφέρει στους αμμοσυλλέκτες απομάκρυνση σωματιδίων διαμέτρου μεγαλύτερης από 0,2 mm και ειδικού βάρους s=2,65 οπότε η επιφανειακή φόρτιση είναι 1900 m3/m2d=0,022 m/s.

Aπό την μέγιστη παροχή Qmax υπολογίζεται η απαιτούμενη επιφάνεια A Q v max (δ) Eυρίσκεται το μήκος του εξαμμωτή L α A W όπου, α συντελεστής ασφάλειας 1-1,5. (ε) Σχεδιάζεται ο υπερχειλιστής ή το αυλάκι Parshall που θα δώσει σταθερά οριζόντια ταχύτητα ίση με 0,3 m/s. c

Άσκηση Να σχεδιασθεί εξαμμωτής σταθερής ταχύτητας (ώστε να απομακρυνθεί όλη η άμμος) με τα εξής δεδομένα Παροχές : Q max = 60.000 m 3 /d Q ave = 30.000» Q min = 12.000» Χαρακτηριστικά άμμου : d = 0,20 mm v ps = 0,022 m/s (υπολογισμένη θεωρητικά από Stokes). Ταχύτητα ροής στον εξαμμωτή v αποβλ = 0,30 m/s Ο εξαμμωτής θα αποτελείται από τρία κανάλια που θα δέχονται το 1/3 της παροχής το κάθε ένα. Να ελεγχθεί η περίπτωση να μη λειτουργεί το ένα κανάλι.

Άσκηση Έχουμε ένα απόβλητο που περιέχει άμμο με την ακόλουθη κατανομή %, w/w 3 8 10 14 11 9 45 v p, m/min 0,15 0,23 0,30 0,60 1,5 3,0 3+ Να υπολογισθεί το ποσοστό της άμμου που θα απομακρυνθεί για επιφανειακή φόρτιση 4.000 m 3 /m 2 /d.

% σωματίδια σε αιώρηση 60 50 40 30 20 10 0 0 0.5 1 1.5 2 2.5 3 3.5 v p, m/min

Λιποσυλλογή με επίπλευση με αέρα, με υπερδιήθηση, με βαρύτητα.

Λιποσυλλογή βαρύτητας συχνά απαιτείται μετά την αμμοσυλλογή Oι λιποσυλλέκτες είναι απλές δεξαμενές οριζόντιας ροής και ορθογωνικής διατομής όπως οι εξαμμωτές με σταθερή ταχύτητα ροής τυπικού χρόνου παραμονής 3-5 min Ο σχεδιασμός είναι αντίστοιχος με τη μόνη διαφορά ότι τα «σωματίδια» αντί να καθιζάνουν συγκεντρώνονται στην επιφάνεια. Tα λίπη ως ελαφρότερα συλλέγονται στην επιφάνεια, η δε εκροή του (απαλλαγμένου από το λίπος) νερού γίνεται από σημείο σε αρκετό βάθος

Ο σχεδιασμός των λιποδιαχωριστών βαρύτητας βασίζεται στον υπολογισμό της οριακής ταχύτητας ανόδου των σταγονιδίων του λαδιού σύμφωνα με τη σχέση v oil 2 g d 18 ν Oil oil W W όπου: ν = (0,17487 0,004427 Τ + 0,0000405 T 2 ) x10-5, m 2 /s (Τ σε o C) d oil : οριακή διάμετρος σταγονιδίων ελαίου (~0,15 mm). Ο λόγος της ταχύτητας ανόδου προς την επιφανειακή φόρτιση Q/(WL) είναι ο συντελεστής ασφαλείας Οι δεξαμενές σχεδιάζονται όπως οι εξαμμωτές με βάση τις παρακάτω προδιαγραφές: - τ τουλάχιστον 3-5 min - 0,15 mm d oil - 0,9 v oil 3,6 m/h - 15 V 55 m/h (οριζόντια ταχύτητα) - 2 W 6 m - 1 H 2,5 m - 0,3 H / W 0,5-0,83 ρ oil 0,9 g/cm 3 για πετρελαιοειδή - 0,85 ρ oil 0,95 g/cm 3 για βρώσιμα λάδια

American Petroleum Institute Separator

Άσκηση Ελέγξτε αν ικανοποιούνται όλοι οι όροι σχεδιασμού μιας δεξαμενής διαχωρισμού ελαίων με διαστάσεις: πλάτος 3,048 m, βάθος 1,22m και μήκος ίσο με 15,24 m με μέγιστη τροφοδοσία αποβλήτου 2385 m 3 /d. Επίσης έχουμε ειδικό βάρος λαδιού 0,92, θερμοκρασία 60 ο F και μέγεθος σταγονιδίων 0,015 cm.