Simularea Numerica a Proceselor de Preepurare din Reteaua de Canalizare

SIMULAREA NUMERICĂ A PROCESELOR DE PREEPURARE

DIN REȚEAUA DE CANALIZARE

Pentru evitarea unei posibile contaminări, cauzate de o apă infestată, construcția sistemului de canalizare trebuie să asigure o perfectă etanșeitate, o netă separare de rețeaua de alimentare cu apă, cu care nu trebuie să vină în contact și în nici un caz să nu treacă pe deasupra ei. Este necesară asigurarea unei pante de scurgere suficiente, coturi nu prea strânse, o adâncime corespunzătoare (sub adâncimea de îngheț) iar diametrele conductelor să permită prelucrarea întregului debit, pentru a nu rezulta blocaje și refulări în exterior.

Datorită lungimilor mari de conducte, trebuie încercată aerarea pe tronsoane, deoarece modelările au arătat că valoarea maximă a concentrației este la capătul conductei. Având în vedere complexitatea constructivă a unei stații de epurare a apelor uzate, trebuie să se țină cont de toate aspectele fizico-chimice și biologice ale proceselor hidrodinamice din instalațiile de epurare, de partea constructivă și economică a acestora, având ca rezultat îmbunătățirea calității apei epurate și reducerea prețului acesteia.

Simulările numerice s-au realizat cu ajutorul programului ANSYS. Se consideră următoarele date de intrare:

viteza apei = 0.1m/s;

viteza aerului = 0.5m/s;

concentrația maximă de oxigen – 3 mg/l (0.003kg/m3);

regimul de curgere îl considerăm laminar;

fluidul dispersat cu o turbulență medie este aerul;

caracteristicile conductei: lungime 7m, diametru 0,3m;

caracteristicile geometrice ale țevilor de injecție a aerului – lungime 0,5m, diametru 0,02m, diametrul orificiului de injecție a aerului 0,002m;

distanța dintre două țevi perforate 1m.

În figurile 1 și 2 se pot observa zonele aerobe și anaerobe din rețeaua de canalizare.

Fig. 1. Variația concentrației de oxigen – vedere transversală

Fig. 2. Variația concentrației de oxigen – vedere orizontală

Fig. 3. Variația concentrației de oxigen pe adâncime

Fig. 4. Variația concentrației de oxigen pe lungimea conductei de canalizare

(se evidențiază variația concentrației de oxigen dizolvat în zonele aerobe și anaerobe)

Epurarea propriu-zisă a apelor uzate menajere se efectuează de multe ori prin intermediul eliminării micro-organismelor prezente în apă utilizănd procesul de aerare. În acest scop, apa menajeră în cauză este depozitată într-un bazin în care urmează a parcurge o staționare relativă pentru o anume perioadă de timp.

SOLUȚIE PROPUSĂ PENTRU PREEPURARE A APELOR UZATE

DIN REȚEAUA DE CANALIZARE

Când vorbim despre aerare, ne referim în principiu la procedeul de introducere a aerului sub presiune ori a oxigenului gazos în formă pură (oxigen atomic).

În cele ce urmează, se prezintă o metodă și specificațiile unor sisteme de reducere a cantității oxigenului necesar în procesul de control al particulelor solide dintr-un mediu acvatic, cât și a reducerii particulelor solide aflate în incinta bazinului de aerare.

Un procedeu de epurare al apelor uzate cuprinde introducerea suspensiilor într-un volum de apă aflat în zona de aerare, urmând procesul propriu-zis de aerare, separarea suspensiilor solide, făcându-se într-o zonă din volumul de apă eliminat, prin acumularea unui strat poros mobil. Stratul acumulat din zona menționată de aerare, se transportă într-o zonă de eliminare.

Sistemele necesare acestui tip de tratare, cuprind un bazin de aerare, care conține un strat filtrant (care servește cufundării parțiale în corpul de apă menajeră în cauză), un ecran continuu care conține pori cu o mărime medie de 20 de microni, care este ghidat prin interiorul bazinului in cauză, și care, prin contactul cu stratul filtrant, acumulează particulele solide, epurând astfel apa care trece prin el.

În procesul de tratare al apelor menajere, apa, care conține suspensii solide insolubile sau sub formă coloidală, este transportată direct către un bazin de aerare. Prin aerarea conținutului la temperatura atmosferică, ori la temperaturi mai ridicate, în scopul eliminării microorganismelor prezente, eliminarea unei cantități semnificative a necesarului de oxigen biochimic este de asemenea o consecință. În astfel de cazuri, dacă nu sunt introduse microorganisme în volumul de apă în cauză, întregul proces necesită un timp de activare extins, înainte ca eliminarea oxigenului biochimic necesar să aibă loc, iar media de eliminare al oxigenului biochimic necesar este de aproximativ 60%.

Eliminarea necesarului de oxigen biochimic se poate face și într-un mod accelerat în cazul în care apa uzată menajeră este transferată într-un bazin de aerare cît timp este amestecată cu microorganisme sub formă de nămol rezidual, reciclat dintr-un decantor. În stațiile de nămol activ, cu toate că rata oxigenării și reducerea necesarului de oxigen biochimic sunt îmbunătățite, cantitatea de nămol din incinta decantoarelor reprezintă factorul determinant al eficienței întregului proces.

Acum, s-a descoperit că, apele uzate menajere se pot procesa cu o reducere semnificativă a pierderii cantității oxigenului necesar biochimic, prin eliminarea solidelor dintr-o anume zonă a bazinului de aerare, în timp ce procesul de aerare pe suprafața totală a bazinului de aerare este continuu, iar lichidul este menținut într-un stadiu turbulent, rezultând eliminarea unei cantități de apă fără suspensii solide din bazinul de aerare, rezultând eliminarea necesității decantoarelor.

Durata de timp în care apa rămâne sub procesul de aerare este dependentă de diferiți factori, fiind cuprinsă în medie între 1-24 ore, optimul fiind atins între 1-6 ore. În ordine de preferință, apa poate fi supusă procesului de aerare până la temperaturi cuprinse între 45 și 650 Celsius.

Grosul particulelelor solide eliminate din apa menajera poate fi la rândul lui eliminat prin incinerare sau depozitare în butoaie de reziduri toxice.

Materialele pentru filtrare sunt de preferință țesăturile metalice. Cea mai utilizată este țesătura de poliester monofilament. Factorii care declară eficiența filtrelor sunt mărimea porilor filtrelor și gradul aglomerare a particulelor solide din bazinul de aerare.

În timpul procesului de aerare, având o concentrație relativ mare de particule solide, un filtru cu o dimensiune de 660×1000 cm și o mărime nominală a găurilor de 20 microni va produce, în general, o filtrare de 40-80 ppm (părți/milion) de particule solide. Un filtru cu mărimea găurilor de 10 microni, este prin urmare capabil de producerea unei filtrări cu o cantitate redusă a concentrației de particule solide.

Rata eliminării particulelor solide este controlată de o serie de factori, precum viteza trecerii apei prin filtru și volumul de apă care trece prin filtru. În principiu, eliminarea particulelor solide este limitată la greutatea totală a particulelor solide necesare pentru menținerea unei greutăți predeterminate a suspensiilor solide din bazinul de aerare. În cazul în care se produce o acumulare de particule solide în exces la filtru, acestea pot fi eliminate de pe suprafața filtrului, prin utilizare sprinklerelor ori prin curenți de apă sub presiune.

În medie, cantitatea de particule solide eliminate din conținutul unui lichid care conține o cantitate de 3300 mg/litru de particule solide este de 0,48g/mp de apă uzată, la o viteză a apei de 8,7m/minut și de 0,57g/mp la o viteză de 4,75m/minut. După ce particulele solide sunt transportate în afara bazinului de aerare, ele sunt eliminate de pe suprafața filtrului, iar ciclul reîncepe. Modul in care acestea sunt eliminate depinde de modul in care ele vor fi reciclate.

O stație de epurare cu asemenea specificații este capabilă de operații având ca scop diferite tipuri de rezultate. Ea poate, în exemplu, avea un timp de pornire mai rapid a întregului proces, în scopul reducerii pierderii necesarului de oxigen biochimic.

În Fig. 5 se prezintă o secțiune verticală a unei structuri care produce aerarea continuă, cu bazinele de curățare și un filtru continuu care străbate ambele bazine, iar în
Fig. 6 se prezintă o vedere în perspectivă a unui bazin de aerare și a unui bazin de concentrare a particulelor solide.

Fig. 5 conține un bazin (1) în care este devărsată apa menajeră prin intermediul unui canal efluent (2) care permite distribuția apei în bazin, prin intermediul unui stăvilar (3). Bazinul (1) este divizat într-un compartiment de aerare (4) și un compartiment pentru digestie (5) prin intermediul unui zid (6).

Aerarea are loc în compartimentul (4) prin introducerea aerului cu ajutorul dispersoarelor (7) pe durata a 1-3 ore. Dispersoarele (7) sunt susținute de către legăturile (8) care sunt dispuse la rândul lor pe suprafața unui filtru mobil nelimitat (9) care este în contact cu un rotor peforat (10) montat parțial scufundat. Filtrul este mecanizat prin intermediul unui motor electric care nu este inclus în schemă. Particulele solide sunt transportate către compartimentul de digestie (5) unde sunt eliminate prin măsuri ultrasonice (12). După ce particulele solide sunt eliminate, filtrul (9), este redirecționat prin intermediul unor scripeți către compartimentul de aerare (4) unde începe un nou ciclu.

Fig. 5. Secțiune verticală a unei structuri care produce aerare continuă

Când este vorba de tratarea nămolului într-un dispozitiv de tipul celui prezentat în Figura 5, având o capacitate de procesare de 6.625 litri de nămol brut pe zi, volumul de nămol apos care trebuie procesat prin intermediul unei perioade de aerare de 3 ore, necesită un bazin de aerare cu un volum de 15,24m3.

Volumul bazinului de fermentare este asemănător cu cel al bazinului de aerare, având un volum de 15,24m3, cu o lungime de 1,2m o adâncime de 1,5m și o lățime de 0,6m.

Tamburul 10 și ecranul continuu 9 care își desfășoară activitatea într-un astfel de bazin de aerarea vor avea o lățime de aprox. 0,6m.

Atunci când încărcătura de CBO este de 131kg de CBO/zi per 100m3 capacitate a bazinului de aerare, rata de introducere a aerului în amestec va fi de 4m3/minut.

Atunci când ecranul continuu este compus din monofilament de poliester, cu o țesătură de 260×400 plase/cm, dimensiunea nominală a porilor este de 20 microni, iar încărcătura de particule solide aflate ăn suspensie din bazinul de aerare este de 500mg/litru. În cele din urmă, efluentul tratat va conține 20mg/litru de CBO. Particulele solide de nămol de pe ecran pot fi înlăturate către compartimentul de fermentare 14 în cantități de 3 – 4,5 kg de particule solide uscate/zi.

În Fig. 6 se prezintă un bazin în care apa uzată este revărsată prin intermediul unui canal influent (1), care permite scurgerea într-o cisternă peste un deversor (2). Bazinul este divizat într-un compartiment de aerare (3) și un compartiment pentru acumularea particulelor solide (4) prin intermediul unui zid (5).

În această configurație, aerarea se produce prin introducerea aerului în compartiment (3), prin intermediul dispersoarelor (6), pe parcursul a două până la șase ore. Dispersoarele (6) sunt susținute de către legăturile (7) care distribuie aer de la o sursă care nu este menționată. Particulele solide se află în suspensie în compartimentul de aerare (3), sunt depozitate pe o parte a filtrului (8) care este în contact cu zona periferică a rotorului (9) care are o arie periferică perforată. Rotorul este poziționat parțial scufundat în compartimentul de aerare, pentru ca nivelul lichidului din bazinul de aerare să aibă o cotă superioară canalului de evacuare a apei epurate, în acest caz, arborele central (10) al rotorului (9) are un pasaj central axial (11) și are acces la canalele (12) care comunică cu pasajul în cauză. Arborele central (10) comunică cu un canal de evacuare (13) prin intermediul unui sigiliu rotativ (14).

Fig. 6. Vedere în perspectivă a unui bazin de aerare și a unui

bazin de concentrare a particulelor solide

În timp ce ecranul 8 iese din amestec, suprafețele care conțin particule solide intră într-o zonă de eliminare a acestora, de exemplu sprinklere de apă pentru eliminare a straturilor de particule solide. Un jet de apă este direcționat pe suprafață prin intermediul unor duze 15 care sunt atașate unei țevi de alimentare cu apă 16. Apa care este pulverizată prin duzele 15, sub presiune, dislocă particulele solide care aderă pe ecran, în final acestea fiind reintroduse în bazinul de aerare.

Duzele pot fi poziționate în a acoperi orice poziție predeterminată din lățimea ecranului. Dacă ele acoperă întreaga lățime a ecranului, atunci operațiunea lor este preferabil să fie de tip intermitent, astfel încât ecranul 8 va transporta periodic particule solide în compartimentul de acumulare 4. Particulele solide aflate pe banda ecranului în timpul submersiei acestuia în compartimentul de acumulare 4 sunt înlăturate prin intermediul unui traductor ultrasonic 17, prin intermediul vibrațiilor sonice. Schema de principiu a emițătorului de ultrasunete 17 este prezentat în fig. 7.

Ecranul mobil 8 este acționat prin intermediul unui motor mecanic, care nu este demonstrat în schemă, cu scripeți de ghidaj 18. După ce particulele solide sunt înlăturate de pe suprafața acestuia, ecranul 8 este direcționat prin intermediul acestor scripeți 18 către compartimentul de aerare 3 unde începe un nou ciclu.

Particulele solide concentrate din compartimentul 9 sunt înlăturate prin intermediul unei conducte 19.

Când este vorba de tratare a nămolului într-un dispozitiv de tipul celui prezentat în Figura 6, având o capacitate de procesare de 37.854 litri/zi de nămol brut, bazinul de aerare va avea o soluție apoasă menținută la aprox. 3000 ppm, care va fi aerată timp de 4 ore și un volum de 88m3.

Ecranul continuu din bazinul de aerare se rulează prin intermediul unui tambur care are un diametru de 1m și o lățime de aprox. 1m și poate fi spălat de particule solide timp de
40 min. din fiecare oră de aerare prin intermediul unor sprinklere care emit un jet de apă cu presiune de 11litri/min de apă decantată pe suprafața ecranului.

Atunci când încărcătura de CBO este de aprox. 45kg CBO/zi per 304m3 aerați în bazin, efluentul separat prin intermediul tamburului perforat poate fi deversat cu o rată de 1600 litri/oră și având mai puțin de 20mg/litru de CBO.

Nămolul eliminat în timpul perioadelor de 20 min. de transfer către bazinul de acumulare prin intermediul operării continue a ecranului la o viteză de 304cm/min va avea o pondere de acumulare de 0,65-0,85g/0,3m2 din suprafața ecranului.

Aceste materii solide pot fi eliminate într-un mediu apos care prin urmare este deversat într-o zonă de acumulare a particulelor solide, zonă din care 2% nămol poate fi eliminat periodic.

Fig. 7. Schema de principiu a emițătorului de ultrasunete

7.4. CONCLUZII

Metoda și specificațiile propuse prin utilizarea unor aparate de reducere a cantității oxigenului necesar în procesul de control al particulelor solide dintr-un mediu acvatic, cât și a reducerii particulelor solide aflate în incinta bazinului de aerare, a condus la următoarele concluzii:

1. Procesul de tratare a nămolului prin introducerea suspensiilor de nămol într-un mediu apos conținut într-o zonă de aerare, constă în separarea particulele solide din acesta prin intermediul unei suprafețe poroase mobile, care le transportă din zona de aerare către o zonă de procesare, suprafața poroasă fiind reintrodusă în mediul apos pentru a începe un nou ciclu de îindepărtare a viitoarelor particule solide.

2. Utilizând procesul descris în Fig. 5, suspensiile solide din nămolul apos reprezintă nămol brut și este aerat timp de 1-3 ore.

3. Utilizând procesul descris în Fig. 6, mediul apos este un amestec de lichid și este aerat timp de 2-6 ore.

4. Conform proceselor prezentate în cele două figuri, particulele solide care se acumulează pe suprafața unui mediu poros mobil, fiind transportate în afara zonei de reacție, sunt îndepărtate de către suprafața mediului poros înainte ca acesta să ajungă într-o zonă de îndepărtare, unde urmează a fi reintrodus (mediul poros) în amestec.

5. Întregul proces de indepărtare a unei cantități predeterminate de particule solide de pe suprafața mediului poros, se face prin intermediul unor jeturi de apă sub presiune care acționează direct pe suprafața mediului poros.

6. Procesul descris mai sus, în care un mediu poros mobil transportă, prin submersie, un strat de particule solide acumulate într-o zonă de digestie, permite indepărtarea particulelor solide prin intermediul vibrațiilor sonice.

7. Sistemul descris, de tratare a nămolului, compus dintr-un bazin de nămol apos – cu abilitatea de aerare a nămolului conținut în acesta – un tambur perforat montat cel puțin parțial sub nivelul amestecului, un ecran mobil continuu care are pe suprafață pori de 20 microni, fiind ghidat prin bazin și având contact parțial cu tamburul în cauză, are abilitatea de a înlătura particulele solide de pe ecran într-o zonă aflată în afara bazinului în cauză, de a ghida ecranul în cauză înapoi la tambur, precum și abilitatea de a elibera lichidul procesat în tambur.

8. Sistemul descris, de tratare a nămolului, are ecranul un monofilament de poliester (țesătură) având pori cu o dimensiune de 10-20 microni, iar mecanismul de înlăturare a particulelor solide se află în afara bazinului de aerare.

9. Conform precizărilor de la punctele 7 și 8, există un alt bazin de retenție a lichidelor care este amplasat în vecinătatea bazinului principal, iar ecranul continuu se poate deplasa prin ambele bazine (cel de nămol apos și cel de retenție a lichidelor), iar îndepărtarea particulelor solide de pe suprafața ecranului odată ce acesta intră în bazinul de retenție se face prin intermediul unui traductor ultrasonic care transmite unde de șoc pe suprafața ecranului.

Datorită faptului că principala preocupare a specialiștilor în domeniu se focalizează pe găsirea soluțiilor de reducere a consumurilor de energie, precum și de asigurare a tuturor condițiilor pentru realizarea indicatorilor de descărcare a apelor în mediul înconjurător, una dintre variantele identificate este posibilitatea utilizării rețelelor de canalizare ca zone de preepurare a apelor uzate.

Cu datele obținute s-a realizat simularea funcționării rețelei în diferite situații practice, folosind funcția Matlab simuff, precum și modelarea și simularea proceselor din gospodăria de nămol prin programul BioWin. O dată antrenată rețeaua neuronală, aceasta se poate utiliza în cadrul sistemului de conducere a procesului de epurare biologică. S-a construit o matrice de variație a valorilor care se controlează în proces.

Subiectul abordat în prezentul capitol, are un caracter cu totul nou, care, cu siguranță va avea succes. Datorită faptului că activitatea de epurare a apelor uzate este, în general, finanțată și susținută de către societate, reducerea costurilor de operare ale SEAU (prin reducerea consumurilor energetice, de reactivi etc.), conduce la importante economii.

BIBLIOGRAFIE

[1] BĂRAN NICOLAE, DONȚU OCTAVIAN, IONESCU GEORGE-LUCIAN, CĂLUȘARU IONELA-MIHAELA – A comparative study between a fixed and a mobile fine bubble generator – Revista Termotehnica, nr. 2, 2012.

[2] BĂRAN NICOLAE, PĂTULEA ALEXANDRU SORIN, CĂLUȘARU IONELA MIHAELA, “Design And Bulding Of A Setup For The Experimental Research Of Fine Bubble Generators”, Termotehnica, nr.2/2011, ISSN-L 1222-4057, Online: ISSN 2247-1871, p. 84-90, AGIR Publishing House, Bucharest, 2012.

[3] BĂRAN NICOLAE, PĂTULEA ALEXANDRU SORIN, CĂLUȘARU IONELA MIHAELA, “The Determination Of The Oxygen Transfer Spead In Water In Nonstationary Conditions, International proceedings of Computer Science and Information Technology”, Mechanichal Engineering, Robotics and Aerospace, IACSIT PRESS, ISSN: 2010-460X, ISBN 978-981-07-0420-9, p. 267-272. 2011.

[4] BĂRAN NICOLAE, BĂRAN GH., MATEESCU G., “Research Regarding a New Type of Fine Bubble Generator”, Romanian Review of Chemistry, vol. 61, nr. 2, 2010, pp. 196-199, ISSN 0034-7752.

[5] CĂLUȘARU IONELA MIHAELA, COSTACHE ADRIAN, BĂRAN NICOLAE, IONESCU GEORGE-LUCIAN, DONȚU OCTAVIAN – A New Solution to Increase the Performance of the Water Oxygenation Process – Revista de Chimie, București, octombrie 2013.

[6] GHEORGHE I.GHEORGHE, BĂRAN NICOLAE, DONȚU OCTAVIAN, BESNEA DANIEL, IONESCU GEORGE – LUCIAN – Electromechanical system for the displacement of fine bubble generators that oxygenate stationary waters – The Romanian Review Precision Mechanics, Optics & Mechatronics, 2013, No. 43.

[7] JINESCU, GH., VASILESCU, P., JINESCU C.V., Dynamics of real fluids in process plants (in Romanian), Signs Publishing House, Bucharest, 2001.

[8] IONESCU GEORGE – LUCIAN, HEDUK ERNST, Techniques for removing nitrogen and phosphorus through chemical addition – Conferința Națională (cu participare internațională) „TEHNOLOGII MODERNE PENTRU MILENIUL III” – Analele Universității din Oradea – Fascicula – Construcții și instalații hidroedilitare, 2009

[9] IONESCU GEORGE – LUCIAN, IONESCU GH. C.; SÂMBETEANU AURA, Tehnologii moderne pentru epurarea apelor uzate, Editura MatrixRom – București, 2013 (315 pg.) ISBN 978-606-25-0007-8.

[10] IONESCU GEORGE – LUCIAN, BERTOLA PAOLO, DONȚU OCTAVIAN – Solutions for qualitative and quantitative rainwater management – CIEM 2013 (Conferința Internațională de Energie și Mediu), 7-8 nov. 2013 Bucharest, fiind înscrisă la secția Environmental Impact cu ID S5_16 – ISSN 2067-0893.

[11] IONESCU GEORGE – LUCIAN, Cercetări pentru stabilirea unor tehnologii modern de epurare a apelor uzate în vederea reutilizării acestora – Teză de doctorat, Universitatea Politehnica București 2014.

[12] IONESCU GEORGE – LUCIAN, Optimizarea tehnologiilor de epurare a apelor uzate în vederea reutilizării acestora, Editura MatrixRom – București, 255 pg., ISBN 978-606-25-0117-4, 2015.

[13] IONESCU GEORGE – LUCIAN, DONȚU OCTAVIAN, GLIGOR EMIL – Automatic management of wastewater treatment plants – Revista „Scientific Bulietin” U.P. București, 2015 – Series C, Electrical Engineering and Computer Science, ISSN 2286-3540.

[14] IONESCU, GH. C.; IONESCU, DANIELA-SMARANDA – Phisycal and Chemical Techniques for Removing Nitrogen and Phosphorus from Residual Waters – International Symposia Risk Factors for Environment and Food Safety & Natural Resources and Sustainable Development, Faculty of Environmental Protection, Nov. 6-7, Oradea, 2009.

[15] MIREL ION, FLORESCU C., GIRBACIU ALINA, GIRBACIU C., DUMITRU P., DAN S., IONESCU GEORGE-LUCIAN – Effects of quantitative changes on drinking water qualitz indicators of urban distribution networks – Revista Materiale Plastice, vol. 52 nr. 4/2015