Hvordan en horisontal strømningsseksjon kuttet fast vannturbiditet fra 6,15 til 1,3 NTU — Case Study Tube Settler Retrofit i full-skala

Et fylkesvannverk bygget i 1989. Råvann på 0–5 grader i fem måneder i året. Et behandlingstog som ikke kunne bryte 3 NTU.Anleggets ingeniører foretok én strukturell endring i sin skrårørsavsetter - ved å legge til en horisontal strømrettingsseksjon som opptar bare 1/3 av tanklengden - og så at turbiditeten i bunnfallet gikk fra 6,15 NTU tilunder 2 NTU innen 72 timer etter oppstart. Tre år senere leverte systemet fortsatt1,3 NTU gjennomsnittmed null modifikasjon av tankskallet. Hvis du kjører en skrårørsettler som underpresterer i kaldt vann eller sliter med sjokkbelastninger, viser denne casestudien nøyaktig hvordan løsningen fungerer - og hvorfor den er enklere enn du tror.

Utfordringen: Nye standarder, gammelt anlegg, kaldt vann

Når mindre enn eller lik 1 NTU er loven, og anlegget ble bygget for mindre enn eller lik 3 NTU

Fylkesvannverket ligger i det nordlige Shaanxi, en region der vintervanntemperaturene rutinemessig synker til0–5 graderog turbiditeten i råvannet svinger mellom 15 og 77 NTU avhengig av årstid. Anlegget ble satt i drift i 1989 med en konvensjonell prosess: foldet-plateflokkulering, sedimentering av skrå rør og filtre uten gravitasjon. To parallelle tog, hver vurdert til 6.000 m³/d, for en total kapasitet på 12.000 m³/d. I to tiår var dette tilstrekkelig. Det ferdige vannet var på rundt 3 NTU - akseptabelt under den gamle standarden.

Da endret regelverket seg. De nye standardene for drikkevannshygiene hevet baren fra mindre enn eller lik 3 NTU tilMindre enn eller lik 1 NTU. Den eksisterende prosessen kunne ikke lukke det gapet. Vannverket sto overfor en avgjørelse hver aldrende plante til slutt konfronterer:rive og bygge om, eller ettermontere innenfor eksisterende fotavtrykk. Det siste var det eneste realistiske alternativet. Behandlingsstrukturene ble plassert innendørs for termisk isolasjon - en nødvendighet i det nordlige Shaanxis klima, hvor utendørs tanker ville fryse. Å rive vegger for å utvide var ikke på bordet. De måtte få det de hadde til å fungere bedre.

Målet: øke enkelttogkapasiteten- fra 6000 m³/d til10,000 m³/d(total anleggseffekt: 16 000 m³/d), med en turbiditet av fast vann konsekvent under 3 NTU for å gi filtrene en kampsjanse på Mindre enn eller lik 1 NTU ferdig-vannbehov.

Retrofit-strategien: Tre oppgraderinger, ett prinsipp

Ingeniørteamet rørte ikke tankskallet. De endret prosessen inne i den, og konverterte den gamle "foldede-plateflokkuleringen + skrårørsedimentering + gravitasjonsventilløst filter" til"kontaktflokkulering + forbedret skrårørsettler + gravitasjonsventilløst filter". Tre oppgraderinger drev transformasjonen:

1. Multi-rørmikser erstatter statisk rørmikser

Den originale rørformede statiske mikseren gjorde én ting: den blandet seg. Erstatningsmikseren for flere-rør gjør tre ting samtidig:kutte og splitte strømning, revers refluks og rask blanding. Når vann passerer gjennom fler-rørgeometrien, dannes det høyfrekvente virvelstrømmer ved rørveggens grenselag. Disse virvlene skaper mikro-soner med intens skjærkraft som fordeler koagulanten jevnt over hele strømningstverrsnittet i løpet av sekunder. Den målte blandeeffektiviteten overskrider94%, og trykktapet er lavere enn den originale statiske mikseren -, en uvanlig kombinasjon som betyr bedre miksing med mindre energi.

Den praktiske fordelen:20–30 % kjemikaliebesparelsesammenlignet med den originale blanderen, med bedre tilpasningsevne til strømningshastighet og vannkvalitetsvariasjoner. For en plante som ser turbiditeten i råvannet svinge fra 15 til 77 NTU sesongmessig, er tilpasningsevnen viktig.

2. Rutenettflokkulering med stjerne-formede skovler erstatter foldet-plateflokkulering

Brettet-plateflokkulering fungerer ved å tvinge vann gjennom en serpentinbane mellom parallelle plater. Det skaper turbulens, men ikke den rette typen. Den forbedrede designen brukerstjerne-formede skovlermontert vinkelrett på strømningsretningen inne i gitterrom. Disse vingene genererer høy-mikro-virvel-- turbulens i en skala som fremmer partikkelkollisjon uten å skjære fra hverandre flokker som allerede har dannet seg.

Flokkuleringstanken er delt inn i11 romover to reaksjonstrinn. Trinn 1: 8 rom på 1,5 m × 1,5 m hver, 8,95 minutters oppbevaring. Trinn 2: 3 rom på 1,5 m × 2,0 m hver, 4,48 minutters oppbevaring. Total hydraulisk retensjonstid:13.43 minutterved en GT-verdi på 1,7 × 104. To-trinnsdesignet skaper tettere, mer skjær-bestandige flokker enn enkelt-flokkulering - en kritisk fordel når disse flokkene senere kommer inn i rørsettlerens distribusjonssone, hvor overdreven turbulens ville bryte dem fra hverandre.

3. Nøkkelinnovasjonen: Horisontal strømrettingsseksjon foran rørsettleren

Det er her ettermonteringen avviker fra standard praksis, og hvor den største ytelsesgevinsten ble oppnådd. En tradisjonell settler med skrå rør mottar vann direkte fra utløpet av flokkuleringstanken. Overgangen er brå: Vann går fra et turbulent, blandet-strømningsregime til et laminært sedimenteringsregime uten mellomliggende kondisjonering. Resultatet erujevn strømningsfordelingpå tvers av rørbunten. Noen kanaler ser høy hastighet og flush flokker rett gjennom. Andre ser lav hastighet og samler opp slam. Begge forhold forringer avløpskvaliteten.

Ettermonteringen la til to elementer som løser dette:

Et nedsenket overløp ved utløpet av flokkuleringstanken.I stedet for å dumpe vann direkte inn i distribusjonssonen, renner det først over et nedsenket overløp som fungerer som en strømningslikretter - som jevner ut hastighetsgradienter og fjerner stor- turbulens før vannet kommer inn i settleren.

En horisontal strømningsseksjon som opptar 1/3 av den totale tanklengden (24 m²).Dette er innovasjonen. Etter å ha passert over demningen, kommer vannet inn i en horisontal-strømningssone før det stiger gjennom de skråstilte rørene. Føringsvegger i både den horisontale seksjonen og den skrånende rørseksjonen styrer strømningsbanen. Den horisontale sonen tjener tre funksjoner samtidig: den reduserer den horisontale strømningshastigheten til12,73 mm/s(innenfor 10–18 mm/s-vinduet som forskning viser er kritisk for stabil sedimentasjon), gir det ekstra bunnfellingstid for større flokker, og det fungerer som en hydraulisk buffer som absorberer strømningssvingninger før de når rørbunten.

Fordelingsveggen i enden av overgangsseksjonen brukerperforeringer med bredere avstand øverst og smalere avstand nederst. Dette mot -intuitive arrangementet er bevisst: det kompenserer for den naturlige tendensen til vann til å kortslutte- mot toppen av distribusjonssonen, og tvinger fram mer jevn vertikal strømningsfordeling over hele rørbuntens høyde.

Hvorfor den horisontale flytseksjonen fungerer: ingeniørbegrunnelsen

Problemet med tradisjonelle skrårørbosettere er ikke selve rørene. Det er det som skjerfør vannet når dem. Forskning har identifisert fire parametere som styrer jevn strømfordeling i rørsettlere: tanklengde-til-breddeforholdet (L/B), overflatebelastningshastighet (q), rørdiameter (D) og høyden på distribusjonssonen under rørene.

Av disseL/B-forhold og overflatebelastning (q) har størst innflytelse. Når L/B-forholdet øker, blir strømningsfordelingen mer u-jevn, og den kritiske sedimenteringshastigheten - minimumshastigheten som en partikkel av en gitt størrelse setter seg med - stiger. Overflatebelastning (q) er omtrent proporsjonal med kritisk sedimenteringshastighet: skyv mer strøm gjennom det samme området, og du trenger en høyere sedimenteringshastighet for å fange opp de samme partiklene. Begge effektene virker mot avløpskvaliteten.

Tradisjonelle rørbosettere lider også av et problem med perforerte-vegger. For å oppnå jevn fordeling trenger den perforerte veggen ved innløpet mindre åpninger enn en horisontal-flytsedimentasjonstank - som betyrhøyere åpningshastigheter. Stråler med høy-hastighet gjennom disse åpningene bryter fra hverandre flokker som flokkuleringstanken nettopp brukte 13 minutter på å bygge. Enda verre, strålene kan røre opp dødt slam som er avsatt i bunnen av distribusjonssonen, og re-suspendere faste stoffer som allerede har bunnet seg.

Den horisontale strømningsseksjonen løser denne kjeden av problemer ved roten. Ved å legge til 1/3 av tanklengden som en horisontal-strømningssone før de skråstilte rørene, oppnår designet fire ting:

Designparametere: Tallene bak ettermonteringen

Den skrå rørseksjonen brukermotstrøm-- vann stiger opp gjennom rørene mens faste stoffer glir nedover langs 60 graders stigning. Rørene er etylen-propylenkopolymer (EPC) med sekskantede bikake--tverrsnitt, 30 mm diameter, 1 m lengde. EPC ble valgt fremfor standard PVC eller PP for sin overlegne ytelse i kaldt vann: den opprettholder fleksibilitet og slagfasthet ved temperaturer der stiv PVC blir sprø.

Slamoppsamling bruker store gravitasjonsbeholdere med en glidevinkel brattere enn konvensjonelle små beholdere, noe som sikrer grundig slamfjerning med minimal lokal strømningsforstyrrelse. Slamutslippsventilene ermanuell-elektrisk hurtig-type- et praktisk valg som prioriterer pålitelighet og enkelt vedlikehold fremfor full automatisering. Færre enheter, lavere feilprosent, lavere kostnad.

Resultater: 4 NTU lavere på 3 dager, 1,3 NTU etter 3 år

72-timers prøvekjøring: Umiddelbar ytelsesgap

Et tre-dagers kontinuerlig forsøk ble utført fra 15.–17. oktober 2011, med innflytelsesstrømmen kontrollert kl.750 m³/h. Anlegget tok prøver av råvann, avløp fra den umodifiserte tradisjonelle rørsettleren (parallell tog), og avløp fra den forbedrede rørsettleren samtidig gjennom hele forsøket.

Resultatene var entydige. Den forbedrede nybyggerens avløpsturbiditet varmer enn 4 NTU lavereenn det tradisjonelle designet på tvers av alle prøvetakingspunkter. Avstanden var konsistent og umiddelbar - ingen pause-i perioden, ingen justering nødvendig. Avløpskvaliteten oppfylte designforventningene fra første dag, og reduserte filterbelastningen nedstrøms betydelig.

TOC-fjerning: 6,08 % forbedring i forhold til det tradisjonelle designet

Turbiditet og organisk materiale er nært korrelert i overflatevann - de samme partiklene som sprer lys også bærer adsorbert naturlig organisk materiale (NOM). Under forsøket målte anlegget TOC i avløpet fra begge sedimentasjonsprosessene. Råvanns-TOC var stabil kl2,5–3,0 mg/L.

En 6 % forbedring i fjerning av TOC kan virke beskjeden, men i drikkevannsbehandling reduserer fjerning av organisk materiale i sedimenteringsstadiet direkte dannelsespotensialet for desinfeksjon av-produkt (DBP) nedstrøms. Hvert milligram TOC fjernet før klorering er et milligram som ikke vil danne trihalometaner (THM) eller haloeddiksyrer (HAA) i distribusjonssystemet.

Tre-års bekreftelse: tallene holder

Ettermonteringen ble satt i drift 15. april 2012. Over tre år med kontinuerlig drift tok anlegget jevnlig prøver av bunnfall turbiditet fra både det ettermonterte toget og det umodifiserte parallelltoget. Dataene forteller en klar historie om vedvarende ytelse:

1,3 NTU avgjort vanngjennomsnitt er tallet som betyr mest. Ved å levere vann på 1,3 NTU til filtrene i stedet for 2,3 NTU, reduserte den forbedrede settleren filterets faststoffmengde med ca.43%. Dette betyr lengre filterkjøring mellom tilbakespyling, mindre vannforbruk for tilbakespyling og - kritisk - ferdig vann som pålitelig kan møte mindre enn eller lik 1 NTU-standard. Et filter som mottar 2,3 NTU sedimentert vann har svært liten margin for å oppnå 1 NTU ferdig vann. Et filter som mottar 1,3 NTU sedimentert vann har plass til å fungere.

Hva dette betyr for planten din

Denne kasusstudien viser at en underpresterende skrårørssettler ikke trenger å skiftes ut. Problemet er sjelden selve rørene - det er det som skjer i distribusjonssonen før vannet når dem. Ettermonteringsprinsippene er overførbare:

1. Hvis turbiditeten i det faste vannet er inkonsekvent, sjekk strømfordelingen først.Ujevn strømning over rørbunten er den vanligste årsaken til ytelsesvariasjoner hos skråstilte rørsettlere. Et nedsenket overløp ved flokkuleringsutløpet og perforert fordelingsvegg med gradert hullavstand er lave-løsninger som løser dette ved kilden.

2. Hvis du behandler kaldt vann (<5°C), add a horizontal flow section.Kaldt vann produserer svake flokker som ikke kan overleve turbulensen til et tradisjonelt rørsettlerinnløp. Den horisontale strømningsseksjonen gir en lav-energiovergangssone der disse skjøre flokkene kan slå seg ned uten å bli klippet fra hverandre.

3. Hvis råvannskvaliteten varierer sesongmessig, øk bufferen for distribusjonssonen.Den horisontale seksjonens evne til å absorbere støtbelastninger er ikke hyggelig-å-ha - det er forskjellen mellom stabilt avløp og sesongmessige vannkvalitetsproblemer. Tildelingen av 1/3 tanklengde brukt i dette prosjektet er et godt utgangspunkt for design.

4. Rørmateriale er viktige i kaldt klima.EPC-rørene som er valgt for dette prosjektet opprettholder fleksibilitet ved temperaturer der stiv PVC blir sprø. Hvis råvannet ditt synker under 5 grader i lengre perioder, diskuter valg av rørmateriale med leverandøren din. Standard PVC og PP har forskjellige konvolutter med lav-temperaturytelse.

5. En forbedring på 6 % i fjerning av TOC er verdt mer enn det ser ut til.Ved behandling av drikkevann er organisk materiale fjernet før desinfeksjon eliminert DBP-dannelsespotensialet. 6,08 % TOC-forbedringen på sedimenteringsstadiet oversetter til målbart lavere THM- og HAA-dannelse nedstrøms -, en regulatorisk overholdelsesfordel som bindes over plantens levetid.

Ettermonteringen som er beskrevet her økte rensekapasiteten med 33 % (fra 12 000 til 16 000 m³/d) innenfor samme tankfotavtrykk, samtidig som avløpskvaliteten ble forbedret. Den kombinasjonen -mer vann, bedre vann, samme bygning- er det som gjør konseptet for horisontal strømretting verdt å vurdere for alle aldrende vannbehandlingsanlegg som møter strengere standarder.