Upload
trinhnhi
View
296
Download
4
Embed Size (px)
Citation preview
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 BAZE TEORETICE ........................................................................................................ 5
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
3.4 Mixere statice ............................................................................................................. 27
4 CERCETARI EXPERIMENTALE PE INSTALATII PILOT .................................................... 28
4.1 Descrierea instalatiei pilot ........................................................................................... 28
4.2 Modul de lucru ........................................................................................................... 29
4.3 Interpretarea rezultatelor ........................................................................................... 30
5 CERCETARI LA SCARA INDUSTRIALA ......................................................................... 32
5.1 Schema camerelor de reactie din cadrul statiei de tratare ............................................ 32
5.2 Parametri de functionare actuali ................................................................................. 33
5.3 Determinari pe camerele de reactie............................................................................. 33
5.4 Interpretarea datelor. Recomandari ............................................................................ 34
6 CONCLUZII .............................................................................................................. 38
6.1 Concluzii generale ....................................................................................................... 38
6.2 Elemente de originalitate si contributiile autorului ...................................................... 39
6.3 Perspectiva de dezvoltare a subiectului ....................................................................... 41
BIBLIOGRAFIE SELECTIVA ................................................................................................ 42
CUPRINS
2
LISTA FIGURI
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
complex de materii organice ca: acizi humici, acizi hidrofili, proteine, lipide, aminoacizi
prezente in toate sursele de apa potabila. Caracterizarea si indepartarea acestor materii
organice naturale conduce la reducerea riscului de formare a subprodusilor de dezinfectie
[60] [76].
Materiile organice naturale reprezinta principala sursa de carbon organic dizolvat din
apele de suprafata. Acestea reprezinta un amestec de substante cu diferite caracteristici fizice
si chimice. Operational, acestea pot fi clasificare in 2 fractiuni: humice si non-humice. Fractia
humica este hidrofoba si cuprinde acizii humici si fulvici. Prin simpla scadere a pH-ului
densitatea de sarcina a gruparilor acide (acizi humici sau fulvici) devine mai mica deoarece
acestia trec in forma neionizata. In consecinta, cantitatea de substante humice indepartata
(adsorbite pe hidroxidul metalic) depinde de disponibilitatea (concentratia) formelor asociate
de acizi humici si fulvici [60] [76].
Capitolul 2. Baze teoretice
7
2.2.2 Stabilitatea sistemelor coloidale
Coloizii pot fi clasificati ca fiind de doua tipuri: stabili sau instabili. Coloizii stabili se
mai numesc si coloizi reversibili, iar acestia sunt stabili din punct de vedere energetic si
termodinamic. Ca exemplu se pot enumera structurile ordonate de molecule de detergent sau
sapun (zise si micele), polimerii mari, proteinele si unele substante humice [60] [76].
Coloizii care nu sunt stabili au proprietetea de a coagula si se mai numesc si coloizi
ireversibili. Cateva exemple de astfel de particule instabile din punct de vedere termodinamic
pot fi urmatoarele: argile, oxizi metalici si microorganisme, practic toate particulele solide
prezente in apa naturala. Coloizii ireversibili pot sa coaguleze lent sau rapid. Termenii de
stabil sau instabil sunt folositi de cele mai multe ori pentru a caracteriza coloizii ireversibili,
avand astfel o semnificatie cinetica si nu termodinamica sau energetica. Astfel ca un coloid
stabil cinetic este o suspensie ireversibila (sau instabila termodinamic) care are proprietatea
sa coaguleze foarte incet. Iar un coloid instabil cinetic este un coloid ireversibil care
coaguleaza rapid [60] [76].
In procesul tehnologic de tratare al apei, coagularea particulelor este folosita pentru a
favoriza agregarea acestora, mai in detaliu de a transforma o suspensie stabila in una
instabila. De exemplu, in urma procesului de coagulare, particulele din apa bruta provenita
din surse de suprafata (in special lacuri) care au stat in suspensie perioade indelungate de
timp (luni, ani) pot fi agregate in interval de o ora sau mai putin. Astfel ca procesul de
coagulare al particulelor trebuie astfel realizat incat sa se poata schimba si controla natura
starii de agregare a particulelor [60] [76].
In momentul in care particulele coloidale in suspensie se apropie una de alta apar mai
multe tipuri de interactiuni care afecteaza stabilitatea suspensiei. Principalele tipuri de
interactiuni sunt generate de [60] [76]:
- fortele de atractie Van der Waals
- fortele de respingere electrica
- fortele de solvatare si interactiunea sterica
In prezent modul de actionare al fortelor de solvatare si interactiune sterica nu sunt pe
deplin cunoscute. Efectul combinat al fortelor de atractie Van der Waals si al respingerii
electrostatice formeaza baza teoriei DLVO (Derjaguin, Landau, Verwey, Overbeek) [60]
[75].
Pentru a deriva ecuatia de stare a unui gaz ne-ideal, Van der Waals a introdus un
potential de atractie care este de trei tipuri: atractie de orientare, atractie de introducere,
respectiv forta de dispersie. Doua forte de atractie iau nastere atunci cand atomii si
moleculele sunt incarcate si au un moment de dipol, dar acestea nu sunt semnificative in
contextul existentei generale a fortelor de atractie intre atomi neutri si molecule.
Energia de atractie Ea, stabilita de Hamaker intre doua particule sferice de marimi
egale se determina cu relatia [33] [60]:
d
rHEa
12 (2.1)
Capitolul 2. Baze teoretice
8
In care: Ea – energia de atractie;
H – constanta Hamaker;
r – raza particulei sferice;
d – distanta intre doua particule.
Un aspect important al expresiei anterioare consta in faptul ca energia de atractie este
invers proportionala cu distanta dintre particule, ceea ce conduce la valori mari ale energiei
de atractie pe masura ce distanta dintre particule se reduce.
Majoritatea particulelor din suspensiile apoase sunt incarcate si o sursa majora de
stabilitate este data de existenta unei sarcini electrice pe suprafata fiecarei particule. Sarcina
poate fi pozitiva sau negativa, dar in cazul sistemelor apoase aceasta este in majoritatea
cazurilor negativa. Semnul si marimea sarcinii sunt adesea dependente de compozitia chimica
a suspensiei (ionii continuti si pH-ul solutiei).
Pentru o particula coloidala aflata intr-o faza apoasa se disting doua regiuni
importante (Figura 2-2). Prima regiune este data de un strat rigid de contraioni atasat de
particula. Acest strat rigid, denumit stratul Stern, determina mobilitatea particulei.
Inconjurand stratul rigid este un alt strat difuz de contraioni (stratul Gouy-Chapman). Cele
doua straturi, impreuna, formeaza stratul dublu-electric iar existenta sa este guvernata de
teoria electrochimica Gouy-Chapman-Stern [60] [88].
Figura 2-2 Reprezentarea stratului dublu electric [60] [80]
Potentialul electric la exteriorul planului Stern determina marimea potentialului
(zeta) care are un rol foarte important in destabilizarea electrocinetica a particulei. Cand o
particula incarcata se misca intr-un camp electric apare un plan de separare intre stratul dublu
si mediul inconjurator. Pozitia exacta a acestui plan nu este cunoscuta, insa se face
presupunerea ca este foarte apropiat de stratul rigid Stern [60].
Potentialul se determina cu relatia 2.2.
Capitolul 2. Baze teoretice
9
E
v
4 (2.2)
In care: – potentialul electrocinetic (zeta);
E – gradientul de potential;
- vascozitate dinamica;
- constanta dielectrica;
v – mobilitatea electroforetica intr-un camp electric.
Anularea potentialului zeta corespunde situatiei optime la care se pot desfasura
reactiile de coagulare-floculare. Figura 2-3 prezinta un exemplu de particula coloidala, cu
evidentierea stratului dublu difuz si al potentialului zeta.
Figura 2-3 Particula electro-negativa, stratul dublu difuz si potentialul zeta [54] [60] [80]
Rolul primar al stratului dublu electric este acela de a conferi stabilitatea cinetica a
suspensiei. Atunci cand doua particule similar incarcate se apropie una de cealalta se resping.
Marimea fortelor de respingere este dependenta de potentialul (zeta) al fiecarei particule.
Structura atmosferei poate fi descrisa de teoria Debye-Huckel a solutiilor ionice prin care
marimea fortelor de respingere dintre doua particule coloidale poate fi aproximata cu
parametrul Debye-Huckel "k". Pentru solutii apoase la 25oC, Greogory [60] [79] a propus
relatia urmatoare:
Capitolul 2. Baze teoretice
10
2
12
ii
9 zc103.2k (2.3)
In care: k – constanta Debye-Huckel;
ci – concentratia molara a ionilor in solutie;
zi – sarcina ionilor.
In apa pura, grosimea efectiva a stratului dublu (raportul "1/k") are o valoare de
aproximativ 1.000 nm. Prin adaosul de solutie NaCl (clorura de sodiu) care sa determine o
crestere a concentratiei ionice cu 0.01 molar, raportul 1/k devine aproximativ 3.0 nm si
majoritatea contraionilor din stratul difuz se comprima intr-o regiune foarte apropiata de
suprafata particulei. Grosimea stratului dublu scade pe masura ce creste forta ionica.
Respingerea intre doua particule similare este cauzata de suprapunerea stratelor difuze ale
celor doua strate duble. Energia de respingere Er pentru doua particule sferice se determina cu
relatia 2.4.
)kdexp(r5.0E 2
r (2.4)
In care: Er – energia de respingere;
- constanta dielectrica a mediului;
- potentalul zeta al particulelor;
r – raza particulelor;
k – constanta Hamaker;
d – distanta intre doua particule.
2.2.3 Teoria DLVO
Acest subcapitol descrie pe larg ecuatiile fortelor de atractie, respingere si a energiei
nete de interactiune intre particule functie de taria ionica a solutiei coloidale.
2.3 Procese de coagulare-floculare
In cadrul obiectelor tehnologice ce se pot regasi intr-o statie de tratare, au loc o serie de
procese chimice, biologice si mecanice. Cateva dintre aceste procese pot fi urmatoarele:
dezinfectie, coagulare-floculare, decantare, filtrare, demanganizare, deferizare,
decarbonatare. Tipul si dimensiunile fizice ale obiectelor tehnologice in care au loc aceste
procese, pot varia in functie de sursa de apa bruta, de debitul de apa ce urmeaza a fi tratat, dar
in special de caracteristicile chimice si biologice ale apei brute ce se doreste potabiliza.
2.3.1 Definitii
Coagularea este un proces complex prin care particulele coloidale cu dimensiuni
reduse sunt agregate in particule cu greutate suficienta, cu scopul de a fi indepartate.
Se poate considera ca procesul de coagularea include: injectia coagulantului,
destabilizarea chimica a particulelor si contactul fizic dintre particule, si are ca rezultat
procesul global de agregare a particulelor din apa care se trateaza.
Capitolul 2. Baze teoretice
11
Procesul de coagulare se realizeaza de obicei in doua tipuri de unitati amplasate in
serie: unitate de amestec rapid, in care se realizeaza dozarea coagulantului si destabilizarea
particulelor si unitatea de floculare, in care se realizeaza contactul interparticule.
Procesul fizic prin care se realizeaza contactul dintre particule (agregarea) se numeste
floculare.
2.3.2 Stabilirea dozelor de reactivi
In cadrul acestui subcapitolul sunt detaliate trei dintre metodele de stabilire a dozelor de
reactivi, cu precizarea ca cea mai comuna metoda utilizata in Romania este cea a jar testului.
2.3.3 Gradientul de viteza
Procesele de coagulare-floculare a particulelor coloidale din apa se desfasoara in trei
faze:
neutralizarea sarcinii electrice a particulelor coloidale prin adaosul de coagulant; in
aceasta faza este recomandat un amestec energic;
formarea microflocoanelor prin ciocnirea particulelor datorita miscarii browniene
(faza pericinetica);
formarea macroflocoanelor; pe masura ce marimea lor creste (faza ortocinetica)
acestea capata o miscare de depunere.
Smoluchowski a conceput modelul matematic care caracterizeaza procesele de
coagulare - floculare prin expresiile urmatoare:
2112212 ddDnndt
dN p (2.5)
32112216
ddDnnG
dt
dNo (2.6)
In care: Np, No - numarul de ciocniri intre particule de tipul 1, respectiv tipul 2;
n1, n2 - numarul de particule de tipul 1, respectiv tipul 2;
d1, d2 - diametrele particulelor de tipul 1, respectiv tipul 2;
D12 - suma coeficientilor de difuzie pentru particule de tipul 1, respectiv 2;
G - gradientul de viteza.
Particularizand ecuatiile (2.5) si (2.6) pentru fazele peri si ortocinetice rezulta:
in faza pericinetica, viteza de floculare (variatia numarului de coliziuni ale
particulelor in timp) este caracterizata de expresia urmatoare (valabila numai pentru particule
cu d < 1 m):
2
3
4n
kT
dt
dN p
(2.7)
In care: - fractiunea de ciocniri eficace;
k - constanta Boltzmann;
Capitolul 2. Baze teoretice
12
T - temperatuara absoluta;
- vascozitatea dinamica;
d - diametrul particulei.
Prin integrare, expresia (2.16) devine:
3
41 o
op
kTtn
nN (2.8)
In care: no - numarul (concentratia) de particule la momentul t=0.
Bariera electrostatica cauzata de respingerea intre particule cu aceeasi sarcina,
determina scaderea numarului de ciocniri. Introducand corectia electrostatica, prin
intermediul unui termen aditional d/dr ( - potentialul de energie electrostatic), Fuchs
dezvolta relatiile lui Smoluchowski prin particularizarea factorului de stabilitate W.
R
kT
ij
drerR
nDRN
2
2/12
16 (2.9)
In care: - factorul de eficienta a ciocnirilor.
R
kT drerRW
2
212
11 (2.10)
In teoria destabilizarii particulei prin comprimarea stratului dublu, factorul de
eficienta a ciocnirilor se poate aproxima cu relatia (2.11), considerand ca bariera de energie
max include atat fenomenele de respingere electrostatica, cat si efectul fortelor Van der
Waals, pentru doua particule de raza R, aflate la distanta r.
kTeR max2
(2.11)
In care: - grosimea reciproca a stratului dublu.
flocularea ortocinetica este direct proportionala cu energia disipata, conform
ecuatiilor:
32
6
1dGn
dt
dNo
o - in regim laminar (2.12)
32dkGndt
dNo - in regim turbulent (2.13)
In care: Go - gradientul de viteza; poate fi definit, in regim laminar, ca diferenta de
viteza intre doua fire de curent adiacente, in planul ortogonal curgerii:
dz
dGo
(2.14)
La dimensionarea camerelor de reactie cu agitatoare mecanice (Figura 3-1), se are in
vedere realizarea criteriului exprimat prin produsul optim dintre gradientul hidraulic,
concentratia in suspensii si timpul de reactie pentru fiecare tip de apa, sub forma:
Capitolul 2. Baze teoretice
13
G x C x T = optim, (2.15)
Unde: G – gradientul de viteza (s-1
);
C – concentratia in suspensii a apei brute; se apreciaza ca, odata cu cresterea
concentratiei in suspensii a apei, creste posibilitatea formarii macroflocoanelor in faza
ortocnetica;
T – timpul de reactie; este o caracteristica a fiecarei ape si depinde de
complexul de calitate al apei, inclusiv de caracteristicile coloidului; in practica, variaza in
general intre 3....15’.
In practica se foloseste gradientul de viteza corespunzator regimului turbulent, care se
calculeaza cu expresia urmatoare:
V
PG =
V
Pk (2.16)
In care: G - gradientul mediu de viteza (s-1
), exprimat sub forma V
Pk ; k fiind functie
de toC;
P - puterea reala disipata (W);
- vascozitatea dinamica (kg/m,s);
V - volumul camerei de reactie (m3).
Unde temperatura apei [ k ] poate fi:
Tabel 2-1 Coeficienti functie de temperatura apei
Temperatura apei oC k
0 23.6
5 25.6
10 27.6
15 29.6
20 31.5
30 35.4
40 38.9
Valorile uzuale ale gradientului de viteza [22] sunt de ordinul 400 - 1000 s-1
in faza de
coagulare, respectiv 100 s-1
in faza de floculare. Valoarea optima a gradientului de viteza
depinde de caracteristicile apei brute si de greutatea moleculara a polimerului utilizat [71]. La
valori ale gradientului mai mari de 350 s-1
s-a sesizat spargerea flocoanelor [51]. Timpul de
reactie recomandat de literatura [87], se incadreaza intre 30 s si 8 min. De asemenea, tipul de
agitator folosit (dinamic sau static), forma si volumul camerei de reactie influenteaza
procesul de coagulare-floculare [60].
Capitolul 2. Baze teoretice
14
3 STADIUL ACTUAL DE DEZVOLTARE AL CAMERELOR DE REACTIE
3.1 Considerente in proiectarea camerelor de reactie
Amestecarea este un proces care are drept scop dizolvarea si omogenizarea, cu
reducerea gradientilor de concentratie sau temperatura in interiorul sistemului dispers.
Din punct de vedere al introducerii solutiilor de reactivi in apa, acesta este un proces
esential in asigurarea conditiilor optime proceselor de coagulare-floculare.
Amestecarea hidraulica foloseste amestecul a doua fluide miscibile in regim
turbulent in sisteme cu hidroejector (transformarea energiei cinetice in energie potentiala de
presiune), turbulenta creata de o cadere hidraulica (deversor) sau canal (tub) Venturi.
Procesul se aplica instalatiilor mici si datorita consumului mare de energie, este in general
evitat.
Amestecarea mecanica (Figura 3-1) se bazeaza pe actiunea unui echipament mecanic
care, prin miscarea de rotatie, asigura pompajul lichidului, intretinind in recipient (bazin) o
circulatie cu rol de omogenizare.
MOTOR
ELICE
DEFLECTORI
AX DE ROTATIE
CONDUCTA
DOZARE REACTIVI
Figura 3-1 Camera de reactie cu agitator mecanic: [55]
1 – acces apa; 2 – iesire apa; 3 – reactiv; 4 - golire.
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
100, 21.48
200, 35.90 300, 33.97
400, 22.97 100, 22.74
200, 38.46 300, 38.36
400, 28.37 100, 23.44
200, 40.08 300, 40.80
400, 30.69
0
5
10
15
20
25
30
35
40
45
0 100 200 300 400 500
Pu
tere
dis
ipat
a [
W ]
Debit vehiculat [ l/h ]
Curba puteredisipata incamera dereactie faradeflectori
Curba puteredisipata incamera dereactie cudeflectori
Curba puteredisipata incamera dereactie cuvolum redus
Capitolul 4. Cercetari experimentale pe instalatii pilot
31
Graficul 4-2 Graficul randamentului camerei de reactie pilot functie de debitul vehiculat
Dupa cum se poate observa randamentul global al camerei de reactie pilot nu
depaseste 50%, astfel ca jumatate din energia consumata de agitatorul mecanic al camerei
este practic pierduta. Este cunoscut faptul ca randamentul global de transfer al energiei
mecanice in masa de apa nu poate atinge procentul maxim de 100%, dar considerand
procentele inregistrate acesta cu siguranta poate fi imbunatatit prin aplicarea unor masuri
simple de optimizare. Solutiile de optimizare cercetate in cadrul acestui studiu de cercetare
sunt solutii simple, care nu implica costuri importante de punere in practica.
O prima concluzie, dupa cum reiese si din Graficul 4-1 si Graficul 4-2 dupa
implementarea masurilor de optimizare, mai exact: Ciclul experimental Nr. 2 – Camera de
reactie pilot cu volum redus, respectiv Ciclul experimental Nr. 3 – Camera de reactie pilot cu
deflectori, se observa o imbunatatire a randamentului global de transfer al energiei cu 8 %,
respectiv 5 %.
Graficul 4-3 Randamentul global de transfer al camerei de reactie
100, 32.6
200, 54.4 300, 51.5
400, 34.8
100, 34.5
200, 58.3
300, 58.1
400, 43.0
100, 35.5
200, 60.7
300, 61.8
400, 46.5
0
10
20
30
40
50
60
70
0 100 200 300 400 500
Ran
dam
en
t [
% ]
Debit vehiculat [ l/h ]
Curbarandamentcamera dereactie faradeflectori
Curbarandamentcamera dereactie cudeflectori
Curbarandamentcamera dereactie cuvolum redus
Capitolul 5. Cercetari la scara industriala
32
5 CERCETARI LA SCARA INDUSTRIALA
Municipiul Targu Mures se afla in partea central-nordica a Romaniei si are o populatie de
aproximativ 138.290 locuitori. Statia de tratare aferenta municipiului Targu Mures este situata
la o distanta de aproximativ 6 km, in localitatea Santana de Mures. Statia de tratare are o
capacitate totala 3930 m3/h dar in prezent este operata la un debit de 2000 m
3/h, iar in urma
unor proiecte de finantare aceasta statie a fost recent modernizata.
In cadrul acestui subcapitol sunt descrise obiectele tehnologice ce alcatuiesc shema
tehnologica a statiei de tratare.
5.1 Schema camerelor de reactie din cadrul statiei de tratare
Procesul de coagulare aferent treptei de pre-decantare este realizat in 2 camere de
reactie rapida (cate o unitate pentru fiecare linie), urmate de cate o camera de reactie lenta in
care are loc flocularea apei brute.
In corpul cladirii in care se realizeaza pre-decantarea apei se gasesc si cele 3 camere de
reactie rapida aferente treptei de decantare, care la randul lor sunt precedate de cate o camera
de reactie lenta pentru fiecare linie de decantare. Toate cele 9 camere de reactie (rapida si
lenta) sunt echipate cu agitatoare mecanice si totodata pentru imbunatatirea proceselor
tehnologice se realizeaza dozarea de reactivi.
CANAL DE DISTRIBUTIE
Q1 =
66
6.7
m³/h
Q1 =
66
6.7
m³/h
CAMERA REACTIE
RAPIDA NR. 2
V=53 m³
CAMERA REACTIE
RAPIDA NR. 3
V=48 m³
CAMERA REACTIE
RAPIDA NR. 4
V=48 m³
CAMERA REACTIE
RAPIDA NR. 5
V=48 m³
STATIE DE POMPARE APA BRUTA
(2+1) POMPE
Q=1980 mc/h, H=12 m, P=110 kW
DE
CA
NT
OR
LA
ME
LA
R
DE
CA
NT
OR
LA
ME
LA
R
Q =2000 m³/h
Q1 =
66
6.7
m³/h
CAMERA DE
DISTRIBUTIE
CAMERA REACTIE
RAPIDA NR. 1
V=53 m³
Figura 5-1 Schema camerelor de reactie rapida (pre-decantare, decantare)
Capitolul 5. Cercetari la scara industriala
33
Caracteristicile camerelor de reactie rapida aferente treptei de pre-decantare sunt
urmatoarele:
Numar unitati – 2 unitati;
Volum camera de reactie - 53 m3, pe unitate;
Agitator mecanic – 1 buc pe unitate, cu puterea P=5.5 kW, n=1500 rpm, reductie la
n=99 rpm;
Debit vehiculat – 1000 m3/h, pe unitate.
Caracteristicile camerelor de reactie lenta aferente treptei de pre-decantare sunt
urmatoarele:
Numar unitati – 2 unitati;
Volum camera de reactie - 645 m3, pe unitate;
Agitator mecanic – 2 buc pe unitate, cu puterea P=0.75 kW, n=1500 rpm, reductie la
n=9.6 rpm;
Debit vehiculat – 10000 m3/h, pe unitate.
Caracteristicile camerelor de reactie rapida aferente treptei de decantare sunt
urmatoarele:
Numar unitati – 3 unitati;
Volum camera de reactie - 48 m3, pe unitate;
Agitator mecanic – 1 buc pe unitate, cu puterea P=3 kW, n=1500 rpm, reductie la
n=82 rpm;
Debit vehiculat – 666.7 m3/h, pe unitate.
Caracteristicile camerelor de reactie lenta aferente treptei de decantare sunt urmatoarele:
Numar unitati – 2 unitati;
Volum camera de reactie - 350 m3, pe unitate;
Agitator mecanic – 2 buc pe unitate, cu puterea P=0.55 kW, n=1500 rpm, reductie la
n=11.6 rpm;
Debit vehiculat – 1000 m3/h, pe unitate.
5.2 Parametri de functionare actuali
S-au determinat parametrii de functionare ai camerelor de reactie rapida si lenta din
cele doua trepte de pre-decantare, respectiv decantare. Mai exact, s-a determinat timpul de
reactie al fiecarei camere de reactie si puterea necesara a agitatorului mecanic (cu formula
clasica de calcul) pentru a observa daca se realizeaza gradientul de viteza potrivit fiecarui tip
de amestec.
Dupa determinarea parametrilor de functionare ai camerelor de reactie, s-au realizat
masuratori ale diferentei de temperatura pentru determinarea randamentului camerelor si
pentru a propune anumite recomandari de optimizare a proceselor de coagulare-floculare.
5.3 Determinari pe camerele de reactie
Cu scopul determinarii calibrarii echipamentelor si a randamentului camerelor de
reactie rapida si lenta (Figura 5-2) existente in cadrul statiei de tratare din municipiul Targu
Capitolul 5. Cercetari la scara industriala
34
Mures, s-au realizat masuratori ale diferentei de temperatura prin intermediul echipamentului
de masura Yatesmeter.
Figura 5-2 Camera reactie rapida si lenta, traductori de temperatura, Yatesmeter
Masuratorile au fost realizate pe camerele de reactie rapida aferente treptelor de pre-
decantare, respectiv decantare, cu specificatia ca nu a fost posibila realizarea de masuratori pe
camerele de reactie lenta datorita imposibilitatii montarii traductorilor de temperatura in
camere.
Masuratorile au fost realizate in luna martie a anului 2014 si s-au derulat pe durata a 12
ore. Informatiile cu privire la statia de tratare si camerele de reactie au fost furnizate de catre
personalul tehnic ce se ocupa cu operarea statiei.
5.4 Interpretarea datelor. Recomandari
Datorita echiparii necorespunzatoare a camerelor de reactie rapida - agitator cu putere
redusa - si a volumului mare al camerelor, nu se realizaeaza disiparea energiei in volumul de
apa, implicit sunt inregistrate rezultate negative ale diferentelor de temperatura, facand
imposibila calibrarea echipamentului Yatesmeter.
Echiparea insuficienta a camerelor conduce la neindeplinirea gradientului de viteza in
interiorul camerei, implicit la neindeplinirea conditiilor necesare desfasurarii optime a
proceselor de coagulare-floculare. In aceste conditii consumul de energie electrica realizat de
catre agitatoarele mecanice cu care sunt dotate camerele, nu sunt justificate in cadrul
costurilor de productie a apei potabile. Totodata trebuie precizat ca in cadrul schemei de
tratare se realizeaza adaos de reactivi in camerele de reactie, dar care vor avea rezultate
limitate in cadrul procesului de tratare datorita parametrilor de functionare ai camerelor.
Atat in urma masuratorilor realizate pe camerele de reactie rapida, cat si in urma
determinarilor parametrilor actuali de functionare ai camerelor, se concluzioneaza ca este
necesara retehnologizarea tuturor camerelor de reactie din statia de tratare.
Astfel ca, pentru operarea corecta a camerelor si optimizarea proceselor de coagulare-
floculare, considerandu-se rezultatele obtinute pe camera de reactie pilot, se re-calculeaza
puterea necesara a agitatoarelor mecanice.
In timpul vizitei din luna martie a anului 2014, s-a observat ca temperatura apei
inregistra valori de ordinul 8.1o
C, astfel ca s-au realizat calcule in vederea retehnologizarii
considerandu-se o plaja larga de temperaturi cuprinsa intre 0o C si 30
o C
Capitolul 5. Cercetari la scara industriala
35
5.4.1.1 Retehnologizare CRR, treapta de pre-decantare
Recomandare. In cazul celor 2 camere de reactie rapida se recomanda retehnologizarea
acestora prin echiparea cu doua noi agitatoare mecanice a caror putere (cu ajutorul
variatorului de frecventa) sa se incadreze in intervalul P=13 - 30 kW.
Iar ca o masura suplimentara in vederea optimizarii proceselor de coagulare-floculare se
propune montarea a 4 deflectori de energie pe laturile camerelor, conform Figura 5-3.
5.4.1.2 Retehnologizare CRL, treapta de pre-decantare
Recomandare. In cazul celor 2 camere de reactie lenta se recomanda retehnologizarea
acestora prin echiparea cu cate doua noi agitatoare mecanice a caror putere insumata (nu
ajutorul variatorului de frecventa) sa se incadreze in intervalul P=3 - 9 kW.
Iar ca o masura suplimentara in vederea optimizarii proceselor de coagulare-floculare se
propune montarea a 6 deflectori de energie pe laturile camerelor, conform Figura 5-3.
5.4.1.3 Retehnologizare CRR, treapta de decantare
Recomandare. In cazul celor 2 camere de reactie rapida se recomanda retehnologizarea
acestora prin echiparea cu doua noi agitatoare mecanice a caror putere (nu ajutorul
variatorului de frecventa) sa se incadreze in intervalul P=12 - 27 kW.
Iar ca o masura suplimentara in vederea optimizarii proceselor de coagulare-floculare se
propune montarea a 4 deflectori de energie pe laturile camerelor, conform Figura 5-3.
5.4.1.4 Retehnologizare CRL, treapta de decantare
Recomandare. In cazul celor 2 camere de reactie lenta se recomanda retehnologizarea
acestora prin echiparea cu cate doua noi agitatoare mecanice a caror putere insumata (nu
ajutorul variatorului de frecventa) sa se incadreze in intervalul P=2 - 5 kW.
Iar ca o masura suplimentara in vederea optimizarii proceselor de coagulare-floculare se
propune montarea unor deflectori de energie pe laturile camerelor.
Capitolul 5. Cercetari la scara industriala
36
CAMERA
DE
DISTRIBUTIE
CAMERA
REACTIE LENTA
V=645 m³
STATIE DE POMPARE NAMOL
(1+1) POMPE
Q=450 mc/h, H=3 m, P=9 kW
STATIE DE POMPARE APA BRUTA
(2+1) POMPE
Q=1980 mc/h, H=12 m, P=110 kW
Q =2000 m³/h
CANAL COLECTOR
SPRE CAMERELE DE
REACTIE LENTA
CAMERA
DE
CONTACT
DECANTOR
LAMELAR
CAMERA REACTIE
RAPIDA
STATIE DE POMPARE NAMOL
(1+1) POMPE
Q=450 mc/h, H=3 m, P=9 kW
CAMERA
DE
CONTACT
DECANTOR
LAMELAR
Agitator propus
P=1.5 - 12 kW
Agitator propus
P=1.5 - 12 kW
CAMERA
REACTIE LENTA
V=645 m³
Agitator propus
P=1.5 - 12 kW
Agitator propus
P=1.5 - 12 kW
Agitator propus
P=12 - 110 kW
Agitator propus
P=12 - 110 kW
Agitator propus
P=12 - 110 kW
CAMERA REACTIE
RAPIDA
CAMERA REACTIE
RAPIDA
Agitator propus
P=13 - 122 kW
Agitator propus
P=13 - 122 kW
CAMERA REACTIE
RAPIDA
CAMERA REACTIE
RAPIDA
DEFLECTORI
DEFLECTORI
DEFLECTORI
Figura 5-3 Recomandari de optimizare a camerelor de reactie din treapta de pre-decantare
Capitolul 5. Cercetari la scara industriala
37
In prezent agitatoarele camerelor de reactie sunt prevazute cu variatoare de frecventa,
care se vor pastra pe pozitie si vor avea rolul de a ajusta turatia motoarelor electrice pentru
setarea optima a acestora. Dupa implementarea masurilor recomandate se asteapta o
imbunatatire semnificativa a proceselor de coagulare-floculare, cat si o reducere a dozelor de
reactivi chimici utilizati.
Graficele gradientului de viteza aferente fiecarei camera de reactie se pot utiliza in
mod practic in statia de tratare pentru setarea corecta a agitatoarelor mecanice. In urma
implementarii masurilor recomandate este posibila automatizarea agitatoarelor mecanice prin
conectarea la sistemul existent de comanda si control cu care este echipata statia de tratare.
Astfel ca prin automatizare turatia agitatoarelor se poate ajusta in mod direct in functie de
temperatura apei brute.
Deflectorii recomandati in cadrul prezentei lucrari pot fi realizati beton armat si
conectati la peretii existenti sau pot fi realizati din metal (inox) si conectati la peretii existenti.
Dimensiunile acestora pot sa varieze in intervalul 20 - 50 cm, cu precizarea ca nu trebui sa
pericliteze functionarea elicei agitatorului. Inaltimea deflectorilor va fi egala cu nivelul apei
in camera.
S-a observat in prezentul studiu de cercetare ca odata cu montarea deflectorilor in
camerele de reactie, randamentul global de transfer are o crestere de 5% fata de randamentul
existent. O astfel de masura simpla de optimizare poate reprezenta o imbunatatire
considerabila a proceselor de coagulare-floculare, implicit a procesului de tratare.
Cea de-a doua masura identificata in cadrul prezentului studiu de cercetare o
reprezinta reducerea volumului camerei de reactie. Aceasta masura a condus la rezultate mai
bune dar care pentru implementare necesita costuri relativ mari. Un alt aspect il reprezinta
faptul ca prin reducerea volumului camerei este in mod direct afectat timpul de reactie, care
este un parametru important ce trebui respectat. Un dezavantaj major il reprezinta ca odata
modificat volumul camerei, ajustarea functie de fluctuatiile debitului este mult ingreunata.
In concluzie se recomanda echiparea corezpunzatoare a camerelor de reactie si
anume:
Agitatoare mecanice actionate de motoare electrice a caror putere sa corespunda
situatiei existente;
Variatoare de frecventa pentru ajustarea agitatoarelor functie de temperatura apei;
Deflectori de energie la interiorul camerei pentru optimizarea procesului.
Capitolul 6. Concluzii
38
6 CONCLUZII
6.1 Concluzii generale
Prezenta lucrare de doctorat este dezvoltata in 5 capitole si concluzii generale si
cuprinde: 142 pagini, 64 figuri, 47 tabele, 15 grafice, 108 relatii de calcul, precum si o lista de
semnalari bibliografice cu 89 de titluri.
In Capitolul 1 sunt prezentate consideratiile preliminare care au stat la baza realizarii
acestei lucrari, cat si obiectivul cercetarii considerate ca fiind de actualitate. Se face referire la
rezultatele cercetarilor anterioare ce au vizat optimizarea proceselor de coagulare-floculare,
realizandu-se ca inca este necesara abordarea acestei teme de cercetare.
O detaliere a elementelor teoretice ce reprezinta fundamentul privind tratarea apei cu
scopul potabilizarii sunt prezentate in cadrul Capitolului 2. Sunt prezentate cateva dintre
procesele de tratare considerate cele mai importante si uzuale in domeniul tratarii apei.
Totodata in cadrul Capitolului 2 se trateaza stadiul actual de dezvoltare al proceselor de
coagulare-floculare, sunt enuntate mecanismele de destabilizare a particulelor coloidale,
compresia stratului dublu electric, metode de stabilire a dozelor de reactivi, neutralizarea
sarcinii electrice de suprafata, alegerea reactivilor si a solutiilor tehnice pentru desfasurarea
optima a proceselor de coagulare-floculare.
Capitolul 3 prezinta cateva dintre camerele de reactie ce au fost utilizate in cadrul
statiilor de tratare, observandu-se evolutia in timp a acestor obiecte tehnologice si se
evidentiaza importanta acestora in procesul de tratare. Totodata sunt prezentate cateva dintre
cele mai utilizate decantoare ce au in componenta lor camare de reactie, si in cazul acestora
observandu-se evolutia in timp a modului de functionare. Tot aici sunt detaliate
considerentele de proiectare ce au stat la baza realizarii camerelor de reactie si se deduce
dorinta continua a specialistilor in domeniu de a optimiza aceste obiecte tehnologice. Se
concluzioneaza prin faptul ca inca se mai pot realiza masuri de optimizarea a camerelor de
reactie si se incearca gasirea unor solutii simple care sa nu implice costuri mari de investitie
si operare.
In Capitolul 4 se prezinta modalitatea de dimensionare a camerei de reactie pilot, cat si
modul in care s-a confectionat aceasta. Mai sunt detaliate echipamentele cu care a fost dotata
camera de reactie (agitatorul mecanic, variatorul de frecventa). In subcapitolul 4.15 este
prezentat echipamentul de masura de tip Yatesmeter, unde se detaliaza componentele acestuia
si modul de functionare in cadrul prezentului studiu de cercetare.
In subcapitolul 4.2 este prezentat modul de lucru si ciclurile experimentale analizate,
urmand ca in subcapitolul 4.3 sa fie prezentate rezultatele masuratorilor realizate pe camera
de reactie pilot.
Masuratorile realizate pe camera de reactie pilot, ce a fost confectionata in cadrul
Laboratorului Colentina, al Universitatii Tehnice de Constructii Bucuresti, au avut ca scop
principal intelegerea proceselor de coagulare-floculare ce au loc in camerele de reactie.
Capitolul 5 abordeaza modul de functionare al camerelor de reactie la scara industriala.
Se prezinta situatia existenta a statiei de tratare Santana de Mures, aferenta municipiului
Targu Mures, unde sunt detaliate obiectele tehnologice componente si modul de functionare
al acestora. S-au determinat parametrii actuali de functionare ai camerelor de reactie rapida si
lenta, aferente treptelor de pre-decantare si decantare, cu scopul de a analiza randamentul
existent de functionare.
Capitolul 6. Concluzii
39
Dupa analiza detaliata a modului de functionare al camerelor de reactie s-au facut
recomandari de retehnologizare cu scopul de a optimiza procesele de coagulare-floculare,
implicit a procesului de tratare al statiei.
In Capitolul 6 se prezinta concluziile si contributiile personale rezultate in urma
analizarii cercetarilor efectuate cu scopul optimizarii camerelor de reactie.
6.2 Elemente de originalitate si contributiile autorului
S-a construit o camera de reactie la scara, capabila sa simuleze procesele de coagulare-
floculare si sa vehiculeze debite de apa cuprinse in intervalul 100-1400 l/h. Debitul optim de
functionare al camerei construite este de 200 l/h, cu un randament de transfer de aproximativ
54%.
S-au realizat teste la scara pilot in vederea stabilirii randamentului de transfer a energiei
mecanice in masa de apa. Pentru aceasta s-au utilizat urmatoarele echipamente:
1. Camera de reactie pilot – Laboratorul Colentina, UTCB – cu debite de apa cuprinse in
intervalul 100-400 l/h;
2. Echipamentul de masura a diferentie de temperatura intre intrarea si iesirea din
camera, Yatesmeter;
3. Agitatorul mecanic camera de reactie compus din: motor electric, variator de
frecventa si ax cu elice.
S-au realizat masuratori ale diferentei de temperatura pentru determinarea
randamentului global de transfer al camerei de reactie pilot si pentru a realiza gradientul
optim de viteza in interiorul camerei de reactie.
Debitul optim de functionare al camerei este de 200 l/h, la o turatie a agitatorului
mecanic de 1000 rpm ce conduce la realizarea unui gradient de viteza cuprins in intervalul
600-700 s-1
.
La finalizarea masuratorilor s-a constatat ca randamentul global de transfer al energiei
mecanice in masa de apa este de aproximativ 50%.
O prima masura de optimizare a camerelor de reactie pentru cresterea randamentului de
transfer, fara a creste energia consumata, o constituie montarea unor deflectori in interiorul
camerelor de reactie. Montarea deflectorilor este o masura simpla de optimizarea a camerelor
de reactie care nu implica costuri ridicate de implementare, dar care poate conduce la o
crestere a randamentului de pana la 5%.
O a doua masura de optimizare o constituie reducerea volumului interior al camerei,
solutie ce s-a dovedit a fi mai eficienta decat montarea la interior a deflectorilor, dar care in
practica implica costuri suplimentare.
Aceste masuri de optimizare conduc la o crestere a randamentului de transfer cu circa
5-8%, fapt care determina o mai buna eficienta a proceselor de coagulare-floculare si o
eventuala reducere a consumurilor de energie.
S-au realizat teste pe camerele de reactie existente si functionale in cadrul statiei de
tratare aferenta municipiului Targu Mures, pentru care s-au determinat parametrii de
functionare. Totodata s-au facut recomandari pentru optimizarea modului de functionare ce
vor avea ca rezultat reducerea consumului de energie si imbunatatirea proceselor de
coagulare-floculare, cat si cresterea randamentului obiectelor situate in aval.
Capitolul 6. Concluzii
40
In prezent cea mai comuna metoda utilizata de operatorii de apa pentru imbunatatirea
randamentului proceselor de coagulare-floculare, nu a randamentului camerelor de reactie,
este cresterea dozelor de reactivi. Aceasta metoda constituie un cost suplimentar nedorit adus
productiei de apa potabila.
Cateva dintre metodele simple de optimizare propuse in cadrul lucrarii sunt:
Reducerea volumului camerelor de reactie;
Montarea deflectorilor de energie in interiorul camerelor de reactie;
Re-echiparea cu agitatoare corespunzatoare proceselor de coagulare-floculare;
Dotarea agitatoarelor cu variatoare de frecventa;
Astfel ca pentru a tine pasul cu cresterea cerintei de apa potabila si cu cresterea
gradului de poluare al apelor, sunt necesare solutii simple de optimizare a proceselor
tehnologice existente.
In concluzie, in urma elaborarii prezentei lucrarii de doctorat s-au realizat urmatoarele:
1. S-a propus o metoda originala de determinare a randamentului camerelor de reactie -
masurarea diferentelor de temperatura intre intrare si iesire, prin intermediul
echipamentului de masura de tip Yatesmeter, la precizie de o miime de grad Kelvin;
2. S-au analizat diverse configuratii de camere de reactie si s-au determinat
randamentele de transfer a energiei in masa de apa pentru camere de reactie, atat la
scara de laborator cat si la scara industriala;
3. Se propune o metoda de crestere a randamentului camerelor de reactie fara a creste
puterea motoarelor agitatoarelor;
4. S-a analizat un complex de camere de reactie din cadrul unei statii de tratare pentru un
oras cu o populatie de aproximativ 138.290 locuitori si, constatandu-se lipsa de
eficienta a procesului, se propun masuri de retehnologizare.
Rezultatele tezei au fost valorificate intr-o serie de publicatii stiintifice printre care se
mentioneaza:
- Articol “Proiectarea unei camera de reactie pilot pentru studiul proceselor de
coagulare-floculare din statiile de tratare” , autor Ing. Bichir Marius-Costin,
publicat in cadrul revistei de specialitate ROMAQUA Nr. 2/2014.
- Articol “Determination of Energy Efficiency of the Reaction Chambers from the
Drinking Water Treatment Plants” autorii Ing. Bichir Marius-Costin si Prof. Univ.
Dr. Ing, Racoviteanu Gabriel, publicat si sustinut in cadrul Young Water
Professionals Conference, 15-17 Iunie 2014, Bucuresti.
Capitolul 6. Concluzii
41
6.3 Perspectiva de dezvoltare a subiectului
Se considera necesara determinarea conditiilor si randamentelor reale de exploatare a
camerelor de reactie din cadrul statiilor de tratare existente. In situatia in care se observa un
randament scazut al acestor obiecte tehnologice, se pot propune masuri de optimizare menite
sa imbunatateasca rezultatele proceselor de coagulare-floculare, fara cresterea consumului
energetic.
Statiile de tratare au nevoie in permanenta de solutii viabile care sa aduca un aport
pozitiv proceselor de tratare, care sa se reflecte in cele din urma in calitatea apei potabile.
Consumatorii casnici sunt din ce in ce mai sceptici privind calitatea apei potabile, astfel ca
operatorii companiilor de apa trebuie sa le recastige treptat increderea oferindu-le o apa de
calitate la un cost rezonabil.
In perspectiva se propune ca in urmatoarele studii de tratabilitate ce se vor realiza pe
statia de tratare pilot aflata in dotarea Laboratorului Colentina, UTCB, sa se integreze camera
de reatie pilot. Prin integrarea acesteia in schema de tratare se pot realiza masuratori ale
randamentului camerei functie de doza de reactiv adaugata. Practic se doreste a se determina
cu ce procent se va reduce doza de reactiv.
Se propune analiza detaliata a statiilor existente de tratare care au in componenta
camere de reactie cu agitare mecanica, pentru determinarea parametrilor de functionare cu
scopul de a verifica corectitudinea modului de operare.
Abrevieri, notatii, prescurtari
42
BIBLIOGRAFIE SELECTIVA
1 AWWA. – Water quality and treatment. Fifth Edition, McGraw Hill, New York, USA,
1999.
9 BICHIR C. – Proiectarea unei camera de reactie pilot pentru studiul proceselor de
coagulare-floculare din statiile de tratare. ROMAQUA magazine, No. 2/2014.
13 BICHIR C., RACOVITEANU G. – Determination of Energy Efficiency of the Reaction
Chambers from the Drinking Water Treatment Plants. Young Water Professionals
Conference”, 15-17 June 2014, Bucharest.
22 DEGREMONT. – Memento Technique de l'Eau. Lavoisier, Paris, 1989.
26 DIRECTIVA 98/83/EC. – Calitatea apei destinata consumului uman. Official Journal of
the European Communities, 1998.
29 EDWARDS, M. – Predicting DOC removal during enhanced coagulation. Jour AWWA,
85(5), 1997: 78 – 89.
30 EDZWALD J.K. – Coagulation in drinking water treatment: Particles, organics and
coagulants. Water Science Technology, 27 (11), 1993: 21 – 35.
31 EDZWALD, J.K. ET AL. – Organics removal by coagulation: a review and research
needs. Jour AWWA, Oct.1979.
32 HALL, E.S., PACKHAM, R.F. – Coagulation of organic color with hydrolyzing
coagulants. Journal AWWA, Sept. 1965.
35 IANCULESCU OVIDIU, IANCULESCU DAN. – Procesul de coagulare-floculare in
tratarea apei de alimentare. Optimizarea camerelor de reactie din statiile de tratare.
Bucuresti, Editura MatrixRom, 2002.
36 INFRAWATER, SUBCONTRACTANT AL CES CONSULTING ENGINEERS
SALZGITTER. – IMPROVEMENTS ON PRELIMINARY TREATMENT AND
CHLORINATION. SECOND DUSHANBE WATER SUPPLY PROJECT, Republic of
Tajikistan, 2013.
37 INFRAWATER, SUBCONTRACTANT AL CES CONSULTING ENGINEERS
SALZGITTER. – Kampala Water - Lake Victoria WatSan Project, "Quick Win - No
Regret". Uganda, 2012.
42 JALBA, R. – Contributii privind optimizarea proceselor de tratare a apei în vederea
reducerii concentratiei de aluminiu rezidual. Bucuresti, UTCB, Teza de doctorat, 1994.
48 LETTERMAN, R.D. – Filtration Strategies to Meet the Surface Water Treatment Rule.
Denver, CO: America Water Works Association, 1991.
49 LETTERMAN, R.D., C.T. DISCOL. – Control of residual Aluminum in Filtered Water.
Final report to American Water Works Association Research Fundation, Denver, CO,
135pp, 1993.
52 MANESCU ALEXANDRU. – Alimentari cu Apa. Aplicatii. Bucuresti, Editura H.G.A.,
1998.
Abrevieri, notatii, prescurtari
43
53 MANESCU ALEXANDRU, PERJU SORIN. – Exploatarea sistemelor de alimentare cu
apa si canalizare. Bucuresti, Editura Conspress, 2011.
54 MANESCU ALEXANDRU, SANDU MARIN, IANCULESCU OVIDIU. – Alimentari cu
apa. Bucuresti, Editura Didactica si Pedagogica, 1994.
55 MATEESCU CRISTEA. – Hidraulica. Bucuresti, Editura Didactica si Pedagogica, 1963.
56 MCGUIRE, M.J., ET AL. – Disinfection by-products in United States drinking waters,
USEPA & AWWA, Cincinnati and Washington, 1989.
58 OTV. – Le procede ACTIFLO. Prospect.
59 PARLAMENTUL ROMANIEI. - Legea 458/2002 republicata - Calitatea apei potabile.
Monitorul oficial al Romaniei, 2011.
60 RACOVITEANU GABRIEL. – Teoria decantarii si filtrarii apei. Bucuresti, Editura
MatrixRom, 2003.
61 RACOVITEANU GABRIEL. – Teza de doctorat: Optimizarea schemelor tehnologice ale
statiilor de potabilizare a apei. Bucuresti, 1999.
63 RACOVITEANU, G.STEFANESCU, C., MEGELEA, E. – Perfectionarea proceselor de
coagulare- floculare; Incercari efectuate in uzinele de apa din tara noastra. Sesiunea
Stiintifica U.T.C.B. – C.N.P.D.A.R., (oct.1997).
64 SANDU MARIN. – Proiectarea, executia si exploatarea sistemelor de alimentare cu apa
si canalizare. Partea I-a: Sisteme de alimentare cu apa. Bucuresti, Editura Didactica si
Pedagogica, 2011.
65 SANDU MARIN, MANESCU ALEXANDRU. – Constructii Hidroedilitare. Bucuresti,
Editura Conspress, 2010.
66 SANDU MARIN, RACOVITEANU GABRIEL. – Manual pentru Inspectia Sanitara si
Monitorizarea Calitatii Apei in Sistemele de Alimentare cu Apa. Bucuresti, Editura
Conspress, 2006.
69 SMOLUCHOVSKI, M. – Versun einer mathematischen theorie der koagulationskinetic
kolloider losunger. Zeitschrift Physicalische Chemie, 1917.
72 TROFIN PETRE. – Alimentari cu apa. Bucuresti, Editura Didactica si Pedagogica, 1972.
76 VULPASU ELENA. – Teza de doctorat: Optimizarea chimica a procesului de coagulare-
floculare in potabilizarea apie. Bucuresti, Editura Conspress, 2008.
77 VULPASU ELENA. – Tratarea Apei. Coagulare. Bucuresti, Editura Didactica si
Pedagogica, 2008.
85 WWW.SULZER.COM/EN/PRODUCTS-AND-SERVICES/AGITATORS-MIXERS-
AND-DISPENSERS/STATIC-MIXERS.
86 WWW.YATESMETER.CO.UK/.