Bichir Marius - Rezumat

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


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].


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)


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.


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:


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.


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;


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:


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].


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.


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.


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]


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.

…………………………………………………………………………………………..


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]


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].

…………………………………………………………………………………………


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].


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).


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]


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.


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.


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)


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]


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.


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:


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


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)


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:




n=9.6 rpm;


Caracteristicile camerelor de reactie rapida aferente treptei de decantare sunt

urmatoarele:



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:




n=11.6 rpm;


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


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


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.



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.



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.


propune montarea unor deflectori de energie pe laturile camerelor.


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


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.


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.


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.


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/.

Bichir Marius - Rezumat

Documents

Transcript of Bichir Marius - Rezumat