1
Agregace v reálných systémech
Úprava podzemních a povrchových vod – 4. přednáška
Zjednodušující předpoklady při popisu kinetiky agregace:
o
o
o
o
o
o
koeficient účinnosti srážek (kolizní koeficient) α = 1,
pohyb částic je zapříčiněn laminárním prouděním kapaliny,
všechny částice v suspenzi mají stejnou velikost,
částice mají kulovitý tvar,
nedochází k rozbíjení částic,
při kolizi se střetávají vždy pouze dvě částice
Realita:
o
o
o
o
o
o
koeficient účinnosti srážek (kolizní koeficient) α < 1,
pohyb částic je zapříčiněn turbulentním prouděním kapaliny,
částice v suspenzi mají různou velikost,
částice vesměs nemají kulovitý tvar,
částice podléhají rozbíjení,
při kolizi se střetává různý počet částic
Pivokonský, ÚŽP PřF UK
2
Agregace v reálných systémech
Úprava podzemních a povrchových vod – 4. přednáška
Modelování kinetiky agregace a rozbíjení
Pivokonský, ÚŽP PřF UK
3
Agregace v reálných systémech
Modelování kinetiky agregace a rozbíjení


Úprava podzemních a povrchových vod – 4. přednáška
dN i i 2 j i 1
1
  2  ki 1, j N i 1 N j   ki 1,i 1 N i21
dt
2
j 1
i 1


 N i  2 j i  kij N j  N i   kij N j  
j 1
max1
 
max 2
j i
j i
i, j
S j N j   Si N i
intenzita rozpadu Si
1/ 2
 4    
Si  
 

15
   

1/ 2
 
exp k 
 
 - střední rychlost disipace turbulentní energie,
ν - kinematická viskozita
εk - kritická rychlost disipace turbulentní energie
rozpadová distribuční funkce Γi,j – binární distribuce na 2 stejné části
ij 
Vj
Vi
=> pro j = i + 1
ij  0
=> pro j  i + 1
Vi a Vj - objemy agregátů i a j
Pivokonský, ÚŽP PřF UK
4
Agregace v reálných systémech
Modelování kinetiky agregace pomocí fraktální geometrie
Úprava podzemních a povrchových vod – 4. přednáška
Konvenční model agregace
k ij (Vi , V j ) perikin
 2k B T   1
1
  1 / 3  1 / 3
 
Vj
 3   Vi
k ij (Vi , V j ) ortokin 
G


  Vi1 / 3  V j1 / 3




 Vi1 / 3  V j1 / 3


3
Fraktální model agregace
k ij (Vi , V j ) perikin
 2k B T   1
1
  1 / D  1 / D
 
 3   Vi f V j f
kij (Vi , V j ) ortokin 
G

13 / D f
Vp
V
i
1/ D f

  V 1/ Df  V 1/ Df
j
 i




1/ D f 3
Vj
Pivokonský, ÚŽP PřF UK
5
Úprava podzemních a povrchových vod – 4. přednáška
Agregace v reálných systémech
Základním nedostatkem výše uvedených kinetických modelů
popisujících proces tvorby agregátů je jejich omezená využitelnost
v praxi při sledování změn vlastností tvořících se agregátů. Praktické
využití naopak umožňuje tzv. mechanistický model agregace, který byl
rozpracován do tzv. testu agregace.
Mechanistický model agregace (Hereit, Mutl, Vágner)
=> koncept agregace předpokládající vícestupňovou strukturu agregátů
Neagregované částice (NA) primární agregáty (PR)  mikro-agregáty (MI)
 makro-agregáty (MA)
Primární částice  Flokule  Mikrovločky  Vločkovité agregáty
Pivokonský, ÚŽP PřF UK
6
Agregace v reálných systémech
Úprava podzemních a povrchových vod – 4. přednáška
Zjednodušující předpoklady mechanistického modelu agregace:
o
o
o
o
o
o
agregující systém obsahuje pouze jeden typ částic,
agregující částice jsou v celém objemu rozděleny rovnoměrně,
podmínky umožňující pohyb částic jsou stejné pro všechny částice,
růst agregátů je pravidelný a probíhá krok za krokem (dvě sousední
částice se spojí do dubletů a dva sousední dublety do kvadrupletů,
které se stávají novými základními jednotkami pro další agregaci),
základní kulové částice jsou v kvadrupletu uspořádány tak, že jejich
středy leží ve vrcholech čtyřstěnu, a částice se vzájemně dotýkají,
kvadruplet je považován za jednu vývojovou populaci (generaci)
agregátů
a) schematické znázornění uspořádání částic v čtyřstěnu, b) pohled shora
Pivokonský, ÚŽP PřF UK
7
Agregace v reálných systémech
Název skupiny
Úprava podzemních a povrchových vod – 4. přednáška
Makro-agregáty
Mikro- agregáty
Primární agregáty
Neagregovaný podíl
Velikost
agregátů
> 1 mm
Charakteristika
agregátů
Částice, které se usadí v
kratším čase než 5 min.
0.05-1
mm
Částice, které se usadí v
čase mezi 5 a 60 min.
0.005-0.05
mm
Částice, které se usadí v
čase mezi 60 a 440 min.
Sedimentace v
gravitačním poli byla
nahrazena sedimentací v
odstředivém poli.
< 0.005
mm
Částice, které nejsou
ovlivněny gravitačním
polem a neusadí se ani
po velmi dlouhé době.
Podíl agregátů výpočet
PMA 
PMI 
PPR =
C0  C5
C0
C 5  C 60
C0
C60 - C F ( 60 )
PNA =
C0
C F ( 60 )
C0
Vhodná
separace
Popis technologie a
probíhající procesy
Sedimentace a
filtrace
Homogenizace dest.
činidla, tvorba mikro- a
makro-agregátů,
sedimentace vytvořených
agregátů a separace
zbývajících částic na filtru.
Dvoustupňová
filtrace (čiření a
filtrace)
Homogenizace dest.
činidla, současná agregace
a filtrace mikro-agregátů
v dokonale vznášeném
vločkovém mraku (obvykle
v čiřiči) a separace
zbývajících částic na filtru.
Přímá filtrace
Homogenizace dest.
činidla, tvorba primárních
agregátů v rychle míchané
nádrži, filtrace.
Koagulační
(agregační)
filtrace
Homogenizace dest. činidla
a okamžitý nátok vody na
filtr. Adheze
destabilizovaných částic na
povrchu filtračního
materiálu.
C0 - celková počáteční koncentrace hliníku nebo železa na začátku sedimentace,
C5 - koncentrace po 5 minutách sedimentace, C60 - koncentrace po 60 minutách sedimentace,
CF(60) - koncentrace po odstředění (3500 rpm = 1996 x g, 20 min)
Pivokonský, ÚŽP PřF UK
8
Úprava podzemních a povrchových vod – 4. přednáška
Tvorba suspenze - Míchání
Míchání
1) homogenizační – aplikace bezprostředně po nadávkování činidel s cílem
dosažení jejich účinné a rychlé dispergace v upravovaném
objemu vody
stupeň homogenity αH - účinnost homogenizace činidel
c  c  c  .......  cn
H  1 2 3
n
n - počet odebraných vzorků,
c1, c2, c3, …, cn - relativní koncentrace
sledované (rozmíchávané) složky
v jednotlivých odebraných vzorcích
ci 
i
i 0
pro
i  i 0
ci 
1  i
1  i 0
pro
i  i 0
i - objemový podíl analyzované složky v i-tém vzorku
i 0 - teoretická hodnota objemového podílu při
dokonalé homogenizaci
Pivokonský, ÚŽP PřF UK
9
Tvorba suspenze - Míchání
Úprava podzemních a povrchových vod – 4. přednáška
Design technologie homogenizačního míchání
typ míchání
mechanické - back-mix reaktory
hydraulické - plug-flow (in-line) reaktory
princip a design
míchání
energie je do systému vnášena
míchadlem (pádlo, čepel, vrtule)
pohybujícím se v nádrži
míchání je dosahováno vznikem tlakové
ztráty na překážce v potrubí
ovládání
velikosti G
změnou otáček míchadla
nelze - závislý na průtoku vody
doba zdržení
stejná doba zdržení pro všechny
částice je obtížně zajistitelná
doba zdržení je pro všechny částice stejná
Mechanické mísiče
doba zdržení cca 10 – 60 s
G = cca 300 s-1
Výhody
=> možnost nastavení hodnoty G
změnou otáček míchadla
Nevýhody
=> nehomogenní hydraulické podmínky
=> nerovnoměrná doba zdržení
Pivokonský, ÚŽP PřF UK
10
Tvorba suspenze - Míchání
Úprava podzemních a povrchových vod – 4. přednáška
Hydraulické (průtočné) mísiče
Nevýhody
=> G závislé na průtoku, nelze
ovládat
statické mísiče
ohyby potrubí
zužování a rozšiřování potrubí
mísiče s dutou clonou
difúzní rošty
Výhody
vodní skok v kanálu
=> rovnoměrná doba zdržení
statické mísiče
Pivokonský, ÚŽP PřF UK
11
Tvorba suspenze - Míchání
Úprava podzemních a povrchových vod – 4. přednáška
Hydraulické (průtočné) mísiče
Náhlé rozšíření potrubí
Potrubí s dvěma clonami za sebou
Vodní skok v kanálu
Difúzní rošt v kanálu
Pivokonský, ÚŽP PřF UK
12
Tvorba suspenze - Míchání
Míchání
Úprava podzemních a povrchových vod – 4. přednáška
2) agregační – aplikace v průběhu agregace za účelem vzájemných
kontaktů jednotlivých částic či agregátů
a) rychlé – tvorba nižších vývojových stadií (primární částice a mikroagregáty)
-1
G = 100 až 400 s
t = dosažení velikostní homogenizace agregátů (steady state)
b) pomalé – tvorba makro-agregátů
G = 20 až 100 s-1
t = 5 – 30 min.
Pomalé agregační míchání by mělo být vždy aplikováno po rychlém
agregačním míchání, nikoliv pouze po homogenizaci,
jak je tomu dnes na většině úpraven vody!!!
Pivokonský, ÚŽP PřF UK
13
Tvorba suspenze - Míchání
Design technologie agregačního míchání - hydraulické míchání
Úprava podzemních a povrchových vod – 4. přednáška
Flokulační kanál:
a) vertikální uspořádání
(over-and-under baffles)
b) horizontální uspořádání
(around-the-end baffles)
Rozložení rychlostního pole (a) a gradientů rychlosti (b) ve flokulačním kanále
Pivokonský, ÚŽP PřF UK
14
Tvorba suspenze - Míchání
Úprava podzemních a povrchových vod – 4. přednáška
Design technologie agregačního míchání - hydraulické míchání
Děrované stěny
Fluidní (vznášená) vrstva
Pivokonský, ÚŽP PřF UK
15
Tvorba suspenze - Míchání
Design technologie agregačního míchání - mechanické míchání
Míchadla s tangenciálním prouděním:
Úprava podzemních a povrchových vod – 4. přednáška
a) pádlové míchadlo s vertikální hřídelí
b) pádlové míchadlo s horizontální hřídelí
Míchadla s vratným pohybem: a) kyvadlová, b) vahadlová
Pivokonský, ÚŽP PřF UK
Hodnocení účinnosti destabilizace a agregace
16
Úprava podzemních a povrchových vod – 4. přednáška
Neodstranitelný podíl => nedestabilizované nebo destabilizované ale
dostatečně neagregované částice znečišťujících příměsí, neagregované
částice destabilizačního činidla nebo produktů jeho hydrolýzy
stupně destabilizace αD
ND
D 
N0
=>
C0  CNED
D 
C0
rozsah hodnot 0 – 1
ND - počet destabilizovaných částic
N0 - celkový počet částic
C0 - počáteční koncentrace analyticky
sledované složky určité
příměsí (TOC, Al, Fe atd.)
CNED - množství nedestabilizovaných částic
vyjádřených jako koncentrace
sledované složky určité
příměsí (TOC, Al, Fe atd.)
D = 0 => destabilizace vůbec neproběhla
D = 1 => destabilizace proběhla kvantitativně - všechny částice
obsažené v surové vodě byly účinně destabilizovány
Stupeň destabilizace je závislý především na charakteru znečišťujících příměsí,
typu a dávce destabilizačního činidla a také hodnotě pH.
Pivokonský, ÚŽP PřF UK
Hodnocení účinnosti destabilizace a agregace
Úprava podzemních a povrchových vod – 4. přednáška
stupně agregace αA
NA
 A
N0
=>
C0  C NEA
A 
C0
rozsah hodnot 0 – 1
NA - počet agregovaných částic
N0 - celkový počet částic
C0 - počáteční koncentrace analyticky
sledované složky určité
příměsi (TOC, Al, Fe atd.)
CNED - množství neagregovaných částic
vyjádřených jako koncentrace
sledované složky určité
příměsi (TOC, Al, Fe atd.)
D = 0 => agregace vůbec neproběhla
D = 1 => agregace proběhla kvantitativně - všechny částice
obsažené v surové vodě byly účinně agregovány
Stupeň agregace je kriteriem charakterizujícím průběh tvorby odstranitelných
agregátů a je používán při hodnocení zaměřeném na optimalizaci parametrů
míchacích zařízení, jejich rozdílných konstrukcí a případných technologických
sestav. Stupeň agregace je ovlivněn především podmínkami
agregačního míchání, tj. jeho intenzitou a dobou.
Pivokonský, ÚŽP PřF UK
17
Hodnocení účinnosti destabilizace a agregace
Úprava podzemních a povrchových vod – 4. přednáška
stupně destabilizace αD – praktické stanovení
D
C0  C F ( HM )
C0
C0 - počáteční koncentrace sledované složky
(pro ukazatel TOC stanovená v surové vodě
po odstředění, pro ukazatel Al/Fe stanovená
po nadávkování příslušného destabilizačního činidla)
CF(HM) - koncentrace sledované složky
(např. Al, Fe, TOC atd.) stanovená
v odstředěném vzorku po homogenizačním míchání
stupně agregace αA – praktické stanovení
A 
C 0  C F ( A)
C0
C0 - počáteční koncentrace sledované složky
(např. Al, Fe, TOC atd.) stanovená
ve vzorku surové vody
CF(A) - koncentrace sledované složky
(např. Al, Fe, TOC atd.) stanovená
v odstředěném vzorku po agregaci
Pivokonský, ÚŽP PřF UK
18
Hodnocení účinnosti destabilizace a agregace
Úprava podzemních a povrchových vod – 4. přednáška
Test agregace
- sedimentační analýza odvozená na základě
mechanistického modelu agregace
- slouží k hodnocení okamžitého stavu vývoje agregátů v určitém
okamžiku sledování, např. posouzení vlivu určitých gradientů rychlosti
a doby míchání na charakter vznikajících agregátů s ohledem na možnosti
jejich následné separace
- průběh procesu úpravy v závislosti na čase, případně v jednotlivých
fázích úpravy se projevuje především změnami ve velikostech tvořených
agregátů => vymezení čtyř vývojových stádií částic/agregátů:
neagregované částice (NA), primární agregáty (PR),
mikro-agregáty (MI), makro-agregáty (MA) s rozdílnými
možnostmi jejich separace
Pivokonský, ÚŽP PřF UK
19
Hodnocení účinnosti destabilizace a agregace
Neagregovaný podíl částic (NA)
Úprava podzemních a povrchových vod – 4. přednáška
- odpovídá neodstranitelnému podílu částic
PNA 
C F ( 60 )
- poměr koncentrace sledované složky
určité příměsi (např. Al, Fe, TOC atd.)
v odstředěném vzorku po 60 minutách
usazování (CF(60)) k celkovému obsahu
sledované složky stanovené v počátku sedimentace (C0)
C0
Primární agregáty (PR)
- odstranitelné agregáty s dobou sedimentace
delší než 60 min.
- poměr rozdílu koncentrace sledované složky
určité příměsi po 60 min. sedimentace (C60)
a koncentrace sledované složky v odstředěném
vzorku po 60 minutách sedimentace (CF(60))
k celkové koncentraci sledované složky stanovené
v počátku sedimentace (C0)
PPR 
C 60 C F ( 60 )
C0
Pivokonský, ÚŽP PřF UK
20
Hodnocení účinnosti destabilizace a agregace
Úprava podzemních a povrchových vod – 4. přednáška
Mikro-agregáty (MI)
C5 C 60
P 
C0
- odstranitelné prostou sedimentací v době
MI
mezi 5 až 60 minutami
- poměr rozdílu koncentrace sledované složky
stanovené ve vzorcích po 5 a 60 minutách
sedimentace (C5 - C60) k celkové koncentraci
sledované složky stanovené v počátku sedimentace (C0)
Makro-agregáty (MA)
C 0 C5
P 
C0
- agregáty odstranitelné prostou sedimentací
v době kratší než 5 minut
MA
- poměr podílu celkové koncentrace sledované
složky stanovené v počátku sedimentace (C0)
a ve vzorku odebraném po 5 ti minutách
sedimentace (C5) k celkové koncentraci
sledované složky stanovené v počátku sedimentace (C0)
Pivokonský, ÚŽP PřF UK
21
Hodnocení účinnosti destabilizace a agregace
Úprava podzemních a povrchových vod – 4. přednáška
Vyhodnocení testu agregace
Pivokonský, ÚŽP PřF UK
22
Download

Agregace v reálných systémech, míchání, hodnocení