elemente de calcul şi proiectare pentru echipamente de reţinere a suspensiilor grosiere din apele...

Capitolul 2. Elemente de calcul şi proiectare pentru echipamente de reţinere a suspensiilor grosiere din apele uzate

2.1. Aspecte generale

La intrarea în treapta mecanică a staţiilor de epurare a apelor uzate urbane sunt prevăzute echipamente pentru reţinerea suspensiilor grosiere. Prin suspensii sau impurităţi grosiere se înţeleg frunze, gunoaie, materiale textile, materiale plastice, materiale metalice, hârtii, crengi, etc. acestea fiind transportate de apele uzate plutind la suprafaţă sau în interiorul curentului. Suspensiile grosiere reprezintă cca. 3 – 5% din totalul suspensiilor transportate de apa uzată [2, 3].

Echipamentele actuale pentru reţinerea suspensiilor grosiere, denumite şi echipamente de sitare, sunt agregate complexe care realizează reţinerea, transportul, deshidratarea-compactarea şi evacuarea suspensiilor grosiere având procese de lucru mecanizate sau automatizate şi asigurând o funcţionare precisă, sigură şi igienică.

Avându-se în vedere varietatea naturii, formei şi dimensiunilor suspensiilor grosiere, în cele mai multe cazuri, aceste echipamente au suprafeţele active de reţinere formate din reţele de bare paralele, denumite grătare, rezultând orificii de trecere ale apei uzate sub formă de fante. În anumite cazuri, în care apa uzată are o încărcătură cu impurităţi grosiere cu dimensiuni mai mici sau se doreşte o sitare mai accentuată a apei uzate suprafeţele active pot fi sub forma unor site din împletitură de sârmă, ţesătură textilă sau tablă perforată, având orificii de trecere sub formă de ochiuri. Indiferent dacă sunt grătare sau site, forma suprafeţei lor active de reţinere a impurităţilor poate fi plană sau curbă, iar din punct de vedere cinematic, suprafaţa activă de reţinere poate fi fixă sau mobilă.

În acest capitol vor fi prezentaţi algoritmii de calcul ai principalilor parametrii dimensionali, cinematici, dinamici şi energetici ai unor echipamente moderne reprezentative de sitare, folosite în staţiile de epurare actuale, şi anume: echipament de sitare cu grătar plan cu raclor de curăţare pe lanţuri, echipament de sitare cu grătar cilindric fix şi încărcare frontală şi echipament de sitare cu grătar cilindric mobil şi încărcare frontală.

2.2. Determinarea debitelor caracteristice de apă şi reţineri ale grătarelor

33

Determinarea debitelor caracteristice ale grătarelor

Debitul de calcul (dimensionare) Qc [m3/h] de apă uzată prelucrat de grătar sau sită se stabileşte în funcţie de procedeul de canalizare utilizat pentru aducerea apei uzate în staţia de epurare, astfel:

- pentru procedeul de canalizare unitar şi mixt: (2.1)

în care: Qu orar max [m3/h] - debitul orar maxim de apă uzată al localităţii deservite de staţia de epurare;

z - coeficient care ţine seama de neuniformitatea debitului apelor de canalizare introduse în staţie, cu valori între 2 - 4 (vezi paragraful 1.2 sau STAS 1846-90), în condiţii normale z având valoarea 2;

- pentru procedeul de canalizare separativ:

(2.2)

Debitul de verificare Qv [m3/h] de apă uzată prelucrat de grătar sau sită, indiferent de procedeul de canalizare utilizat pentru aducerea apei uzate în staţie, se stabileşte cu relaţia:

(2.3)în care: Qu orar min [m3/h] - debitul orar minim de apă uzată al localităţii

deservite de staţia de epurare.

Cantitatea specifică a [l/om an] de reţineri pe suprafaţa activă a grătarului sau sitei variază în funcţie de distanţa e [mm] dintre barele grătarului. Pe baza datelor experimentale din lucrarea [5], a fost stabilită prin regresie o relaţie orientativă de calcul a cantităţii specifice a şi anume:

(2.4)

în care: e [mm] – distanţa dintre barele grătarului.

Debitul volumic zilnic Qvr zi [m3/zi] de impurităţi reţinute de către grătar sau sită, cu umiditatea de 80%, se stabileşte cu relaţia:

(2.5)

în care: Ni – numărul de locuitori ai localităţii deservite de staţia de epurare;

k – coeficient de variaţie zilnică a debitului de substanţe reţinute pe grătare sau site, care ia valori între 2 – 5.

34

Debitul masic zilnic Qmr zi [kg/zi] de impurităţi reţinute de către grătar sau sită, cu umiditatea de 80%, este dat de relaţia:

(2.6)în care: r [kg/m3] – densitatea reţinerilor cu umiditate de 80%, care ia

valori între 750-950 kg/m3.

35

Elemente de calcul şi proiectare pentru echipamente de reţinere a suspensiilor grosiere din apele uzate

Masa zilnică mru zi [kg/zi] de substanţă uscată din reţineri, cu umiditatea 0, se stabileşte cu relaţia:

(2.7)

în care: w [%] – umiditatea reţinerilor, care se consideră că are valoarea 80%.

Volumul zilnic V ru zi [m3/zi] de substanţă uscată din reţineri, cu umiditate 0, se stabileşte cu relaţia:

(2.8)

în care: ru [kg/m3] – densitatea substanţei uscate din reţineri, cu umiditate 0, cu valori de 1600-2000 kg/m3.

2.3. Determinarea parametrilor principali ai echipamentului de sitare cu grătar plan şi greblă de curăţare pe lanţuri

2.3.1. Construcţia şi funcţionarea echipamentului de sitare cu grătar plan şi greblă de raclare pe lanţuri

Echipamentul de sitare cu grătar plan şi greblă de curăţare pe lanţuri [6] este compus din următoarele subansambluri componente principale (vezi figura 2.1): grătarul plan cu mecanism de curăţare cu greblă pe lanţuri (poz. I), transportorul-compactor pentru deshidratarea şi compactarea reţinerilor (poz. II), instalaţia de automatizare (poz. III), instalaţia de insuflare a aerului sub presiune (poz. IV).

Grătarul plan este compus din următoarele subansambluri: - cadrul 1 format din două lonjeroane laterale fixate între ele cu mai multe

traverse care se constituie ca suport pentru toate părţile componente ale grătarului;

- pragul 2 care este plasat în partea inferioară a cadrului şi are rolul de a împiedica depunerea nisipului la baza grătarului, în acest scop sub prag este prevăzută o ţeavă cu orificii prin care se introduce aer sub presiune;

- grătarul propriu-zis 3 format din bare paralele care se fixează pe traversele inferioare ale cadrului prin îmbinări speciale care să asigure distanţele impuse dintre acestea;

- sistemul de curăţare a grătarului format din grebla 4 acţionată de două lanţuri de transmisie 5, plasate în zona lonjeroanelor laterale, astfel încât în timpul cursei active a greblei (când se deplasează dinspre partea inferioară a grătarului spre cea superioară) aceasta să racleze suprafaţa activă (anterioară) a grătarului antrenând impurităţile reţinute, iar la cursa pasivă a greblei (când se deplasează dinspre partea superioară a grătarului spre cea inferioară) aceasta să

35

Determinarea parametrilor principali ai echipamentului de sitare cu grătar plan şi greblă de curăţare pe lanţuri

treacă prin partea posterioară a grătarului deversând impurităţile transportate în gura de alimentare a transportorului - compactor apoi să îşi continue mişcarea descendentă, îndreptându-se spre o nouă cursă activă.

Fig. 2.1. Echipament de sitare cu grătar plan şi greblă de curăţare pe lanţuri

Antrenarea lanţurilor pe care este montată grebla se face prin intermediul a două roţi de lanţ 6 sincronizate între ele şi fixate pe un arbore care este pus în mişcare de un motor electric 7 prin intermediul unei transmisii 8. Elementele 6, 7, 8 sunt montate la partea superioară a cadrului grătarului, formând un ansamblu care poate culisa în lungul lonjeroanelor cadrului prin intermediul unor îmbinări filetate asigurând astfel întinderea lanţurilor. Întoarcerea lanţurilor în partea inferioară a grătarului se realizează prin intermediul unor roţi de lanţ independente 9 fixate pe lonjeroanele laterale ale cadrului. Având în vedere că roţile de lanţ independente lucrează imersat, lagărele acestora sunt prevăzute cu sisteme de etanşare împotriva pătrunderii nisipului, dotate cu simeringuri şi insuflare de aer comprimat (de menţionat că toate componentele grătarului care lucrează imersat sau intră în contact cu apa sunt din oţel inoxidabil sau din oţel protejat anticorosiv împotriva apei prin zincare termică);

- mecanismul de curăţare a greblei 10 format din contragreble şi perii (şi opţional cu un sistem de jeturi de apă sub presiune) care are rolul de a degaja grebla de impurităţile transportate şi de a le dirija spre gura de alimentare a transportorului-compactor;

- mantaua 11 de susţinere a impurităţilor antrenate de greblă în zona de deasupra barelor grătarului;

- suportul 12 de basculare a grătarului care serveşte atât la poziţionarea grătarului în canalul de apă uzată cât şi la bascularea acestuia în vederea scoaterii din apă a părţii inferioare a grătarului în scopul intervenţiei la roţile de lanţ independente, la prag sau la barele grătarului.

36


Transportorul-compactor este compus din următoarele subansambluri: - gura de alimentare 13 în care sunt deversate impurităţile reţinute de către

grătar; - jgheabul cilindric longitudinal 14 care se găseşte în continuarea gurii de

alimentare; - melcul 15 care se găseşte în interiorul gurii de alimentare şi a jgheabului

cilindric, care în zona gurii de alimentare şi a părţii anterioare a jgheabului cilindric are pasul constant, după care pasul melcului devine variabil, micşorându-se în sensul de înaintare a materialului, realizându-se o deshidratare şi o compactare a acestuia; în zona de variaţie a pasului melcului, în jgheabul cilindric sunt prevăzute orificii de trecere a apei provenite din deshidratare care este colectată de o manta şi evacuată printr-o conductă în canalul în care este montat grătarul;

- gura de evacuare 17 a materialului deshidratat şi compactat; - motorul electric 18 şi transmisia 19 a transportorului-compactor.

Instalaţia de automatizare este formată din: - senzorii 20 şi 21 de sesizare a nivelului apei din amontele, respectiv avalul

grătarului; - echipamentul de automatizare 22 prevăzut cu tablou de comandă.

Instalaţia de insuflare a aerului sub presiune este alimentată din reţeaua de aer comprimat a staţiei de epurare sau de la o turbosuflantă proprie şi alimentează cu aer sub presiune zona pragului grătarului şi lagărele roţilor de lanţ independente.

Funcţionarea echipamentului de sitare cu grătar plan şi greblă racloare pe lanţuri este următoarea: pe suprafaţa activă a grătarului plan, poziţionată corespunzător (la un unghi de înclinare de 60 – 65 faţă de orizontală) în canalul prin care trece curentul de apă uzată, sunt reţinute impurităţile grosiere care plutesc la suprafaţă sau se găsesc în suspensie în masa curentului de apă.

Prin reţinerea de impurităţi, suprafaţa activă a grătarului se îmbâcseşte, şi ca urmare diferenţa dintre nivelurile apei în amontele şi avalul grătarului creşte, fiind sesizată prin intermediul senzorilor de nivel ai instalaţiei de automatizare. În momentul în care diferenţa dintre niveluri depăşeşte o anumită valoare de referinţă, reglabilă prin intermediul tabloului de comandă, instalaţia de automatizare porneşte sistemul de curăţare a grătarului şi transportorul-compactor.

Astfel, la cursa ascendentă a greblei de raclare, aceasta antrenează impurităţile grosiere reţinute de grătar şi le transportă către partea superioară a agregatului de unde, prin inversarea sensului de mişcare a greblei (cursa descendentă) şi acţiunii mecanismului de curăţare a greblei, materialul reţinut este deversat în gura de alimentare a transportorului-compactor.

37


Transportorul-compactor preia materialul, îl spală cu jeturi dirijate de apă sub presiune în vederea îndepărtării dejecţiilor şi a materiilor organice solubile, apoi îl transportă, deshidratează şi compactează, după care îl evacuează în containere, pubele sau instalaţii de transport.

Prin deshidratarea reţinerilor, umiditatea acestora este redusă de la cca. 80% la cca. 60% [7, 8], rezultând scăderi importante ale greutăţii (cu cca. 50%) şi ale volumului acestora, obţinându-se totodată o stare a materialului evacuat care permite şi facilitează colectarea, înmagazinarea şi transportul.

În momentul în care suprafaţa activă a grătarului este degajată de impurităţi, diferenţa dintre nivelele apei în faţa şi în spatele grătarului, sesizată prin intermediul senzorilor de nivel, scade sub valoarea de referinţă şi instalaţia de automatizare comandă oprirea sistemului de curăţare a grătarului şi a transportorului-compactor, după un anumit program secvenţial.

Echipamentul de sitare cu grătar plan şi mecanism de curăţare cu greblă pe lanţuri asigură un regim de lucru automatizat, 24 din 24 ore, care nu necesită permanent operatori, având o funcţionare sigură şi asigurând condiţii îmbunătăţite de igienă.

2.3.2 Determinarea parametrilor dimensionali, cinematici, dinamici şi energetici ai echipamentului de sitare cu grătar plan şi greblă de curăţare pe lanţuri.

Echipamentul de sitare cu grătar plan şi greblă de curăţare pe lanţuri este un agregat complex, compus din două ansambluri principale: grătarul plan cu mecanism de curăţare şi transportorul-compactor, fiecare cu structura şi procesul său de lucru distincte. De aceea în continuare, aceste ansambluri, vor fi analizate ca entităţi, determinându-se parametrii specifici proprii şi punându-se în evidenţă mărimile de legătură dintre cele două ansambluri.

2.3.2.1. Parametrii dimensionali, cinematici, dinamici şi energetici ai grătarului plan cu mecanism de curăţare.

Lăţimea B [mm] a canalului (vezi figura 2.2) în care se amplasează grătarul se alege din următorul şir tipodimensional de valori: 900, 1000, 1200, 1400, 1650, 1900, 2000, 2200, 2300, 2400, 2700 mm [6].

Lăţimea Bg [mm] efectivă a grătarului (vezi figura 2.2) se determină cu relaţia:

(2.9)

38


Fig. 2.2. Parametrii dimensionali ai grătarului plan (vedere frontală)

Forma profilului barelor care se folosesc la construcţia grătarelor plane este indicată în STAS 12431-86 (vezi figura 2.3) în care sunt prezentate relaţiile între parametrii profilului barelor, şi anume: grosimea s [mm] şi lăţimea [mm], pentru diferite forme uzuale de bare, precum şi valorile coeficientul β în funcţie de forma barelor (vezi tabelul 2.1). Din punct de vedere dimensional, la acest tip de grătare, grosimea barelor s [mm] poate lua valori între 8-10 mm.

Distanţa e[mm] dintre barele grătarului (vezi fig. 2.2) poate lua valori din următorul şir tipodimensional: 6, 10, 12, 20, 30, 40 şi 60 mm [6].

Se menţionează că potrivit clasificării din STAS 12431-86, grătarele sunt socotite dese dacă e 25 mm, şi rare dacă e 25 mm.

Fig. 2.3. Profilul barelor grătarului [9]

39


Tabelul 2.1 [9]Forma barei

(conform fig. 2.3)a b c d e F

β 2,42 1,83 1,67 1,033 0,92 1,79

Numărul ib de bare din care este construit grătarul se poate determina cu următoarea relaţie:

(2.10)

Dacă din calcul valoarea lui ib nu este întreagă, se pot ajusta valorile lui e [mm] şi s [mm] între limite de variaţie care să nu depăşească 10% din valorile indicate, astfel încât să se obţină o valoare întreagă pentru ib.

Raportul t între suprafaţa de trecere a apei prin grătar şi suprafaţa totală a grătarului se poate determina cu relaţia:

(2.11)

Raportul s între suprafaţa frontală a barelor grătarului (care se opune trecerii apei)şi suprafaţa totală a grătarului se determină cu relaţia:

(2.12)

Viteza maximă admisibilă vt max [m/s] de trecere a apei uzate printre barele grătarului poate lua valori între limitele 1 – 1,3 m/s [5].

Înălţimea h [mm] a curentului de apă care trece prin grătar, măsurată în canalul din amontele acestuia (vezi figura 2.4) se poate determina cu următoarea relaţie:

(2.13)

Dacă valoarea înălţimii h [mm] rezultată din calcul este sub 3000 mm, înseamnă că este suficient un singur grătar cu lăţimea efectivă Bg [mm] considerată, pentru a prelua debitul Qc [m3/h] de apă uzată care intră în staţia de epurare.

Dacă valoarea înălţimii h [mm] rezultată din calcul este peste 3000 mm, înseamnă că trebuie aleasă o altă valoare, mai mare din şirul tipodimensional al lăţimii efective Bg [mm], pentru care, din calcul rezultă o valoare a înălţimii h [mm] sub 3000 mm, ceea ce înseamnă şi în acest caz este suficient un singur grătar cu noua lăţime efectivă Bg [mm] considerată, pentru a prelua debitul Qc [m3/h] de apă uzată care intră în staţia de epurare.

40


În ambele cazuri prezentate anterior, staţia de epurare va fi dotată cu un singur grătar activ de lăţime Bg corespunzătoare şi un grătar identic de rezervă. În continuare, în calculele de dimensionare a grătarului se va introduce debitul de calcul Qc

* [m3/h] care are valoarea:

(2.14)

Similar se vor introduce şi celelalte debite caracteristice Qv* , Qvr

*zi ,

Qmr*

zi , mru*

zi , Vru*

zi cu valori egale cu Qv , Qvr zi , Qmr zi , mru zi , Vru zi , determinate cu relaţiile 2.2 – 2.8.

Dacă valoarea înălţimii h [mm] rezultată din calcul este peste 3000 mm, chiar pentru cea mai mare valoare din şirul tipodimensional al lăţimii efective Bg

[mm], atunci este necesară folosirea mai multor grătare care să lucreze simultan pentru a prelua debitul Qc [m3/h] de apă uzată care intră în staţia de epurare. Numărul ig de grătare care lucrează simultan se stabileşte pentru o anumită valoare aleasă a lăţimii efective Bg [mm] din şirul său tipodimensional, luându-se în considerare cel mai mic număr întreg cu care, dacă se divide valoarea înălţimii h [mm] rezultată din calcul, se obţine o valoare sub 3000 mm.

În acest caz, staţia de epurare va fi dotată cu un număr de ig grătare active de lăţime aleasă Bg şi un grătar identic de rezervă. În continuare în calculele de dimensionare a unuia dintre grătarele identice se va introduce debitul de calcul Qc

* [m3/h] a cărui valoare se determină cu relaţia:

(2.15)

În mod similar, se vor introduce noile valori ale debitelor caracteristice Qv

* , Qvr*

zi , Qmr*zi , mru

*zi , Vru

*zi corespunzătoare dimensionării unuia dintre

grătarele identice, calculate cu relaţii analoage cu relaţia 2.15.

Viteza vmax [m/s]de curgere a curentului de apă în canalului din amontele grătarului poate lua valori între limitele 0,7 – 0,9 m/s [5].

Viteza minimă vmin [m/s] de curgere a curentului de apă uzată în canalul din amontele grătarului are valoarea 0,4 m/s în scopul evitării depunerilor pe radierul canalului [5]. Tot în acest scop, radierul canalului din amontele grătarului se construieşte cu o pantă de 1% [9].

Viteza efectivă v de curgere a apei uzate în canalul din amontele grătarului se determină cu relaţia:

(2.16)

şi trebuie să respecte condiţiile simultane:

41


(2.17)

42

elemente de calcul şi proiectare pentru echipamente de reţinere a suspensiilor grosiere din apele...

Documents