Decantatore di tubi inclinati a nido d'ape per la purificazione dell'acqua fluviale: caso di studio di 10 anni presso Wuhan Petrolchimico

Decantatore di tubi inclinati a nido d'ape per la purificazione dell'acqua fluviale: caso di studio di 10 anni presso Wuhan Petrolchimico

Quando lo stabilimento petrolchimico di Wuhan ha utilizzato per la prima volta il fiume Yangtze come fonte di acqua non depurata, si è trovato ad affrontare sbalzi stagionali estremi di torbidità e la sfida scoraggiante di soddisfare gli standard dell’acqua potabile senza una fase di filtrazione dedicata. Un decennio più tardi, il loro sistema integrato di sedimentazione della-flocculazione-della sabbia che utilizza sedimentatori a tubi inclinati a nido d'ape in polietilene fornisce costantemente una torbidità dell'effluente inferiore a 5 NTU. Ecco esattamente come hanno fatto - e cosa significano i loro dati operativi per il tuo prossimo progetto di trattamento delle acque.

LA SFIDA DELL'ACQUA GRECIA

L’impianto petrolchimico di Wuhan attinge acqua grezza direttamente dal fiume Yangtze, dove la torbidità oscilla drammaticamente tra le stagioni. Le acque alluvionali estive trasportano carichi di solidi sospesi estremamente elevati, mentre i flussi invernali scendono a una torbidità relativamente bassa. Il sistema di trattamento originale è stato progettato come unprocesso integrato di rimozione della sabbia, flocculazione e sedimentazione, mirando ad una torbidità dell'effluente di 20 NTU per uso industriale. Sono state costruite due unità di trattamento parallele, ciascuna delle quali misura 30,0 x 9,8 m, con una capacità progettata di 2.000 metri cubi all'ora. Inizialmente un'unità era dotata di piastre inclinate in legno, l'altra di tubi a nido d'ape in carta. Criticamente, il sistemanon includeva alcuna fase di filtrazione a valle- solo il sedimentatore a tubo inclinato era responsabile della fornitura della qualità dell'effluente finale.

PARAMETRI DI PROGETTAZIONE DEL SISTEMA

Comprendere l'ingegneria alla base di questo serbatoio integrato rivela perché funziona in modo così affidabile. Il processo segue un percorso attentamente sequenziato:Raw Water --> Coagulant Dosing --> Grit Chamber --> Flocculation --> Sedimentation --> Clear Water Tank --> Pressurization -->Rete di distribuzione. Ogni fase è dimensionata per ottimizzare uno specifico meccanismo di trattamento e i valori di progettazione sono stati selezionati sulla base di approfonditi test pilota con l'acqua del fiume Yangtze.

Design della camera di sabbiatura

La dissabbiatrice misura 12,0 m di lunghezza e 3,0 m di larghezza, con una profondità effettiva di 1,5 m. Alla portata di progetto di 2.000 m³/h, questo produce una velocità del flusso di0.15 m/se un tempo di ritenzione di circa2 minuti. Questa leggera velocità orizzontale consente alla sabbia grossolana e alle particelle pesanti di depositarsi trasportando i solidi sospesi più leggeri nella fase di flocculazione. Le prime osservazioni operative hanno mostrato che qui hanno effettivamente iniziato a formarsi dei fiocchi, cosa che in seguito si è rivelata significativa quando si è valutata la rimozione dei miscelatori meccanici.

Sistema di flocculazione a due-stadi

Il processo di flocculazione impiega due meccanismi distinti in serie. Innanzitutto, aflocculatore a pale(11,5 mx 4,0 mx 3,0 m di profondità) con quattro fasi di miscelazione meccanica fornisce una rapida miscelazione iniziale con un tempo di ritenzione di 4-minuti. Originariamente lo scopo era creare micro-fiocchi attraverso una miscelazione ad alta energia. L'acqua passa poi in acanale di flocculazione sconcertato- un percorso tortuoso lungo 82- metri con una larghezza di ingresso di 0,6 m che si espande gradualmente fino a una larghezza di uscita di 0,8 m. A una profondità dell'acqua di 3,0 m, la velocità di ingresso di 0,5 m/s diminuisce progressivamente fino a 0,3 m/s all'uscita, consentendo ai fiocchi di crescere attraverso un delicato taglio idraulico su circa13 minutidel tempo di contatto.

SPECIFICHE DEL VASCA DI SEDIMENTAZIONE E DEL SETTATORE A TUBO INCLINATO

Il bacino di sedimentazione opera in modalità up-con una superficie di 196 m²(20,0x9,8 m). Le piastre inclinate in legno originali misuravano 1.200 mm di lunghezza con un'altezza verticale di 850 mm, fissate con un'inclinazione di 60 gradi con una distanza tra le piastre di 40 mm. I tubi di carta a nido d'ape presentavano asezione trasversale-esagonale con cerchio inscritto del diametro di 50 mm, lunghezza del tubo di 800 mm, spessore della parete di 0,4 mm e lo stesso angolo di inclinazione di 60 gradi, per un'altezza verticale di 700 mm. La carta kraft è stata impregnata con resina fenolica per l'integrità strutturale.

In queste condizioni di progettazione, la velocità del flusso verso l'alto attraverso il sedimentatore è pari a2,5 mm/sec, con un tempo di ritenzione complessivo del serbatoio di30 minutied un tempo di permanenza all'interno del fascio tubiero di appena7 minuti. Questa profondità di sedimentazione estremamente ridotta - solo 40-50 mm tra le superfici inclinate - è la chiave dell'efficienza del sedimentatore. Secondo il principio della sedimentazione a bassa-profondità, la distanza di sedimentazione viene ridotta dalla profondità totale del serbatoio alla spaziatura tra le piastre, riducendo drasticamente il tempo di cattura delle particelle mantenendo la stessa velocità di trabocco.

MEDIA UPGRADE: DALLA CARTA HONEYCOMB ALLA PLASTICA PE

Sia le piastre inclinate in legno che i tubi a nido d'ape in carta hanno fornito prestazioni di trattamento soddisfacenti durante il periodo operativo iniziale (dopo il 1980), con i tubi a nido d'ape in carta che mostravano un leggero bordo. Tuttavia, l'esperienza sul campo ha evidenziato limitazioni materiali critiche che hanno portato alla decisione di aggiornare:

Piatti di legnoerano difficili da produrre con tolleranze costanti e avevano una vita utile breve a causa del persistente ciclo di bagnato-secco che causava deformazioni e degrado biologico.Tubi di carta a nido d'apesoffrivano di una durata limitata e, cosa più critica, l'impregnazione con resina fenolica li rendevainadatto per applicazioni con acqua potabilea causa della potenziale lisciviazione di composti organici nell'acqua trattata. Si trattava di una questione non-negoziabile una volta che l'impianto si era impegnato a rispettare gli standard relativi all'acqua potabile.

Nel 1984 tutti i mezzi di sedimentazione furono sostituiti contubi a nido d'ape in plastica di polietilene (PE).. I nuovi moduli condividono la stessa geometria esagonale e l'inclinazione di 60 gradi, ma presentano un diametro del cerchio inscritto più grande di 60 mm, una lunghezza del tubo di 800 mm e uno spessore della parete di 0,5 mm. I tubi a nido d'ape in PE offrono numerosi vantaggi decisivi:

Innanzitutto, il materiale lo ècertificato non-tossico e approvato per il contatto con l'acqua potabile, eliminando il problema della contaminazione che affliggeva i tubi in resina fenolica. In secondo luogo, il PE resiste sia alla degradazione biologica che agli attacchi chimicinessun ciclo di sostituzionee ridurre notevolmente i costi del ciclo di vita. In terzo luogo, la superficie liscia e idrofoba del PE è evidentebassa adesione dei fanghi, in modo che i solidi accumulati scivolino via sotto il loro stesso peso anziché accumularsi e restringere i canali di flusso. Questo comportamento auto-pulente mantiene una capacità idraulica costante tra gli intervalli di manutenzione. In quarto luogo, la geometria del tubo esagonale fornisce aperimetro bagnato più ampiorispetto alle piastre piane di spaziatura equivalente, producendo un raggio idraulico inferiore e di conseguenza numeri di Reynolds inferiori -, il che significa condizioni di flusso laminare più stabili che migliorano l'efficienza di sedimentazione. Un problema operativo emerso è stato ilgalleggiabilità dei moduli del tubo in PEquando immerso; questo è stato risolto installando dispositivi di ancoraggio per evitare il galleggiamento.

MIGLIORAMENTO DEL SISTEMA SCARICO FANGHI

Si basava sul sistema di scarico dei fanghi originalevalvole a farfalla manuali a cerniera, che si è rivelato uno dei grattacapi operativi più persistenti dell'impianto. Queste valvole richiedevano un'elevata intensità di lavoro da parte dell'operatore e soffrivano di una scarsa tenuta che provocava perdite d'acqua di circa10 m³/h per valvola, ha subito frequenti rotture della biella e ha fornito una rimozione dei fanghi generalmente scarsa. In un'operazione di trattamento dell'acqua continua 24 ore su 24, 7 giorni su 7, uno scarico inaffidabile dei fanghi si traduce direttamente in un deterioramento della qualità degli effluenti poiché i fanghi accumulati iniziano a decomporsi, rilasciano gas e si risospendono nuovamente nella colonna d'acqua.

Nel giugno 1988 le valvole manuali furono sostituite convalvole a saracinesca pneumatichein tutti i punti di scarico. Il sistema pneumatico ha eliminato completamente le perdite d'acqua fornendo una forza di tenuta positiva, un funzionamento semplificato con un'unica azione di controllo e un'efficacia di scarico dei fanghi notevolmente migliorata consentendo un'evacuazione rapida e di volume elevato prima che i fanghi potessero compattarsi. Ulteriori modifiche incluseaumento dell'altezza della tramoggia fanghi da 800 mm a 1.200 mmper fornire più volume di stoccaggio e installando due ulteriori valvole di scarico sul tubo forato di raccolta fanghi per un'evacuazione più uniforme della tramoggia. Queste modifiche hanno esteso il ciclo operativo tra le pulizie del serbatoio pieno da settimane a circatre mesi.

OTTIMIZZAZIONE DEL DOSAGGIO CHIMICO

Il sistema di dosaggio del coagulante è stato sottoposto a quattro miglioramenti interconnessi che collettivamente hanno trasformato l’economia e l’affidabilità del trattamento. Innanzitutto, illa concentrazione della soluzione coagulante è stata standardizzata a circa il 5%(in calo rispetto al precedente intervallo del 5-10%). Questa concentrazione più bassa e costante assicurava che i tubi di dosaggio rimanessero completamente allagati a tutte le portate, impedendo il bloccaggio dell'aria che aveva interrotto in modo intermittente l'alimentazione del coagulante. In secondo luogo, dopo approfonditi test comparativi, l'impiantopassato dal solfato di alluminio grezzo al cloruro di alluminio basico (PAC). Il solfato di alluminio originale richiedeva dosaggi elevati, dava risultati incoerenti in diverse condizioni di acqua non depurata e durante i periodi estivi di alta-torbidità gli operatori ricorrevano al cloruro ferrico - che, sebbene efficace, era così corrosivo da danneggiare tubi e apparecchiature. Il PAC si è dimostrato superiore in tutte le stagioni: requisiti di dosaggio inferiori, costi di consumo ridotti, qualità stabile dell'effluente e acqua trattata notevolmente migliore.

In terzo luogo, tutte le condutture di dosaggio lo eranosostituito con tubi di plastica, eliminando i problemi di corrosione dei materiali misti- che avevano afflitto l'installazione originale di tubazioni in plastica, ghisa e acciaio. Quarto, e forse il più perspicace, ili miscelatori meccanici a quattro-stadi sono stati completamente rimossi dal serbatoio di flocculazione. Gli operatori hanno osservato che i fiocchi già formati nella camera di sabbiatura venivano rotti dagli agitatori meccanici ad alto-taglio, annullando proprio la coagulazione che avrebbero dovuto favorire. Dopo aver rimosso i miscelatori, i fiocchi crescevano progressivamente e stabilmente nel canale di flocculazione deflettoto attraverso il solo taglio idraulico delicato, migliorando significativamente l'efficienza della coagulazione e riducendo contemporaneamente il consumo energetico.

RISULTATI DEL TRATTAMENTO: DATI SULLA PRESTAZIONE

Dopo aver implementato l'intera gamma di miglioramenti, il sistema di trattamento ha ottenuto risultati che hanno superato le specifiche di progettazione-di livello industriale originali. Alla portata di progetto di 2.000 m³/h, è rimasta la torbidità dell'effluentecostantemente al di sotto di 5 NTU dal 1984, conforme allo standard nazionale cinese sull'acqua potabile (GB 5749-85). Quando spinto in condizioni di sovraccarico di 3.000 m³/h (50% sopra il progetto), il sistema mantiene comunque la torbidità dell'effluente al di sotto di 15 NTU. La torbidità dell'acqua grezza varia stagionalmente, ma la torbidità dell'acqua trattata rimane comunque entro l'intervallo dell'acqua potabile.

L'analisi della qualità dell'acqua conferma la capacità del sistema di produrre acqua potabile da acque superficiali:

I vantaggi economici del coagulant switch sono altrettanto sorprendenti. In un confronto fianco a fianco-a- nel giugno 1988, con una produzione di acqua di circa 170.000 tonnellate al mese, il dosaggio di PAC era appena11,4mg/lrispetto a25,6mg/lper solfato di alluminio - aRiduzione del 55,5% del consumo di prodotti chimici. Il consumo mensile di coagulante è sceso da 4,5 tonnellate a 2,1 tonnellate:

Nota: La produzione mensile di acqua è stata di circa 170.000 tonnellate. Anche il consumo energetico è diminuito notevolmente in seguito alla rimozione dei miscelatori meccanici, sebbene i dati esatti non siano stati quantificati nel caso di studio pubblicato.

SFIDE RIMANENTI E AGGIORNAMENTI PREVISTI

Il team dello stabilimento di Wuhan ha identificato tre aree di ulteriore miglioramento che sono ugualmente rilevanti per chiunque utilizzi oggi colonizzatori a tubi inclinati. Primo,monitoraggio manuale della torbiditàha creato un ritardo di risposta tra il rilevamento dei cambiamenti della qualità dell’acqua e la regolazione del dosaggio del coagulante. La soluzione presa in considerazione era un sistema di controllo automatico del dosaggio che utilizzava misuratori di torbidità online per fornire feedback in tempo reale-per la regolazione della velocità di alimentazione del coagulante. Questo rappresenta il logico passo successivo per qualsiasi impianto che abbia già ottimizzato i propri sottosistemi meccanici e chimici.

Secondo,crescita di alghe sulle superfici esposte dei tubi a nido d'apeha progressivamente ridotto l'effettiva area-della sezione trasversale dei canali di flusso. La penetrazione della luce solare nel bacino dei coloni ha favorito la colonizzazione di biofilm e alghe, che non solo ha limitato il flusso ma alla fine ha ostruito completamente i tubi. La soluzione proposta era la pre-clorazione dell'acqua grezza a monte del sedimentatore per controllare la crescita biologica prima che potesse stabilirsi sulle superfici del tubo. In terzo luogo, nonostante i miglioramenti nello scarico dei fanghi,le tramogge accumulavano ancora fanghi compattatiche non potevano essere rimossi durante i normali cicli di scarico, rendendo necessario lo spegnimento completo del serbatoio e la pulizia manuale ogni tre mesi. La risposta ingegneristica è stata quella di installare ugelli di spruzzatura interni che utilizzassero acqua pressurizzata per il lavaggio durante il ciclo di scarico dei fanghi, eliminando la necessità di arresti periodici.

LEZIONI CHIAVE PER LA PROGETTAZIONE DI SETTLER A TUBI INCLINATI

Il decennio di dati operativi di Wuhan si distilla in quattro principi che dovrebbero guidare qualsiasi progetto di sedimentatore a tubo inclinato:

1. Opere di progettazione integrata.Il concetto di serbatoio di-flocculazione-sedimentazione一体化 (integrato), se adeguatamente dimensionato, può produrre in modo affidabile acqua potabile di qualità dall'acqua di superficie senza una fase di filtrazione a valle. La chiave è ottenere i parametri idraulici corretti di ogni fase: velocità del flusso nella camera di sabbiatura (0,15 m/s), tempo di ritenzione nella flocculazione (17 minuti in totale) e velocità del flusso verso l'alto nel sedimentatore (2,5 mm/s). Deviare da questi valori compromette l'intera catena di trattamento.

2. La selezione dei materiali ha conseguenze a cascata.I tubi a nido d'ape in plastica PE offrono la migliore combinazione di prestazioni di trattamento, durata, sicurezza dell'acqua potabile e semplicità di manutenzione rispetto alle piastre di legno o ai tubi di carta impregnati di resina-. Il perimetro bagnato più ampio, la superficie auto-pulente e la durata di servizio indefinita giustificano più volte l'investimento iniziale attraverso una manutenzione ridotta e prestazioni di trattamento costanti.

3. L'affidabilità dello scarico dei fanghi determina la consistenza dell'effluente.Un sistema di scarico dei fanghi affidabile e facile da utilizzare non è opzionale - è il singolo sottosistema meccanico più importante per mantenere prestazioni di sedimentazione costanti. Le valvole manuali favoriscono la fatica dell'operatore e la rimozione incoerente dei fanghi, che si traduce direttamente in una qualità variabile dell'effluente. Lo scarico pneumatico o automatizzato dovrebbe essere considerato standard, non opzionale, per qualsiasi sedimentatore a funzionamento continuo.

4. L'ottimizzazione del coagulante garantisce il ritorno dell'investimento più rapido.Il passaggio dal solfato di alluminio al PAC ha prodotto, come beneficio immediato, una riduzione del 55% dei costi dei prodotti chimici. Gli effetti a valle - minore produzione di fanghi, migliore colore dell'acqua, prestazioni più costanti nelle variazioni stagionali di torbidità - moltiplicano il ritorno economico. L'abbinamento del PAC con un'infrastruttura di dosaggio adeguatamente progettata (tubazioni in plastica, concentrazione costante, tubi a flusso completo) garantisce che tali vantaggi siano realizzati continuamente.

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Riferimento: Decantatore per tubi inclinati a nido d'ape Tang TQ per la purificazione dell'acqua del fiume [J]. Raffinazione del petrolio, 1989(4): 1-6.