PL209676B1 - Flotownik do uzdatniania wody - Google Patents

Abstract

Flotownik stanowi komora flotacyjna (10) wyposażona w zespół ciśnieniowo-dekompresyjny (11), perforowane urządzenie absorpcyjne (13) oraz zespół modułów wychwytujących (14, 15). Zespół ciśnieniowo-dekompresyjny (11) służy do produkcji mikro-pęcherzyków powietrznych, z którymi zostaje zmieszana surowa woda, po wprowadzeniu do komory flotacyjnej (10). Z kolei urządzenie absorpcyjne (13) zapewnia identyczny i równomierny przepływ wody ponad całą powierzchnią komory flotacyjnej (10). Moduły wychwytujące (14, 15), np. przelewowe lub płytkowe, są rozmieszczone w komorze flotacyjnej (10) w taki sposób, że ich dolna część jest usytuowana w odległości "h" od perforowanego urządzenia absorpcyjnego (13), przy czym odległość ta jest określona tak, aby uniknąć jakichkolwiek zaburzeń równomierności przepływu wody dystrybuowanej przez urządzenie wychwytujące (13). Moduły wychwytujące (14, 15) mogą mieć okrągły, sześciokątny lub też inny profil, a przy tym różną orientację w poziomie.

Description

Przedmiotem wynalazku jest flotownik do uzdatniania wody z wykorzystaniem procesu flokulacji, napowietrzania i sedymentacji.

Flotacja zasadniczo polega na odseparowywaniu zanieczyszczeń zdyspergowanych i koloidowych z wody, której podstawą jest zdolność cząsteczek do przyklejania się do pęcherzyków powietrznych oraz do przenoszenia się razem z nimi do warstwy pianowej. Istota tego procesu polega na specyficznym działaniu sił międzycząsteczkowych powodujących przyklejanie się cząstek zanieczyszczeń do pęcherzyków wysokozdyspergowanego w wodzie gazu oraz powstawanie na powierzchni warstwy pianowej zawierającej wydobyte substancje.

Znanych jest wiele sposobów napowietrzania wody pęcherzykami powietrza, z których należy wymienić następujące: flotacja z wydzielaniem się powietrza z wody - urządzenia ciśnieniowe i próżniowe; flotacja z mechanicznym wydzielaniem się powietrza - urządzenia bezciśnieniowe i pneumatyczne.

Zasadniczym modułem znanych instalacji do oczyszczania wody z wykorzystaniem procesu flokulacji jest flotownik z komorą flotacyjną, do której wprowadza się surową wodę, poddaną uprzednio procesowi flokulacji, a następnie miesza się z wodą, nasyconą - wskutek sprężania i rozprężania dużą zawartością powietrza. Tworzące się mikropęcherzyki, intensywnie mieszane z pozostającymi w zawiesinie zanieczyszczeniami, łączą się z nimi tworząc unoszące się na powierzchni wody kłaczki, natomiast oczyszczona woda jest wyprowadzana poprzez dno komory flotacyjnej.

Z opisu patentowego (EP-A-0 659 690) znana jest instalacja składająca się z flokulatora, w którym miesza się surową wodę, w prądzie skierowanym ku górze, z wodą poddaną ciśnieniu, wprowadzoną przez system sprężający i rozprężający, oraz z flotownika, w którego górnej części unoszą się zawarte w surowej wodzie ciała stałe, porwane przez pęcherzyki, przy czym flotownik jest w swej dolnej części wyposażony w urządzenie pobierające wodę (np. pośrednia podłoga z- lub bez zespołu uszczelek, kolektorów, itd.), perforowane tak, aby na całej powierzchni flotownika prąd przepływu oczyszczanej wody był jednakowy i jednostajny.

Przy tym stanie techniki, perforacje na urządzeniu pobierającym wodę (lub luki separujące je), mają mniejsze wymiary na wylocie flotownika, przez który wypływa oczyszczona woda, niż na jego wlocie, przez które jest wprowadzana surowa woda do oczyszczania. Wskutek nierównomiernemu rozmieszczeniu perforacji, co powoduje asymetrię na poziomie urządzenia pobierającego, opór hydrauliczny wytworzony przez to urządzenie pobierające jest większy na wylocie flotownika niż na wejściu, a więc opór hydrauliczny zmniejsza się w kierunku wlotu, a zatem na całej powierzchni flotownika przepływ oczyszczonej wody jest jednakowy i jednostajny.

Cechą charakterystyczną tego typu instalacji jest formowanie się grubej warstwy mikropęcherzyków, co sprawia, że flokulacja odbywa się w dwóch etapach, po pierwsze we flokulatorze, a następnie we flotowniku, w obrębie warstwy mikropęcherzyków, dzięki znacznej masie kontaktowej, dzięki której pęcherzyki zapewniają oddzielenie - poprzez flotacje - stałej materii. To co mieści się pod pojęciem burzliwej flokulacji jest zatem zapewnione: warstwa pęcherzyków umożliwia:

1) zwiększenie prędkości oczyszczania; oraz

2) polepszenie flokulacji i lepsze wychwytanie flokuł.

W przypadku, gdy prę dkość oczyszczania jest zbyt wysoka lub gdy surowa woda do oczyszczania jest zbyt zimna, użycie komory flotownika według opisu EP-A-0 659 690 prowadzi do porywania pęcherzyków w oczyszczanej wodzie. Przy dużych prędkościach, obecność tych pęcherzyków przyczynia się do wzrostu zmętnienia na wylocie z flotownika. Co więcej, obecność zbyt dużej ilości pęcherzyków na wylocie może prowadzić do zwiększenia uzysku z filtra, ulokowanego z prądem (np. filtra piaskowego lub antracytowego), gdy instalacja służy do uzyskiwania wody pitnej.

Znane są także instalacje zawierające moduły płytkowe. I tak w opisie patentowym WO 97/20775 przedstawiono flotownik z podłogą, na której umieszczone są płytkowe moduły, co ma na celu zwiększenie prędkości w komorze flotacyjnej. Przy tym stanie techniki konieczne jest, aby rozmieszczenie otworów znajdujących się w podłodze było jednolite, a co więcej, by moduły płytkowe były przymocowane do tej podłogi. W opisie patentowym WO 00/43320 przedstawiono podobne urządzenie, w którym podłoga komory flotacyjnej, obrotowa lub zamocowana na stałe, jest zamocowana do modułów płytkowych. Jak wspomniano wcześniej, w instalacji według opisu EO-A-0 659 690 wykorzystywane jest urządzenie pobierające w komorze flotacyjnej, w którym wykonuje się perforacje w taki sposób, aby wytworzona asymetria na poziomie urządzenia pobierającego umożliwiaPL 209 676 B1 ła uzyskanie jednakowego i jednostajnego przepływu oczyszczanej wody na całej powierzchni komory flotacyjnej.

Prezentowany wynalazek ma na celu polepszenie osiągów znanych instalacji do oczyszczania wody poprzez flotację, mając na względzie rozwiązanie problemów związanych z oczyszczaniem wody przy dużych prędkościach i/lub przy bardzo niskich temperaturach.

Istota wyposażonego w moduły wychwytujące flotownika według wynalazku polega na tym, że otwory perforacyjne urządzenia pobierającego zmniejszają się, względnie odstępy pomiędzy tymi otworami zwiększają się, w kierunku końcowej części komory flotacyjnej, z kolei moduły wychwytujące są tak rozmieszczone, że ich dolna część jest oddalona od powierzchni urządzenia pobierającego o wyznaczoną doświadczalnie, z uwzględnieniem geometrii urządzenia pobierającego, wartości przepływu i temperatury oczyszczanej wody oraz laminarnego charakteru przepływu, odległość „h, której wartość zawiera się przedziale od 0,05 metra do 1 metra.

Korzystnym jest gdy wartość odległości „h, zawiera się korzystnie w przedziale od 0,15 do 0,60 metra.

Przy tym korzystnym jest gdy wysokość lub grubość „E modułów wychwytujących, wyznaczona doświadczalnie, w funkcji prędkości użytkowej oraz powierzchni rzutu tych modułów, wynosi od 0,10 metra do 1 metra.

Korzystnym jest także gdy wysokość lub grubość „E modułów wychwytujących wynosi korzystnie od 0,20 do 0,70 metra.

Przy tym korzystnym jest gdy powierzchnia rzutu modułów wychwytujących, tj. aktywna powierzchnia strefy wychwytującej, określanej także jako strefa separacji/akumulacji, zawiera się w przedziale pomiędzy 2 a 20 m²/m² powierzchni flotownika wyposażonego w moduły.

Również korzystnym jest gdy ma moduły wychwytujące typu płytkowego, w szczególności z płytkami równoległymi, o profilu kołowym lub sześciokątnym i o przepływie współprądowym lub krzyżowym.

Ponadto korzystnym jest gdy ma moduły wychwytujące typu transferowego, w szczególności o nieliniowym przepł ywie, zapewniają ce dwa kierunki cyrkulacji oczyszczanej wody.

Komora flotacyjna, do której wprowadza się surową wodę, poddaną uprzednio flokulacji i wymieszaną z mikropęcherzykami, wytworzonymi przez system sprężający i rozprężający, jest wyposażona w perforowane urządzenie pobierające, zaprojektowane tak, aby na całej powierzchni flotownika prąd przepływu oczyszczanej wody był jednakowy i jednostajny, przy czym instalacja ta zawiera moduły wychwytujące typu „moduł płytkowy lub „moduł transferowy, ze współprądowym lub krzyżowym przepływem hydraulicznym, rozmieszczone w komorze flotacyjnej, tak, że ich dolna część jest oddalona od urządzenia pobierającego o odległość, dobraną tak, aby urządzenie pobierające zapewniało jednolitą dystrybucję bez żadnych zaburzeń.

W przedstawionym urządzeniu nieoczekiwanie okazało się, że jednakowy i jednostajny przepływ przez całkowitą powierzchnię komory flotacyjnej nie jest zaburzony przez obecność modułów wychwytujących, pod warunkiem, że są one umieszczone w pewnej odległości od perforowanego urządzenia pobierającego.

Wynalazek zostanie przybliżony na podstawie przykładów wykonania pokazanych na rysunku, na którym poszczególne figury przedstawiają:

- fig. 1 - schematyczny przekrój pionowy flotownika ze zmodernizowaną komorą flotacyjną wg opisu patentowego EP-A-0 659 690, wyposażoną w płytkowe moduły ze współprądowym przepływem;

- fig. 2 - rzut flotownika z fig. 1, który przedstawia tylko połowę powierzchni pokrytej modułami;

- fig. 3 - przedstawia schematyczny przekrój pionowy flotownika, wyposaż onego, wyposaż onego w transferowe moduły z krzyżowym przepływem;

- fig. 4 - zasadę działania transferowych modułów z krzyżowym przepływem, wykorzystanych w przykładzie z fig. 3.

Do komory flotacyjnej 10 przedstawionego na fig. 1 i 2 flotownika wprowadza się surową wodę, którą miesza się z wodą o wysokim ciśnieniu, dostarczoną przez system sprężający i rozprężający, pokazany schematycznie i oznaczony numerem 11. Stała materia, zawarta w surowej wodzie i unoszona na powierzchnię poprzez mikropęcherzyki, wytworzone przez system 11 do sprężania i rozprężania jest odprowadzana w górnej części komory 10 poprzez rynnę 12. W swej dolnej części, komora zawiera system do pobierania oczyszczonej wody, składający się z perforowanego urządzenia pobierającego 13. Jak wspomniano powyżej, te perforacje lub luki oddzielające je, mają wymiary mniejsze

PL 209 676 B1 na wylocie komory 10 niż na jej wlocie, co powoduje asymetrię na poziomie urządzenia pobierającego

13, która zapewnia jednakowy i jednostajny przepływ przez całą powierzchnię komory flotacyjnej.

Komora flotacyjna 10 jest dodatkowo wyposażona w środki wychwytujące, które są umieszczone powyżej urządzenia pobierającego 13, a ich dolna część znajduje się w określonej odległości od tego urządzenia, tak aby uniknąć jakichkolwiek zaburzeń w jednostajnym przepływie oczyszczanej wody, zapewnionym przez perforowane urządzenie pobierające. Środki wychwytujące mają postać dobrze znanych modułów wychwytujących 14, z równoległymi płytkami lub rurkami. Moduły takie, przykładowo przedstawione w opisie patentowym WO 97/20775, mogą mieć profil kołowy, sześciokątny lub inny oraz kąt nachylenia do pionu, na przykład, 60°. Moduły wychwytujące nadają oczyszczanej wodzie określony kierunek przepływu.

Odległość „h, dzieląca powierzchnię urządzenia pobierającego 13 od dolnej części modułów wychwytujących 14, zależy w szczególności od geometrii flotownika, od wartości przepływu i od temperatury oczyszczanej wody. Korzystnie odległość ta mieści się w przedziale 0,15 a 0,60 metra.

Wysokość „E (lub grubość) modułów 14 dobiera się jako funkcję prędkości użytkowej oraz „rzutu powierzchni modułów wychwytujących. Wysokość ta może wynosić od 0,10 metra do 1 metra, najlepiej pomiędzy 0,20 a 0,70 metra. W celu spełnienia wymogów co do zadanych zastosowań, przewidywanych prędkości, rzędu od 20 m/h do 60 m/h, oraz poprawnego odcięcia, rzut powierzchni modułów wychwytujących (tj. aktywna powierzchnia strefy wychwytującej, określanej także jako strefa separacji/akumulacji) powinien zawierać się w przedziale pomiędzy 2 a 20 m² na 1 m² powierzchni flotownika wyposażonego w moduły.

We flotowniku pokazanym na fig. 3 i 4 zastosowano środki wychwytujące w postaci modułów transferowych 15, których działanie jest takie same jak modułów wychwytujących 14. Moduły transferowe 15, zazwyczaj o nieliniowym przepływie, zostały pokazane schematycznie na fig. 4. Zastosowanie mogą znaleźć w szczególności moduły „Brentwood CF lub „Munters FB 10, których używa się zazwyczaj, aby polepszyć transfer „gaz - ciecz lub separację „olej - woda, itd. Moduły te umożliwiają cyrkulację oczyszczanej wody w dwóch kierunkach, co powoduje wzrost turbulencji na modułach i przyczynia się do koalescencji pęcherzyków.

Poniżej porównano przykłady zastosowania wynalazku, ukazując jego zalety oraz techniczne skutki jego zastosowania, w odniesieniu do obecnego stanu techniki.

P r z y k ł a d 1

Przeprowadzono testy na sprzęcie do oczyszczania wody zgodnie z opisem patentowym EP-A-0 659 690. Badanie prowadzone były przy bardzo dużej prędkości (40 m³/h/m²), w zimnej wodzie, tj. o temperaturze od 0.1 do 1.0°C. Podczas tych testów stwierdzono obecność znacznej ilości pęcherzyków powietrza w urządzeniu pobierającym komory flotacyjnej, co oczywiście jest niepożądane. Ilość powietrza obecnego w oczyszczanej wodzie stanowi problem w kategoriach późniejszej filtracji tej wody w piaskowym/antracytowym filtrze. Czas trwania cyklu filtracyjnego był bardzo krótki ze względu na dużą zawartość pęcherzyków powietrza, powodującą zatory powietrza w materiale filtracyjnym, czego efektem był znaczny spadek ciśnienia w filtrze oraz zmniejszenie jego skuteczności.

Obecność pęcherzyków powietrza w oczyszczanej w komorze flotacyjnej wodzie, przy bardzo dużej prędkości, ma także efekt uboczny przy porywaniu stałej materii, co powoduje wzrost zmętnienia oczyszczanej wody. Takie zmniejszenie skuteczności instalacji jest niepożądane, gdyż wzrost zmętnienia może także prowadzić do redukcji cyklu filtracyjnego w filtrze umieszczonym z prądem.

W poniższej tabeli zestawiono charakterystyki działania, jakie uzyskano korzystając z tej znanej instalacji:

Prędkość flotacji [m3/h/m2]	Temperatura wody [°C]	Zmętnienie na wylocie komory [NTU]	Prędkość filtracji [m/h]	Czas trwania filtracji [h]
40	0.2	2.5	10	12

Te rezultaty potwierdzają, że ta znana instalacja nie jest odpowiednia do oczyszczania wody w warunkach opisanych powyżej.

P r z y k ł a d 2

Przeprowadzono inny test, przy identycznych właściwościach wody, na tej samej instalacji wg opisu EP-A-0 659 690, ale wyposażonej w płytkowe moduły w postaci równoległych płytek (o wysokości 30 cm i nachyleniu 60° do pionu), połączone z urządzeniem pobierającym komory flotacyjnej. Testy te dały bardzo słabe rezultaty, przejawiające się wzrostem zmętnienia wody oraz wzrostem gęstości

PL 209 676 B1 pęcherzyków powietrza na wylocie komory flotacyjnej. Wniosek jaki wyciągnięto jest taki, że obecność perforowanego urządzenia pobierającego, z niesymetrycznym rozmieszczeniem otworów, przez które wypływa woda, jest niekompatybilna z użyciem płytkowych modułów, których dolna część leży bezpośrednio na powierzchni tego urządzenia pobierającego. Takie rozmieszczenie uniemożliwia osiągnięcie jednakowego i jednostajnego przepływu przez całkowitą powierzchnię flotownika, a ta cecha jest najważniejsza dla osiągnięcia skutecznej flotacji przy dużej prędkości. Te badanie wykazały również znaczny spadek jakości wody.

Poniższa tabela ukazuje wyniki osiągnięte przy użyciu tej instalacji.

Prędkość flotacji [m3/h/m2]	Temperatura wody [°C]	Zmętnienie na wylocie komory [NTU]	Prędkość filtracji [m/h]	Czas trwania filtracji [h]
40	0.3	4.5	10	6

Uzyskane rezultaty potwierdzają, że ten flotownik także nie jest odpowiedni.

P r z y k ł a d 3

Ponownie przeprowadzono testy, dla tych samych warunków oczyszczania i dla tych samych charakterystyk wody, przy użyciu flotownik z przykładu 2, z tą jedynie zmianą, że dolna część płytkowych modułów znajduje się 30 cm powyżej urządzenia pobierającego, według fig. 1 i 2. Testy dały wyniki znacznie lepsze od spodziewanych. U wylotu tych płytkowych modułów koncentracja pęcherzyków powietrza w wodzie była znacznie zredukowana dzięki wychwytywaniu i koalescencji tych pęcherzyków na płytkach. Co więcej, pewna ilość stałej materii została wychwycona przez płytki i skoagulowane pęcherzyki. Ponieważ zmniejszono ilość powietrza, uzyskano dzięki temu spadek zmętnienia.

Wyniki uzyskane w tych testach są zebrane w poniższej tabeli:

Prędkość flotacji [m3h/m2]	Temperatura wody [°C]	Zmętnienie na wylocie komory [NTU]	Prędkość filtracji [m/h]	Czas trwania filtracji [h]
40	0.2	1.0	10	18

Należy zwrócić uwagę, że zmętnienie oczyszczanej wody wynosi 1 NTU, a w przykładzie 1 i 2 wartość ta wynosiła odpowiednio 2,5 i 4,0 NTU; podobnie czas trwania filtracji (zanim filtr został zabrudzony) wynosi tutaj 18 godzin, w porównaniu z czasem 12 i 6 godzin z przykładów 1 i 2.

P r z y k ł a d 4

Ponownie przeprowadzono testy przy użyciu flotownika pokazanego na fig. 3 i 4, którego komora flotacyjna jest wyposażona w moduły transferowe, przy czym ich dolna część jest usytuowana 30 cm powyżej poziomu perforowanego urządzenia pobierającego. Testy te dały doskonałe wyniki: zaobserwowano bardzo znaczny spadek ilości powietrza w oczyszczanej wodzie, co istotnie poprawia pracę flotownika.

W poniższej tabeli zestawiono wyniki uzyskane w tych testach:

Prędkość flotacji [m3/h/m2]	Temperatura wody [°C]	Zmętnienie na wylocie komory [NTU]	Prędkość filtracji [m/h]	Czas trwania filtracji [h]
40	0.4	0.4	10	32

Analiza tabel odnoszących się do przykładów 3 i 4 potwierdza, jak doskonałe wyniki można uzyskać przy użyciu wynalazku, w porównaniu z instalacjami według obecnego stanu techniki (przykłady 1 i 2). Należy również wspomnieć, w kontekście testów z przykładu 4, iż możliwe było osiągnięcie prędkości oczyszczania rzędu 60 m^3/h/m², bez kompromisów w poziomie zmętnienia oczyszczanej wody na wylocie komory flotacyjnej, zapewniając przy tym poprawne działanie piaskowego//antracytowego filtra komory flotacyjnej, umieszczonego z prądem.

Jest oczywistym, że opisany wynalazek znajduje o wiele więcej alternatywnych form zastosowania, niż te podane powyżej.

Claims (7)

1. Zastrzeżenia patentowe

   1. Flotownik komorowy instalacji do uzdatniania wody, stanowiący przepływowy zestaw komory mieszania z komorą flotacyjną i perforowanym urządzeniem pobierającym, wyposażony w sprężająco-rozsprężający układ napowietrzający oraz usytuowane w komorze flotacyjnej moduły wychwytujące, znamienny tym, że otwory perforacyjne urządzenia pobierającego (13) zmniejszają się, względnie odstępy pomiędzy tymi otworami zwiększają się, w kierunku końcowej części komory flotacyjnej (10), z kolei moduły wychwytujące (14, 15) są tak rozmieszczone, że ich dolna część jest oddalona od powierzchni urządzenia pobierającego (13) o wyznaczoną doświadczalnie, z uwzględnieniem geometrii urządzenia pobierającego (13), wartości przepływu i temperatury oczyszczanej wody oraz laminarnego charakteru przepływu, odległość „h, której wartość zawiera się przedziale od 0,05 metra do 1 metra.
2. 2. Flotownik według zastrz. 1, znamienny tym, że wartość odległości „h, zawiera się korzystnie w przedziale od 0,15 do 0,60 metra.
3. 3. Flotownik według zastrz. 1 albo 2, znamienny tym, że wysokość lub grubość „E modułów wychwytujących (14, 15), wyznaczona doświadczalnie, w funkcji prędkości użytkowej oraz powierzchni rzutu tych modułów, wynosi od 0,10 metra do 1 metra.
4. 4. Flotownik według zastrz. 3, znamienny tym, że wysokość lub grubość „E modułów wychwytujących (14, 15) wynosi korzystnie od 0,20 do 0,70 metra.
5. 5. Flotownik według zastrz. 3, znamienny tym, że powierzchnia rzutu modułów wychwytujących (14, 15), tj. aktywna powierzchnia strefy wychwytującej, określanej także jako strefa separacji/akumulacji, zawiera się w przedziale pomiędzy 2 a 20 m²/m² powierzchni flotownika wyposażonego w moduły.
6. 6. Flotownik według zastrz. 1 albo 3, znamienny tym, że ma moduły wychwytujące typu płytkowego, w szczególności z płytkami równoległymi (14), o profilu kołowym lub sześciokątnym i o przepływie współprądowym lub krzyżowym.
7. 7. Flotownik według zastrz. 1 albo 3, znamienny tym, że ma moduły wychwytujące typu transferowego (15), w szczególności o nieliniowym przepływie, zapewniające dwa kierunki cyrkulacji oczyszczanej wody.