Ugrás a tartalomhoz

Szennyvíztisztítási technológiák I.

Dr. Simándi Péter (2011)

Szent István Egyetem

7. fejezet - Durva szennyeződések eltávolítása: homokfogók, hidrociklonok

7. fejezet - Durva szennyeződések eltávolítása: homokfogók, hidrociklonok

Bevezetés

A nagyobb sűrűségű ásványi anyagokat (homok, salak), amelyek a szennyvízben nem lebontható anyagok közé tartoznak, a rács után következő homokfogóban kell eltávolítani. Ezek az anyagok a szivattyúkat nagymértékben koptatják. A homok, salak, zsír, kátrány és egyéb cementálódó tulajdonságú anyagokból alkotott keverék a vezetékekben, a rothasztóban, az eleveniszapos medencékben szilárd tömeget alkothat. Ez nehezen mozog és a szokásos módon nem távolítható el, így a berendezések térfogata fokozatosan csökken. Ezért a tisztítótelepre érkező zsírszerű anyagokat is rögtön a tisztítórendszer elején el kell távolítani.

Ebben a tanulási egységben a homokfogók működésének és különböző típusainak bemutatására kerül sor.

Követelmény:

  • Tudja, hogyan működnek a homokfogók, és milyen körülmények között és hol alkalmazhatók a szennyvíztisztításban.

  • Ismerje a különböző típusokat és üzemeltetésüket.

  • Tudja, hogyan működnek a hidrociklonok, és milyen körülmények között és hol alkalmazhatók a szennyvíztisztításban.

Homokfogók

A homokfogókat általában a szennyvízrácsokat követően építik be a technológiai folyamatba, hogy a soron következő berendezések üzemét védjék az ásványi anyagok okozta károsodástól. Különösen egyesített rendszerű csatornahálózat esetében a homokfogókról gondoskodni kell a szennyvíztisztító telepeken. Magas szervesanyag-terhelés esetén a homokfogókat homokmosó berendezésekkel egészíthetik ki, szerves anyag tartalom csökkentésére. Ezek általában hidrociklon jellegű kiépítésűek. A homokfogók lényegében ülepítőknek tekinthetőek, amelyek elsődlegesen szemcsés ásványi anyagok eltávolítását végzik el.

A homokfogó működési elve ennek megfelelően a Stokes féle, ülepedésre vonatkozó képlettel határozható meg:

Ahol: vű – az ülepedési sebesség (m/s), ρsz – az ülepedő részecske sűrűsége (kg/m3), ρvíz – a víz sűrűsége (kg/m3), g – a gravitációs gyorsulása (9,81 m/s2), d – az ülepedő szemcse átmérője (mm), ν – a víz kinematikai viszkozitása (m²/s)

A képletből megállapítható, hogy a szemcse átmérőjének növekedésével az ülepedési sebesség hatványozottan növekszik. Csökken viszont az ülepedési sebesség, ha nő a víz kinematikai viszkozitása.

A homokfogó feladata a 0,2 mm-nél nagyobb szemcseátmérőjű anyagok szennyvízből történő eltávolítása, egyben ezeknek a rothadó szerves anyagoktól való elválasztása, gépi berendezések kopás elleni védelme.

A szemcsés anyag ülepedése nyugvó közegben a gravitációs erő, a felhajtóerő és a súrlódási erő hatására következik be szabad ülepedés során. Kis koncentrációról lévén szó (egy százaléknál kevesebb) a szemcsék szabadon egymástól függetlenül ülepednek, azaz ún. szabad ülepedésről van szó. A homokfogóban kiülepítendő anyag összetétele rendkívül változó, így a méretezés alapjául szolgáló szemcse átmérő és sűrűség csak becsléssel vehető fel. A homokfogókat általában úgy méretezik, hogy 0,2 mm-nél nagyobb átmérőjű homokszemcséket tartsa vissza. Ez tág határok között általában 5-12 l-re becsülhető lakos-egyenértékenként.

Az átfolyás irányát tekintve a homokfogók lehetnek vízszintes vagy függőleges átfolyásúak és mindkettőnek nagyon sok típusa alakult ki hazánkban is. Általában a hosszanti átfolyású és légbefúvásos homokfogó alkalmazása terjedt el. Az átáramlás iránya mindkettőben vízszintes. A homokfogó méretezésekor figyelembe kell venni, hogy a szennyvízcsatornán 0,5-0,6 m/s sebességgel érkezik a szennyvíz a tisztítótelepre. Ennél a sebességnél a szennyvízben lévő lebegőanyagok egy része még lebegésben marad, más része nagyobb átmérőjű, illetve nagyobb sűrűségű szemcsék leülepednek ugyan, de időről időre jelentkező vízhozam és nagyobb vízsebesség esetén ismételten mozgásba kerülnek. A hosszanti átfolyású homokfogókban a méretezést úgy kell kialakítani, elsősorban az átfolyó víz mennyisége révén, hogy bármilyen vízhozam mellett az áramlási sebesség 0,3 m/s körül legyen. Ennél a sebességnél a homokszemcsék még kiválnak és leülepednek, de a finomabb szerves anyagok azonban tovább mozognak. Az átfolyási keresztmetszet mellett a műtárgy végén beépített terelőlemez, torlólemez összehangolt kiépítésével vagy Venturi illetve Parshall csatorna beépítésével lehet szabályozni az átfolyási sebességet.

A hosszanti homokfogók méretezése az alábbi:

ahol: Lü – az ülepítőtér hasznos hossza (m), B – az ülepítőtér szélessége (m), m – az átlagos vízmélység az ülepítőben (m), Fü – az ülepítő hasznos alaprajzi felülete (m2), Qv – a műtárgyat terhelő hasznos vízhozam (m3/s), v – az átáramlási középsebesség (m/s), vü – ülepedési sebesség (m/s), vüh – az ülepedési sebesség határértéke (m/s), tü – ülepedési idő (s), tsz – számított átlagos tartózkodási idő (s).

Ezek az összefüggések lamináris áramlás esetén érvényesek, hosszanti átfolyású homokfogók esetében gondoskodni kell arról, hogy az átfolyási sebesség 0,3 m/s értékhez legyen közeli.

Alkalmazási területei:

  • • egyesített és vegyes rendszerű csatornahálózat esetén,

  • • elválasztott rendszerű hálózatnál, ha Qd //>// 1000 m3/d, ill. ha a biológiai egység kialakítása azt indokolja.

A homokfogókat a biztonság érdekében célszerű minimum két kamrával építeni. A hidraulikai méretezésnél ajánlatos az első kamrát a szárazidei szennyvízre, míg a mértékadó csapadékvízre szükség szerint további kamrá(ka)t betervezni. A homokfogót mindig a rács után kell telepíteni, s gazdasági okokból célszerű azzal egy műtárgyba helyezni.

A homokfogók szerkezetét, méreteit, gépi berendezéseit a hozzá csatlakozó csatornahálózat által levezetett mértékadó vízhozam óracsúcsára kell méretezni.

A homokfogók fajtáik szerint lehetnek:

  • vízszintes átfolyású,

  • függőleges átfolyású,

  • köráramlási (légbefúvásos),

  • forgólapátos,

  • tangenciális típusúak.

A típus megválasztását az építési (helyigény, talaj, talajvíz, magassági elhelyezés, gépészeti kialakítás) szempontok, továbbá az üzemeltetés (szennyvízhozam, -minőség, érkező szemcsés anyag mennyisége és szemcseátmérők eloszlása, kiemelésének és elszállításának módja, az elhelyezés vagy hasznosítás lehetősége stb.) feltételei határozzák meg.

Vízszintes átfolyású rendszereknél a mennyiségtől függetlenül a v = 0,3 m/s körüli középsebességet kell biztosítani.

Kézi kiemelésű homokfogó általában 2–4000 m3/d-ig alkalmazható. Ha a homok mennyisége nagy, vagy kimutathatóan fertőzőképes, akkor az alsó határértéknél is a gépi homokkiemelés ajánlható. Függőleges átfolyású homokfogókat általában ott alkalmaznak, ahol a vízhozam közel állandó, vagy az építési szempontok (helyhiány stb.) azt indokolttá teszik.

Ismertek automatikus homokeltávolítással és víztelenítéssel rendelkező berendezések, melyek kompakt kialakításuknál és egyszerűségüknél fogva kedvező alternatívát kínálnak.

A kifogott homok továbbkezelése, hasznosítása környezetvédelmi, egyben gazdaságossági kérdés, mely eddig hazai viszonylatban eléggé elhanyagolt terület volt. A lerakási helyek szűkülése, valamint az igénybevétel egyre emelkedő költsége – hasonlóan Nyugat-Európához – ezen technológia fontosságát egyre inkább előtérbe hozza.

A közepes, illetve nagyobb telepeknél a levegőbefúvásos megoldás az elterjedt, melynek előnye, hogy vízhozamról vezérelt levegőbevitel esetén a terhelésre a berendezés kevésbé érzékeny. A légbefúvásos rendszert a jó kiülepedési hatásfok, a kevés maradék (8–12%) szervesanyag-tartalom jellemzi.

A legjellemzőbb kétféle típusú homokfogót a következő ábrákon láthatjuk: a 25. ábra egy légbefúvásos homokfogót, lengőrostás homokkihordóval a 26. ábra, egy kör alakú vízszintes áramlású, szintén lengőrostás homokkihordóval egybeépített megoldást mutat be, ahol a lengőkihordó egyben vízteleníti is a homokot. A különféle (mammutszivattyús, csigás, centrifugál szivattyús, lengőrostás stb.) gépészeti berendezésekkel kiemelt homokszemcsékre többnyire olaj is tapad, továbbá tartalmaz szerves anyagot is, mely nem teszi alkalmassá közvetlen felhasználásra.

Légbefúvásos homokfogót nagyobb szennyvízmennyiségek esetében alakítanak ki (27. ábra). A medencében kialakuló áramlás egy hosszanti és egy keresztirányú körpályájú mozgás eredőjeként csavarvonal alakú, a körpályájú mozgás sebességét a befúvott levegő mennyisége szabályozza. Átlagos érték 1 m3 medencetérfogatra 1,5 m3/h levegő mennyiség. Célszerű a légbefúvó csőrácsot a fenék közelében elhelyezni, mivel ez növeli a kiválasztási hatást és csökkenti a detergensek következtében esetleg fellépő felhabzást.

25. ábra. Légbefúvásos homokfogó lengőrostás homokkihordóval

26. ábra. Vízszintes átfolyású homokfogó lengőrostás homokkihordóval (Dorr-típus)

27. ábra. Légbefúvásos homokfogók kialakítása (Hartmann nyomán)

A medencéből való vízkivétel a bevezetéssel ellentétes oldalon a forgó vízhenger közepéről vagy merülő fal mögül történhet. A homok eltávolítását a medence alján lévő gyűjtőzsompból mozgó-kotró szerkezettel, vagy levegőbefúvással, illetve mamutszivattyúval lehet végezni. Ez utóbbival jobb gyakorlati tapasztalatok vannak.

A vízszintes átfolyású homokfogó közül megemlíthetjük még a Dorr-rendszerű kör alakú és a fenékrácsos homokfogókat. A Dorr-rendszerű homokfogó négyzetes alaprajzú, kotróval ellátott ülepítő medence, ahol az egyik teljes oldalszélességen lefolyó víz a teljes szemközti oldali bukóélen távozik. A kör alakú vagy Geigeer-féle homokfogóval a szennyvizet érintőlegesen vezetik be és 180°-os fordulat után vezetik ki. A köráramlású homokfogók a kör alakú alaprajzú medencében cirkulációs vízmozgást hoznak létre és a lebegő részecskék a nehézségi és a centrifugális erő együttes hatására ülepednek le. Az alapelv közel áll a nyitott hidrociklonok működési elvéhez. Ebben az esetben azonban elsődlegesen a centrifugális erő hatása érvényesül a nagy tangenciális sebesség összetevők miatt. A medencébe való vízbevezetés sebességének 0,7-1 m/s között kell lennie, a vízelvezetés sebessége nem haladhatja meg a 0,7-0,8 m/s-os értéket.

A homokfogó ülepítő térfogatának másodpercenként befolyó szennyvízmennyiségéhez viszonyított aránya 25:1, 30:1 között lehet. Az átlagos tartózkodási idő javasolt értéke 35-45 s és a maximális hasznos vízhozam is legalább 25-30 s-os tartózkodási idejű kell, hogy legyen. Homokfogók a rugalmas szabályozhatóságuk miatt előnyös tulajdonságúak. Az adott üzemi viszonyoknak megfelelően ugyanis tág határok között szabályozható a műtárgyban kialakuló áramlási sebesség és beállítható az ásványi anyag eltávolítás hatásfoka.

Amennyiben a homokot építőipari célra kívánják újrahasznosítani, az olajszennyeződést általában költséges kiégetéssel lehet eltávolítani. A homokfogóból kikerült anyag fertőzöttnek tekintendő, ezért akár lerakás (depónia, töltés), akár egyéb felhasználás esetén az egészségügyi előírások feltétlen betartandók. A homok víztelenítésére gyakran alkalmaznak homokszárító ágyakat, vagy ülepítő tartályokat is.

Az alábbi képeken (28., 29., 30. ábra) néhány, a gyakorlatban alkalmazott homokfogó látható.

28. ábra. Légbefúvásos homokfogó

29. ábra. Homokfogó

30. ábra. Homokeltávolító műtárgy

Gyakran előfordul, hogy a szennyvíz jelentős mennyiségben tartalmaz víznél alacsonyabb sűrűségű zsírokat, olajokat. Bár ezek eltávolítása egyértelműen a hálózatba történő bevezetés előtt kell, hogy megtörténjen (ipari előtisztítás), mégis sok esetben jelenléte rontja a tisztítás hatékonyságát, ami miatt a tisztítótelepen is szükségszerű beavatkozni. A zsír- és olajeltávolítást az ülepítés előtt, többségében a homokfogóval egybeépítve végzik, kihasználva a levegőbefúvás flotációs hatását.

Különleges esetekben - elsősorban magas homoktartalmú ipari szennyvizek esetében - a homok kiválasztására és osztályozására hidrociklonokat is alkalmazhatnak (31. ábra), amelyben fellépő áramlási sebesség csökkenése révén gravitációs ülepedés következik be.

31. ábra. Ciklonos homokeltávolító (Bristow, Kerry, 1989)

Hidrociklonok: sűrűségkülönbségen alapuló elválasztási műveletek végrehajtásához alkalmazott berendezés. Az elválasztás centrifugális erőtér hatására történik meg, amelyet a készülék palástja mentén bevezetett csigavonal pályára kényszerített folyadék mozgása alakít ki. A hidrociklonokban a centrifugális teret nem a dob forgása alakítja ki, hanem a folyadék mozgása – a készülékbe nagy sebességgel vezetik be a folyadékot, ami körpályára kényszerül a készülék fala mentén, hatásfoka rosszabb, mint a centrifugáké, ezért csak nagyobb sűrűségkülönbség esetén alkalmazhatóak.

A hidrociklonokban ugyanúgy centrifugális erőtérben történik az elválasztás, de más szerkezeti megoldással. Míg a centrifugákban a dob forgásával hozunk létre centrifugális erőteret, és ennek hatására a dobba juttatott folyadék a viszkozitással arányos veszteséggel felveszi a dob fordulatszámát és vele együtt forog, addig a hidrociklon esetén az álló dobba nagy sebességgel betáplált szilárd-folyadék szuszpenzió körpályára kényszerül, és fékeződik (a viszkozitásával arányosan).

A hidrociklonok elválasztási „élessége” lényegesen kisebb, mit a centrifugáké, ezért csak nagy sűrűségkülönbségek esetén használhatók eredményesen.

A készülékben az örvénylő áramlást a nyomás alatt tangenciálisan bevezetett folyadék alakítja ki. Az alsó nyíláson át a nagyobb, míg a felső nyíláson keresztül a kisebb sűrűségű fázis távozik.

Három erő hat a folyadékban levő szilárd anyagra:

  • centrifugális erő,

  • súrlódási erő,

  • nehézségi erő,

3-300 m3/h közti teljesítményekkel használnak eredményesen hidrociklon egységeket.

A hidrociklonok (ls. 31. ábra) és a centrifugák egy része lebegőanyagok leválasztására, más részük iszap-víztelenítésre alkalmas.

A ciklonos homokeltávolító kb. az 1980-as évektől kezdett elterjedni. A hidrociklon működési elvének megfelelően a szennyvíz tangenciálisan érkezik a homokeltávolító kamrába, így a berendezésben örvénymozgás keletkezik. A homok az elsődleges örvénymozgás (és a gravitáció hatására) a ciklon palástjához közeli térben spirális pályán a fenekére ülepszik, a könnyebb szerves anyagokat pedig a másodlagos örvény a ciklus középső terébe gyűjti, azokat felfelé mozgatja, majd a ciklon felső részéből távozva, a szennyvíztisztító telepre jutó szennyvízhez keverhetők.

Amint azt a 31. ábra is szemlélteti, a homokfogóba érkező szennyvíz (viszonylag nagy mennyisége miatt), a hidrociklonon nem vezethető keresztül, hanem a homokfogóból (ami csatornába telepített, vagy külön medence lehet) a mechanikai úton zsompba juttatott – már lényegesen kisebb mennyiségű – homok, mint sűrű szuszpenzió (zagy) a ciklonba szivattyúzható. A ciklonrendszerből kijutó homokot, minthogy közegészségügyileg veszélyes patogén szervezeteket, könnyen rothadó szerves anyagokat tartalmaz, az égetőbe táplálhatjuk.

A homokfogók kialakítása sok bizonytalansági tényezőt rejt magában, ezért méretezése és működtetésének kialakítása különös figyelmet érdemel.

Összefoglalás

A homokfogók a szennyvíztisztító telepek mechanikai tisztító műtárgyainak csoportjába tartozó berendezések, melyek a méretkülönbség elvén alapulnak.

A homokfogók építésének célja, hogy a tisztító telepre folyó nyers szennyvíz ásványi anyag tartalmát lehetőleg minél jobb hatásfokkal eltávolítsuk, és így a technológiai folyamatban soron következő műveletekben a szemcsés ásványi anyagok jelenléte által fellépő nehézségeket lehetőség szerint kiküszöböljük.

A homokfogók működését illetően a különböző típusok különböző előnyökkel és hátrányokkal rendelkeznek. Az újabb típusok kidolgozásakor minden esetben az a szempont volt irányadó, hogy az átfolyási sebességet lehetőleg minél nagyobb mértékben lehessen szabályozni, és ugyanakkor az építési és gépészeti egységek, elemek minél egyszerűbben és gazdaságosabban megépíthetők, ill. üzemeltethetők legyenek.

A homokfogók általában a szennyvízrácsokat követően vannak a technológiai folyamatba beépítve, hogy a soron következő berendezések üzemét védjék az ásványi anyagok (homok, sár, kavics, stb.) jelenléte által előidézhető károsodásoktól.

A homokfogók főbb típusai:

  • hosszanti átfolyású homokfogók;

  • függőleges átfolyású homokfogók;

  • köráramlású homokfogók;

  • spirál áramlású homokfogók:

  • légbefúvásos homokfogók,

  • forgólapátos homokfogók.

Ellenőrző kérdések

  1. Miért van szükség homokfogókra?

  2. Milyen fizikai erők játszanak szerepet az ülepedésben?

  3. A homokfogóknak milyen típusait ismeri?

  4. Milyen homokeltávolítási módszereket ismer?

  5. A homokfogók működési elve milyen képlettel írható le?