كيف يؤدي قسم التدفق الأفقي إلى خفض تعكر المياه المستقرة من 6.15 إلى 1.3 NTU - دراسة حالة تحديثية لمستوطن الأنبوب على نطاق كامل

محطة مياه بالمقاطعة تم بناؤها عام 1989. مياه خام بدرجة حرارة 0-5 لمدة خمسة أشهر في السنة. قطار العلاج الذي لا يستطيع كسر 3 NTU.أجرى مهندسو المصنع تغييرًا هيكليًا واحدًا على جهاز تسوية الأنبوب المائل - بإضافة قسم تصحيح التدفق الأفقي الذي يشغل ثلث طول الخزان فقط - وشاهدوا انخفاض تعكر المياه المستقرة من 6.15 وحدة حرارية بريطانية إلىأقل من 2 NTU خلال 72 ساعة من بدء التشغيل. وبعد مرور ثلاث سنوات، كان النظام لا يزال يعمل1.3 NTU متوسطمع عدم وجود تعديل على قذيفة الدبابة. إذا كنت تقوم بتشغيل أنبوب مائل يكون أداؤه ضعيفًا في الماء البارد أو تعاني من أحمال الصدمات، فإن دراسة الحالة هذه توضح بالضبط كيفية عمل الإصلاح - ولماذا هو أبسط مما تعتقد.

التحدي: معايير جديدة، نبات قديم، ماء بارد

عندما يكون القانون أقل من أو يساوي 1 NTU، وتم إنشاء محطتك بتكلفة أقل من أو تساوي 3 NTU

وتقع محطات المياه بالمقاطعة في شمال شنشي، وهي المنطقة التي تنخفض فيها درجات حرارة المياه بشكل روتيني في فصل الشتاء0-5 درجةوتتراوح نسبة تعكر المياه الخام بين 15 و77 وحدة نانو تي اعتمادًا على الموسم. تم تشغيل المصنع في عام 1989 باستخدام عملية تقليدية: التلبد ذو الألواح المطوية، والترسيب الأنبوبي المائل، والمرشحات عديمة الصمامات الجاذبية. قطاران متوازيان قدرة كل منهما 6,000 م3/ي، بسعة إجمالية 12,000 م3/ي. لمدة عقدين من الزمن، كان هذا كافيا. كانت المياه النهائية تبلغ حوالي 3 NTU - وهي مقبولة وفقًا للمعايير القديمة.

ثم تغيرت اللوائح. رفعت معايير الصرف الصحي لمياه الشرب الجديدة المعيار من أقل من أو يساوي 3 وحدات تايوانية إلىأقل من أو يساوي 1 NTU. ولم تتمكن العملية الحالية من سد هذه الفجوة. واجهت محطات المياه قرارًا تواجهه كل محطة قديمة في النهاية:هدم وإعادة بناء، أو التحديثية ضمن البصمة الحالية. وكان الأخير هو الخيار الواقعي الوحيد. وقد تم وضع هياكل المعالجة في الداخل من أجل العزل الحراري - وهو أمر ضروري في مناخ شمال شنشي، حيث تتجمد الخزانات الخارجية. هدم الجدران للتوسع لم يكن مطروحا على الطاولة. كان عليهم أن يجعلوا ما لديهم يعمل بشكل أفضل.

الهدف: زيادة قدرة القطار الواحد من 6000 متر مكعب في اليوم إلى10,000 m³/d(إجمالي إنتاج المصنع: 16,000 متر مكعب في اليوم)، مع تعكر المياه المستقرة باستمرار أقل من 3 NTU لمنح المرشحات فرصة قتالية عند متطلبات المياه النهائية التي تقل عن أو تساوي 1 NTU.

استراتيجية التعديل التحديثي: ثلاث ترقيات، مبدأ واحد

ولم يلمس الفريق الهندسي قذيفة الدبابة. لقد غيروا العملية داخله، حيث قاموا بتحويل "التلبد ذو الصفائح المطوية + الترسيب الأنبوبي المائل + مرشح الجاذبية بدون صمام" إلى"تلبد الاتصال + تسوية الأنبوب المائل المحسّن + مرشح الجاذبية بدون صمام". قادت ثلاث ترقيات هذا التحول:

1. الخلاط متعدد الأنابيب يحل محل الخلاط الثابت الأنبوبي

قام الخلاط الثابت الأنبوبي الأصلي بشيء واحد: إنه مختلط. يقوم الخلاط البديل متعدد الأنابيب بثلاثة أشياء في وقت واحد:تدفق القطع والتقسيم، والارتجاع العكسي، والخلط السريع. عندما يمر الماء عبر هندسة الأنابيب المتعددة، تتشكل تيارات دوامية عالية التردد عند الطبقة الحدودية لجدار الأنبوب. تخلق هذه الدوامات مناطق صغيرة من القص المكثف الذي يوزع مادة التخثر بالتساوي عبر المقطع العرضي للتدفق بالكامل في غضون ثوانٍ. تتجاوز كفاءة الخلط المقاسة94%، وفقدان الرأس أقل من الخلاط الثابت الأصلي - وهو مزيج غير عادي يعني خلطًا أفضل مع طاقة أقل.

الفائدة العملية:توفير المواد الكيميائية بنسبة 20-30%مقارنة بالخلاط الأصلي، مع قدرة أفضل على التكيف مع معدل التدفق وتغيرات جودة المياه. بالنسبة للنبات الذي يشهد تأرجحًا في تعكر المياه الخام من 15 إلى 77 وحدة دولية موسميًا، فإن القدرة على التكيف مهمة.

2. التلبد الشبكي مع دوارات على شكل نجمة يحل محل التلبد ذو اللوحة المطوية

يعمل التلبد ذو الصفائح المطوية عن طريق دفع الماء عبر مسار أفعواني بين الصفائح المتوازية. إنه يخلق اضطرابًا، لكنه ليس من النوع الصحيح. يستخدم التصميم المحسندوارات على شكل نجمةشنت عمودي على اتجاه التدفق داخل مقصورات الشبكة. تولد هذه الدوارات دوامات صغيرة عالية التردد - وهي اضطراب على نطاق يعزز اصطدام الجسيمات دون تمزيق الكتل التي تشكلت بالفعل.

ينقسم خزان التلبد إلى11 مقصوراتعبر مرحلتين من ردود الفعل. المرحلة 1: 8 حجيرات بحجم 1.5 م × 1.5 م لكل منها، مدة الاحتفاظ 8.95 دقيقة. المرحلة 2: 3 حجيرات بحجم 1.5 م × 2.0 م لكل منها، مدة الاحتفاظ 4.48 دقيقة. إجمالي وقت الاحتفاظ الهيدروليكي:13.43 دقيقةبقيمة GT تبلغ 1.7 × 10⁴. يخلق التصميم ذو المرحلتين كتلًا أكثر كثافة وأكثر مقاومة للقص من التلبد أحادي المرحلة - وهي ميزة مهمة عندما تدخل تلك الكتل لاحقًا إلى منطقة توزيع مستوطن الأنبوب، حيث قد يؤدي الاضطراب المفرط إلى تفكيكها.

3. الابتكار الرئيسي: قسم تصحيح التدفق الأفقي أمام مستوطن الأنبوب

هذا هو المكان الذي يخرج فيه التعديل التحديثي عن الممارسة القياسية، وهو المكان الذي تم فيه تحقيق أكبر مكاسب في الأداء. يتلقى المستقر الأنبوبي المائل التقليدي الماء مباشرة من مخرج خزان التلبد. يكون الانتقال مفاجئًا: ينتقل الماء من نظام التدفق المختلط المضطرب إلى نظام الترسيب الصفائحي دون أي تكييف وسيط. والنتيجة هيتوزيع التدفق غير المتكافئعبر حزمة الأنبوب. ترى بعض القنوات سرعة عالية وتتدفق عبرها مباشرة. ويرى آخرون سرعة منخفضة وتراكم الحمأة. كلا الشرطين يؤديان إلى تدهور جودة النفايات السائلة.

أضاف التعديل التحديثي عنصرين يحلان هذه المشكلة:

سد مغمور عند مخرج خزان التلبد.فبدلاً من سكب المياه مباشرة في منطقة التوزيع، فإنها تتدفق أولاً عبر سد مغمور يعمل بمثابة مقوم للتدفق - مما يعمل على تنعيم تدرجات السرعة وتبديد الاضطرابات واسعة النطاق قبل دخول المياه إلى المستوطن.

- قطاع تدفق أفقي يشغل 1/3 إجمالي طول الخزان (24 م2).هذا هو الابتكار. بعد المرور فوق السد، يدخل الماء إلى منطقة التدفق الأفقي قبل أن يرتفع عبر الأنابيب المائلة. تتحكم الجدران التوجيهية في كل من القسم الأفقي وقسم الأنبوب المائل في مسار التدفق. تخدم المنطقة الأفقية ثلاث وظائف في وقت واحد: فهي تقلل من سرعة التدفق الأفقي إلى12.73 ملم/ ثانية(في إطار 10-18 مم/ثانية الذي أظهرت الأبحاث أنه أمر بالغ الأهمية للترسيب المستقر)، فإنه يوفر وقتًا إضافيًا للاستقرار للتكتلات الأكبر حجمًا، ويعمل كمخزن مؤقت هيدروليكي يمتص تقلبات التدفق قبل أن تصل إلى حزمة الأنبوب.

يستخدم جدار التوزيع في نهاية القسم الانتقاليثقوب ذات مسافات أوسع في الأعلى وتباعد أضيق في الأسفل. هذا الترتيب غير البديهي متعمد: فهو يعوض الميل الطبيعي للمياه إلى قصر الدائرة نحو الجزء العلوي من منطقة التوزيع، مما يفرض توزيعًا أكثر اتساقًا للتدفق الرأسي عبر الارتفاع الكامل لحزمة الأنابيب.

لماذا يعمل قسم التدفق الأفقي: الأساس المنطقي الهندسي

المشكلة مع المستوطنين التقليديين للأنابيب المائلة ليست الأنابيب نفسها. هذا ما يحدثقبل أن يصل إليهم الماء. حددت الأبحاث أربعة عوامل تحكم توحيد توزيع التدفق في مستوطني الأنابيب: نسبة طول الخزان إلى العرض (L/B)، ومعدل تحميل السطح (q)، وقطر الأنبوب (D)، وارتفاع منطقة التوزيع أسفل الأنابيب.

من هؤلاء،إن نسبة L/B والتحميل السطحي (q) لهما التأثير الأكبر. ومع زيادة نسبة L/B، يصبح توزيع التدفق غير منتظم، وترتفع سرعة الترسيب الحرجة - وهي السرعة الدنيا التي يستقر عندها جسيم ذو حجم معين. يتناسب التحميل السطحي (q) تقريبًا مع سرعة الترسيب الحرجة: ادفع المزيد من التدفق عبر نفس المنطقة، وستحتاج إلى سرعة ترسيب أعلى لالتقاط نفس الجسيمات. كلا التأثيرين يعملان ضد جودة النفايات السائلة.

ويعاني مستوطنو الأنابيب التقليديون أيضًا من مشكلة الجدران المثقوبة. ولتحقيق التوزيع الموحد، يحتاج الجدار المثقب عند المدخل إلى فتحات أصغر من خزان الترسيب ذي التدفق الأفقي - وهو ما يعنيسرعات فتحة أعلى. تقوم الطائرات النفاثة عالية السرعة عبر هذه الفتحات بتفكيك الكتل التي قضى خزان التلبد 13 دقيقة في بنائها. والأسوأ من ذلك هو أن الطائرات يمكن أن تثير الحمأة الميتة المترسبة في الجزء السفلي من منطقة التوزيع، مما يعيد تعليق المواد الصلبة التي استقرت بالفعل.

قسم التدفق الأفقي يحل سلسلة المشاكل هذه من جذورها. وبإضافة ثلث طول الخزان كمنطقة تدفق أفقي قبل الأنابيب المائلة، يحقق التصميم أربعة أشياء:

معلمات التصميم: الأرقام وراء التعديل التحديثي

يستخدم قسم الأنبوب المائلالتدفق المضاد للتيار- يرتفع الماء إلى أعلى عبر الأنابيب بينما تنزلق المواد الصلبة إلى الأسفل على طول ميل 60 درجة. الأنابيب عبارة عن كوبوليمر إيثيلين بروبيلين (EPC) مع مقاطع عرضية سداسية على شكل قرص العسل، قطرها 30 مم، وطولها 1 متر. تم اختيار EPC بدلاً من PVC أو PP القياسي لأدائه الفائق في الماء البارد: فهو يحافظ على المرونة ومقاومة الصدمات في درجات الحرارة حيث يصبح PVC الصلب هشًا.

يستخدم جمع الحمأة قواديس الجاذبية الكبيرة مع زاوية انزلاق أكثر انحدارًا من القواديس الصغيرة التقليدية، مما يضمن إزالة الحمأة بشكل كامل مع الحد الأدنى من اضطراب التدفق المحلي. صمامات تصريف الحمأة هينوع الفتح السريع اليدوي الكهربائي- خيار عملي يعطي الأولوية للموثوقية وسهولة الصيانة على الأتمتة الكاملة. أجهزة أقل، ومعدلات فشل أقل، وتكلفة أقل.

النتائج: انخفاض بمقدار 4 وحدات حرارية بريطانية في 3 أيام، و1.3 وحدات حرارية بريطانية بعد 3 سنوات

التشغيل التجريبي لمدة 72 ساعة: فجوة الأداء الفورية

تم إجراء تجربة متواصلة لمدة ثلاثة أيام في الفترة من 15 إلى 17 أكتوبر 2011، مع التحكم في التدفق المتدفق عند750 m³/h. قام المصنع بأخذ عينات من المياه الخام، والنفايات السائلة من جهاز تسوية الأنبوب التقليدي غير المعدل (القطار الموازي)، والنفايات السائلة من جهاز تسوية الأنبوب المحسن في وقت واحد طوال فترة التجربة.

وكانت النتائج لا لبس فيها. كان تعكر مياه الصرف الصحي المحسن للمستوطنأكثر من 4 NTU أقلمن التصميم التقليدي في جميع نقاط أخذ العينات. كانت الفجوة متسقة وفورية - لا توجد فترة اقتحام ولا حاجة إلى ضبط. لقد استوفت جودة النفايات السائلة توقعات التصميم منذ اليوم الأول، مما أدى إلى تقليل حمل المرشح بشكل كبير.

إزالة TOC: تحسن بنسبة 6.08% عن التصميم التقليدي

ترتبط التعكر والمواد العضوية ارتباطًا وثيقًا بالمياه السطحية، فنفس الجزيئات التي تبعثر الضوء تحمل أيضًا مادة عضوية طبيعية ممتصة (NOM). أثناء التجربة، قام المصنع بقياس الكربون العضوي الكلي (TOC) في النفايات السائلة الناتجة عن عمليتي الترسيب. كان TOC للمياه الخام مستقرًا عند2.5-3.0 ملغم/لتر.

قد يبدو التحسن بنسبة 6% في إزالة الكربون العضوي الكلي متواضعا، ولكن في معالجة مياه الشرب، فإن إزالة المواد العضوية في مرحلة الترسيب تقلل بشكل مباشر من إمكانية تكوين منتج ثانوي للتطهير (DBP) في اتجاه مجرى النهر. كل ملليجرام من TOC تمت إزالته قبل الكلورة هو ملليجرام لن يشكل ثلاثي الهالوميثان (THMs) أو أحماض الهالوسيتيك (HAAs) في نظام التوزيع.

التحقق لمدة ثلاث سنوات: الأرقام صامدة

بدأ التشغيل التحديثي في ​​15 أبريل 2012. وعلى مدى ثلاث سنوات من التشغيل المستمر، قامت المحطة بانتظام بأخذ عينات من تعكر المياه المستقرة من كل من القطار المعدل والقطار الموازي غير المعدل. تحكي البيانات قصة واضحة عن الأداء المستدام:

إن متوسط ​​المياه المستقرة 1.3 NTU هو الرقم الأكثر أهمية. من خلال توصيل الماء بمعدل 1.3 NTU إلى المرشحات بدلاً من 2.3 NTU، قلل المحلول المحسن من حمل المواد الصلبة للمرشح بمقدار تقريبًا43%. وهذا يعني تشغيل مرشح أطول بين الغسيل العكسي، واستهلاك أقل لمياه الغسيل العكسي، و- بشكل حاسم- المياه النهائية التي يمكن أن تلبي بشكل موثوق معيار أقل من أو يساوي 1 NTU. إن المرشح الذي يستقبل 2.3 NTU من الماء المستقر له هامش ضئيل جدًا لتحقيق 1 NTU من الماء النهائي. المرشح الذي يستقبل 1.3 NTU من الماء المستقر لديه مساحة للعمل.

ماذا يعني هذا لمصنعك

توضح دراسة الحالة هذه أن أداة تثبيت الأنبوب المائل ذات الأداء الضعيف لا تحتاج إلى الاستبدال. نادراً ما تكمن المشكلة في الأنابيب نفسها، بل في ما يحدث في منطقة التوزيع قبل وصول المياه إليها. مبادئ التعديل التحديثي قابلة للتحويل:

1. إذا كانت تعكر المياه المستقرة لديك غير متناسقة، فتحقق من توزيع التدفق أولاً.يعد التدفق غير المتساوي عبر حزمة الأنبوب هو السبب الأكثر شيوعًا لتباين الأداء في مستوطني الأنبوب المائل. يعد السد المغمور عند منفذ التلبد وجدار التوزيع المثقب مع تباعد الفتحات المتدرجة بمثابة إصلاحات منخفضة التكلفة تعالج هذه المشكلة عند المصدر.

2. إذا قمت بمعالجة الماء البارد (<5°C), add a horizontal flow section.ينتج الماء البارد كتلًا ضعيفة لا يمكنها النجاة من اضطراب مدخل المستوطنة الأنبوبي التقليدي. يوفر قسم التدفق الأفقي منطقة انتقالية منخفضة الطاقة حيث يمكن لهذه التكتلات الهشة أن تستقر دون أن تتمزق.

3. إذا كانت جودة المياه الخام لديك تتأرجح موسميًا، قم بزيادة المنطقة العازلة لمنطقة التوزيع.إن قدرة القسم الأفقي على امتصاص أحمال الصدمات ليست أمرًا لطيفًا - وهذا هو الفرق بين النفايات السائلة المستقرة والشكاوى المتعلقة بجودة المياه الموسمية. يعد تخصيص طول الخزان بمقدار 1/3 المستخدم في هذا المشروع نقطة انطلاق جيدة للتصميم.

4. مادة الأنبوب مهمة في المناخات الباردة.تحافظ أنابيب EPC المختارة لهذا المشروع على المرونة عند درجات الحرارة حيث يصبح PVC الصلب هشًا. إذا انخفضت درجة حرارة الماء الخام لديك إلى أقل من 5 درجات لفترات طويلة، فناقش اختيار مادة الأنبوب مع المورد الخاص بك. يحتوي PVC وPP القياسيان على أغلفة مختلفة ذات أداء منخفض الحرارة.

5. التحسن بنسبة 6% في إزالة TOC يستحق أكثر مما يبدو.في معالجة مياه الشرب، تتم إزالة المواد العضوية قبل التطهير مما يؤدي إلى القضاء على احتمالية تكوين DBP. يُترجم تحسين الكربون العضوي الكلي بنسبة 6.08% في مرحلة الترسيب إلى انخفاض ملحوظ في تكوين THM وHAA في اتجاه مجرى النهر - وهي ميزة الامتثال التنظيمي التي تتراكم على مدى عمر النبات.

أدى التعديل التحديثي الموضح هنا إلى زيادة قدرة المعالجة بنسبة 33% (من 12,000 إلى 16,000 متر مكعب/يوم) ضمن نفس مساحة الخزان، مع تحسين جودة النفايات السائلة في نفس الوقت. تلك التركيبة -المزيد من المياه، مياه أفضل، نفس المبنى- هو ما يجعل مفهوم تصحيح التدفق الأفقي يستحق التقييم لأي محطة معالجة مياه قديمة تواجه معايير أكثر صرامة.