THE SETTLING TANKS DESIGN ON BASIS OF THE ALTERNATIVE SEDIMENTATION THEORY
by Sadyrbek DJIGHITEKOV, ( Sagi ), Ph.D
Settling Tank is a main construction of any Water and Wastewater Treatment Plants. But the traditional Settling Tanks design has one lack: there is not analytical formula for definition tank' depth. Therefore for different over flow rates various agencies and consulting firms are recommended side water depth: of 2 to 5 m. However such approach was used in ancient Egypt and Rome before Christian era. Contemporary scientists developed the different sedimentation theories but they are devised on basis of Newton's law of universal gravitation and Stokes' equation. An accordance with that theories it is impossible to calculate the main size of Settling Tanks - depth, because the theoretical equations do not describe the depth's dependence from the initial and required water concentrations, temperature and laminar regime of water flow. For decision above problem author used Newton's Second law and Mesherski's equation / 1 / and devised Alternative Sedimentation Theory. That theory was described in the book which has written in Russian in 1991 / 2 /. Thanks to Alternative Sedimentation Theory it is possible to calculate accurate sizes of Settling Tanks. The new calculation method is more correct and effective than traditional approach. Now, for English readers author is offering the main formulas for Rectangular Tanks design.
1. Definition of the Rectangular Tank’s depth
a) Definition the value of the sedimentation zone height:
Ho = 5,2√ ν t / ln [ Cн / ( Cн – Cк ) ] ( 1 )
where 5,2 is a constant coefficient of resistance to settling particles in process laminar flow regime in tank;
ν is a kinematic coefficient of viscosity, мм² / sec;
t is a detention time to reach desired underflow concentration, sec;
Cн и Cк are the initial and desired water concentrations, mg/L.
b) Definition the value of the sludge zone height:
Hoc = 2√ ν t / ln [ Cнo / ( Cнo – Cкo ) ] ( 2 )
where 2 is a constant coefficient of resistance to settling particles in the inactive water environment
Cнo и Cкo are the initial and desired sludge concentrations, mg/L.
c) Definition the value of the Rectangular Tanks depth:
H = Ho + Hoc ( 3 )
2. Definition of the Rectangular Tanks width:
B = Q / 3,6 υ H ( 4 )
where Q is a total water inflow, m³ / hr;
υ is a downstream velocity in Rectangular Tank, mm/sec
3. Definition of the Rectangular Tanks length:
L = H² υ ln [ Cн / ( Cн – Cк ) ] /(5,2)² ν ( 5 )
Example. Determine the Rectangular Tank’s sizes if:
- total water inflow: Q = 2000 m³/ hr;
- initial water concentration: Cн = 400 mg/L;
- desired water concentration: Cк = 10 mg/L;
- initial sludge concentration: Cнo = 6000 mg/L;
- desired sludge concentration: Cкo = 16000 mg/L;
- detention time to reach desired concentration: t = 2 hr or 7200 sec
- temperature of the turbid water of 16°C and kinematic
coefficient of viscosity: ν = 1,1 mm²/sec;
- downstream velocity: υ = 10 mm/sec
Solution.
1. Determine the value of the Rectangular Tank’s depth:
a) Ho = 5,2√ 1,1 × 7200/ ln [400/ (400 - 10)] = 2909 mm
b) Hoc = 2√ 1,1 × 7200/ ln [6000/ ( 6000 – 16000)] = 249 mm
c) H = Ho + Hoc = 2909 + 249 = 3158 mm or 3,16 m
2. Determine the value of the Rectangular Tank’s width:
B = 2000/ (3,6 × 10 × 3,158) = 17,58 m
3. Determine the value of the Rectangular Tanks length:
L = ( 3158 )² × 10 × ln [400/ (400 - 10)]/ (5,2)² × 1.1 = 84829 mm or 85 m
On basis of the Alternative Sedimentation Theory it is possible to calculate sizes of the other types of Settling Tanks.
References
Loyzianski, A. M,& Lurye, A. I., 1983. Kurs teoreticheskoi mehaniki. T. 2. Dinamika – M.: Nayka
Djighitekov, S. 1991. Osnovy tehnologicheskogo rascheta otstoinikov. Bishkek: KyrgNIINTI
Russian version
АЛЬТЕРНАТИВНЫЙ МЕТОД РАСЧЁТА ОТСТОЙНИКОВ
Садырбек ДЖИГИТЕКОВ (Саджи), кандидат технических наук
Отстойник является главным сооружением любых водоочистных и канализационных станций. Но традиционный метод расчёта отстоиников имеет большой недостаток:нет аналитической формулы по которой можно рассчитать высоту отстойника. Поэтому, во всевозможных справочниках фирм и агентств рекомендуют подбирать высоту отстойника в зависимости от объёма поступающей воды: от 2 до 5 м. Но такой метод использовалься ещё в Древнем Египте и Риме до эры Христианства. Современные учёные разработали различные теории отстаивaния воды, но вопрос расчёта такого характерного размера, каким является высота горизонтального отстойника оставался открытым т.к.не была выведена аналитическая формула для его определения. Основная ошибка учёных заключалась в том, что их теории основывались на гравитационном законе Ньютона и уравнении Стокса. В 1991 году автору статьи, на основании второго закона Ньютона и уравнения В.Мещерского / 1 /, удалось разработать альтернативную теорию расчёта отстойников / 2 / и вывести формулы для определения:
- высоты зоны осаждения :
Ho = 5,2√ ν t / ln [ Cн / ( Cн – Cк ) ] ( 1 )
где 5,2 - постоянный коэффициент сопротивления оседающим частицам при ламинарном режиме движения в отстойнике;
ν - кинематический коэффициент вязкости воды, зависящий от температуры, мм² / c;
t - принимаемое время отстаивания воды, c;
Cн и Cк, - соответственно, начальная и конечная концентрации воды в отстойнике, мг/л;
- высоты накопления и уплотнения осадка горизонтального:
Hoc = 2√ ν t / ln [ Cнo / ( Cнo – Cкo ) ] ( 2 )
где 2 - постоянный коэффициент сопротивления оседающим частицам в неподвижной водной среде;
Cнo и Cкo - соответственно, начальная и конечная концентрации осадка в отстойнике, мг/л;
Тогда общая высота зон отстойника будет:
H = Ho + Hoc ( 3 )
После определения общей высоты зон отстойника, можно рассчитать его ширину:
B = Q / 3,6 υ H ( 4 )
где Q - расчётный расход исходной воды, м³ / ч;
υ - средняя горизонтальная скорость движения воды в отстойнике, мм/с.
и длину:
L = H² υ ln [ Cн / ( Cн – Cк ) ] /(5,2)² ν ( 5 )
Пример расчёта горизонтального отстойника
Дано:
Расчётный расход воды : Q = 2000 м³/ч;
Начальная концентрация воды: Cн = 400 мг/л;
Конечная концентрация воды: Cк = 10 мг/л;
Начальная концентрация осадка: Cнo = 6000 мг/л
Конечная концентрация осадка: Cкo = 16000 мг/л
Время отстаивания воды: t = 2ч или 7200с;
Температура воды: 16°C, при такой температуре кинематический коэффициент вязкости воды составляет: ν = 1,1 мм² / c
Cредняя горизонтальная скорость движения воды в отстойнике принимается: υ=10 мм /c
Решение примера
Высота зоны осаждения определяется по формуле ( 1 ):
Ho = 5,2√ 1,1 × 7200/ ln [400/ (400 - 10)] = 2909 мм
высотa накопления и уплотнения осадка по формуле ( 2 ):
Hoc = 2√ 1,1 × 7200/ ln [6000/ ( 6000 – 16000)] = 249 мм
и общая высота зон составит:
H = Ho + Hoc = 2909 + 249 = 3158 мм или примерно 3,16 м
Затем,определяются ширина и длина отстойника соответственно по формулам ( 4 ) и ( 5 ):
B = 2000/ (3,6 × 10 × 3,158) = 17,58 м
L = ( 3158 )² × 10 × ln [400/ (400 - 10)]/ (5,2)² × 1.1 = 84829 мм или примерно 85 м
На основе алтернативной теории осаждения взвесей, разработанной автором, можно расчитывать проектные размеры и других типов отстойников: радиальных, вертикальных, тонкослойных.
ЛИТЕРАТУРА
1. Лойцянский Л. Г., Лурье А. И. Курс теоретической механики. т.2. Динамика - М.: Наука, 1983.
2. Джигитеков С. Основы технологического расчёта отстойников. - Бишкек: КыргНИИНТИ, 1991.
среда, 16 июля 2008 г.
Подписаться на:
Сообщения (Atom)