Ülepítés

Recirculating Aquaculture Systems Short Course Removal Mechanisms Gravity separation Settling tanks, tube settlers and hydro cyclones Filtration Screen, Granular media, or porous media filter Flotation Foam Fractionation The treatment processes and system strategies should remove solids rapidly before they degrade, with the least turbulence, shear or opportunity for microbial degradation. There are three methods that are used to remove suspended solids from fish culture waters. These are: gravity separation filtration flotation These classifications of methodology are based on the removal mechanisms used to effect the removal (flotation is sometimes considered as another kind of gravity separation, but it is a different principle of application so it is described separately). Large particles (larger than 100 μm) can be effectively removed by settling basins or mechanical screen filtration. However, fine particles cannot be removed effectively by either gravity separation or granular filtration methods. Granular filters are effective only in the removal of particles larger than 20 μm. Gravity Separation. Gravity separation works on the principle of sedimentation and settling velocities. Unit processes in this category include clarifiers (settling tanks), tube settlers, and hydrocyclones. Filtration Removal. Particle removal from the water can be accomplished by one or more filtration processes. These are sedimentation, straining, Brownian diffusion, and interception. These processes are implemented in filtration systems by screen, granular media (GM), or porous media (PM) filters. Flotation Process. In a flotation process, particles attach onto air bubbles and are separated from water. The flotation process involves all the transport mechanisms that occur in a filtration process with the exception of straining. Recirculating Aquaculture Systems Short Course

Recirculating Aquaculture Systems Short Course Settling Basins Advantages Simplest technologies Little energy input Relatively inexpensive to install and operate No specialized operational skills Easily incorporated into new or existing facilities Disadvantages Low hydraulic loading rates Poor removal of small suspended solids Large floor space requirements Re-suspension of solids and leeching Settling basins are very effective if properly configured and operated. Sedimentation, i.e., gravity separation, is one of the simplest of technologies available to control particulate solids in process water and wastewater. Sedimentation basins require little energy input, are relatively inexpensive to install and operate, require no specialized operational skills, and can be easily incorporated into both new and existing facilities. The disadvantages of sedimentation are low hydraulic loading rates and poor removal efficiency of small suspended solids (<100 μm). Also, they require additional floor space for their incorporation in comparison to microscreen filters. Innovative uses of vertical space over the settling bed or placing the settling bed in less expensive space can reduce this cost considerably. Another potentially serious disadvantage is that settled manure remains in the system until the settling basin is cleaned. This condition is one of the major concerns in their use. Dissolution of nutrients and the resuspension of solids that have settled and collected on the bottom of settling basins can markedly reduce the expected performance of these clarifiers (Cripps and Kelly, 1996). Henderson and Bromage (1988) estimated that settling ponds could capture an estimated 97% of their solids loading if resuspension of settled solids was not a factor. They suggest that settling basins are not effective in removing TSS when inlet concentrations are <10 mg/L or attaining effluent concentrations of <6 mg/L. Eliminating resuspension of TSS is difficult at best in most settling basins. Thus, settling basins will generally require further TSS treatment to meet the stringent removal criteria necessary to achieve mandated levels of TSS. Recirculating Aquaculture Systems Short Course

Settling Basins Design to minimize turbulence: full-width weir length:width = 4:1 to 8:1 inlet outlet effective settling zone 1–2 m sludge zone All continuous flow settling basins are conceptually divided into four zones according to function, see above. The inlet zone serves to uniformly distribute the suspension over the entire cross-section of the basin. Sedimentation occurs in the settling zone and, upon removal from the water column, the solids accumulate in the sludge zone. The clarified liquid is generally collected over the entire cross-section of the basin at the outlet zone and is discharged. Under ideal conditions (no mixing or turbulence), required retention time is the time required for a particle that starts at the top of the inlet zone and settles to the floor of the basin at or before the junction of the outlet zone. The key parameter for the design of settling basins is the volumetric flow of water per unit surface area of the basin or overflow rate (Vo). Any particle with a settling velocity (Vs) greater than the overflow rate (Vo) will settle out of suspension. Other particles, for which Vs < Vo, will be removed in the ratio Vs/Vo, depending upon their vertical position in the tank at the inlet. chamfered weir to enhance laminar flow (85% of water depth) full-width weir Recirculating Aquaculture Systems Short Course

Rectangular Basin Circular Basin

Table 1 Typical Dimensions of Sedimentation Tanks ______________________________________________________ Description Dimensions Range Typical Rectangular Depth, m 3‑5 3.5 Length, m 15‑90 25‑40 Width, m 3‑24 6‑10 Circular Diameter, m 4‑60 12‑45 Depth, m 3‑5 4.5 Bottom Slope, mm/m 60‑160 80

DIFFERENTIAL SETTLING (or CLASSIFICATION)  Separation of solid particles into several size fractions based upon the settling velocities in a medium.

If the light and heavy materials both have a range of particle sizes, the smaller, heavy particles settle at the same terminal velocity as the larger, light particles. The terminal settling velocities of components A and B are: For particles of equal settling velocities, vgA = vgB.

In the turbulent Newton's law region, CD is constant.  For laminar Stokes’ law settling, 

For transition flow between laminar and turbulent flow, In the turbulent Newton's law region, CD is constant, For laminar Stokes’ law settling, For transition flow between laminar and turbulent flow,

 Settling a mixture of particles of materials A (the heavier) and B (the lighter) with a size range of d1 to d4 for both types of material: * Size range dA3 to dA4: pure fraction of A  No B particles settle as fast as the A particles in this size range. * Size range dB1 to dB2: pure fraction of B  No particles of A settle as slowly.

* Size range of A particles from dA1 to dA3 and size range of B particles from dB2 to dB4: form a mixed fraction of A and B * Increasing the density r of the medium.  The spread between dA and dB is increased.

Example 1 A water treatment plant has a flow rate of 0.6 m3/sec. The settling basin at the plant has an effective settling volume that is 20 m long, 3 m tall and 6 m wide. Will particles that have a settling velocity of 0.004 m/sec be completely removed? If not, what percent of the particles will be removed? v0 = Q/A = 0.6 m/sec / (20 m x 6 m) = 0.005 m/sec Since v0 is greater than the settling velocity of the particle of interest, they will not be completely removed. The percent of particles which will be removed may be found using the following formula: Percent removed = (vp / v0) 100 = (0.004/0.005) 100 = 80 %

Example 2 How big would the basin need to be to remove 100% of the particles that have a settling velocity of 0.004 m/sec? v0 = Q / A 0.004 = 0.6 / A A = 150 m3 If the basin keeps the same width (6 m): A = 150 m3 = 6m x L L = 25 m

Example 3

Example 1 FIGURE 2. Solution of Example 1 for settling velocity of a particle.

Ülepítés A földi nehézségi erő hatására a szilárd szemcsék gázban vagy folyadékban lefelé esnek. Az ülepítés gravitációs erőtérben történő szétválasztási művelet, amely művelettel heterogén rendszerek (emulziók és szuszpenziók) választhatók szét. Alapja: sűrűségkülönbség Az ülepítés alkalmazása: folyadékokból/gázokból kiülepítjük a szilárd szemcséket a fluidum tisztítása céljából (portalanítás) emulziók szétválasztása sűrűség alapján (olaj víz szétválasztása) centrifugálással leválasztjuk az anyagot levegőbuborék felúszása a folyadékban (fordított ülepedés) Közeg/anyag  Folyadék Gáz Szilárd Szuszpenzió por Emulzió Köd, cseppek buborék  

Gömb alakú szilárd szemcse mozgása homogén folyadékban Számos művelet végrehajtása szilárd testek fluidumban való mozgásával kapcsolatos. A fluidum a mozgó testtel szemben Fe ellenállási erő arányos a merőleges felülettel és a térfogategységre vonatkoztatott kinetikai energiával. Fe = CD A [1/2 ρ v2] ahol CD a közegellenállási tényező Körüláramlott gömb Egy ülepedő (gömb alakú) szemcsére hat: nehézségi erő, amelynek nagysága (Fg) arányos a test tömegével a folyadék felhajtóereje (Ff) valamint a közegellenállása következtében a (Fe) mozgással ellentétes irányban ható közegellenállási erő Egyensúly esetén: Fg = Ff + Fe

Gömb alakú szilárd szemcse mozgása homogén folyadékban Átrendezve az egyenletet: Fe = Fg – Ff ρr = részecske sűrűsége d = a részecske átmérője Akkor térfogata V = d3 π/6 és tömege 𝑚= 𝑑 3 𝜋 6 𝜌 𝑟 és a súlyerő 𝐹 𝑔 =𝑚 𝑔= 𝑑 3 𝜋 6 𝜌 𝑟 𝑔 ρ = közeg sűrűsége a felhajtóerő 𝐹 𝑓 = 𝑑 3 𝜋 6 𝜌 𝑔 Az ellentétesen ható közegellenállási erő 𝐹 𝑒 = 𝐶 𝐷 𝐴 𝜌 𝑣 ü 2 2 = 𝐶 𝐷 𝑑 2 𝜋 4 𝜌 𝑣 ü 2 2 Ahol A a gömb felülete és vü az ülepedési sebesség Az Fe = Fg – Ff egyenletbe behelyettesítve 𝐶 𝐷 𝑑 2 𝜋 4 𝜌 𝑣 ü 2 2 = 𝑑 3 𝜋 6 𝜌 𝑟 𝑔 − 𝑑 3 𝜋 6 𝜌 𝑔 Így az ülepedési sebesség 𝑣 ü 2 = 4 3 1 𝐶 𝐷 𝑔 𝑑( 𝜌 𝑟 −𝜌) 𝜌 𝑎𝑧𝑎𝑧 𝑣 ü = 4 3 1 𝐶 𝐷 𝑔 𝑑( 𝜌 𝑟 −𝜌) 𝜌

A közegellenállási tényező Re-számtól való függése Gömb alakú részecskére az ülepedési Re-szám 𝑅𝑒= 𝑑 𝑣 ü 𝜌 𝜂 = 𝑑 𝑣 ü 𝜐 ahol ƞ és υ a közeg dinamikai és kinematikai viszkozitása Lamináris tartományban (Allen-szám), ha Reynolds-szám < 1, akkor CD = 24/Re Átmeneti tartományban (Bohnet-szám), 1 < Re < 800, akkor CD = 18,5/Re0,6 Turbulens tartományban Newton-tartomány, ha Re > 800, akkor CD = 0,44 (állandó)

A közegellenállási tényező a kis Re-számoktól kiindulva lamináris esetben mutatja a legnagyobb értéket, a Re-szám növelésével hiperbolikusan csökken, és a turbulens tartomány kezdetétől állandóságot mutat. A fenti közegellenállási tényező turbulens esetben gömb szemcsére vonatkozóan CD = 0,44. Ha Re = 4 105 A CD görbe hírtelen lecsökken Rittinger-árok, ekkor a gömb homlokfelületén a lamináris határréteg turbulensre vált.

Gömbtől eltérő alakú testek Az ellenállási tényező nagyobb és a Re-számtól ill. az ɸ alaktényezőtől függ. CD = CD (Re, ɸ) Ahol ɸ = Agömb/A ɸgömb = 1 Különböző alakú áramlásba helyezett testekre az alakellenállás tényező értéke közelítően: síklapra 1,1; félgömbhéjra 0,5; sarkos 0,7; hosszúkás 0,6; lekerekített 0,8; félgömbhéj megfordítva 1,5; cseppalak 0,22.

Ülepedés lamináris tartományban CD = 24/Re Így a közegellenállási erő 𝐹 𝑒 =24 𝜂 𝑣 ü 𝑑 𝜌 𝜌 𝑣 ü 2 2 𝑑 2 4 𝜋=3 𝜂 𝑣 ü 𝑑 𝜋 Re Ha a súlyerő Fg egyenlő lesz a közegellenállási erővel Fe, stacionárius állapot áll elő, a részecskék elérik az ülepedési határsebességet vü0. 𝑣 ü0 = 𝑑 3 𝜋 6 𝑔 ( 𝜌 𝑟 −𝜌) Az ülepedési határsebességet beírva az előző egyenletbe: 3 𝜂 𝑣 ü0 𝑑 𝜋= 𝑑 3 𝜋 6 𝑔 ( 𝜌 𝑟 −𝜌) Ebből 𝑣 ü0 = 𝑑 2 ( 𝜌 𝑟 − 𝜌) 18𝜂 g 𝐒𝐭𝐨𝐤𝐞𝐬 ü𝐥𝐞𝐩𝐞𝐝é𝐬𝐢 𝐭ö𝐫𝐯é𝐧𝐲 Az ülepedő részecske átmérője 𝑑= 18 𝑣 ü0 𝜂 ( 𝜌 𝑟 −𝜌) 𝑔

Ülepedés átmeneti és turbulens tartományban Átmeneti tartományban CD = 18,5/Re0,6 Ebben a tartományban az ülepedési sebesség általános (gyorsulásmentes esés) kifejezése az érvényes. 𝑣 ü 2 = 4 3 1 𝐶 𝐷 𝑔 𝑑( 𝜌 𝑟 −𝜌) 𝜌 𝑎𝑧𝑎𝑧 𝑣 ü = 4 3 1 𝐶 𝐷 𝑔 𝑑( 𝜌 𝑟 −𝜌) 𝜌 Turbulens tartományban CD = 0,44 (állandó) Az Fg = Fe erőegyensúlyokat feltételezve: 𝜌 𝑣 ü0 2 2 𝑑 2 4 𝜋 0,44= 𝑑 3 𝜋 6 𝑔 ( 𝜌 𝑟 −𝜌) 𝑣 ü0 =1,74 𝑑( 𝜌 𝑟 −𝜌) 𝜌 𝑔

A ülepítési diagram A diagramba berajzolt görbe a Re-számot mutatja. A diagram vízszintes tengelye és függőleges tengelye egyaránt logaritmikus beosztású.

Ülepítők Dorr-ülepítő: Az iparban használt ülepítőberendezések többsége folytonos üzemű, azaz a szuszpenzió folyamatos betáplálása mellett folyamatos a tiszta folyadék és a sűrített zagy elvétele. A folytonos üzemű ülepítőberendezések közül a leggyakoribb a Dorr-féle ülepítőkád. A Dorr-féle ülepítő hengeres készülék, vagy betonból épített medence, amelynek átmérője lehet akár 200 m is. A tartály fenekére leülepedett iszapot egy lassan forgó iszapterelő szerkezet a központi, alsó központi ürítőnyíláshoz szállítja, ahonnan az szivattyúra kapcsolt csővezetékben elszállítható. A derített tiszta folyadék az ülepítő felső peremén túlcsorogva, gyűjtőcsatornába folyik, amelyből szintén elvezethető. A szétválasztható szuszpenziót felül, az ülepítő tengely mentén vezetjük be.

Dorr-ülepítő

Ülepítők Az iszapok derítési sebessége növelhető ferde síkú, párhuzamos elrendezésű lapok beépítésével az ülepítőbe. A lapok közötti rétegek alján növekszik az iszap sűrűsége, a rétegek tetején pedig csökken. Ennek következtében a sűrűségkülönbség növeli azt az áramlási sebességet, amellyel a tiszta folyadék felfelé, a sűrűbb iszapos réteg pedig lefelé áramlik. Az egészen nagy (nagyobb, mint 60 m) átmérőjű ülepítőknél az iszapterelő-szerkezetet nem központi tengellyel forgatják, hanem a terelőlapátokat tartó kart – a tartály vagy a medence peremén lassan körben járó – kocsi forgatja. Az iszap elvezetése a tartály fenekének közepe helyett, annak szélén is lehetséges. Ilyenkor a terelőlapátok a tartály széle felé szállítják az iszapot.

Hosszanti átfolyású ülepítő

Lengőszivornyás ülepítő 1.lépés: A medence feltöltése zaggyal, (szuszpenzióval), miközben a szivornya áll. 2. lépés: Ülepedés (órák, napok), közben a szivornya áll. 3. lépés: A tiszta folyadék (deritmény) elvezetése a szivornya óvatos leengedésével. (A szivornya szája a folyadékszintet követi.) 4. lépés: Az iszap eltávolítása, miközben a szivornya álló helyzetben van. szakaszos működésű . Alkalmazási területe pl: víztisztításnál, szennyvíz tisztításnál.