Hydraulisch ontwerp van Tube Settler: stijgsnelheid, overstroomsnelheid en modulegrootte - een complete technische gids

Direct antwoofd: Een buisbezinker vergroot het effectieve bezinkingsoppervlak van een bezinktank met 2 à 4x zonder de voetafdruk van de tank te vergroten, door de stroom te verdelen in vele ondiepe, hellende doorgangen waar deeltjes slechts een korte afstand hoeven te vallen voordat ze een oppervlak raken. De twee belangrijkste ontwerpparameters zijn de oppervlakte-overstroomsnelheid (SOR) — hoeveel stroom per eenheid tankplangebied het systeem moet verwerken — en de stijgsnelheid van de buis — de opwaartse watersnelheid in de buizen, die onder de bezinkingssnelheid van de doeldeeltjes moet blijven. Als je deze twee cijfers goed hebt, volgt de rest van het ontwerp.

Waarom Buiskolonists werken: het Hazen Shallow-Depth-principe

In een conventionele open zuiveringsinstallatie moet een deeltje over de volledige diepte van de tank vallen – doorgaans 3 tot 5 meter – voordat het de slibzone bereikt. De meeste fijne deeltjes (10–100 µm) bezinken bij een snelheid van 0,1–2,0 m/uur, wat lange hydraulische retentietijden en grote tankvolumes betekent.

Allen Hazen stelde in 1904 vast dat de prestaties van een bezinkingstank niet afhankelijk zijn van de diepte of verblijftijd, maar volledig van de oppervlakte plannen ten opzichte van de stroom. Een ondiepe tank met hetzelfde planoppervlak als een diepe tank verwijdert precies dezelfde deeltjes. Dit is de theoretische basis voor buiskolonisten.

Een buisbezinkmodule, geïnstalleerd onder een helling van 60°, verdeelt de stroom in tientallen schuine doorgangen, elk met een verticale diepte van slechts 50–100 mm. Een deeltje dat zich met een snelheid van 0,5 m/uur bezinkt, hoeft verticaal slechts 50–100 mm te reizen voordat het de buiswand raakt – in plaats van 3–5 m in de open tank. Het resultaat: het effectieve bezinkingsoppervlak van het bezinksel wordt 2 tot 4 keer zo groot.

De bezonken vaste stoffen glijden onder invloed van de zwaartekracht langs de hellende buiswand (minimaal 45°, standaard 60°), in tegenstroom met de stijgende waterstroom, en vallen in de daaronder gelegen slibopvangzone.

De twee kernontwerpparameters

1. Oppervlakte-overstroomsnelheid (SOR)

SOR is het volumetrische debiet gedeeld door het plangebied van de bezinkzone. Het vertegenwoordigt de opwaartse watersnelheid in het open zuiveringsapparaat boven en onder de buismodules.

SOR (m/u) = Q (m³/u) / A (m²)

waarbij Q = ontwerpdebiet, A = plangebied van bezinkingszone

SOR wordt ook wel genoemd hydraulische oppervlaktebelasting or overstroomsnelheid . Het heeft de eenheden m/h of m³/(m²·h) — beide zijn gelijkwaardig en betekenen hetzelfde: de snelheid waarmee het wateroppervlak stijgt als er geen bezinking heeft plaatsgevonden.

Ontwerplimieten voor buiskolonisten:

Zonder buiskolonisten werken conventionele zuiveringsinstallaties doorgaans met een SOR van 1 à 3 m/uur. Door buismodules toe te voegen, kan dezelfde tank werken met een snelheid van 3–7 m3/u – en zo bereiken buizenkoloniale installaties een capaciteitstoename van 2 tot 4 keer.

2. Stijgsnelheid van de buis (snelheid in de buizen)

De stijgsnelheid is de opwaartse watersnelheid binnen de buisdoorgangen. Dit is anders dan de SOR: het houdt rekening met de geometrie van de buis zelf.

Voor tegenstroombuizen die onder een hoek θ hellen ten opzichte van horizontaal:

Stijgingssnelheid (Vr) = SOR / (sin θ L/d × cos θ)

waar:

• θ = hellingshoek van de buis (typisch 60°)
• L = buislengte (typisch 600–1200 mm)
• d = interne diameter van de buis of gelijkwaardige hydraulische diameter (typisch 25-80 mm)

Bij standaard helling van 60° met buizen van 600 mm en een diameter van 50 mm:

De geometrische factor (sin 60° 600/50 × cos 60°) = 0,866 6,0 = 6,866

Dit betekent dat het effectieve bezinkoppervlak in de buizen ongeveer 6,9x het plangebied bedraagt, wat verklaart waarom buiskolonisten de capaciteit van het bezinksel met deze factor vermenigvuldigen.

Kritieke limieten voor het stijgingspercentage:

Reynoldsgetal: Bevestiging van laminaire stroming

Buiskolonisten functioneren alleen correct onder laminaire stroming omstandigheden. Turbuleuse stroming in de buizen vernietigt de snelheidsgradiënt waardoor deeltjes zich op de buiswanden kunnen nestelen; het suspendeert bezonken materiaal en vermindert de efficiëntie drastisch.

Het Reynoldsgetal in de buis moet ruim onder de laminair-turbulente overgang blijven:

Re = (Vr × Dh) / ν

waar:

• Vr = stijgsnelheid binnen buis (m/s)
• Dh = hydraulische diameter van de buis (m) = 4 × dwarsdoorsnede / bevochtigde omtrek
• ν = kinematische viscositeit van water (≈ 1,0 × 10⁻⁶ m²/s bij 20°C, 1,3 × 10⁻⁶ bij 10°C)

Drempels van het stroomregime:

Uitgewerkt voorbeeld:

• Stijgingssnelheid: 5 m/u = 0,00139 m/s
• Hydraulische diameter buis: 50 mm = 0,050 m
• Watertemperatuur: 20°C, ν = 1,0 × 10⁻⁶ m²/s

Re = (0,00139 × 0,050) / (1,0 × 10⁻⁶) = 69,5

Ruim binnen laminair bereik. De meeste goed ontworpen buisbezinkinstallaties werken bij Re = 50–200.

Temperatuureffect: Bij 10 °C neemt de viscositeit van het water toe tot 1,3 × 10⁻⁶ m²/s, waardoor de Re met 23% afneemt bij dezelfde stroomsnelheid, wat feitelijk de laminaire stabiliteit verbetert. Koud water is gunstig voor de hydrauliek van de buisbezinker, hoewel het de bezinkingssnelheid van de deeltjes enigszins vermindert.

Ontwerpaanpassing: Als vuistregel geldt bezinkingssnelheid ( $V_s$ ) neemt af met ongeveer 2% voor elke daling van 1°C bij watertemperatuur. In koude klimaten moet de ontwerp-SOR met 20-30% worden verminderd in vergelijking met zomerpieken om dezelfde effluentkwaliteit te behouden.

Froudegetal: Stroomstabiliteit

Het Froude-getal beoordeelt de stabiliteit van het stromingsregime – met name of dichtheidsstromen en kortsluiting de uniforme stromingsverdeling over de buismodules zullen verstoren.

Fr = Vr / (g × Dh)^0,5

Ontwerpeis: Fr > 10⁻⁵

Lage Froude-getallen geven aan dat dichtheidsgedreven stromen (van temperatuurverschillen of hoge concentraties zwevende deeltjes) de traagheidsstroom kunnen onderdrukken en kortsluitpaden door de buizenbundel kunnen creëren - sommige buizen hebben te veel stroom, andere te weinig.

In de praktijk wordt gemakkelijk voldaan aan Fr > 10⁻⁵ bij normale ontwerpen van buisbezinkers, maar dit wordt van cruciaal belang bij:

• Omstandigheden met zeer laag debiet (onderbelaste retrofits)
• Differentiële omstandigheden bij hoge temperaturen (warm afvalwater komt in koude omgevingstanks)
• Industrieel afvalwater met een hoog zoutgehalte

Buisgeometrie: lengte, diameter en hellingshoek

Hellingshoek

De standaard hellingshoek is 60° ten opzichte van horizontaal . Dit is niet willekeurig:

• Onder 45°: bezonken slib kan niet door de zwaartekracht langs de buiswand naar beneden glijden; het hoopt zich op en blokkeert uiteindelijk de buis
• Bij 45°: minimale zelfreinigende hoek — marginaal aanvaardbaar voor licht slib met lage cohesie
• Bij 60°: optimaal evenwicht tussen bezinkingsefficiëntie en zelfreiniging van slib – de industriestandaard
• Boven 70°: slib glijdt vrij maar het geometrische voordeel neemt af (effectieve bezinkingslengte wordt korter)

Buislengte

Standaard buismodules zijn 600 mm of 1200 mm lang. Langere buizen bieden meer bezinkingsoppervlak per oppervlakte-eenheid, maar verhogen de drukval en vereisen meer structurele ondersteuning.

Langere buizen vergroten het effectieve bezinkingsgebied dramatisch. Boven de 1.000–1.200 mm wordt structurele doorbuiging onder hydraulische belasting echter een ontwerpprobleem, en is de toegang voor reiniging beperkt.

Hydraulische buisdiameter

Veel voorkomende buisvormen en hun hydraulische diameters:

Een kleinere hydraulische diameter neemt toe bij dezelfde snelheid - het is daarom niet altijd voordelig om media met zeer fijne kanalen te gebruiken in toepassingen met een hoog debiet. Zeshoekige honingraatmedia met kanalen van 25 mm zijn het meest efficiënt bij toepassingen met lage snelheid en fijne deeltjes (polijsten van drinkwater). Vierkante of rechthoekige buizen komen vaker voor in gemeentelijk en industrieel afvalwater, waar hogere stroomsnelheden en gemakkelijker toegang tot reiniging prioriteiten zijn.

Stapsgewijze ontwerpprocedure

Gegeven informatie (voorbeeld):

• Ontwerpdebiet Q = 5.000 m³/dag = 208 m³/u
• Bestaand bezinkplanoppervlak A = 50 m²
• Doel-SOR met buiskolonisten: 5 m/u
• Buisspecificatie: 600 mm lengte, 50 mm vierkant, 60° helling

Stap 1: Bereken het benodigde plangebied

Benodigde oppervlakte = Q / SOR = 208 / 5 = 41,6 m²

De bestaande tank van 50 m² is voldoende. Buiskolonisten moeten minimaal 41,6 m² planoppervlak beslaan.

Stap 2: Bereken de stijgsnelheid in de buizen

Geometrische factor = sin 60° (600/50) × cos 60°
= 0,866 12 × 0,500
= 0,866 6,0
= 6.866

Stijgingssnelheid binnen buizen = SOR / geometrische factor = 5,0 / 6,866 = 0,728 m/u = 0,000202 m/s

Stap 3: Bevestig het Reynolds-nummer

Re = (0,000202 × 0,050) / (1,0 × 10⁻⁶) = 10.1

Ver onder de 500 – uitstekende laminaire stroming bevestigd.

Stap 4: Controleer het Froude-nummer

Fr = 0,000202 / (9,81 × 0,050)^0,5 = 0,000202 / 0,700 = 2,9 × 10⁻⁴

Groter dan 10⁻⁵ — stabiele stroom, geen risico op dichtheidsstroom.

Stap 5: Controleer de detentietijd in buizen

Dwarsdoorsnedeoppervlak van één vierkante buis van 50 mm = 0,050 × 0,050 = 0,0025 m²
Volume van één buis = 0,0025 × 0,600 = 0,00150 m³

Debiet per buis = Stijgsnelheid × buisdoorsnede = 0,000202 × 0,0025 = 5,05 × 10⁻⁷ m³/s

Detentietijd = Volume / Flow = 0,00150 / (5,05 × 10⁻⁷) = 2.970 seconden = 49,5 minuten

Ontwerprichtlijn: de detentietijd in buizen moet < 20 minuten zijn voor plaatkolonisten en < 10 minuten voor buiskolonisten. Dit ontwerp van 49,5 minuten is conservatief, wat aangeeft dat het systeem ruim onder de hydraulische limiet werkt.

Praktische opmerking over installatie: > Omdat buismodules licht van gewicht zijn (vooral PP), kunnen ze gaan drijven of verschuiven tijdens hydraulische pieken of schoonmaken. Geef altijd anti-flotatiestangen van roestvrij staal 304/316 op of een speciaal klemsysteem aan de bovenkant van de modules om ervoor te zorgen dat ze onder water en uitgelijnd blijven.

Materiaalkeuze:

• PP (polypropyleen): Food-grade, superieure chemische bestendigheid en betere prestaties in industrieel afvalwater met hoge temperaturen.

• PVC (polyvinylchloride): Hoge structurele stijfheid en UV-bestendigheid, vaak de voorkeur voor grootschalige gemeentelijke buiteninstallaties.

Stap 6: Modulegrootte

Bij standaard moduleafmetingen van 1,0 m × 1,0 m plattegrondvoetafdruk:
Aantal benodigde modules = 41,6 m² / 1,0 m² = Minimaal 42 modules

Voeg een veiligheidsmarge van 10-15% toe: specificeer 48 modulen die 48 m² van de bezinkingszone van 50 m² beslaat.

Helderwaterzone en wasontwerp

Twee aanvullende hydraulische vereisten worden vaak over het hoofd gezien:

Helderwaterzone boven buismodules: Minimaal 300 mm open water tussen de bovenkant van de buismodules en de effluentwassing. Deze zone maakt het mogelijk dat de stroming zich horizontaal herverdeelt nadat deze de buizen heeft verlaten, waardoor kortsluiting direct vanaf de buisuitgang naar de afvoerwaterkering wordt voorkomen.

Laadsnelheid wasgoed: De verwijderingssnelheid van het geklaarde water bij de effluentwassing mag niet hoger zijn dan 15 m³/u per meter gelijkwaardige waslengte . Als dit wordt overschreden, ontstaan ​​er zones met hoge snelheid die de stroming bij voorkeur uit nabijgelegen buismodules halen, waardoor het effectieve gebruik van de volledige modulearray wordt verminderd.

Slibzone onder buismodules: Minimale vrije hoogte van 1,0–1,5 m tussen de onderkant van het buismoduleframe en de slibopvangbak. Dit voorkomt dat bezonken slib opnieuw wordt meegevoerd in de opwaartse stroom die de buizen binnendringt – een veelvoorkomende oorzaak van slechte prestaties bij retrofit-installaties waar buismodules te laag worden opgehangen.

Veel voorkomende ontwerpfouten en hoe u deze kunt vermijden

Tube Settler versus Plate Settler: hydraulische verschillen

Buiskolonisten en plaatkolonisten delen hetzelfde Hazen-principe, maar verschillen in hydraulisch gedrag:

De gesloten geometrie van buizen geeft een lager Reynoldsgetal (betere laminaire stabiliteit) voor dezelfde hydraulische diameter. Daarom presteren buizen beter dan platen in toepassingen met een laag debiet en fijne deeltjes. Maar dezelfde behuizing maakt het reinigen moeilijker. Daarom hebben plaatbezinkers de voorkeur in toepassingen met zwaar of plakkerig slib dat regelmatig moet worden gereinigd.

Samenvatting: Belangrijke ontwerpnummers in één oogopslag

De buisbezinkmodules van Nihao zijn voorzien van versterkte messing-en-groefverbindingen om modulescheiding te voorkomen. Ze zijn verkrijgbaar in lengtes van 600 mm en 1200 mm, waarbij gebruik wordt gemaakt van uiterst nauwkeurig CNC-gevormd PVC of PP met vierkante doorsnede van 50 mm. Voor projecten die een hoog draagvermogen vereisen, bieden we aangepaste dikteopties om doorbuiging in het midden van de overspanning te voorkomen. Neem contact op met nihaowater voor moduleafmetingen en lay-outtekeningen.