Analiza procesów filtracyjnych na złożach mineralnych stosowanych w filtrach naturalnych stawów kąpielowych

• Autorzy: Walczak Wojciech , Serafin Artur , Siwiec Tadeusz

Identyfikatory

DOI

10.36119/15.2024.6.6

Warianty tytułu

EN

Analysis of filtration processes on mineral beds used in filters of natural swimming ponds

• Języki publikacji: PL

Abstrakty

PL

Naturalne stawy kąpielowe jako obiekty przeznaczone na potrzeby rekreacyjne charakteryzują się prostotą rozwiązań i znaczącym udziałem procesów naturalnych. Stawy budowane są z materiałów powszechnie dostępnych występujących w przyrodzie, a ich główną cechą jest stosowanie prostych technik uzdatniania wody z wykorzystaniem odpowiednich roślin oraz filtrowania wody przez materiał porowaty. Niniejsza praca poświęcona jest procesom filtracji wody z wykorzystaniem dwóch materiałów to jest: grysu wapiennego i opoki odpowiednio preparowanej o nazwie Rockfos® Ze względu na konieczność filtrowania wody w warunkach przepływu grawitacyjnego celem badań było określenie relacji funkcyjnej strat hydraulicznych złoża zbudowanego z wybranego materiału w zależności od prędkości filtrowania wody. Znajomość tej funkcji pozwoli, przy zdanej ze względów technologicznych prędkości filtrowania określić wymaganą wysokość warstwy wody nad złożem. Badania obejmowały określenie: średnicy zastępczej i sferyczności ziaren w/w złóż, porowatości tych złóż w warunkach upakowania luźnego i zagęszczonego oraz zależności strat ciśnienia w funkcji prędkości filtracji. Określenie tych wartości jest podstawą do opracowania metodyki projektowania tych filtrów. Wykazano, że mnogość wzorów na obliczanie średnic zastępczych ziaren złóż „d” oraz sferyczności „ψ” wprowadza znaczne utrudnienie w modelowaniu strat ciśnienia w funkcji prędkości filtracji. Otrzymywane wartości liczbowe różnią się i poszczególne zestawy iloczynów „d·ψ” nie zawsze odzwierciedlają zależność zgodną z wynikami pomiarów. Stwierdzono, że wyniki modelu najbliższe wynikom pomiaru uzyskano przy wykorzystaniu średnic objętościowych i sferyczności obliczonej z uśrednionych wymiarów przestrzennych poszczególnych ziaren.

EN

Natural swimming ponds as facilities intended for recreational purposes are characterized by simplicity of solutions and a significant share of natural processes. Ponds are built from commonly available materials found in nature, and their main feature is the use of simple water treatment techniques using appropriate plants and filtering water through porous material. This work is devoted to water filtration processes using two materials, i.e. limestone grit and appropriately prepared rock called Rockfos®. Due to the need to filter water under gravity flow conditions, the aim of the research was to determine the functional relationship of hydraulic losses of the bed made of the selected material depending on the water filtering speed. Knowledge of this function will allow, given the filtering speed for technological reasons, to determine the required height of the water layer above the bed. The research included determining: the equivalent diameter and sphericity of grains in the above-mentioned deposits, the porosity of these deposits in loose and dense packing conditions, and the relationship between pressure losses and filtration speed. Determining these values is the basis for developing a methodology for designing these filters. It has been shown that the multitude of formulas for calculating the equivalent diameters of bed grains „d” and the sphericity „ψ” introduces significant difficulties in modeling pressure losses as a function of filtration speed. The obtained numerical values differ and individual sets of „d·ψ” products do not always reflect the relationship consistent with the measurement results. It was found that the model results closest to the measurement results were obtained using volume diameters and sphericity calculated from the average spatial dimensions of individual grains.

Słowa kluczowe

PL

filtracja; naturalne stawy kąpielowe; średnice zastępcze; sferyczność; skała modyfikowana Rockfos®

EN

filtration; natural swimming ponds; equivalent diameters; sphericity; prepared rock Rockfos®

• Wydawca: Ośrodek Informacji "Technika instalacyjna w budownictwie''
• Czasopismo: Instal
• Rocznik: 2024
• Tom: nr 6
• Strony: 37--45
• Opis fizyczny: Bibliogr. 55 poz., fot., rys., tab., wzory

Twórcy

autor

Walczak Wojciech

• Uniwersytet Przyrodniczy w Lublinie, Wydział Inżynierii Produkcji, Katedra Inżynierii Środowiska i Geodezji

autor

Serafin Artur

• Uniwersytet Przyrodniczy w Lublinie, Wydział Inżynierii Produkcji, Katedra Inżynierii Środowiska i Geodezji

• https://orcid.org/0000-0003-4311-270X

autor

Siwiec Tadeusz

• Uniwersytet Przyrodniczy w Lublinie, Wydział Inżynierii Produkcji, Katedra Inżynierii Środowiska i Geodezji

• https://orcid.org/0000-0002-4671-4602

Bibliografia

• [1] Aghdam E.A. 2014. Wall effect on determination of laminar burning velocity in a constant volume bomb using a quasi-dimensional model. Applied Mathematical Modelling 38 (2014) 5811-5821. http://dx.doi.org/10.1016/j.apm.2014.04.014
• [2] Ahad T., Kanth T. A., Nabi S. 2015. Soil bulk density as related to texture, organic matter content and porosity in Kandi soils of District Kupwara (Kashmir valley), India. IJSR - Int J Sci Res. 4: 198-200. ISSN No 2277-8179
• [3] Akgiray Ö., Saatçı A.M. 2001. A new look at filter backwash hydraulics. Water Science and Technology: Water Supply Vol 1 No 2 pp 65-72 © IWA Publishing, DOI: 10.2166/ws.2001.0022
• [4] Allen T. 1968: Particle size measurement. Chapman and Hall Ltd. London.
• [5] Al-Shammary A.A.G., Kouzani A.Z., Kaynak A., Khoo S.Y., Norton M., Gates W. 2018. Soil Bulk Density Estimation Methods: A Review. Pedosphere 28(4): 581-596, doi:10.1016/S1002-0160(18)60034-7
• [6] Ayodele O.R. 2006: Theoretical analysis of viscous coupling in two-phase flow through porous media. Transport in Porous Media, vol. 64, pp. 171-184. https://doi.org/10.1007/s11242-005-2809-8
• [7] Buratto B., Usher S.P., Parris D., Scales P.J. 2014. Wall effects during settling in cylinders. Colloids and Surfaces A: Physicochem. Eng. Aspects 449 (2014) 157-169, http://dx.doi.org/10.1016/j.colsurfa.2014.02.045
• [8] Bus, A.Z., Karczmarczyk, A.A. 2015. Kinetic and sorption equilibrium studies on phosphorus removal from natural swimming ponds by selected reactive materials. Fresenius Environmental Bulletin, 24(9): 1-6.
• [9] Casanovas-Massana, A., Blanch, A.R. 2013. Characterization of microbial populations associated with natural swimming pools. International Journal of Hygiene and Environmental Health 216 (2013) 132-137.
• [10] Cescon A. and Jiang J-Q. 2020, Filtration Process and Alternative Filter Media Material in Water Treatment. Water 2020, 12, 3377; doi:10.3390/w12123377
• [11] Cheng N-S. 2011. Wall effect on pressure drop in packed beds. Powder Technology 210 261-266, doi:10.1016/j.powtec.2011.03.026
• [12] Cruz-Matíasa I., Ayalab D., Hillerc D., Gutschd S., Zachariasd M., Estradée S., Peiróe, F. 2019. Sphericity and roundness computation for particles using the extreme vertices model. Journal of Computational Science 30, 28-40, https://doi.org/10.1016/j.jocs.2018.11.005
• [13] Dąbrowski W. 2017. Porównanie filtracji powolnej z pospieszną i infiltracją brzegową. Instal, 4, (383), 49-53
• [14] Dąbrowski W. 2023: Wątpliwości dotyczące modelowania matematycznego filtracji pospiesznej wody. Instal, 12, (457), 113-116, DOI 10.36119/15.2023.12.8
• [15] Dąbrowski W. 2023: Zjawiska, których nie uwzględniano w modelowaniu filtracji. Instal, 12, (457), 116-119, DOI 10.36119/15.2023.12.19
• [16] De Klerk A. 2003. Voidage Variation in Packed Beds at Small Column to Particle Diameter Ratio. AIChE Journal, August, 49, 8, 2022-2029
• [17] Dharmarajah A.H., Cleasby J.L. 1986: Predicting the expansion behavior of filter media. Journal AWWA, December pp. 66-76
• [18] Di Felice R., L.G. Gibilaro L.G. 2004. Wall effects for the pressure drop in fixed beds. Chemical Engineering Science, 59, 14, July, 3037-3040. https://doi.org/10.1016/j.ces.2004.03.030
• [19] FLL. 2011. Recommendations for Planning, Construction, Servicing and Operating of Outdoor Swimming Pools with Biological Water Purification (Swimming and Bathing Ponds).
• [20] Flint L.E., Selker J.S. 2003: Use of porosity to estimate hydraulic properties of volcanic tuffs. Advances in Water Resources, vol. 26, pp. 561-571. DOI:10.1016/S0309-1708(02)00182-3
• [21] Florentin, A., Hautemanière, A. & Hartemann, P. 2011. Health effects of disinfection by-products in chlorinated swimming pools. Int. J. Hyg. Environ. Health 214: 461-469.
• [22] Giampaoli S., Garrec N., Donzé G., Valeriani F., Erdinger L., and Spica V.R. 2014 . Regulations concerning natural swimming ponds in Europe: considerations on public health issues. Journal of Water and Health, Sept.12. 3. 564-572, DOI: 10.2166/wh.2014.211
• [23] Graciano-Uribe J., Pujol T., Puig-Bargués J., Duran-Ros M., Arbat G., de Cartagena F.R. 2021. Assessment of Different Pressure Drop-Flow Rate Equations in a Pressurized Porous Media Filter for Irrigation Systems, Water 13, 2179. https://doi.org/10.3390/w13162179
• [24] Gursch J., Giner R., Krammer G. Influence of Wall Effects on Filter Upscaling during Solid-Liquid Filter Tests. Chem. Eng. Technol. 2016, 39, No. 3, 417-424, DOI: 10.1002/ceat.201500312
• [25] Jonsson L.M., Björlenius B. 2022. Dynamic and initial head loss in full-scale wastewater filtration and measures to prevent long-term initial head loss. Water Practice & Technology Vol 17 No 7, 1390 doi: 10.2166/wpt.2022.064
• [26] Katalog - Ceramika KUFEL Suchynia ul. Podmiejska 12, 23-200 Kraśnik http://www.ceramika-kufel.pl/rockfos/ (dostęp 8.04.2024)
• [27] Katalog - Zakłady Przemysłu Wapienniczego TRZUSKAWICA S.A. Sitkówka 24, 26-052 Nowiny https://www.trzuskawica.pl/ (dostęp 8.04.2024)
• [28] Kwapinski W., Winterberg M., Tsotsas E., Mewes D. 2004. Modeling of the wall effect in packed bed adsorption. Chem. Eng. Technol. 27, 11, DOI: 10.1002/ceat.200407001
• [29] Langergraber G., Dotro G., Nivala J., Rizzo A., Stein O.R. 2019. Wetland Technology Practical Information on the Design and Application of Treatment Wetlands. Book, January, Scientific and Technical Report No. 27, IWA Publishing
• [30] Lovreglio P., Das S., Buist K.A. and E. A. J. F. Peters E.A.J.F. 2018. Experimental and Numerical Investigation of Structure and Hydrodynamics in Packed Beds of Spherical Particles. AIChE Journal, May, 64, 5, 1896-1907, DOI 10.1002/aic
• [31] Matyka M., Mądrala M. 2017. Granica laminarnego przepływu wody w obsypce żwirowej studni eksploatacyjnej. Przegląd Geologiczny, vol. 65, nr 11/2, 2017
• [32] Mehta D., Hawley M.C., 1969. Wall effect in packed columns. l&EC Process Design and Development, 8. 2 April, 280-282
• [33] Mueller G.E. 2019. A modified packed bed radial porosity correlation. Powder Technology, 342, 15, 607-612 https://doi.org/10.1016/j.powtec.2018.10.030
• [34] Orzechowski Z. 1990. Przepływy dwufazowe. PWN Warszawa
• [35] Orzechowski Z., Prywer J., Zarzycki R. 1997. Mechanika płynów w inżynierii środowiska. WNT Warszawa
• [36] Pilon-Smits, E. 2005. Phytoremediation. Fort Collins: Annual Reviews.
• [37] PN-B-06714:1976. Kruszywa mineralne - Badania - Oznaczanie porowatości
• [38] PN-EN 1097-7/2001 - Badania mechanicznych i fizycznych właściwości kruszyw - Część 7: Oznaczanie gęstości wypełniacza - Metoda piknometryczna
• [39] Radic, D., Gujanicic, V., Petricvic, J., Raicevic, V., Lalevic, B., Rudic, Z., Bozic, M. 2013. Macrophytes as remediation technology in improving Ludas lake sediment. Fresenius Environmental Bulletin 22(6): 1787-1791
• [40] Riess P.M.B., Briesen H., Nasato D.S. 2022. Assessing the wall effects of packed concentric cylinders and angular walls on granular bed porosity. Granular Matter, 24:36, https://doi.org/10.1007/s10035-021-01197-0
• [41] Rorato R., Arroyo M., Andò E., Gens A. 2019. Sphericity measures of sand grains. Engineering Geology, April, DOI: 10.1016/j.enggeo.2019.04.006
• [42] Scheidegger A.E. 1960: The physics of flow through porous media. Univeristy Toronto Press
• [43] Siwiec T. 2007. The sphericity of grains of filtration beds applied for water treatment on examples of selected minerals. Electronic Journal of Polish Agricultural Universities, vol. 10, Issue 1, Topic Civil Engineering, 6 March
• [44] Siwiec, T. 2007B. Warunki płukania jednowarstwowych i dwuwarstwowych filtrów pospiesznych, Wyd. SGGW Warszawa
• [45] Siwiec T., Okoński R.: 2014. Influence diameter filter and diameter grains bed on efficiency of deironing water with different concentrations of iron. Instal, 1, 42-46
• [46] Taoa H., Wua Z.,Yangc Y., Zhoud Y., Lia Q., Mahemujianga A., Jianga Y. 2023. Dimensional analysis-based head loss calculation for the micro-pressure filtering and washing tank. Water Supply Vol 23 No 5, 1729 doi: 10.2166/ws.2023.083
• [47] Trussell R.R., Chang M. 1999: Review of flow through media as applied to head loss in water filters. Journal of Environmental Engineering, vol. 125, no. 11, November, pp. 998-1006, https://doi.org/10.1061/(ASCE)0733-9372(1999)125:11(998)
• [48] Ullah A., Hong K., Gao Y., Gungor A., Zaman M. An overview of Eulerian CFD modeling and simulation of non-spherical biomass particles. Renewable Energy 141 (2019) 1054e1066, https://doi.org/10.1016/j.renene.2019.04.074
• [49] Venkataraman P., Rao P.R.M. 1998: Darcian, transitional and turbulent flow through porous media. Journal of Hydraulic Engineering, vol. 124, no. 8, August, pp. 840-846, https://doi.org/10.1061/(ASCE)0733-9429(1998)124:8(840)
• [50] Walczak W., Serafin A., Siwiec T. 2023. Natural Swimming Ponds as an Application of Treatment Wetlands - A Review. Water 2023, 15(10), 1878; https://doi.org/10.3390/w15101878
• [51] Wei D., Wang I., Zhao B. 2018, A simple method for particle shape generation with spherical harmonics. Powder Technology 330 (2018) 284-291, https://doi.org/10.1016/j.powtec.2018.02.006
• [52] Zeng Z., Grigg R. 2006. A Criterion for Non-Darcy Flow in Porous Media. Transport in Porous Media 63: 57-69 © Springer DOI 10.1007/s11242-005-2720-3
• [53] Zenz F.A., Othmer D.F. 1960: Fluidization and fluid-particle systems. Reinhold Publishing Corporation, New York
• [54] Zielina M. 2021. Analiza jakości filtratu z filtrów pospiesznych pracujących z przerwami. Instal, 6, 34-38, DOI 10.36119/15.2021.6.4
• [55] Zielina M., Dąbrowski W. 2021: Energy and Water Savings during Backwashing of Rapid Filter Plants. Energies 2021, 14, 3782. https://doi.org/10.3390/en14133782

Uwagi

Artykuł powstał w ramach pracy doktorskiej pt. „Opracowanie i wdrożenie modułowego systemu filtracji wody dla naturalnych stawów kąpielowych” przygotowywanej przez Wojciecha Walczaka. Badanie zostało sfinansowane przez Ministerstwo Edukacji i Nauki (Polska), w ramach projektu nr DWD/5/0334/2021.