W odociągi i kanalizacja/ Water supply and sewage systems

Wybrane zagadnienia związane zprojektowaniem

separatorów substancji ropopochodnych

Selected issues related to the design of oil-water separators

ALEKSANDRA SAMBOR, ZBIGNIEW FERENC, AGNIESZKA KOLANEK

DOI 10.36119/15.2025.1.5

Zanieczyszczenie środowiska wodno-glebowego substancjami ropopochodnymi wynika zpowszechnego zastoso-

wania ropy naftowej ijej pochodnych, jako podstawowego surowca do produkcji energii, wprzemyśle chemicz-

nym, wzakładach przemysłowych oraz wśrodkach transportu. Separatory ropopochodnych to urządzenia służące

do oddzielania substancji ropopochodnych (takich jak: oleje, paliwa, smary, itp.) od wód opadowych lub ścieków

przemysłowych. Ich projektowanie jest kluczowe dla ochrony środowiska, gdyż pozwalają one na skuteczne usuwa-

nie szkodliwych substancji zwód, które mogą przedostać się do środowiska, powodując zanieczyszczenie wód

gruntowych oraz powierzchniowych.

Wanalizowanej literaturze nie stwierdzono informacji dotyczącej spójnej, obliczeniowej metody projektowania

separatorów. Wnormie PN-EN 858-1 podano jedynie założenia do doboru tych urządzeń. Projektowanie separa-

torów związków ropopochodnych wymaga analizy wielu czynników, wtym uwzględnienia właściwych norm iprze-

pisów prawnych, aby zapewnić skuteczność izgodność zwymaganiami ochrony środowiska.

Wpracy przedstawiono nową ścieżkę postępowania podczas projektowania separatorów ropopochodnych, która

mogłaby stanowić rozszerzenie normy PN-EN 858-1 owzory stosowane wobliczeniach hydraulicznych tych urzą-

dzeń ipozwolić na optymalizację wymiarów separatorów wzależności od wielkości dostępnego terenu do ich mon-

tażu, przy zachowaniu wymaganej skuteczności separacji.

Słowa kluczowe: zanieczyszczenie, wody opadowe, substancje ropopochodne, separatory

Pollution of water and soil environment with oil substances results from the common use of oil and its derivatives, as

abasic raw material for energy production, in the chemical industry, in industrial plants and in transportation vehicles.

Oil-water separators are devices used to separate petroleum substances (such as oils, fuels, lubricants, etc.) from

rainwater or industrial wastewater. Their design is crucial for environmental protection, as they allow the effective removal

of hazardous substances from water that can enter the environment, causing groundwater and surface water pollution.

No information on aconsistent, computational method for designing separators was found in the literature reviewed.

PN-EN 858-1 only provides assumptions for the selection of these devices. The design of oil-water separators

requires the analysis of many factors, including consideration of relevant standards and legislation to ensure efficiency

and compliance with environmental requirements.

This paper presents anew path forward in the design of oil-water separators, which could be an extension of PN-EN

858-1 to include the formulas used in the hydraulic calculations of these devices, and allow the sizing of separators

to be optimized according to the size of the available land for their installation, while maintaining the required

separation efficiency.

Keywords: pollution, rainwater, oil substances, separators

Wstęp

Zanieczyszczenie środowiska wodno-

-glebowego substancjami ropopochodny-

mi stale wzrasta wraz ze zwiększonym

zapotrzebowaniem na produkty naftowe

[12]. Wynika z powszechnego zastoso-

wania ropy naftowej i jej pochodnych,

jako podstawowego surowca do produk-

cji energii, w przemyśle chemicznym,

w wielu zakładach przemysłowych oraz

wśrodkach transportu. Emisja do środowi-

ska ropy naftowej lub jej produktów stano-

wi poważne zagrożenie ze względu na

rozprzestrzenianie się, migrację, trwałości

ikumulację wśrodowisku [2, 23].

Jednym znajważniejszych czynników

migracyjnych jest wysokość irodzaj opa-

du oraz wielkość powierzchni odpływu

i sposób jej zagospodarowania. Wody

opadowe iroztopowe charakteryzują się

dużą zmiennością pod względem ilościo-

wym i jakościowym [14], szczególnie

wprzypadku spływu zterenów miejskich

(ulice, drogi, place). Znaczącą rolę od-

grywają zawiesiny. Badania stężeń zanie-

czyszczeń wsamej zawiesinie wskazują,

dr inż. Aleksandra Sambor https://orcid.org/0000-0002-1904-5415, dr inż. Zbigniew Ferenc https://orcid.org/0000-0002-3821-1394 –

Politechnika Wrocławska, Katedra Gospodarki Wodno-Ściekowej iTechnologii Odpadów, Wrocław, Polska

dr inż. Agnieszka Kolanek https://orcid.org/0000-0002-2305-5763 – Politechnika Wrocławska, Katedra Gospodarki Wodno-Ściekowej

iTechnologii Odpadów, Wrocław, Polska; Instytut Meteorologii iGospodarki Wodnej, Państwowy Instytut Badawczy, Warszawa, Polska.

Adres do korespondencji/ Correspondig author: agnieszka.kolanek@pwr.edu.pl

1/2025 www.informacjainstal.com.pl

www.informacjainstal.com.pl

1/2025

Wodociągi i kanalizacja

że od 82 do 99% węglowodorów mine-

ralnych obciążających ścieki deszczowe

zawiera się wzawiesinie [5]. Ztego po-

wodu zawiesina powinna być oddzielona

od ścieków iutylizowana.

Istotną cechą substancji ropopochod-

nych, będących produktami destylacji ropy

naftowej, jest ich odporność na rozkład

beztlenowy ihamowanie rozkładów tleno-

wych. Tworzą one na powierzchni lustra

wody warstwę „filmu”, która uniemożliwia

dostęp tlenu zawartego w powietrzu at-

mosferycznym do zanieczyszczeń zawar-

tych w wodach, powodując hamowanie

procesu samooczyszczania [6]. Maksy-

malne stężenie zanieczyszczeń ropopo-

chodnych wwodach deszczowych wystę-

puje zwykle na początku spływu deszczu

o natężeniu jednostkowym do 15 dm

ha, które stanowią zwykle ok. 90% rocz-

nych wysokości opadów. Zgodnie zPolską

Normą PN-S-02204 Drogi samochodo-

we – Odwadnianie dróg [16], w tym

czasie występuje zjawisko spłukiwania,

określone jako pierwsza fala deszczu.

Ze względu na szkodliwość i cechy

substancji ropopochodnych konieczne jest

stosowanie urządzeń pozwalających na

ograniczenie odpływu tych zanieczysz-

czeń zmiejsca ich powstania lub odsepa-

rowanie ich zwód płynących, stojących,

jak również wód opadowych lub ścieków.

Separatory to urządzenia służące do

oddzielania m.in. substancji ropopochod-

nych (takich jak: oleje, paliwa, smary, itp.)

od wód opadowych lub ścieków przemy-

słowych. Ich projektowanie wymaga

uwzględnienia wielu czynników, w tym

właściwych norm oraz przepisów praw-

nych. Są one kluczowe dla ochrony śro-

dowiska, ponieważ pozwalają na sku-

teczne usuwanie szkodliwych substancji

zwód, które mogą przedostać się do śro-

dowiska wodno-glebowego, powodując

jego zanieczyszczenie.

Podstawy prawne iwytyczne

techniczne podczyszczania wód

opadowych

Zgodnie z Rozporządzeniem Ministra

Gospodarki Morskiej i Żeglugi Śródlądo-

wej zdnia 12 lipca 2019 r. wsprawie sub-

stancji szczególnie szkodliwych dla środo-

wiska wodnego oraz warunków, jakie na-

leży spełnić przy wprowadzaniu do wód

lub do ziemi ścieków, atakże przy odpro-

wadzaniu wód opadowych lub roztopo-

wych do wód lub do urządzeń wodnych

„wody opadowe lub roztopowe przed

zmieszaniem ze ściekami bytowymi, woda-

mi zodwodnienia mogą być wprowadza-

ne do wód lub do urządzeń wodnych oraz

do ziemi pod warunkiem, że nie zawierają

zawiesiny ogólnej w ilościach większych

niż 100mg/l, awęglowodorów ropopo-

chodnych w ilościach większych niż

15 mg/l” [22]. Zatem wody opadowe

iroztopowe zzanieczyszczonej powierzch-

ni szczelnej terenów usługowych, komuni-

kacyjnych oraz przemysłowych, wprowa-

dzane do wód lub do ziemi, nie powinny

zawierać substancji zanieczyszczających

wilościach przekraczających wytyczne za-

rządzenia. Jednocześnie przy projektowa-

niu separatorów, oprócz Rozporządzenia,

należy uwzględniać wytyczne zawarte

w dwuczęściowej normie PN-EN 858-1

[17, 18] oraz PN-EN 858-2 [19].

W normie PN-EN 858-1 Instalacje

oddzielaczy cieczy lekkich (np. olej iben-

zyna); Część 1: Zasady projektowania,

właściwości użytkowe ibadania, znako-

wanie isterowanie jakością [18], szczegó-

łowo określono powołania normatywne,

terminy idefinicje, klasy separatorów oraz

wymagania gabarytowe i materiałowe.

Natomiast „zasady projektowania” zosta-

ły ograniczone do założeń obliczenio-

wych dla separatorów wykonywanych na

miejscu. Według tych zasad określono

wartości minimalne: powierzchni wodnej

separatora, jego objętość całkowitą oraz

objętość gromadzenia cieczy lekkiej. Po-

wyższe parametry są zależne od wielko-

ści nominalnej (NS), zatem:

– powierzchnia

wody, m

min

= 0,2 ⋅ NS,

– objętość

całkowita, m

min

= 0,5 ⋅ NS,

– objętość gromadzenia

cieczy lekkiej, m

1min

= 0,03 ⋅ NS.

Taki sposób przedstawienia „zasad

projektowania” pozwala na poprawny

dobór urządzeń, ale nie jest wystarczają-

cy do ich indywidualnego zaprojektowa-

nia. Prezentowana forma podejścia do

projektowania, preferuje typowe rozwią-

zania z gotowych podzespołów bez

uwzględniania lokalnych warunków pro-

jektu czy adaptacji już istniejącej infra-

struktury do nowych zastosowań. Nato-

miast wskazane jest, by wPN-EN 858-1

zostały ujęte wytyczne techniczne izasa-

dy projektowania separatorów według

określonej ścieżki postępowania, zrozu-

miałej iwykonalnej dla każdego inżyniera

zbranży sanitarnej czy budownictwa.

Propozycja uzupełnienia

PN-EN 858-1

Celem niniejszej pracy jest opracowa-

nie ścieżki postępowania podczas projek-

towania separatorów ropopochodnych,

która mogłaby stanowić rozszerzenie nor-

my PN-EN 858-1 ododatkowy algorytm

obliczeniowy dla separatorów komoro-

wych ilamelowych zintegrowanych zpia-

skownikiem. Algorytm ten pozwoli na roz-

szerzenie oferty separatorów, które będzie

można zastosować wterenie oograniczo-

nej powierzchni do ich montażu, przy za-

chowaniu wymaganej skuteczności sepa-

racji ioptymalizacji wymiarów urządzenia.

Separatory zawiesin zintegrowane

zpiaskownikiem

Część główną separatora stanowi ko-

mora, wktórej oddzielana jest ciecz lekka

od wody, atakże następuje jej okresowe

magazynowanie. Jeżeli separator jest zinte-

growany zosadnikiem dodatkowo nastę-

puje zatrzymywanie zawiesin łatwoopada-

jących niesionych przez wody opadowe.

Zgodnie z PN-EN 858-1, w przypadku

prefabrykowanych instalacji oddzielaczy

pojemność gromadzenia się cieczy lekkiej

powinna wynosić 10Q

, (gdzie Q

wielkość nominalna separatora w dm

gdy zamontowane są automatyczne urzą-

dzenia zamykające i co najmniej 15Q

jeżeli nie zastosowano tych urządzeń. Pod-

stawą do określenia niniejszej pojemności

jest ciecz lekka ogęstości 0,85 g/cm

W procesie sedymentacji następuje

oddzielenie zawiesin łatwoopadających

od cieczy. Na proces ten ma wpływ tem-

peratura, stopień zagnicia ścieków oraz

rodzaj zawiesin.

Zmiany temperatury wpływają istotnie

na skuteczność procesu sedymentacji.

Wprzypadku wystąpienia podwyższonej

temperatury następuje obniżenie skutecz-

ność sedymentacji, ponieważ może za-

chodzić efekt zagniwanie ścieków. Skutku-

je to powstaniem gazów, które unoszą

zawiesinę na powierzchnię. Jednocześnie

zachodzić może przyspieszenie opadania

zawiesin ze względu na mniejszą wartość

współczynnika lepkości ciepłych ścieków

wporównaniu zzimnymi. Zatem wprzy-

padku obniżenia temperatury, zpowodu

wyższej wartości lepkości ścieków, sedy-

mentacja przebiega wolniej, ale też spa-

da stopień zagniwania ścieków.

Podstawowym parametrem wpływa-

jącym na proces sedymentacji jest rodzaj

zawiesin: wymiar, kształt igęstość cząstek.

Zawiesiny odużej gęstości opadają szyb-

ciej niż zawiesiny lekkie. W przypadku

ścieków deszczowych ok. 70% zawiesin

stanowią zawiesiny mineralne łatwoopa-

dające [8]. Przyjęto założenie, że cząstki

zawiesin ziarnistych opadają oddzielnie,

nie oddziaływują na siebie inie zmieniają

podczas sedymentacji wielkości, kształtu

igęstości. Przyjmuje się ponadto, że pręd-

kość ich opadania jest stała.

1/2025 www.informacjainstal.com.pl

Wtabeli 1 przedstawiono przewidy-

wane efekty usuwania zawiesiny ze ście-

ków opadowych. Wynika z niej, że im

mniejsze jest obciążenie hydrauliczne

osadnika, tym mniejsze ziarna są zatrzy-

mywane wosadniku, co skutkuje wyższym

stopniem redukcji zawiesiny ogólnej [20].

Tabela 1. Orientacyjny stopień redukcji zawiesi-

ny wód opadowych wosadniku [16]

Table 1. Approximate reduction rate of suspen-

ded rainwater in the settling pond [16]

Maksymalne obciążenie

hydrauliczne

*h] 7 14 36

Minimalna średnica zatrzy-

manych zawiesin ziarnistych

[µ] 60 90 150

Stopień redukcji zawiesiny

ogólnej

[%] 80 70 60

Wprocesie sedymentacji, wujęciu teo-

retycznym, cząstki stałe przemieszczają się

poziomo w wyniku przenoszenia adwek-

cyjnego – V

(prędkość adwekcyjna) oraz

pionowo pod wpływem sił grawitacji (pręd-

kość sedymentacji: V

– prędkość cząstek

nieusuwanych, V

– prędkość krytyczna).

Proces ten przedstawiono na rysunku 1.

Bilans sił działających na sedymentu-

jącą cząstkę można zapisać następująco:

gdzie:

– masa sedymentującej cząstki, kg,

– prędkość sedymentacji, m/s,

– siła grawitacji, N,

– siła wyporu, N,

– siła oporu, N.

Prędkość opadania cząstek ziarni-

stych (V

) opisuje równanie Stokesa (wza-

kresie ruchu laminarnego):

gdzie:

– średnica cząstki kulistej,

– gęstość cząstki,

– gęstość wody,

μ – lepkość dynamiczna cieczy,

g – przyspieszenie ziemskie, m/s

Wzakresie ruchu burzliwego obowią-

zuje wzór Newtona na prędkość opada-

nia [9, 15, 24]:

gdzie:

– średnica cząstki kulistej,

– gęstość cząstki,

– gęstość wody,

μ – lepkość dynamiczna cieczy,

g – przyspieszenie ziemskie, m/s

Natomiast dla ruchu przejściowego

obowiązuje równanie Allena [15]:

gdzie:

– średnica cząstki kulistej,

– gęstość cząstki,

– gęstość wody,

μ – lepkość dynamiczna cieczy.

Podstawowym parametrem w proce-

sie opadania jest krytyczna prędkość se-

dymentacji (V

), która dla osadnika

oprzepływie poziomym wynosi [11]:

gdzie:

H – głębokość czynna osadnika, m,

– hydrauliczny czas retencji, h,

Q – strumień objętości, m

/s,

– powierzchnia rzutu osadnika, m

Drugim parametrem jest czas przetrzy-

mania ścieków t [s] oraz strumień objętości

ścieków dopływającego na urządzenie

[dm

/s], stąd objętość piaskownika

(V, dm

) wynosi:

V = Q

· t

Teoretyczną powierzchnię rzutu pia-

skownika (A

) można obliczyć korzystając

ze wzoru:

gdzie:

max

– maksymalny strumień objętości

ścieków, m

/s,

– prędkość opadania ziaren piasku,

m/s.

Uwzględniając, że przepływ przez

piaskownik ma charakter burzliwy, co po-

woduje zakłócenia wsedymentacji zawie-

siny ziarnistej, do wzoru na teoretyczną

powierzchnię rzutu piaskownika Camp

iDobbis wprowadzili tzw. parametr burz-

liwości. Zatem wzór na powierzchnię pia-

skownika przyjmuje postać [11]:

gdzie:

– obciążenie hydrauliczne, m/h,

= 2 wg zaleceń Camp

iDobbis [11]

Kolejnym parametrem, który należy

wyznaczyć, jest głębokość czynna sepa-

ratora ściśle korelująca zczasem przetrzy-

mania zawiesiny oraz prędkością sedy-

mentacji. Wcelu określenia tej głębokości

w pierwszym kroku należy obliczyć kry-

tyczną prędkość sedymentacji V

(rys.1):

gdzie:

Q – strumienia objętości ścieków, m/h,

– powierzchni osadnika,

Zatem głębokość czynna piaskownika

– H wynosi:

gdzie:

– czasu przetrzymania ścieków, s.

Z przeprowadzonych badań nad za-

nieczyszczeniami wód deszczowych zau-

tostrad we Francji [13] wynika, że więk-

szość zawiesiny stanowi piasek, którego

79% cząstek stanowią cząstki ośrednicy d

≥ 200µm (próby pobrane wkanale pomia-

rowym). Dla średnicy ziarna piasku d =

0,20 mm, według Kalbskopfa dla v

0,99 cm/s wydzieli się 90% piasku od ≥

0,20 mm, adla v

= 0,78 cm/s wydzieli się

85% [13]. Można zatem przyjąć, że ak-

ceptowalną średnicą cząstek usuwanej za-

wiesiny mineralnej jest średnica d = 200µm.

Separatory substancji

ropopochodnych

W separatorach cieczy lekkich, do

których trafiają wody deszczowe zzanie-

czyszczonych powierzchni szczelnych zte-

renów miast, ulic, parkingów, autostrad

izakładów przemysłowych, zachodzi pro-

ces flotacji naturalnej. W przypadku

oczyszczania wód deszczowych wsepa-

ratorach na proces flotacji wpływają czyn-

niki charakteryzujące powierzchnię floto-

wanych cząstek [4]. Czynnikami tymi są:

potencjał powierzchniowy ipotencjał elek-

trokinetyczny oraz charakter powierzchni

Rys. 1.

Schemat ruchu cząstek wprocesie sedymentacji [1]

Fig. 1. Scheme of particle movement in the sedimentation process [1]

Legenda: V

– pręd-

kość adwekcyjna,

– prędkość czą-

stek nieusuwanych,

– prędkość kry-

tyczna, F

– siła

wyporu, F

– siła

oporu hydrauliczne-

go, F

– siła ciężkości

www.informacjainstal.com.pl

1/2025

Wodociągi i kanalizacja

(hydrofobowy lub hydrofilowy) związany

zpowyższymi potencjałami.

Proces flotacji opisuje to samo prawo,

co proces sedymentacji [7, 21] – prawo

Stokesa. Ze względu na ciężar właściwy

cząstki, który jest mniejszy od ciężaru cie-

czy, wektor prędkości jest skierowany ku

górze. Równanie Stokesa mówi, że pręd-

kość wznoszenia się cząstek zależy od

średnicy cząstek iróżnicy gęstości między

cząsteczką acieczą. Zatem rozmiar cząste-

czek substancji ropopochodnych jest istot-

ny. Równanie Stokesa dobrze opisuje pręd-

kość wznoszenia się cząstek, dla cząstek

ośrednicy wzakresie od 10 – 200 µm [21].

Jeżeli założyć, że występuje jednorod-

na strefa dopływu zanieczyszczeń do flota-

tora, to rozkład wielkości cząstek na wejściu

do kanału jest również jednorodny wcałym

polu przekroju. Wszystkie cząstki mające

prędkość flotacji wyższą od prędkości zało-

żonej będą usuwane bez względu na

miejsce wprowadzenia do kanału, nato-

miast cząstki mające prędkość flotacji mniej-

szą niż założoną będą usuwane w ilości

proporcjonalnej do wysokości flotacji (rys.2)

ipołożenia wpolu wlotu do lameli.

Czysta powierzchnia cząstek oleju jest

hydrofobowa i polarna. Cząstki o takiej

powierzchni wykazują zdolności do auto-

flotacji, auotokoalescencji isamoczynne-

go wypływania na powierzchnię wody.

Prędkość flotacji zależy od średnicy flotu-

jącej cząstki, różnicy gęstości wtrącenie

icieczy oraz lepkości dynamicznej cieczy.

Ścieżka postępowania podczas

projektowania separatorów

ropopochodnych na przykładzie

projektowania separatora

lamelowego

Poniżej przedstawiono ścieżkę postępo-

wania podczas projektowania separatorów

ropopochodnych na przykładzie obliczeń

hydraulicznych, które należy wykonać pod-

czas projektowania separatora lamelowe-

go dla związków ropopochodnych.

Ze względu na dużą zmienność roz-

miaru i kształtu flotujących cząstek oleju,

wykonano obliczenia prędkości dla śred-

nic cząstki kulistej: 200, 150, 100 μm.

Do obliczeń przyjęto następujące za-

łożenia wstępne:

l model ruchu cząstki oleju wwodzie ze

stałą prędkością flotacji, zależną od

średnicy cząstki,

l maksymalna liczb Re = 0,5 Re

kryt

gdzie krytyczna wartość liczby Rey-

noldsa dla przewodów kołowych wy-

nosi Re

kryt

a= 2320 (według PN-

-76/M-34034 przepływ laminarny

występuje dla Re < 2300),

l lepkość dynamiczną przyjęto jak dla

wody w temperaturze 10°C, μ =

1,31e

-3

Ns/m

l gęstość cieczy/wody, ρ = 1000 kg/

l gęstość cząstki/olej napędowy, ρ

850 kg/m

l przyspieszenie ziemskie, g = 9,81 m/s

Zależność prędkości flotacji od tych

zmiennych wyliczono zgodnie zprawem

Stokesa, awyniki obliczeń przedstawiono

wtabeli 2.

Zgodnie zzaleceniami American Pe-

troleum Institute (API) [3] optymalny kąt

nachylenia lamel powinien wynosić 60

stopni (przy założeniu okresowego ich

przedmuchiwania). Takie rozwiązanie po-

zwala uniknąć problemów eksploatacyj-

nych separatorów związanych z zapy-

chaniem się lamel.

Do dalszych analiz przyjęto wymiary

pojedynczego kanału lameli, powszech-

nie stosowanej, zgodnie zrysunkiem 3.

W oparciu o prezentowany model

(rys. 3) przyjęto:

l kąt nachylenia kanału lameli: 60°

(zgodny zzaleceniami API),

l wymiary pojedynczego kanału: ax b

= 24 x 26 mm,

l obliczeniową wysokość drogi flotacji,

obl

= 52 mm,

l obliczeniową długość drogi flotacji,

obl

= 332,4 mm,

l maksymalną długość drogi flotacji,

max

= 346,4 mm,

l średnicę zastępczą d

zast

=22,2 mm.

Natomiast, ze względu na odkształce-

nia technologiczno-montażowe lameli, co

przedstawiono na fotografii nr 1, przyjęto

do obliczeń:

l wysokość drogi flotacji, h

= h = 45 mm,

l maksymalna wysokość lameli h

max

oblicz.

l maksymalną długość drogi flotacji, s

300 mm.

Dla przyjętej wysokości drogi flotacji

wyznaczono czas potrzebny do wyfloto-

wania cząstek oleju na maksymalnej wy-

sokości flotacji h

. Wyznaczono również

maksymalną prędkość przepływu wody

wody

(tzw. prędkość krytyczną v

kryt,wody

)

dla drogi flotacji s

, co przedstawiono

wtabeli 3.

Wg Heidricha [10] średnia prędkość

przepływu ścieków wpakietach wstosun-

ku do prędkość krytycznej musi zostać

Legenda: v

– prędkość flo-

tacji, v

= v

wody

– prędkość

adwekcyjna, L – długość

przewodu

Rys. 2.

Schemat flotatora zzazna-

czoną strefą flotacji [1]

Fig. 2. Scheme of the flota-

tor with the flotation zone

marked [1]

Rys. 3.

Schemat budowy pojedynczej lameli przyjętej

do obliczeń

Fig. 3. Scheme of the structure of asingle lamel-

la used in the calculations

Fot. 1.

Odkształcenia technologiczno-montażowe przy-

kładowej lameli przyjętej do obliczeń

Fig. 1. Technological and assembly deformations

of an example lamella used in the calculations

Tabela 2. Prędkość flotacji cząstek według prawa Stokesa

Table 2. Particle flotation velocity according to Stokes’ law

średnica cząstki kulistej oleju μm 200 150 100

średnica zastępcza kropli m 0,0002 0,00015 0,0001

gęstość cieczy/wody kg/m

1000 1000 1000

gęstość cząstki oleju kg/m

850 850 850

lepkość dynamiczna (jak dla wody) kg/m*s 0,00131 0,00131 0,00131

prędkość floatacji cm/s 0,24962 0,14041 0,0624

pomniejszona przez współczynnik kształtu

kanału oraz współczynnik miarodajności

prędkości opadania:

gdzie:

śr

– średnia prędkość w pakietach,

m/s,

u – prędkość flotacji kropel oleju, m/s,

A – współczynnik miarodajności pręd-

kości flotacji kropel oleju,

B – współczynnik charakteryzujący

kształt przekroju poprzecznego

pakietu,

Q – kąt nachylenia osi strug względem

poziomu,

L – długość pakietów liczona po dro-

dze przepływu ścieków, m,

C – charakterystyczny wymiar prze-

kroju poprzecznego pakietu prze-

pływowego, m.

Do obliczeń przyjęto następujące

współczynniki:

l współczynnik zmniejszający miaro-

dajności prędkości flotacji, A= 1,25,

l współczynnik kształtu kanału: jak dla

przekroju kwadratowego, B = 11/8.

Po uwzględnieniu współczynników:

zmniejszającego miarodajność prędkości

flotacji oraz współczynnika kształtu kana-

łu, wyznaczono średnią prędkość przepły-

wu przez kanał lameli dla określonych

średnic cząstki kulistej oleju, awyniki obli-

czeń przedstawiono wtabeli 4.

Należy zauważyć, że przy tak przyję-

tych założeniach projektowych kryterium

maksymalnej prędkości przepływu wg API

[3] jest spełnione dla wszystkich rozpatry-

wanych średnic cząstek kulistych oleju.

W następnym kroku, do wyliczenia

powierzchni czynnej flotatora, przyjęto

model jednowarstwowego przepływu ca-

łej rozpatrywanej objętości przez kanał

przepływowy owymiarach bxh iokreślo-

nej prędkości średniej (rys. 4).

Dla wyliczonej prędkości średniej, wy-

znaczono z równania ciągłości przepły-

wu, pole przekroju poprzecznego:

A = Q/v

gdzie:

śr

– średnia prędkość przepływu, m/s,

Q – strumień objętości przepływajacej

cieczy, m

/s,

A – pole przekroju poprzecznego/

powierzchnia czynna, m

Jednocześnie należy pamiętać, że

pole Aokreśla się ze wzoru:

A = h

· b

gdzie:

– wysokość flotacji, m,

b – szerokość czynna kanały przepły-

wowego, m.

Zatem na podstawie wielkości po-

wierzchni Awyznaczamy szerokość czynną

kanału b (m), która dla Q (m

/s) wynosi:

· b = Q/v

oraz obliczamy powierzchnię czynną flo-

tacji separatora ze wzoru:

F = b · s

Do dalszych analiz przyjęto średnicę

cząstki zawsze usuwalnej d = 100 μm, stąd:

l v

wody

po korekcie wg Heidricha)

= v

wody dla 100μm

= 0,2421 cm/sek,

l prędkość flotacji v

f=100μm

= 0,06240

cm/sek,

l czas flotacji t

dla 100μm

= 72,12 s,

l rzeczywista droga przepływu laminar-

nego L

= v

* t

= 17,45 cm,

l pole powierzchni pojedynczego ka-

nału A= 0,000432 m

(wg rys.3),

l średnica zastępcza pojedynczego ka-

nału d

zast

= 0,0222 m,

l założone pole powierzchni czynnej

lameli F

= 220 m

Po uwzględnieniu powierzchni czynnej

wymagana objętość V

lameli wynosi:

Uwzględniając wymiary produkcyjne

przykładowej lameli (szer. x wys. x dł.

max

= 300 x 300 x 2600 mm), długość poje-

dynczej lameli L

wynosi:

gdzie:

– objętość lameli, m

a – szerokość lameli, m,

h – wysokość lameli, m.

Obliczenia szerokości kanału b, wyma-

ganej objętości oraz długości obliczenio-

wej lameli dla wybranych przepływów,

przy założeniach obliczeniowych poda-

nych wtabeli 5, przedstawiono wtabeli 6.

Wcelu określenia rzeczywistej długości la-

meli przyjęto jednostkowy moduł owymia-

rach opartych o geometrię przykładowej

Legenda: h = h

– wysokość flotacji, b – szero-

kość kanały przepływowego, v = v

– prędkość

adwekcyjna wlameli

Rys. 4.

Jednowarstwowy model przepływu przez

lamel

Fig. 4. The single-layer model of flow through

the lamellas

Tabela 3. Prędkość krytyczna cząstek dla drogi s

= 0,30 m

Table 3. Critical velocity of particles for the path s

= 0.30 m

Tabela 4. Średnia prędkość przepływu przez kanał lameli

Table 4. Average flow velocity through the lamella channel

średnica cząstki kulistej oleju μm 200 150 100

prędkość floatacji cm/s 0,24962 0,14041 0,0624

czas flotacji s 18,03 32,05 72,12

prędkość krytyczna wody cm/s 0,9682 0,5446 0,242

średnica cząstki kulistej oleju µm 200 15 0 100

średnica zastęp. kropli m 0,0002 0,00015 0,0001

czas flotacji s 18,03 32,05 72,12

prędkość flotacji cm/s 0,24962 0,14041 0,0624

prędkość krytyczna wody cm/s 1,664 0,936 0,416

prędkość wody po korekcie cm/s 0,9682 0,5446 0,242

prędkość max. wg API = 1,525 cm/s vwody< vAPI vwody< vAPI vwody< vAPI

Legenda: h – wysokość lameli, L – długość rze-

czywista/użyteczna, k – długość nieużyteczna,

m – długość modułu jednostkowego

Rys. 5.

Schemat przyjętego jednostkowego modułu

lamelowego

Fig. 5. Scheme of the adopted unit lamella

module

Tabela 5. Założenia obliczeniowe do wyzna-

czenia długości lameli

Table 5. Calculation assumptions for determi-

ning the length of the lamella

wysokość lameli µm 0,3

szerokość lameli m 0,3

powierzchni czynnej lameli m

220

mas wysokość flotacji h

m 0,045

prędkości średnie, v

wody dla 100μm

m/s 0,002421

obliczeniowa droga przepływu, s

m 0,3

lameli. Szerokość iwysokość modułu przy-

jęto jak w lameli, natomiast jako długość

przyjęto wymiar podwójnego szeregu ka-

nałów, owymiarze m = 46,2 mm (rys. 5).

Przyjęty moduł jednostkowy posiada

24 pojedyncze kanały. Pole powierzchni

pojedynczego kanału wynosi A

0,000432 m

, aśrednica zastępcza d

0,0222 m. Długość modułu wynosi m =

0,0462 m, natomiast długość nieużytecz-

na k = 0,180 m.

Po obliczeniu szerokości czynnej ka-

nału oraz długości obliczeniowej lameli

można przystąpić do określenia wymia-

rów zbiornika separatora. Wtym celu na-

leży określić maksymalną długość lameli,

którą ze względów konstrukcyjnych (mon-

tażowych) będzie można umieścić

wzbiorniku, aktóra stanowi wielokrotność

długości modułu (m = 0,0462 m).

Do dalszych obliczeń przyjęto, że

zbiornik separatora będzie miał kształt

cylindryczny i zostanie wykonany z krę-

gów betonowych o średnicy DN1200,

dostępnych wbieżącej ofercie handlowej.

W założeniach konstrukcyjnych mo-

cowania lameli wseparatorze przyjęto:

l obwodowa obudowa pojedynczej la-

meli, 2 g (grubość) = 2 x 2,5 mm =

5mm,

l obudowa mocująca lamel do ścian

bocznych separatora 50 mm,

Dla powyższych założeń wyznaczono

maksymalną długość lameli dla zbiornika

separatora ośrednicy DN1200, która wy-

nosi L

max

= 920 mm. Przykładowe rozmiesz-

czenie pakietów lamel wwybranym zbior-

niku separatora przedstawiono na rys. 6.

W kolejnym kroku należy mieć rów-

nież na uwadze, że według pkt. 8.3.3, PN

– EN 858-1:2005 [17] „Określanie wiel-

kości nominalnej iklasy” wyniki obliczeń

projektowych należy zweryfikować wba-

daniach eksperymentalnych w celach

określenia rzeczywistej klasy i wielkości

nominalnej separatorów. Podobne zalece-

nia przedstawione są wwytycznych Ame-

rican Petroleum Institute, API PUBLICA-

TION 421, Monographs on Refinery Envi-

ronmental Control-Management of Water

Discharges: Design and Operation of Oil-

-Water Separators [3].

Podsumowanie iwnioski

W wyniku przeprowadzonych prac

opracowano nowe wytyczne postępowa-

nia podczas projektowania separatorów

ropopochodnych, jako propozycję roz-

szerzenia normy PN-EN 858-1. Na pod-

stawie zaproponowanego algorytmu do

projektowania separatorów ropopochod-

nych, rozszerzonego owzory stosowane

wobliczeniach hydraulicznych tych urzą-

dzeń, będzie możliwa optymalizacja wy-

miarów separatorów w zależności od

wielkości dostępnego terenu do ich mon-

tażu, przy zachowaniu wymaganej sku-

teczności separacji.

Należy również pamiętać ozweryfiko-

waniu wyników obliczeń wbadaniach la-

boratoryjnych przeprowadzonych zgodnie

znormą PN – EN 858-1:2005 izaleca-

nych w wytycznych American Petroleum

Institute, API PUBLICATION 421, Monogra-

phs on Refinery Environmental Control-Ma-

nagement of Water Discharges: Design and

Operation of Oil-Water Separators.

LITERATURA

[1] Adamski W., Modelowanie systemów oczysz-

czania wód, PWN, Warszawa 2002.

[2] Adynkiewicz-Piragas M., Kolanek A., Kryza J.,

iinni., Gospodarka starymi zanieczyszczeniami

na terenie lotniska powojskowego od badań

historycznych do koncepcji rewitalizacji (lotnisko

Krzywa, Polska), IMGW-PIB, Wrocław, 2014

[3] American Petroleum Institute, API PUBLICA-

TION 421, Monographs on Refinery Environ-

mental Control-Management of Water Dischar-

ges: Design and Operation of Oil-Water Sepa-

rators, First Edition, February 1990

[4] Anielak A. M.:Chemiczne i fizykochemiczne

oczyszczanie ścieków. PWN, Warszawa 2000.

[5] Borysewicz R., Obsługa separatorów substan-

cji ropopochodnych, osadników wielostrumie-

niowych, metody utylizacji usuwanych z nich

odpadów, Seminarium IOŚ „Odprowadzanie

wód opadowych zterenów zurbanizowanych

– problemy prawne, techniczne i ekologicz-

ne”, Jachranka 30.05 – 01.06.1999 r.

[6] Dymaczewski Z. iinni, Poradnik eksploatatora

oczyszczalni ścieków, PZiTS, Poznań 1995

[7] Edel R., Odwodnienie dróg, Wydawnictwo

Komunikacji iŁączności, Warszawa 2010

[8] Fidala-Szope M., Najlepsze, dostępne, ekono-

micznie uzasadnione techniki oczyszczania ście-

ków opadowych, Seminarium IOŚ NT. „Odpro-

wadzanie wód opadowych zterenów zurbani-

zowanych – problemy prawne, techniczne

iekologiczne”, Jachranka 30.05-01.06.1999r.

[9] Guerra P., Fitzgerald K., Caranci B., Eldridge J.;

Low Reynolds Number Oil/Water Separator

HD Q-PAC Results Superior to Those Predicted

by Stoke’s Law; LANTEC, https://www.lantec.

com , dostęp: 05.07.2021

[10] Heidrich Z., Witkowski A., Urządzenia do

oczyszczania ścieków, projektowanie przykła-

dy obliczeń; Wydawnictwo „Seidel-Przywec-

ki”, wyd. II, Warszawa 2010

[11] Khan E., Virojnagud W., Ratpukdi T., Use of

biomass sorbents for oil removal from gas sta-

tion runoff. Chemosphere 2004, vol. 57, str.

681-689, https://doi.org/10.1016/j.chemo-

sphere.2004.06.028

[12] Kolanek A., Określenie zanieczyszczeń gleby

produktami ropopochodnymi w wybranym

regionie. Praca dyplomowa, niepublikowana,

PWr, Wrocław, 1997

[13] Legret M., Pagotto C., Evaluation of pollutant

loadings in the runoff waters from amajor rural

highway. The Science of Total Environment

1999, vol. 235, str. 143-150, https://doi.

org/10.1016/S0048-9697(99)00207-7

[14] Malmur R., Pluta K., Badanie efektywności

usuwania zawiesin ze ścieków opadowych

przy zastosowaniu zbiornika retencyjnego.

Instal nr 10/2024 (468) str. 30-37, DOI

10.36119/15.2024.10.5

[15] Moosai R., Dawe R., Gas attachment of oil

droplets for gas flotation for oily wastewater

cleanup. Separation and Purification Technolo-

gy 2003, vol. 33, str. 303-314, https://doi.

org/10.1016/S1383-5866(03)00091-1

[16] PN-S-02204:1997 Drogi samochodowe – –

Odwodnienie dróg, grudzień 1997r.

[17] PN-EN 858-1:2005 Instalacje oddzielaczy cie-

czy lekkich (np. olej ibenzyna) – Część 1: Zasa-

dy projektowania, właściwości użytkowe ibada-

nia, znakowanie isterowanie jakością, 2005r.

[18] PN-EN 858-1:2005/A1:2007 Instalacje

oddzielaczy cieczy lekkich (np. olej ibenzyna);

Część 1: Zasady projektowania, właściwości

użytkowe ibadania, znakowanie isterowanie

jakością, 2007r.; wersja polska

[19] PN-EN 858-2:2005 Instalacje oddzielaczy

cieczy lekkich (np. olej i benzyna); Część 2:

Dobór wielkości nominalnych, instalowanie,

użytkowanie ieksploatacja; kwiecień 2005r.;

wersja polska

[20] PN-EN 752:2017-06, Zewnętrzne systemy

odwadniające ikanalizacyjne – – Zarządza-

nie systemem kanalizacyjnym, marzec 2017r.

[21] Płaza G. A., Bioremediacja gruntów zanie-

czyszczonych związkami ropopochodnymi

zterenu rafinerii metodą biopryzmy, Monogra-

fia nr 47, Oficyna Wydawnicza Politechniki

Wrocławskiej, Wrocław 2006.

[22] Rozporządzenie Ministra Gospodarki Morskiej

iŻeglugi Śródlądowej zdnia 12 lipca 2019 r.

w sprawie substancji szczególnie szkodliwych

dla środowiska wodnego oraz warunków, jakie

należy spełnić przy wprowadzaniu do wód lub

do ziemi ścieków, atakże przy odprowadzaniu

wód opadowych lub roztopowych do wód lub

do urządzeń wodnych, Dz.U. 2019, poz. 1311

[23] Włodarczyk-Makuła M., Zagrożenie zanie-

czyszczenia środowiska wodnego związkami

ropopochodnymi, Lab. 1/2016, str. 12 – 16

[24] Yao K. M., Theoretical study of high-rate sedi-

mentation, J. Water Poll. Control Fed., 1970,

42, No 2, 218-228, https://www.jstor.org/

stable/25036470

Rys. 6.

Maksymalna długość lameli dla zbiornika sepa-

ratora DN1200

Fig. 6. Maximum lamella length for DN1200

separator tank

Tabela 6. Szerokości czynne kanału oraz długości obliczeniowe lameli dla wybranych przepływów

Table 6. Active channel widths and design lengths of lamellas for selected flows

przepływ dm

/s 10 50 100

przepływ nominalny Q m

0,01 0,05 0,10

szerokość czynna kanału F m 91,807 459,034 918,068

powierzchnia czynna knału F m

27,542 137, 71 275,42

objętość lameli V

0,1252 0,626 1, 2519

długość obliczeniowa lameli L

m 1, 391 6,955 13,91

Wodociągi i kanalizacja