Современная экологическая обстановка в отдельных странах и регионах оставляет желать лучшего. Миссия нашего сайте — обеспечить русскоязычных жителей планеты Земля актуальной информацией о защите окружающей среды, экологической безопасности и экологии в целом.

Полезные ресурсы и публикации:
- Ремонт АКПП Мерседес производится за 2-3 дня.
-

Л.О. Штриплинг, Ф.П. Туренко
Основы очистки сточных вод и переработки твердых отходов

Учебное пособие – Омск: Изд-во ОмГТУ, 2005. – 192 с.

Предыдущая

Глава 1. Основы очистки сточных вод

4. Механическая очистка сточных вод

4.2. Отстаивание

Отстаивание применяют для осаждения из сточных вод грубодисперсных примесей. Осаждение происходит под действием силы тяжести. Для проведения процесса используют песколовки, отстойники и осветлители. В осветлителях одновременно с отстаиванием происходит фильтрация сточных вод через слой взвешенных частиц.

Обычно сточные воды содержат взвешенные частицы различной формы и размера. Такие воды представляют собой полидисперсные гетерогенные агрегативно-неустойчивые системы. В процессе осаждения размер, плотность и форма частиц, а также физические свойства системы изменяются. Кроме того, при слиянии различных по химическому составу сточных вод могут образовываться твердые вещества, в том числе и коагулянты. Эти явления также оказывают влияние на форму и размеры частиц. Все это усложняет установление действительных закономерностей процесса осаждения.

Свойства сточных вод отличаются от свойств чистой воды. Они имеют более высокую плотность и вязкость. Вязкость и плотность сточных вод, содержащих только взвешенные твердые частицы, равна

Объемная доля жидкой фазы вычисляется по соотношению

где  и  – динамическая вязкость сточной и чистой воды, Па·с; с0 –объемная концентрация взвешенных частиц, кг/м3;  и  – плотность соответственно чистой воды и твердых частиц, кг/м3;  – объемная доля жидкой фазы; Vж и VТВ – объем жидкой и твердой фаз в сточной воде, м3.

Основным параметром, который используют при расчете отстойников, является wос  – скорость осаждения частиц.

Для ламинарного, переходного и турбулентного режимов скорость свободного осаждения шарообразных частиц вычисляют по формуле

где  – число Рейнольдса;  – число Архимеда; d – диаметр частицы.

Для шарообразных частиц в формулы подставляют эквивалентный диаметр частиц  , где Vч – объем частицы.

При отстаивании сточных вод наблюдается стесненное осаждение, которое сопровождается столкновением частиц, трением между ними и изменением скоростей как больших, так и малых частиц. Скорость стесненного осаждения меньше скорости осаждения свободного, вследствие возникновения восходящего потока жидкости и большей вязкости среды.

Скорость стесненного осаждения шарообразных частиц одинакового размера можно рассчитать при ламинарном режиме по формуле Стокса с поправочным коэффициентом, учитывающим влияние концентрации взвешенных частиц и реологические свойства системы:

         

Скорость осаждения полидисперсной системы непрерывно изменяется во времени. Вследствие агломерации частиц она может изменяться в несколько раз по сравнению с теоретической. Способность к агломерации зависит от концентрации, формы, размера и плотности взвешенных частиц, а также от соотношения частиц различного диаметра и вязкости среды.

Коэффициент агломерации характеризуется отношением Ка = dф/d0, где dф – фиктивный диаметр частицы, эквивалентный теоретической скорости ее осаждения. Для полидисперсных систем кинетику осаждения устанавливают опытным путем. Она характеризуется кривой, показанной на рис. 1.4.

Рис. 1.4. Кинетика процесса осаждения

При периодическом процессе осаждения взвешенные частицы в отстойнике распределяются неравномерно по высоте слоя сточных вод. Через какой-то промежуток времени после начала отстаивания в верхней части отстойника появляется осветленный слой жидкости. Чем ближе к дну отстойника, тем больше концентрация взвешенных частиц в сточной воде, а у самого дна образуется слой осадка. Во времени высота слоя осветленной жидкости и высота слоя осадка возрастают за счет промежуточных слоев. Через определенный промежуток времени в отстойнике будут находиться только слой осветленной жидкости и слой осадка. В дальнейшем, если осадок не удалить, он будет уплотняться с уменьшением высоты.

Песколовки

Песколовки применяют для выделения минеральных частиц, размером свыше 0,2 – 0,25 мм из сточных вод. В зависимости от направления движения сточной воды песколовки делят на горизонтальные с прямолинейным и круговым движением воды, вертикальные и аэрируемые песколовки.

Конструкцию песколовки выбирают в зависимости от количества сточных вод, концентрации взвешенных веществ. Наиболее часто используют горизонтальные песколовки.

Горизонтальные песколовки представляют собой резервуары с треугольным или трапецеидальным поперечным сечением. Глубина песколовок 0,25 – 1 м. Скорость движения воды в них не превышает 0,3 м/с.

Рис. 1.5. Схема горизонтальной песколовки:

1, 4 – входной и выходной патрубки;

2 – песколовка; 3 – шламосбоник

На рис. 1.5. представлена схема горизонтальной песколовки с прямолинейным движением сточной воды, поступающей в песколовку (2) через входной патрубок (1). Оседающие в процессе движения воды твердые частицы скапливаются в шламосборнике (3) и на дне песколовки, а очищенная сточная вода через выходной патрубок 4 направляется для дальнейшей обработки.

Глубину h1 выбирают из условия ,

где  – время движения воды в песколовке, составляет обычно 30...100 с.

Длину песколовки определяют по формуле

,

где w = 0,15...0,3 м/с – скорость движения воды в песколовке; k = 1,3…1,7–коэффициент, учитывающий влияние турбулентности и неравномерности скоростей движения сточной воды в песколовке.

Ширину В песколовки определяют с учетом реализации заданного расхода сточных вод (Q):

где п – число секций в песколовке.

Разновидностью горизонтальных песколовок являются песколовки с круговым движением воды в виде круглого резервуара конической формы с периферийным лотком для протекания сточной воды (рис. 1.6.). Горизонтальные песколовки с круговым движением сточной воды предназначаются для удаления песка из производственных сточных вод, имеющих нейтральную или слабощелочную реакцию.

Рис. 1.6. Горизонтальные песколовки с круговым движением сточных вод

Сточная вода подводится к песколовкам и отводится от них лотками. Подводящий лоток располагается в насыпи высотой до 5 м.

Для выключения песколовок из работы на подводящих и отводящих лотках в распределительной камере устанавливают затворы. Осадок из песколовок удаляют гидроэлеваторами. Подача рабочей жидкости к гидроэлеватору и отвод пульпы осуществляются самостоятельными напорными трубопроводами через камеру переключения, оборудованную задвижками.

Аэрируемые песколовки (рис. 1.7.) применяются для выделения содержащихся в сточной воде минеральных частиц размером 13 – 18 мм/с. Скорость движения сточных вод составляет 0,08 – 0,12 м/с при максимальном притоке. Расчетная пропускная способность аэрируемой песколовки шириной 4,5 м на три отделения составляет 200 – 240 тыс. м3/сут сточных вод. Подвод сточной воды к песколовкам и отвод ее осуществляются открытыми лотками. Для системы аэрации используется воздух от насосно-воздуходувной станции.

Рис. 1.7. Схема аэрируемой песколовки

1 – входная труба, 2 – воздуховод, 3 – воздухораспределители,

 4 – выходная труба, 5 – шламосборник, 6 – отверстие для удаления шлама

Осадок смывается в бункер песколовки гидромеханической системой, включающей продольный лоток и трубопроводы со спрысками; осадок из бункера удаляется с помощью гидроэлеватора.

Крупные фракции осаждаются, как и в горизонтальных песколовках. Мелкие частицы, обволакиваясь пузырьками воздуха, всплывают наверх и с помощью скребковых механизмов удаляются с поверхности.

Длина аэрируемых песколовок вычисляется по формуле

.

Время пребывания сточной воды в песколовке составляет 30...90 с,                wx = 0,1...0,2 м/с, удельный расход аэрируемого воздуха 0,00083...0,0014 м3/(м2·с).

Вертикальные песколовки имеют прямоугольную или круглую форму, в них сточные воды движутся с вертикальным восходящим потоком со скоростью 0,05 м/с.

Расчет вертикальных песколовок заключается в определении требуемой ее глубины   в предположении w0>wу, где wу = 0,03...0,04 м/с – вертикальная составляющая скорости движения воды; время пребывания сточной воды в песколовке для практических расчетов принимают 120 с.

Отстойники

Отстойники используют для выделения из сточных вод твердых частиц размером менее 0,25 мм. По направлению движения сточной воды в отстойниках их делят на горизонтальные, вертикальные, радиальные и комбинированные.

Горизонтальные отстойники. Они представляют собой прямоугольные резервуары, имеющие два или более одновременно работающих отделения. Вода движется с одного конца отстойника к другому. Глубина отстойников (Н) равна 1,5 – 4 м, длина 8 – 12 Н, а ширина коридора 3 – 6 м. Равномерное распределение сточной воды достигается при помощи поперечного лотка. Горизонтальная скорость движения воды в отстойнике принимают не более 0,01 м/с.

Горизонтальные отстойники рекомендуется применять при расходах сточных вод свыше 15000 м3/сут. Продолжительность отстаивания – 1–3 ч. Эффективность отстаивания достигает 60 %.

При расчете отстойников определяют его длину и высоту. На рис. 1.8. представлена расчетная схема горизонтального отстойника.

Рис. 1.8. Расчетная схема горизонтального отстойника.

Отстойник по длине разбит на три зоны: в первой зоне длиной l1 наблюдается неравномерное распределение скоростей по глубине потока. Длина этой зоны:

,

где h0 – высота движущегося слоя в начале отстойника, принимается равной    0,25 Н;  k = (0,0184-0,02) wх.

Во второй зоне длиной l2 скорость потока считается постоянной. При движении в этой зоне большая часть частиц загрязнений должна осесть в иловую часть отстойника, поэтому

l2= (Hh1)wx / (w0 – 0,5wх),

где h1 – максимально возможная высота подъема частицы в первой зоне.

В третьей зоне длиной l3 скорость потока увеличивается, и условия осаждения частиц ухудшаются. Длина этой зоны определяется по формуле   ,

где  – угол сужения потока жидкости в выходной части отстойника, принимается равным 25–30°.

Для расчета длины отстойника L = l1 + l2 + l3 должны быть заданы: расход сточной воды и геометрические размеры поперечного сечения отстойника.

Вертикальный отстойник представляет собой цилиндрический (или квадратный в плане) резервуар с коническим днищем (рис. 1.9). Сточную воду подводят по центральной трубе. После поступления внутрь отстойника вода движется снизу вверх к желобу. Для лучшего ее распределения и предотвращения образования мути трубу делают с раструбом и распределительным щитом.

Рис. 1.9.  Схема вертикального отстойника:

1 – трубопровод для удаления плавающих веществ,

2 – трубопровод для удаления осадка,

3 – приемная воронка для отвода плавающих веществ,

4 – лоток для сбора осветленной воды, 5 – водослив,

6 – кольцевая полупогруженная перегородка

Таким образом, осаждение происходит в восходящем потоке, скорость которого равна 0,5–0,6 м/с. Высота зоны осаждения – 4 – 5 м.

Каждая частица движется с водой вверх со скоростью v и под действием силы тяжести вниз wос. Поэтому различные частицы будут занимать различное положение в отстойнике. При wос>v будут быстро оседать, при wос<v уноситься вверх.

Эффективность осаждения вертикальных отстойников на 10 – 20 % ниже, чем в горизонтальных.

Радиальные отстойники представляют собой круглые в плане резервуары. Вода в них движется от центра к периферии. При этом минимальная скорость наблюдается у периферии. Такие отстойники применяют при расходах сточных вод свыше 20 000 м3/сут. Глубина проточной части отстойника 1,5 – 5 м, а отношение диаметра к глубине от 6 до 30. Эффективность осаждения составляет 60 %.

Пластинчатые отстойники. Они имеют в корпусе ряд параллельно установленных наклонных пластин. Вода движется между пластинами, а осадок сползает вниз, в шламоприемник. Могут быть прямоточные отстойники, в которых направление движения воды и осадка совпадают; противоточные – вода и осадок движутся навстречу друг другу; перекрестные, в которых вода движется перпендикулярно движению осадка. Наиболее распространены противоточные отстойники.

Гидроциклоны

Отделение твердых примесей под действием центробежных сил осуществляется в открытых или напорных гидроциклонах и центрифугах.

Открытые (безнапорные) гидроциклоны применяют для отделения из сточных вод крупных твердых частиц со скоростью осаждения 0,02 м/с. Преимущества открытых гидроциклонов перед напорными – большая производительность и малые потери напора, не превышающие 0,5 кПа. Эффективность очистки сточных вод от твердых частиц в гидроциклонах зависит от характеристик примесей (вида материала, размеров и формы частиц и др.), а также от конструкционных и геометрических характеристик самого гидроциклона.

На рис. 1.10. представлена схема открытого гидроциклона, состоящего из входного патрубка (1), кольцевого водослива (2), трубы для отвода очищенной воды (3) и шламоотводящей трубы (4). Кроме указанной схемы известны гидроциклоны с нижним отводом очищенной воды и циклоны с внутренней цилиндрической перегородкой.

Рис. 1.10. Схема открытого гидроциклона

Производительность открытого гидроциклона

,

где D – диаметр цилиндрической части гидроциклона; q – удельный расход воды, определяемый по формуле

q = 4,32·w0

для открытых гидроциклонов с внутренней цилиндрической перегородкой

q = 7,15·w0.

При проектировании открытых гидроциклонов рекомендуются следующие значения геометрических характеристик:

D = 2…10 м.

Высота цилиндрической части Н=D; диаметр входного отверстия d=0,1D (при одном отверстии), при двух входных отверстиях d= 0,0707·D; угол конической части α = 60°.

Напорные гидроциклоны используются для выделения из сточных вод грубодисперсных примесей, в основном минерального происхождения, плотность которых отличается от плотности жидкой среды сточных вод, в том числе: частиц песка, угля, окалины, компонентов керамики, стекла, строительных материалов и т. д

Из напорных гидроциклонов наибольшее распространение получил аппарат конической формы (рис. 1.11).

Рис. 1.11. Схема напорного гидроциклона

Сточную воду тангенциально подают внутрь гидроциклона. При вращении жидкости под действием центробежной силы внутри гидроциклона образуется ряд потоков. Жидкость, войдя в цилиндрическую часть, приобретает вращательное движение и движется около стенок по винтовой спирали вниз к сливу. Часть ее с крупными частицами удаляется из гидроциклона. Другая часть (осветленная) поворачивает и движется вверх около оси гидроциклона. Кроме того, возникают радиальные и замкнутые циркуляционные токи. В центре образуется воздушный столб, давление которого меньше атмосферного. Он оказывает влияние на эффективность гидроциклонов. Гидроциклоны изготовляются диаметром от 10 до 700 мм, высота цилиндрической части примерно равна диаметру аппарата. Угол конусности равен 10–20°.

Производительность напорных гидроциклонов определяют по формуле

где К1 – безразмерный коэффициент; Q – диаметр гидроциклона, м; dвх – диаметр входного патрубка, м; ΔH – перепад давлений между сливным и входным патрубками, Па.

Предыдущая