В.Ф. Панин
Теоретические основы защиты окружающей среды
Конспект лекций по учебной дисциплине. Томск: ТПУ, 2009. – 115с.

2. Защита гидросферы от загрязнений

2.7. Очистка сточных вод

2.7.2. Основы процессов и принципы механической очистки стоков

Механическая очистка сточных вод – технологический процесс очистки сточных вод механическими и физическими методами [9,15]. Она применяется с целью выделения из стоков грубодисперсных минеральных и органических загрязнителей и в большинстве случаев является предварительным этапом перед последующими, более тонкими методами очистки. Очистка сточных вод от твёрдых частиц грубодисперсных веществ в зависимости от их свойств, концентрации, фракционного состава осуществляется методами процеживания, отстаивания, отделения в поле инерционных сил и фильтрования.

Процеживание – первичная очистка посредством пропускания стоков через решётки и волокноуловители – для выделения крупных примесей размером 25 мм и более, а также более мелких волокнистых загрязнений, которые в процессе дальнейшей  обработки стоков препятствуют нормальной работе оборудования. Металлические решётки с зазором 5…25 мм устанавливаются в коллекторах сточных вод, размеры поперечного сечения решёток выбираются по минимуму потерь давления потока на решётке. Скорость потока в зазоре между стержнями не должна превышать 0,8…1,0 м/с при максимальном расходе сточных вод. Расчёт решёток сводится к определению числа зазоров n, ширины решётки В и потерь напора Dр сточной воды [9].

Решётки периодически очищаются от задерживаемых примесей механически с помощью вертикальных и поворотных граблей, примеси измельчают на специальных дробилках и направляют в поток за решётку или на переработку, что усложняет технологию очистки. Поэтому применяют решётки-дробилки, измельчающие примеси без извлечения их из воды. Средний размер измельчения не превышает 10 мм.

Отстаивание основано на особенностях процесса осаждения твёрдых частиц в жидкости. Осаждение может быть свободным, без слипания частиц, и при параллельно протекающем коагулировании осаждающихся частиц. Механизм свободного осаждения сохраняется при объёмной концентрации частиц до 1% (до массовой концентрации ~ 2,6 кг/м³).

Скорость осаждения – основа для проектирования устройств отстаивания – определена для сферических частиц с учётом сил гидравлического сопротивления, массовых сил и силы Архимеда:

,

где   m — динамическая вязкость воды,  Па/с; r —  плотность воды, кг/м³; g – ускорение свободного падения, м/с²; d_ч — средний диаметр частиц, м; r_ч –

плотность частиц, кг/м³.

Для d_ч > 1 мм при нарушении ламинарного движения осаждения

,

где К – коэффициент формы частиц, К = 1,2…2,3 [16].

На основе принципа отстаивания построены песколовки и отстойники.

Существует несколько типов песколовок. В горизонтальной песколовке (рисунок 2.2) сточная вода движется горизонтально с оптимальной скоростью w = 0,15 … 0,30 м/с. За время движения в песколовке частица, осаждаясь со скоростью w_о, должна достичь дна (шламосборника), поэтому отношение глубины h к w_о должно быть меньше времени t движения стоков в песколовке, t = 30 …100с, которым определяется и длина песколовки L. Ширина песколовки В определяется максимальным расходом сточных вод Q, В = Q/hw.

Рисунок 2.2 – Схема горизонтальной песколовки

В вертикальных песколовках сточная вода получает вертикальную (вниз, к шламосборнику) составляющую скорости движения, что облегчает осаждение частиц.

В аэрируемых песколовках крупные частицы осаждаются, как и в горизонтальных песколовках, а мелкие обволакиваются пузырьками воздуха, нагнетаемого в сточную воду, всплывают на поверхность и удаляются с неё с помощью скребковых механизмов.

С помощью отстойников из сточных вод выделяются частицы с размером менее 0,25 мм. По направлению движения воды в отстойниках их делят на горизонтальные, вертикальные, радиальные, комбинированные. Особенности отстойников: меньшие по сравнению с песколовками скорости движения стоков в связи с меньшими значениями w_о данных частиц и наличием элементов конструкции, способствующих увеличению вертикальной составляющей скорости сточной воды по направлению к шламосборнику. На рисунке 2.3 приведена схема вертикального отстойника.

Рисунок 2.3 – Схема вертикального отстойника

Сточная вода поступает в кольцевую зону между перегородкой 1 и корпусом 4 и движется вниз. Отразившись от отражательного кольца 5, вода (очищенная) уходит во внутреннюю полость перегородки и через кольцевой водосборник 2 выводится из отстойника, а твёрдые частицы, приобретя скорость движения вниз (она не должна превосходить скорость оседания частиц), достигают шламосборника 6. Осадок из шламосборника 6 периодически удаляется через трубопровод 5.

Отделение твёрдых частиц в поле действия инерционных сил производится в гидроциклонах, открытых и напорных, и центрифугах. Гидроциклоны по принципу действия, а напорные – и по конструкции аналогичны циклонам для очистки газов от твёрдых частиц (см. раздел 1).

Фильтрованием обеспечивается очистка сточных вод от тонкодисперсных твёрдых примесей с небольшой концентрацией, в том числе после физико-химических, химических, биологических методов очистки. Известны два основных класса фильтров: зернистые, представляющие собой однослойные или многослойные насадки пористых несвязанных материалов (кварцевый песок, дроблёный шлак, гравий, антрацит), и микрофильтры, фильтроэлементы которых изготовлены из связанных пористых материалов.

На рисунке 2.4 представлен многослойный зернистый каркасно-насыпной фильтр. Сточная вода поступает по коллектору 1, через отверстия в нём равномерно распределяется по сечению фильтра. Она проходит через слои гравия 2 и песка 3, через перфорированное днище 4, установленное на слое гравия 5 и через трубопровод 6 отводится из фильтра. Регенерация (очистка) фильтра производится продувкой сжатого газа через трубопровод 8 с последующей обратной промывкой водой через вентиль 7. Скорость фильтрования составляет 0,0014…0,0028 м/с.

Рисунок 2.4 – Схема многослойного зернистого каркасно-насыпного фильтра

Известны [12] электро-магнитные фильтры для очистки стоков от ферромагнитных примесей. В них используются пондермоторные силы взаимодействия между намагниченной фильтровальной загрузкой из ферромагнитных частиц и ферромагнитными примесями сточной воды.