Механические методы очистки сточных вод

2.1 Механические методы очистки сточных вод

Из существующих механических методов очистки промышленных стоков с целью осветления воды наиболее простым является ее отстаивание.

При расчете отстойной аппаратуры определяющим параметром является скорость осаждения твердых или жидких частиц Шо, зависящая от размеров частиц d, плотности р_т твердых частиц, их формы, плотности р_св и вязкости ц_св сточной воды, скорости движения воды и, условий обтекания и сопротивления среды. Скорость осаждения Шо для ламинарных, переходных и турбулентных режимов определяют по формуле:

где Re₀ = co₀dp_Bl\x_Q – число Рейнольдса; Аг = <? р_вд^& " число Архимеда; рв, – соответственно плотность и вязкость чистой воды.

Вязкость и плотность таких систем могут меняться и с учетом объемной концентрации С₀ рассчитываются по формулам:

где е – объемная доля жидкой фазы; У_ж и V_T – объем соответственно жидкой и твердой фазы.

Для реальных условий скорость стесненного осаждения монодисперсных сферических частиц рассчитывают по формуле Стокса:

где

В горизонтальных песколовках осаждение песка близко к осаждению частиц в ламинарном режиме, и скорость его осаждения определяют по формуле Стокса.

Длину песколовки определяют по формуле:

где к – коэффициент, учитывающий турбулентность потока; Н_р – расчетная глубина песколовки, м; и – средняя скорость движения воды, м/с. Коэффициент к определяют из уравнения:

Площадь зеркала воды F, глубину Н_р и удельную нагрузку по воде q_Q определяют из зависимостей:

где Q – расход воды, м³/сут; В-ширина песколовки, м; Э – эффективность очистки.

Выход сточной воды происходит через водослив, размеры которого определяют по формулам:

где Р – перепад уровней воды между дном песколовки и порогом водослива; h_max, h_min – уровень воды, м при максимальном q_max и минимальном q_min- расходах и и = 0,3 м/с; k_q = q_mBJq_mm\ b_c – ширина водослива, м; m = 0,35–0,38 – коэффициент расхода водослива.

Скорость движения воды при диаметре частиц 0,2–0,3 мм принимается и = 0,3 м/с, а время пребывания воды в песколовке 30 с.

Из песколовок с круговым движением воды наиболее эффективны аэрируемые песколовки.

Горизонтальные аэрируемые песколовки работают при и = 0,08–0,12 м/с, В/Н = 1–1,5, общей глубине 0,7–3,5 м, гидравлической крупности песка coq = 18 мм/с, интенсивности аэрации 3–5 м³/м²ч.

В песколовках с круговым движением воды объем аэрированной зоны изменяется от 25,8 до 170 м³ при интенсивности аэрации 3,5 м³/м²ч.

Для увеличения скорости осаждения частиц примесей в промышленные стоки вводят коагулянты и флокулянты, которые образуют неустойчивые полидисперсные системы.

Продолжительность отстаивания определяют по формуле:

где Н – глубина проточной части отстойника; п – коэффициент, учитывающий свойства взвешенных частиц; h – высота эталонного цилиндра; т – продолжительность осаждения.

Объем отстойной зоны V₀ = QT, а поверхность осаждения F₀ = Q/wq.

Гидравлическую крупность определяют по зависимости:

где к = 0,5; 0,35; 0,45 – коэффициент, характеризующий конструкцию отстойника соответственно для горизонтального, вертикального и радиального типа, а – 0,66–1,5 – коэффициент, учитывающий влияние вязкости воды на скорость осаждения при изменении температуры от 40 до 50 °С; ео-вертикальная составляющая скорости движения воды в отстойнике; при изменении и от 5 до 20 мм/с величина w изменяется от 0 до 0,5 мм/с.

Расчет отстойников с учетом эффективности осветления проводится в соответствии со стандартными методиками.

Коллоидные вещества, гидратированные взвеси, мелкодисперсные вещества вследствие их малой плотности осаждаются медленно. Даже ввод коагулянтов не обеспечивает заданной степени очистки промышленных стоков.

С целью более глубокой очистки воды от таких примесей и ее осветления используют флотацию.

Флотацию растворенным в воде воздухом обычно ведут совместно с коагуляцией и флокуляцией взвеси для удаления коллоидных малоконцентрированных примесей.

Пузырьки воздуха размером 10–100 мкм, выделяющиеся из воды, пересыщенной растворенным в ней воздухом, захватывают взвесь частиц. Воздух диспергируется турбиной – импеллером флоат-машины. Иногда воздух вводят под избыточным давлением 0,03–0,2 МПа через сопла или фильтры. Флотация осуществляется крупными быстро всплывающими пузырьками.

При электрофлотации очистку промышленных стоков осуществляют кислородом и водородом, которые выделяются на электродах, размещаемых в осветленной воде. Выделяющийся в ламинарном режиме газ с размером пузырьков 50 мкм обеспечивает высокий эффект очистки.

Биологическая и химическая флотация происходит в результате взаимодействия пузырьков газа размером 5–50 мкм с поверхностью взвешенных в воде частиц, которые освобождаются от воды.

Наибольшую эффективность разделения достигают при соотношении между твердой и газовой фазами, равном 0,01–0,1, и определяют по формуле:

где G_eo3, G₄ – соответственно масса воздуха и твердых частиц в суспензии, г; У* – растворимость воздуха в воде при атмосферном давлении рабочей температуре, см³ /дм³; f_H = 0,5–0,8 – степень насыщения; Р – давление насыщения воды воздухом, Па; Qi – количество воды, насыщенное воздухом, м³/ч; С_ч – концентрация твердой фазы в суспензии, г/см³; Q – расход сточной воды, м³/ч.

На практике в сочетании с химической коагуляцией широко применяют напорную флотацию, позволяющую обеспечивать осветление воды за 15–40 мин со скоростью, в 4–5 раз превышающей скорость осаждения и при расходе энергии 0,1–0,2 кВт ч/м³.

Установка с рециркуляцией работает следующим образом. Вода, смешанная с коагулятором в смесителе 1, поступает в камеру 2 хлопьеобразования с лопастной мешалкой, где образуются крупные хлопья коагулянта, сорбирующие коллоидные взвеси. Из камеры 2 коагулированная вода со скоростью 0,2–0,5 м/с перетекает по трубе 3 в центральную камеру 4. В трубу 3 врезан трубопровод, по которому со скоростью 1–2 м/с вводится вода, пересыщенная воздухом. Часть воды, очищенная во флотаторе насосом 7, подается под давлением в смеситель 9, куда компрессором 8 вводится сжатый воздух, и затем в сатуратор 10. В сатураторе за 1–3 мин происходит насыщение воды воздухом и отделение нерастворившего-ся воздуха. Насыщенная вода после снижения давления в дросселирующем устройстве 11 становится пересыщенной и поступает во флотатор. Тонкий слой пены со взвесью собирается скребком 6 в приемный бункер 5.

Применяемые в отечественной и зарубежной практике сатураторы представлены на р и с. 3. Недостатком сатураторов является введение воздуха в насос, что снижает его производительность и КПД при увеличенном кавитационном износе. Более эффективны сатураторы, в которых воздух вводится после насоса. Для повышения эффективности используется насадочный сатуратор с кольцами Рашига, а также распылительный и струйный сатураторы.

При расчете напорной флотации с сатурацией необходимо учитывать, что выделение пузырьков газа из воды происходит на частице.

Эффективность флотационного выделения частиц определяют по формуле:

где Т₁ – время пребывания жидкости во флотаторе; Т = Г? + Т₂; Т₂ – время обработки до флотатора; а – число столкновений пузырьков газа с частицами на единице длины пути; С_г – объемная концентрация газовой фазы; у_п – скорость движения пузырьков; _ высота слоя жидкости во флотаторе.

Выделение примесей из сточных вод эффективно осуществляется под действием центробежных и центростремительных сил в открытых и напорных гидроциклонах.

Открытые гидроциклоны применяют для выделения из суспензий частиц диаметром более 1x10"⁵ см при очистке грубодиспергированных примесей.

Применяют конструкции гидроциклонов без внутренних устройств, с диафрагмой и многоярусные.

Модифицированный гидроциклон с конической диафрагмой и внутренним цилиндром устраняет накопление взвешенных частиц под диафрагмой и их периодический вынос с осветленной водой.

Исходную суспензию подают тангенциально в нижнюю часть зоны, ограниченную внутренним цилиндром. Восходящий поток у верхней кромки цилиндра разделяется на основной поток, движущийся по спирали к центральному отверстию в диафрагме, и дополнительный, поступающий в зазор между стенками гидроциклона и цилиндра. В дополнительном потоке транспортируются выделившиеся в восходящем потоке взвешенные частицы.

В многоярусном гидроциклоне, состоящем из конической 1 и цилиндрической 9 частей, рабочий объем разделен коническими диафрагмами 10 на отдельные ярусы, работающие независимо друг от друга. В основе работы такого аппарата лежит принцип тонкослойного от стаивания. Исходная смесь поступает в аванкамеры 3 с распределительными лопатками 16 и равномерно распределяется между ярусами 12. Вывод воды из аванкамер 3 осуществляется через три щели 11, расположенные по окружности циклона через три щели 11, расположенные по окружности циклона через 120° и равномерно по его высоте.

Поступающая сточная вода движется по нисходящей спирали к центру. Частицы тяжелее воды оседают на нижних диафрагмах ярусов, сползают к центру и, попав под шламозадерживающие козырьки 13, через кольцевую щель 2 опускаются в коническую часть. Масло с примесями, выделившееся в ярусах, всплывает к верхним диафрагмам 10, задерживается перегородкой 6 и попадает в водосборник, откуда маслосборными воронками 7 через трубы 4 удаляется из гидроциклона. Осветленная вода выводится через три тангенциальных выпуска 14. В центральной части циклона жидкость поднимается вверх, через водослив 5 переливается в лоток 8 и удаляется из циклона. Осадок из конической части 1 удаляется через разгрузочное отверстие 15 под действием гидростатического напора.

В общем случае при расчете гидроциклонов, применяя данные кинетики отстаивания, рассчитывают гидродинамические параметры циклона и определяют его геометрические характеристики. Для всех конструкций удельную гидравлическую нагрузку определяют по формуле:

где к – коэффициент; и₀ – гидравлическая крупность задерживаемых частиц, мм/с.

Задавшись и₀ по нагрузке q и назначаемому диаметру цилиндрической части аппарата D, определяют его производительность

Геометрические размеры циклонов выбирают по рекомендациям. Зная общее количество сточных вод Q₀6, определяют число гидроциклонов:

Для многоярусных циклонов гидравлическую нагрузку определяют по уравнению:

где к – 1; с1_цо – диаметр центрального отверстия в диафрагме, м; Ь – ширина шламовыводящих щелей, м; Л/_я – число ярусов; ц = 0,75 – коэффициент при нагрузке q = 2–2,5 м³/.

При очистке сточных вод на установках с производительностью не более 200 м³/ч от частиц крупностью более 0,2–0,3 мм/с используют циклоны с внутренним цилиндром и конической диафрагмой. Фактор разделения определяется критерием F_r:

где vr – скорость движения частицы под действием центробежных сил, м/с; д – ускорение свободного падения, м/с²; г – радиус частицы, м.

Их характеристики благодаря высокой эффективности и компактности позволяют использовать гидроциклоны вместо отстойников, центробежных сепараторов, центрифуг, фильтров или в сочетании с ними.

Эффективность работы гидроциклонов определяют следующие факторы:

седиментационные свойства примесей в сточной воде;

размеры циклона;

производительность аппарата, зависящая от его размеров и перепада давлений в нем;

затраты энергии на создание центробежного поля, зависящие от его гидравлического сопротивления.

Для расчета гидроциклонов A.M. Кутеповым и Е.А. Непомнящим была предложена стохастическая модель разделительных процессов. Введя ряд предпосылок и используя числовые методы решения с применением ЭВМ, были получены безразмерные параметры а, у, 9 и г₀, характеризующие интенсивность центробежного поля, перемешивания частиц, геометрические размеры аппарата и свойства разделяемых частиц при различном времени их пребывания в аппарате.

Используя кривые зависимостей абсолютной величины уноса и количественного содержания отдельных фракций в осветленном и сгущенном потоках при различных значениях параметров конструкций гидроциклонов, можно рассчитать основные характеристики гидроциклона и характеристики разделения.

Например, для гидроциклона с винтовым входным устройством расчет проводят в следующем порядке. Исходными данными для расчета являются параметры суспензии, показатели разделения которого определяют из следующих соотношений: Н_ц = D; d_B = D; D_c = 0,3D; d_n = 0,5d_c; m = 1; a = 5°; p берется минимальным.

1. Задают диаметр D и по указанным соотношениям определяют ос-
тальные геометрические размеры. Общую производительность гидроци-
клона Q₀, производительность по осветленной жидкости и сгущенной сус-
пензии Q_n/Q_c определяют по формулам:

где У* – условный коэффициент расхода; d_B – эквивалентный диаметр винтового канала; d_c – диаметр патрубка; Р₀ – давление на входе в гидроциклон; О – диаметр гидроциклона; Н_ц – высота цилиндрической части; р_с – плотность жидкой фазы.