Центробежное осаждение примесей из сточных вод

Скорость разделения неоднородных систем в поле центробежных сил выше по сравнению со скоростью разделения этих систем в поле силы тяжести. Отношение центробежной силы к силе тяжести можно сделать сравнением ускорений, действующих на частицы примесей в центробежном и гравитационном полях, т.к. применительно к частице определенной массы силы пропорциональны ускорениям.

В общем случае центробежная сила Pц (Н) выражается равенством

(5.23)

где m - масса вращающейся частицы, кг; G – вес частицы, Н; vо – окружная скорость вращения, м/с; r – радиус вращения, м.

Окружная скорость вращения равна

v_o = ω ∙r = 2 πnr/60 (5.24)

где ω - угловая скорость вращения, рад/с; n – число оборотов в минуту.

Сопоставляя эти равенства, найдем

(5.25)

или приближенно

(5.26)

Отношение центробежного ускорения vо² r к ускорению силы тяжести g

называют фактором разделения:

(5.27)

Для величины G =1H получаем

K_p = r ∙ n² / 900 (5.28)

Фактор разделения является важной характеристикой гидроциклонов и цетрифуг, т.к., при прочих равных условиях, разделяющее действие при осадительном центрифугировании возрастает пропорционально величине Kр.

Для очистки сточных вод используют напорные и открытые (низконапорные) гидроциклоны. Напорные гидроциклоны применяют для осаждения твердых примесей, а открытые гидроциклоны – для удаления осаждающихся и всплывающих примесей.

При вращении жидкости в гидроциклонах (рис. 5.3) на частицы действуют центробежные силы, отбрасывающие тяжелые частицы к периферии потока, силы сопротивления движущегося потока, гравитационные силы и силы потока. Силы инерции в потоке жидкости незначительны и ими можно пренебречь. При высоких скоростях вращения центробежные силы значительно больше сил тяжести.

Рис. 5.3. Напорный гидроциклон

Скорость движения частицы в жидкости под действием центробежной силы зависит от ее диаметра dч , разности плотностей фаз Δρ , вязкости μ c и

плотности ρc сточной воды и от ускорения центробежного поля J :

(5.29)

Коэффициент пропорциональности k и показатель степени m зависят от гидродинамического режима.

Для ламинарного режима при числе Рейнольдса Re_ч=w_ос∙dч∙ρ_ч/μ₀=1,6; m = 2 ; k = 1,7 ∙10⁻⁴ .

Для переходного режима при Re_ч = 16…420; m = 1,2; k=2,49∙10⁻³

Для турбулентного режима R_ч > 420; m = 5,36; k = 0,5.

Кроме физических свойств жидкости на эффективность работы гидроциклонов влияют конструктивные параметры: диаметр аппарата, соотношение входного и сливных патрубков.

Гидроциклоны изготавливаются диаметром от 10 до 700 мм, высота цилиндрической части равна диаметру аппарата. Угол конусности равен 10…20°. Эффективность гидроциклонов находится на уровне 70%. При изменении вязкости сточной воды скорость осаждения частиц увеличивается. С ростом плотности жидкости уменьшается разность плотности фаз Δρ = (ρч -

ρ0). Это сопровождается снижением скорости осаждения частиц тяжелее воды, а для частиц легче воды – увеличением скорости всплывания.

Скорость осаждения пропорциональна квадрату скорости вращения частиц, которую можно считать равной скорости воды на входе в аппарат.

Гидроциклоны малого диаметра объединяют в общий агрегат, в котором они работают параллельно. Такие аппараты называют мультигидроциклонами. Мультигидроциклоны наиболее эффективны при очистке небольших количеств воды от тонкодисперсированных примесей.

Производительность напорных гидроциклонов

Q = k₁ ∙ D_ц ∙ d_вх √2g ∙ ΔH (5.30)

где k1 - безразмерный коэффициент; Dц - диаметр гидроциклона, м; dвх - диаметр входного патрубка. м; ΔH - перепад давлений между сливными и выходными патрубками, Па.

Открытые (безнапорые) гидроциклоны применяют для очистки сточных вод от крупных примесей (гидравлическойой крупностью 5 мм/с). От напорных гидроциклонов, они отличаются большей производительностью и меньшим гидравлическим сопротивлением.

Для удаления осадков из сточных вод используются отстойные и фильтрующие центрифуги. В отстойных центрифугах (рис. 5.4) со сплошными стенками ротора производят разделение суспензий и эмульсий попринципу отстаивания.

Рис. 5.4. Схема действия отстойной центрифуги.

Разделение суспензий в отстойных центрифугах складывается из стадий осаждения твердых частиц на стенках ротора и уплотнения образовавшегося осадка. Первая из этих стадий протекает по законам гидродинамики, вторая - по закономерностям механики грунтов (пористых сред). При малойконцентрации твердых частиц в сточной воде (не более 4% об.) наблюдаетсясвободное осаждение их в роторе без образования четкой поверхности раздела между чистой жидкостью и еще не расслоившейся суспензией. При повышенной концентрации образуется ясная граница раздела вследствие стесненного осаждения твердых частиц. Вследствие неоднородности по радиусуинтенсивности поля центробежных сил и площади осаждения закономерности процессов осаждения в отстойных центрифугах отличаются от осажденияв отстойниках.

Разделяющая способность отстойных центрифуг характеризуется индексом производительности Σ, который является произведением площадицилиндрической поверхности осаждения F в роторе на фактор разделения Kp:

Σ= F ∙ K _p (5.31)

откуда

Σ / F = K _p (5.32)

Величину Σ следует считать равной площади отстойника, эквивалентного по производительности (для данной суспензии) рассматриваемой центрифуге.

Фактор разделения для отстойной центрифуги равен

(5.33)

где r = (D − h) /2 - средний радиус слоя жидкости в центрифуге.

Площадь цилиндрической поверхности осаждения в роторе

F =π (D − h) ∙ L (5.34)

откуда получим

Σ= F ∙ K _p = π ∙ L(D − h)² n²/ 1800 (5.35)

Индекс производительности зависит от режима осаждения частиц:

- в переходном режиме

- в турбулентном режиме

Производительность отстойных центрифуг снижается по сравнению с теоретической вследствие отставания скорости вращения жидкости от скорости вращения ротора, неравномерности течения жидкости вдоль ротора, образование вихревых зон, увлекающих осажденные частицы.

Фильтрование сточных вод

В процессе очистки сточных вод приходится иметь дело с большим количеством воды, поэтому применяют фильтры, для работы которых не требуется высоких давлений. Исходя из этого, используют фильтры с сетчатыми элементами (микрофильтры и барабанные сетки) и фильтры с фильтрующим зернистым слоем.

Механизм извлечения частиц из воды на фильтрах с зернистой перегородкой:

1) процеживание с механическим извлечением частиц;

2) гравитационное осаждение;

3) инерционное захватывание;

4) химическая адсорбция;

5) физическая адсорбция;

6) адгезия;

7) коагуляционное осаждение;

8) биологическое выращивание.

В общем случае эти механизмы могут действовать совместно и процесс фильтрования состоит из 3-х стадий:

1) перенос частиц на поверхность вещества, образующего слой;

2) прикрепление к поверхности;

3) отрыв от поверхности.

По характеру механизма задерживания взвешенных частиц различают 2 вида фильтрования:

1) фильтрование через пленку (осадок) загрязнений, образующихся на поверхности зерен загрузки;

2) фильтрование без образование пленки загрязнений.

В первом случае задерживаются частицы, размер которых больше пор материала, а затем образуется слой загрязнений, который является также фильтрующим материалом. Такой процесс характерен для медленных фильтров, которые работают при малых скоростях фильтрования. Во втором случае фильтрование происходит в толще слоя загрузки, где частицы задерживаются на зернах фильтрующего материала адгезионными силами. Такой процесс характерен для скоростных фильтров. Величина сил адгезии зависит от крупности и формы зерен, от шероховатости поверхности и ее химического состава, от скорости потока и температуры жидкости, от свойств примесей.

Прилипшие частицы постоянно испытывают влияние движущегося потока, который срывает их с поверхности фильтрующего материала. При равенстве числа частиц, поступающих в единицу времени на поверхность фильтрующего слоя и покидающих ее, наступает насыщение поверхности и она перестает осветлять сточные воды.

Важными характеристиками пористой среды являются порозность и удельная поверхность. Порозность (пористость) зависит от структуры пористой среды и связана как с размером зерен, так и с их формой и укладкой. Если обозначим порозность через ε, а долю объема, занимаемую телом через v, то ε = 1 - v.

При ε = 0 пористая среда превращается в сплошное тело, а при ε = 1 в максимальное пористое тело, когда размеры стенок твердого вещества пренебрежимо малы.

Удельная поверхность слоя определяется не только порозностью, но и пористостью отдельных зерен, а также зависит от формы зерен. Коэффициент формы существенно влияет на емкость пористого фильтрующего слоя и коэффициент гидравлического сопротивления.

Удельную объемную поверхность а (м2/м3) пористого (зернистого) слоя

вычисляют по формуле

a = 6(1- ε)Ф/d_э (5.35)

где Ф – коэффициент формы зерен слоя; dэ – эквивалентный диаметр зерен слоя, м.

На основе внутренней задачи гидродинамики, рассматривающей движение внутри каналов, образуемых пустотами и порами между элементами слоя, предложено выражение, по внешнему виду аналогичное уравнению для определения потери давления на трение в трубопроводах:

ΔР_с = λ∙Н∙а∙ρ₀ ∙w₀²/(8 ε³) (5.36)

где λ - общий коэффициент сопротивления, отражающий влияние сопротивления трения и местных сопротивлений, возникающих при движении жидкости (газа) по каналам слоя и обтекании отдельных элементов слоя; Н – высота слоя, м; a - удельная поверхность, представляющая поверхность частиц материала, находящихся в единице объема, занятого слоем, м²/м³; ρ₀ - плотность жидкости или газа; w₀ - фиктивная (приведенная) скорость жидкости или газа, рассчитываемая как отношение объемного расхода движущейся среды ко всей площади поперечного сечения слоя, м/с; ε - порозность, или доля свободного объема, т.е. отношение объема свободного пространства между частицами к объему, занятому слоем:

Значение λ находят по уравнению

λ = 133/Re + 2,34 (5.37)

Критерий Рейнольдса определяют по формуле

Re = 4 w₀ ρ₀/(а μ₀) (5.38)

где μ0 - динамическая вязкость жидкости или газа.

Если неизвестно значение а, можно использовать выражение, полученное исходя из внешней задачи гидродинамики при обтекании отдельных элементов слоя:

ΔР_с = 3 λ∙Н(1- ε)ρ₀∙w₀²/(4 ε³∙d_ч∙Ф) (5.39)

где dч - диаметр частиц правильной шаровой формы; для частиц неправильной формы dч - диаметр эквивалентного шара, т.е. шара, имеющего такой же объем, как и частица, м; Ф - фактор (коэффициент) формы частицы, определяемый соотношением Ф = Fш/Fч (Fш - поверхность шара, имеющего тот же объем, что и данная частица с поверхностью Fч).

Критерий Рейнольдса в этом случае рассчитывают по формуле

Re = 2/3 [Ф/(1 - ε)]Re₀ (5.40)

где Re₀ = w₀ d_ч ρ₀/μ₀

Связь между удельной поверхностью и другими характеристиками слоя осуществляется с помощью соотношения

a = 6(1- ε)/(Ф d_ч) (5.41)

При свободной засыпке шарообразных частиц доля свободного объема составляет ε = 0,4. Фактор формы для округлых частиц заключен в пределах между Ф = 1 (для правильных шаров) и Ф = 0,806 (для правильных кубов). Для цилиндрических частиц фактор формы меняется в зависимости от отношения высоты цилиндра hц к его диаметру dц.

Например, Ф = 0,69 при hц/dц = 5; Ф = 0,32 при hц/dц = 0,05.

Кинетика фильтрования и материальный баланс описываются уравнениями:

(5.42) ; (5.43)

При решении этих уравнений получается общее уравнение процесса.

(5.44)

где c - концентрация взвешенных веществ в сточных водах; x – длина участка канала, на котором происходит выделение примеси; a и b – константы скорости отрыва и прилипания частиц; q – концентрация осадка; vф – скорость фильтрования.

Продолжительность работы фильтра до “проскока” является временем защитного действия τ_з. Продолжительность работы фильтра до “проскока” частиц в фильтрат определяют по формуле

(5.45)

где l – толщина фильтрующего слоя; dч – размер частиц фильтрующего слоя; k и s₀ – константы, зависящие от концентрации взвешенных веществ в исходной и осветленной сточной воде.

Взвешенные вещества при прохождении через слой материала уменьшают порозность и изменяют поверхность. Сопротивление фильтрующего слоя возрастает по мере прохождения сточной воды.

Фильтры с зернистым слоем подразделяют на медленные и скоростные, открытые и закрытые. Высота слоя в открытых фильтрах равна 1…2 м, в закрытых 0,5…1 м. Напор воды в закрытых фильтрах создается насосами.

Медленные фильтры используют для фильтрования некоагулируемых сточных вод. Скорость фильтрования зависит в них от концентрации взвешенных частиц: до 25 мг/л скорость принимают 0,2…0,3 м/ч; при 25…30 мг/л – 0,1…0,2 м/ч.

Скоростные фильтры бывают одно и многослойными. У однослойного фильтра слой состоит из одного и того же материала, у многослойных – из различных материалов (например, из антрацита и песка).

Выбор типа фильтра для очистки сточных вод зависит от количества фильтруемых вод, концентрации загрязнений и степени их дисперсности, физико-химических свойств твердой и жидкой фаз и от требуемой степени очистки.