По курсу «Промышленная экология»

Номер бригады	Номер лабораторной работы

Лабораторный практикум по курсу «Промышленная экология»

Содержание

Лабораторная работа 1. Осветление воды осаждением. 3

Лабораторная работа 2. Коагуляционная обработка воды.. 7

Лабораторная работа 3. Очистка воздуха аэрозольных загрязнений методом фильтрации. 11

Лабораторная работа 4. Реагентное обесцвечивание воды.. 16

Лабораторная работа 5. Очистка воды с помощью дистилляции. 21

Лабораторная работа 6. Очистка сточных вод от тяжелых металлов……………… 25

Лабораторная работа 1. Осветление воды осаждением

Цель работы

Изучение основных расчетных параметров отстойников: скорости осаждения взвешенных веществ и продолжительности пребывания воды в отстойнике, обеспечивающем заданный эффект ее осветления.

Теоретическая часть

Удаление из воды основной массы нерастворимых примесей от грубодисперсных взвесей до микрогетерогенных коллоидно растворенных веществ является одним из важнейших условий подготовки воды для хозяйственно-питьевых и технических целей. При этом улучшаются такие органолептические показатели, как мутность и цветность воды.

В природной воде могут присутствовать твердые нерастворимые вещества в виде взвешенных частиц глины, песка, гидроокисей, органических примесей гумусового происхождения, фито- и зоопланктона и других в зависимости от пород и почв, окружающих источник, и развития в нем биологических процессов. Концентрация нерастворимых веществ в некоторых природных водах поверхностных водотоков достигает иногда значительных величин (до 5000-10000 мг/л). Обычно содержание их колеблется от 100 до 1500 мг/л, плавно изменяясь по сезонам года и эпизодически – скачкообразно при наличии атмосферных осадков и паводков.

О размерах частиц, встречающихся в природных водных, и скорости их осаждения можно судить на основании данных, приведенных в таблице 1.

Таблица 1 - Размер и гидравлическая крупность частиц в воде

Взвешенные частицы	Размер частиц, мм	Скорость осаждения, мм/сек	Время осаждения частиц на глубину 1 м
Песок: Крупный	1,0		10 сек
средний	0,5		20 сек
Мелкий	0,1		2,5 мин
Ил	0,05-0,027	1,7-0,5	10-30 мин
Мелкий ил	0,01-0,005	0,07-0,017	4-18 ч
Глина	0,0027	0,005	2 суток
Тонкая глина	0,001-0,0005	0,0007-0,00017	0,5-2 месяца
Коллоидные Частицы	0,0002-0,000001	Средняя 0,000007	4 года

Одним из методов очистки воды от взвешенных веществ является отстаивание - удаление взвешенных веществ под действием силы тяжести. Метод основан на разнице удельных весов воды и удаляемых частиц. Частицы, удельный вес которых больше, чем удельный вес воды осаждаются на дно под действием сил тяжести. А частицы, у которых удельный вес меньше, чем у воды – всплывают на поверхность. К таким частицам относятся частицы жира, масла, нефти. С помощью специальных лопастей осадок и всплывающие загрязнения удаляются из очистных сооружений.

Реализация этого процесса происходит в отстойниках. Современные конструкции отстойников являются проточными и осаждение в них взвеси происходит при непрерывном движении воды от входа к выходу.

В зависимости от направления движения потока воды отстойники классифицируются на: горизонтальные, вертикальные и радиальные. В горизонтальных отстойниках движение воды происходит горизонтально, в вертикальных отстойниках вода подается снизу и движется вверх, в радиальных – происходит закручивание потока жидкости и вода движется от центра к периферии. На практике чаще всего для самой низкой пропускной способности (до 10 000 м³/сутки) применяются вертикальные отстойники. При средней пропускной способности (15 000 – 20 000 м³/сутки) применяют горизонтальные и радиальные отстойники. При пропускной способности очистных сооружений выше 20 000 м³/сутки чаще всего применяют радиальные отстойники с вращающимся распределительным устройством.

Скорости движения воды должны быть малыми, они измеряются десятыми долями мм/с в вертикальных отстойниках и несколькими мм/с – в горизонтальных, тонкослойных и радиальных.

При таких малых скоростях поток почти полностью теряет транспортирующую способность, обусловленную интенсивным турбулентным перемешиванием. Осаждение взвеси в потоке с такими малыми скоростями подчиняется с известными приближениями законам осаждения в неподвижной жидкости. Хорошо изучено осаждение зернистой агрегативно устойчивой взвеси, частицы которой при этом не слипаются и не изменяют своих форм и размеров. Осаждение неустойчивой взвеси, способной агломерироваться, слипаться в процессе осаждения, изучено в меньшей степени.

Оба явления имеют практическое значение для отстойников, применяемых в технологии очистки воды. Первое – для осветления мутных вод в качестве предварительной ступени очистки. Второе – для отстойников, в которых происходит осаждение скоагулированной взвеси.

Седиментация зернистой взвеси подчиняется более простым закономерностям, чем неустойчивой, хотя эти же закономерности с определенными допущениями применяют для расчета осаждения и неустойчивой взвеси.

Осаждение взвеси подчиняется линейному закону Стокса, который в общем виде можно записать:

(1)

где F₃ – сила сопротивления, Н;

h – вязкость жидкости;

ω – скорость осаждения частицы;

d – диаметр частицы, м.

Закон Стокса справедлив для частиц малого размера (10^-1- 10^-4 мм), осаждающихся с малой скоростью. В более общем виде закон сопротивления при падении частицы в жидкости может быть представлен в виде, предложенном Ньютоном–Рэлеем:

(2)

где Ψ₃ – коэффициент сопротивления, н;

r₁ – плотность жидкости; кг/м³:

d – диаметр частицы, м.

Коэффициент сопротивления Ψ₃ зависит от числа Рейнольдса (Rе)

(3)

Зависимость силы сопротивления от числа Rе определяется экспериментально. В области действия линейной зависимости в большинстве случаев справедливо выражение:

(4)

и тогда скорость осаждения частиц взвеси можно представить как:

(5)

где – плотность частицы;

g – ускорение свободного падения.

Выражение (5) называют формулой Стокса. Но эта формула справедлива при значениях Rе₃ << 1 и ее трудно использовать на практике.

Скорость осаждения взвешенных частиц используют в качестве критерия, характеризующего размер частиц, и называют «гидравлической крупностью частицы». Этот параметр используют для расчета отстойников, когда важно знать скорость осаждениячастиц, а не их размеры.

Гидравлическую крупность частиц находят экспериментально, определяя относительное количество взвеси, выпавшей за определенный интервал времени на дно цилиндра, заполненного испытуемой водой на высоту.

Когда взвесь монодисперсная, т.е. состоит из частиц примерно одинаковой гидравлической крупности, количество осадков, выпавшего за время t составит:

m = ωcAt, (6)

где с – концентрация взвеси в исследуемой воде; А – площадь цилиндра.

Массовое содержание взвеси в исследуемой воде до начала осаждения:

m₀ =cAh (7)

Относительное количество выпавшей взвеси или эффект осаждения находится из выражения:

р = m/m₀ = ωt/h, (8)

откуда гидравлическая крупность

ω=ph/t (9)

Из уравнения (9) видно, что относительное количество выпавшей взвеси р возрастает прямо пропорционально продолжительности осаждения. График зависимости р = f(t) называется кривой выпадения взвеси. На рис.1 представлена кривая выпадения моно– (а) и полидисперсной (б) взвеси.

Закон выпадения монодисперсной смеси имеет линейный характер, а кривая выпадения полидисперсной смеси значительно отличается от прямой линии. Экспериментальная кривая выпадения взвеси позволяет найти процентное содержание различных ее фракций, т. е. фракций с различной гидравлической крупностью. Относительное содержание взвеси с частицами крупностью ω> h/t равно отрезку, отсекаемому на оси ординат касательной, проведенной в точке А с абсциссой t. Проводя касательные в различных точках кривой, можно определить фракционный состав взвеси по интервалам гидравлической крупности частиц.

Пользуясь кривой выпадения, можно определить среднюю гидравлическую крупность полидисперсной смеси или среднюю скорость осаждения ω_ср по уравнению (9). На практике определяют не среднюю скорость осаждения полидисперсной взвеси, а некоторую фиктивную скорость:

U = ω_ср/p = h/t, (10)

называемую процентной скоростью осаждения. Величина хотя и имеет размерность скорости, не является физической скоростью осаждения частиц.

Из изложенного видно, что все предыдущие рассуждения строги лишь по отношению устойчивой зернистой смеси, т.е. для тех частиц, которые не изменяют своей фракционный состав в процессе осаждения, тем не менее кривые выпадения используют для расчетов отстойников и для неустойчивой взвеси, так как они (кривые) позволяют определить необходимую продолжительность пребывания воды в них, по заданному эффекту осветления. Это утверждение основано на подобии кривых, получаемых при различных высотах столба исследуемой воды. О подобии свидетельствует уравнение (8) из которого следует, что одинаковый эффект осаждения взвеси с определенной гидравлической крупностью частиц достигается при равных отношениях t/h.

На рис. 2а представлено семейство кривых выпадения полидисперсной зернистой взвеси. Каждая кривая получена при различных значениях высоты столба воды, кривые отличаются друг от друга только формой. Одинаковый эффект осаждения достигается при различной продолжительности отстаивания, но все кривые подобны между собой. Если изменить масштаб времени оси абсцисс и отложить по этой оси вместо значений времени значения t/h, то все кривые совместятся в одну (рис. 2б).

Это обстоятельство дает простое правило пересчета времени, необходимого для получения заданного эффекта оседания по результатам технологического моделирования. Получив в лаборатории кривую выпадения взвеси в процессе исследования исходной воды при высоте столба воды можно определить требуемый эффект осаждения р. Он может быть рассчитан по концентрации взвеси в исходной воде С₀ и концентрации взвеси в осветленной воде С, принимаемой 10 мг/л;

p = (C₀ –C)/С₀ или (С₀ –10)/C₀ (11)

По величине р с помощью кривой выпадения взвеси определяется продолжительность осаждения t₁ а затем расчетную продолжительность пребывания воды в отстойнике t_p из соотношения:

t_p/t₁ = h_p/h₁ (12)

Так как из условия подобия t_р = h_p = t₁/ h₁ = const, при р = соnst здесь h и t соответственно расчетная высота зоны осаждения и продолжительность пребывания воды в проектируемом отстойнике. Уравнение (12) показывает, что при осаждении устойчивой взвеси продолжительность пребывания воды в отстойнике во столько раз больше продолжительности осаждения воды в цилиндре, во сколько высота зоны осаждения больше высоты слоя воды в цилиндре.

При осаждении неустойчивой коагулирующей взвеси для расчета отстойников следует пользоваться выражением

t_p = t₁ (h_p/h₁)ⁿ (13)

где n = 0,2 – 0,5 эмпирическая величина.

Применяемое оборудование

1. 3 цилиндра емкостью 1 л, высотой 400 мм.

2. Коалиновая суспензия, моделирующая устойчивую полидисперсную взвесь.

3. Песок.

4. Секундомер.

Порядок проведения работы

1. В цилиндры наливают по 1 литру водопроводной воды.

2. Добавляют в первый цилиндр 100 мг каолиновой взвеси, во второй – 100 мг песка, в третий – 100 мг загрязнителя по указанию преподавателя.

3. Тщательно перемешивают воду с навесками в цилиндрах.

4. Через каждые 5 минут отмеривают осветленные участки, где происходит осветление до 10 мг/л (по указанию преподавателя).

5. Результаты измерений заносят в таблицу 2 (отдельно для каждого загрязнителя), по уравнения (8) рассчитывают р.

Таблица 2 – Результаты измерений

t	Vосветленной жидкости, мл	p=Vосветленной жидкости/1000

6. По экспериментальным данным строится кривая выпадения р=f(t).

7. Определяется необходимое время отстаивания.

Содержание отчета

1. Краткое описание физико–химических основ осаждения оттаиванием (закон Стокса).

2. Табличный и графический материал по экспериментальной кривой выпадения взвеси.

3. Определение необходимой продолжительности пребывания воды в отстойнике.

4. Выводы по работе.

Контрольные вопросы:

1. Применение закона Стокса для процессов осаждения.

2. Влияние фракционного состава на процесс осаждения.

3. Как можно оценить фракционный состав по кривой выпадения.

4. Что такое гидравлическая крупность.

5. Основные расчетные параметры для расчета отстойников.