Гидромеханические способы очистки сточных вод

Для удаления взвешенных частиц из сточных вод используют периодические и непрерывные гидромеханические процессы процеживания, гравитационного и центробежного отстаивания и фильтрования. Выбор метода зависит от размера частиц примесей, физико-химических свойств и концентрации взвешенных частиц, расхода сточных вод и необходимой степени очистки.

Перед более тонкой очисткой сточные воды направляют на процеживание через решетки и сита, которые устанавливают перед отстойниками с целью извлечения из них крупных примесей.

Осаждением называется разделение жидких неоднородных систем путем выделения из жидкой фазы твердых или жидких взвешенных частиц под действием силы тяжести, центробежной силы. Соответственно различают гравитационное отстаивание и осадительное центрифугирование.

Осаждение отстаиванием 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.

Материальный баланс механического разделения сточных вод

от примесей.

При отсутствии потерь веществ в процессе механического разделения сточных вод от примесей уравнения материального баланса имеют вид:

- по общему количеству веществ

G_см = G_осв + G_ос (5.1)

- по дисперсной фазе

G_см ∙ x_см = G_осв ∙ x_осв + G_ос ∙ x_ос (5.2)

где Gсм, Gосв, Gос - масса исходной сточной воды, осветленной воды и получаемого осадка примесей, кг; xсм, xосв, xос - содержание примесей в исходной сточной воде, осветленной воде и осадке, масс. доли.

Совместное решение этих уравнений позволяет определить массовое количество осветленной воды Gосв и массу осадка Gос, получаемых при заданном содержании примесей в осадке и осветленной воде:

(5.3)

(5.4)

Содержание взвешенных частиц в осветленной воде и в осадке выбирается в зависимости от конкретных технологических условий процесса разделения.

Отстаивание сточных вод

Основным параметром, который используют при расчете осаждения, является скорость осаждения частиц (гидравлическая крупность).

При падении частицы под действием силы тяжести сила, движущая частицу диаметром dч, выражается разностью между ее весом

(5.5)

и выталкивающей архимедовой силой, равной весу жидкости в объеме частицы

(5.6)

(5.7)

где ρч – плотность твердой частицы, кг/м³.

Сила сопротивления среды по Ньютону

(5.8)

где ζ - коэффициент сопротивления водной среды, который зависит от режима осаждения.

Скорость осаждения wос можно найти из условия равенства силы, движущей частицу и силы сопротивления водной среды:

(5.9)

В ламинарном режиме осаждения при ζ = 24/Reч получим формулу Стокса

(5.10)

Существует и минимальный размер частиц, ниже которого наблюдаются отклонения от закона Стокса и при Reч ≤10^-4 на скорость осаждения очень мелких частиц начинает влиять тепловое движение молекул среды. В таких условиях размер d частиц становится соизмеримым со средней длиной свободного пробега молекул среды. Расчеты показывают, что при d ≈ 0,1 мкм частицы не осаждаются, а наблюдается лишь хаотическое броуновское движение частиц.

Скорость осаждения частиц нешарообразной формы меньше скорости осаждения шарообразных частиц. Для нешарообразных частиц в расчетных формулах используют эквивалентный диаметр dэ, который определяют по объему Vч или массе Gч частицы:

(5.11)

При отстаивании сточных вод наблюдается стесненное осаждение, которое сопровождается столкновением частиц, трением между ними и изменением скоростей больших и малых частиц. Скорость стесненного осаждения меньше скорости свободного осаждения вследствие возникновения восходящего потока жидкости и увеличения вязкости среды. Скорость стесненного осаждения частиц одинакового размера при ламинарном режиме можно рассчитать по формуле Стокса с поправочным коэффициентом R=(1−φ)∙μ₀ / μ_c , который учитывает влияние концентрации взвешанных частиц и реологические свойства системы (вязкость системы μс):

w_ос = d_ч ²g( ρ_ч − ρ₀) R/18 μ₀ (5.12)

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, от соотношения частиц различного размера и вязкости среды. Коэффициент агломерации характеризуется соотношением Ka = dф / dч , где dф – фиктивный диаметр частицы, эквивалентный теоретической скорости ее осаждения. Для полидисперсных систем кинетику осаждения устанавливают опытным путем в виде кривой зависимости массы M осажденных частиц от времени осаждения τ (рис. 5.1).

Рис.5.1. Кинетика осаждения полидисперсных частиц.

Удаление всплывающих примесей.

Процесс отстаивания используют также для очистки производственных сточных вод от нефти, масел, смол, жиров. Очистка от всплывающих примесей аналогична осаждению твердых веществ. Различие состоит в том, что плотность всплывающих частиц меньше, чем плотность воды. Для улавливания частиц нефти используют нефтеловушки, а для жиров - жироловушки. Скорость подъема частиц wвс легкой жидкости зависит от размера частиц dч, плотности всплывающих частиц ρл и вязкости среды μ0, т.е. от числа Re_ч =w_вс ∙d_{ч ∙}ρ_л/μ₀.

В области Reч< 0,25 всплывание частиц происходит по зависимости Стокса:

w_вс = d² ∙g( ρ₀ − ρ_л) /(18 ∙ μ₀) (5.13)

Движение частицы легкой фазы вверх вызывает в сточной воде вторичные потоки, тормозящие подъем. Скорость подъема с учетом торможения равна

w_вс⁰ = w_вс (3μ_л −3 μ₀)/(3 μ_л + 2μ₀) (5.14)

где μл - коэффициент динамической вязкости более легкой всплывающей жидкости.

На процесс разделения оказывает влияние турбулентность, коагуляция и гидродинамическое комплексообразование. При вводе сточной воды в ловушки может произойти измельчение легкой жидкости при ударе струи о поверхность, что сопровождается изменением давления. Начальный размер частиц поддерживается капиллярным давлением Pк = 4σ / d (σ - коэффициент поверхностного натяжения). При ударе струи возникает результирующее давление Р1. Если P1 > Pк , то происходит измельчение капель.

Отношение числа отстоявшихся частиц легкой жидкости определенного размера к общему числу частиц этой жидкости называют эффектом отстаивания.

Расчет отстойников.

Отстаивание сточных вод проводят в аппаратах, называемых отстойниками или сгустителями. Различают горизонтальные, радиальные, вертикальные, трубчатые, пластинчатые отстойники с наклонными перегородками.

Горизонтальные отстойники (рис. 5.2) представляют собой прямоугольные резервуары, имеющие два или более одновременно работающих отделения. Вода движется с одного конца отстойника к другому.

Глубина отстойника равна 1,5…4 м, длина 12…48 м, ширина коридора 3…6 м. Горизонтальные отстойники применяют при расходе сточной воды свыше 15000 м³/сут. Эффективность отстаивания достигает 60%.

Отстойники проектируются в расчете на осаждение самых мелких частиц, находящихся в сточной воде. Поэтому время пребывания обрабатываемой сточной воды в аппарате должно быть больше времени осаждения мелких частиц или в пределе равно времени, необходимому для стесненного осаждения частицы наименьшего размера на дно аппарата с заданной высоты.

Производительность отстойника по осветленной воде Qосв (м³/с) выражается уравнением

Q_осв = v_n ∙ B ∙ H (5.15)

где vn – скорость потока сточной воды вдоль аппарата, м/с; В - ширина отстойника, м; Н - высота слоя осветленной воды, м.

Время прохождения τп (сек) сточной воды отстойника составит

(5.16)

где L - длина отстойника, м.

Рис. 5.2. Схема отстойника

За это же время частицы, осаждающиеся со скоростью wос (м/с), должны пройти наибольший путь Н. Следовательно, время отстаивания определится из уравнения:

(5.17)

Следовательно

(5.18)

откуда производительность отстойника по осветленной воде составит:

Q_осв = w_ос ∙ L ∙ B = w_ос ∙ F (5.19)

где F = L ∙ B - поверхность отстойника в плане, м².

Необходимую поверхность осаждения находим с учетом скорости стесненного осаждения wст из выражения

(5.20)

или с учетом массового расхода осветленной воды Gосв (кг/с) и ее плотности ρосв (кг/м³)

(5.21)

С учетом уравнения материального баланса можно получить окончательное уравнение площади осаждения отстойника:

(5.22)

При расчете отстойника было принято допущение об отсутствии застойных зон и вихреобразования жидкости, вызванного неравномерностью осаждения частиц, что уменьшает скорость отстаивания. Поэтому в инженерных расчетах расчетно-теоретическое значение поверхности отстойника увеличивают на 30-35%.