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 ω₀, зависящая от размеров частиц d, плотности ρ_т твердых частиц, их формы, плотности ρ_св и вязкости μ_св сточной воды, скорости движения воды υ, условий обтекания и сопротивления среды. Скорость осаждения ω₀ для ламинарных, переходных и турбулентных режимов определяют по формуле:

, (1)

где - число Рейнольдса; - число Архимеда; ρ_в, μ_в - соответственно плотность и вязкость чистой воды.

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

μ_св = μ_в (1+2,5 С₀); (2)

ρ_св = ρ_вε + ρ_т (1‑ ε); (3)

ε = V_ж /(V_ж + V_т), (4)

где ε - объемная доля жидкой фазы;

V_ж и V_т - объем соответственно жидкой и твердой фазы.

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

ω_о = d²g(ρ_т - ρ_в)R/ 18 μ_в, (5)

где R = μ^вε/μ_св.

В горизонтальных песколовках (прямоугольных резервуарах с прямолинейным движением воды) осаждение песка близко к осаждению частиц в ламинарном режиме, и скорость его осаждения определяют по формуле Стокса.

Помимо этого по формулам определяют длину песколовки, Площадь зеркала воды F (м²), глубину Н_р (м) и удельную нагрузку по воде, размеры водослива, через который происходит выход сточной воды. Скорость движения воды при диаметре частиц 0,2-0,3 мм принимается 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 v = 0,08-0,12 м/с, В/Н = 1-1,5, общей глубине 0,7-3,5 м, гидравлической крупности песка (скорость осаждения частицы в спокойной воде) ω_о = 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:

Т = τ(Н/h)ⁿ, (6)

где Н - глубина проточной части отстойника;

n - коэффициент, учитывающий свойства взвешенных частиц (n = 0,25; 0,4; 0,6 для коагулянтов, мелкодисперсных минеральных и структурных тяжелых веществ соответственно);

h - высота эталонного цилиндра;

τ - продолжительность осаждения.

Объем отстойной зоны V_o = QT, а поверхность осаждения F_o = Q/ω_о.

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

Коллоидные вещества, гидратированные взвеси, мелкодисперсные вещества вследствие их малой плотности (соизмеримой с водой) 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 (меньше 1%) примесей.

Пузырьки воздуха размером 10-100 мкм, выделяющиеся из воды, пересыщенной растворенным в ней воздухом, захватывают взвесь частиц. Воздух диспергируется турбиной. Иногда воздух вводят под избыточным давлением 0,03-0,2 МПа через сопла или фильтры. Флотация осуществляется крупными (>1000 мкм) быстро всплывающими пузырьками (при расходе воздуха 0,3-5 м³/м³ воды). 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 (автофлотация) 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:

G_воз/G_ч = Y*(f_HP - 1)Q₁/C_чQ, (7)

где G_воз, G_ч - соответственно масса воздуха и твердых частиц в суспензии, г;

Y* - 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;

Q₁ - 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.

Рис. 2 Схема установки для напорной флотационной очистки воды с рециркуляцией

Установка с рециркуляцией (рис. 2) 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 нерастворившегося воздуха. Насыщенная вода после снижения давления в дросселирующем устройстве 11 становится пересыщенной и поступает во флотатор. Тонкий слой пены (10-15 см) со взвесью собирается скребком 6 в приемный бункер 5.

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

Рис. 6.3. Схемы сатураторов: а - барботажный, б - эрлифтный, в - механического перемешивания, г - с кольцами Рашига, д - с эжекторной рециркуляцией воздуха, е - распылительный; ж- струйный.

При расчете напорной флотации с сатурацией необходимо учитывать, что выделение пузырьков газа из воды происходит на частице. Эффективность флотационного выделения частиц определяют по формуле:

Η_ф = v_пТ₁(1 - е^-αСгvпТ)/Н₁, (8)

где T₁ - время пребывания жидкости во флотаторе;

Т = T₁ + Т₂; Т₂ - время обработки до флотатора;

α - число столкновений пузырьков газа с частицами на единице длины пути;

С_г - объемная концентрация газовой фазы;

v_п - скорость движения пузырьков;

Н₁ - 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 (рис. 4) и многоярусные (рис. 5).}

Рис. 4 Открытый гидроциклон Рис. 5 Многоярусный низконапорный

с внутренним цилиндром и гидроциклон

конической диафрагмой

Модифицированный гидроциклон с конической диафрагмой и внутренним цилиндром (см. рис. 4) 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 (см. рис. 5), состоящем из конической 1 и цилиндрической 9 частей, рабочий объем разделен коническими диафрагмами 10 на отдельные ярусы (зоны), работающие независимо друг от друга. В основе работы такого аппарата лежит принцип тонкослойного отстаивания. 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.

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. 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 (гидравлическая крупность отделяемых частиц); размеры циклона (диаметр и геометрические соотношения между элементами аппарата); производительность аппарата, зависящая от его размеров и перепада давлений в нем (расходные характеристики); затраты энергии на создание центробежного поля, зависящие от его гидравлического сопротивления.

Основные характеристики гидроциклона и характеристики разделения Рассчитывают используя кривые зависимостей абсолютной величины уноса и количественного содержания отдельных фракций в осветленном и сгущенном потоках при различных значениях параметров конструкций гидроциклонов (рис. 6).

а б в

Рис. 6 Конструкции цилиндрического гидроциклона с винтовыми вставками (а), цилиндрического прямоточного гидроциклона со спиральными направляющими потока (б) и турбоциклона с вращающимся конусом (в)

Обычно гидроциклоны устанавливают в комбинированной схеме очистки жидкостей, когда другие методы дороги или нецелесообразны.

Не нашли, что искали? Воспользуйтесь поиском: