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 Wo, зависящая от размеров частиц d, плотности рт твердых частиц, их формы, плотности рсв и вязкости рсв сточной воды, скорости движения воды и, условий обтекания и сопротивления среды.

(6.1)

где Re0 = lt;oadpB / дв - число Рейнольдса; Аг = lt;?рвд(рТ - pg)/pB2 - число Ар-

химеда; рв, рв - соответственно плотность и вязкость чистой воды.

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

(6.2)

(6.3)

(6.4)

Цсв Ц в (1              2,5Со),

Рсв = РвЕ + Рт (1 - е); Е = VW/(V* + VT),

где є - объемная доля жидкой фазы; \/ж и VT- объем соответственно жидкой и твердой фазы.

Для реальных условий скорость стесненного осаждения монодисперс- ных сферических частиц рассчитывают по формуле Стокса:

(6.5)

«о = d2g(pT-pB)R/18m,

где R = Рв?1 РсВ'

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.

Длину песколовки определяют по формуле:

L = kHpU/шь,

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

(6.7)

Площадь зеркала воды F (м2), глубину Нр (м) и удельную нагрузку по воде q0 (м3/м2-с) определяют из зависимостей:

(6.8)

F = Q/q0 = BL; Нр = Q/Bu; q0 = -0,43 оъ/lg (1 - Э),

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

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

(6.9)

P = (hmax-kq/3hmin)/kq/3-1;

(6.10)

где Р - перепад уровней воды между дном песколовки и порогом водослива; hmax, hmin - уровень воды, м при максимальном qmax и минимальном qmin - расходах и и = 0,3 м/с; kq = qmBJqmm\ Ьс - 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 (скорость осаждения частицы в спокойной воде) шо = 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 [2, 5, 8, 9].

Продолжительность отстаивания определяют по формуле:

где Н - глубина проточной части отстойника; п - коэффициент, учитывающий свойства взвешенных частиц (п = 0,25; 0,4; 0,6 для коагулянтов, мелкодисперсных минеральных и структурных тяжелых веществ соответственно); h - высота эталонного цилиндра; т - продолжительность осаждения.

Объем отстойной зоны V0 = QT, а поверхность осаждения F0 = QIwq.

Гидравлическую крупность определяют по зависимости:

1°0kH

Со              --Ш,              (6.12)

ат(кН / h)

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; со- 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 [3].

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 - импеллером флоат-машины. Иногда воздух вводят под избыточным давлением 0,03-0,2 МПа через сопла или фильтры. Флотация осуществляется крупными (gt;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:

GB03/G4 = 1,3Y*(fHP - 1)Qi /C4Q,

(6.13)

где Geo3) G4 - соответственно масса воздуха и твердых частиц в суспензии, г; У* - растворимость воздуха в воде при атмосферном давлении рабочей температуре, см3 /дм3; fH = 0,5-0,8 - степень насыщения; Р - давление насыщения воды воздухом, Па; Qi - количество воды, насыщенное воздухом, м3/ч; Сч - 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. 6.2. Схема установки для напорной флотационной очистки воды

с рециркуляцией

Установка с рециркуляцией (рис. 6.2) 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 нерастворившего- ся 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 р и с. 6.3. Недостатком сатураторов (рис. 6.3 а, б) является введение воздуха в насос, что снижает его производительность и КПД при увеличенном кавитационном износе. Более эффективны сатураторы (рис. 6.3 в-ж), в которых воздух вводится после насоса. Для повышения эффективности используется насадочный сатуратор с кольцами Рашига, а также распылительный и струйный сатураторы (рис. 6.3 г, е, ж).

Рис.

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

Эффективность флотационного выделения частиц определяют по формуле:

ti4gt;=vnT1(1-e-aCrV"T)/H1,              (6              14)

где Ті - время пребывания жидкости во флотаторе; Т = Ті + Т2; Т2 - время обработки до флотатора; a - число столкновений пузырьков газа с частицами на единице длины пути; Сг - объемная концентрация газовой фазы; V/7 - скорость движения пузырьков; Ні _ 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. 6.4) и многоярусные (рис. 6.5).

Рис. 6.4. Открытый гидроциклон с внутренним цилиндром и конической диафрагмой

Рис. 6.5. Многоярусный низконапорный гидроциклон

А-А

Модифицированный гидроциклон с конической диафрагмой и внутренним цилиндром (см. рис. 6.4) устраняет накопление взвешенных частиц под диафрагмой и их периодический вынос с осветленной водой.

Исходную суспензию подают тангенциально в нижнюю часть зоны, ограниченную внутренним цилиндром.

В многоярусном гидроциклоне (см. рис. 6.5), 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.

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:

q = 3,6ku0,              (6.15)

где к - коэффициент (к = 0,61; к = 1,98 для гидроциклонов без внутренних устройств и с диафрагмой соответственно); и0 - гидравлическая крупность задерживаемых частиц, мм/с.

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

Qi = 0,785qD2.              (6.16)

Геометрические размеры циклонов выбирают по рекомендациям [10]. Зная общее количество сточных вод Q06, определяют число гидроциклонов:

N = Qog/Qi.              (6.17)

Для многоярусных циклонов гидравлическую нагрузку определяют по уравнению:

D2 - (du0 + 2Ь)2

q = 3,6k Щ -UoN„ri.              (6.18)

где к = 1; с1цо - диаметр центрального отверстия в диафрагме, м; Ь - ширина шламовыводящих щелей, м; А/я - число ярусов; г\ = 0,75 - коэффициент при нагрузке q = 2-2,5 м3/(м2хч).

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 Fr (отношение скоростей движения частицы под действием центробежных сил к скорости осаждения в гравитационном поле):

Fr = vT2/gr,              (6.19)

где V7— 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 (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.

Для расчета гидроциклонов А.М. 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, 0 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 (рис. 6.6), 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: Нц = (2-3)D; dB = (0,24-0,28)D; Dc = 0,3D; dn = 0,5dc; m = 1; a = 5°; p берется минимальным.

f              'І

і

а

Рис. 6.6. Конструкции цилиндрического гидроциклона с винтовыми вставками (а), цилиндрического прямоточного гидроциклона со спиральными направляющими потока (б) и турбоциклона с вращающимся конусом (в)

1. Задают диаметр D и по указанным соотношениям определяют остальные геометрические размеры. Общую производительность гидроциклона Q0, производительность по осветленной жидкости и сгущенной суспензии Qn/Qc определяют по формулам:

(6.20)

(6.21)

(6.22)

Y* = 24 х 104(НЦ /D)°’1(dn /dc)-°'17; Qn/Qc=0,95Q-0'19(dn/dc)2’34,

где У* - условный коэффициент расхода; dB - эквивалентный диаметр винтового канала; dc - диаметр патрубка; Р0 - давление на входе в гидро- цикпон; О - диаметр гидроциклона; Нц - высота цилиндрической части; рс - плотность жидкой фазы.

2. Определяют среднюю скорость суспензии на входе в аппарат и среднее значение вертикальной скорости

(6.23)

W0 = Qo / F BX;

где vr - радиальная составляющая скорости.

3. Рассчитывают значение безразмерных параметров к, Т и 0 и определяют унос твердых частиц Sc:

Sc =7,48 (ТЄ/к)0'28              (6.25)

4. Определяют унос твердых частиц со сгущенной суспензией, %

Sn= 100 - Sc.              (6.26)

5. Определяют концентрацию частиц в продуктах разделения (в осветленной жидкости и сгущенной суспензии), кг/м3:

Со = х С0 х Sc /100 х Qc;              ^ ^

= Q0 х С0 х Sn /100 х Qn.

Если расчетное значение С§ gt; Cq , то задаются новым значением D и

проводят новый расчет, пока не выполнится условие С? s Сг0 .

6. Определяют количество гидроциклонов.

Обычно гидроциклоны устанавливают в комбинированной схеме очистки жидкостей, когда другие методы дороги или нецелесообразны, например, улавливание пыли свинцового сурика в системе вакуумного транспортирования и пылеулавливания.