Процеживание и отстаивание

ГЛАВА 7 УДАЛЕНИЕ ВЗВЕШЕННЫХ ЧАСТИЦ ИЗ СТОЧНЫХ ВОД

Промышленные и бытовые сточные воды содержат взвешенные частицы растворимых и нерастворимых веществ. Взвешенные примеси подразделяются на твердые и жидкие, образуют с водой дисперсную систему. В зависимости от размера частиц дисперсные системы делят на три группы: 1) грубодисперсные системы с частицами размером более 0, 1 мкм (суспензии и эмульсии); 2) коллоидные системы с частицами размером от 0, 1 мкм—1 нм; 3) истинные растворы, имеющие частицы, размеры которых соответствуют размерам отдельных молекул или ионов.

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

ПРОЦЕЖИВАНИЕ И ОТСТАИВАНИЕ

Процеживание. Перед более тонкой очисткой сточные воды процеживают через решетки и сита, которые устанавливают перед отстойниками с целью извлечения из них крупных примесей, которые могут засорить трубы и каналы.

Решетки могут быть неподвижными, подвижными, а также совмещенными с дробилками (комминуторы). Наибольшее распространение имеют неподвижные решетки. Решетки изготовляют из металлических стержней и устанавливают на пути движения стопных вод под углом 60—75°. Стержни могут иметь круглое или прямоугольное сечение. Стержни с круглым сечением имеют меньшее сопротивление, но быстрей засоряются, поэтому чаще используют прямоугольные стержни, закругленные со стороны входа воды в решетку. Решетки очищают граблями, которые могут быть установлены по-разному (рис. II-4).

Рис. II-4. Виды (а—в) решеток с граблями для очистки:

1 — решетка; 2 — бесконечная цепь; 3 — грабли

Ширина прозоров в решетке равна 16—19 мм. Скорость сточной воды между стержнями принимается равной 0, 8—1 м/с.

Потери напора h_p в решетке определяют по формуле:

(II.8, II.9)

где w — скорость движения воды в канале перед решеткой, м/с; Р — коэффициент, учитывающий увеличение потерь напора вследствие засорения решетки (принимают Р=3); x — коэффициент местного сопротивления решетки; g — ускорение свободного падения, м/с²; l — угол наклона решетки, град; S - толщина стержня, м; b — ширина прозоров между стержнями, м; b — коэффициент (для прямоугольных стержней равен 2, 42, для закругленных - 1, 83 и для круглых— 1, 79).

Снятые с решеток загрязнения направляют на переработку. Для измельчения отходов используют дробилки. Расход энергии на работу механизированных граблей, транспортеров и дробилок составляет около 1 кВт на 1000 м³ сточных вод.

Решетки-дробилки представляют собой агрегат, совмещающий функции решетки и дробилки. Дробилки измельчают отходы, не извлекая их из воды.

Для удаления более мелких взвешенных веществ, а также ценных продуктов, применяют сита, которые могут быть двух типов: барабанные или дисковые. Сито барабанного типа представляет собой сетчатый барабан с отверстиями 0, 5—1 мм. При вращении барабана сточная вода фильтруется через его внешнюю или внутреннюю поверхность в зависимости от подвода воды снаружи или внутрь. Задерживаемые примеси смываются с сетки водой и отводятся в желоб. Производительность сита зависит от диаметра барабана и его длины, а также от свойств примесей. Сита применяют в текстильной, целлюлозно-бумажной и кожевенной промышленностях.

Для разделения взвешенных частиц на фракции могут быть использованы фракционаторы, основной частью которых является вертикальная сетка, разделяющая емкость на две части (рис. II-5). Диаметр отверстий сетки 60—100 мкм. Сточная вода через сопло поступает внутрь фракционатора и делится на грубую и тонкую фракции. При разделении 50—80% взвешенных частиц остается в грубой фракции.

Отстаивание. Отстаивание применяют для осаждения из сточных вод грубодисперсных примесей. Осаждение 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.

Как правило, сточные воды содержат взвешенные частицы различной формы и размера. Такие воды представляют собой полидисперсные гетерогенные агрегативно-неустойчивые системы. В процессе осаждения размер, плотность и форма частиц, а так- же физические свойства системы изменяются. Кроме того, при слиянии различных по химическому составу сточных вод могут образовываться твердые вещества, в том числе и коагулянты. Эти явления также оказывают влияние на форму и размеры частиц. Все это усложняет установление действительных закономерностей процесса осаждения.

Рис. II-5. Фракционатор:

I — корпус; 2 — сопло; 3 — сетка

Свойства сточных вод, естественно, отличаются от свойств чистой воды. Они имеют более высокую плотность и вязкость. Вязкость и плотность сточных вод, содержащих только взвешенные твердые частицы, равна

(II.10, II.11)

Объемная доля жидкой фазы вычисляется по соотношению

Здесь m_c и m₀ —динамическая вязкость сточной воды и чистой воды, Па*с; C₀ —объемная концентрация взвешенных частиц, кг/м³; r и r_тв — плотность соответственно чистой воды и твердых частиц, кг/м³; e — объемная доля жидкой фазы; V_ж и V_тв - объем жидкой и твердой фаз в сточной воде, м³.

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

Для ламинарного, переходного и турбулентного режимов скорость свободного осаждения шарообразных частиц вычисляют по формуле

(II.12)

где — число Рейнольдса; —число Архимеда; d — диаметр частицы. Для шарообразных частиц в формулы подставляют эквивалентный диаметр частиц (где V_ч — объем частицы).

При отстаивании сточных вод наблюдается стесненное осаждение, которое сопровождается столкновением частиц, трением между ними и изменением скоростей как больших, так и малых частиц. Скорость стесненного осаждения меньше скорости осаждения свободного, вследствие возникновения восходящего потока жидкости и большей вязкости среды.

Рис. II, 6. Кинетика процесса осаждения

Скорость стесненного осаждения шарообразных частиц одинакового размера можно рассчитать при ламинарном режиме по формуле Стокса с поправочным коэффициентом, который учитывает влияние концентрации взвешенных частиц и реологические свойства системы:

(II.3)

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, а также от соотношения частиц различного диаметра и вязкости среды.

Коэффициент агломерации характеризуется отношением Ка= =d_ф/d_о, где d_ф —фиктивный диаметр частицы, эквивалентный теоретической скорости ее осаждения. Для полидисперсных систем кинетику осаждения устанавливают опытным путем. Она характеризуется кривой, показанной на рис. II-6.

При периодическом процессе осаждения взвешенные частицы в отстойнике распределяются неравномерно по высоте слоя сточных вод. Через какой-то промежуток времени после начала отстаивания в верхней части отстойника появляется осветленный слой жидкости. Чем ближе к дну отстойника, тем больше концентрация взвешенных частиц в сточной воде, а у самого дна образуется слой осадка. Во времени высота слоя осветленной жидкости и высота слоя осадка возрастают за счет промежуточных слоев. Через определенный промежуток времени в отстойнике будут находиться только слой осветленной жидкости и слой осадка. В дальнейшем, если осадок не удалить, он будет уплотняться с уменьшением высоты. При непрерывном отстаивании наблюдаются те же зоны, но высота их не меняется в ходе процесса.

Песколовки. Их применяют для предварительного выделения минеральных и органических загрязнений (0, 2—0, 25 мм) из сточных вод. Горизонтальные песколовки представляют собой резервуары с треугольным или трапецеидальным поперечным сечением. Глубина песколовок 0, 25—1 м. Скорость движения воды в них не превышает 0, 3 м/с. Разновидностью горизонтальных песколовок являются песколовки с круговым движением воды в виде круглого резервуара конической формы с периферийным лотком для протекания сточной воды. Осадок собирается в коническом днище, откуда его направляют на переработку или в отвал. Применяются при расходах до 7000 м³/сут. Вертикальные канальные песколовки имеют прямоугольную или круглую форму, в них сточные воды движутся с вертикальным восходящим потоком со скоростью 0, 05 м/с.

Конструкцию песколовки выбирают в зависимости от количества сточных вод, концентрации взвешенных веществ. Наиболее часто используют горизонтальные песколовки.

Горизонтальные отстойники. Они представляют собой прямоугольные резервуары, имеющие два или более одновременно работающих отделения (рис. II-7, а). Вода движется с одного конца отстойника к другому.

Глубина отстойников равна H=1, 5—4 м, длина 8—12 Н, а ширина коридора 3—6 м. Равномерное распределение сточной воды достигается при помощи поперечного лотка. Горизонтальные отстойники рекомендуется применять при расходах сточных вод свыше 15000 м^з/cyт. Эффективность отстаивания достигает 0%.

В отстойнике каждая частица движется с потоком воды со скоростью v и под действием силы тяжести вниз — w_ос. Таким образом, скорость перемешивания каждой частицы будет представлять равнодействующую двух этих скоростей. В отстойнике успеют осесть только те частицы, траектория которых пересекает дно отстойника в пределах его длины. Горизонтальную скорость движения воды в отстойнике принимают не более 0, 01 м/с. Продолжительность отстаивания — 1—3 ч.

Схема вертикального отстойника одной из конструкций показана на рис. II-7, б. Отстойник представляет собой цилиндрический (или квадратный в плане) резервуар с коническим днищем. Сточную воду подводят по центральной трубе. После поступления внутрь отстойника вода движется снизу вверх к желобу. Для лучшего ее распределения и предотвращения образования мути трубу делают с раструбом и распределительнымщитом. Таким образом, осаждение происходит в восходящем потоке, скорость которого равна 0, 5—0, 6 м/с. Высота зоны осаждения—4--5 м. Каждая частица движется с водой вверх со скоростью v и под действием силы тяжести вниз w_ос. Поэтому различные частицы будут занимать различное положение в отстойнике. При w_ос > v будут быстро оседать, при w_ос < v уноситься вверх. Эффективность осаждения вертикальных отстойников ниже на 10—20%, чем в горизонтальных.

Радиальные отстойники. Они представляют собой круглые в плане резервуары (рис. II-7, в). Вода в них движется от центра к периферии. При этом минимальная скорость наблюдается у периферии. Такие отстойники применяют при расходах сточных вод свыше 20 000 м³/сут. Глубина проточной части отстойника 1, 5—5 м, а отношение диаметра к глубине от 6 до 30. Обычно используют отстойники диаметром 16—60 м. Эффективность осаждения их составляет 60%.

Повысить эффективность отстаивания можно путем увеличения скорости осаждения, увеличив размеры частиц коагуляцией и флокуляцией или уменьшив вязкость сточной воды путем нагревания. Кроме того, можно увеличить площадь отстаивания и проводить процесс осаждения в тонком слое жидкости. В последнем случае используют трубчатые и пластинчатые отстойники. При малой глубине отстаивания процесс протекает за короткое время (4—10 мин), что позволяет уменьшить размеры отстойников.

Рабочими элементами трубчатых отстойников являются трубки диаметром 25—50 мм и длиной 0, 6—1 м. Трубки можно устанавливать с малым (до 5°) и большим (45—60°) наклоном. Трубчатый отстойник с небольшим наклоном (рис. II-7, г) работает периодически.

Сначала проводят отстаивание, затем промывку трубок от осадка. Для успешного проведения процесса необходимо равномерное распределение воды по трубкам и ламинарный режим движения. Такие отстойники используют для осветления сточных вод с небольшим содержанием взвешенных частиц при расходах 100—10000 м³/сут. Гидравлическая нагрузка у отстойников 6—10 м³/ч на 1 м² входного сечения трубок. Эффективность очистки 80—85%.

Рис. II-7. Отстойники:

а — горизонтальный: 1 — входной лоток; 2 — отстойная камера; 3 - выходной лоток; 4 - приямок; б—вертикальный: 1—цилиндрическая часть; 2 — центральная труба; 3—Желоб; 4— коническая часть; в — радиальный: 1 — корпус; 2 — желоб: 3 — распределительное устройство; 4 — успокоительная камера; 5 — скребковый механизм; г — трубчатый;

д — с наклонными пластинами: 1 — корпус: 2 — пластины; 3 — шламоприемник

Рис. II-8. Блок осветлителя:

1 — осветлитель; 2 — желоб; 3 — осадкоуплотнитель

В трубчатых отстойниках с большим наклоном вода проходит снизу вверх, а осадок непрерывно сползает по дну трубок в шламовое пространство. Непрерывное удаление осадка исключает необходимость промывки трубок. Отстойники этого типа могут быть изготовлены из пластмассовых блоков, которые устанавливают в корпусах обычных отстойников. Гидравлическая нагрузка отстойников с большим наклоном труб от 2, 4 до 7, 2 м³/ч на 1 м² входного сечения труб.

Пластинчатые отстойники. Они имеют в корпусе ряд параллельно установленных наклонных пластин (рис. II-7, д). Вода движется между пластинами, а осадок сползает вниз, в шламоприемник. Могут быть прямоточные отстойники, в которых направление движения воды и осадка совпадают;

противоточные — вода и осадок движутся навстречу друг другу;

перекрестные, в которых вода движется перпендикулярно движению осадка. Наиболее распространены противоточные отстойники.

Осветлители. Их применяют для очистки природных вод и для предварительного осветления сточных вод некоторых производств. Используют, з частности, осветлители с взвешенным слоем осадка, через который пропускают воду, предварительно обработанную коагулянтом.

Принципиальная схема осветлителе показана на рис. II-8. Воду с коагулянтом подают в нижнюю часть осветлителя. Хлопья коагулянта и увлекаемые им частицы взвеси поднимаются восходящим потоком воды до тех пор, пока скорость выпадения их не станет равной скорости восходящего потока—сечение I—I. Выше этого сечения образуется слой взвешенного осадка, через который фильтруется осветленная вода. При этом наблюдается процесс прилипания частиц взвеси к хлопьям коагулянта. Осадок удаляется в осадкоуплотнитель, а осветленная вода поступает в желоб, из которого ее направляют на дальнейшую очистку.

Образование и уплотнение осадка в осадкоуплотнителе происходит в условиях непрерывного поступления взвеси. При этом протекают следующие процессы: 1) стесненное осаждение частиц, образование сплошной пространственной структуры из этих частиц с постепенным уменьшением се объема в результате сжатия пустот между частицами; 2) уплотнение хлопьевидных частиц осадка, сопровождающееся удалением воды, заключенной в ячейках хлопьев; 3) сжатие хлопьев. Третий процесс протекает медленнее двух других и поэтому лимитирует процесс уплотнения осадка в целом.

Закономерности стесненного осаждения для хлопьевидных и не хлопьевидных частиц весьма близки между собой. В пределах объемных концентраций взвеси от 0 до 0, 2 для приближенных расчетов скорости осаждения можно принять формулу. Отношение скорости стесненного осаждения к скорости свободного осаждения частиц равно

(11.14) 11.15)

где x_O и x_C - коэффициенты сопротивления частицы соответственно при свободном и стесненном осаждении.

Рис. 11-9. Зависимость потери напора от скорости восходящего потока воды в осветлителе

Зависимость гидравлического сопротивления слоя от скоро­сти стесненного осаждения показана на рис. 11-9, Участок I характеризует потери напора в неподвижном слое, а участок II— во взвешенном слое. Работу осветлителей при очистке сточных вод с малым содержанием взвешенных частиц можно интенсифицировать повышением концентрации твердой фазы (например, добавлением глины) или рециркуляцией осадка осветлителя. Второй путь более экономичен.

Конструкции осветлителей весьма разнообразны и отлича­ются по следующим признакам: 1) по форме рабочей камеры;

2) по наличию или отсутствию дырчатого днища под слоем взвешенного осадка; 3) по способу удаления избыточного осад­ка; 4) по конструкции и месту расположения осадкоуплотнителе.

Для интенсификации процесса первичного отстаивания трудно оседающих веществ на станциях биологической очистки при­меняют отстойники-осветлители с естественной аэрацией, кото­рые представляют собой вертикальные отстойники с внутренней камерой флокуляции.

Сточная вода через центральную трубу поступает в камеру флокуляции, где происходит частичное окисление органических веществ аэрируемым воздухом, хлопьеобразование и сорбция загрязнений. Затем сточная вода поступает в отстойную зону. При прохождении через слой взвешенного осадка из нее удаляют мелкодисперсные взвешенные частицы. Объем камеры флокуляции обеспечивает 20-минутное пребывание в ней воды. Степень очистки от взвешенных частиц достигает 70%.