Механические методы очистки сточных вод

Методы и оборудование для очистки технической воды и промышленных стоков

При очистке сточных вод промышленных технологий применяют методы фильтрования, осаждения, флотации, коагуляции, нейтрализации и др. Перспективными являются методы, использующие процессы мембранной технологии, электрокоагуляцию, озонирование, биологическую очистку.

По содержанию примесей стоки разделяют на группы:

воды с нерастворимыми примесями частиц размером больше 10~⁵-10~⁴ мм;

воды, представляющие коллоидные растворы;

воды, содержащие растворимые органические и неорганические вещества;

4) воды, содержащие вещества, диссоциирующие на ионы. Способы очистки промышленных стоков можно классифицировать по составу фаз, дисперсному и химическому составу. Рассмотрим основные из этих методов.

Механические методы очистки промышленных стоков от грубодисперс-ных примесей включают отстаивание в гравитационном или центробежном поле, фильтрацию, флотацию, осветление во взвешенном слое осадка.

Для очистки от мелкодисперсных и коллоидных частиц, оседающих с малой скоростью, а также ПАВ используют коагуляцию и флокуляцию, обеспечивающие слипание частиц до крупных конгломератов, удаляемых затем механическим методом.

Для очистки от растворенных неорганических веществ применяют методы выпаривания, обратного осмоса, химического осаждения, электродиализа, нейтрализации.

Для очистки от растворенных органических веществ применяют биологическую очистку, адсорбцию, ионный обмен, отдувку газами, химическое осаждение, озонирование и хлорирование, обратный осмос, электрохимические методы и др.

Сильно концентрированные стоки в ряде случаев целесообразно уничтожать сжиганием, санитарным захоронением.

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 Шо, зависящая от размеров частиц d, плотности р_т твердых частиц, их формы, плотности р_св и вязкости ц_св сточной воды, скорости движения воды и, условий обтекания и сопротивления среды. Скорость осаждения Шо для ламинарных, переходных и турбулентных режимов определяют по формуле:

где Re₀ = co₀dp_Bl\x_Q - число Рейнольдса; Аг = <? р_вд^& " число Архимеда; рв, - соответственно плотность и вязкость чистой воды.

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

где е - объемная доля жидкой фазы; У_ж и V_T - объем соответственно жидкой и твердой фазы.

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

где

В горизонтальных песколовках осаждение песка близко к осаждению частиц в ламинарном режиме, и скорость его осаждения определяют по формуле Стокса.

Длину песколовки определяют по формуле:

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

Площадь зеркала воды F, глубину Н_р и удельную нагрузку по воде q_Q определяют из зависимостей:

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

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

где Р -перепад уровней воды между дном песколовки и порогом водослива; h_max, h_min - уровень воды, м при максимальном q_max и минимальном q_min - расходах и и = 0,3 м/с; k_q = q_mBJq _mm\ b_c - 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 coq = 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:

где Н - глубина проточной части отстойника; п - коэффициент, учитывающий свойства взвешенных частиц; h - высота эталонного цилиндра; т - продолжительность осаждения.

Объем отстойной зоны V₀ = QT, а поверхность осаждения F₀ = Q/wq.

Гидравлическую крупность определяют по зависимости:

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; ео-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.

Коллоидные вещества, гидратированные взвеси, мелкодисперсные вещества вследствие их малой плотности 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 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 быстро всплывающими пузырьками.

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 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:

где G_eo3, G₄ - соответственно масса воздуха и твердых частиц в суспензии, г; У* - 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; Qi -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.

Установка с рециркуляцией 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 со взвесью собирается скребком 6 в приемный бункер 5.

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

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

Эффективность флотационного выделения частиц определяют по формуле:

где Т₁ -время пребывания жидкости во флотаторе; Т = Г? + Т₂; Т₂ - время обработки до флотатора; а - число столкновений пузырьков газа с частицами на единице длины пути; С_г - объемная концентрация газовой фазы; у_п - скорость движения пузырьков; _ 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 и многоярусные.

Модифицированный гидроциклон с конической диафрагмой и внутренним цилиндром 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, состоящем из конической 1 и цилиндрической 9 частей, рабочий объем разделен коническими диафрагмами 10 на отдельные ярусы, работающие независимо друг от друга. В основе работы такого аппарата лежит принцип тонкослойного от стаивания. 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:

где к - коэффициент; и₀ - гидравлическая крупность задерживаемых частиц, мм/с.

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

Геометрические размеры циклонов выбирают по рекомендациям. Зная общее количество сточных вод Q ₀6, определяют число гидроциклонов:

Для многоярусных циклонов гидравлическую нагрузку определяют по уравнению:

где к -1; с1_цо -диаметр центрального отверстия в диафрагме, м; Ь - ширина шламовыводящих щелей, м; Л/_я - число ярусов; ц = 0,75 - коэффициент при нагрузке q = 2-2,5 м³/.

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 F_r:

где vr - 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;

размеры циклона;

производительность аппарата, зависящая от его размеров и перепада давлений в нем;

затраты энергии на создание центробежного поля, зависящие от его гидравлического сопротивления.

Для расчета гидроциклонов A.M. 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, 9 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, 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: Н_ц = D; d_B = D; D_c = 0,3D; d_n = 0,5d_c; m = 1; a = 5°; p берется минимальным.

1. Задают диаметр D и по указанным соотношениям определяют ос-
тальные геометрические размеры. Общую производительность гидроци-
клона Q₀, производительность по осветленной жидкости и сгущенной сус-
пензии Q_n/Q_c определяют по формулам:

где У* - условный коэффициент расхода; d_B -эквивалентный диаметр винтового канала; d_c - диаметр патрубка; Р₀ - давление на входе в гидроциклон; О - диаметр гидроциклона; Н_ц - высота цилиндрической части; р_с - плотность жидкой фазы.

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

где v_r - радиальная составляющая скорости.

3. Рассчитывают значение безразмерных параметров X, Т и 8 и определяют унос твердых частиц S_c:

4. Определяют унос твердых частиц со сгущенной суспензией, %

5. Определяют концентрацию частиц в продуктах разделения, кг/м³:

Если расчетное значение С§ > C^r_Q, то задаются новым значением D и

проводят новый расчет, пока не выполнится условие СЈ s С^г₀. 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.

Дата добавления: 2013-12-13