Отстаивание сточных вод

Гидромеханическая очистка сточных вод

Методы очистки сточных вод принято подразделять на гидромеханические, химические, биологические и физико-химические.

Гидромеханическую очистку применяют для выделения из сточных вод нерастворимых в ней минеральных и органических примесей.

Механическая очистка является, как правило, предварительным этапом и служит для подготовки сточных вод к биологическому, физико-химическому или другому методу более глубокой очистки. Механическая очистка обеспечивает выделение взвешенных веществ на 90 – 95 % и снижение органических загрязнений (по БПК) на 20 – 25 %.

Отстаивание основано на использовании различия между выталкивающей архимедовой силой и силой тяжести частиц загрязнителя. Если частицы при этом осаждаются, то процесс называется седиментацией. В некоторых случаях используется обратный процесс всплытия частиц и дальнейшего их удаления с поверхности воды.

Скорость оседания сферических частиц определяется по формуле Стокса:

,

где -ускорение силы тяжести;

-плотность частицы, кг/м³;

-плотность среды кг/м³;

- радиус частицы;

-вязкость среды.

В сточной воде частицы загрязнителей неоднородны по размерам. Более крупные частицы осаждаются быстрее, чем мелкие. Существует минимальный размер частиц, ниже которого наблюдаются отклонения от закона Стокса и 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≈1,0 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 радиус r_э, который определяют по объему V или массе G частицы:

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. Для полидисперсных систем кинетику осаждения устанавливают опытным путем в виде кривой зависимости количества q осажденных частиц от времени осаждения τ (рис. 2.3).

Рис. 2.3. Кривая осаждения полидисперсных частиц: q₁ – количество самой крупной фракции с размерами частиц от r_max до r₁; q₂ – количество фракции с размерами частиц от r₁, соответствующего τ₁, до r₂, соответствующего τ₂, и т.д.

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 легкой жидкости зависит от размера частиц, плотности всплывающих частиц и вязкости среды.

Отстаивание проводят в аппаратах, называемых отстойниками, или сгустителями. Различают аппараты периодического, полунепрерывного и непрерывного действия.

Отстойники периодического действии.

Периодически действующие отстойники (рис. 2.4) представляют собой низкие бассейны без перемешивающих устройств. Отстойник заполняют суспензией, которая остается в состоянии покоя в течение времени, необходимого для оседания твердых частиц на дно аппарата. После этого осветленную жидкость декантируют, т.е. сливают через сифонную трубу или кран, расположенный выше уровня осадка. Осадок (шлам) обычно представляет собой густую текучую массу, которую можно слить из бассейна самотеком или откачать насосом после декантации осветленной жидкости.

Рис. 2.4. Отстойник периодического действия

Размеры и форма аппаратов зависят от расхода сточных вод, концентрации, размеров, формы и плотности частиц суспензии.

Скорость отстаивания существенно зависит от температуры воды, с изменением которой изменяется вязкость жидкости.

Для отстаивания небольших количеств сточных вод используют металлические емкости цилиндрической формы с коническим или сферическим днищем, имеющие люк для откачки или выгрузки осадка и несколько кранов для слива жидкости, расположенных на различной высоте аппарата. Для отстаивания значительного количества жидкости строят бетонные бассейны.

Отстойники полунепрерывного действия

В отстойниках полунепрерывного действия жидкость поступает и удаляется непрерывно, а шлам выгружается периодически. В принципе любой отстойник периодического действия может работать в полунепрерывном режиме, если его оборудовать устройством удаления шлама без слива жидкости.

Однако существуют и специальные конструкции (рис. 2.5).

Рис. 2.5. Отстойник с наклонными перегородками

Суспензия через нижний штуцер подается в аппарат, внутренний объем которого разделен на секции наклонными перегородками, направляющими поток жидкости попеременно то вверх, то вниз. Наличие перегородок увеличивает поверхность осаждения в аппарате. Осадок собирается в конических днищах и периодически удаляется, а осветленная жидкость непрерывно отводится через верхний штуцер.

Отстойники непрерывного действия

В промышленности наибольшее распространение получили отстойники непрерывного действия, например отстойник с гребковой мешалкой (рис. 2.6).

Рис. 2.6. Отстойник непрерывного действия с гребковой мешалкой

Отстойник представляет собой невысокий цилиндрический резервуар с плоским или слегка коническим днищем и внутренним кольцевым желобом вдоль верхнего края аппарата. В резервуаре установлена мешалка, на лопастях которой находятся скребки для перемещения осадка к разгрузочному устройству в центральной части аппарата. Мешалка делает от 0,01 до 0,5 оборотов в минуту, т.е. вращается настолько медленно, что не нарушает процесса осаждения.

Суспензия непрерывно подается по центральной трубе в резервуар. Осветленная жидкость переливается в кольцевой желоб и удаляется из резервуара. Шлам в виде сгущенной суспензии с концентрацией твердой фазы от 35 до 55 % удаляется из резервуара с помощью диафрагмового насоса.

Гребковые нормализованные отстойники имеют диаметр от 1,8 до 30 м, а в некоторых производствах с большим водоотведением диаметр отстойников достигает 100 м. Работа таких отстойников полностью автоматизирована.

Отстойники этого типа характеризуются большой производительностью – до 3000 т осадка в сутки, громоздкостью, большими капитальными затратами и низкими эксплуатационными расходами.

При необходимости установки ряда отстойников с целью экономии площади их размещают один над другим, т.е. применяют многоярусные отстойники, состоящие из нескольких аппаратов, конструктивно объединенных в одном корпусе. Различают многоярусные отстойники закрытого и сбалансированного типов (рис. 2.7).

Рис. 2.7. Многоярусные отстойники закрытого (слева) и сбалансированного типов

Простейший многоярусный отстойник представляет собой несколько независимо работающих аппаратов с единым приводом для всех мешалок. Подача суспензии, слив осветленной жидкости и выгрузка шлама производятся в каждом ярусе независимо.

Многоярусные отстойники сбалансированного или уравновешенного типа, в отличие от отстойников закрытого типа, сообщаются между собой: шлам из верхнего яруса через специальный стакан самотеком поступает в слой сгущенной суспензии яруса, расположенного ниже. Суспензия через распределительное устройство подается одновременно на все ярусы.

Осветленная жидкость с каждого яруса выводится через отдельный патрубок и поступает в общий коллектор. Шлам скапливается на нижнем ярусе, откуда и удаляется.

В отстойниках закрытого типа днище каждого яруса воспринимает весь вес находящейся на этом ярусе суспензии, а у отстойников сбалансированного типа всю нагрузку воспринимает только днище нижнего яруса, что делает конструкцию в целом более легкой. Кроме того, в отстойниках закрытого типа вал мешалки между ярусами проходит через сальниковое уплотнение, работающее в тяжелом режиме и быстро изнашивающееся. В отстойниках сбалансированного типа такие уплотнения не требуются.

Помимо многоярусных отстойников большая поверхность осаждения достигается в отстойниках непрерывного действия с коническими полками (рис. 2.8).

Разделяемая суспензия подается через центральный верхний штуцер и распределяется между коническими полками (через одну), на поверхности которых происходит осаждение твердых частиц.

Осевшие частицы сползают по наклонным полкам и перемещаются вниз к штуцеру для удаления шлама. Осветленная жидкость отводится по каналам между полками и выводится из аппарата через боковой штуцер. Достоинствами этого аппарата являются небольшие габаритные размеры при высокой площади отстаивания, отсутствие движущихся частей и простота обслуживания.

Рис. 2.8. Отстойник с коническими полками

Расчет отстойников.

Отстойники проектируются в расчете на осаждение самых мелких частиц исходной суспензии. Время пребывания суспензии в аппарате должно быть не меньше времени, необходимого для стесненного осаждения частицы наименьшего размера на дно аппарата с заданной высоты.

Пусть за время t суспензия разделяется на слой осветленной жидкости высотой h и слой сгущенной суспензии (шлам). При поверхности осаждения F объем осветленной жидкости, получаемой в единицу времени:

V_осв = (hF)/t.

За это же время частицы, осаждающиеся со скоростью u_ст, пройдут путь h:

h = u_стt.

Подставляя h в предыдущее уравнение, получим:

V_осв = u_стF.

Полученное уравнение показывает, что производительность отстойника не зависит в явном виде от его высоты, а зависит только от скорости и поверхности осаждения. Поэтому отстойники имеют значительную поверхность осаждения при небольшой высоте. Обычно высота отстойников составляет 1,8 – 4 м, а для отстойников очень больших размеров – не более 7 м.

Необходимую поверхность осаждения находят из выражения:

F = V_осв/u_ст.

Это выражение не учитывает неравномерность движения жидкости по всей площади отстойника – от точки ее ввода в аппарат до сливного устройства, а также наличие застойных зон и вихреобразования в потоке жидкости. Количественно учесть влияние этих факторов на скорость осаждения на стадии теоретического расчета не представляется возможным. Поэтому в инженерных расчетах поверхность отстойника, определенную теоретически, обычно увеличивают на 30 – 35 %.

Дата добавления: 2015-05-07