Лекция 10 ГИДРОМЕХАНИЧЕСКИЕ СПОСОБЫ ОЧИСТКИ СТОЧНЫХ ВОД

Для удаления взвешенных частиц из сточных вод используют периодические и непрерывные гидромеханические процессы процеживания, гравитационного и центробежного отстаивания, фильтрования под давлением и в поле центробежных сил. Выбор способа зависит от размера частиц примесей, физико-химических свойств и концентрации взвешенных частиц, расхода сточных вод и необходимой степени очистки.

Отстаивание сточных вод

Перед более тонкой очисткой сточные воды направляют на процеживание через решетки и сита, которые устанавливают перед отстойниками с целью извлечения из них крупных примесей.

Осаждением взвешенных примесей из сточных вод называется разделение жидких неоднородных систем путем выделения из жидкой фазы твердых или жидких взвешенных частиц под действием силы тяжести или центробежной силы. Соответственно различают гравитационное отстаивание и осадительное центрифугирование.

Осаждение примесей путем отстаивания происходит под действием силы тяжести. Для проведения этого процесса используют песколовки, отстойники и осветлители. В осветлителях одновременно с отстаиванием происходит фильтрация сточных вод через слой взвешенных частиц.

Материальный баланс гидромеханической очистки сточных вод.

При отсутствии потерь веществ в процессе механического разделения сточных вод от примесей уравнения материального баланса имеют вид:

по общему количеству веществ

(10.1)

по дисперсной фазе

(10.2)

где G_СМ, G_осв, G_ос - масса исходной сточной воды, осветленной воды и получаемого осадка примесей, кг; х_см, х_осв, x_ос - ОГЛАВЛЕНИЕ примесей в исходной сточной воде, осветленной воде и осадке, масс. доли.

Совместное решение этих уравнений позволяет определить массовое количество осветленной воды и массу осадка, получаемых при заданном содержании примесей в осадке и осветленной воде:

(10.3)

(10.4)

ОГЛАВЛЕНИЕ взвешенных частиц в осветленной воде и в осадке выбирается в зависимости от конкретных технологических условий процесса разделения.

Кинетика осаждения примесей. Основным параметром, который используют при расчете выделения взвешенных примесей из сточных вод, является скорость осаждения частиц (гидравлическая крупность).

При падении частицы под действием силы тяжести сила, движущая частицу диаметром d_ч, выражается разностью между ее весом

(10.5)

и выталкивающей архимедовой силой, равной весу жидкости в объеме частицы:

(10.6)

(10.7)

где ρ_ч - плотность твердой частицы, кг/м³. Сила сопротивления среды по Ньютону

(10.8)

где ζ - коэффициент сопротивления водной среды, который зависит от режима осаждения.

Скорость осаждения можно найти из условия равенства силы, движущей частицу, и силы сопротивления водной среды:

(10.9)

В ламинарном режиме осаждения при ζ = 24/Re_ч получим формулу Стокса

(10.10)

Существует и минимальный размер частиц, ниже которого наблюдаются отклонения от закона Стокса и при Re_ч ≤ 10^-4 на скорость осаждения очень мелких частиц начинает влиять тепловое движение молекул среды. В таких условиях размер частиц становится соизмеримым со средней длиной свободного пробега молекул среды. Расчеты показывают, что при d_ч ≈ 0,1 мкм частицы не осаждаются, а наблюдается лишь хаотическое броуновское движение частиц.

Скорость осаждения частиц не шарообразной формы меньше скорости осаждения шарообразных частиц. Для нешарообразных частиц в расчетных формулах используют эквивалентный диаметр d_э который определяют по объему V_ч или массе G_ч частицы:

(10.11)

При отстаивании сточных вод наблюдается стесненное осаждение, которое сопровождается столкновением частиц, трением между ними и изменением скоростей больших и малых частиц. Скорость стесненного осаждения меньше скорости свободного осаждения вследствие возникновения восходящего потока жидкости и увеличения вязкости среды. Скорость стесненного осаждения частиц одинакового размера при ламинарном режиме можно рассчитать по формуле Стокса с поправочным коэффициентом R = (1 - φ)μ₀/μ_с, который учитывает влияние концентрации взвешенных частиц φ и реологические свойства системы (вязкость системы μ_с):

(10.12)

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. Коэффициент агломерации характеризуется соотношением К_а = d_Ф/d_ч, где d_Ф - фиктивный диаметр частицы, эквивалентный теоретической скорости ее осаждения. Для полидисперсных систем кинетику осаждения устанавливают опытным путем в виде кривой зависимости массы M осажденных частиц от времени осаждения t (рис. 10.1).

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 wBC легкой жидкости зависит от размера частиц d_ч, плотности всплывающих частиц рл и вязкости среды μ₀, т.е. от числа

В области Re_ч<0,25 всплывание частиц происходит по зависимости Стокса:

(10.13)

Движение частицы легкой фазы вверх вызывает в сточной воде вторичные потоки, тормозящие подъем. Скорость подъема с учетом торможения равна

Рис. 10.1. Кинетика осаждения полидисперсных частиц

(10.14)

где μ_л - коэффициент динамической вязкости более легкой всплывающей жидкости.

На процесс разделения оказывают влияние турбулентность, коагуляция и гидродинамическое комплексообразование.

Отношение числа отстоявшихся частиц легкой жидкости определенного размера к общему числу частиц этой жидкости называют эффектом отстаивания.