ПРОЦЕССЫ ИНЖЕНЕРНОЙ ЗАЩИТЫ ОКРУЖАЮЩЕЙ СРЕДЫ

Отстаивание сточных вод

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

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

G = тч ■ g = ж - 'd-p4 ■ g (3.12) 6

И выталкивающей архимедовой силой, равной весу жидкости в объеме частицы

D 3

А = то ■ G = п—Ро ■ g; (3.13)

6

D3

G - А = *■ — g(Рч - Ро), (3.14)

6

Где рч - плотность твердой частицы, кг/м3.

Сила сопротивления среды по Ньютону

Л 2 2

R = ■ Р^ , (3.15)

4 2

Где % - коэффициент сопротивления водной среды, который зависит от режима осаждения.

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

4dч ■ (рч - ро)И. (3.16)

3^Ро

В ламинарном режиме осаждения при % = 24 / Re получим формулу Стокса

W = g ■dч 1(рч-р0). (3.17)

Ос і q V /

18М)

Существует и минимальный размер частиц, ниже которого наблю­даются отклонения от закона Стокса и при Re <10-4 на скорость осаждения очень мелких частиц начинает влиять тепловое движение молекул среды. В таких условиях размер dH частиц становится соизмеримым со средней длиной свободного пробега молекул среды. Расчеты показывают, что при dH « 0,1 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 диаметр d3, который опреде­ляют по объему Уч или массе GH частицы:

D3 = ijbVjn = 3J6G4 /прч. (3.18)

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 - ф) • j0 / juc, который учитывает влияние концентрации взве - шанных частиц и реологические свойства системы:

Кс = d2 • g(Рч - Р0)R/(18 j,). (3.19)

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 Ka = dф / dч, где dф -

Фиктивный диаметр частицы, эквивалентный теоретической скорости ее осаждения. Для полидисперсных систем кинетику осаждения устанавли­вают опытным путем в виде кривой (рис. 3.4 ).

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 ^вс легкой жидкости зависит от размера частиц dH, плотности всплывающих частиц рл и вязкости среды цо, т. е. от числа ReH = wec'dH'рл/цо.

В области ReH < о,25 всплывание частиц происходит по зависимости Стокса:

Wee = d2 ■ g(Ро - рп)/(18 - ц)- (3.2о)

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

WEeо = wee (3 Мл - 3Мо)/(3 Мл + 2Мо)^ (3.21)

Где цл - коэффициент динамической вязкости более легкой всплывающей жидкости.

На процесс разделения оказывает влияние турбулентность, коагуля­ция и гидродинамическое комплексообразование. При вводе сточной воды в ловушки может произойти измельчение легкой жидкости при ударе струи о поверхность, что сопровождается изменением давления. Началь­ный размер частиц поддерживается капиллярным давлением Рк = 4а/ d4 (а - коэффициент поверхностного натяжения). При ударе струи возникает ре­зультирующее давление Р1. Если Р1 > Рк, то происходит измельчение ка­пель.

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

Расчет отстойников. Отстаивание сточных вод проводят в аппара­тах, называемых отстойниками или сгустителями. Различают горизонталь­ные, радиальные, вертикальные, трубчатые, пластинчатые отстойники с наклонными перегородками.

Горизонтальные отстойники (рис. 3.5) представляют собой прямо­угольные резервуары, имеющие два или более одновременно работающих отделения. Вода движется с одного конца отстойника к другому.

Глубина отстойника равна 1,5.4 м, длина 12.48 м, ширина кори­дора 3.6 м. Горизонтальные отстойники применяют при расходе сточной воды свыше 15ооо м /сут. Эффективность отстаивания достигает 6о%.

Отстойники проектируются в расчете на осаждение самых мелких частиц, находящихся в сточной воде. Поэтому время пребывания обраба­тываемой сточной воды в аппарате должно быть больше времени осажде­ния мелких частиц или в пределе равного времени, необходимому для стесненного осаждения частицы наименьшего размера на дно аппарата с заданной высоты.

3

Очищенная

Вода

1 - Входной лоток;

2 - отстойная камера;

3 - выходной лоток;

4 - приямок.

Рис. 3.5. Схема отстойника.

3

Производительность отстойника по осветленной воде Qoce (м /с) вы­ражается уравнением

Qocв = Vw • B • H; (3.22)

Где - скорость потока сточной воды вдоль аппарата, м/с; В - ширина от­стойника, м; Н - высота слоя осветленной воды, м.

Время прохождения т (сек) сточной воды отстойника составит

L (3.23)

Tn =

Vn

Где L - длина отстойника, м.

За это же время частицы, осаждающиеся со скоростью wос (м/с), должны пройти наибольший путь Н. Следовательно, время отстаивания определится из уравнения:

H (3.24)

Wr

Следовательно

H L L • B • H

W v

Ос n

Откуда производительность отстойника по осветленной воде составит:

Qocв = wос • L • B = woc • F, (3.26)

Где F = L • B - поверхность отстойника в плане, м.

Необходимую поверхность осаждения находим с учетом скорости стесненного осаждения Жст из выражения

F = (3.27)

Wr

Ст

Или с учетом массового расхода осветленной воды G0CB (к/с) и ее плотности росв (кг/м3)

G

F =----- ^—. (3.28)

Р ■ w

Г осв ст

С учетом уравнения материального баланса можно получить оконча­тельное уравнение площади осаждения отстойника:

G

F = см

Р ■ w їх _ х

Осв ст ос осв

При расчете отстойника было принято допущение об отсутствии за­стойных зон и вихреобразования жидкости, вызванного неравномерностью осаждения частиц, что уменьшает скорость отстаивания. Поэтому в инже­нерных расчетах расчетно-теоретическое значение поверхности отстойни­ка увеличивают на 30.35%.