Штриплинг Л.О., Туренко Ф.П. Основы очистки сточных вод и переработки твердых отходов

Подождите немного. Документ загружается.

Однако для некоторых производств требуется вода с меньшим содержанием

взвешенных веществ, чем содержание, обеспечиваемое механической очисткой,

поэтому необходима дополнительная физико-химическая и биологическая очист-

ка. При повторном использовании биологически очищенной сточной воды в со-

ответствии с санитарными нормами требуется применять хлорирование.

Осадок на обработку

и утилизацию

Сточная вода

Приемная камера

Решетки механические с

отдельными дробилками

или решетки-дробилки

Песколовки

Водоизмерительное

устройство

(лоток Вентури)

Насосная станция

Барабанные сетки и песча-

ные фильтры

(или каркасно-засыпные

фильтры)

Отстойники или

отстойники-осветлители

Усреднители

Рис. 1.2. Схема механической очистки сточных вод:

1 – с дроблением отходов и отводом их в канализацию,

2 – с вывозом отходов в контейнерах на обезвреживание

Отходы

Песок на обезвоживание

и утилизацию

Вода на доочистку

и повторное использование

Вода

Воздух

Вода

от про

мывки

фильтров

Вода +воздух на

промывку

4.1. Процеживание

Процеживание предназначено для выделения из сточных вод крупных не-

растворимых примесей размером до 25 мм, а также более мелких волокнистых

загрязнений, которые в процессе дальнейшей обработки стоков препятствуют

нормальной работе очистного оборудования. Процеживание сточных вод осу-

ществляется пропусканием воды через решетки и волокноуловители.

Решетки могут быть неподвижными, подвижными, а также совмещенными с дро-

билками (комминуторы). Наибольшее распространение имеют неподвижные решетки.

Решетки, изготовленные из металлических стержней с зазором между ними 5 – 25 мм,

устанавливают в коллекторах сточных вод вертикально или под углом 60 – 70° к гори-

зонту. Стержни могут иметь круглое или прямоугольное сечение. Стержни с круглым

сечением имеют меньшее сопротивление, но быстрей засоряются, поэтому чаще ис-

пользуют прямоугольные стержни, закругленные со стороны входа воды в решетку.

Решетки очищают граблями, которые могут быть установлены по-разному (рис. 1.3)

Размеры поперечного сечения решеток выбирают из условия минимальных

потерь давления потока на решетке. Скорость сточной воды в зазоре между

стержнями решетки не должна превышать значений 0,8 – 1,0 м/с при максималь-

ном расходе сточных вод. Расчет решеток сводится к определению числа зазоров

п, ширины решетки В и потерь напора



сточной воды на ней по формулам





1,05 ,

V П

n Q bHw

 

 

где

– объемный расход сточной воды; b – ширина прозоров между стержнями;

H – глубина коллектора; w

– скорость движения сточной воды в прозорах;

( 1),

B bn n

   

где



– толщина стержня;

в) б) а)

Рис. 1.3. Виды решеток с граблями для очистки:

1 – решетка, 2 – бесконечная цепь, 3 – грабли

p k w    ,

где w – скорость в канале перед решеткой (w = 0,7–0,8 м/с); k – коэффициент, учи-

тывающий увеличение сопротивления решетки в процессе осаждения в ее зазорах

примесей сточных вод, принимается равным 2–З; ξ – коэффициент местного со-

противления решеток;

4 3

( / ) sin

    

; β – коэффициент, характеризующий

форму поперечного сечения стержней решетки: для круглых стержней β = 1,79;

прямоугольных – 2,42; овальных – 1,83; α – угол наклона решетки к горизонту.

При эксплуатации решетки должны непрерывно очищаться, что обычно осу-

ществляется механически, и лишь при задержании примесей в количествах менее

0,0042 м

/ч допускается ручная очистка. Примеси, снятые с решеток, измельчают

на специальных дробилках и сбрасывают в поток сточной воды за решеткой или

направляют на переработку. Однако эта процедура усложняет технологическую

схему очистки сточных вод и ухудшает качество воздушной среды в помещениях

очистных станций. Для устранения этих недостатков применяют решетки-

дробилки, измельчающие задержанные примеси, не извлекая их из воды. Средний

размер измельченных ими примесей не превышает 10 мм.

Наибольшее применение получили решетки следующих типов: решетки меха-

нические унифицированные типа РМУ и с механическими граблями типа МГ, пред-

назначенные для извлечения из сточных вод крупных загрязнений с механизиро-

ванной выгрузкой их непосредственно в контейнер или на транспортирующее

устройство к дробилкам; комбинированные решетки-дробилки типов РД и КРД.

4.2. 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 од-

новременно с отстаиванием происходит фильтрация сточных вод через слой

взвешенных частиц.

Обычно сточные воды содержат взвешенные частицы различной формы и

размера. Такие воды представляют собой полидисперсные гетерогенные агрега-

тивно-неустойчивые системы. В процессе осаждения размер, плотность и фор-

ма частиц, а также 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 действи-

тельных закономерностей процесса осаждения.

Свойства сточных вод отличаются от свойств чистой воды. Они имеют бо-

лее высокую плотность и вязкость. Вязкость и плотность сточных вод, содер-

жащих только взвешенные твердые частицы, равна

0 0

(1 2,5 ),

   

(1 ).

с ТВ

      

Объемная доля жидкой фазы вычисляется по соотношению

/( ).

ж ж ТВ

V V V

  

где



– динамическая вязкость сточной и чистой воды, Па·с; с

–объемная

концентрация взвешенных частиц, кг/м

;



ТВ



– плотность соответственно чи-

стой воды и твердых частиц, кг/м

;



– объемная доля жидкой фазы; V

и V

ТВ

– объем жидкой и твердой фаз в сточной воде, м

Основным параметром, который используют при расчете отстойников, явля-

ется w

ос

– скорость осаждения частиц.

Для ламинарного, переходного и турбулентного режимов скорость свобод-

ного осаждения шарообразных частиц вычисляют по формуле

Re ,

(18 0,6 )





где

0 0

Re /

w d

  

– число Рейнольдса;

3 2 2

( )

ТВ

Ar d g

      

– число Архиме-

да; d – диаметр частицы.

Для шарообразных частиц в формулы подставляют эквивалентный диа-

метр частиц

э ч

d V

 

, где V

– объем частицы.

При отстаивании сточных вод наблюдается стесненное осаждение, которое

сопровождается столкновением частиц, трением между ними и изменением ско-

ростей как больших, так и малых частиц. Скорость стесненного осаждения

меньше скорости осаждения свободного, вследствие возникновения восходяще-

го потока жидкости и большей вязкости среды.

Скорость стесненного осаждения шарообразных частиц одинакового размера

можно рассчитать при ламинарном режиме по формуле Стокса с поправочным

коэффициентом, учитывающим влияние концентрации взвешенных частиц и рео-

логические свойства системы:

( ) /18 ,

oc ТВ

w d g R

    

/ .

  

Скорость осаждения полидисперсной системы непрерывно изменяется во вре-

мени. 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 К

= d

, где d

–

фиктивный диаметр частицы, эквивалентный теоретической скорости ее осаждения.

Для полидисперсных систем кинетику осажде-

ния устанавливают опытным путем. Она харак-

теризуется кривой, показанной на рис. 1.4.

При периодическом процессе осаждения

взвешенные частицы в отстойнике распределя-

ются 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 концен-

трация взвешенных частиц в сточной воде, а у

М, %

1 2 3

τ, ч

Рис. 1.4. Кинетика процесса

осаждения

самого дна образуется слой осадка. Во времени высота слоя осветленной жидкости

и высота слоя осадка возрастают за счет промежуточных слоев. Через определен-

ный промежуток времени в отстойнике будут находиться только слой осветленной

жидкости и слой осадка. В дальнейшем, если осадок не удалить, он будет уплот-

няться с уменьшением высоты.

Песколовки

Песколовки применяют для выделения минеральных частиц, размером свыше

0,2 – 0,25 мм из сточных вод. В зависимости от направления движения сточной

воды песколовки делят на горизонтальные с прямолинейным и круговым движе-

нием воды, вертикальные и аэрируемые песколовки.

Конструкцию песколовки выбирают в зависимости от количества сточных

вод, концентрации взвешенных веществ. Наиболее часто используют горизон-

тальные песколовки.

Горизонтальные песколовки представляют собой резервуары с треугольным

или трапецеидальным поперечным сечением. Глубина песколовок 0,25 – 1 м. Ско-

рость движения воды в них не превышает 0,3 м/с.

На рис. 1.5. представ-

лена схема горизонтальной

песколовки с прямолиней-

ным движением сточной

воды, поступающей в пес-

коловку (2) через входной

патрубок (1). Оседающие в

процессе движения воды

твердые частицы скапли-

ваются в шламосборнике

(3) и на дне песколовки, а

очищенная сточная вода

через выходной патрубок 4

направляется для даль-

нейшей обработки.

Глубину h

выбирают из условия

1 0

ПР

h w

 

где

ПР



– время движения воды в песколовке, составляет обычно 30...100 с.

Длину песколовки определяют по формуле

L k h

  ,

где w = 0,15...0,3 м/с – скорость движения воды в песколовке; k = 1,3…1,7–

коэффициент, учитывающий влияние турбулентности и неравномерности скоро-

стей движения сточной воды в песколовке.

Ширину В песколовки определяют с учетом реализации заданного расхода сточ-

ных вод (Q):

h w n



 

Рис. 1.5. Схема горизонтальной песколовки:

1, 4 – входной и выходной патрубки;

2 – песколовка; 3 – шламосбоник

где п – число секций в песколовке.

Разновидностью горизонтальных песколовок являются песколовки с круго-

вым движением воды в виде круглого резервуара конической формы с перифе-

рийным лотком для протекания сточной воды (рис. 1.6.). Горизонтальные пес-

коловки с круговым движением сточной воды предназначаются для удаления

песка из производственных сточных вод, имеющих нейтральную или слабоще-

лочную реакцию.

Сточная вода подводится к песколовкам и отводится от них лотками. Подво-

дящий лоток располагается в насыпи высотой до 5 м.

Для выключения песколовок из работы на подводящих и отводящих лотках в

распределительной камере устанавливают затворы. Осадок из песколовок удаля-

ют гидроэлеваторами. Подача рабочей жидкости к гидроэлеватору и отвод пуль-

пы осуществляются самостоятельными напорными трубопроводами через камеру

переключения, оборудованную задвижками.

Аэрируемые песколовки (рис. 1.7.) применяются для выделения содержа-

щихся в сточной воде минеральных частиц размером 13 – 18 мм/с. Скорость дви-

жения сточных вод составляет 0,08 – 0,12 м/с при максимальном притоке. Рас-

четная пропускная способность аэрируемой песколовки шириной 4,5 м на три от-

деления составляет 200 – 240 тыс. м

/сут сточных вод. Подвод сточной воды к пе-

сколовкам и отвод ее осуществляются открытыми лотками. Для системы аэрации

используется воздух от насосно-воздуходувной станции.

Рис. 1.6. Горизонтальные песколовки с круговым движением сточных вод

2 3

Рис. 1.7. Схема аэрируемой песколовки

1 – входная труба, 2 – воздуховод, 3 – воздухораспределители, 4 –

выходная

труба, 5 – шламосборник, 6 – отверстие для удаления шлама

Осадок смывается в бункер песколовки гидромеханической системой, вклю-

чающей продольный лоток и трубопроводы со спрысками; осадок из бункера

удаляется с помощью гидроэлеватора.

Крупные фракции осаждаются, как и в горизонтальных песколовках. Мелкие

частицы, обволакиваясь пузырьками воздуха, всплывают наверх и с помощью

скребковых механизмов удаляются с поверхности.

Длина аэрируемых песколовок вычисляется по формуле

L w H w



Время пребывания сточной воды в песколовке составляет 30...90 с,

= 0,1...0,2 м/с, удельный расход аэрируемого воздуха 0,00083...0,0014 м

/(м

·с).

Вертикальные песколовки имеют прямоугольную или круглую форму, в них

сточные воды движутся с вертикальным восходящим потоком со скоростью 0,05 м/с.

Расчет вертикальных песколовок заключается в определении требуемой ее

глубины

ПР у

H w

 

в предположении w

, где w

= 0,03...0,04 м/с – вертикаль-

ная составляющая скорости движения воды; время пребывания сточной воды в

песколовке для практических расчетов принимают 120 с.

Отстойники

Отстойники используют для выделения из сточных вод твердых частиц раз-

мером менее 0,25 мм. По направлению движения сточной воды в отстойниках их

делят на горизонтальные, вертикальные, радиальные и комбинированные.

Горизонтальные отстойники. Они представляют собой прямоугольные ре-

зервуары, имеющие два или более одновременно работающих отделения. Вода

движется с одного конца отстойника к другому. Глубина отстойников (Н) равна

1,5 – 4 м, длина 8 – 12 Н, а ширина коридора 3 – 6 м. Равномерное распределение

сточной воды достигается при помощи поперечного лотка. Горизонтальная ско-

рость движения воды в отстойнике принимают не более 0,01 м/с.

Горизонтальные отстойники рекомендуется применять при расходах сточных

вод свыше 15000 м

/сут. Продолжительность отстаивания – 1–3 ч. Эффектив-

ность отстаивания достигает 60 %.

При расчете отстойников определяют его длину и высоту. На рис. 1.8. пред-

ставлена расчетная схема горизонтального отстойника.

Отстойник по длине разбит на три зоны: в первой зоне длиной l

наблюдается

неравномерное распределение скоростей по глубине потока. Длина этой зоны:

1,15

1 0

( )/

l H h k

  ,

где h

– высота движущегося слоя в начале отстойника, принимается равной

0,25 Н; k = (0,0184-0,02) w

Во второй зоне длиной l

скорость потока считается постоянной. При движе-

нии в этой зоне большая часть частиц загрязнений должна осесть в иловую часть

отстойника, поэтому

= (H – h

/ (w

– 0,5w

где h

– максимально возможная высота подъема частицы в первой зоне.

В третьей зоне длиной l

скорость потока увеличивается, и условия осажде-

ния частиц ухудшаются. Длина этой зоны определяется по формуле

l H tg

 

где



– угол сужения потока жидкости в выходной части отстойника, принима-

ется равным 25–30°.

Для расчета длины отстойника L = l

+ l

должны быть заданы: расход

сточной воды и геометрические размеры поперечного сечения отстойника.

Вертикальный отстойник представляет собой цилиндрический (или квадрат-

ный в плане) резервуар с коническим днищем (рис. 1.9). 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 распределительным щитом.

Таким образом, осажде-

ние происходит в восходя-

щем потоке, скорость кото-

рого равна 0,5–0,6 м/с. Высо-

та зоны осаждения – 4 – 5 м.

Каждая частица дви-

жется с водой вверх со

скоростью v и под действи-

ем силы тяжести вниз w

ос

Поэтому различные части-

цы будут занимать различ-

ное положение в отстой-

нике. При w

ос

>v будут

быстро оседать, при w

ос

уноситься вверх.

Эффективность оса-

ждения вертикальных от-

стойников на 10 – 20 % ни-

же, чем в горизонтальных.

Рис. 1.8. Расчетная схема горизонтального отстойника.

Рис. 1.9. Схема вертикального отстойника:

1 – трубопровод для удаления плавающих ве

ществ,

2 – трубопровод для удаления осадка, 3 –

приемная

воронка для отвода плавающих веществ, 4 –

лоток

для сбора осветленной воды, 5 – водослив,

6 – кольцевая полупогруженная перегородка

Радиальные отстойники представляют собой круглые в плане резервуары.

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 м

/сут. Глубина проточной части отстойника 1,5 – 5 м, а отно-

шение диаметра к глубине от 6 до 30. Эффективность осаждения составляет 60 %.

Пластинчатые отстойники. Они имеют в корпусе ряд параллельно установ-

ленных наклонных пластин. Вода движется между пластинами, а осадок сползает

вниз, в шламоприемник. Могут быть прямоточные отстойники, в которых направ-

ление движения воды и осадка совпадают; противоточные – вода и осадок движут-

ся навстречу друг другу; перекрестные, в которых вода движется перпендикулярно

движению осадка. Наиболее распространены противоточные отстойники.

Гидроциклоны

Отделение твердых примесей под действием центробежных сил осуществля-

ется в открытых или напорных гидроциклонах и центрифугах.

Открытые (безнапорные) гидроциклоны применяют для отделения из

сточных вод крупных твердых частиц со скоростью осаждения 0,02 м/с. Преиму-

щества открытых гидроциклонов перед напорными – большая производитель-

ность и малые потери напора, не превышающие 0,5 кПа. Эффективность очистки

сточных вод от твердых частиц в гидроциклонах зависит от характеристик при-

месей (вида материала, размеров и формы частиц и др.), а также от конструкци-

онных и геометрических характеристик самого гидроциклона.

На рис. 1.10. представлена схема открытого гидроциклона, состоящего из

входного патрубка (1), кольцевого водослива (2), трубы для отвода очищенной

воды (3) и шламоотводящей трубы (4). Кроме указанной схемы известны гидро-

циклоны с нижним отводом очищенной воды и циклоны с внутренней цилиндри-

ческой перегородкой.

Производительность открытого гид-

роциклона

0 785

Q , q D

  

где D – диаметр цилиндрической части

гидроциклона; q – удельный расход воды,

определяемый по формуле

q = 4,32·w

для открытых гидроциклонов с внутрен-

ней цилиндрической перегородкой

q = 7,15·w

При проектировании открытых гид-

роциклонов рекомендуются следующие

значения геометрических характеристик:

D = 2…10 м.

Высота цилиндрической части Н=D; диа-

метр входного отверстия d=0,1D (при одном

отверстии), при двух входных отверстиях

d= 0,0707·D; угол конической части α = 60°.

Рис. 1.10. Схема открытого

гидроциклона

Напорные гидроциклоны используются для выделения из сточных вод грубо-

дисперсных примесей, в основном минерального происхождения, плотность которых

отличается от плотности жидкой среды сточных вод, в том числе: частиц песка, угля,

окалины, компонентов керамики, стекла, строительных материалов и т. д

Из напорных гидроциклонов наибольшее распространение получил аппарат ко-

нической формы (рис. 1.11).

Сточную воду тангенциально

подают внутрь гидроциклона. При

вращении жидкости под действием

центробежной силы внутри гидро-

циклона образуется ряд потоков.

Жидкость, войдя в цилиндрическую

часть, приобретает вращательное

движение и движется около стенок

по винтовой спирали вниз к сливу.

Часть ее с крупными частицами уда-

ляется из гидроциклона. Другая

часть (осветленная) поворачивает и

движется вверх около оси гидроцик-

лона. Кроме того, возникают ради-

альные и замкнутые циркуляцион-

ные токи. В центре образуется воз-

душный столб, давление которого

меньше атмосферного. Он оказывает

влияние на эффективность гидро-

циклонов. Гидроциклоны изготов-

ляются диаметром от 10 до 700 мм,

высота цилиндрической части при-

мерно равна диаметру аппарата.

Угол конусности равен 10–20°.

Производительность напорных гидроциклонов определяют по формуле

1 вх

Q K D d 2 g H ,



    

где К

– безразмерный коэффициент; Q – диаметр гидроциклона, м; d

вх

– диаметр

входного патрубка, м; ΔH – перепад давлений между сливным и входным патруб-

ками, Па.

4.3. Фильтрование

Фильтрование сточных вод предназначено для очистки их от тонкодисперс-

ных твердых примесей с небольшой концентрацией. Процесс фильтрования при-

меняется также после физико-химических и биологических методов очистки, т. к.

некоторые из этих методов сопровождаются выделением в очищаемую жидкость

механических загрязнений.

Сточная

вода

Очищенная

вода

Шлам

Рис. 1.11. Схема напорного гидроциклона