Ветошкин А.Г. Теоретические основы защиты окружающей среды

Подождите немного. Документ загружается.

Нормативы состава и свойств воды водоемов включают такие показате-

ли, как растворенный кислород, биохимическая потребность в кислороде,

взвешенные вещества, запахи и привкусы, окраска, реакция воды водоема,

ядовитые вещества, плавающие примеси, возбудители заболеваний, мине-

ральный состав, температура воды, радиоактивные вещества.

Условия спуска сточных вод при совместном присутствии в них не-

скольких вредных веществ выражаются в том, что сумма концентраций всех

веществ, выраженных в долях от соответствующих ПДК для каждого веще-

ства в отдельности, не должна превышать 1,0 (единицы). Суммарный эффект

воздействия на санитарное состояние водоема нескольких вредных веществ

определяется по формуле

1 п.д

+ C

2 п.д

+…+ C

i п.д

≤ 1, (5.29)

где C

, C

,…, C

– концентрации вредных веществ в воде водоема; C

1 п.д

п.д

,…, C

i п.д

– ПДК, установленные для соответствующих вредных веществ в

воде их источника.

Если это условие не соблюдается, то санитарное состояние водоема не

удовлетворяет нормативным требованиям и необходимо осуществить меро-

приятия по повышению эффективности очистки сточных вод перед их спус-

ком в водоем.

5.5. Разбавление сточных вод при спуске в водоемы

Взаимосвязь между санитарными требованиями к условиям спуска

сточных вод в водоемы, т.е. соответствие состава и свойств воды водоема,

который используется для водопользования, установленным нормативам, и

необходимой степенью очистки сточных вод перед спуском их в водоем в

общем виде выражается формулой

ст

q + C

Q ≤ (a

Q + q)

пд

, (5.30)

где C

ст

– концентрация загрязнения (вредного вещества) сточных вод, при

которой не будут превышены допустимые пределы; q – расход сточных вод,

поступающих в водоем; C

– концентрация этого же вида загрязнения в воде

водоема выше места выпуска рассматриваемого стока; a – коэффициент

смешения, показывающий какая часть расхода воды в водоеме смешивается

со сточными водами в расчетном створе; Q – расход воды в водоеме; C

пд

–

предельно допустимое содержание загрязнения (вредного вещества) в воде

водоема.

Коэффициент смешения a зависит от многих факторов: конструкции

выпуска, расстояния до расчетного створа, гидравлических и гидрологиче-

ских параметров водоема. Его значение определяется по методу Фролова-

Родзиллера.

Преобразуя последнюю формулу, можно получить значение C

ст

, т.е. ве-

личину концентрации загрязнения (вредного вещества) в сточных водах, ко-

торая должна быть достигнута в результате их очистки и обезвреживания:

ст

≤ a

пд

– C

)/q + C

пд

. (5.31)

Кратность разбавления в проточных водоемах определяется по формуле

191

= (a

Q + q)/q. (5.32)

При расчете необходимой степени очистки сточных вод, спускаемых в

непроточные водоемы, в расчетные формулы вводится либо общее разбавле-

ние (для озер, водохранилищ и морей), либо наименьшее разбавление n:

ст

≤ C

+ n

пд

– C

), (5.33)

где C

– концентрация загрязнения (вредного вещества) в оде непроточного

водоема.

Кроме расчета предельно допустимой концентрации загрязнения (вред-

ного вещества) в спускаемых сточных водах производится определение не-

обходимой степени очистки по количеству взвешенных веществ, по БПК

полн

по растворенному в воде водоема кислороду, по температуре воды водоема,

по общесанитарному показателю вредности, по изменению активной реакции

воды с учетом коэффициента смешения a для проточных водоемов и коэф-

фициента разбавления n для непроточных водоемов.

192

Раздел 6. Защита гидросферы

6.1. Гидромеханические способы очистки сточных вод

Для удаления взвешенных частиц из сточных вод используют периоди-

ческие и непрерывные гидромеханические процессы процеживания, гравита-

ционного и центробежного отстаивания и фильтрования. Выбор метода зави-

сит от размера частиц примесей, физико-химических свойств и концентрации

взвешенных частиц, расхода сточных вод и необходимой степени очистки.

Перед более тонкой очисткой сточные воды направляют на процежива-

ние через решетки и сита, которые устанавливают перед отстойниками с це-

лью извлечения из них крупных примесей.

Осаждением называется разделение жидких неоднородных систем пу-

тем выделения из жидкой фазы твердых или жидких взвешенных частиц под

действием силы тяжести, центробежной силы. Соответственно различают

гравитационное отстаивание и осадительное центрифугирование.

Осаждение отстаиванием происходит под действием силы тяжести.

Для проведения процесса используют песколовки, отстойники и осветлите-

ли. В осветлителях одновременно с отстаиванием происходит фильтрация

сточных вод через слой взвешенных частиц.

Материальный баланс механического разделения сточных вод

от примесей.

При отсутствии потерь веществ в процессе механического разделения

сточных вод от примесей уравнения материального баланса имеют вид:

- по общему количеству веществ

ососвсм

GGG += ; (6.1)

- по дисперсной фазе

осососвосвсмсм

xGxGxG

⋅

=⋅

, (6.2)

где G

см

, G

осв

, G

ос

- масса исходной сточной воды, осветленной воды и полу-

чаемого осадка примесей, кг; x

см

, x

осв

, x

ос

- содержание примесей в исходной

сточной воде, осветленной воде и осадке, масс. доли.

Совместное решение этих уравнений позволяет определить массовое ко-

личество осветленной воды G

осв

и массу осадка G

ос

, получаемых при задан-

ном содержании примесей в осадке и осветленной воде:

освос

смос

смосв

−

⋅= ; (6.3)

освос

освсм

смос

−

⋅= . (6.4)

Содержание взвешенных частиц в осветленной воде и в осадке выбира-

ется в зависимости от конкретных технологических условий процесса разде-

ления.

193

6.1.1. Отстаивание сточных вод

Основным параметром, который используют при расчете осаждения, яв-

ляется скорость осаждения частиц (гидравлическая крупность).

При падении частицы под действием силы тяжести сила, движущая час-

тицу диаметром d

, выражается разностью между ее весом

gmG

⋅⋅=⋅=

ρπ

(6.5)

и выталкивающей архимедовой силой, равной весу жидкости в объеме час-

тицы

gmA

⋅=⋅=

ρπ

; (6.6)

)(

ρρπ

−⋅=−

AG , (6.7)

где ρ

– плотность твердой частицы, кг/м

Сила сопротивления среды по Ньютону

осч

⋅

⋅=

ρπ

, (6.8)

где ζ - коэффициент сопротивления водной среды, который зависит от режи-

ма осаждения.

Скорость осаждения w

ос

можно найти из условия равенства силы, дви-

жущей частицу и силы сопротивления водной среды:

)(4

ρς

ρρ

⋅

⋅−⋅

чч

ос

. (6.9)

В ламинарном режиме осаждения при ζ = 24/Re

получим формулу Сто-

кса

)(

ρρ

−⋅

чч

ос

. (6.10)

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 d частиц становится соизмеримым со средней длиной сво-

бодного пробега молекул среды. Расчеты показывают, что при

1,0

≈

d мкм

частицы не осаждаются, а наблюдается лишь хаотическое броуновское дви-

жение частиц.

Скорость осаждения частиц нешарообразной формы меньше скорости

осаждения шарообразных частиц. Для нешарообразных частиц в расчетных

формулах используют эквивалентный диаметр

, который определяют по

объему V

или массе G

частицы:

/6/6

чччэ

GVd

πρπ

== . (6.11)

194

При отстаивании сточных вод наблюдается стесненное осаждение, кото-

рое сопровождается столкновением частиц, трением между ними и измене-

нием скоростей больших и малых частиц. Скорость стесненного осаждения

меньше скорости свободного осаждения вследствие возникновения восходя-

щего потока жидкости и увеличения вязкости среды. Скорость стесненного

осаждения частиц одинакового размера при ламинарном режиме можно рас-

считать по формуле Стокса с поправочным коэффициентом

/)1(

⋅−= , который учитывает влияние концентрации взвешанных

частиц и реологические свойства системы (вязкость системы μ

)18/()(

μρρ

Rgdw

ччос

−= . (6.12)

Скорость осаждения полидисперсной системы непрерывно изменяется

во времени. Вследствие агломерации частиц она может изменяться в не-

сколько раз по сравнению с теоретической. Способность к агломерации зави-

сит от концентрации, формы, размера и плотности взвешенных частиц, от

соотношения частиц различного размера и вязкости среды. Коэффициент аг-

ломерации характеризуется соотношением

чфa

ddK /

, где d

- 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 осажде-

ния τ (рис. 6.1 ).

, %

ч,

123

Рис.6.1. Кинетика осаждения полидисперсных частиц.

Удаление всплывающих примесей.

Процесс отстаивания используют также для очистки производственных

сточных вод от нефти, масел, смол, жиров. Очистка от всплывающих приме-

сей аналогична осаждению твердых веществ. Различие состоит в том, что

плотность всплывающих частиц меньше, чем плотность воды. Для улавлива-

ния частиц нефти используют нефтеловушки, а для жиров - жироловушки.

Скорость подъема частиц w

вс

легкой жидкости зависит от размера частиц d

плотности всплывающих частиц ρ

и вязкости среды μ

, т.е. от числа Re

вс

/μ

В области Re

< 0,25 всплывание частиц происходит по зависимости

Стокса:

195

)18/()(

μρρ

⋅−⋅=

лвс

gdw . (6.13)

Движение частицы легкой фазы вверх вызывает в сточной воде вторич-

ные потоки, тормозящие подъем. Скорость подъема с учетом торможения

равна

)23/()33(

μμμμ

+−=

ллвсвс

, (6.14)

где μ

- коэффициент динамической вязкости более легкой всплывающей

жидкости.

На процесс разделения оказывает влияние турбулентность, коагуляция и

гидродинамическое комплексообразование. При вводе сточной воды в ло-

вушки может произойти измельчение легкой жидкости при ударе струи о по-

верхность, что сопровождается изменением давления. Начальный размер

частиц поддерживается капиллярным давлением

(σ - коэффици-

ент поверхностного натяжения). При ударе струи возникает результирующее

давление Р

. Если , то происходит измельчение капель.

PP >

Отношение числа отстоявшихся частиц легкой жидкости определенного

размера к общему числу частиц этой жидкости называют эффектом от-

стаивания.

Расчет отстойников.

Отстаивание сточных вод проводят в аппаратах, называемых отстойни-

ками или сгустителями. Различают горизонтальные, радиальные, вертикаль-

ные, трубчатые, пластинчатые отстойники с наклонными перегородками.

Горизонтальные отстойники (рис. 6.2) представляют собой прямоуголь-

ные резервуары, имеющие два или более одновременно работающих отделе-

ния. 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 15000 м

/сут. Эффективность отстаивания достигает 60%.

Отстойники проектируются в расчете на осаждение самых мелких час-

тиц, находящихся в сточной воде. Поэтому время пребывания обрабатывае-

мой сточной воды в аппарате должно быть больше времени осаждения мел-

ких частиц или в пределе равно времени, необходимому для стесненного

осаждения частицы наименьшего размера на дно аппарата с заданной высо-

ты.

Производительность отстойника по осветленной воде (м

осв

/с) выра-

жается уравнением

HBvQ

nосв

⋅⋅= ; (6.15)

где v

– скорость потока сточной воды вдоль аппарата, м/с; В - ширина от-

стойника, м; Н - высота слоя осветленной воды, м.

Время прохождения τ

(сек) сточной воды отстойника составит

, (6.16)

где L - длина отстойника, м.

196

Очищенная

вода

1 - входной лоток;

2 - отстойная камера;

3 - выходной лоток;

4 - приямок.

321

Шла

Сточная

вода

Рис. 6.2. Схема отстойника

За это же время частицы, осаждающиеся со скоростью w

ос

(м/с), должны

пройти наибольший путь Н. Следовательно, время отстаивания определится

из уравнения:

ос

. (6.17)

Следовательно

освnос

HBL

⋅

, (6.18)

откуда производительность отстойника по осветленной воде составит:

FwBLwQ

осососв

⋅

⋅⋅=

, (6.19)

где

F ⋅=

- поверхность отстойника в плане, м

Необходимую поверхность осаждения находим с учетом скорости стес-

ненного осаждения w

ст

из выражения

ст

осв

F =

(6.20)

или с учетом массового расхода осветленной воды G

осв

(кг/с) и ее плотности

осв

(кг/м

)

стосв

осв

⋅

. (6.21)

С учетом уравнения материального баланса можно получить оконча-

тельное уравнение площади осаждения отстойника:

⎟

⎠

⎞

⎜

⎝

⎛

−

⋅

освос

смос

стосв

см

. (6.22)

При расчете отстойника было принято допущение об отсутствии застой-

ных зон и вихреобразования жидкости, вызванного неравномерностью осаж-

дения частиц, что уменьшает скорость отстаивания. Поэтому в инженерных

197

расчетах расчетно-теоретическое значение поверхности отстойника увеличи-

вают на 30-35%.

6.1.2. Центробежное осаждение примесей из сточных вод

Скорость разделения неоднородных систем в поле центробежных сил

выше по сравнению со скоростью разделения этих систем в поле силы тяже-

сти. Отношение центробежной силы к силе тяжести можно сделать сравне-

нием ускорений, действующих на частицы примесей в центробежном и гра-

витационном полях, т.к. применительно к частице определенной массы силы

пропорциональны ускорениям.

В общем случае центробежная сила P

(Н) выражается равенством

оо

⋅

, (6.23)

где m - масса вращающейся частицы, кг; G – вес частицы, Н; v

– окружная

скорость вращения, м/с; r – радиус вращения, м.

Окружная скорость вращения равна

= ω

r = 2 π

r/60, (6.24)

где ω - угловая скорость вращения, рад/с; n – число оборотов в минуту.

Сопоставляя эти равенства, найдем

⎟

⎠

⎞

⎜

⎝

⎛

⋅

= r

(6.25)

или приближенно

900

nrG

⋅⋅

≈

. (6.26)

Отношение центробежного ускорения к ускорению силы тяжести g

называют фактором разделения

⋅

. (6.27)

Для величины

G 1= получаем

900/

nrK

⋅= . (6.28)

Фактор разделения является важной характеристикой гидроциклонов и

цетрифуг, т.к., при прочих равных условиях, разделяющее действие при оса-

дительном центрифугировании возрастает пропорционально величине K

Для очистки сточных вод используют напорные и открытые (низкона-

порные) гидроциклоны

. Напорные гидроциклоны применяют для осаждения

твердых примесей, а открытые гидроциклоны – для удаления осаждающихся

и всплывающих примесей.

При вращении жидкости в гидроциклонах (рис. 6.3) на частицы дейст-

вуют центробежные силы, отбрасывающие тяжелые частицы к периферии

потока, силы сопротивления движущегося потока, гравитационные силы и

198

силы потока. Силы инерции в потоке жидкости незначительны и ими можно

пренебречь. При высоких скоростях вращения центробежные силы значи-

тельно больше сил тяжести.

Очищенная

вода

Шлам

Рис. 6.3. Напорный гидроциклон

Сточная

вода

Скорость движения частицы в жидкости под действием центробежной

силы зависит от ее диаметра , разности плотностей фаз

Δ , вязкости

плотности

сточной воды и от ускорения центробежного поля

()

(

)

(

)

(

)

3/12

3/13/1

3/2

385.0

−

⋅Δ⋅⋅=

чц

Jdkv

μρρ

. (6.29)

Коэффициент пропорциональности k и показатель степени m зависят от

гидродинамического режима.

Для ламинарного режима при числе Рейнольдса Re

= w

ос

/μ

=1,6;

; .

2=m

107,1

−

⋅=k

Для переходного режима при Re

= 16…420; 2,1

m ; . Для

турбулентного режима R

1049,2

−

⋅=k

> 420; 36,5

m ; 5,0

Кроме физических свойств жидкости на эффективность работы гидро-

циклонов влияют конструктивные параметры: диаметр аппарата, соотноше-

ние входного и сливных патрубков.

Гидроциклоны изготавливаются диаметром от 10 до 700 мм, высота ци-

линдрической части равна диаметру аппарата. Угол конусности равен

10…20°. Эффективность гидроциклонов находится на уровне 70%. При из-

менении вязкости сточной воды скорость осаждения частиц увеличивается. С

ростом плотности жидкости уменьшается разность плотности фаз

= (ρ

199

). Это сопровождается снижением скорости осаждения частиц тяжелее во-

ды, а для частиц легче воды – увеличением скорости всплывания.

Скорость осаждения пропорциональна квадрату скорости вращения час-

тиц, которую можно считать равной скорости воды на входе в аппарат.

Гидроциклоны малого диаметра объединяют в общий агрегат, в котором

они работают параллельно. Такие аппараты называют мультигидроциклона-

ми. Мультигидроциклоны наиболее эффективны при очистке небольших ко-

личеств воды от тонкодисперсированных примесей.

Производительность напорных гидроциклонов

HgdDkQ

вхц

Δ⋅⋅⋅= 2

, (6.30)

где - безразмерный коэффициент; - диаметр гидроциклона, м; -

диаметр входного патрубка. м;

вх

- перепад давлений между сливными и

выходными патрубками, Па.

Открытые (безнапорые) гидроциклоны применяют для очистки сточных

вод от крупных примесей (гидравлическойой крупностью 5 мм/с). От напор-

ных гидроциклонов, они отличаются большей производительностью и мень-

шим гидравлическим сопротивлением.

Для удаления осадков из сточных вод используются отстойные и

фильтрующие центрифуги. В отстойных центрифугах (рис. 6.4) со сплош-

ными стенками ротора производят разделение суспензий и эмульсий по

принципу отстаивания.

Рис. 6.4. Схема действия

отстойной центрифуги.

очищенная

вода

Исходная

суспензия

(сточная

вода)

Разделение суспензий в отстойных центрифугах складывается из стадий

осаждения твердых частиц на стенках ротора и уплотнения образовавшего-

ся осадка. Первая из этих стадий протекает по законам гидродинамики, вто-

рая - по закономерностям механики грунтов (пористых сред). При малой

концентрации твердых частиц в сточной воде (не более 4% об.) наблюдается

свободное осаждение их в роторе без образования четкой поверхности разде-

ла между чистой жидкостью и еще не расслоившейся суспензией. При по-

вышенной концентрации образуется ясная граница раздела вследствие стес-

ненного осаждения твердых частиц. Вследствие неоднородности по радиусу

интенсивности поля центробежных сил и площади осаждения закономерно-

200