МЕТОДЫ ОЧИСТКИ ПРОМЫШЛЕННЫХ И СТОЧНЫХ ВОД

Министерство образования и науки Российской Федерации
ФГАОУ ВПО «УрФУ имени первого Президента России Б.Н.Ельцина»
Л.П. Сидорова
МЕТОДЫ ОЧИСТКИ
ПРОМЫШЛЕННЫХ И СТОЧНЫХ ВОД
Часть I
Учебное электронное текстовое издание
Подготовлено кафедрой «Безопасность жизнедеятельности»
Научный редактор: доц., канд. техн. наук В.И. Лихтенштейн
Методические указания к практическим работам по курсу
«Безопасность жизнедеятельности», «Системы защиты
гидро- и литосферы» для студентов всех форм обучения всех
специальностей.
Приведены теоретические сведения по методам очистки
промышленных, сточных и природных вод. Рассмотрены
методические указания к одиннадцати практическим работам
с различными вариантами.
© ФГАОУ ВПО УрФУ
2012
ОГЛАВЛЕНИЕ
ПРЕДИСЛОВИЕ .......................................................................................................... 3
1. ИСПОЛЬЗОВАНИЕ ОТСТОЙНИКОВ В СИСТЕМАХ ВОДОПОДГОТОВКИ И
ОЧИСТКИ СТОЧНЫХ ВОД. РАСЧЕТ ГОРИЗОНТАЛЬНОГО ОТСТОЙНИКА ..... 5
2. ОПРЕДЕЛЕНИЕ РАСЧЕТНОЙ МАССОВОЙ КОНЦЕНТРАЦИИ
ЗАГРЯЗНЕНИЙ В СТОЧНЫХ ВОДАХ ................................................................. 14
3. ПРОЦЕССЫ ФИЛЬТРОВАНИЯ ......................................................................... 28
4. РАСЧЕТ ФИЛЬТРОВ РАЗЛИЧНЫХ ТИПОВ КОНСТРУКЦИИ ДЛЯ
ОЧИСТКИ СТОЧНЫХ ВОД .................................................................................... 37
5. МЕХАНИЧЕСКАЯ ОЧИСТКА СТОЧНЫХ ВОД. РАСЧЕТ СКОРОСТНЫХ
ФИЛЬТРОВ РАЗЛИЧНЫХ ТИПОВ ....................................................................... 54
6. МЕХАНИЧЕСКАЯ ОЧИСТКА СТОЧНЫХ ВОД. РАСЧЕТ
ГИДРОЦИКЛОНОВ ................................................................................................. 66
7. АДСОРБЦИОННЫЙ МЕТОД ОЧИСТКИ СТОЧНЫХ ВОД. РАСЧЕТ
АДСОРБЕРА С НЕПОДВИЖНЫМ СЛОЕМ ЗАГРУЗКИ .................................... 77
8. ИОНИТНОЕ ОБЕССОЛИВАНИЕ ВОДЫ. РАСЧЕТ КАТИОНИТНОГО И
АНИОНИТНОГО ФИЛЬТРОВ ПЕРВОЙ СТУПЕНИ ........................................... 86
9. ФЛОТАЦИОННЫЙ МЕТОД ОЧИСТКИ СТОЧНЫХ ВОД. РАСЧЕТ
НАПОРНОГО ФЛОТАТОРА ................................................................................... 97
10. БИОХИМИЧЕСКАЯ ОЧИСТКА СТОЧНЫХ ВОД. РАСЧЕТ
АЭРОТЕНКОВ ........................................................................................................ 107
11. ОЗОНИРОВАНИЕ СТОЧНЫХ ВОД. РАСЧЕТ ПАРАМЕТРОВ
ОЗОНАТОРНОЙ УСТАНОВКИ, РАСХОДА ОЗОНА И СТЕПЕНИ ОЧИСТКИ
ВОДЫ ....................................................................................................................... 121
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК .................................................................... 132
2
ПРЕДИСЛОВИЕ
Потребляя чистую воду, человек возвращает её в природу в виде стоков.
Загрязнение вод – это изменение состава или свойств вод, вызванное прямым
или косвенным влиянием производственной и бытовой деятельности человека,
в результате чего они становятся непригодными для пользования.
Современные технологии очистки производственных и природных вод
должны отвечать нормативным требованиям отечественных стандартов (ПДК)
и, согласно международной конвенции и соглашению с Европейским союзом
(ЕС), включают также и требования по экологической безопасности по воде с
учётом наилучших доступных технологий по оборудованию. Это отражено в
Федеральном законе «О техническом регулировании».
Основными
загрязнителями
производственных
вод
являются
органические соединения, нефтепродукты, соли тяжелых металлов, а также
соединения азота, сульфаты, хлориды, цианиды и др.
Современные технологии очистки сточных вод в большинстве своём
основаны на механических, физико-химических и электрохимических методах,
ознакомление с которыми входит в учебный курс дисциплины «Системы
защиты
гидро-
и
литосферы».
Учебной
программой
по
дисциплине
предусматривается изучение студентами основных методов очистки и
обеззараживания промышленных и сточных вод, таких как фильтрация,
осаждение, адсорбция, ионный обмен, озонирование, хлорирование, коагуляция
и электрохимические методы.
В практических работах, выполненных совместно со студентами, в
процессе научно-исследовательской работы, отражены теоретические сведения
по существующим технологическим процессам очистки воды и приведён
математический аппарат для расчета параметров используемого оборудования в
соответствии с заданной производительностью производства.
3
Выражаю искреннюю благодарность Тропиной Ольге Андреевне,
Спиридоновой Евгении Витальевне, Тюляпкиной Ольге Алексеевне, Балтиной
Елене Андреевне, Путиловой Наталье Евгеньевне, Гавриловой Наталье
Вячеславовне, Леваевой Анне Васильевне, Чернышевой Елене Дмитриевне,
Анеха Ирине Сергеевне за неоценимую помощь в составлении данного
учебного пособия.
4
1. ИСПОЛЬЗОВАНИЕ ОТСТОЙНИКОВ В СИСТЕМАХ
ВОДОПОДГОТОВКИ И ОЧИСТКИ СТОЧНЫХ ВОД. РАСЧЕТ
ГОРИЗОНТАЛЬНОГО ОТСТОЙНИКА
Составители: Л.П. Сидорова, О.А. Тропина
Введение
Отстойниками называют аппараты или сооружения, в которых для
выделения
взвешенных
частиц
из
жидкости
используется
метод
гравитационного осаждения.
Под действием силы тяжести частицы движутся вертикально вниз.
В начале процесса осаждения это движение является равноускоренным. Однако
время, в течение которого частицы достигают постоянной скорости, очень
мало. По данным Риттингера и Финкея, это время равно 6,5·10-2 сек. для частиц
d = 1 мм и 1,67·10-6 сек. для частиц d = 0,002 мм. Поэтому можно считать, что
движение частиц в отстойнике под действием силы тяжести происходит
равномерно.
Величина скорости осаждения взвеси в воде определяется в основном
размером, формой и плотностью частиц, а также шероховатостью их
поверхности.
Метод гравитационного осаждения по сравнению с другими наиболее
экономичен вследствие своей простоты (особенно при обработке больших
количеств жидкости).
Отстойник представляет собой резервуар с системой устройства
для
ввода и вывода обрабатываемой жидкости, узлом выгрузки осадка, а в ряде
случаев и камерой хлопьеобразования.
Особенно необходимы отстойники в системах водоподготовки и очистки
сточных вод, где они являются одним из основных видов оборудования и
применяются
для
предварительного
улавливания
песка
(песколовки),
предварительной очистки воды от механических примесей (первичные
отстойники), отстаивания активного ила после аэротенков и после химической
5
очистки воды (вторичные отстойники). В нефтяной промышленности для
улавливания
нефти
из
воды
применяют
отстойники,
называемые
нефтеловушками.
Большой недостаток отстойников – значительные габаритные размеры и,
следовательно, большие размеры занимаемых площадей. Поэтому усилия
конструкторов направлены на создание новых отстойников с целью повышения
их удельной нагрузки на единицу поверхности отстойника.
По направлению движения потока жидкости отстойники общего
назначения делятся на радиальные, горизонтальные и вертикальные.
Радиальный отстойник – круглый в плане, железобетонный резервуар
(см. рис. 1.1), в который осветляемая вода подводится снизу в центр и
изливается через воронку, обращенную широким концом кверху. Вокруг
воронки располагается цилиндр-успокоитель радиусом 1,5–2,5 м с глухим дном
и с дырчатой стенкой. Наличие такого цилиндра способствует более
равномерному распределению воды по рабочей высоте отстойника. Вода
медленно движется от центра к периферии и сливается в периферийный желоб.
Рис. 1.1. Радиальный отстойник:
1, 11 – подача и отвод воды; 2 – сопло; 3 – грязевой приямок; 4 – рециркулятор; 5 – скребки;
6 – вращающаяся ферма; 7 – служебный мостик; 8 – водосливные окна; 9 – зона осветления
воды; 10 – кольцевой водосборный лоток; 12 – тонкослойные блоки; 13 – отвод осадка
Для удаления осадка служит медленно вращающаяся металлическая
ферма с укрепленными на ней скребками, сгребающими осадок к центру
6
отстойника, откуда он непрерывно или периодически выпускается или
откачивается. Если в воде имеются всплывающие на поверхность вещества, то
они удаляются специальным устройством, состоящим из доски, вращающейся
вместе со скребковым устройством, и периодически погружающегося бункера,
при помощи которого всплывающие вещества вместе с частью воды удаляются
из отстойника.
Для
вращения
скребкового
механизма
отстойники
снабжены
периферийным или центральным приводом.
В радиальных отстойниках в отличие от других скорость воды
непостоянна и
изменяется
минимального
у
стен
от максимального
резервуара,
что
значения
в центре до
отрицательно
влияет
на
производительность аппаратов. Вместе с тем возможность строительства
больших по размерам объектов, сравнительная дешевизна их строительства и
эксплуатации делает целесообразным сооружение радиальных отстойников на
средних и крупных водоочистных станциях для расходов воды более 20 тыс. м3
в сутки.
Различный характер взвешенных частиц в воде, обрабатываемой в
первичных и вторичных отстойниках, а также разный состав осадка определяют
некоторые отличия в конструкции этих отстойников, в частности, первичные
отстойники обладают меньшим углом наклона днища, имеется специальное
устройство
для
сгребания
всплывающих
веществ,
осадок
сгребается
илоскребками. Из вторичных отстойников, в которых выпадает рыхлый ил,
осадок обычно удаляется илососами.
Вертикальный отстойник (см. рис. 1.2) представляет собой круглый или
квадратный в плане резервуар с камерой хлопьеобразования водоворотного
типа в центральной трубе и с конусным днищем для накопления и уплотнения
осадка.
Жидкость обычно поступает в центральную водоворотную камеру сверху
(вводная труба), огибает ее нижний край, расположенный несколько выше
перехода к осадочной зоне, затем вертикально поднимается в пространстве
7
между стенками отстойника и водоворотной камеры; при этом взвесь оседает в
восходящем потоке и собирается в осадочной зоне, откуда осадок обычно
удаляется под гидростатическим напором.
Рис. 1.2. Вертикальный отстойник:
1 и 5 – подача исходной и отвод осветленной воды; 2 и 3 – кольцевой и радиальные
водосборные лотки; 4 – водоворотная камера; 6 – зона осветления воды; 7 – гаситель; 8 – зона
накопления и уплотнения осадка; 9 – конусный отражатель; 10 – удаление осадка;
11 – контактная загрузка из вспененного полистирола; 12 – сетка
Простота устройства, а также легкость удаления из них осадка делают
целесообразным их использование для очистки малых количеств воды (порядка
3000 м3/сутки). Вертикальные отстойники имеют и другие положительные
качества. На их работе меньше сказываются колебания температуры воды, так
как в них взвесь осаждается в восходящем потоке. В вертикальных отстойниках
наряду с осаждением возможно также улавливание всплывающих веществ.
Первичные
вертикальные
отстойники
применяются
в
комплексе
сооружений механической очистки производственных и бытовых сточных вод
и могут быть использованы также в качестве илоуплотнителей. Для лучшего
распределения воды по всему сечению резервуара и предотвращения
взмучивания осадка под вводной центральной трубой устанавливается
8
отражательный щит. Всплывающие вещества улавливаются с помощью доски,
устанавливаемой перед сборным лотком.
Вторичные
сооружений
вертикальные
биологической
Конструктивно
они
отстойники
очистки
аналогичны
применяются
сточных
первичным
вод
в
комплексе
после биофильтров.
отстойникам,
отличаются
размерами и отсутствием доски для сбора всплывающих веществ.
Горизонтальный отстойник (см. рис. 1.3) – прямоугольный, вытянутый в
направлении движения воды железобетонный резервуар, в котором осветляемая
вода движется в направлении, близком к горизонтальному, вдоль отстойника.
В горизонтальных отстойниках жидкость подается с одного конца
аппарата, а слив отбирается с другого. Во время движения потока твердые
частицы оседают на дно, откуда уплотненный осадок удаляется через
разгрузочное устройство.
Применение горизонтальных отстойников целесообразно на станциях
производительностью 15000–50000 м3/сут, если примеси коагулированы, и на
станциях большей производительности – при удалении некоагулированной
взвеси.
Рис. 1.3. Горизонтальный отстойник:
1 – отвод осветленной и подача исходной воды; 2 – водосборный карман; 3 – лотки
децентрализованного сбора осветленной воды; 4 – тонкослойные модули; 5 – зона осветления
воды; 6 – струенаправляющая перегородка; 7 – лотки для сбора и отведения воды из камеры;
8 – камера хлопьеобразования; 10 – перфорированные водораспределительные трубы;
11 – удаление осадка из отстойника; 12 – короба для сбора и удаления осадка из отстойника;
13 – затопленный водослив, отделяющий камеру от отстойника
9
Установленные
компенсировать
в
отстойнике
несовершенство
тонкослойные
модули
водораспределительных
позволяют
устройств,
отрицательно влияющее на работу отстойников. При этом отстаивание в
тонком слое позволяет значительно повысить производительность отстойников
при одновременном сокращении их размеров.
На входе в отстойник предусматриваются различные распределительные
устройства в виде решеток, рассеивающих вводов и т.д. Дырчатые
распределительные перегородки позволяют создавать благоприятные условия
для равномерного отложения осадка по длине отстойника. Важна и степень
осветления, которая часто снижается от введения распределительных устройств
в виде решеток, способствующих турбулизации потока. Это учитывается при
выборе того или иного конструктивного оформления вводных устройств.
Удаление
осадка
из
горизонтальных
отстойников
с
днищами,
выполненными в виде пирамидальных бункеров для накопления осевших
твердых частиц, осуществляется самотеком через горловины бункеров. Осадок
выгружается
механическим,
гидравлическим,
пневматическим
или
комбинированным способом.
Горизонтальные отстойники можно подразделить на:
─ обычные для очистки воды от твердых взвешенных частиц;
─ песколовки, в которых также отделяются твердые примеси, но только
минерального происхождения (главным образом песок);
─ нефтеловушки, основное назначение которых – очищать воду от
эмульгированных в ней примесей легче воды (нефть, масла).
В песколовках должна улавливаться только тяжелая фракция взвешенных
частиц, а легкая, главным образом органического происхождения, выносится
вместе с потоком воды. Поэтому скорости потока жидкости в песколовках
значительно большие, чем в обычных отстойниках. В нефтеловушках
предусмотрены специальные устройства для сбора и отвода всплывающей
нефти.
10
Расчет горизонтальных отстойников
Расчет горизонтального отстойника заключается в определении емкости,
длины и ширины отстойника при заданной глубине его из условия задержания
отстойником заданного процента взвеси.
1. Процентная (фиктивная) скорость:
(1.1)
где h – расчетная высота зоны осаждения, мм;
Т – продолжительность пребывания воды в отстойнике, сек.
Опытом определено, что при процентной скорости 1,2 мм/сек выпадает
А % коагулированной взвеси, а при процентной скорости 0,2 мм/сек выпадает
В % коагулированной взвеси.
2. Расчетная скорость осаждения взвеси в зависимости от заданного процента
осветления воды:
(1.2)
где А – процентное содержание взвешенных веществ, выпавших в осадок, к
моменту полного осаждения частиц гидравлической крупностью 0,2 мм/сек.;
В – количество взвешенных веществ выпавших в осадок к моменту полного
осаждения частиц гидравлической крупностью 1,2 мм/сек.;
yтеор – заданный процент осветления воды.
В зависимости от мутности воды средняя скорость воды в отстойнике
(vср) варьируется от 6 мм/сек до 12 мм/сек. Средняя скорость принимается
6–8 мм/сек, 7–10 мм/сек, 9–12 мм/сек соответственно для вод мало мутных,
средней мутности и мутных.
Следует
проанализировать
так
же
влияние
взвешивающих
и
вертикальных составляющих скоростей потока на процесс осаждения частиц.
3. Взвешивающая составляющая:
(1.3)
11
где n – коэффициент шероховатости дна и стенок отстойника.
Н – глубина отстойника.
4. Время пребывания воды в отстойнике, ч:
(1.4)
5. Емкость отстойника, м3:
(1.5)
где q – расход воды
6. Необходимая длина отстойника (длина пути, м):
(1.6)
7. Ширина отстойника, м:
(1.7)
где F – площадь поперечного сечения, м2:
Задание
В соответствии с вариантом (таблица 1.1) необходимо рассчитать емкость,
длину и ширину отстойника.
Ответ записать в виде таблицы:
Ёмкость Q, м3
Длина L, м
12
Ширина В, м
Таблица 1.1
Исходные данные для расчета
Вариант
А, %
В, %
yтеор, %
vср, мм/с
q, м3/ч
Н, м
1
32
84
70
6
1020
4
2
27
91
75
6
1020
4
3
29
87
71
7
1020
4
4
27
89
70
7
1020
4
5
30
87
65
8
1020
4
6
32
86
71
6
1020
4
7
28
92
73
7
1020
4
8
30
89
67
8
1020
4
Коэффициент шероховатости n = 0,013
Контрольные вопросы
1. Перечислите виды отстойников.
2. Какой метод лежит в основе работы отстойников?
3. От чего зависит скорость осаждения частиц в отстойниках?
4. Для каких целей применяют первичные и вторичные вертикальные
отстойники?
5. Перечислите виды горизонтальных отстойников.
13
2. ОПРЕДЕЛЕНИЕ РАСЧЕТНОЙ МАССОВОЙ КОНЦЕНТРАЦИИ
ЗАГРЯЗНЕНИЙ В СТОЧНЫХ ВОДАХ
Составители: Л.П. Сидорова, Е.В. Спиридонова
Введение
Сточные воды являются основным источником микробного загрязнения
объектов окружающей среды, в т.ч. поверхностных пресных и морских вод,
подземных водоносных горизонтов, питьевой воды и почвы.
Сточные воды подразделяются на три основные категории:
─ бытовые;
─ производственные;
─ атмосферные (дождевые и талые).
Для бытовых сточных вод характерно относительно стабильное качество
(при соблюдении норм водопользования). Эти стоки отличаются высоким
уровнем микробного загрязнения на фоне значительной концентрации
взвешенных частиц и органических веществ. Поэтому перед обеззараживанием
необходима их механическая и биологическая очистка.
Состав и свойства городских смешанных сточных вод (промышленнобытовых)
определяются
соотношением
хозяйственно-бытовых
и
промышленных стоков и спецификой предприятий, формирующих эти стоки.
Дополнительные трудности при их обеззараживании возникают в связи с тем,
что
микробное
загрязнение
этих
вод
сочетается
с
разнообразными
органическими и неорганическими веществами, которые сами по себе могут
быть как дополнительными бактерицидами и бактериостатиками, так и служить
благоприятной средой для размножения микроорганизмов.
Для атмосферных вод характерна неравномерность объема по сезонам
года, а уровень микробного загрязнения зависит от степени благоустройства
территории.
14
Загрязнения делятся на минеральные, органические, бактериальные и
биологические, в сточных водах они присутствуют в не растворенном
(коллоидальном) и растворенном состояниях.
Взвешенные вещества
Нерастворенные вещества в сточных водах, задержанные на бумажном
фильтре, называются взвешенными веществами.
Взвешенные вещества – это вещества, которые остаются на фильтре при
использовании того или иного способа фильтрования. Общепринятым является
отнесение к ним частиц минерального и органического происхождения,
остающихся на фильтре при фильтровании пробы через фильтр с диаметром
пор 0,45 мкм.
Взвешенные твердые вещества, присутствующие в природных водах,
состоят из частиц глины, песка, ила, суспендированных органических и
неорганических
веществ,
планктона
и
различных
микроорганизмов.
Концентрация взвешенных частиц связана с сезонными факторами и режимом
стока, зависит от пород, слагающих русло, а также от антропогенных факторов,
таких как сельское хозяйство, горные разработки и т.п.
Взвешенные частицы влияют на прозрачность воды и на проникновение в
нее света, на температуру, состав растворенных компонентов поверхностных
вод, адсорбцию токсичных веществ, а также на состав и распределение
отложений и на скорость осадкообразования. Вода, в которой много
взвешенных частиц, не подходит для рекреационного использования по
эстетическим соображениям.
Биохимическое потребление кислорода
Находящиеся
жизнедеятельности
биохимического
загрязняющих
в
воде
используют
окисления
веществ.
микроорганизмы
растворенный
органических
Количество
в
в
процессе
воде
соединений,
кислорода,
своей
кислород
в
том
для
числе
израсходованное
в
определенный промежуток времени в процессе биохимического окисления
15
органических веществ, содержащихся в анализируемой воде, называется
биохимическим потреблением кислорода (БПК). Этот показатель является
некоторой условной мерой загрязнения вод органическими соединениями, в
особенности достаточно легко подвергающимися биохимической деградации.
Скорость биодеградации органических загрязняющих веществ зависит от
множества факторов. В среднем можно полагать, что при 20 °C за 5 суток
окисляется около 70 % соединений, за 10 и 20 сут – соответственно 90 % и
99 %. Однако для практических целей полное окисление (БПКполн) слишком
длительно и его, как правило, не используют. При неполном окислении
органических веществ для сопоставимости величин БПК его определение
должно проводиться в некоторых стандартных условиях. В качестве таковых
приняты следующие: продолжительность инкубации 5 суток, температура
(20 ± 1) °C, отсутствие доступа света и воздуха. Потребление кислорода,
определенное при этих условиях, называется пятисуточным биохимическим
потреблением кислорода (БПК5). Его находят как разность между содержанием
кислорода в анализируемой пробе воды до и после инкубации.
При определении БПК5 необходимо также соблюдать условия, при
которых количество кислорода в пробе в течение инкубации соответствовало
бы его потреблению. Это зависит от таких факторов, как степень разбавления
проб с большим биохимическим потреблением кислорода, применение одной и
той же разбавляющей воды и способ обработки пробы воды. Содержание
кислорода в анализируемой исходной или разбавленной пробе должно
оставаться в течение всего времени инкубации таким, чтобы были обеспечены
хорошие условия для протекания аэробных биохимических процессов. Это
будет соблюдено, если анализируемая проба или смесь пробы с разбавляющей
водой перед определением будут содержать равновесную с воздухом
концентрацию кислорода (около 9 мг/дм3 при 20 °C), если минимальное
потребление кислорода будет не менее 2 мг/дм3, а оставшаяся спустя 5 суток
концентрация кислорода – не менее 3 мг/дм3.
16
Нефтепродукты
Нефтепродукты
–
неполярные
и
малополярные
углеводороды
(алифатические, ароматические, алициклические), составляющие главную и
наиболее характерную часть нефти и продуктов ее переработки.
Нефтепродукты относятся к числу наиболее распространенных и опасных
веществ, загрязняющих поверхностные воды. Нефть и продукты ее переработки
представляют собой чрезвычайно сложную, непостоянную и разнообразную
смесь веществ (низко- и высокомолекулярные предельные, непредельные
алифатические, нафтеновые, ароматические углеводороды, кислородные,
азотистые, сернистые соединения, а также ненасыщенные гетероциклические
соединения
типа
«нефтепродукты»
смол,
в
ангидридов,
гидрохимии
асфальтеновых
условно
кислот).
Понятие
ограничивается
только
углеводородной фракцией (алифатические, ароматические, алициклические
углеводороды).
Большие количества нефтепродуктов поступают в поверхностные воды
при перевозке нефти водным путем, со сточными водами предприятий
нефтедобывающей, нефтеперерабатывающей, химической, металлургической и
других
отраслей
промышленности,
с
хозяйственно-бытовыми
водами.
Некоторые количества углеводородов поступают в воду в результате
прижизненных выделений растительными и животными организмами, а также в
результате их посмертного разложения.
Нефтепродукты
находятся
в
различных
миграционных
формах:
растворенной, эмульгированной или сорбированной на твердых частицах
взвесей и донных отложений или в виде пленки на поверхности воды. Обычно в
момент поступления масса нефтепродуктов сосредоточена в пленке. По мере
удаления от источника загрязнения происходит перераспределение между
основными формами миграции, направленное в сторону повышения доли
растворенных, эмульгированных и сорбированных нефтепродуктов.
В незагрязненных нефтепродуктами водных объектах концентрация
естественных углеводородов может колебаться в морских водах от 0,01 до
17
0,10 мг/дм3 и выше, в речных и озерных водах от 0,01 до 0,20 мг/дм3, иногда
достигая 1–1,5 мг/дм3. Содержание естественных углеводородов определяется
трофическим
статусом
водоема
и
в
значительной
мере
зависит
от
биологической ситуации в водоеме.
Неблагоприятное воздействие нефтепродуктов сказывается различными
способами на организме человека, животном мире, водной растительности,
физическом, химическом и биологическом состоянии водоема. Входящие в
состав нефтепродуктов низкомолекулярные алифатические, нафтеновые и
особенно ароматические углеводороды оказывают токсическое и, в некоторой
степени, наркотическое воздействие на организм, поражая сердечнососудистую
и нервную системы. Наибольшую опасность представляют полициклические
конденсированные
углеводороды
типа
3,4-бензапирена,
обладающие
канцерогенными свойствами. Нефтепродукты обволакивают оперение птиц,
поверхность тела и органы других гидробионтов, вызывая заболевания и
гибель.
В присутствии нефтепродуктов вода приобретает специфический вкус и
запах, изменяется ее цвет, рН раствора, ухудшается газообмен с атмосферой.
Синтетические поверхностно-активные вещества
Синтетические поверхностно-активные вещества (СПАВ) представляют
собой обширную группу соединений, различных по своей структуре,
относящихся к разным классам. Эти вещества способны адсорбироваться на
поверхности раздела фаз и понижать вследствие этого поверхностную энергию
(поверхностное натяжение).
СПАВ используются при добыче и переработке нефти, газа, в
металлургии, текстильной, химической и других областях промышленности в
качестве моющих и чистящих средств, эмульгаторов, присадок. Значительные
количества СПАВ используются в быту, а также в составе пестицидов,
используемых для различных целей в сельском хозяйстве.
Причиной появления СПАВ в природных водах являются, главным
образом, сбросы неочищенных сточных вод, некоторое количество СПАВ
18
может поступать с грунтовыми водами, куда они попадают в процессе очистки
на полях фильтрации, а также с атмосферными осадками.
Попадая в воду, СПАВ оказывают неблагоприятное влияние на ее
органолептические показатели. Наиболее неприятным свойством СПАВ
является их способность к пенообразованию. В пене на поверхности водоёма
концентрируются как сами СПАВ, так и другие загрязняющие вещества и
микроорганизмы, в том числе патогенные.
При наличии пены в водоёмах ухудшается аэрация воды, следствием чего
является замедление процессов самоочищения, угнетение деятельности
гидробионтов.
Все поверхностно-активные вещества делятся на четыре класса:
анионоактивные, катионоактивные, неионогенные и амфолитные.
Анионоактивные ПАВ – это соединения, которые в водных растворах
диссоциируют с образованием анионов (отрицательно заряженных ионов),
обусловливающих поверхностную активность. На долю анионоактивных из
всех производимых ПАВ приходится более 70 %. Среди них наибольшее
значение имеют алкилбензолсуль-фонаты натрия, алкилсульфонаты натрия и
алкилсульфаты
натрия.
Алкилбензолсульфонатами
сульфокислот
ароматических
соединений,
называются
соли
алкилсульфатами-соли
сульфоэфиров спиртов и алкилсульфонатами – соли сульфокислот алканов.
Катионоактивные ПАВ – это соединения, которые в водном растворе
диссоциируют с образованием катионов, определяющих поверхностную
активность. Объемы производства и потребления катионоактивных ПАВ
значительно меньше анионоактивных, однако выпуск их увеличивается, так как
они обладают ценными свойствами – бактерицидностью.
Неионогенные ПАВ – это соединения, которые растворяются в воде, не
ионизируясь. Растворимость неионогенных ПАВ в воде обусловливается
наличием в них функциональных групп. Как правило, они образуют гидраты в
водном растворе вследствие возникновения водородных связей между
19
молекулами воды и атомами кислорода полиэтиленгликолевой части
молекулы ПАВ.
Общая формула их R-Х-(СН2-СН2О)nН, где R – алкильный или
алкиларильный радикал; X-О-; -СОО-; -СONН и др. Общим для этой группы
СПАВ является присутствие полиоксиэтиленовой цепи, на реакциях которой и
основано определение суммарного содержания неионогенных СПАВ.
По объему производства и потребления неионогенных ПАВ они стоят на
втором месте после анионоактивных; биоразлагаемость их достигает 100 %.
Они хорошо стабилизируют пены и оказывают благоприятное действие на
ткани, меха и кожу. Поскольку неионогенные ПАВ в большинстве случаев
бывают жидкими или пастообразными, они большей частью используются в
жидких или пастообразных моющих средствах. В порошкообразные моющие
средства ПАВ вводятся в виде добавок.
Амфолитные ПАВ – это соединения, которые в водных растворах
ионизируются и ведут себя в зависимости от условий (главным образом от рН
среды), т. е. в кислом растворе проявляют свойства катионо-активных, а в
щелочном растворе – анионоактивных поверхностно-активных веществ.
Амфолитные ПАВ широко применяются в производстве пеномоющих
средств и шампуней благодаря их мягкому воздействию на кожу.
Для определения требуемой степени очистки сточных вод перед
выпуском их в водоем и для гидравлических и технологических расчетов
отдельных очистных сооружений канализации должны быть определены
расчетные параметры очистной станции – характерные расчетные расходы,
концентрации загрязнений в сточных водах.
Определение расчётной массовой концентрации загрязнений
в раздельной системе канализаций
1.
Концентрация взвешенных веществ.
В хозяйственно-бытовых сточных водах, г/м3:
20
(2.1)
где b – масса взвешенных веществ на одного жителя, г/сут;
1000 – переводной коэффициент из литров в м3;
n – норма среднесуточного водоотведения на одного жителя, л/сут.
В сточных водах промышленных предприятий концентрация взвешенных
веществ bпр г/м3 принимается по технологическому заданию, представленному
в таблице 2.3.
В общем стоке, г/м3:
(2.2)
где Qпр – суточный приток сточных вод от группы предприятий, м3;
bбыт
и
bпр
–
концентрации
взвешенных
веществ в
бытовых
и
производственных сточных водах, г/м3;
Qбыт – средний суточный расход бытовых сточных вод, м3/сут.
(2.3)
где N – расчётное население города, чел.;
1000 – переводной коэффициент из литров в м3.
2.
Концентрация БПКполн
В хозяйственно-бытовых сточных водах, г/м3:
(2.4)
где l – БПКполн осветлённой сточной жидкости на одного жителя, г/сут;
1000 – переводной коэффициент из литров в м3.
В
сточных
водах
промышленных
предприятий
концентрации
БПКполн Lпр г/м3 принимается по технологическому заданию, представленному в
таблице 2.3.
В общем стоке, г/м3:
21
(2.5)
3.
Содержание нефтепродуктов
В производственных сточных водах содержание нефтепродуктов С пр, г/м3
принимается по технологическому заданию, представленному в табл. 2.3.
В общем стоке, г/м3:
(2.6)
4.
Содержание
синтетических
поверхностно-активных
веществ
(СПАВ) в хозяйственно-бытовых сточных водах, г/м3:
(2.7)
где k – масса СПАВ на одного жителя, г/сут;
1000 – переводной коэффициент из литров в м3.
В
производственных
сточных
водах
содержание
синтетических
поверхностно – активных веществ Kпр, г/м3 принимается по технологическому
заданию, представленному в табл. 2.3.
В общем стоке, г/м3:
(2.8)
Определение расчётной массовой концентрации загрязнений
в общесплавной системе канализации
Концентрация загрязнений в дождевых водах принята в соответствии с
рекомендациями
СНиП
«Канализация.
2.04.03-85
Наружные
сети
и
сооружения»: для взвешенных веществ bд = 300 мг/л; для БПКполн Lд =50 мг/л.
Содержание нефтепродуктов Сд = 10 мг/л.
Концентрация загрязнений в стоке в сухую погоду принята по
вышеприведенному расчету.
22
1.
Концентрация загрязнений взвешенных веществ в общем стоке,
поступающем на очистку, мг/л:
(2.9)
где bд – концентрация взвешенных веществ в дождевых водах, мг/л.
Qсух – расход сточных вод в сухое время года, л/с, рассчитываемый по
формуле:
(2.10)
где qбыт – средний секундный расход бытовых вод, л/с, рассчитываемый по
формуле:
(2.11)
где qпр – средний секундный расход в смену наибольшего водопотребления
промышленного предприятия, л/с, рассчитываемый по формуле:
(2.12)
где Qмах.см – наибольший расход воды в смену, м3, сумма всех притоков за
смену от 8 до 16 часов. Определяется по таблицам притока сточных вод от
промышленных предприятий в городскую канализацию по часам суток. Выбор
нужной таблицы производится по заданному суточному притоку сточных вод
от группы предприятий;
T – продолжительность смены, включая обеденный перерыв;
3,6 – переводной коэффициент.
Расход дождевых вод, поступающих на очистные сооружения, л/с:
(2.13)
где n0 – коэффициент разбавления на ливнеспуске, устраиваемом у очистных
сооружений, равный 0,75.
23
2.
Концентрация загрязнений БПКполн в общем стоке, поступающем на
очистку, мг/л:
(2.14)
3.
Концентрация
загрязнений
нефтепродуктов
в
общем
стоке,
поступающем на очистку, мг/л:
(2.15)
4.
Концентрация загрязнений БПКполн в общем стоке, поступающем на
очистку, мг/л:
(2.16)
Задание
В соответствии со своим вариантом рассчитать массовую концентрацию
загрязнений в сточных водах раздельной и общесплавной систем канализации.
Сравнить концентрации в общем стоке по: взвешенным веществам; БПКполн ;
нефтепродуктам; синтетически поверхностно-активным веществам.
Таблица 2.1
Исходные данные для расчета
п/п
Параметры
1
Вариант
1
2
3
4
5
n, л/сут
150
200
440
550
660
2
N, чел
140 000
216 000
470 000
600 000
690 000
3
Qпр, м3
22 800
24 000
28 800
36 200
60 000
24
Таблица 2.2
Количество загрязняющих воду веществ на одного жителя
Количество загрязняющих веществ
Показатель
на одного жителя, г/сут
Взвешанные вещества
65
БПКполн осветленной жидкости
40
Синтетические поверхностноактивные вещества (СПАВ)
2,5
Таблица 2.3
Содержание загрязняющих веществ в сточных водах
промышленных предприятий при t = 22°C
Содержание загрязняющих
веществ, г/м3
Показатель
Взвешенные вещества
bпр = 250
БПК20
Lпр = 140
Нефтепродукты
Спр = 20
Синтетические поверхностно-активные вещества
(СПАВ)
Кпр = 22
Таблица 2.4
Приток сточных вод от промышленных предприятий в городскую
канализацию по часам суток (по технологическим данным Qпр = 22 800 м3)
Часы суток Приток, м3 Часы суток Приток, м3 Часы суток Приток, м3
0–1
750
8–9
1450
16–17
950
1–2
950
9–10
2450
17–18
1150
2–3
750
10–11
1950
18–19
950
3–4
750
11–12
1450
19–20
950
4–5
550
12–13
950
20–21
750
5–6
550
13–14
950
21–22
750
6–7
450
14–15
750
22–23
750
7–8
450
15–16
750
23–24
650
25
Таблица 2.5
Приток сточных вод от промышленных предприятий в городскую
канализацию по часам суток (по технологическим данным Qпр = 24 000 м3)
Часы суток Приток, м3 Часы суток Приток, м3 Часы суток Приток, м3
0–1
800
8–9
1500
16–17
1000
1–2
1000
9–10
2500
17–18
1200
2–3
800
10–11
2000
18–19
1000
3–4
800
11–12
1500
19–20
1000
4–5
600
12–13
1000
20–21
800
5–6
600
13–14
1000
21–22
800
6–7
500
14–15
800
22–23
800
7–8
500
15–16
800
23–24
700
Таблица 2.6
Приток сточных вод от промышленных предприятий в городскую
канализацию по часам суток (по технологическим данным Qпр = 28 800 м3)
Часы суток Приток, м3 Часы суток Приток, м3 Часы суток Приток, м3
0–1
1000
8–9
1700
16–17
1200
1–2
1200
9–10
2700
17–18
1400
2–3
1000
10–11
2200
18–19
1200
3–4
1000
11–12
1700
19–20
1200
4–5
800
12–13
1200
20–21
1000
5–6
800
13–14
1200
21–22
1000
6–7
700
14–15
1000
22–23
1000
7–8
700
15–16
1000
23–24
900
Таблица 2.7
Приток сточных вод от промышленных предприятий в городскую
канализацию по часам суток (по технологическим данным Qпр = 32 600 м3)
Часы суток Приток, м3 Часы суток Приток, м3 Часы суток Приток, м3
0–1
1300
8–9
2000
16–17
1500
1–2
1500
9–10
3000
17–18
1700
2–3
1300
10–11
2500
18–19
1500
3–4
1300
11–12
2000
19–20
1500
4–5
1200
12–13
1500
20–21
1300
5–6
1200
13–14
1500
21–22
1300
6–7
1000
14–15
1300
22–23
1300
7–8
1000
15–16
1300
23–24
1200
26
Таблица 2.8
Приток сточных вод от промышленных предприятий в городскую
канализацию по часам суток (по технологическим данным Qпр = 60 000 м3)
Часы суток Приток, м3 Часы суток Приток, м3 Часы суток Приток, м3
0–1
2300
8–9
3000
16–17
2500
1–2
2500
9–10
4000
17–18
2700
2–3
2300
10–11
3500
18–19
2500
3–4
2300
11–12
3000
19–20
2500
4–5
2100
12–13
2500
20–21
2300
5–6
2100
13–14
2500
21–22
2300
6–7
2000
14–15
2300
22–23
2300
7–8
2000
15–16
2300
23–24
2200
Контрольные вопросы
1. Назовите категории сточных вод и их особенности.
2. Дайте определение взвешенным веществам. На какие свойства воды влияют
взвешенные частицы?
3. Что такое БПК. Стандартные условия для его определения. Чем отличается
БПК5 от БПК полн.?
4. Дайте определение нефтепродуктам. В каких миграционных формах они
могут находиться?
5. Назовите и дайте краткую характеристику классам поверхностно-активных
веществ.
6. В своём варианте сравнить концентрации в общем стоке по: взвешенным
веществам;
БПКполн;
нефтепродуктам;
активным веществам?
27
синтетически
поверхностно-
3. ПРОЦЕССЫ ФИЛЬТРОВАНИЯ
Составители: Л.П. Сидорова, Е.А. Балтина
Введение
Фильтрование (от лат. filtrum – войлок) – разделение неоднородных
систем жидкость – твердые частицы (суспензии) и газ – твердые частицы в
специальных аппаратах – фильтрах, снабженных пористыми фильтровальными
перегородками, которые пропускают жидкость или газ, но задерживают
твердую фазу. Движущая сила процесса – разность давлений Δp по обе стороны
фильтрующей перегородки.
Различают:
а)
собственно
разделение
суспензий
–
отделение
содержащихся в них твердых частиц, отлагаемых на фильтрующей перегородке
(осадок), через которую проходит подавляющее количество жидкости
(фильтрат); б) сгущение суспензий – повышение в них концентрации твердой
фазы путем удаления через перегородку некоторой части жидкой фазы;
в) осветление жидкостей – очистка от содержащегося в них небольшого
количества тонких взвесей.
Качество фильтрата оценивают коэффициентом очистки с1/с2, где с1 и с2 –
концентрации
твердой
фазы
в
исходной
суспензии
и
фильтрате,
коэффициентом уноса с2/с1; степенью очистки (с1–с2)/с1 (отношение количества
задержанной и исходной твердой фазы). Качество осадка оценивают
содержанием в нем жидкой фазы.
Интенсивность разделения суспензии, νф может определяться объемом
фильтрата V, м3, прошедшего через единицу площади S, м2, за единицу времени
τ, или скоростью фильтрования:
νф = dV/dτS.
В химической технологии под фильтрованием понимают весь комплекс
процессов, происходящих на фильтрах: собственно фильтрование, промывка и
обезвоживание осадка, а также вспомогательные операции (загрузка суспензии,
разгрузка и удаление осадка, регенерация ткани).
28
Для преодоления гидравлического сопротивления необходимо создание
перепада
давления.
На
практике
встречаются
следующие
режимы
фильтрования: 1) при Δp = const (разделение под вакуумом, под давлением, при
подаче суспензии центробежным насосом, производительность которого
значительно превышает производительность фильтра); 2) при ν = const (подача
суспензии объемным насосом); 3) при непрерывно изменяющихся Δp и ν
(подача центробежным насосом).
При фильтровании сопротивление R непрерывно возрастает, поскольку
толщина осадка растет. В некоторых случаях поры образующегося осадка
забиваются, что приводит к резкому росту сопротивления.
Фильтрование можно интенсифицировать путем повышения температуры
суспензии, давления, уменьшения толщины слоя, рационального выбора
фильтрующей перегородки и способа ее регенерации, а также снижением
удельного сопротивления осадка. Последний способ наиболее эффективен,
поскольку удельное сопротивление осадка обратно пропорционально квадрату
диаметра
твердой
применением
частицы,
коагулянтов
который,
и
в
свою
очередь,
регулируется
и
рациональным
флокулянтов
приготовлением суспензии.
Промывка
осадка
–
замена фильтрата
в
порах
осадка
чистым
растворителем; сопровождается гидродинамическими процессами поршневого
вытеснения и смешения двух жидкостей, а также диффузионными и другими
процессами. Задача промывки – удалить примеси из пор и щелей осадка и
заменить их промывной жидкостью, которая впоследствии может быть легко
удалена из осадка путем сушки или центрифугирования. Объем жидкости,
необходимой для промывки, может быть в 2,5–5 раз больше объема пор.
Для интенсификации промывки осадок взмучивают в промывной жидкости; при
этом
ускоряется диффузия, а фильтрат извлекается
межагрегатных пор.
29
из тупиковых и
Обезвоживание – удаление жидкой фазы из пор осадка. Его обезвоживают
продувкой сжатым газом или паром, а также путем их механического отжима.
Продувкой удаляют избыточную и часть капиллярной влаги.
Механический
отжим
производят
валками,
вибрационными
устройствами, фильтрующими перегородками, эластичными мембранами и
обычно применяют для обезвоживания структурированных осадков. При этом
агрегаты разрушаются, твердые частицы перемещаются относительно друг
друга, а иногда и деформируются; толщина осадка уменьшается. Отношение
объема жидкости, находящейся в исходном осадке к объему жидкости,
оставшейся в порах после фильтрации, называется степенью обезвоживания.
Фильтровальные перегородки должны обладать хорошей задерживающей
способностью, незначительным гидравлическим сопротивлением, физикомеханической прочностью и равномерным распределением пор по размерам,
сохранять
проницаемость
при
многократном
фильтровании,
легко
регенерироваться.
Фильтровальные перегородки бывают гибкими и негибкими. Гибкие –
это обычно тканые, сетчатые и нетканые перегородки, которые изготавливают
из
таких
материалов,
как
хлопок,
шерсть,
шелк,
полиакрилонитрил,
поливинилхлорид и др. Нетканые перегородки превосходят тканые по
грязеемкости, пористости, задерживающей способности, проницаемости, но
существенно уступают им по механической прочности, регенерируемости и
условиями съема осадка. Некоторые из них пригодны лишь для одноразового
применения.
Негибкие фильтрующие перегородки изготавливаются из керамики,
металлокерамики, пористых пластмасс и металлов. Они могут выпускаться в
виде плит, листов либо других форм. Отличаются постоянством структуры при
изменении давления, хорошей задерживающей способностью. Это так
называемые жесткие перегородки.
Нежесткие перегородки бывают намывными и насыпными (песок, гравий,
кокс). Эти слои имеют высоту до 1 м и могут регенерироваться обратным током
30
фильтрата. Каждый тип перегородок имеет свои достоинства и недостатки и
выбирается в зависимости от фильтруемой системы.
По способу создания разности давлений промышленные фильтры обычно
подразделяются на фильтры, работающие под вакуумом, и фильтры,
работающие под давлением; по способу функционирования – на фильтры
периодического и непрерывного действия. В последних фильтровальная
перегородка обычно перемещается, процесс (подача суспензии и разделение
продуктов)
осуществляется
непрерывно,
а
все
операции
проводятся
последовательно.
При постоянном перепаде давлений (Δp = const) объем фильтрата V,
прошедшего через F = 1 м2 фильтрующей поверхности за время τ, и
продолжительность фильтрования τ связаны уравнением
V2
V
 2   C  K  ,
F
F
где
С
–
константа
фильтрования,
(3.1)
характеризующая
гидравлическое
сопротивление фильтрующей перегородки (ткани), м3/м2;
К
–
константа
фильтрования,
учитывающая
режим
процесса
фильтрования и физико-химические свойства осадка и жидкости, м2/ч;
τ – продолжительность фильтрования, ч.
Константы К и С определяются опытным путем. Для этой цели составляют
систему уравнений с двумя неизвестными, где К и С – неизвестны, а известны
измеренные значения V1-1 и V2-2. Тогда после ряда преобразований получим
следующие уравнения:
2
2
 V1 
V 
   2   2   1
F
F
С 
,
V1
 V2

2    1   2 
F
F

(3.2)
2
V
 V2 
   2 2 C
F
F
К 
.
2
31
(3.3)
Скорость фильтрования, м3/(м2·ч), в данный момент определяется по
уравнению:
i 
K
.
 Vi

2  C
F

(3.4)
Средняя скорость фильтрования, м3/(м2·ч), определяется по уравнению:
n
 ср 

i
i
(3.5)
.
n
По этому уравнению может быть рассчитана и скорость промывки осадка
промывной жидкостью, если вязкость промывной жидкости равна вязкости
фильтрата и если промывная жидкость проходит через фильтр тем же путем,
что и фильтрат. При этих условиях скорость промывки равняется скорости
фильтрования в конечный момент.
Константа фильтрования К, м2/ч, отнесенная к 1 м2 фильтрующей
поверхности, при Δp = const связана с удельным сопротивлением осадка
уравнением
K
2 р
,
сr
(3.6)
где Δp – перепад давлений на фильтре, Па;
μ – динамический коэффициент вязкости фильтрата;
r – удельное сопротивление осадка (в пересчете на 1 кг содержащегося в
нем твердого сухого вещества), м/кг;
с – масса твердого сухого вещества, отлагающегося на фильтре при
прохождении через фильтрующую поверхность 1 м3 фильтрата, кг/м3.
Величина
с,
кг/м3,
может
быть
выражена
через
концентрацию
фильтруемой суспензии x следующим образом:
c
x
1  mx
,
где  – плотность фильтрата, кг/м3;
х – массовая концентрация твердой фазы в суспензии, кг/кг;
32
(3.7)
m –масса влажного осадка в расчете на 1 кг содержащегося в нем сухого
вещества, кг/кг, причем
m
1
,
1
(3.8)
где ω – влажность осадка, %.
При подстановке значения с в уравнение (3.6) получаем следующую
формулу для константы K, м2/с:
K
2p (1  mx)
.
rx
(3.9)
Если известна константа фильтрования К, то удельное сопротивление
осадка r, м/кг сухого осадка, может быть найдено из уравнений (3.6) и (3.7):
r
2p (1  mx)
.
Kx
(3.10)
Константа фильтрования С, м3/м2, характеризующая сопротивление
фильтрующей перегородки (ткани) и отнесенная к 1 м2 поверхности фильтра,
при Δp = const определяется следующим выражением:
C
rтк
rc
(3.11)
или в соответствии с уравнением (7):
C
rтк (1  mx)
,
rx
(3.12)
где rтк – удельное сопротивление фильтрующей ткани (на 1 м2 поверхности), м/м2 ;
r – удельное сопротивление осадка, м/кг.
Следовательно, если значение константы фильтрования С, м3/м2,
известно, то удельное сопротивление ткани
может быть вычислено по
формуле:
rтк 
Сrx
.
1  mx
(3.13)
Используя данные таблицы в соответствии с указанным вариантом,
выполнить задания:
Задание I: определить среднюю скорость фильтрования υср заданного
объема суспензии через 1 м2 фильтра по экспериментальным данным V1-1 и V2-2,
33
используя уравнение скорости фильтрования (3.4) и уравнение средней скорости
фильтрования (3.5). Величины К и С определяются из уравнений (3.2) и (3.3).
Для расчетов продолжительность фильтрования τ следует перевести в
часы:
1с=
1
ч.
3600
Задание II: по данным указанного варианта определить удельное
сопротивление r осадка вещества, содержащегося в суспензии, по формуле
(3.10) и удельное сопротивление ткани rтк по формуле (3.13).
Величина динамического коэффициента вязкости определяется по
данным таблицы для указанной в варианте температуры.
Таблица 3.1
Динамический коэффициент вязкости воды
Т, ºС
0
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
16
17
18
19
20
20
21
22
μ, мПа·с
1,792
1,731
1,673
1,619
1,567
1,519
1,473
1,428
1,386
1,346
1,308
1,271
1,236
1,203
1,171
1,140
1,111
1,083
1,056
1,030
1,005
1,000
0,9810
0,9579
Т, ºС
33
34
35
36
37
38
39
40
41
42
43
44
45
46
47
48
49
50
51
52
53
54
55
56
μ, мПа·с
0,7523
0,7371
0,7225
0,7085
0,6947
0,6814
0,6685
0,6560
0,6439
0,6321
0,6207
0,6097
0,5988
0,5883
0,5782
0,5683
0,5588
0,5494
0,5404
0,5315
0,5229
0,5146
0,5064
0,4985
34
Т, ºС
67
68
69
70
71
72
73
74
75
76
77
78
79
80
81
82
83
84
85
86
87
88
89
90
μ, мПа·с
0,4233
0,4174
0,4117
0,4061
0,4006
0,3952
0,3900
0,3849
0,3799
0,3750
0,3702
0,3655
0,3610
0,3565
0,3521
0,3478
0,3436
0,3395
0,3355
0,3315
0,3276
0,3239
0,3202
0,3165
Продолжение таблицы 3.1
23
24
25
26
27
28
29
30
31
32
0,9358
0,9142
0,8937
0,8737
0,8545
0,8360
0,8180
0,8007
0,7840
0,7679
57
58
59
60
61
62
63
64
65
66
0,4907
0,4832
0,4759
0,4688
0,4618
0,4550
0,4483
0,4418
0,4355
0,4293
91
92
93
94
95
96
97
98
99
100
0,3130
0,3095
0,3060
0,3027
0,2994
0,2962
0,2930
0,2899
0,2868
0,2838
Величину динамического коэффициента вязкости следует перевести в
систему единиц, применяемую для расчета:
 = 1мПас =
1
10‾ 3 Пач.
3600
Таблица 3.2
Исходные данные
Параметры Размерность
х
t

F
∆р1
V1
V2
1
2

кг/кг
о
С
кг/м3
м2
104 · Па
10-2 · м3/м2
10-2 · м3/м2
С
С
%
Варианты
1
2
0,14
0,10
20
25
1000
1020
1,0
0,5
3,43
2,52
2,92
2,0
7,80
6,80
146
120
888
806
37
30
3
0,20
30
1050
0,2
2,82
3,56
8,44
180
920
42
4
0,25
35
1015
0,4
3,05
1,50
7,46
90
820
40
5
0,30
40
1100
0,8
4,26
1,76
6,24
80
604
38
Обозначения параметров, применяемых при расчетах:
─ V – объем фильтрата, прошедшего через 1 м2 поверхности за
время , м3/м2;
─ С
–
константа
фильтрования,
характеризующая
сопротивление фильтрующей перегородки (ткани);
35
гидравлическое
─ К
–
константа
фильтрования,
учитывающая
режим
процесса
фильтрования и физико-химические свойства осадка и жидкости;.
─ τ – продолжительность фильтрования, с;
─
р
– перепад давлений на фильтре, Па;
─ r – удельное сопротивление осадка (в расчете на 1 кг содержащегося в
нем сухого твердого вещества), м/кг;
─ rтк – удельное сопротивление фильтрующей ткани, отнесенное к 1 м2 ее
поверхности, м/м2;
─ с – масса сухого остатка вещества, отлагающегося на фильтре при
прохождении 1 м3 фильтрата, м/кг:
Gсух
c = Vф
кг сухого вещества
,
м 3 фильтрата
где  – плотность фильтрата, кг/м3;
─ х – массовая концентрация твердой фазы в суспензии, кг/кг:
х=
Gсух кг сухого вещества
,
кг суспезии
Gсусп
где m – масса влажного осадка в расчете на 1 кг содержащегося в нем
сухого вещества (влажность осадка), кг/кг:
m=
Gв л.ос. кг влажного осадка
,
Gсух кг сухого вещества
где F – рабочая площадь фильтра, м2
Контрольные вопросы
1.
Для каких целей используется процесс фильтрования?
2.
Какой параметр характеризует свойства ткани, и какой – физикохимические свойства осадка и жидкости?
3.
Каким образом можно определить значение констант К и С?
4.
Как меняются величины сопротивления ткани и осадка по мере
накопления вещества на фильтре?
5.
Какие виды фильтров применяются в процессе фильтрования?
36
4. РАСЧЕТ ФИЛЬТРОВ РАЗЛИЧНЫХ ТИПОВ КОНСТРУКЦИИ
ДЛЯ ОЧИСТКИ СТОЧНЫХ ВОД
Составители: Л.П. Сидорова, О.А. Тюляпкина
Введение
Фильтрование – процесс разделения суспензий или аэрозолей при
помощи фильтровальных перегородок, пропускающих жидкость или газ, но
задерживающих твёрдые частицы, осуществляется в специальных аппаратах –
фильтрах.
Фильтрационные сооружения и установки применяют для глубокой
очистки (доочистки) городских и производственных сточных вод, прошедших
биологическую или физико-химическую очистку. Они подразделяются на
фильтры с зернистой загрузкой и сетчатые барабанные фильтры.
Фильтры с зернистой загрузкой классифицируются:
─
по направлению потока: бывают с нисходящим (сверху вниз) и восходящим
(снизу вверх) потоком, в отдельных случаях – с горизонтальным потоком;
─
по конструкции: различают однослойные, двухслойные, аэрируемые и
каркасно-засыпные;
─
по виду фильтрующего материала: природные материалы (кварцевый
песок, гравий, гранитный щебень, доменный шлак, керамзит, антрацит, горелые
породы, мраморная крошка) или искусственные материалы (полимеры –
пенополиуретан, полистирол, полипропилен и др.).
Сетчатые барабанные фильтры, применяемые в качестве самостоятельных
сооружений глубокой очистки, называют микрофильтры, а устанавливаемые
перед зернистыми фильтрами глубокой очистки – барабанные сетки.
В результате доочистки сточных вод в загрузке фильтров задерживаются
мелкодисперсные взвешенные частицы и активный ил, выносимые из
отстойников или осветлителей, а также некоторые специфические компоненты,
характерные
для
стоков
отдельных
(нефтепродукты, фосфор и др.).
37
промышленных
предприятий
Различают рабочий режим и форсированный режим, который возникает
при выключении отдельных секций фильтров на промывку и ремонт. При
форсированном режиме скорость фильтрования увеличивается.
Регенерацию
зернистых
фильтрующих
материалов
производят
промывкой водой или водой и воздухом, синтетические материалы обычно
отжимают для регенерации. Для промывки фильтров можно использовать
водопроводную воду или воду после барабанных сеток и фильтров.
Конструктивные типы фильтров
Фильтры с нисходящим потоком
Однослойные фильтры с нисходящим потоком воды используют для
доочистки производственных стоков после механической очистки для
задержания мелкодисперсных взвешенных частиц, а также биологически
очищенных городских сточных вод (см. рис. 4.1).
Загрузку фильтра составляет кварцевый песок (крупностью до 2 мм и
толщиной слоя (1,2–1,3 м) с поддерживающим слоем из гравия (с крупностью
зерен 2–10 мм высотой слоя 0,5–0,7 м).
При наличии местного гранитного щебня загрузка фильтра может
производиться щебнем крупностью 3–10 мм, толщиной слоя 1,2 м.
Рис. 4.1. Зернистый фильтр с нисходящим потоком:
1 – подвод воды; 2 – отвод промывной воды; 3 – отвод фильтрата; 4 – подача промывной
воды; 5 - распределительный карман; 6 – желоб для подачи исходной воды; 7 – песчаная
загрузка; 8 – поддерживающий слой
38
Для регенерации фильтров предусматривается водо-воздушная или
водяная
промывка
восходящим
потоком.
Водо-воздушная
промывка
производится в четыре этапа:
─
начальное взрыхление верхнего слоя загрузки механическим или
гидравлическим способом;
─
продувка воздухом для выравнивания гидравлического сопротивления по
всей площади фильтра;
─
водо-воздушная совместная промывка;
─
дополнительная
промывка
водой
для
разрыхления
загрузки
и
восстановления ее первоначальной пористости.
Эффект доочистки для мелкозернистых фильтров по взвешенным
веществам составляет 70–75 %, по БПКполн – 50–60 %, для крупнозернистых (с
загрузкой из щебня) соответственно 45–50 % и 35–40 %. Фильтроцикл
составляет 12 ч.
Фильтры с восходящим потоком
Фильтрование воды снизу вверху значительно улучшает условия работы
фильтра вследствие реализации принципа убывающей крупности зерен вдоль
потока (см. рис. 4.2). В результате увеличивается грязеемкость фильтра,
продолжительность фильтроцикла, исключается заиливание мелкозернистых
слоев. Недостатком фильтров с восходящим потоком является заиливание
дренажа, которое приводит к ненадежности их работы и осложнениям в
эксплуатации.
Фильтрующая загрузка состоит из речного песка крупностью 1,2–2 мм и
высотой слоя 1,5–2 м, а также подстилающего слоя гравия толщиной до 0,95 м.
Для регенерации фильтров предусматривается водо-воздушная промывка.
Эффект доочистки для таких фильтров по взвешенным веществам составляет
70–85 %, по БПКполн – 50–65 %.
39
Рис. 4.2. Фильтр с восходящим потоком воды:
1 – подвод воды; 2 – подвод промывной воды; 3 – отвод фильтрата; 4 – отвод промывной
воды; 5 – подача воздуха; 6 – пескоулавливающий желоб; 7 – струенаправляющий выступ;
8 – загрузка; 9 – поддерживающий слой
Двухслойные фильтры
В двухслойных фильтрах используется принцип фильтрования в
направлении уменьшающейся крупности зерен при загрузке сверху вниз.
Верхний слой загрузки толщиной 0,4–0,5 м состоит из кварцевого песка
крупностью зерен 1,2–2 мм, нижний слой (кварцевый песок) имеет толщину
0,6–0,7 м и крупность зерен 0,7–1,6 мм.
Рис. 4.3. Двухслойный фильтр:
1 – подача исходной воды; 2 – отвод промывной воды; 3 – отвод фильтрата; 4 – подача
промывной воды; 5 – распределительный карман; 6 – желоб для подачи исходной воды; 7 –
загрузка из антрацита; 8 – загрузка из песка; 9 – поддерживающий слой.
40
Кроме кварцевого песка, в верхних слоях может быть использован
дробленый антрацит или керамзит. Поддерживающий слой высотой 0,55–0,8 м
состоит из гравия крупностью 2–400 мм (см. рис. 4.3).
Двухслойная загрузка обеспечивает более равномерное распределение
загрязнений по высоте фильтра, увеличение продолжительности работы. Цикл
фильтрования равен 24 ч. Промывка фильтров производится током воды снизу
вверх.
К
недостаткам
таких
фильтров
относится
сложность
создания
двухслойной загрузки, завышенный строительный объем фильтра, возможность
уноса зерен верхнего слоя загрузки. Эффект доочистки для таких фильтров по
взвешенным веществам составляет 70–80 %, по БПКполн – 60–70 %.
Аэрируемые фильтры
В аэрируемом зернистом фильтре в процессе фильтрации вводится и распределяется в толще загрузки сжатый воздух или кислород, что способствует
интенсификации биохимического процесса внутри фильтра. Процесс очистки
от загрязнений в аэрируемых фильтрах происходит в две ступени, первая
служит для удаления взвешенных веществ, вторая – для растворенных и
коллоидных органических загрязнений (см. рис. 4.4).
Рис. 4.4. Аэрируемые фильтры:
а – двухъярусный, б – двухступенчатый:
1 – подача исходной воды; 2 – подача промывной воды; 3 – отвод фильтрата и промывной
воды; 4 – подача воздуха; 5 – загрузка первого яруса (ступени); 6 – дырчатая перегородка;
7 – загрузка второго яруса (ступени)
41
В качестве фильтрующей загрузки применяется кварцевый песок
крупностью 1–1,8 мм при высоте слоя 1 м и гранитный щебень крупностью
зерен 3–6 мм при высоте слоя 1–1,5 м. Поддерживающий слой состоит из
гравия крупностью 2–32 мм и высотой 0,45 м.
При использовании таких фильтров достигается снижение взвешенных
веществ в сточной воде на 80–90 %, БПКполн – на 75–80 %
Каркасно-засыпные фильтры
Каркасно-засыпные фильтры (КЗФ) по конструкции представляют собой
двухслойный фильтр с нисходящим потоком воды (рис. 4.5).
Загрузка каркасно-засыпного фильтра состоит из каркаса, в качестве
которого используется гравий или щебень с размерами фракций 40–60 мм, и
засыпки, состоящей из кварцевого песка крупностью 0,8–1 мм. Очищаемая вода
проходит сначала через слой каркаса, где очищается от основной массы
загрязнений, а затем поступает для доочистки в нижние слои.
Преимуществами каркасно-засыпного фильтра являются:
‒ стабильность очистки воды при значительных колебаниях качества и
количества исходной воды;
‒ возможность использования контактной коагуляции, которая позволяет при
той же скорости фильтрования достичь концентраций взвешенных веществ
3 мг/л и нефтепродуктов 1–1,5 мг/л.
Продолжительность фильтроцикла составляет 20 ч.
Промывка фильтра может быть водо-воздушной или водяной. При водовоздушной промывке воду в фильтре спускают до уровня песка, подают воздух
и воду для промывки, затем следует дополнительная промывка водой.
Эффект доочистки для таких фильтров по взвешенным веществам
составляет 70–80 %, по БПКполн – 70 %.
42
Рис. 4.5. Каркасно-засыпной фильтр:
1 – подвод воды; 2 – отвод промывной воды; 3 – подача промывной воды; 4 – отвод
фильтрата; 5 – гравийный каркас; 6 и 7 – крупно- и мелкозернистая загрузка;
8 – поддерживающий слой; 9 – подача воздуха
Фильтры с плавающей загрузкой
В последнее время для фильтрования все более широко применяются
полимерные
материалы
с
пористостью
до
95 %,
которые
позволяют
существенно повысить скорость фильтрования, уменьшить продолжительность
фильтроцикла и сократить затраты на очистку.
Преимуществами полимерных фильтров являются:
‒ очень высокая грязеемкость, которая составляет 40–200 кг/м3 загрузки;
‒ невысокие потери напора;
‒ увеличенная продолжительность фильтроцикла;
‒ простота конструкции, надежность работы.
Разработано
несколько
конструкций
фильтров
с
загрузкой
из
измельченного пенополиуретана с размерами гранул 0,5–12 мм и пор 0,8–
1,2 мм, из которых для доочистки сточных вод наиболее эффективными
являются фильтры марок ФПЗ-3 и ФПЗ-4 (рис. 4.6).
43
Рис. 4.6 . Фильтры с плавающей загрузкой:
1 – подвод воды; 2 – отвод промывной воды; 3 – отвод фильтрата; 4 – распределительный
карман; 5 – плавающая загрузка
Загрузка фильтров ФПЗ-3 и ФПЗ-4 состоит из гранул, крупность которых
уменьшается по направлению движения воды, т.е. сверху вниз. Фильтр ФПЗ-4
работает до полной кольматации (закупорки) загрузки, после чего необходима
ее регенерация.
Высота слоя загрузки составляет 1,0–1,2 м.
Такие фильтры можно использовать для доочистки как механически очищенных производственных стоков (металлургическая, химическая и легкая
промышленность), так и биологически очищенных городских сточных вод или
их смеси с производственными водами.
Фильтр регенерируется промыванием водой при достижении предельных
потерь напора, равных 1,5–2,5 м.
Эффект доочистки для таких фильтров по взвешенным веществам
составляет 70–85 %, по БПКполн – 65–75 %.
Сетчатые барабанные фильтры
Сетчатые
самостоятельные
барабанные
сооружения
фильтры
глубокой
могут
использоваться
очистки
городских
как
или
производственных сточных вод, а также как для выделения крупных примесей
из стоков перед фильтрами с зернистой загрузкой. В первом случае они
называются микрофильтрами, во втором – барабанными сетками.
44
Микрофильтры способны снизить содержание взвешенных веществ в
сточной воде на 50–60 %, а по БПКполн – на 25–30 %, барабанные сетки –
соответственно на 20–25 % и 5–10 %.
Барабанные сетки имеют марку БСБ (с бактерицидными лампами)
(рис. 4.7). Основной частью установки является вращающийся барабан, на
поверхности которого находятся фильтрующие элементы. Сточная вода
поступает в торцевую часть барабана и выходит радиально, фильтруясь через
сетку. Примеси задерживаются как на сетке, так и на слое образующегося
осадка. Рабочая сетка делается из нержавеющей стали, латуни или капрона с
размерами ячеек 0,3×0,3 – 0,5×0,5 мм.
Рис. 4.7. Сетчатый барабанный фильтр:
(верхняя часть барабана показана в разрезе) 1 – канал исходной воды; 2 – подача промывной
воды; 3 – канал фильтрата; 4 – отвод промывной воды; 5 – барабан; 6 – промывные
устройства; 7 – бункеры для сбора промывной воды; 8 – бактерицидные лампы
Кроме рабочей сетки, предусматривается поддерживающая сетка с
размерами ячеек 2×2 – 8×8 мм для предотвращения обрастаний поверхность
барабана облучается бактерицидными лампами. Промывка сеток производится
периодически 8–12 раз в сутки очищенной на них же водой с помощью
промывных пластинчатых устройств.
Важным условием применения барабанных сеток является отсутствие в
сточной воде веществ, которые могут затруднить промывку, т.е. смол, масел,
45
жиров, нефтепродуктов и пр. Кроме того, содержание взвешенных веществ в
стоках не должно превышать 250 мг/л.
Микрофильтры рекомендуется использовать в тех случаях, когда
допустима меньшая степень очистки по сравнению с достигаемой на зернистых
фильтрах. В микрофильтрах применяют рабочие сетки галунного сплетения из
нержавеющей стали с размером отверстий 35 мкм.
Предусматривается поддерживающая сетка с размерами ячеек 2×2мм. По
конструкции микрофильтры аналогичные барабанным сеткам. Отличие состоит
только в рабочей сетке. Промывка микрофильтров производится постоянно.
Содержание взвешенных веществ в городских сточных водах перед
микрофильтрами не должно превышать 40 мг/л.
Расчет фильтров
Зернистые фильтры
1.
Расчетный расход сточной воды, подаваемой на фильтры, м3/сут:
(4.1)
где qw – максимальный часовой приток сточной воды, м3 /ч.
2.
Количество промывок каждого фильтра за сутки, раз:
(4.2)
3.
Общая площадь фильтров, м2:
(4.3)
где vф – скорость фильтрования при нормальном режиме;
m – коэффициент, учитывающий расход воды на промывку барабанных
сеток, равный 0,003–0,005;
w1 – интенсивность, л/(с·м2) начального взрыхления верхнего слоя загрузки
продолжительностью t1 мин;
46
w2 – интенсивность подачи воды, л/(с·м2) с продолжительностью водовоздушной промывки t2;
w3 – интенсивность промывки, л/(с·м2) продолжительностью t3, мин;
t4 – продолжительность простоя фильтра в связи с промывкой, равная
20 мин;
Т – продолжительность работы станции в течение суток, ч.
Начальное гидравлическое взрыхление верхнего слоя принимается
только для фильтров с подачей воды сверху вниз с интенсивностью w1 = 16–
18 л/(см2) и продолжительностью t1 = 6–8 мин. Интенсивность подачи воды w2
учитывается в формуле (3) только в случае применения водо–воздушной
промывки загрузки.
4.
Число секций фильтров, шт:
(4.4)
5.
Площадь одной секции фильтра, м2 :
(4.5)
6.
Скорость фильтрования воды при форсированном режиме работы (т.е.
при отключении фильтров на промывку и ремонт) м/с:
(4.6)
где Np – количество секций фильтров, находящихся в ремонте(один или боле)
При
необходимости
далее
рассчитываются
распределительная
и
дренажная системы фильтров, в соответствии с требованиями СНиП 2.04.02-84
«Водоснабжение. Наружные сети и сооружения».
Фильтры с плавающей загрузкой
1.
Расчетный
расход
сточной
воды,
подаваемой
на
фильтры
Qф,
формула (4.1).
2.
Количество промывок каждого фильтра за сутки n, формула (4.2).
Принимается продолжительность цикла фильтрования Тф, равная 24 ч
47
или 12 ч, для доочистки биологически очищенных городских или
производственных сточных вод.
3.
Общая площадь фильтров Fф, м2 :
(4.7)
где vф – скорость фильтрования при нормальном режиме, равная 8–10 м/ч.
4.
Число секций фильтров N и площадь одной секции фильтра F1 , формулы
(4.4) и (4.5) соответственно. Принимаются размеры в плане одного
фильтра.
5.
Скорость фильтрования воды при форсированном режиме работы vфф,
формула (4.6).
Микрофильтры
1.
Степень эффективности по взвешенным веществам выраженная в %:
(4.8)
где Cen – содержание взвешенных веществ в очищенной сточной воде после
аэротенков или вторичных отстойников;
Cex – содержание содержание взвешенных веществ в воде после глубокой
очистки.
2.
Степень эффективности по БПКполн, в %:
(4.9)
где Len – БПКполн в очищенной сточной воде после аэротенков или вторичных
отстойников;
Lex – БПКполн в воде после глубокой очистки.
3.
Площадь фильтрующей поверхности, м2:
(4.10)
где Q – производительность очистной станции, м3/сут;
48
k1 – коэффициент, учитывающий увеличение производительности
микрофильтров за счет очистки промывной воды и равный 1,03–1,05;
k2 – коэффициент, учитывающий площадь фильтрующей поверхности,
расположенной над водой (при погружении барабана на 0,6 диаметра k2 =
0,55, а при погружении на 0,7 диаметра k2 = 0,63);
Т – продолжительность работы станции в течение суток, ч;
vф – скорость фильтрования, принимаемая равной при доочистке
биологически очищенных сточных вод 20–25 м/ч.
4.
Количество микрофильтров:
(4.11)
где Fмф – площадь фильтрующей поверхности;
F – площадь фильтрации.
Принимается количество резервных микрофильтров Np, равное 1 при
количестве рабочих микрофильтров до четырех, и 2 – при большем количестве
рабочих микрофильтров
5.
Суточное количество промывной воды, м3/сут:
(4.12)
Барабанные фильтры
1.
Степень эффективности по взвешенным веществам, формула (4.8)
2.
Степень эффективности по БПКполн, формула (4.9)
3.
Количество резервных сеток Np = 1 при количестве рабочих сеток до
шести, и 2 – при большем количестве рабочих сеток.
4.
Количество промывок фильтров в сутки:
(4.13)
5.
Количество барабанных сеток:
(4.14)
49
где Q – производительность станции доочистки, м3/сут;
Qs – производительность барабанной сетки, м3/сут.
6.
Количество промывной воды, м3/сут:
(4.15)
где nn – количество промывок в сутки, равное 8–12;
tn – продолжительность промывки, равная 5 мин;
wn – расход промывной воды, равный 0,3–0,5 %.
Задание
Рассчитать параметры фильтра в зависимости от типа конструкции.
Данные для расчета
Вариант № 1
─ Тип фильтра – зернистый.
─ Максимальный часовой расход qw = 3460 м3/ч.
─ Скорость фильтрования при нормальном режиме vф – 6 м/ч.
─ Интенсивность начального взрыхления верхнего слоя w1 = 16 л/(см2) и
продолжительностью t1 = 6 мин.
─ Интенсивность подачи воды w2 = 3 л/(см2) и продолжительностью
t2 = 10 мин.
─ Интенсивность промывки w3 = 7 л/(см2) и продолжительностью
t3 = 6 мин.
─ Число фильтров на промывке Np =1.
─ Время работы станции – 24 ч.
─ Время фильтроцикла Тф – 12 ч.
─ Коэффициент, учитывающий расход воды на промывку m – 0,003.
─ Продолжительность простоя фильтра в связи с промывкой t4 – 20 мин.
50
Вариант № 2
─ Тип фильтра – зернистый
─ Максимальный часовой расход qw = 3960 м3/ч
─ Скорость фильтрования при нормальном режиме vф – 8 м/ч.
─ Интенсивность начального взрыхления верхнего слоя w1 = 18 л/(см2) и
продолжительностью t1 = 8 мин.
─ Интенсивность подачи воды w2 = 5 л/(см2) и продолжительностью
t2 = 12 мин.
─ Интенсивность промывки w3 = 7 л/(см2) и продолжительностью
t3 = 8 мин
─ Число фильтров на промывке Np = 1.
─ Время работы станции –24 ч.
─ Время фильтроцикла Тф –8 ч.
─ Коэффициент, учитывающий расход воды на промывку m – 0,005.
─ Продолжительность простоя фильтра в связи с промывкой t4 – 20 мин.
Вариант № 3
─ Тип фильтра – фильтр с плавающей загрузкой.
─ Максимальный часовой расход qw = 4810 м3/ч.
─ Скорость фильтрования при нормальном режиме vф – 8 м/ч.
─ Время работы станции – 24 ч.
─ Время фильтроцикла Тф – 12 ч.
─ Число фильтров на промывке Np =4.
Вариант № 4
─ Тип фильтра – фильтр с плавающей загрузкой.
─ Максимальный часовой расход qw = 5350 м3/ч.
─ Скорость фильтрования при нормальном режиме vф – 10 м/ч.
─ Время работы станции – 24 ч.
─ Время фильтроцикла Тф – 24 ч.
─ Число фильтров на промывке Np = 6.
51
Вариант № 5
─ Тип фильтра – микрофильтры.
─ Содержание взвешенных веществ и БПК
полн
в очищенной сточной воде
Cen = 20мг/л и Len = 15 мг/л, соответственно.
─ Содержание взвешенных веществ и БПКполн после глубокой очистки в
воде Ceх = 10мг/л и Leх =10 мг/л, соответственно.
─ Производительность городской очистной станции Q = 45000 м3 /сут.
─ Скорость фильтрования при нормальном режиме vф – 20 м/ч.
─ Время работы станции – 24 ч.
─ Площадь фильтрации – 22 м2 .
─ К1 = 1,05.
─ К2 = 0,63.
Вариант № 6
─ Тип фильтра – микрофильтры.
─ Содержание взвешенных веществ и БПКполн в очищенной сточной воде
Cen = 20мг/л и Len = 20 мг/л, соответственно.
─ Содержание взвешенных веществ и БПКполн после глубокой очистки в
воде Ceх = 5 мг/л и Leх = 15 мг/л, соответственно.
─ Производительность городской очистной станции Q = 75000 м3 /сут.
─ Скорость фильтрования при нормальном режиме vф – 25 м/ч.
─ Время работы станции – 24 ч.
─ Площадь фильтрования – 17,5 м2.
─ К1 = 1,05.
─ К2 = 0,63.
Вариант № 7
─ Тип фильтра – барабанные сетки.
─ Содержание взвешенных веществ и БПКполн в очищенной сточной воде
Cen = 25 мг/л и Len = 20мг/л ,соответственно.
─ Содержание взвешенных веществ и БПКполн после глубокой очистки в
воде Ceх = 20 мг/л и Leх =17 мг/л, соответственно.
52
─ Производительность сетки Qs = 30000 м3/сут.
─ Производительность городской очистной станции Q = 61000 м3/сут.
─ Время фильтроцикла Тф – 2 ч.
─ продолжительность промывки tn – 5 мин.
─ расход промывной воды wn – 0,5 %.
─ Время работы станции – 24 ч.
Вариант № 8
─ Тип фильтра – барабанные сетки.
─ Содержание взвешенных веществ и БПКполн в очищенной сточной воде
Cen = 25 мг/л и Len =2 0мг/л, соответственно.
─ Содержание взвешенных веществ и БПКполн после глубокой очистки в
воде Ceх = 20 мг/л и Leх = 17 мг/л, соответственно.
─ Производительность сетки Qs = 35000 м3/сут.
─ Производительность городской очистной станции Q = 81000 м3/сут.
─ Время фильтроцикла Тф – 3 ч.
─ Продолжительность промывки tn – 3 мин.
─ Расход промывной воды wn – 0,5 %.
─ Время работы станции – 24 ч.
Контрольные вопросы
1.
Какое основное назначение фильтрационных сооружений?
2.
По каким параметрам классифицируют фильтры с зернистой загрузкой?
3.
Для чего используют однослойные фильтры с нисходящим потоком?
4.
Чем руководствуются при выборе материала для загрузки фильтра?
5.
Какие недостатки присущи фильтрам с восходящим потоком?
6.
Принцип работы двухслойных фильтров?
7.
Какова степень очистки в аэрируемых фильтрах?
53
5. МЕХАНИЧЕСКАЯ ОЧИСТКА СТОЧНЫХ ВОД. РАСЧЕТ
СКОРОСТНЫХ ФИЛЬТРОВ РАЗЛИЧНЫХ ТИПОВ
Составители: Л.П. Сидорова, Е.А. Балтина
Введение
Вода, поступающая для полного осветления на фильтры после выхода из
отстойников (или из осветлителей), должна содержать не более 8–12 мг/л
взвешенных веществ.
После фильтрования мутность воды, предназначенной для питьевых
целей, не может превышать 2 мг/л (ГОСТ 2874 – 54).
Помимо взвешенных веществ, фильтры должны задерживать большую
часть микроорганизмов и микрофлоры и понижать цветность воды до
допускаемой по ГОСТ, т. е. до 20°. Только в исключительных случаях, по
согласованию с органами санитарного надзора, допускается мутность до 3 мг/л
и цветность до 35°.
Техника очистки воды на фильтрах постепенно совершенствуется.
Медленные фильтры, впервые примененные еще в 1829 г., стали вытесняться
скорыми фильтрами, сначала с мешалками (с 1885 г.), а затем и без мешалок
(с 1903 г.). Этот последний тип скорых фильтров без существенных изменений
широко используется и в наши дни.
Переход от медленных к скорым фильтрам позволил сократить
в 40–60 раз площади очистных сооружений за счет увеличения скорости
фильтрования. На медленных фильтрах расчетная скорость составляет только
0,1–0,3 м/ч, а на скорых – от 6 до 12 м/ч.
Таблица 5.1
Основные данные по наиболее распространенным типам скорых фильтров
Типы фильтров по
напору
Безнапорные с
однородной зернистой
загрузкой
Характеристика
фильтрующего слоя
Диаметр
Высота
зерен, мм
фильтрующего
Скорость
фильтрования,
м/ч
min
max
слоя, м
0,5
1,2
0,7
6
0,7
1,5
1,2–1,3
8
0,9
1,8
1,8–2
10
54
Конструкции
фильтра
Плошадь
фильтра,
м2
Продолжение таблицы 5.1
Безнапорные
двухслойные
антрацит
Прямоугольные
железобетонные
4–120
12
Круглые
железобетонные
5–60
1,2
5–12
Стальные
цилиндрические
0,8–7,1
0,75
5–2
0,8
1,8
0,4–0,5
10
кварц
Безнапорные
двухпоточные
Напорные
0,5
1,2
0,4–0,5
10
0,5
1,5
1,45–1,65
вертикальные
0,5
1
горизонтальные
0,5
1,5
15–0
Скорый безнапорный фильтр (рис. 5.1) представляет собой резервуар,
загруженный слоями песка и гравия, крупность которых возрастает сверху
вниз. Верхний слой толщиной 0,7 м называется фильтрующим слоем и состоит
из чистого кварцевого песка с диаметрами зерен 0,5–1,2 мм. Вода из отстойника
поступает по трубе 1. Высота слоя воды над поверхностью загрузки должна
быть не менее 2 м. Фильтрующий слой песка лежит на поддерживающих слоях
крупного песка и гравия, назначение которых предотвратить вымывание
мелкого песка и способствовать более равномерному распределению воды по
площади фильтра.
Поддерживающие гравийные слои соприкасаются с распределительной
трубчатой системой 2, собирающей профильтрованную воду, которая по
трубопроводу 3 отводится в резервуар чистой воды.
Рис. 5.1. Скорый безнапорный фильтр:
1 – подвод фильтруемой воды; 2 – дренажная система; 3 – трубопровод фильтрованной воды;
4 – выпуск промывной воды; 5 – желоба для распределения фильтруемой воды и для отвода
промывной; 6 – трубопровод для подвода промывной воды; 7 – отводящий канал;
8 – боковой карман
55
В процессе фильтрования происходит засорение зернистой загрузки и
увеличивается потеря напора на фильтре. Когда эта потеря достигает предельно
допустимой величины (не более 2,6–3 м вод. ст.), фильтр выключают и
восстанавливают фильтрующую способность загрузки, промывая ее в
восходящем потоке воды. Для этого по трубопроводу 6 подводят промывную
воду, под действием которой песчаная загрузка фильтра увеличивается в
объеме; плотность загрузки уменьшается, вследствие чего уровень песка
поднимается выше обычного своего положения. Это явление носит название
«расширения» песка, которое выражается в процентах к нормальному объему
песчаной загрузки. Величина относительного расширения колеблется от 25 до
50 %, обратно пропорционально крупности песка и температуре воды и прямо
пропорционально интенсивности промывки. Продолжительность промывки не
превышает 5–7 мин.
Для отвода загрязненной воды, получающейся при промывке скорых
фильтров, служат бетонные желоба 5 длиной не более 5–5,3 м, размещаемые
параллельно друг другу на расстоянии между осями 2,2 м.
Высота кромки желоба над поверхностью песка составляет обычно
0,6–0,7 м, что обеспечивает вынос загрязнений с водой и предотвращает
вовлечение в желоб песчаной загрузки фильтра.
Лоткам желобов придается продольный уклон i = 0,01 к сборному каналу.
Загрязненная вода поступает в боковой карман фильтра, откуда по трубе
4 сбрасывается в отводящий канал 7.
Очень
важной
деталью
скорых
безнапорных
фильтров
является
распределительная система (дренаж), от которой зависит равномерность
распределения промывной воды по площади фильтра и сбора фильтрованной
воды с его площади. В связи с этими условиями распределительная система
должна обладать механической прочностью, способной выдержать внешнюю
нагрузку от веса воды, песка и гравия и внутреннюю нагрузку от давления
промывной воды.
56
Распределительная система скорого безнапорного фильтра применяется с
горизонтальной компенсацией или в виде трубчатого дренажа, располагаемого
в загрузке фильтра (рис. 5.2). В такой системе вода, выходящая из отверстий,
может двигаться не только вертикально вверх, но и по горизонтальному
направлению, компенсируя неравномерность расхода воды через отдельные
отверстия распределительных труб. Отверстия расположены в два ряда в
шахматном порядке и направлены вниз под углом 45º к вертикальной оси
трубы.
Рис. 5.2. Распределительная трубчатая система большого сопротивления:
1 – коллектор; 2 – фильтрующий слой; 3 – поддерживающие слои; 4 – ответвления над
коллектором; 5 – ответвления дренажа
Обычно такая система располагается в междудонном пространстве
фильтра (в поддоне), а фильтрующая загрузка размещается над верхним
решетчатым днищем, которое устраивается из железобетонных брусков.
Скорые фильтры в процессе эксплуатации необходимо периодически
(один – два раза в сутки) промывать восходящим потоком чистой
(профильтрованной) воды, т. е. в направлении снизу вверх.
57
Интенсивность промывки должна приниматься от 12 до 18 л/сек на 1 м2
поверхности фильтра.
Вода для промывки подается из напорного бака насосом. Необходимый
напор насоса или высоту расположения бака определяют гидравлическим
расчетом с учетом потерь напора в фильтрах и коммуникациях.
Скорые безнапорные фильтры применяются для полного осветления
воды с коагулированной взвесью.
Безнапорные скорые фильтры делятся на фильтры с зернистой загрузкой,
с двухслойной загрузкой и двухпоточные. Расчет всех этих фильтров
производится аналогично.
Скорый напорный фильтр (рис. 5.3) применяют при частичном
осветлении воды, используемой для технических целей, при мутности исходной
воды до 300 мг/л.
Напорный фильтр представляет собой закрытый цилиндрический
стальной резервуар (вертикальный или горизонтальный), рассчитанный на
внутреннее давление до 6 атм. В ряде случаев это позволяет подавать
профильтрованную воду в разводящую сеть труб с необходимым напором.
Продолжительность
цикла
фильтрования
в
напорном
фильтре
обусловливается предельной величиной потери напора в фильтрующей
загрузке и дренаже до 15 м вод. ст.
Вертикальные
напорные
фильтры
выпускаются
нашей
промышленностью пяти типоразмеров (диаметром округленно: 1; 1,5; 2; 2,5
и 3 м2) с высотой загрузки 1,2 м.
Дренаж (рис. 5.4) представляет собой коллектор, проходящий по оси
поперечного сечения фильтра, с ответвлениями через 250–350 мм.
В напорных фильтрах применяются специальные дренажные колпачки,
через щели которых проходит вода, но не пропускаются в фильтрат зерна
песчаной загрузки.
58
Рис 5.3. Напорный фильтр
Рис 5.4. Дренажная система (вид сверху)
Скорые напорные фильтры применяются для частичного осветления
воды или для полного осветления воды с крупной взвесью.
Напорные горизонтальные фильтры и напорные вертикальные фильтры
рассчитываются аналогично. Меняются только высота и диаметр фильтра.
Цель работы: рассчитать два типа скорых фильтров и обосновать выбор
того или иного фильтра для его установки на очистных сооружениях.
59
Расчет скорых безнапорных фильтров
Определение размеров безнапорного фильтра
1.
Общая площадь скорого безнапорного фильтра:
FБобщ 
(5.1)
Q
, м2
Vн  Т р  3,6  q пр  n пр  t 1  Vн  n пр  t 2
где Q – полезная производительность станции, м3/сут;
Vн – расчетная скорость фильтрования при нормальном режиме, м3/ч;
Тр – продолжительность работы водоочистного комплекса в течение
суток, ч; принимается Тр = 24 ч;
qпр – интенсивность промывки, л/(с·м2);
nпр – число промывок одного фильтра в сутки при нормальном режиме
эксплуатации;
t1 – продолжительность промывки, ч;
t2 – время простоя фильтра в связи с промывкой, ч;
2.
Количество фильтров:
(5.2)
N Б  0,5  FБобщ , шт.
3.
Скорость фильтрования при форсированном режиме:
Vф 
Vн  N Б
, м 3 / ч,
N Б  N1
(5.3)
где Vф – скорость фильтрования при форсированном режиме, м3/ч; она не
должна превышать Vф = 8 м3/ч;
N1 – число фильтров, находящихся в ремонте; принимается N1 = 1.
4.
Площадь одного скорого безнапорного фильтра:
FБобщ 2
FБ 
,м .
NБ
(5.4)
Расчет распределительной системы безнапорного фильтра
В
скором
фильтре
распределительная
система
служит
как
для
равномерного распределения промывной воды по площади фильтра, так и для
сбора профильтрованной воды. Принимаем конструкцию скорого фильтра с
60
боковым каналом. Канал по высоте разделен на 2 части: в верхнюю подается
обрабатываемая вода и собирается промывная вода, в нижнюю собирается
фильтрат и подается вода на промывку. Размеры фильтра в плане LБ × ВБ, м.
В фильтрах принята дренажно-распределительная система, состоящая из
дырчатых труб, отходящих от канала у дна фильтра в толще поддерживающих
слоев.
1.
Расход промывной воды на один фильтр:
Б
Q пр
 FБ  q пр  10 3 , м 3 / с.
2.
(5.5)
Количество дырчатых труб:
LБ
, шт.,
l тр
n тр 
(5.6)
где lтр – расстояние между дырчатыми трубами, м.
3.
Расход промывной воды по одной дырчатой трубе:
q тр 
4.
Б
Q пр
n тр
, м / с.
3
(5.7)
Общая площадь отверстий дырчатых труб принята равной 0,4 % от
площади фильтра и составляет:
f отв.Б 
5.
0,4  FБ 2
,м .
100
(5.8)
Общее количество отверстий в фильтре:
n отв. Б
4  f отв.Б

, шт.,
2
π  d отв
(5.9)
где dотв – диаметр отверстий, м.
6.
На одной дырчатой трубе размещено отверстий:
n отв.тр 
7.
n отв.Б
, шт.
n тр
Количество отверстий в одном ряду:
61
(5.10)
n ряд 
8.
n отв.тр
2
, шт.
(5.11)
Расстояния между отверстиями, находящимися в одном ряду:
l отв 
ВБ
, м.
n ряд
(5.12)
Расчет скорых напорных фильтров
Определение размеров напорного фильтра
1.
Общая площадь скорого напорного фильтра:
FНобщ 
Q
, м2 ,
Vр.н  Т р  3,6  n пр  ( w1 t 1  w2 t 2  w3t 3 )  Vр.н  n пр  t 4
(5.13)
где Q – полезная производительность фильтра, м3/сут;
Тр – продолжительность работы станции в течение суток, ч; Тр = 24 ч;
Vр.н – расчетная скорость фильтрования, м/ч;
nпр – число промывок всех фильтров за сутки;
w1 – интенсивность первоначального взрыхления фильтрующей загрузки,
л/(с·м2);
t1 – продолжительность первоначального взрыхления фильтрующей
загрузки, ч;
w2 – интенсивность подачи воды, л/(с·м2);
t2 – продолжительность водо-воздушной промывки, ч;
w3 – интенсивность отмывки, л/(с·м2);
t3 – продолжительность отмывки, ч;
t4 – продолжительность простоя фильтра из-за промывки, ч.
2.
Число напорных фильтров:
FНобщ
NН 
,шт.,
FН
где F'Н – площадь одного фильтра, м2; принимается F'Н = 7,1 м2.
62
(5.14)
Расчет распределительной системы напорного фильтра
3.
Общий расход промывной воды на один фильтр:
Н
Q пр
 FН  q пр  10 3 , м 3 / с.
4.
(5.15)
Суммарная площадь щелей в дренажных колпачках:
f щ. Н  0,35 
2
d кол
, м2 ,
4
(5.16)
где dкол – диаметр стального коллектора распределительной системы напорного
фильтра, м.
5.
Общее число колпачков на ответвлениях распределительной системы:
f щ. Н
nколп 
fщ
, шт.,
(5.17)
где fщ – площадь щелей на каждом колпачке, м2.
С каждой стороны коллектора (рис. 5.4) размещается по девять
ответвлений в виде горизонтальных стальных труб, привариваемых к
коллектору под прямым углом на расстоянии 0,333 м (между осями труб). Так
как фильтр имеет в плане круглое сечение, то ответвления будут разной длины:
l1=l9, l2=l8, l3=l7, l4=l6, l5.
6.
Суммарная длина всех ответвлений распределительной системы фильтра:
L = 4∙( l1+ l2+ l3+ l4) + 2∙ l5, м.
7.
Среднее расстояние между дренажными колпачками:
l колп 
8.
L
nколп
, м.
(5.19)
Расход промывной воды на один колпачок:
q колп 
9.
(5.18)
Н
Q пр
, м / с.
3
n колп
Скорость прохода промывной воды через щели колпачка:
63
(5.20)
Vщ 
(5.21)
q кол п
, м / с.
fщ
Задание
Рассчитать два типа фильтров по следующим исходным данным:
Таблица 5.2
Исходные данные для расчета скорого безнапорного фильтра с зернистой
загрузкой
Вариант
Параметр
3
Q, м /сут
VН, м3/ч
qпр, л/(с·м2)
nпр, шт.
t1 , ч
t2 , ч
Lф × Вф, м
lтр, м
dотв, м
Параметр
3
Q, м /сут
Vр.н., м3/ч
nпр, шт.
w1, л/(с·м2)
t1 , ч
w2, л/(с·м2)
t2 , ч
w3, л/(с·м2)
t3 , ч
t4 , ч
qпр, л/(с·м2)
dкол, м
fщ, м2
l1=l9, м
l2=l8, м
l3=l7, м
l4=l6, м
l5 , м
1
15000
6
16
2
0,17
0,42
5,17×4
0,25
0,01
2
15500
6,2
12
2
0,20
0,40
5,1×4
0,24
0,01
3
16000
6,6
14
3
0,15
0,35
5,05×4,1
0,25
0,02
4
16500
6,3
13
3
0,22
0,45
5×4,9
0,20
0,02
5
17000
6,5
15
3
0,12
0,50
4,91×4,55
0,30
0,02
Таблица 5.3
Исходные данные для расчета скорого напорного фильтра
Вариант
1
15000
6
2
8
0,017
4
0,083
8
0,034
0,33
8
0,2
0,000192
0,56
0,98
1,2
1,3
1,35
2
15500
6,2
2
8,5
0,020
4,5
0,090
8,5
0,030
0,30
7,8
0,22
0,000190
0,54
0,96
1,1
1,2
1,3
3
16000
6,6
3
9
0,015
6
0,095
9
0,025
0,25
8,2
0,18
0,000180
0,58
1,10
1,28
1,32
1,40
64
4
16500
6,3
3
7
0,022
3,5
0,080
7
0,038
0,38
7,5
0,21
0,000186
0,50
0,90
1,05
1,15
1,22
5
17000
6,5
3
7,5
0,018
3,8
0,075
7,5
0,040
0,42
7,9
0,19
0,000188
0,55
0,97
1,18
1,26
1,32
По получившимся данным сравнить различные типы фильтров по общей
площади фильтрования, по количеству необходимых фильтров, по их размерам.
Сделать соответствующие выводы.
Контрольные вопросы
1.
Для чего служат скорые фильтры?
2.
Какой принцип действия скорого безнапорного фильтра?
3.
Что представляет собой напорный скорый фильтр?
4.
В чем отличие между медленными и скорыми фильтрами?
65
6. МЕХАНИЧЕСКАЯ ОЧИСТКА СТОЧНЫХ ВОД. РАСЧЕТ
ГИДРОЦИКЛОНОВ
Составители: Л.П. Сидорова, Е.А. Балтина
Введение
Сточные воды – это воды, загрязнённые бытовыми отбросами и
производственными отходами и удаляемые с территорий населённых мест и
промышленных предприятий системами канализации. К сточным водам
относят также воды, образующиеся в результате выпадения атмосферных
осадков в пределах территорий населённых пунктов и промышленных
объектов. Содержащиеся в сточных водах органические вещества, попадая в
значительных количествах в водоёмы или скапливаясь в почве, могут быстро
загнивать и ухудшать санитарное состояние водоёмов и атмосферы,
способствуя распространению различных заболеваний. Поэтому вопросы
очистки, обезвреживания и утилизации сточных вод являются неотъемлемой
частью проблемы охраны природы, оздоровления окружающей человека среды
и обеспечения санитарного благоустройства городов и других населённых мест.
Для механической очистки сточных вод применяют гидроциклоны.
Гидроциклон – это аппарат для разделения взвешенных веществ во
вращающейся в нем жидкости на две фракции по крупности, форме или
плотности, для удаления твердых веществ из жидкости (осветление жидкости).
По гидравлическим условиям работы различают два основных вида
гидроциклонов:
напорные
и
открытые
(низконапорные).
Напорные
гидроциклоны применяются для выделения из сточных вод грубодисперсных
оседающих примесей, открытые гидроциклоны – для выделения из сточных вод
не только оседающих, но и всплывающих веществ. Разделение взвешенных
частиц происходит под действием центробежных сил.
Напорный гидроциклон представляет собой металлический аппарат
конической формы (рис. 6.1) для выделения взвешенных веществ из жидкости
под действием центробежных сил, возникающих вследствие тангенциального
впуска ее в аппарат.
66
Сточная вода подается под давлением под крышку гидроциклона по трубе,
присоединенной тангенциально к цилиндрической части. Песок и шлам отводят
через нижнее отверстие, а осветленную воду – через верхний сливной патрубок.
Рис. 6.1. Напорный гидроциклон:
Dhc – диаметр цилиндрической части, den – диаметр питающего патрубка, dex – диаметр
сливного патрубка, dшл – диаметр шламового патрубка, Нц – высота цилиндрической части,
Нк – глубина погружения сливного патрубка, α – угол конусности конической части
Под влиянием центробежной силы, создаваемой водой, поступающей
через трубу, расположенную касательно к корпусу циклона, твердые частицы
отбрасываются к стенкам гидроциклона, а затем опускаются к нижнему
отверстию. В гидроциклоне возникают два основных винтовых потока:
внешний, направленный к вершине конуса, и внутренний, направленный в
противоположную сторону. По оси гидроциклона образуется воздушный столб.
Благодаря тому, что центробежная сила значительно превосходит силу
тяжести, гидроциклоны могут работать в вертикальном, наклонном и
горизонтальном направлениях. Вода может подаваться в гидроциклон и
отводиться из него через один или несколько патрубков.
Эффективность
разделения
взвешенных
веществ
в
напорном
гидроциклоне зависит от его геометрических размеров и качества разделяемых
67
взвешенных
веществ.
Так,
с
уменьшением
диаметра
гидроциклона
эффективность очистки воды увеличивается. Вместе с тем гидроциклоны
малых диаметров имеют незначительную пропускную способность, поэтому
для обработки одного и того же объема воды требуется большее их число.
Для повышения компактности установки гидроциклоны малых диаметров
группируют в блоки, получившие название мультициклоны, или батарейные
гидроциклоны. За рубежом выпускают батареи, объединяющие более сотни
напорных гидроциклонов. В нашей стране мультициклоны состоят из 25
гидроциклонов диаметром 20 и 40 мм. При осветлении воды угол конусности
рекомендуется принимать равным 10 º или 5 º.
Напорный
гидроциклон
можно
использовать
для
выделения
крупнодисперсных загрязнений с плотностью, меньшей плотности воды:
жиров,
масел
и
нефтепродуктов.
Выделение
«легкого»
продукта
в
гидроциклоне происходит в центральной части. Поэтому сливной патрубок
принимают увеличенной длины, по оси в верхней части патрубка располагают
дополнительный патрубок для отвода третьего продукта. Такие гидроциклоны
получили название трехпродуктовых (вода – взвешенные вещества – легкие
продукты).
С помощью напорного гидроциклона можно успешно решать многие
технологические задачи: осветление сточных вод для стекольных, фарфоровых
и др. производств (удаление песка, глины и т.п.), нефтепромыслов (извлечение
нефти), мясокомбинатов (удаление жира, тяжелых загрязнений) и природной
воды, забираемой из поверхностных источников; обогащение твердой фазы
осадка сточных вод (выделение карборунда из откачиваемого шлама сточных
вод керамических заводов, инертных загрязнений из известкового молока,
абразивных загрязнений из осадка сточных вод перед подачей его для
обезвоживания на шнековые центрифуги); сгущение сточных вод и выделение
на очистных сооружениях осадков; отмывки от органических веществ и
нефтепродуктов песка, удаляемого гидроэлеваторами из песколовок; сгущение
минерального осадка сточных вод перед его дальнейшим обезвоживанием.
68
Гидроциклоны можно применять для защиты насоса от абразивного износа при
перекачке им воды, содержащей взвешенные вещества с абразивными
свойствами.
Преимуществом
напорных
гидроциклонов
является
возможность
осветления воды по замкнутой схеме.
Основными
недостатками
напорных
гидроциклонов
являются
значительный расход электроэнергии и быстрый износ стенок аппарата. Для
предотвращения
износа
производится
футеровка
гидроциклонов
износостойкими материалами.
Открытый гидроциклон – аппарат круглой формы для выделения
взвешенных веществ под действием силы тяжести из вращающегося потока
жидкости.
Процесс разделения сточных вод в открытых гидроциклонах происходит
также под действием гравитационных и центробежных сил, поэтому удельные
гидравлические нагрузки на поверхность циклона значительно превышают
нагрузки на обычный гравитационный отстойник.
Открытый гидроциклон без внутренних устройств применяются для
очистки сточных вод от крупнодисперсных примесей (размером 100 мкм). Этот
аппарат может выполнять функции песколовки на городских очистных
сооружениях или первичного отстойника при очистке вод некоторых
производств.
Исходная вода подается тангенциально в пространство, ограниченное
внутренним цилиндром (рис. 6.2). Поток по спирали движется вверх, у верхней
кромки цилиндра он поворачивает и движется к отверстию в диафрагме.
Диафрагма, установленная в конце горизонтального отстойника, препятствует
выносу выделившегося
осадка, движущегося около пристенной
зоны.
Внутренний цилиндр способствует образованию замкнутого циркуляционного
потока, который транспортирует этот осадок в коническую часть. Осветленный
поток воды выходит из-под диафрагмы, переливается через водослив в
кольцевой лоток и отводится за пределы сооружения.
69
Выделившийся осадок либо накапливается в конической части, либо
удаляется из нее непрерывно через нижнее разгрузочное отверстие.
Рис. 6.2. Открытый гидроциклон с внутренним цилиндром и диафрагмой:
1 – исходная вода; 2 – внутренний цилиндр; 3 – диафрагма; 4 – осветленный поток воды;
5 – выделившийся осадок
Пропускная способность аппарата этой конструкции примерно в 2–2,5 раза
выше пропускной способности отстойников при одинаковой степени очистки.
Одно из достоинств открытого гидроциклона – несколько бóльшая, чем у
отстойников, удельная пропускная способность, что определяет их меньший
объем и бóльшую компактность. Расположение открытого гидроциклона на
эстакаде, над уровнем земли, обеспечивает самотечный режим удаления
выделенных взвешенных веществ и подачи их на последующие сооружения.
Открытые гидроциклоны могут применяться в схемах очистки сточных вод
автотранспортных
предприятий,
заводов
железобетонных
изделий,
авторемонтных заводов и других производств, сточные воды которых
загрязнены крупнодисперсными примесями.
Многоярусный гидроциклон – это открытый аппарат для очистки воды от
взвешенных веществ, объем которого разделен на ярусы коническими
диафрагмами (рис. 6.3).
Этот аппарат может быть применен для очистки сточных вод от крупнои мелкодисперсных примесей гидравлической крупностью 0,2 мм/с и более, для
очистки воды от минеральной коагулированной взвеси и нефтепродуктов.
70
При
конструировании
тонкослойного
этого
отстаивания,
сооружения
который
использован
осуществлен
принцип
делением
объема
гидроциклона коническими диафрагмами на отдельные ярусы. Впуск воды в
гидроциклон осуществляется тангенциально из специальных аванкамер по всей
высоте цилиндрической части через щели. Каждый ярус аппарата, как показали
исследования, работает независимо от другого.
Интенсификация
процесса
выделения
взвешенных
веществ
в
многоярусном гидроциклоне достигается за счет уменьшения высоты слоя
отстаивания.
Рис. 6.3. Многоярусный низконапорный гидроциклон:
1 – корпус; 2 – разделительные тарелки; 3 – бункер для шлама; 4 – водосливная кромка; 5 –
маслоудерживающий щит; 6 – воронка для отвода масла; 7 – впускные камеры; 8 – насадки
для отвода воды; 9 – шламоприемные щели; 10 – окна для отвода масла
Шлам из гидроциклонов удаляется механизированными подъемниками,
гидроэлеваторами или под гидростатическим давлением. Для задерживания
всплывающих
примесей
и
нефтепродуктов
71
служит
кольцевой
полупогруженный щит перед водосливом, установленный на расстоянии не
более 50 мм. Удаление всплывающих примесей производится через погружную
воронку.
Расчет напорного гидроциклона
1.
Максимальный диаметр частиц взвеси δmax, см, которые могут быть
уловлены при заданной гидравлической крупности задерживаемых частиц:
 max 
18    u 0
,
100  g  (  Т   ж )
(6.1)
где µ = 0,01 – коэффициент вязкости;
g – ускорение свободного падения, м/с2;
ρт – удельный вес механических загрязнений, г/см3;
ρж = 1 г/см3 – удельный вес воды;
u0 – гидравлическая крупность частиц, мм/с.
2.
По табл. 6.2 подбирается гидроциклон, который может выделить частицы
крупности δmax, и назначаются размеры основных рабочих узлов.
3.
Глубина погружения сливного патрубка Нк, см:
Нк 
4.
Dhc
2  tg
 .
(6.2)
2
Граничная крупность разделения δгр, мкм, т.е. максимальный размер
задерживаемых выбранным гидроциклоном частиц:
1, 643
Dhc0,543  dеп
 dех0,014   0,5
 гр  2,7 10 0,572 0,507 0,714
,
dшл  Н ц  Н к  ( Т   ж )0,5  Рп0, 222
3
(6.3)
где Рп – давление питания, МПа. Все размерности брать как в исходных данных.
Граничная
крупность
разделения
δгр,
обеспечиваемая
выбранным
гидроциклоном, должна быть меньше, чем максимальный диаметр частиц δmax,
улавливаемых при заданной гидравлической крупности. Тогда подобранный
гидроциклон обеспечит эффект очистки несколько выше задаваемого. Если
δгр > δmax, то необходимо повторить подбор, задаваясь другими размерами
гидроциклона.
72
5.
Производительность гидроциклона Qhc, л/с:
0 , 053
1, 28
0 ,143
Qhc  1,03  Dhc
 d en
 d ex0, 405  d шл
 Н ц0, 015   0,025  Рn0, 443
(6.4)
Примечание: после расчета производительности л/с необходимо перевести
в м3/ч.
6.
Общее количество гидроциклонов N, шт:
N
Qw
,
Qhc
(6.5)
где Qw – расход сточной воды, м3/ч.
При заданной гидравлической крупности частиц u0, максимальный
диаметр задерживаемых частиц будет равен δmax. Ему соответствуют
следующие характеристики гидроциклона: диаметр цилиндрической части Dhc,
диаметр питающего патрубка den, диаметр сливного патрубка dex, диаметр
шламового патрубка dшл, высота цилиндрической части Нц и угол конусности
конической части α. Максимальные частицы, которые будут задерживаться
выбранным гидроциклоном, составляет δгр. Данный гидроциклон имеет
производительность Qhc, общее количество гидроциклонов N.
Расчет открытого гидроциклона
1.
Удельная гидравлическая нагрузка на гидроциклон qhc, м3/(м2·ч):
qhc  3,6  K hc  u0 ,
(6.6)
где u0 – гидравлическая крупность частиц, которые необходимо выделить для
обеспечения требуемого эффекта осветления, мм/с;
Khc = 1,98 – коэффициент пропорциональности; 3,6 – переводной
коэффициент.
2.
Общая площадь зеркала воды в гидроциклонах Fhc, м2:
Fhc 
Qw
,
qhc
где Qw – расход сточных вод, м3/ч.
3.
Производительность одного гидроциклона Qhc, м3/ч:
73
(6.7)
Qhc  0,785  qhc  Dhc2 ,
(6.8)
где Dhc – диаметр гидроциклона, м.
4.
Количество гидроциклонов N, шт:
N
5.
Qw
Qhc
(6.9)
Высота цилиндрической части гидроциклона Нц, м:
Нц = Dhc + 0,5.
6.
(6.10)
Полная высота гидроциклона Нhc, м:
Н hc  Н ц  Н к  Н ц 
Dhc
 ,
2tg
2
(6.11)
где Нк – высота конической части гидроциклона, м; α = 60º – угол конической
части.
Расчет многоярусного гидроциклона
1.
Удельная
гидравлическая
нагрузка,
приходящаяся
на
один
ярус
гидроциклона qhc, м3/(м2·ч):
qhc  3,6  K hc  u0 ,
(6.12)
где u0 – гидравлическая крупность частиц, мм/с;
Khc – коэффициент пропорциональности:
K hc 
0,75  nti  ( Dhc2  d 2 )
Dhc2
(6.13)
здесь nti – число ярусов в одном гидроциклоне;
Dhc – диаметр гидроциклона, м;
d
–
диаметр
окружности,
на
которой
располагаются
раструбы
выпусков, м;
2.
Расход воды Q'hc, м3/ч, который может подаваться на один ярус:
  0,785  qhc  Dhc2
Qhc
74
(6.14)
3.
Количество ярусов n, шт, необходимое для очистки поступающих
сточных вод:
n
4.
(6.15)
Количество рабочих аппаратов N, шт:
N
5.
Qw

Qhc
n
nti
(6.16)
Производительность одного аппарата Qhc, м3/ч:
  nti
Qhc  Qhc
(6.17)
Задание
Имея одинаковые исходные данные, рассчитать напорный, открытый и
многоярусный гидроциклоны и сделать их сравнительную характеристику.
1.
Расчет напорного гидроциклона.
Таблица 6.1
Исходные данные
Параметр
Qw, м3/ч
u0, мм/с
ρт, г/см3
Рп, МПа
Вариант 1
120
0,2
2,6
0,3
Вариант 2
350
0,4
3,0
0,2
Вариант 3
1000
0,7
3,5
0,4
Таблица 6.2
Исходные данные
Параметр
Граничная крупность разделения δmax,
мкм
Диаметр цилиндрической части Dhc, см
Диаметр питающего патрубка den, см
Диаметр сливного патрубка dex, см
Диаметр шламового патрубка dшл, см
Высота цилиндрической части Нц, см
Угол конусности конической части α,
град
75
40–55
55–70
70–85
8,0
2,0
3,2
1,6
32
10,0
2,5
2,5
2,0
30
12,5
3,2
4,0
1,8
37,5
10
20
15
2.
Расчет открытого гидроциклона.
Таблица 6.3
Исходные данные
Параметр
Qw, м3/ч
u0, мм/с
Dhc, м
3.
Вариант 1
120
0,2
5
Вариант 2
350
0,4
4
Вариант 3
1000
0,7
3
Расчет многоярусного гидроциклона.
Таблица 6.4
Исходные данные
Параметр
Qw, м3/ч
u0, мм/с
Dhc, м
nti, шт
d, м
Вариант 1
120
0,2
5
4
0,8
Вариант 2
350
0,4
4
6
1,0
Вариант 3
1000
0,7
3
10
1,2
Контрольные вопросы
1.
Какой принцип работы напорного гидроциклона?
2.
Какие его преимущества и недостатки
3.
Для чего используют мультициклоны?
4.
Что такое открытый гидроциклон? Где он может применяться?
5.
На чем основана работа многоярусного гидроциклона?
76
7. АДСОРБЦИОННЫЙ МЕТОД ОЧИСТКИ СТОЧНЫХ ВОД. РАСЧЕТ
АДСОРБЕРА С НЕПОДВИЖНЫМ СЛОЕМ ЗАГРУЗКИ
Составители: Л.П. Сидорова, Н.Е. Путилова
Введение
Наиболее эффективным методом очистки сточных вод, позволяющим
практически полностью извлекать примеси из жидкой фазы является
адсорбция. Адсорбционный метод основан на преимущественной адсорбции
молекул загрязнений под действием силового поля в порах адсорбента.
При адсорбции из растворов извлекаются в основном молекулы
органических веществ, а также коллоидные частицы и микровзвеси. Хорошо
сорбируются
фенолы,
полициклические
ароматические
углеводороды,
нефтепродукты, хлор- и фосфорорганические соединения. Соли, находящиеся в
ионном виде, практически не извлекаются.
Достоинством метода является высокая эффективность, возможность
очистки сточных вод, содержащих несколько веществ, а также рекуперации
этих веществ. Адсорбционная очистка вод может быть регенеративной, т. е. с
извлечением вещества из адсорбента и его утилизацией, и деструктивной, при
которой извлеченные из сточных вод вещества уничтожаются вместе с
адсорбентом.
Эффективность адсорбционной очистки зависит от химической природы
адсорбента, величины адсорбционной поверхности и ее доступности, от
химического строения вещества и его состояния в растворе, и достигает
80–95 %.
Для адсорбции органических веществ из водных растворов в качестве
сорбентов прежде всего применяют углеродистые пористые материалы либо
органические синтетические сорбенты, а также некоторые отходы производства
(золу, шлаки, опилки и др.) Наиболее универсальными из адсорбентов
являются активные угли.
Активные угли представляют собой пористые углеродные тела, зерненые
или
порошкообразные,
имеющие
большую
77
площадь
поверхности.
Неоднородная масса, состоящая из кристаллитов графита и аморфного
углерода, определяет своеобразную пористую структуру активных углей, а
также их адсорбционные и физико-механические свойства.
Порошкообразные активные угли используют для очистки воды
однократно на городских станциях водоподготовки, вводя их во время или
после коагуляции.
Зерненые угли применяются для очистки воды фильтрации в аппаратах
со сплошным слоем сорбента типа механического фильтра.
Промышленность выпускает широкий ассортимент активных углей на
древесной и каменноугольной основах, а также из полимерных волокон с
известными
физико-химическими
и
физико-механическими
свойствами:
фракционный состав, объемный вес р, механическая прочность Пр, а также
сорбционными
характеристиками:
параметрами
пористой
структуры
(объем микро-, мезо- и макропор Vми, Vме, Vма), распределением объема по
размерам dV/dr.
Основные способы применения адсорбентов при очистке промышленных
сточных вод
Выбор конструкции адсорберов прежде всего обусловлен дисперсным
составом адсорбента, который принимается с учетом дефицитности, его
стоимости и возможности регенерации.
В зависимости от дисперсного состава адсорбента принципиальные
конструкции адсорберов можно подразделить на следующие типы:
─
адсорбер с неподвижной или движущейся загрузкой, применяется для
фракции 0,8–5 мм;
─
адсорбер с псевдоожиженной загрузкой, применяется для фракций
0,25–2,5 мм;
─
адсорберы-смесители применяются для фракции 0,05–0,5 мм;
─
патронные адсорберы с фильтрованием воды через слой адсорбента
толщиной 0,5–2 см, применяются для фракции 0,02–0,1 мм.
78
Адсорберы I типа могут применяться для очистки любых объемов
сточных вод самого широкого спектра концентрации и химического строения
извлекаемых примесей.
Адсорберы II типа наиболее целесообразно применять для очистки
небольших объемов сточных вод с хорошо сорбируемыми загрязнениями.
Адсорберы III типа эффективно использовать для очистки небольших
объемов высококонцентрированных сточных вод, а адсорберы четвертого типа
для очистки небольших объемов низко концентрированных сточных вод (5–
10 мг/л извлекаемых примесей).
Самыми распространенными являются адсорберы с неподвижным слоем
загрузки (см. рис. 7.1), выполняемые в виде металлических колонн или
бетонных резервуаров.
Рис. 7.1. Адсорбер с неподвижным слоем:
1 – сточная вода; 2 – очищенная вода; 3 – адсорбент, загрузка адсорбента; 4 – острый
водной пар для регенерации адсорбента; 5 – продукты регенерации
Они представляют собой вертикальные однокамерные цилиндрические
аппараты (колонны) из листовой стали с приваренными эллиптическими
штампованными днищами. К нижнему днищу приварены три опоры для
установки фильтра на фундамент. В центре верхнего и нижнего днища
приварены патрубки для подвода и отвода сточной воды. К ним снаружи
присоединяются трубопроводы, расположенные по фронту фильтра, а внутри –
распределительные устройства, состоящие из вертикальных коллекторов,
79
соединенных с радиально расположенными перфорированными трубами.
Корпус угольного фильтра снабжен двумя лазами – верхним и нижним.
На уровне нижнего распределительного устройства к корпусу фильтра
приварен штуцер для гидравлической выгрузки отработанного угля.
Очистка сточных вод осуществляется фильтрованием воды через
колонну, загруженную слоем адсорбента. Наиболее рациональное направление
фильтрации жидкости через колонну с адсорбентом – снизу вверх, так как при
этом она равномерно заполняет все сечение колонны и относительно легко
вытесняет пузыри воздуха или газов, попадающих в слой вместе со сточными
водами. Адсорбент применяют в виде зерен или частиц неправильной формы
размером от 1,5–2 до 4–5 мм.
Условием применимости колонн с неподвижным слоем адсорбента
является практически полное отсутствие взвесей (особенно минеральных) в
сточных водах, поступающих в колонну. В противном случае заиливание слоя
тонкой взвесью приведет к быстрому росту сопротивления фильтрации и
прекращению работы адсорбера задолго до использования его поглотительной
способности.
Колонны
с
неподвижным
слоем
активированного
угля
обычно
применяют при регенеративной очистке цеховых сточных вод с целью
утилизации выделенных относительно чистых ценных продуктов. После
насыщения адсорбента до проскока загрязнения в фильтрат подачу сточных вод
в колонну прекращают, колонны освобождают от находящейся в ней воды,
адсорбент подвергают регенерации.
Регенерация углей
Адсорбированные вещества из угля извлекают десорбцией насыщенным
или перегретым водяным паром, либо нагретым инертным газом. Температура
перегретого пара при этом (при избыточном давлении 0,3–0,6 МПа) равна
200–300 °С, а инертных газов 120–140 °С. Расход пара при отгонке
легколетучих веществ равен 2,5–3 кг на 1 кг отгоняемого вещества, для
80
высококипящих – в 5–10 раз больше. После десорбции пары конденсируют,
вещество извлекают из конденсата.
В некоторых случаях перед регенерацией адсорбированное вещество
путем химического превращения переводят в другое вещество, которое легче
извлекается из адсорбента. В том случае, когда адсорбированные вещества не
представляют ценности, проводят деструктивную регенерацию химическими
реагентами (окислением хлором, озоном или термическим путем). Для того
чтобы при регенерации активированного угля извлеченные вещества были
получены в возможно большой концентрации, весь слой адсорбента в аппарате
должен быть насыщен поглощенными из сточных вод веществами до
равновесия
с
концентрацией
этих
веществ
в
воде,
поступающей
в
адсорбционную колонну.
Если исчерпание емкости адсорбента происходит на коротком слое
загрузки (за счет высокой эффективности адсорбции или малой концентрации
адсорбата) и процесс можно прервать на период смены загрузки или ее
регенерации, то вся высота загрузки, используемая для адсорбции, размещается
в одном адсорбере. Если требуемая высота загрузки больше размеров одного
адсорбера или процесс не может прерываться, то используются несколько
последовательно работающих адсорберов, или порционный (дискретный или
непрерывный) вывод из адсорбера отработанного адсорбента.
Расчет адсорбционной установки с плотным неподвижным слоем
гранулированного активированного угля
для очистки загрязненных сточных вод
1.
Сорбционная емкость для сточной воды с начальной концентрацией
загрязненной воды до 100 мг/л ХПК (используют изотерму Генри):
(7.1)
где Сн и Ск - начальная и конечная величина ХПК соответственно, мг/г;
Г – константа Генри.
81
При больших концентрациях используют изотерму Фрейндлиха
(7.2)
где f – постоянная Фрейндлиха.
2.
Площадь одновременно и параллельно работающих адсорберов, м2:
(7.3)
где q – производительность, м3/ч;
v – скорость фильтрования сточной воды через загрузку или скорость
движения сточной воды через поперечные сечения адсорбера, м/ч.
3.
Количество
параллельно
и
одновременно
работающих
линий
адсорберов, шт:
(7.4)
(7.5)
4.
Максимальная доза активного угля, г/л (кг/м3):
(7.6)
Доза активного угля, выгружаемого из адсорбера, мг/л:
(7.7)
где К – заданная степень исчерпания емкости сорбента.
Примечание: В приведенных выше формулах целесообразно начальную
и конечную величины ХПК (Сн и Ск) брать в мг/л.
5.
Ориентировочная высота загрузки адсорбента, м:
(7.8)
Ориентировочная высота загрузки, выгружаемая из адсорбера, м:
82
(7.9)
где qw – в м3/ч;
t – ориентировочная продолжительность работы установки до проскока, ч;
нас
– насыпная плотность АУ, кг/м (значения брать из табл. 7.1 в
соответствии с выбранной маркой угля).
Высота слоя отработанного адсорбента, выгружаемого из адсорбера
принимается равной загрузке одного адсорбера Н и величине резервной высоты
загрузки H3 (H2 = H3).
Общая высота загрузки адсорбента Н в адсорбционной установке, с
учетом установки одного резервного адсорбера, м:
(7.10)
Количество последовательно установленных в одной линии адсорберов:
(7.11)
Продолжительность работы адсорбционной установки до проскока (при
6.
одном адсорбере, находящемся в процессе перегрузки), ч:
(7.12)
При пористости загрузки
(7.13)
где γ
нас
– насыпная плотность АУ, кг/м3 (значения брать из табл. 7.1 в
соответствии с выбранной маркой угля);
γ каж – кажущаяся плотность АУ, кг/м3.
Продолжительность работы одного адсорбера до исчерпания емкости, ч:
(7.14)
Таким
образом,
требуемая
степень
очистки
будет
достигнута
непрерывной работой N параллельных линий адсорберов, в каждой из которых
83
по п последовательно установленных адсорбера, из которых один резервный
находится в режиме перегрузки. Каждый адсорбер при этом должен работать в
течение t2 ч, отключение одного адсорбера в последовательной цепи на
перегрузку производиться через t1 ч.
7.
Объем загрузки одного адсорбера, м3
(7.15)
Cухая масса угля в одном адсорбере, т:
(7.16)
Затраты угля при перегрузке по одному адсорберу из каждой линии (n)
через каждые t, ч, т/ч:
(7.17)
Доза угля при данных затратах, г/л
(7.18)
Задание
В
соответствии
со
своим
вариантом
необходимо
рассчитать
адсорбционную установку с плотным неподвижным слоем активного угля для
очистки промышленной сточной воды:
─
рассчитать необходимое количество параллельно работающих линий
адсорберов и количество последовательно установленных адсорберов в
каждой линии;
─
определить
ориентировочную
высоту
загрузки
адсорбента,
обеспечивающую очистку и продолжительность работы адсорбционной
установки;
─
рассчитать общий объем загрузки.
84
Данные для расчета
Марка АУ
1
АГ-3
qw , м3/сут
10000 13000 11200 9800
Варианты
5
6
7
8
9
10
КАД АГ-2 БАУ АГ-3 КАД АГ-5
йодн.
йодн.
10000 11200 11000 10700 12100 10000
Сн ,мг/л
635
637
583
615
620
589
607
628
577
625
Ск, мг/л
50
65
55
50
60
50
55
60
45
55
v , м/ч
10
12
9
11
11
12
11
10
8
11
t, ч
24
36
32
28
30
28
36
30
32
28
К
0,7
0,8
0,85
0,75
0,7
0,7
0,8
0,65
0,7
0,75
d,м
3,5
4,5
4
3,5
4
4
3,5
4,5
4
3,5
Параметры
2
БАУ
3
АГ-5
4
АР
где qw – производительность, м3 /сут;
Сн и Ск – начальная и конечная величина ХПК соответственно, мг/л;
v – скорость фильтрования сточной воды через загрузку, м/ч;
t – ориентировочная продолжительность работы установки до проскока, ч;
К – заданная степень исчерпания емкости сорбента;
d – диаметр адсорбера м.
Примечание:
Уравнение адсорбера принять в соответствии с уравнением Фрейндлиха:
;
Контрольные вопросы
1.
На чем основывается адсорбционный метод очистки?
2.
Что является достоинством адсорбционного метода?
3.
От чего зависть эффективность адсорбционной очистки?
4.
Какие материалы применяются в качестве сорбентов?
5.
Как осуществляется очистка сточных вод в адсорбере?
6.
Какие существуют типы адсорберов
7.
Как происходит регенерация углей?
85
8. ИОНИТНОЕ ОБЕССОЛИВАНИЕ ВОДЫ. РАСЧЕТ КАТИОНИТНОГО
И АНИОНИТНОГО ФИЛЬТРОВ ПЕРВОЙ СТУПЕНИ
Составители: Л.П. Сидорова, Н.В. Гаврилова
Введение
Вода – ценнейший природный ресурс. Она играет исключительную роль
в процессах обмена веществ, составляющих основу жизни. Огромное значение
вода
имеет
в
промышленном
и
сельскохозяйственном
производстве.
Общеизвестна необходимость ее для бытовых потребностей человека, всех
растений и животных. Для многих живых существ она служит средой обитания.
Одним из основных направлений работы по охране водных ресурсов
является внедрение новых технологических процессов производства, переход
на замкнутые (бессточные) циклы водоснабжения, где очищенные сточные
воды не сбрасываются, а многократно используются в технологических
процессах.
возможность
Замкнутые
циклы
полностью
промышленного
ликвидировать
водоснабжения
сбрасывание
сточных
дадут
вод
в
поверхностные водоемы, а свежую воду использовать для пополнения
безвозвратных потерь. Загрязненная вода, образующаяся в результате
эксплуатации оборудований и проведения ремонтных работ подвергается
очистке и используются вновь. Большинство технологических процессов
обработки вод различных типов, в том числе и сточных, не относятся к разряду
новой техники, а известны и используются сравнительно давно, постоянно
видоизменяясь и совершенствуясь. В первую очередь следует назвать такой,
наиболее важный с точки зрения получения воды высокой степени чистоты
процесс, как ионный обмен.
Ионный обмен является одним из эффективных методов удаления из воды
анионов и катионов. Это одна из важнейших стадий очистки, используемая как
этап предварительной очистки, так и для получения воды очищенной.
Ионный обмен основан на использовании ионитов – сетчатых полимеров
разной степени сшивки, гелевой микро- или макропористой структуры,
ковалентно связанных с ионогенными группами (рис. 8.1):
86
Рис. 8.1. Общий вид ионитов, используемых в ионообменных смолах
Диссоциация этих групп в воде или в растворах дает ионную пару –
фиксированный на полимере ион и подвижный противоион, который
обменивается на ионы одноименного заряда (катионы или анионы) из раствора.
При химическом обессоливании обмен ионов является обратимым процессом
между твердой и жидкой фазами. Включение в состав смол различных
функциональных групп приводит к образованию смол избирательного действия.
Ионообменные смолы делятся на анионообменные и катионообменные.
Катионообменные смолы содержат функциональные группы, способные к
обмену положительных ионов, анионообменные – к обмену отрицательных
ионов (рис. 8.2):
Рис. 8.2. Принцип ионного обмена
87
Смолы могут быть дополнительно разделены на 4 основные группы:
сильнокислотные, слабокислотные катионообменные смолы и сильноосновные
и слабоосновные анионообменные смолы.
Существует
два
типа
ионообменных
аппаратов,
как
правило,
колоночных:
─ с раздельным слоем катионита и анионита;
─ со смешанным слоем.
Аппараты первого типа состоят из двух последовательно расположенных
колонн, первая из которых по ходу обрабатываемой воды заполнена
катионитом, а вторая – анионитом (рис. 8.3). Аппараты второго типа состоят из
одной колонны, заполненной смесью этих ионообменных смол.
Рис. 8.3. Принцип работы ионообменной установки
Катионит регенерируется разбавленной
5
% хлористоводородной
кислотой; анионит – 4 % водным раствором гидроксида натрия.
Преимуществами ионного обмена являются малые капитальные затраты,
простота, отсутствие принципиальных ограничений для достижения высокой
производительности очистки воды.
На рис. 8.4 представлена принципиальная схема химводоочистки, в
которой предусматривается очистка исходной воды от механических примесей
в механических фильтрах, удаление свободной кислоты в декарбонизаторах, а
88
также
ионная
очистка
в
анионитовых
и
катионитовых
фильтрах.
В механическом фильтре, который заполняется, например, дробленым
антрацитом, отделяются грубодисперсные загрязнения. Далее вода очищается в
несколько приемов на ионообменных фильтрах.
Рис. 8.4. Принципиальная схема химводоочистки:
1 – механический фильтр; 2 – бак осветленной воды; 3 – катионитовый фильтр I ступени;
4 – декарбонизатор; 5 – бак декарбонизированной воды; 6 – катионитовый фильтр II ступени;
7 – анионитовый фильтр I ступени; 8 – катионитовый фильтр III ступени; 9 – анионитовый
фильтр II ступени
Ионообменная
фильтрация
основана
на
способности
некоторых
материалов – ионитов, которые сами в воде практически не растворяются,
изменять в нужном направлении ионный состав воды. В результате обмена
ионами между водой и твердым веществом с ионной связью (ионитом)
содержащиеся в воде ионы удерживаются ионитом, который отдает в воду
эквивалентное количество ионов того же знака. Для очистки применяют
ионообменные
материалы,
дивинилбензола,
которые
являющиеся
обладают
сополимерами
сетчатой
структурой
стирола
–
и
матрицей,
содержащей фиксированные ионы. Подвижные противоионы уравновешивают
заряд фиксированных ионов и способны к обмену. Между ионообменными
фильтрами
I
декарбонизатор,
и
II
ступеней
предназначенный
системы
для
89
химводоочистки
удаления
из
воды
установлен
свободной
углекислоты,
содержание
которой
несколько
возрастает
после
Н-катионирования I ступени.
Удалять углекислоту необходимо для того, чтобы создать оптимальные
условия для использования сильноосновного анионита. Удаляют ее с помощью
аэрации воды воздухом в аппаратах башенного типа – декарбонизаторах.
Установка дополнительных ионитовых фильтров для очистки воды,
подпитывающей первый контур, предусмотрена для того, чтобы исключить
случайное попадание туда катионов натрия Na+ и анионов сильных кислот в
результате
либо
плохой отмывки фильтров после их регенерации
–
восстановления работоспособности, либо истощения Н-катионитовых фильтров.
В результате работы системы химводоочистки получается химически
очищенная вода.
Использование метода ионного обмена целесообразно в технологиях
водоподготовки при слабой минерализации воды: ниже 100–200 мг/л солей.
При умеренной минерализации воды (около 1 г/л содержании солей) для
очистки 1 м3 воды будет необходимо затратить 5 л 30 % раствора соляной
кислоты и 4 л 50 % раствора щелочи.
Технологический расчет Н-катионитного фильтра I ступени
1.
Площадь фильтрования одного фильтра, м2:
(8.1)
где d – диаметр фильтра, м.
2.
Действительная скорость фильтрования, м/ч:
(8.2)
где Q – производительность фильтров первой ступени, м3/ч;
n – число фильтров.
3.
Ионная нагрузка, мг.экв/л:
(8.3)
90
где СCa2+,
2+
Mg
– концентрация Ca2++Mg2+ в воде, поступающей на фильтр,
мг.экв/л;
СNa+ – концентрация Na+ в воде, поступающей на фильтр, мг.экв/л.
4.
Продолжительность фильтроцикла, сутки:
(8.4)
где h – высота фильтра, м;
Ераб – рабочая объемная емкость катионита, г.экв/м3.
5.
Объем воды, прошедший за один фильтроцикл, м3:
(8.5)
6.
Суточное число регенераций, 1/сутки:
(8.6)
7.
Расход HCl на регенерацию катионита, кг:
(8.7)
где b – удельный расход HCl на регенерацию, кг/м3.
8.
Cуточный расход кислоты, кг/сут:
(8.8)
9.
Расход воды на регенерацию одного фильтра, м3:
(8.9)
где СHCl – концентрация раствора HCl при регенерации;
ρ – плотность воды, равная 1000 кг/м3.
10.
Расход воды на отмывку одного фильтра, м3:
(8.10)
где а – удельный расход воды на отмывку катионита, м3 H2O/м3 смолы.
11.
Суммарный расход воды на регенерацию одного фильтра, м3:
(8.11)
12.
Время на пропуск регенерационного раствора, ч:
91
(8.12)
где рег – скорость пропуска регенерационного раствора, м/ч.
13.
Время на отмывку фильтра, ч:
(8.13)
где отм – скорость отмывки катионита, м/ч.
14.
Время на регенерацию одного фильтра, ч:
(8.15)
Технологический расчет ОН-анионитного фильтра I ступени
1.
Площадь фильтрования одного фильтра, м2:
(8.16)
где d – диаметр фильтра, м.
2.
Действительная скорость фильтрования, м/ч:
(8.17)
где Q – производительность фильтров первой ступени, м3/ч;
n – число фильтров.
3.
Ионная нагрузка, мг.экв/л:
(8.18)
-
где СNO3- – концентрация NO3 в воде, поступающей на фильтр, мг.экв/л;
2-
СSO42- – концентрация SO4 в воде, поступающей на фильтр, мг.экв/л;
-
СCl- – концентрация Cl в воде, поступающей на фильтр, мг.экв/л.
4.
Продолжительность фильтроцикла, сутки:
(8.19)
где h – высота фильтра, м;
Ераб – рабочая объемная емкость анионита, г.экв/м3.
92
5.
Объем воды, прошедший за один фильтроцикл, м3:
(8.20)
6.
Суточное число регенераций, 1/сутки:
(8.21)
7.
Расход щёлочи (NaOH) на регенерацию анионита, кг:
(8.22)
где b – удельный расход NaOH на регенерацию, кг/м3.
8.
Суточный расход щелочи, кг/сут:
(8.23)
9.
Расход воды на взрыхление одного фильтра, м3:
(8.24)
где i – удельный расход воды на взрыхление анионита, м3/(чм2);
Твзр – время взрыхления анионита,ч.
10.
Расход раствора NaOH на регенерацию одного фильтра, м3:
(8.25)
где СNaOH – концентрация раствора NaOH при регенерации;
ρ – плотность воды, равная 1000 кг/м3.
11.
Расход воды на отмывку одного фильтра, м3:
(8.26)
где а – удельный расход воды на отмывку анионита, м3 H2O/м3 смолы.
12.
Суммарный расход воды на регенерацию одного фильтра, м3:
(8.27)
13.
Время на пропуск регенерационного щелочного раствора, ч:
(8.28)
где рег – скорость пропуска регенерационного раствора, м/ч.
14.
Время на отмывку фильтра, ч:
93
(8.29)
где отм – скорость отмывки анионита, м/ч.
15.
Время на регенерацию одного фильтра, ч:
(8.30)
Задание
В соответствии со своим вариантом (табл. 8.1 и табл. 8.2) необходимо
выполнить технологический
расчет Н-катионитного и
ОH-анионитного
фильтров первой ступени:
─
определить суммарный расход воды на регенерацию Н-катионитного и
ОН-анионитного фильтров;
─
определить время на регенерацию Н-катионитного и ОН-анионитного
фильтров первой ступени.
Таблица 8.1
Исходные данные для расчета катионитного фильтра первой ступени
п/
п
Параметры
1
Варианты
1
2
3
4
Q, м3/ч
62,073
60,8
63,56
61,23
2
b, кг/м3
60
55
50
65
3
СНCl-, %
5
5
5
5
4
СCa2+,Mg2+, мг.экв/л
3,224
3,224
3,224
3,224
5
С Na+, мг.экв/л
0,03
0,03
0,03
0,03
6
а, м3 H2O/м3 смолы
5
8
7
4
7
Ераб, г.экв/м3
650
850
700
750
8
рег, м/ч
10
12
9
15
9
отм, м/ч
10
12
9
15
10
Wрек, м/ч
30
25
23
30
94
Параметры фильтров 1 – ой ступени: d = 1 м, h = 2 м, n = 2
─
Q – производительность фильтров первой ступени;
─
b – удельный расход H2SO4 на регенерацию;
─
СHCl- – концентрация раствора HCl при регенерации;
─
СCa2+,Mg2+ – концентрация Ca2++Mg2+ в воде, поступающей на фильтр;
─
СNa- – концентрация Na- в воде, поступающей на фильтр;
─
а – удельный расход воды на отмывку катионита;
─
Ераб – рабочая объемная емкость катионита;
─
рег
– скорость пропуска регенерационного раствора;
─
отм
– скорость отмывки катионита;
─
Wрек – рекомендуемая скорость фильтрования.
Таблица 8.2
Исходные данные для расчета анионитного фильтра первой ступени
п/п
Варианты
2
58
60
5
Параметры
1
2
3
i, л/(см2)
1
59,98
50
3
4
Tвзр, мин
10
15
10
5
5
СNaOH, %
4
6
5
3
6
С NO3-, мг.экв/л
0,002
0,002
0,002
0,002
7
СSO42-, мг.экв/л
2,599
2,599
2,599
2,599
8
СCl-, мг.экв/л
0,15
0,15
0,15
0,15
9
а, м3 H2O/м3 смолы
8
10
9
11
11
Ераб, г.экв/м3
800
850
900
830
12
5
7
6
5
13
рег, м/ч
отм, м/ч
5
7
6
5
14
Wрек, м/ч
20
25
23
20
3
Q, м /ч
b, кг/м3
3
60,5
50
4
4
59,5
45
2
Параметры фильтров 1 – ой ступени: d = 1,5 м, h = 2 м, n = 2
─
Q – производительность фильтров первой ступени;
─
b – удельный расход NaOH на регенерацию;
─
i – удельный расход воды на взрыхление анионита;
95
─
Твзр – время взрыхления анионита;
─
СNaOH – концентрация раствора NaOH при регенерации;
─
СNO3- – концентрация NO3 в воде, поступающей на фильтр;
─
СSO42- – концентрация SO4 в воде, поступающей на фильтр;
─
СCl-– концентрация Cl в воде, поступающей на фильтр;
─
а – удельный расход воды на отмывку анионита;
─
Ераб – рабочая объемная емкость анионита;
─
рег
– скорость пропуска регенерационного раствора;
─
отм
– скорость отмывки анионита;
─
Wрек – рекомендуемая скорость фильтрования.
-
2-
-
Контрольные вопросы
1.
На чем основан принцип ионного метода химводоочистки?
2.
Какие функциональные группы «привитые» на смолах способны к
обмену положительных и отрицательных ионов?
3.
Какие бывают ионообменные аппараты? На чем основан метод удаления
из воды анионов и катионов?
4.
Опишите принципиальную схему химводоочистки.
5.
Преимущества метода ионного обмена и принципы его применения в
технологии водоподготовки.
96
9. ФЛОТАЦИОННЫЙ МЕТОД ОЧИСТКИ СТОЧНЫХ ВОД.
РАСЧЕТ НАПОРНОГО ФЛОТАТОРА
Составители: Л.П. Сидорова, А.В. Леваева
Введение
Флотация (фр. flotter – плавать) – процесс разделения мелких твёрдых
частиц, основанный на различии их в смачиваемости водой.
Флотационная
техника используется при решении экологических
проблем преимущественно в процессах очистки сточных вод, содержащих
гидрофобные загрязнения, и при сгущении активного ила.
Использование флотационной техники с различными способами аэрации
обусловлено присутствием в сточных водах частиц, обладающих хорошо
выраженными гидрофобными свойствами. Гидрофобные (плохо смачиваемые
водой) частицы избирательно закрепляются на границе раздела фаз, обычно
газа и воды, и отделяются от гидрофильных (хорошо смачиваемых водой)
частиц. При флотации пузырьки газа или капли масла прилипают к плохо
смачиваемым водой частицам и поднимают их к поверхности.
Гидрофобность (греч. phobos – боязнь, страх) – это физическое свойство
молекулы, которая «стремится» избежать контакта с водой. Сама молекула в
этом случае называется гидрофобной. К ним относятся нефтепродукты, жиры,
масла, а также частицы, имеющие поверхность, как с гидрофобными, так и
гидрофильными участками, например, клетки микроорганизмов, торф.
Гидрофильность
–
способность
вещества
смачиваться
водой.
Гидрофильными веществами являются глины, силикаты.
Гидрофильность
и
гидрофобность
являются
характеристиками
интенсивности молекулярного взаимодействия поверхности тел с водой. Эти
понятия относятся не только к телам, у которых оно является свойством
поверхности, но и к отдельным молекулам, их группам, атомам, ионам.
Гидрофильностью
обладают
вещества
с
ионными
кристаллическими
решётками (оксиды, гидроксиды, силикаты, сульфаты, фосфаты, глины и т. д.),
вещества с полярными группами –ОН, –СООН, –NO2 и др. Гидрофобностью
97
(плохой смачиваемостью) обладают большинство органических веществ с
углеводородными радикалами, металлы, полупроводники и т. д.
Флотация
является
сложным
физико-химическим
процессом,
заключающимся в создании комплекса частица-пузырек воздуха или газа,
всплывании этого комплекса и удалении образовавшегося пенного слоя.
Процесс флотации широко применяют при обогащении полезных ископаемых,
а также при очистке сточных вод.
Формирование флотационного агрегата
Центральным моментом процесса флотации является прилипание частиц
к пузырькам воздуха (газа) с образованием флотационного агрегата пузырькичастицы. Прилипание может осуществляться двумя путями: столкновением и
закреплением частиц на пузырьках воздуха в водной среде и непосредственным
формированием пузырька на поверхности частиц за счет выделения газа при
снижении давления над поверхностью водной среды. В напорном флотаторе
осуществляется второй способ прилипания.
Прочность соединения пузырек – частица зависит от размеров пузырька и
частицы, физико-химических
свойств пузырька, частицы
и жидкости,
гидродинамических условий и других факторов.
Флотационные реагенты и механизм их действия
Флотационная активность частиц в основном зависит от гидративности
их поверхности; чем они гидрофобнее, тем лучше флотируются. Однако в
промстоках, в частности в маслосодержащих сточных водах прокатного
производства, содержатся тонкодисперсные илистые частицы, частицы окиси
металла (окалина), масла в виде устойчивых эмульсий и другие загрязнения,
обладающие высокой гидрофильностью поверхности. Для удаления этих
частиц из сточных вод методом пенной флотации необходимо предварительное
изменение
их
первоначальных
поверхностных
флотационных реагентов.
98
свойств
с
помощью
Классификация флотационных реагентов в зависимости от их роли и
назначения:
─
собиратели, повышающие гидрофобность поверхности частиц;
─
пенообразователи, снижающие поверхностное натяжение на границе
раздела фаз и способствующие образованию устойчивых и флотационно
активных мелких пузырьков воздуха;
─
регуляторы
(активаторы,
депрессоры
и
регуляторы
pH
среды),
представляющие собой главным образом электролиты, повышающие
селективность процесса. В сточных водах металлургических предприятий
реагенты-собиратели
присутствуют
в
виде
различных
смазочных
материалов.
Следует отметить, что одни и те же вещества в разных условиях могут
выполнять роль различных флотореагентов. Так, натриевые мыла органических
кислот, содержащихся в сточных водах прокатного производства, вследствие
гетерополярной структуры молекул могут служить реагентами- собирателями
для гидрофобизации полярной поверхности окиси металлов (окалины) и илистых
частиц; в то же время они являются депрессором для аполярных масел.
Принцип работы флотационного агрегата
Процесс очистки стоков при флотации заключается в следующем: поток
жидкости и поток воздуха (мелких пузырьков) в большинстве случаев движутся
в одном направлении. Взвешенные частицы загрязнений находятся во всем
объеме сточной воды и при совместном движении с пузырьками воздуха
происходит агрегатирование частицы с воздухом. Если пузырьки воздуха
значительных размеров, то скорости воздушного пузырька и загрязненной
частицы различаются так сильно, что частицы не могут закрепиться на
поверхности воздушного пузырька. Кроме того, большие воздушные пузырьки
при быстром движении сильно перемешивают воду, вызывая разъединение уже
соединенных воздушных пузырьков и загрязненных частиц. Поэтому для
нормальной работы флотатора во флотационную камеру не допускаются
пузырьки более определенного размера.
99
Оборудование для флотационной очистки сточных вод:
Напорная флотация
Наиболее широкое распространение в процессах очистки сточных вод и
сгущения осадков получила напорная флотация. Преимущество этого способа
перед другими основано на том, что выделение пузырьков происходит
непосредственно на частицах загрязнений, находящихся в сточной воде.
Образующиеся флотокомплексы «частица – пузырек газа (воздуха)» затем
всплывают, образуя пенный слой. В этих случаях не требуется обеспечивать
столкновение частиц
с пузырьками для
образования флотокомплекса,
обуславливающее перевод частиц в пену. Обычно при флотационной очистке
сточных вод приходится иметь дело с очень тонкими частицами, вероятность
столкновения которых с пузырьками очень низкая. Мелкие частицы относятся в
сторону пузырьков, омывающимися потоками, тем в большей степени, чем
меньше масса частицы. В аппаратах напорной флотации пузырьки на порядок
меньше (0,2 мм), чем в механических, пневмомеханических, пневматических
флотомашинах (где порядок – 1–3 мм), а, следовательно, в них при меньшей
аэрированности обеспечивается значительно большая поверхность раздела газ –
жидкость.
Скорость всплывания таких флотокомплексов мала и составляет
примерно 1–3 мм/с., что приводит к более значительному времени пребывания
разделяемой суспензии во флотационном аппарате. Увеличиваются также его
габариты. Другим существенным недостатком этого способа флотации является
то, что насыщение газом (воздухом) сточных вод ограничено давлением, при
котором происходит растворение газа (воздуха) в воде, и температурой воды.
В случае очистки стоков с повышенной температурой (40–60 °C) резко
уменьшается растворимость воздуха и эффект очистки падает в несколько раз.
В меньших масштабах применяются вакуумные установки, в которых
флотация тоже обеспечивается пузырьками воздуха, выделяющимися из
раствора. Это связано с большой сложностью аппаратурного оформления.
Вакуумные установки герметично закрыты для поддержания вакуума и для
100
вывода очищенной воды из резервуара с пониженным давлением. Для этого
необходимо поддерживать разность уровней воды во флотационной камере и
сооружении, в которое поступает очищенная вода.
В
этой
связи
вакуумная
флотация
не
получила
широкого
распространения в промышленной практике. Позднее были разработаны
типовые проекты установок напорной флотации. Установки для напорной
флотации просты и удобны в эксплуатации. Напорная флотация позволяет
очищать сточные воды с концентрацией взвесей до 4–5 г/л.
Процесс осуществляется в две стадии:
1)
насыщение воды воздухом под давлением;
2)
выделение растворенного газа под атмосферным давлением
Рис. 9.1. Схема многокамерной флотационной установки с рециркуляцией:
1 – сточная вода; 2 – насосы; 3 – шлам; 4 – пеносъемник; 5 – гидроциклон; 6 – флотационная
камера; 7 – система аэрации; 8 – напорный бак; 9 – очищенная вода
Исходная грязная сточная вода 1 поступает в приемный резервуар, откуда
ее перекачивают насосом 2, в гидроциклон 5. Затем комплексы с малой
подъемной силой вместе с потоком воды попадают в первый блок тонкослойного
осветления флотационной камеры 6, где в стесненных условиях происходит
коалесценция пузырьков воздуха, подаваемых с помощью системы аэрации 7, и,
вследствие этого, увеличение подъемной силы этих комплексов. Воздух
101
растворяется в воде при повышенном давлении 0,15–0,4 МПа. Далее очищаемая
вода попадает во второй и последующие блоки тонкослойного осветления. В
каждом блоке из воды интенсивно выделяются пузырьки воздуха, причем
непосредственно
на
частицах
(каплях)
примесей.
Образующиеся
флотокомплексы частица – пузырек всплывают, образуя пенный слой, который
удаляется пеносъемным устройством 4. Очищенная вода 9 выводится из верхней
части флотатора. Напорный бак 8 обеспечивает рециркуляцию процесса, т.к.
через него вода насосом 2 снова поступает во флотатор.
В качестве рабочей жидкости используют природную или очищенную
сточную воду. При этом объем рабочей жидкости значительно превышает
объем очищаемой сточной воды. Улучшение флотации в этом случае
происходит из-за сохранения хлопьев загрязнений и более быстрого
всплывания их. Недостатком схемы является большой расход энергии на
перекачивание рабочей жидкости.
В технологии флотационной очистки наибольшее распространение
получило
принудительное
насыщение
жидкости
воздухом.
Получение
пузырьков из жидкости, пересыщенной газом, в природных условиях или в
других технологических процессах встречается гораздо реже. Принудительное
газонасыщение
осуществляется
преимущественно
с
использованием
сатуратора. Во флотационной камере, которая работает при атмосферном
давлении, происходит выделение растворенного воздуха и осуществляется
процесс флотации. Таким образом, образование пузырьков газа в воде
происходит вследствие уменьшения растворимости воздуха в воде при
снижении давления. При этом выделение газа из воды происходит
непосредственно на частице.
Расчет напорного флотатора
При расчете напорного флотатора необходимы следующие исходные
данные: расход сточных вод (Qф), время пребывания во флотаторе (t0), высота
флотатора (H0), время рабочего состояния флотатора (tp).
102
В соответствии с вариантом (таблица 9.1) рассчитать параметры
напорного флотатора:
1.
Диаметр флотационной камеры Dk, м:
(9.1)
где Qф – расход сточных вод, поступающих на флотатор, м3/ч;
v – скорость восходящего потока, равная 6 мм/с.
2.
Диаметр всего флотатора Dф, м:
(9.2)
где t0 – время пребывания во флотаторе, мин; H0 – высота флотатора, м.
3.
Расход сточных вод Q, поступающих на очистку, м3/сут:
(9.3)
где tр – время рабочего состояния одного флотатора, ч/сут;
tр равно продолжительности смены рабочего, равная 8 часам.
4.
Объем флотокамеры W, м3:
(9.4)
5.
Площадь поперечного сечения флотокамеры F2, м2:
(9.5)
где v – скорость восходящего потока, равная 6 мм/с.
6.
Рабочая глубина жидкости h2, м:
(9.6)
7.
Зная площадь поперечного сечения аппарата, из пункта 5 найдем длину и
высоту аппарата. Отношение ширины флотокамеры к длине, принимается
равным 0,5.
8.
По заданному графику определить эффект задержания взвешанных
веществ Wо.с. (т/сут) с интервалом времени через каждые 5 минут и
построить гистограмму, показывающую зависимость между Wо.с. (кг/сут) и
103
временем. Сделать выводы по каждому интервалу времени. Определить в
каком интервале процесс очистки сточных вод идет наиболее интенсивно.
Эффект задержания взвешенных веществ Wо.с., т/ сут.
(9.7)
где С, С1 – начальное и конечное содержание взвешенных веществ в
сточной воде, мг/л;
Q – расход сточных вод поступающих на очистку (из задания 1), м3/сут.
Рис. 9.2. График флотации:
где С – содержание ингредиентов в промывочной (сточной) воде, мг/л; t – время
флотации, мин
Примечание: 1) для построения гистограммы расчет производят в пять
интервалов времени (0–25, 0–20, 0–15, 0–10, 0–5)
Рис. 9.3. Гистограмма
104
2) При построении гистограммы по оси Wо.с. точку нуля следует заменить
более удобной в соответствии с вариантом в целях увеличения масштаба
рисунка.
Задание
В соответствии с вариантом (таблица 9.1) необходимо рассчитать
установку напорного флотатора:
─ диаметр флотационной камеры, диаметр флотатора;
─ расход сточных вод, поступающих на очистку, объем
флотационной
камеры, высоту и ширину аппарата;
─ эффект задержания взвешенных веществ.
Таблица 9.1
Исходные данные для расчета
Вариант
Тип
Qф, м3/ч
t0, мин
Ho, м
tр, ч/сут
флотатора
1
УПФ.Р-20
20
25
2
8
2
УПФ.Р-10
10
20
2
8
3
УПФ.Р-10
10
15
2
8
4
УПФ.Р-5
5
10
1
8
5
УПФ.Р-3
3
5
0,5
8
где Qф – расход сточных вод, поступающих на флотатор, м3/ч.
t0 – время пребывания во флотаторе.
tр – время рабочего состояния одного флотатора, ч/сут.
H0 – высота флотатора.
105
Контрольные вопросы
1.
Что такое гидрофильность и гидрофобность? Их принципиальное
различие.
2.
Как формируется агрегат «пузырек-частица» во флотационном аппарате?
3.
Что такое флотационные реагенты? Их классификация.
4.
Какой принцип работы напорного флотатора?
5.
Какая схема подачи воды при напорной флотации?
106
10. БИОХИМИЧЕСКАЯ ОЧИСТКА СТОЧНЫХ ВОД.
РАСЧЕТ АЭРОТЕНКОВ
Составители: Л.П. Сидорова, Е.Д. Чернышева
Введение
Сточные
воды
–
воды,
загрязненные
бытовыми
отбросами
и
производственными отходами и удаляемые с территорий населённых мест и
промышленных предприятий системами канализации. К сточным водам
относят также воды, образующиеся в результате выпадения атмосферных
осадков в пределах территорий населённых пунктов и промышленных
объектов. Содержащиеся в сточных водах органические вещества быстро
загнивают и ухудшают санитарное состояние водоёмов и атмосферы,
способствуя распространению различных заболеваний. Поэтому вопросы
очистки, обезвреживания и утилизации сточных вод являются неотъемлемой
частью проблемы охраны природы, оздоровления окружающей человека среды
и обеспечения санитарного благоустройства городов и других населённых мест.
Самая эффективная защита вод от загрязнений – это применение
технологий очистки. Для очистки хозяйственно – бытовых и сточных вод
применяют биохимический метод очистки. Процесс очистки основан на
способности
микроорганизмов-минерализаторов
сорбировать
на
своей
поверхности окислять в присутствии кислорода воздуха органические вещества
сточной жидкости. Сточные воды, направляемые на биохимическую очистку,
характеризуются величиной БПК. БПК – это биохимическое потребление
кислорода
–
количество
кислорода,
израсходованное
на
аэробное
биохимическое окисление под действием бактерий и разложение нестойких
органических соединений, содержащихся в исследуемой воде. Он определяет
количество
кислорода
необходимое
для
разложения
органических
загрязняющих веществ.
Известны аэробные и анаэробные методы биохимической очистки
сточных вод. Анаэробные методы очистки протекают без доступа кислорода.
107
Аэробный метод основан на использовании аэробных групп организмов, для
жизнедеятельности
которых
необходим постоянный
приток
кислорода.
Аэробные процессы биохимической очистки могут протекать в природных
условиях и в искусственных сооружениях. В естественных условиях очистка
происходит на полях орошения, полях фильтрации и биологических прудах.
В искусственных условиях очистку проводят в аэротенках или биофильтрах.
Аэротенк – это очистное сооружение или резервуар, служащий для
очистки стоков биологическим путем через окисление их бактериями, которые
находятся в аэрируемом слое.
В устройстве аэротенка стоки очищаются
посредством нагнетания воздуха, который подается компрессором, что создает
идеальные условия для развития бактерий, очищающих бытовые стоки.
Рис. 10.1. Аэротенк:
1 – зона аэрации; 2 – переливные окна; 3 – зона успокоения; 4 – козырек; 5 – лоток; 6 –
иловая труба; 7 – зуб; 8 – аэратор; 9 – трубопровод подачи сточных вод; 10 – щель; 11 –
перегородка; 12 – зона осветления; 13 – шибер
Зона аэрации 1 находится в центре и отделяется от зон осветления 12
наклонными
перегородками
11,
не доходящими
до
дна бассейна и
образующими внизу сплошную щель 10. В верхней части перегородок
выполнены окна 2, оборудованные шиберами 13. За переливными окнами в
108
зонах осветления расположены успокоительные перегородки с наклонными
козырьками 4. Они обеспечивают направленность движения циркуляционного
потока и способствуют лучшему отделению пузырьков воздуха. В зоне аэрации
у донной щели смонтирован отражательный зуб 7, исключающий задувание
циркуляционных
потоков
из
зоны
аэрации
в
зону
осветления
и
способствующий принудительному возврату активного ила из зоны осветления
в зону аэрации.
По конструктивным особенностям аэротенки могут быть:
─
аэртенки-вытеснители без регенераторов;
─
аэротенки-вытеснители с регенераторами;
─
аэротенки-отстойники;
─
аэротенки-осветлители;
─
аэротенки-смесители.
Аэротенки-вытеснители отличаются тем, что активный ил подается
сосредоточенно на вход в аэротенк, туда же подается и подлежащий
биологической очистке сточная вода после первичного отстаивания. В
результате смешивания воды и активного ила образуется иловая смесь
Очередная поступающая порция сточной воды на очистку вытесняет
предыдущую.
Характерной чертой аэротенков-отстойников является конструктивное
совмещение аэрационного резервуара и вторичного отстойника в одном
сооружении. Часть сооружения, в которой осуществляется аэрация иловой
смеси, получила название аэрационной зоны, а другая – отстойной зоны. Обе
эти зоны связаны между собой отверстиями, окнами, щелями и пр.,
обеспечивающими утекание иловой смеси из аэрационной зоны в отстойную
зону. Возврат активного ила из отстойной зоны в аэрационную зону,
происходит без применения специального оборудования для принудительного
возврата ила в зону аэрации. Сточная вода после первичных отстойников
подается
в
распределительный
трубопровод,
расположенный
вдоль
аэрационной зоны, находящейся в центре прямоугольного резервуара. С обеих
109
сторон аэрационной зоны расположены отстойные зоны, отделенные от нее
внутренними наклонными перегородками. Перегородки имеют в их верхней
части регулируемые переливные окна, через которые иловая смесь поступает в
отстойную зону. В низу перегородки примыкают к наклонной внешней стенке
аэротенка таким образом, что образуется продольная щель с каждой
продольной стороны аэрационной зоны. Через эти щели осаждающийся в
отстойной
зоне активный
ил
под
воздействием
гравитационных
сил
возвращается в зону аэрации. Аэрационная зона снабжается воздухом через
колпачковые аэраторы, монтируемые либо в плиту днища, перекрывающую
воздушный канал, либо в воздуховоды.
Конструкционные
особенности
аэротенков-осветлителей
позволяют
осуществлять процесс очистки сточных вод при интенсивности рециркуляции
между зонами аэрации и осветления, значительно превышающей ее значения в
аэротенках-отстойниках. В результате интенсивного обмена в зоне осветления
создается
гидродинамическая
обстановка,
обеспечивающая
образование
взвешенного слоя даже при нулевом притоке сточной жидкости. Такой
взвешивающий
слой
характеризуется
высокой
устойчивостью
и
однородностью, чему способствует форма зоны отстаивания и условия его
образования, а интенсивный обмен с зоной аэрации позволяет поддержать в
нем достаточный кислородный режим и осуществлять процесс окисления во
всем объеме, включая взвешенный слой. Таким образом, в процессе окисления
загрязнений сточных вод участвует непосредственно вся масса ила, имеющаяся
в сооружении, и процесс окисления загрязнений происходит одновременно с
процессом осветления сточной жидкости во взвешенном слое активного ила,
имеющего четкую границу раздела фаз и выполняющего сразу роль фильтра и
реактора окисления.
Аэротенк-смеситель – это аэротенк, в котором подвод сточной воды и
активного ила осуществляется равномерно вдоль одной длинной стороны
коридора, а отвод – вдоль другой стороны коридора. Сооружения этого типа
целесообразно применять для очистки производственных сточных вод при
110
относительно небольших колебаниях их состава и присутствии в воде
преимущественно растворенных органических веществ, например на второй
ступени биологической очистки сточных вод и системы канализации
нефтеперерабатывающих заводов.
Расчет аэротенков
Расчет аэротенков любого типа следует осуществлять с учетом
соответствующих рекомендаций и в определенной последовательности.
Аэротенки-смесители без регенератора
При расчете следует принимать:
1.
─
αаэр – доза ила в аэротенке, равная 1,5 г/л;
─
αрег – доза ила в регенераторе, равная 4 г/л;
─
Sл – зольность ила, равная 0,3;
─
Кi - константа, учитывающая тип аэратора, равная 24 мг/л;
─
К0 – константа, равная 1,66 мг/л;
─
φ – константа, равная 0,158 л/г.
Продолжительность аэрации смеси сточной воды и циркулирующего ила
в собственно аэротенке, Ta:
(10.1)
где αаэр – доза ила в аэротенке.
2.
Cредняя скорость окисления, :
(10.2)
3.
Доля расхода циркулирующего ила, α:
(10.3)
где αрег – доза ила в регенераторе.
4.
Продолжительность окисления снятых загрязнений, Т0:
111
(10.4)
где Sл – зольность ила в долях единицы.
5.
Период аэрации, tatm:
(10.5)
6.
Oбъем аэротенка, Wa:
(10.6)
где Q – средний часовой приток сточных вод в течение суток, в часы
максимального притока с 8 до 13.
7.
Продолжительность регенерации циркулирующего ила:
(10.7)
8.
Рассчитаем длину секции:
(10.8)
где n – количество коридоров аэротенка, В – ширина аэротенка
определяется по таблице 1. Для расчетов принимаем, что в аэротенке 6 секций,
тогда объем одной секции можно рассчитать по формуле:
(10.9)
Аэротенки-смесители с регенератором
При расчете следует принимать:
─
Sл – зольность ила в долях единицы, равная 0,3;
─
αрег – доза ила в регенераторе, равная 4 г/л;
─
αаэр – доза ила в аэротенке, равная 1,5 г/л;
─
Кi – константа, учитывающая тип аэратора, равная 24 мг/л;
─
Ко – константа, равная 1,66 мг/л;
─
φ – константа, равная 0,158 л/г.
112
Коэффициент рециркуляции, Ri:
1.
(10.10)
2.
Cредняя скорость окисления, :
(10.11)
3.
Доля расхода циркулирующего ила, α:
(10.12)
где αаэр – доза ила в аэротенке,
αрег – доза ила в регенераторе.
4.
Продолжительность аэрации смеси сточной воды и циркулирующего ила
в собственно аэротенке, Тa:
(10.13)
5.
Продолжительность окисления снятых загрязнений, Т0:
(10.14)
6.
Продолжительность регенерации циркулирующего ила, Tр:
(10.15)
7.
Объем аэротенка, Wa:
(10.16)
8.
Объем регенератора, Wр:
(10.17)
9.
Общий объем аэротенка с регенератором, W:
(10.18)
Аэротенки-вытеснители с регенератором
При расчете следует принимать:
─
Кi – константа, учитывающая тип аэратора, равная 33 мг/л;
─
Ко – константа, равная 0,626 мг/л;
113
1.
─
φ – константа, равная 0,07 л/г;
─
αаэр – доза ила в аэротенке, равная 2 г/л;
─
αрег – доза ила в регенераторе, равная 5 г/л;
─
Sл – зольность ила в долях единицы, равная 0,3;
─
α – доля расхода циркулирующего ила, равная 0,8.
Рассчитаем коэффициент рециркуляции, Ri:
(10.19)
2.
Продолжительность аэрации в аэротенке, Ta:
(10.20)
3.
Величина БПКполн воды, поступающей в начало аэротенка –вытеснителя,
Lmix,:
(10.21)
4.
Период пребывания сточных вод в аэротенке, tatv:
(10.22)
5.
Доза ила в регенераторе, αрег:
(10.23)
6.
Cредняя скорость окисления, :
(10.24)
7.
Продолжительность окисления загрязнений, Т0:
(10.25)
8.
Объем аэротенка, Wa:
(10.26)
9.
Продолжительность регенерации циркулирующего ила, Tр:
114
(10.27)
10.
Объем регенератора, Wр:
(10.28)
11.
Общий объем регенератора с аэротенком, W:
(10.29)
Аэротенки-вытеснители без регенератора
При расчете следует принимать:
1.
─
αаэр – доза ила в аэротенке, равная 2 г/л;
─
αрег – доза ила в регенераторе, равная 5 г/л;
─
Sл – зольность ила в долях единицы, равная 0,3;
─
Кi – константа, учитывающая тип аэратора, равная 26 мг/л;
─
Ко – константа, равная 1,66 мг/л;
─
φ – константа, равная 0,158 л/г.
Продолжительность аэрации в аэротенке, Та:
(10.30)
2.
Доза расхода циркулирующего ила, α:
(10.31)
где αаэр – доза ила в аэротенке;
αрег – доза ила в регенераторе.
3.
Средняя скорость окисления, :
(10.32)
4.
Продолжительность окисления снятых загрязнений, Т0:
(10.33)
5.
Рабочий объем аэротенка, Wa:
(10.34)
6.
Длина секции, L:
115
(10.35)
где n – количество коридоров аэротенка;
В – ширина аэротенка определяется по таблице 10.1. Для расчетов
принимаем, что в аэротенке 6 секций, тогда объем одной секции можно
рассчитать по формуле:
(10.36)
7.
Удельный расход воздуха в аэротенке, D:
(10.37)
где Ср – растворимость кислорода воздуха в воде:
(10.38)
где CТ – растворимость кислорода воздуха в зависимости от температуры и
давления, CТ = 9,64 мг/л;
Z – удельный расход кислорода на 1 мг снятой БПКполн, равный 1,1 мг/мг;
К1 – коэффициент, учитывающий тип аэратора, равный 1,91;
К2 – коэффициент, зависящий от глубины погружения аэратора, равный
2,17;
n 1 – коэффициент, учитывающий температуру сточных вод:
(10.39)
tср = 18
n 2 – коэффициент, учитывающий отношение скорости переноса кислорода
в иловой смеси к скорости переноса его в чистой воде, равный 0,85;
C – средняя концентрация кислорода в аэротенке, равная 2 мг/л;
Н – глубина аэротенка, м.
8.
Прирост ила в аэротенке, Пр:
(10.40)
116
где b – концентрация взвешенных веществ в сточной воде, поступающей в
аэротенк, равная 149 мг/л.
9.
Интенсивность аэрации, I:
(10.41)
Аэротенки-осветлители с регенератором
При расчете следует принимать:
1.
─
αаэр – доза ила в аэротенке, равная 2 г/л;
─
Ki – константа, учитывающая тип аэратора, равная 26 мг/л;
─
Ко – константа, равная 1,66 мг/л;
─
φ – константа, равная 0,158 л/г;
─
Sл – зольность ила в долях единицы, равная 0,3;
─
α – доза расхода циркулирующего ила, равная 0,8.
Продолжительность аэрации, Ta:
(10.42)
где αаэр – доза ила в аэротенке.
2.
Величина БПКполн воды, поступающей в начало аэротенка Lmix:
(10.43)
3.
Период пребывания сточных вод в аэротенке, tatv:
(10.44)
4.
Доза ила в регенераторе, αрег:
(10.45)
5.
Средняя скорость окисления, :
(10.46)
6.
Продолжительность окисления снятых загрязнений, Т0:
117
(10.47)
Продолжительность регенерации ила, Тр:
7.
(10.48)
Продолжительность пребывания в системе аэротенк – регенератор, Т:
8.
(10.49)
Средняя доза ила в системе аэротенк – регенератор, αimix:
9.
(10.50)
10.
Объем аэротенка, Wa:
(10.51)
11.
Объем регенератора, Wp:
(510.2)
12.
Общий объем аэротенка с регенератором, W:
(10.53)
Задание
1.
Рассчитать аэротенки, учитывая их конструктивные особенности.
2.
На основании полученных результатов сделать вывод о целесообразности
применения той или иной установки на производстве.
Таблица 10.1
Значения глубины аэротенка в зависимости от количества коридоров
Количество коридоров
Ширина коридоров В, м
Аэротенки двухкоридорные
4,5
Аэротенки трехкоридорные
4,5
Аэротенки четырехкоридорные
6
Примечание: аэротенки разработаны для двух рабочих глубин: 3,2 и 4,4 м.
118
119
150
15
Lа (мг/л)
LТ (мг/л)
количество
коридоров
(n)
ai (г/л)
3
4
59
ρmax (мг)
11
3
59
3.2
100
-
2
3.5
3
10
300
625
85
4.4
120
-
2
3
4
25
250
4200
АССР АВСР
2
85
4.4
90
-
2
3
4
15
150
4200
АВБР
4
86
3.2
60
0.3
2
2
3
20
200
2000
АОСР
5
59
4.4
-
-
2
4
2
20
150
1350
АСБР
6
59
3.2
80
-
2
2.5
2
30
320
800
АССР
7
85
4.4
100
-
2
2.5
3
15
200
4200
АВСР
8
85
3.2
100
-
2
3
4
25
150
4400
АВБР
9
86
3.2
-
0.4
2
2
4
15
180
1000
АОСР
10
Таблица 10.2
АСБР - аэротенк - смеситель без регенератора LТ (мг/л) - БПК полн очищенной сточной воды
АССР - Аэротенк - смеситель с регенератором ai (г/л) - доза ила
АВСР - Аэротенк - вытеснитель с регенератором Со (мг/л) - концентрация растворенного кислорода
АВБР - Аэротенк - вытеснитель без регенератора Ri - степень рециркуляции
АОСР - Аэротенк - осветлитель с регенератором Н (м) - рабочая глубина
Q (м3/ч) - средний часовой приток сточных вод в течении суток ρ max (мг) - константа, удельной скорости
окисления
La (мг/л) - БПК полн отстоенной сточной воды Li (см3/л) – иловый индекс
3.2
Н (м)
10
-
-
3
L (см /л)
i
i
2
2
9
8
7
6
Co (мг/л)
R
1250
Q (мг3/ч )
2
2
АСБР
Тип фильтра
1
5
1
Параметры
п/п
Исходные данные для расчетов аэротенков
Контрольные вопросы
1.
Какие воды называются сточными?
2.
На чем основам аэробный метод очистки?
3.
Какой принцип работы аэротенков?
4.
Какие конструктивные особенности имеют аэротенки?
5.
В чем главные отличия аэротенков различного типа?
120
11. ОЗОНИРОВАНИЕ СТОЧНЫХ ВОД. РАСЧЕТ ПАРАМЕТРОВ
ОЗОНАТОРНОЙ УСТАНОВКИ, РАСХОДА ОЗОНА И СТЕПЕНИ
ОЧИСТКИ ВОДЫ
Составители: Л.П. Сидорова, И.С. Анеха
Введение
В настоящее время озонирование является единственным универсальным
методом обработки воды, позволяющим эффективно воздействовать на
большое число различных загрязнителей искусственного и естественного
происхождения с одновременным обеззараживанием вод.
Длительный опыт использования озона и эксплуатации озонаторных
установок убеждает в том, что этот метод является высокоэффективным.
Дальнейшее совершенствование техники озонирования исключит свойственные
методу недостатки (высокая стоимость получения озона, токсичность и т д.), и
он получит широкое применение.
Озон широко применяется в мире в самых различных областях
водопользования:
─
вместо хлорирования при обработке питьевой воды для приготовления на
ее основе напитков;
─
для очистки сточных и промышленных вод;
─
обработки воды в бассейнах, океанариумах;
─
очистки подземных вод (в частности, для снижения уровня пестицидов,
устранения мутности, снижения цветности).
Широкое
применение
озонирования
в
качестве
альтернативного
хлорированию метода объясняется также отсутствием необходимости доставки
и хранения больших количеств хлорагентов, т.к. озон получают в озонаторных
установках из воздуха.
Уникальные формы окисляющего и дезинфицирующего воздействия
озона позволяют широко использовать его при водоподготовке на различных
стадиях обработки воды. Так, для окисления загрязнений озон может быть
121
введен как в начале технологической схемы очистки, так и на любом ее этапе в
зависимости от того, какой ингредиент загрязнений следует удалить.
Краткие сведения об озоне
Молекула
озона
включает
три
атома
кислорода
и
выражается
формулой О3. Структура молекулы – равнобедренный треугольник с углом в
вершине, равным 116°49'. Молекулярное строение озона описывается четырьмя
изометрическими формами:
Озон может быть получен с помощью химических реакций, в результате
ультрафиолетого излучения, при электрическом разряде.
Молекула озона неустойчива и легко диссоциирует на молекулу и атом
кислорода, который сразу же вступает в реакцию с озоном с образованием
молекулы кислорода. В воде озон диссоциирует быстрее, чем на воздухе.
На кинетику разложения озона влияет температура воды, наличие окислителей
(хром, бром и т. п.), рН, концентрация окисляющихся веществ и др. При
повышенном значении рН и низкой температуре воды распад озона
замедляется.
Растворимость озона в воде также увеличивается при понижении
температуры, увеличении рН. Основные соли снижают растворимость озона, а
нейтральные – повышают. При температуре 0 °С и атмосферном давлении
растворимость озона составляет 1,09 г/л, а при температуре 60 °С практически
равна нулю.
Озон является токсичным газом. Его предельно допустимое содержание в
воздухе помещений 0,0001 мг/л. Доза озона свыше 0,018 мг/л вызывает удушье.
Чистый озон взрывоопасен, но не взрывается, если его концентрация в
озоновоздушной смеси не превышает 10 %, то есть 140 г/м3.
122
Механизм воздействия озона на вещества
Озон имеет высокий окислительно-восстановительный потенциал, что
является главной причиной его активности по отношению к различного рода
загрязнениям воды, включая микроорганизмы. При введении озона в воду
осуществляются два основных процесса – окисление и дезинфекция. Кроме
того, происходит значительное обогащение воды растворенным кислородом.
Окисляющее действие озона на химические вещества проявляется в
следующих формах: прямом окислении, окислении радикалами (непрямое
окисление), озонолизе, катализе.
Перечисляя возможные формы окисляющего воздействия озона, нельзя
не отметить того факта, что по сравнению с другими окислителями озон
быстрее вступает в реакции и в меньшей дозе.
Озон является сильным бактерицидным и вирулицидным агентом. Озон
оказывает непосредственное влияние на цитоплазму и ядерную структуру
клетки бактерии, вызывая прекращение активности сложных органических
веществ белковой природы – энзимов. Вирусы уничтожаются при полном
окислении их материи, состоящей из белка и одной из нуклеиновых кислот.
Инактивация бактерий и вирусов рассматривается не только как последствие
прямого воздействия озона, но и как воздействие ряда других окислителей,
образующихся при диффузии дезинфектанта в воду, в частности – свободных
радикалов.
В отличие от хлора, который пассивен по отношению к некоторым типам
бактерий, озону отводится роль универсального окислителя, осуществляющего
почти мгновенную инактивацию.
Совокупность всех форм окисляющего и дезинфицирующего воздействия
озона позволяет широко использовать его в технике водоподготовки на разных
стадиях обработки воды. Так, если преследуется цель дезинфекции, озон
вводится на завершающем этапе очистки.
123
Синтез озона и его введение в обрабатываемую воду
Синтез озона осуществляется действием электрического разряда на
пропускаемый через генератор воздух или кислород. Применение кислорода
предпочтительней,
так
как
при
этом
удваивается
производительность
генераторов, а также снижаются стоимость оборудования поста озонирования и
потребление электроэнергии.
Созданы генераторы двух типов – пластинчатые и трубчатые.
Рис. 11.1. Схема элементарного трубчатого озонатора:
1 – электрод низкого напряжения; 2 – электрод высокого напряжения; 3 – стеклянный
диэлектрик; 4 – металлическое покрытие; 5 – межэлектродный зазор (зона разряда);
6 – охлаждающая вода
Для получения озона на станциях водоочистки используются, как правило,
трубчатые генераторы озона (озонаторы). Элементарный трубчатый генератор
состоит из двух электродов, разделенных диэлектриком. Электрод низкого
напряжения представляет собой цилиндр из нержавеющей стали, в котором с
небольшим зазором установлен полый цилиндрический стеклянный диэлектрик,
покрытый с внутренней стороны тонким слоем металла, являющимся
электродом высокого напряжения. Поток сухого воздуха или кислорода
пропускается в пространство между цилиндрическим электродом и стеклянным
диэлектриком, и при наложении переменного тока высокого напряжения
(5–30 кВ) и частоты происходит коронный («тихий») электрический разряд с
образованием озона. Озонаторы с частотой тока 50/60 Гц рекомендуются для
малых станций, а для больших станций – с частотой 600 Гц.
Доза озона и оптимальная схема озонирования определяются на основе
предварительных технологических исследований на источнике водоснабжения.
Если озон применяется только для обеззараживания поверхностных вод после
124
осветления
(фильтрования),
его
доза
принимается
1–3
мг/л,
для
обеззараживания подземных вод – 0,75–1 мг/л. Продолжительность контакта
обеззараживаемой воды с озоном принимается 5–12 мин. Температура, рН
воды, и наличие неокисленных неорганических и органических веществ также
влияют на дозу озона.
Введение озона только для обеззараживания производится в очищенную
воду, перед поступлением ее в резервуар чистой воды (РЧВ). В этом случае озон
будет затрачиваться лишь на дезинфекцию. Если после очистки в воде остались
неокисленные соединения (органические загрязнения, неокисленное железо,
марганец и т. п.), расход озона значительно возрастет. Кроме того, необходимо
будет дополнительно пропустить такую воду через сорбционные фильтры.
Главной задачей является наиболее полное растворение газообразного
озона в воде. Для этого используют устройства для диффузии озона в воду:
колонны, заполненные гранулированным материалом, механические турбины
для диспергирования озона, гидравлические эмульгаторы, контакторы с
разбрызгиванием жидкости, фильтросные трубы, пористые диски и т д.
Рис. 11.2. Принципиальная технологическая схема установки очистки сточных вод озоном:
1 – фильтр очистки; 2 – компрессор; 3 – охладитель; 4 – осушитель воздуха; 5 – генератор
озона; 6 – трансформатор высокого напряжения; 7 – реостат; 8 – смеситель (контактная
камера); 9 – пористый фильтрос; 10 – сточная вода на очистку; 11 – очищенная вода;
12 – отработанная озоновоздушная смесь
Эжекционная система НТЦ «Озон» для введения озоно-воздушной смеси
показана на рис. 11.3. Вода после эжектора поступает в реактор со временем
пребывания в нем от 2 до 6 минут. Конструкция реактора обеспечивает
125
изменение направления движения потока воды, что способствует лучшему его
перемешиванию с озоном.
Рис. 11.3. Реактор НТЦ «Озон»
Диспергируемый в воду озон независимо от применяемой системы
диффузии растворяется не полностью. Коэффициент полезного действия
систем, достигает 97 %. На практике диффузию озона осуществляют в
контактных камерах (см. рис. 11.4), работающих при атмосферном или
повышенном давлении.
Рис. 11.4. Контактные камеры озонирования различных типов
126
Обычно камеры состоят из нескольких отделений, где с целью
повышения степени растворения озона вода может циркулировать попеременно
вдоль
потока
диспергируемого
газа
и
противотоком.
Воздух
с
непрореагировавшим озоном выпускается через стояки, установленные на
перекрытии камер озонирования.
После контактных камер вода должна содержать остаточный озон в
количестве 0,1–0,3 мг/л, что гарантирует полноту ее обеззараживания. Однако
остаточный озон разрушает металлические трубопроводы, особенно стальные,
из-за активной коррозии, поэтому перед подачей воды в распределительные сети
необходимо некоторое время выдержать ее в РЧВ для полного разложения озона.
Количество оставшегося или непрореагировавшего озона контролируют
несколькими способами: йодометрией в нейтральной среде, спектрометрией,
калориметрией, люминесценцией и хемилюминесценцией.
Обезвреживание остаточного озона происходит по схеме:
Расчет озонаторной установки и контактной камеры
1.
Средний секундный расход воды на очистную станцию, м3/с:
(11.1)
где Qср.сут – средний расход сточных вод, м3/сут.
127
2.
Максимальный часовой расход, м3/ч:
(11.2)
где Коб – общий коэффициент неравномерности, равный 1,59
3.
Максимальный расход озона, кг/ч:
(11.3)
где Доз – доза озона, кг/м3
4.
Расход озона в сутки, кг/сут:
(11.4)
Из таблицы 2 выбрать тип озонатора, близкий по производительности к
Qоз.час , кг/ч
(11.5)
5.
Требуемое число озонаторов, шт:
(11.6)
где qоз – производительность по озону, кг/ч
6.
Требуемый расход воды, м3/ч:
(11.7)
где qв – расход охлаждающей воды, м3/ч.
7.
Размер контактных (барботажных) камер для смешения озно-воздушной
смеси с водой. Общая площадь камер, м2:
(11.8)
где t – время контакта(обработки) сточных вод, мин;
Нк – высота воды в камере, равная 4 м
128
Расчет степени очистки сточных вод
1.
Расход озона необходимого для окисления, кг/сут:
(11.9)
где Qср.сут – расход сточных вод, м3/сут;
Сo – необходимая концентрация озона в адсорбере, кг/м3;
10-3 – переводной коэффициент из мг/л в кг/м3
(11.10)
где Mo и Мв – молекулярные массы озона и загрязняющего вещества,
∆Св – разность концентраций загрязняющего вещества в сточной и обычной
воде, мг/л:
(11.11)
где Св – концентрация загрязняющего вещества в сточных водах, мг/л
2.
Эффективность очистки:
(11.12)
Расчет расхода озона
1.
Общий объем озоновоздушной смеси, израсходованной на обработку
сточных вод, л:
(11.13)
где q – расход озоновоздушной смеси, л/мин;
t – время контакта сточных вод, мин
2.
Количество озона, израсходованное на окисление загрязнений при
обработке сточных вод озоновоздушной смесью в течение времени t, мг:
(11.14)
где С0 – концентрация озона в поступающей озоновоздушной смеси, мг/л;
Сt – концентрация озона через время t в отработанной озоновоздушной
смеси, мг/л. Сt принять равной 1.
129
3.
Количество потребленного озона, отнесенное к 1 л обрабатываемых
сточных вод за время t, мг/л:
(11.15)
4.
Расход озона на окисление 1 мг загрязняющего вещества за время t, мг:
(11.16)
где CВ и CX – начальная концентрация и концентрация очищенных сточных вод
за время t, мг/л. Обычно CX принимается равной ПДК вещества в воде.
5.
Коэффициент использования озона:
(11.17)
Задание
Соответственно варианту:
─
рассчитать озонаторную установку и контактную камеру для дезинфекции
сточных вод, прошедших доочистку на фильтрах.
─
рассчитать параметры адсорбера и степень очистки воды.
─
рассчитать расход озона и степень его использования.
Таблица 11.1
№ п/п
Вариант
Данные для расчета
I
II
1
Доз, кг/м3
0,004
0,006
0,01
2
t, мин
5
7
10
3
q, л/мин
60
50
70
4
Загрязняющее вещество
этанол
бензол
триметиламин
5
ПДКв, мг/л
0,07
0,5
0,05
6
Мв, а.е.м.
46,07
78,10
59,03
7
Св, мг/л
2,0
2,7
1,4
Доз – доза озона, г/м3;
t – время контакта (обработки)сточных вод, мин;
130
III
q – расход озоновоздушной смеси, л/мин;
Мв – молекулярная масса загрязняющего вещества, а.е.м.;
Св – концентрация загрязняющего вещества в поступающих сточных
водах, мг/л
Ct – концентрация озона через время t в отработанной озоновоздушной
смеси, мг/л
Для всех расчетов принять: расход сточных вод Qср.сут = 12 000 м3/сут,
молекулярная масса озона Мо = 47,998
Таблица 11.2
Техническая характеристика озонаторов ТС и ТСК средней
производительности НПП «Техозон» (г. Дзержинск)
Марка
Производительность Концентрация
по озону, кг/ч
озона, г/м3
Расход
Расход
воздуха охлаждающей
(газа), м3/ч
воды, м3/ч
85
6
ТС–1,2
1,2
0–25
ТС–1,7
1,7
0–25
120
8
ТС–2,5
2,5
0–25
150
14
ТС–3,5
3,5
0–25
190
20
ТС–5,0
5,0
0–25
250
40
Контрольные вопросы
1.
Каким способом получают озон?
2.
На каком этапе следует вводить озон для дезинфекции воды?
3.
За счет чего блокируется действие белковых веществ при озонировании?
4.
Назовите параметры, которые могут влиять на скорость разложения озона.
5.
Должен ли содержаться озон в очищенной воде?
6.
Дозы озона для обеззараживания поверхностных и подземных вод должны
быть одинаковыми?
131
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1.
Борисов, Г.С. Основные процессы и аппараты химической
технологии: пособие по проектированию / Г.С. Борисов, В.П. Брыков,
Ю.И. Дытнерский и др. ; 2-е изд., перераб. и дополн. – М. : Химия, 1991. –
496 с.
2.
Будыкина, Т.А. Процессы и аппараты защиты гидросферы: учеб.
пособие для студентов учреждений высшего профессионального образования /
Т.А. Будыкина, С.Г. Емельянов. – М. : Академия, 2010. – 288 с.
3.
Вайсман, Я.И. Физико-химические методы защиты биосферы.
Очистка фильтрационных вод полигонов захоронения твердых бытовых
отходов : учеб. пособие / Я.И. Вайсман, И.С. Глушанкова, Л.В. Рудакова,
Н.Ф. Абрамов. – Пермь : Перм. гос. техн. ун-т, 2005. – 197с.
4.
Василенко, Л.В. Методы очистки промышленных сточных вод :
учеб. пособие / Л.В. Василенко, А.Ф. Никифоров, Т.В. Лобухина. –
Екатеринбург : Изд-во Уральского лесотех. университета, 2009. – 174 с.
5.
Ветошкин, А.Г. Процессы инженерной защиты окружающей
среды : учеб. пособие / А.Г. Ветошкин – Пенза : Изд-во Пензенского. гос.
университета, 2005. – 380 с.
6.
Водоподготовка. Процессы и аппараты. Учебное пособие для
вузов / под ред. д.т.н., проф. О.И. Мартыновой. – М. : Атомиздат, 1977. – 127 с.
7.
Герзон, В.М. Управление водоподготовительным оборудованием и
установками / В.М. Герзон. – М. : Энергоатомиздат, 1985. – 89 с.
8.
Голицин, А.Н. Промышленная экология и мониторинг загрязнения
природной среды : учебник / А.Н. Голицин. – М. : Оникс, 2010, – 332 с.
9.
Калицун, В.И. Лабораторный практикум по водоотведению и
очистке сточных вод / В.И. Калицун, Ю.М. Ласков и др. – М. : Стройиздат,
2001. – 272 с.
132
10.
Когановский, А.М. Очистка промышленных сточных вод /
А.М. Когановский, Л.А. Кульский, Е.В. Сотникова, В.Л. Шмарук. – М. : Техтка,
1974. – 257 с.
11.
Лапицкая, М. П. Очистка сточных вод (примеры расчетов) /
М.П. Лапицкая, Л. И. Зуева, Н. М. Балаескул, Л. В. Кулешова. – Мн.: Изд-во
Высшая школа, 1983. – 255 с.
12.
Орлов, В.А. Озонирование воды / В.А. Орлов. – М. : Стройиздат,
1984. – 88 с.
13.
Павлов, К.Ф. Примеры и задачи по курсу процессов и аппаратов
химической технологии: учебное пособие для вузов / К.Ф. Павлов,
П.Г. Романков, А.А. Носков ; под ред. чл.-кор. АН СССР П.Г. Романкова. 10-е
изд., перераб. и доп. – Л.: Химия, 1987. – 576 с.
14.
Фрог,
Б.Н.
Водоподготовка:
учеб.
пособие/
Б.Н.
Фрог,
А.П. Левченко. – М. : Изд-во Ассоциации строительных вузов, 2006. – 655 с.
15.
Яковлев, С.В. Водоотведение и очистка сточных вод : учеб.
пособие / С.В. Яковлев, Ю.В. Воронов. – М. : Изд-во Ассоциации строительных
вузов, 2006. – 704 с.
133
Учебное электронное текстовое издание
Сидорова Лариса Петровна
МЕТОДЫ ОЧИСТКИ
ПРОМЫШЛЕННЫХ И СТОЧНЫХ ВОД
Редактор
Компьютерная верстка
Н.В. Лутова
Л.П. Сидоровой
Рекомендовано Методическим советом
Разрешен к публикации 30.09.2013
Электронный формат – pdf
Объем 7,02 уч.-изд. л.
620002, Екатеринбург, ул. Мира, 19
Информационный портал УрФУ
http://www.urfu.ru