МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ ВОЛГОГРАДСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ КАФЕДРА «ПРОМЫШЛЕННАЯ ЭКОЛОГИЯ И БЕЗОПАСНОСТЬ ЖИЗНЕДЕЯТЕЛЬНОСТИ» МЕХАНИЧЕСКИЕ МЕТОДЫ ОЧИСТКИ СТОЧНЫХ ВОД Методические указания к лабораторной работе по курсу «Промышленная экология» Волгоград 2017 УДК 628.54(075) Рецензент д-р хим. наук, профессор кафедры «Органическая химия» А. И. Рахимов Печатается по решению редакционно-издательского совета Волгоградского государственного технического университета Механические методы очистки сточных вод: метод. указания / сост. О. В. Колотова, И. В. Соколова, А. Б. Голованчиков; ВолгГТУ. – Волгоград, 2017. – 24 с. Методические указания к лабораторной работе по курсу «Промышленная экология» составлены в соответствии с программой направлений 18.03.02 «Энерго- и ресурсосберегающие процессы в химической технологии, нефтехимии и биотехнологии», профиль «Охрана окружающей среды и рациональное использование природных ресурсов» и 15.03.02 «Технологические машины и оборудование». Предназначено для студентов очной, очно-заочной и заочной формы обучения по указанным направлениям, а также студентов других направлений, изучающих дисциплины экологического цикла. Волгоградский государственный технический университет, 2017 Составители: Ирина Владимировна Соколова Ольга Владимировна Колотова Александр Борисович Голованчиков МЕХАНИЧЕСКИЕ МЕТОДЫ ОЧИСТКИ СТОЧНЫХ ВОД Методические указания к лабораторной работе по курсу «Промышленная экология» Темплан 2017 г. (учебно-методическая литература). Поз. № 357. Подписано в печать 19.10.2017 г. Формат 6084 1/16. Бумага офсетная. Гарнитура Times. Печать офсетная. Усл. печ. л. 1,39. Тираж 10 экз. Заказ . Волгоградский государственный технический университет. 400005, г. Волгоград, пр. Ленина, 28, корп. 1. Отпечатано в типографии ИУНЛ ВолгГТУ 400005, г. Волгоград, пр. Ленина, 28, корп. 7. 2 ВВЕДЕНИЕ Механические методы очистки воды широко используются в промышленной экологии на начальной стадии очистки загрязненных стоков от взвешенных частиц и грубых примесей. Большое разнообразие конструкций различных видов аппаратов гравитационного, инерционного и центробежного типов позволяет производить подбор их в зависимости от размера очищаемых частиц, производительности, состава сточных вод. Разработка и выбор эффективных методов, способов и технических устройств является одной из основных задач инженера –эколога. Правильное обоснование необходимого типа аппарата дает увеличение эффективности очистки воды, что уменьшает количество аппаратов в многоступенчатой системе очистки воды до нормативных значений. В методических указаниях приведена методика про-ведения экспериментального исследования процесса очистки воды в гидроциклоне от взвешенных частиц, обработка результатов которого позволяет сделать оценку эффективности очистки воды в гидроциклоне, а также определить его технологические параметры. ЦЕЛЬ РАБОТЫ 1. Изучить методы механической очистки сточных вод и применяемой с этой целью оборудование 2. Изучить устройство и принцип работы гидроциклонов, а также возможности их применения для очистки промышленных сточных вод. 3. Определить технологические параметры и эффективность очистки лабораторного напорного гидроциклона. ТЕОРЕТИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ При использовании воды в различных технологических процессах она загрязняется веществами органической и неорганической природы, образуя сточные воды. Сточная вода – это вода, бывшая в бытовом, производственном или сельскохозяйственном употреблении. Промышленные сточные воды, поступающие в оборотные и замкнутые системы водоснабжения или сбрасываемые в водоемы, обязательно подвергаются очистке механическими, химическими, биологическими и термическими методами до необходимого качества. Во всех существующих технологиях очистки стоков первой стадией является механическая очистка, предназначенная для удаления взвеси и дисперсно-коллоидных частиц. Механическая очистка применяется для выделения из сточной воды нерастворенных минеральных и органических примесей. Она обеспечивает выделение до 90— 3 95% взвешенных веществ и снижение концентраций органических загрязнений до 20— 25%. Назначение механической очистки – подготовка сточных вод к биологическому, физико-химическому или другому методу более глубокой очистки. Иногда метод механической очистки сточных вод является окончательным. Как правило, на современных очистных станциях он состоит из процеживания через решетки, пескоулавливания, отстаивания в отстойниках и фильтрования. В ряде случаев возможно применение и других устройств, таких как преаэраторы, биокоагуляторы, осветлители, нефтеловушки и смолоотстойники, гидроциклоны. Для очистки сточных вод от мелкодисперсных загрязнений применяют осадительные центрифуги и жидкостные сепараторы. В целях обеспечения надежной работы сооружений механической очистки производственных сточных вод рекомендуется применять не менее двух рабочих единиц основного технологического оборудования: решеток, песколовок, усреднителей, отстойников или фильтров. Рисунок 1 - Схема механической очистки производственных сточных вод: I — вариант с дроблением отходов и отводом их в канализацию; II — вариант с вывозом отходов в контейнерах на обезвреживание; 1 — приемная камера; 2 — решетки механические с отдельными дробилками, или решетки-дробилки; 3 — песколовки; 4 — водоизмерительное устройство (лоток Вентури); 5 — усреднители; 6 — отстойники 4 или отстойники-осветлители; 7 — барабанные сетки и песчаные фильтры или каркасно-засыпные фильтры; 8 — насосная станция На рисунке 1 представлена схема механической очистки производственных сточных вод со следующим составом основных сооружений: решетка 2 для задержания крупных загрязнений органического и минерального происхождения, песколовка 3 для выделения тяжелых минеральных примесей (главным образом, песка), усреднители 5 расхода сточных вод и концентрации загрязняющих их веществ, отстойники или отстойники-осветлители 6 для выделения нерастворимых примесей, фильтры 7 для более полного осветления воды и сооружения для обработки осадка. При необходимости предусматривается охлаждение механически очищенной сточной воды в градирнях. Рассмотрим основные стадии и методы механической очистки стоков, применяемые аппараты и закономерности их функционирования. 1. Удаление взвешенных частиц под действием гравитационных сил. Процеживание. Это первичная стадия для выделения из стоков крупных нерастворимых примесей размером до 25 мм, а также более мелких волокнистых загрязнений, которые в процессе дальнейшей обработки стоков препятствуют нормальной работе очистного оборудования. Процеживание сточных вод осуществляется пропусканием воды через решетки и волокноуловители. Решетки представляют собой металлическую раму, внутри которой имеется ряд параллельных стержней, поставленных на пути движения сточных вод. Расстояние между стержнями обычно Рисунок 2 - Схема решетки: 1 — решетка из металлических стержней; 2 — механизм для снятия задержанных решеткой загрязнений; 3 — транспортер для подачи задержанных загрязнений в дробилку составляет от 16 мм до 20 мм. Очистка решеток от задержанных ими отбросов производится с помощью механизмов. Снятые отбросы по транспортеру отправляются в 5 дробилку. Измельченные отбросы сбрасывают в поток сточной воды за решеткой или направляют на переработку. В последнее время получили распространение решетки, совмещенные с дробилками, позволяющие извлекать и измельчать примеси без извлечения их из сточных вод Усреднители. Эти устройства обычно используют для регулирования состава и расхода сточных вод, поступающих на очистные сооружения. Усреднители позволяют повысить эффективность и надежность работы устройств механической, биологической и физико-химической очистки, в результате чего достигаются более высокие качественные показатели очищенной воды. Экономический эффект достигается в связи с выравниванием пиковых концентраций и расходов сточных вод, поступающих на очистку. Это прямоугольные резервуары, изготовленные из железобетона. Типовой усреднитель – это 4-6 параллельно расположенных коридоров. В отечественной практике применяют усреднители, действующие по принципу дифференцирования потока или с перемешиванием поступающей сточной воды. Схема усреднителя прямоугольной формы с дифференцированием потока сточных вод представлена на рис. 3. Рисунок 3 - Схема усреднителя прямоугольной формы с дифференцированием потока сточных вод: 1 — входной патрубок с шибером; 2 — диагональная перегородка; 3 — коридоры; 4 — сборные лотки; 5 — выходной патрубок; 6 — выпускная камера; 7 — желоб для подачи сточных вод; 8 — распределительный колодец. Эффективность усреднения по концентрации достигается за счет разного времени добегания отдельных порций сточной воды к сборному лотку. Песколовки. Эти устройства обычно используют для отделения от сточных вод минеральных частиц крупностью более 200 мкм. Их устанавливают при пропускной способности станции очистки сточных вод более 100 м3/сут. К основным типам песколовок относятся следующие: а) горизонтальные песколовки с круговым движением сточной воды (для удаления песка из сточных вод с нейтральным или слабощелочным рН, пропускная способность до 70 тыс. м3/сут. ); 6 б) горизонтальные песколовки с прямолинейным движением сточной воды (пропускная способность 70-280 тыс. м3/сут.; в) аэрируемые песколовки (для выделения минеральных частиц с гидравлической крупностью 13-18 мм/с); г) тангенциальные песколовки со шнековым пескопромывателем (для выделения минеральных частиц с гидравлической крупностью 18-24 мм/с) . а) б) Рисунок 4 - Схемы песколовок: (а) горизонтальной: 1 - шламосборник (песковой приямок); 2 - корпус песколовки; 3 — входной патрубок; 4 — выходной патрубок (б) аэрируемой : 1 — входной патрубок; 2 — воздуховод; 3 — воздухораспределитель; 4 — выходной патрубок; 5 — шламосборник (песковой приямок); 6 — устройство для удаления шлама. Отстаивание. Дисперсная фаза суспензий и эмульсий имеет склонность к оседанию или всплыванию. Оседание частиц называют седиментацией, всплывание — обратной седиментацией. Седиментация — процесс отстаивания — применяется для осаждения из сточных вод грубодисперсных примесей. Выделение примесей при отстаивании происходит под действием гравитационных сил. Применяют для сгущения суспензий или классификации суспензий по фракциям частиц твердой фазы, для грубой очистки от частиц пыли и для разделения эмульсий. Отстаиванием можно добиться эффективной очистки только от крупных частиц. Но это и наиболее простой и дешевый процесс среди гидродинамических, поэтому его используют для первичного разделения, что удешевляет процесс дальнейшего разделения гетерогенных систем. 7 К аппаратам, работа которых основана на гидродинамических закономерностях отстаивания, относятся песколовки, первичные и вторичные отстойники, илоуплотнители, нефтеловушки, смоло-, жиро- и маслоуловители. Различают отстойники периодического и непрерывного действия, одноярусные и многоярусные. Наиболее распространены непрерывно действующие одноярусные гребковые отстойники. в) а) г) б) д) Рисунок 5 - Схемы отстойников: а — горизонтальный: 1 — входной лоток; 2 — отстойная камера; 3 — выходной лоток; 4 — приямок; б — вертикальный: 1 — цилиндрическая часть; 2 — центральная труба; 3 — желоб; 4 — коническая часть; в - радиальный: 1 — корпус; 2 — желоб; 3 — распределительное устройство; 4 — успокоительная камера; 5 — скребковый механизм; г - трубчатый; д — с наклонными пластинами: 1 — корпус; 2 — пластины: 3 — шламоприемник. Ниже, в таблице 1, приведены основные виды отстойников и их характеристики. Удаление всплывающих примесей. Нефтеловушки применяются для очистки сточных вод, если они содержат диспергированные нефть и нефтепродукты с концентрацией более 100 мг/л. 8 Таблица 1 – Отстойники и их характеристики. Тип отстой- Предназначены ника Производительность, м3/сут ОсновОсобенности ные размеры Вертикальный для удаления гру- До 10000 бодисперсных примесей D=4,5-9 м Горизонтальный для выделения Более взвешенных ве- 15000 ществ из вод, прошедших решетки и песколовки Н =1,5 4,0 м, L= 8 12 м, Bкор-ра = 3-6 м Радиальный для очистки быто- Более вых и близких к 20000 ним по составу производственных сточных вод Трубчатый Пластинчатый H = 1,5 5,0 м, d/H= 6 – 30, d= 16 - 60 м для осветления 100 - 10 трубки сточных вод с не- 000 d= 25большим содержа50 мм l= нием взвешенных 0,6 - 0,1 веществ м для осветления высококонцентрированных сточных вод. Эффективность отстаивания, % 40-50 цилиндрический (или квадратный в плане) резервуар с коническим дном прямоДо 60 угольные ре- % зервуары, имеющие два или более одно-временно работающих отделения круглые в . плане резервуары, вода движется от центра к периферии 8083% имеют в корпусе ряд установлен-ных пластин Это прямоугольные сооружения, вытянутые в длину, в которых происходит разделение нефти и воды за счет разности их плотностей. Нефть и нефтепродукты всплывают, а содержащиеся в воде минеральные примеси оседают на дно нефтеловушки (рис.6). 9 Рисунок 6 - Нефтеловушки: а — горизонтальная: 1 — корпус, 2 — гидроэлеватор, 3 — слой нефти, 4 — нефтесборная труба, 5 — нефтеудерживающая перегородка, 6 — скребковый транспортер, б — тонкослойная: 1 — вывод очищенной воды, 2 — нефтесборная труба, 3 — перегородка, 4 — плавающий пенопласт, 5 — слой нефти, 6 — ввод сточной воды, 7 — секция из гофрированных пластин, 8 — осадок 2. Удаление взвешенных веществ с помощью центробежных сил Интенсификацию процессов осаждения взвешенных частиц из сточных вод осуществляют воздействием на частицы центробежных и центростремительных сил в гидроциклонах, центрифугах и сепараторах. Выделение взвешенных веществ происходит под действием сил, которые в сотни и тысячи раз превосходят силы тяжести. Разницу между центробежной силой и силой тяжести можно оценить сравнением ускорений, действующих на частицы примесей в центробежном и гравитационном полях. В общем случае центробежная сила выражается равенством (1) (1) где m- масса вращающейся частицы, кг; P- вес частицы, Н; V0 – окружная скорость вращения, м/с; r- радиус вращения, м. Отношение центробежного ускорения Vo2/r к ускорению силы тяжести g называют фактором разделения: (2) При осадительном центрифугировании разделяющее действие возрастает с увеличе- нием Кр, поэтому фактор разделения является важной характеристикой гидроциклонов и центрифуг. 10 Гидроциклоны. Эти аппараты используются в процессах осветления сточных вод, сгущения осадка, обогащения известкового молока, отмывки песка от органических веществ, в том числе нефтепродуктов и жира, т. е. в нефтепромыслах, автохозяйствах, стекольных, литейных производствах и др. При осветлении сточных вод аппараты с меньшими размерами обеспечивают большую эффективность очистки. При сгущении осадков минерального происхождения следует применять гидроциклоны больших диаметров (свыше 150 мм). Для механической очистки сточных вод от взвешенных веществ применяют открытые и напорные гидроциклоны. Открытые гидроциклоны (рис.7) применяют для выделения всплывающих, оседающих грубодисперсных примесей гидравлической крупностью свыше 0,2 мм/с и коагулированной взвеси. Применяют следующие типы открытых гидроциклонов: • без внутренних устройств – для выделения из сточных вод крупных и мелкодисперсных взвешенных веществ (D=2-10м); • с конической диафрагмой и с внутренним цилиндром – для выделения оседающих и всплывающих мелкодисперсных взвешенных веществ (D=2-6м); • многоярусный с наклонными выпусками очищенной воды из каждого яруса (рис.7) – для выделения крупных и мелкодисперсных взвешенных веществ (D=2-6м); • многоярусный с периферийным отбором очищенной воды – для выделений оседающих крупно- и мелкодисперсных взвешенных веществ (D=2-6м). Для повышения эффективности очистки в конструкции многоярусного гидроциклона совмещены принципы работы открытого гидроциклона и тонкослойного отстойника (рис.7). Производительность открытого гидроциклона Q, м3/ч, может быть рассчитана по следующей формуле: Q = 0,785qD2 (3) где q — удельная гидравлическая нагрузка м3/м2·ч; D — диаметр гидроциклона, м. Основными преимуществами открытых гидроциклонов является большая производительность и небольшое гидравлическое сопротивление. 11 в) а) г) б) Рисунок 7 - Гидроциклоны: а — напорный; б — открытый с внутренним цилиндром и конической диафрагмой: 1 — корпус, 2 — внутренний цилиндр, 3 — кольцевой лоток. 4 — диафрагма; в — блок напорных гидроциклонов; г — многоярусный открытый гидроциклон с наклонными патрубками для отвода очищенной воды: 1 — конические диафрагмы, 2 — лоток, 3 — водослив, 4 — маслосборная воронка, 5 — распределительные лотки, 6 — шламоотводящая щель. Напорные гидроциклоны используются для очистки сточных вод от грубодисперсных примесей (чаще минерального происхождения), таких как песок, уголь, окалина, компоненты керамики, стекла, строительных материалов, а также отходов литейного, горнорудного, асбестоцементного, химического и металлургического производств. Указанные устройства могут быть единичными и батарейными (мультигидроциклоны). Их наиболее эффективно использовать для очистки небольших количеств воды от тонкодисперсных примесей. Напорный гидроциклон состоит из 2 частей: цилиндрической и конической. Загрязненный поток поступает в цилиндрическую часть гидроциклона по тангенциально расположенному вводу и, двигаясь по винтовой спирали возле стенок аппарата, направляется в его коническую часть. Под действием центробежных сил более тяжелые взвешенные частицы, содержащиеся в сточной воде, перемещаются от оси гидроци12 клона к его стенкам по спиральной траектории вниз и через шламовую насадку, которая находится в нижней части, отводятся из гидроциклона. В конической части на уровне, соответствующем 0,7D (D – диаметр цилиндрической части), поток поворачивает к центральной оси и затем движется по цилиндрической спирали вверх к сливной насадке, через которую удаляется из аппарата. Осветленная вода выводится через сливной патрубок, расположенный по оси гидроциклона в верхней части. ЭфРисунок 8 – Схема напорного гидроцикло- фективность разделения высока при незначительных габаритах аппарата. на В действительности картина движения потоков в гидроциклоне сложнее описанной, так как в аппарате возникают также радиальные и замкнутые циркуляционные токи. Вследствие значительных окружных скоростей потока вдоль оси гидроциклона образуется воздушный столб, давление в котором ниже атмосферного. Воздушное ядро ограничивает с внутренней стороны поток восходящих мелких частиц и оказывает значительное влияние на разделяющие действие гидроциклонов. Конструктивные размеры напорных гидроциклонов подбирают в зависимости от количества сточных вод, концентрации и свойств примесей. Напорные гидроциклоны могут иметь диаметры от 10 до 1000 мм. Чем меньше диаметр гидроциклона, тем больше развиваемые в нем центробежные силы, и, следовательно, тем меньше размер отделяемых частиц. Применяемые в качестве классификаторов гидроциклоны имеют диаметр 300-350 мм и высоту 1-1,2 м. Для сгущения суспензии успешно используются гидроциклоны диаметром 100 мм и менее. Для сгущения и осветления тонких суспензий применяют гидроциклоны диаметром 10-15 мм. Хорошее разделение суспензий, особенно в процессе сгущения и осветления, достигается в случае, когда гидроциклоны имеют удлиненную форму с углом конусности 15° даже 10°. При такой форме корпуса удлиняется путь твердых частиц, увеличивается время пребывания их в аппарате и, таким образом, повышается эффективность раз- 13 деления. Для глубокой очистки последовательно устанавливают гидроциклоны разных типоразмеров. Ввиду того, что в гидроциклонах происходит сравнительно быстрый износ отдельных частей, особенно корпуса, для уменьшения износа гидроциклоны часто изготавливают со сменной футеровкой из износостойких материалов (резиной, специальной керамики, пластмасс, металлических сплавов и др.). 3аданный эффект очистки обеспечивается достаточными величинами гидравлической крупности частиц (скорости осаждения) и граничной крупности разделения, под которой понимается размер таких частиц, которые, находясь в равновесии под действием центробежной силы и силы сопротивления жидкости, вращаются на определенном радиусе гидроциклона, а затем распределяются поровну между продуктами разделения. Все частицы большей крупности поступают в шламовый осадок, а меньшей — в верхние слои. Скорость осаждения пропорциональна квадрату скорости вращения частиц. Эту величину в первом приближении можно считать равной скорости воды на входе в аппарат. Скорость воды на входе можно увеличить уменьшением площади сечения входного патрубка или увеличением расхода жидкости. Это можно делать до определенного предела, так как при увеличении расхода воды снижается время пребывания ее в гидроциклоне, а при уменьшении сечения патрубка возрастает турбулентное перемешивание, которое отрицательно сказывается на скорости осаждения частиц. Турбулентное перемешивание снижают изменением конструкции гидроциклона. Для этой цели уменьшают сечение рабочей струи, уменьшив диаметр входного патрубка, а для сохранения производительности и скорости жидкости на входе в гидроциклон увеличивают число патрубков. Форма патрубка должна иметь плавное сужение. Осадок из гидроциклонов всех типов удаляют через коническую часть, используя для этого насосы, гидроэлеваторы или гидростатическое давление. Основными критериями, позволяющими судить о работе гидроциклона, являются производительность, крупность граничного зерна, степень очистки и потери воды через шламовое отверстие. Эффективность работы гидроциклона зависит от расхода и свойств осветляемой воды, концентрации взвешенных частиц в воде и их гранулометрического состава, плотности и вязкости воды, от геометрических размеров гидроциклона и их соотношений: диаметра цилиндрической части D и ее высоты hц, площади входного отверстия Fвх и диаметра сливной dсл и шламовой насадок dп; угла конической части и ее высоты 14 hk. Скорость осаждения (гидравлическую крупность) частиц ω0 (м/с) находят по упрощенной формуле (4): 0 15,33 D3 a Qпит где D – диаметр цилиндрической части, м; (4) Qпит – производительность гидроциклона, м3/с; kт – коэффициент, учитывающий влияние концентрации примесей и турбулентность потока; для агрегативно-устойчивых суспензий с небольшой концентрацией kт=0,04; α – коэффициент, учитывающий затухание тангенциальной скорости α = 0,45. Производительность (по питанию) напорного гидроциклона Qпит, л/с , может быть рассчитана по формуле (5): (5) где D — диаметр цилиндрической части гидроциклона, см; dпит — диаметр питающего патрубка, dcл; — диаметр сливного патрубка, см; dшл — диаметр шламового патрубка, см; Нц — высота цилиндрической части гидроциклона, см; α — угол конусности конической части, °; Рпит — давление питания (на входе в гидроциклон), МПа. Требуемое число напорных гидроциклонов N раб определяется по формуле (5): (6) где Q – расчетная производительность установки, л/с; Эффективность очистки в гидроциклонах достигает 70-80%. Центрифуги. Для удаления мелкодисперсных осадков из сточных вод могут быть использованы центрифуги. Их применение оправдано для локальной очистки производственных сточных вод, когда осадок представляет собой ценный продукт и его использование рационально. Кроме того, указанные устройства используют для выделения из сточных вод мелкодисперсных загрязнений, когда нет возможности применить реагенты. Центрифуги также применяют для обезвоживания осадков сточных вод. В целом центрифугирование используется реже, чем методы осаждения и фильтрования из-за энергоемкости самого процесса. Центрифуга представляет собой в простейшем виде цилиндрический ротор со сплошными или перфорированными боковыми стенками. Ротор укрепляется на валу, который приводится во вращение электродвигателем, и помещается в соосный цилиндрический неподвижный кожух. На внутренней поверхности ротора с перфорированными стенками закреплена фильтровальная ткань или тонкая металлическая сетка. 15 Под действием центробежной силы суспензия разделяется на осадок и жидкую фазу (фугат). Осадок остается в роторе, а жидкая фаза удаляется из него. Центрифуги могут быть периодического или непрерывного действия; горизонтальными, вертикальными или наклонными; различаются по расположению вала в пространстве: по способу выгрузки осадка из ротора (с ручной, ножевой, поршневой, шнековой или центробежной выгрузкой). Они могут быть в герметизированном и негерметизированном исполнении. Центрифуги периодического действия применяют при расходах суспензии меньше 3 5 м /ч в широком диапазоне концентраций суспензий с частицами диаметров больше 10 мкм. Наибольшее распространение получили центрифуги с механизированной выгрузкой осадка. Цикл их работы состоит из следующих операций: наполнения, центрифугирования, промывки осадка, центрифугирования после промывки и выгрузки осадка. Среди центрифуг непрерывного действия наиболее распространены центрифуги с пульсирующей и шнековой выгрузкой осадка. Применяются для разделения концентрированных суспензий с размером частиц более 100 мкм. Из отстойных центрифуг непрерывного действия в системах очистки сточных вод наибольшее распространение получили горизонтальные шнековые центрифуги типа ОГШ (рис.9). 1 — труба подачи осадка; 2 — отверстие для слива фугата; 3 — сливная труба; 4 – отверстие для поступления осадка в полость ротора; 5 — труба сбросного осадка; 6 — ротор центрифуги; 7 — шнек; 8 — выгрузочные окна. Рисунок 9 - Схема устройства центрифуги ОГШ: Такие аппараты используют для выделения частиц гидравлической крупностью примерно 0,2 мм/с (противоточные) и 0,05 мм/с (прямоточные). В отстойных центрифугах со сплошными стенками разделение суспензий производят по принципу отстаивания, причем гравитационная сила заменяется на центробежную. В фильтрующих центрифугах вместо разности давлений используется центробежная сила. 16 Схема очистки воды на центрифугах представлена на рисунке 10. Из сточной воды сначала удаляется крупный осадок на решетках, а затем песок в гидроциклоне. После уплотнения осадка eгo удаляют из центрифуги. Рисунок 10 - Схема установки удаления осадка из сточной воды на центрифуге: 1 — решетка: 2 — гидроциклон: 3 — уплотнитель осадка: 4,7 — емкости; 5 — насос; 6 — центрифуга. 3. Фильтрационные установки Различают следующие виды фильтрования сточных вод: 1) осветление — фильтрование сточных вод с незначительным содержанием твердой фазы (менее 0,1%); 2) сгущение — отделение твердой фазы (содержание 0,1-1% по объему) от сточной воды не в виде осадка, а в виде высококонцентрированной (сгущенной) суспензии; 3) фильтрование сточной воды (содержание более 1% по объему твердой фазы) с образованием слоя осадка на фильтровальной перегородке. Осветление сточной воды часто проводится путем добавки вспомогательных веществ в суспензию или создания намывного слоя этих веществ на фильтре. Эти вещества, накапливаясь на фильтре, задерживают очень мелкие частицы осаждающихся загрязнений (диаметром 1 мкм и менее), а некоторые из них адсорбируют на поверхности мельчайшие твердые частицы. Сгущение применяется для частичного отделения очищенной воды путем фильтрования, т. е. для той же цели, что и отстаивание под действием силы тяжести. Выбор типа фильтра производится на основе предварительного анализа физикохимических свойств разделяемой суспензии сточных вод и образующегося осадка, технологических требований, предъявляемых к процессу очистки. Фильтры подразделяют по различным признакам: а) по характеру протекания процесса — периодические и непрерывные; б) по виду процесса — для разделения, сгущения и осветления; 17 в) по давлению при фильтровании — под вакуумом (до 0,085 МПа), под давлением (0,3 - 1,5 МПа) или при гидростатическом давлении столба жидкости (до 0,05 МПа); г) по направлению фильтрования — вниз, вверх или вбок; д) по способу съема осадка, наличию промывки и обезвоживания осадка; е) по форме и положению поверхности фильтрования. Фильтрование через фильтрующие перегородки. Выбор перегородок зависит от свойств сточной воды, температуры, давления фильтрования и конструкции фильтра. В качестве перегородки могут использоваться различные металлические (из нержавеющей стали, алюминия, никеля, меди, латуни и др.) перфорированные листы и сетки, разнообразные тканевые перегородки (асбестовые, стеклянные, хлопчатобумажные, шерстяные, из искусственного и синтетического волокна). Для химически агрессивных сточных вод при повышенной температуре и значительных механических напряжениях наиболее пригодны первые из выше перечисленных. Фильтровальные перегородки, задерживающие частицы, должны обладать минимальным гидравлическим сопротивлением, достаточной механической прочностью и гибкостью, химической стойкостью и не должны набухать и разрушаться при заданных условиях фильтрования. Проводят процесс с образованием осадка на поверхности фильтрующей перегородки или с закупоркой пор фильтрующей перегородки. В системах очистки сточных вод используют фильтры периодического действия: нутч-фильтры, листовые и фильтр-прессы, а также фильтры непрерывного действия: барабанные, дисковые, ленточные. Из фильтров периодического действия наиболее простыми по устройству являются нутч - или друк-фильтры. Они предназначены для разделения нейтральных, кислых и щелочных суспензий. Фильтры представляют собой емкость с ложным перфорированным днищем, на котором закреплена фильтровальная ткань. Нижняя часть фильтра присоединяется к вакуумной системе через ресивер. Осадок, накапливающийся на ткани, удаляют вручную. Для разделения труднофильтруемых суспензий применяют фильтр-прессы, работающие при давлении 0,3-1,2 МПа. Рамные фильтр-прессы используют при фильтровании разных суспензий; предусматривается возможность промывки и продувки осадка. Барабанные вакуум фильтры используют для разделения суспензий, быстро образующих осадок. Дисковые фильтры предназначены преимущественно для фильтрования суспензий с невысокой скоростью осаждения твердой фазы, а также для разделения легкоиспаряющихся, вязких, окисляемых и токсичных суспензий. 18 Фильтры с зернистой перегородкой. В процессах очистки сточных вод как правило приходится иметь дело с большим количеством воды, поэтому применяют фильтры, для работы которых не требуется высоких давлений. Исходя из этого, используют фильтры с сетчатыми элементами (микрофильтры и барабанные сетки) и фильтры с фильтрующим зернистым слоем. Они бывают с нисходящим (сверху вниз) и с восходящим (снизу вверх) потоком. Фильтры с нисходящим потоком воды могут иметь однослойную и многослойную загрузку. Напорные фильтры с зернистой загрузкой применяются для механической очистки нефтесодержащих сточных вод после их гравитационного отстаивания. В качестве загрузки могут быть использованы кварцевый песок слоем 1 м, дробленый антрацит, керамзит, керамическая крошка. Зернистые фильтры характеризуются грязеемкостью (количеством загрязнений в кг, удаляемых с 1м2 поверхности фильтрующего слоя в единицу времени). Фильтры с зернистым слоем подразделяют на медленные и скоростные, открытые и закрытые. Высота слоя в открытых фильтрах равна 1-2 м, в закрытых 0,5-1 м. Напор воды в закрытых фильтрах создается насосами. Медленные фильтры используют для фильтрования некоагулированных сточных вод. Они представляют собой бетонные или кирпичные резервуары с дренажным устройством, на котором расположен зернистый слой. Скорость фильтрования в них зависит от концентрации взвешенных частиц: до 25 мг/л принимают скорость фильтрования 0,2-0,33 м/ч; при 25-30 мг/л — 0,1-0,2 м/ч. Достоинством фильтров является высокая степень очистки сточных вод. Недостатки: большие размеры, высокая стоимость и сложная очистка от осадка. Скоростные фильтры могут быть двух типов: однослойные и многослойные. У однослойных фильтров фильтрующий слой состоит из одного и того же материала, у многослойных—из различных материалов. Сточную воду подают внутрь фильтра, где она проходит через фильтрующий материал и дренаж, затем удаляется из фильтра. После засорения фильтрующего материала проводят промывку подачей промывных вод снизу вверх. Дренажное устройство выполняют из пористобетонных сборных плит. На нем размещают фильтрующий материал (в 2-4 слоя) одного гранулометрического состава. Общая высота слоя загрузки равняется 1,5-2 м. Скорость фильтрования принимается равной 12-20 м/ч. В многослойных скоростных фильтрах фильтрующий слой состоит из зерен разных материалов (антрацит и песок). Верхние слои имеют зерна большего размера, чем нижние. Конструкция этих фильтров мало отличается от конструкции однослойных. 19 Они имеют более высокую производительность и большую продолжительность фильтрования. Достоинства фильтров: большая скорость фильтрации, высокое качество отмывки загрузки от загрязнений, небольшая производственная площадь, занимаемая фильтром. Недостатки: большая металлоемкость, истирание стенок трубопроводов, измельчение и унос песка, сложность эксплуатации. Эффективность очистки составляет 50-55%. Микрофильтры. Процесс микрофильтрации заключается в процеживании сточной воды через сетки с отверстиями размером от 40 до 70 мкм. Барабанные сетки имеют ячейки размером от 0,3x0,3 до 0,5x0,5 мм. Микрофильтры применяют для очистки сточных вод от твердых и волокнистых материалов. Магнитные фильтры. Такие фильтры применяют для удаления мелких ферромагнитных частиц (0,5-5 мкм) из жидкостей. Они нашли широкое распространение, обеспечивают степень очистки 80%, Помимо магнитных частиц, фильтры улавливают абразивные частицы, песок и другие загрязнения. Этому способствует эффект электризации немагнитных частиц. Магнитные фильтры могут быть снабжены постоянным магнитом или электромагнитом, их производительность до 60 м3/ч. При прохождении сточных вод ламинарным потоком через магнитное поле ферромагнитные частицы размером 0,5-1 мкм намагничиваются и образуют агломераты размером до 50 мкм, которые удаляются фильтрованием либо осаждаются под действием гравитационного поля. Направление потока жидкости должно совпадать с направлением магнитного поля, так как при этом создаются наиболее благоприятные условия осаждения. Фильтрование эмульгированных веществ. При фильтровании эмульсий через зернистый слой имеет значение первоначальный характер поверхности. При гидрофобной поверхности прилипание частиц сильнее, чем при гидрофильной, так как на поверхности зерен гидрофильных материалов имеется гидратная оболочка. Прилипание происходит только там, где эта оболочка нарушена. Для удаления нефтепродуктов и масел могут быть использованы фильтры с загрузкой из пенополиуретана. Высота слоя материала 2-2,5 м, размер кусков пенополиуретана 5-10 мм. Скорость фильтрования до 25 м/ч. Фильтры с намывным фильтрующим слоем. Фильтрование с образованием осадка наиболее распространено при обезвоживании осадков, где образующийся слой осадка наряду с фильтровальной перегородкой играет роль основной фильтрующей среды. Этот вид фильтрования наиболее часто проводится при постоянном давлении, но с уве20 личением слоя осадка скорость фильтрования будет уменьшаться и для поддержания ее постоянного значения приходится увеличивать перепад давления на фильтре по мере протекания процесса. В некоторых случаях фильтрование проводят при постоянной скорости, например в фильтр-прессах. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ЧАСТЬ Описание лабораторной установки. Лабораторная установка (рис.11) включает три напорных гидроциклона, имеющих следующие геометрические характеристики: Рисунок 11 - Схема лабораторной установки : 1 – гидроциклон №1; 2 - гидроциклон №2; 3 - гидроциклон №3; 4 - гидравлический насос; 5 - емкость; 6,7,8 - вентиль запорный; 9 – манометр. 1) гидроциклон №1 – диаметр цилиндрической части D =40 мм; диаметр патрубка для подачи воды dпит =20 мм; диаметр патрубка для слива очищенной воды dсл=12мм; диаметр патрубка для удаления шлама dшл=5мм; высота цилиндрической части гидроциклона Нц =45 мм; высота конической части гидроциклона Нк=330 мм; угол конуса α=5°; 2) гидроциклон №2 – D=30 мм; dпит=10 мм; dсл=20 мм; dшл=5 мм; Нц=120 мм; Нк=400 мм; α=5°; 3) гидроциклон №3 – D=30 мм; dпит=10 мм; dсл=25 мм; dшл=10 мм; Нц=120 мм; Нк=150 мм; α=10°. Напорные гидроциклоны №2 и №3 смонтированы в блоке. Подача загрязненной воды к гидроциклонам 1,2,3 из емкости 5 осуществляется гидравлическим насосом 4 по трубам гидравлической системы. Очищенная вода и шлам стекают снова в емкость 5, расположенную под гидроциклонами, где смешиваются с исходной загрязненной водой. Контроль давления в гидросистеме осуществляется манометром 9. Для регулирования подачи загрязненной воды к гидроциклонам предусмотрены запорные вентили 6 и 7. Вентиль 8 служит для регулирования сброса загрязненной воды в емкость 5 при закрытых вентилях 6 и 7 и работающем насосе 4. 21 Методика выполнения эксперимента и обработка результатов. Для проведения лабораторных исследований необходимо выполнить следующее: 1) залить загрязненную воду в емкость 5 или убедиться в ее наличии; 2) открыть полностью запорный вентиль 8 и включить под наблюдением преподавателя гидравлический насос 4; 3) убедившись в исправности лабораторной установки и отсутствии подтеков воды, отобрать пробу исходной жидкости; 4) открыть запорный вентиль к указанному преподавателем гидроциклону и установить заданное давление по манометру 9. 5) отобрать пробы очищенной воды и шлама на указанном гидроциклоне и гравиметрическим методом определить их концентрации; 6) определить объемный расход очищенной воды и шлама на указанном гидроциклоне с помощью мерной емкости и секундомера; 7) для определения концентраций загрязнителя в исходной воде, очищенной воде и шламе точно отмеренные объёмы жидкостей отфильтровать через предварительно взвешенные фильтры, фильтры высушить в сухожаровом шкафу, взвесить для определения массы задержанных частиц и рассчитать концентрации как отношение массы загрязнителя к объему жидкости, взятой для фильтрования; 8) полученные в ходе эксперимента и расчетов результаты внести в таблицу 2. 9) используя полученные результаты, выполнить следующее: а) рассчитать степень очистки воды для исследуемого гидроциклона по формуле (7): (7) б) по формулам (3) и (4) рассчитать скорость осаждения ω0 и производительность гидроциклона Qпит ; в) сравнить полученные экспериментальные значения с теоретическими и сделать соответствующие выводы. Таблица 2 - Результаты расчетов и измерений № гидро- Давление № пробы циклона Концентрация С, мг/м3 Объемный расход Q, м3/с Р, кг/см2 исх. очищ. жид-ти воды 22 шлама очищ. воды шлама Отчет должен содержать: 1) титульный лист; 2) схему экспериментальной установки; 3) таблицу с результатами измерений; 4) расчеты степени очистки, скорости осаждения и производительности гидроциклона с приведением расчетных формул и расшифровкой символов; 5) выводы. ТЕХНИКА БЕЗОПАСНОСТИ 1) Запрещается приступать к работе до получения инструктажа по ТБ. 2) Лабораторная работа выполняется под контролем преподавателя или лаборанта. 3) Перед включением установки проверьте наличие заземления. 4) Убедитесь в наличии загрязненной воды в емкости 5. 5) Проверьте открытие запорного вентиля 8. 6) После включения установки убедитесь в ее исправности, отсутствии подтеков воды. 7) При обнаружении неисправностей, немедленно выключить установку и сообщить о замеченных неисправностях преподавателю. 8) При работе установки не допускать разбрызгивания воды. 9) После взятия проб исходной жидкости, очищенной воды и шлама, а также определения объемного расхода очищенной воды и шлама, установку отключить от эл. сети. КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ 1. В чем заключается принципиальная схема механической очистки сточных вод? 2. Какие методы и аппараты применяются для отделения загрязнителя под действием гравитационных сил? 3. Что представляют собой и как работают усреднители? Каково их назначение? 4. В чем назначение песколовок? Как они классифицируются? 5. Что такое седиментация и обратная седиментация? В каких аппаратах осуществляют седиментацию? 6. Какие виды отстойников и их конструктивные особенности Вам известны? 7. Какой принцип действия положен в основу работы гидроциклонов и центрифуг? Что такое фактор разделения (приведите формулу)? 8. Для каких целей применяют гидроциклоны? Какие виды загрязнений эти аппараты позволяют удалять из сточных вод? Приведите разновидности гидроциклонов. 9. Какова конструкция многоярусного гидроциклона? Для чего предназначены такие аппараты? 10. Расскажите об открытых гидроциклонах и возможностях их применения. 12. Какова принципиальная схема напорного гидроциклона? Как происходит очистка воды в таком аппарате? 23 13. Как при эксплуатации гидроциклонов решается проблема их износостойкости? 14. Расскажите о конструкции и принципе работы центрифуги. Их классификация 15. Перечислите виды фильтрования сточных вод Вам и охарактеризуйте каждый. 16. По каким признакам классифицируют фильтры для очистки сточных вод? 17. Какие материалы используют в качестве фильтрующих перегородок? 18. Что представляют собой нутч-фильтры и фильтры с зернистым слоем? 19. На каком принципе основана работа магнитных фильтров? Какие виды загрязнений они способны удалять из стоков? СПИСОК ИСПОЛЬЗУЕМОЙ ЛИТЕРАТУРЫ 1. Родионов, А. И. Технологические процессы экологической безопасности /Основы энвайронменталистики /: Учебник для студентов технических и технологических специальностей / 3-е изд.. перераб. и доп /А.И. Родионов, В. Н. Клушин, В.Г. Систер; - Калуга: Изд-во Н. Бочкаревой, 2000. — 800 с., 2. Кривошеин, Д.А. Системы защиты среды обитания. В 2 т. Т.2: учеб. Пособие для студ. учреждений высш. проф. образования/Д.А. Кривошеин, В.П. Дмитренко, Н.В. Федотова. – М.: Издательский центр « Академия» , 2014. - 368с. 3. Ветошкин, А. Г. Инженерная защита водной среды: Учебное пособие/А.Г. Ветошкин; - CПб.: Издательство « Лань», 2014. – 416с. 4. Сотникова, Е.В. Теоретические основы процессов защиты среды обитания: Учебное пособие/ Е. В. Сотникова, В. П. Дмитренко, В. С. Сотников; - CПб.: Издательство « Лань», 2014. – 576 с. 5. Тимофеева, С.С. Промышленная экология. Практикум: учебное пособие/С.С. Тимофеева, О.В. Тюкалова. – М.: ФОРУМ: ИНФРА- М., 2014.- 128 с. 6. Ильин, А.В. Очистка промышленных сточных вод в гидроциклоне: методические указания к лабораторной работе "Очистка промышленных cточных вод в гидроциклоне" по курсу "Промышленная экология и технология основных производств"/ А.В. Ильин, А.Б. Голованчиков. -Волгоград: ВолгГТУ,1994 – 16 с. 24
