3.5 Удаление взвешенных частиц из сточных вод

В сточных водах горных предприятий присутствуют в достаточно большом количестве взвешенные частицы растворимых и нерастворимых веществ. Взвешенные примеси подразделяют на твердые и жидкие. Они образуют с водой дисперсные системы, которые классифицируют на три группы:

[1] грубодисперсные системы с частицами размером более 0,1 мкм (суспензии и эмульсии);

[2] коллоидные системы с частицами размером от 0,1 мкм - 1 нм;

[3] истинные растворы, имеющие частицы, размеры которых соответствуют размерам отдельных молекул или ионов [50].

Для удаления взвешенных частиц из сточных вод используют гидромеханические процессы (периодические и непрерывные) процеживания, отстаивания (гравитационное и центробежное), фильтрования. Выбор метода зависит от размера частиц примесей, физико-химических свойств и концентрации взвешенных частиц, расхода сточных вод и необходимой степени очистки.

Процеживание. Сточные воды перед тонкой очисткой процеживают через решетки и сита, которые устанавливают перед отстойниками с целью извлечения из них крупных примесей, которые могут засорить трубы и каналы.

Решетки выполняют из металлических стержней и устанавливают на пути движения сточных вод под углом 60-75°. Они могут быть подвижные и неподвижные. Очистку решетки ведут механическими граблями, которые конструктивно могут быть различно оформлены. Снятые с решеток загрязнения направляют на переработку. Для измельчения отходов используют дробилки. Решетки, совмещенные с дробилками, называются коммутаторами. Они позволяют измельчать отходы, не извлекая их из воды.

Для удаления более мелких взвешенных веществ применяют сита, которые могут быть двух типов: барабанные и дисковые. Первые представляют собой сетчатый барабан с отверстиями 0,5-1 мм. При вращении барабана сточная вода фильтруется через его внешнюю или внутреннюю поверхность в зависимости от подвода воды (снаружи или внутрь). Задерживаемые примеси смываются с сетки водой и отводятся в желоб.

Для разделения взвешенных веществ на фракции могут быть использованы фракционаторы, представляющие собой емкость, разделяющуюся на две части вертикальной сеткой с диаметром отверстий 60-100 мкм (рис.5.11). Сточная вода через сопло 2 поступает внутрь фракционатора и делится на сетке 3 на грубую и тонкую фракции. При разделении 50-80% взвешенных частиц остается в емкости с грубой фракцией.

Рекомендуемые материалы

Отстаивание - это метод очистки вод от взвешенных в ней частиц путем их осаждения под действием силы тяжести.

Механическое отстаивание применяют для осаждения грубодисперсных примесей. Этот метод обеспечивает лишь грубую очистку сточных вод от взвешенных частиц (до 50-150 мг/л).

Скорость осаждения мелких частиц, включая коллоидные системы, незначительна, они могут долгое время находиться в воде. Это явление объясняется малой начальной массой частиц, отсутствием их самопроизвольной коагуляции, т.е. слипаемости друг с другом из-за наличия одноименных электрических зарядов на их поверхности.

Для ускорения процесса отстаивания и усиления его эффективности применяют химические методы обработки сточных вод - вносят реагенты-коагулянты и флокулянты.

С точки зрения коагулирования мелкие частицы несут одноименные электрические заряды, взаимное отталкивание которых препятствует слипанию частиц. Заряженные частицы отталкиваются друг от друга, если расстояние между ними превышает критическое. При расстоянии, меньшем критического, частицы соединяются и коагулируются. Коагулирование можно усилить вследствие уменьшения поверхностного заряда за счет добавки в сточные воды растворов солей, содержащих многовалентные ионы. Эти ионы, адсорбируясь на поверхности частиц, уменьшают их поверхностный заряд, а броуновское движение способствует сближению частиц на расстояние, при котором происходит их самопроизвольное слипание.

При другом способе коагулирования в сбрасываемую воду вводят растворы сернокислых солей алюминия или железа. В результате их гидролиза образуются коллоидные частицы гидроокиси металла, имеющие заряд, противоположный по знаку заряда взвешенных частиц, что способствует нейтрализации зарядов и интенсивному образованию хлопьев.

В качестве коагулянтов обычно используют неорганические соли: сернокислый алюминий, алюминат натрия, гидроокись алюминия, сернокислое железо, железный купорос, хлорное железо, активированный золь кремниевой кислоты.

Интенсификация осаждения взвесей, особенно при их высокой концентрации (до нескольких десятков граммов в кубическом метре) в большинстве случаев достигается введением в сточную воду флоку-лянтов, которые способствуют образованию механических связей из макромолекул между отдельными частицами, объединяемыми в крупные агрегаты, называемые флокулами.

В процессе осаждения взвесей при разделении твердой и жидкой фаз в гравитационном или центробежном поле условно выделяют три зоны: I - зона осветления, II - зона осаждения, III - зона уплотнения осадка.

В зоне осветления концентрация частиц в воде невысокая и поэтому частицы под действием гравитационных сил свободно осаждаются. В зоне осаждения концентрация частиц шлама увеличивается, осаждение происходит в условиях стесненного падения. В зоне уплотнения осадка концентрация частиц достигает максимума, а скорость осаждения их приближается к нулю. Осадок обезвоживается под действием веса частиц.

В промышленных аппаратах с непрерывной подачей питания выделить зоны разделения фаз практически невозможно. На процесс осветления влияют гранулометрический и минералогический состав твердого компонента, его плотность и концентрация, вязкость, температура и рН пульпы (воды), наличие и состав в ней реагентов. Эффективность осветления воды во многом зависит от правильного приготовления реагента и его дозировки, конструктивных особенностей выбранного аппарата и его удельной производительности. Для осветления воды на карьерах применяют:

устройства и аппараты, в которых расслоение пульпы производится под действием силы тяжести (непрерывного действия - пирамидальные отстойники, конусные и радиальные сгустители; периодического действия - наружные отстойники, шламовые бассейны, пруды); "

аппараты, в которых расслоение происходит тюд действием центробежной силы (гидроциклоны, осадительные центрифуги);

флотационные машины (вывод грубодисперсного шлама).

Осветление воды является необходимым звеном технологического процесса, предназначенного для замыкания водношламовых схем горнопромышленных предприятий и поддержания оптимального уровня содержания твердого компонента в оборотной и в сбрасываемой воде.

Для выделения из карьерных, дренажных и производственных сточных вод взвешенных примесей, осаждения их под действием силы тяжести при небольшой скорости потока, а также для очистки сточных вод с помощью реагентов применяют специальные искусственные резервуары или водоемы, которые подразделяются на песколовки, отстойники и пруды-осветители.

Песколовки (рис.5.12) применяют для предварительного выделения из карьерных и дренажных вод тяжелых минеральных примесей, главным образом силикатов.

Горизонтальные песколовки представляют резервуары с прямоугольным или трапециевидным поперечным сечением. Скорость движения воды в них не превышает 0,3 м/с. Разновидностью горизонтальных песколовок являются песколовки с круговым движением воды, выполненные в виде круглого резервуара конической формы с периферийным лотком для протекания сточной воды. Осадок собирается в коническом днище, откуда его направляют на переработку или в отвал. Вертикальные песколовки имеют прямоугольную или круговую форму. В них сточные воды движутся с вертикальным восходящим потоком со скоростью 0,05 м/с. По эффекту осветления вертикальные песколовки уступают горизонтальным.

Рис.5.12. Схемы песколовок:

а - вертикальная; б, в - горизонтальные с кольцевым движением воды; г - аэрируемая; 1 - подача сточной воды; 3 - воздухоотвод; 4 - воздухораспределитель; 5 - сборник всплывающих веществ; 6 - отвод всплывающих веществ

Отстойники. В зависимости от назначения отстойники могут служить: для частичного осветления вод (при оборотном водоснабжении), для предварительной очистки воды (в качестве первой ступени очистки при сложном комбинированном способе очистки), для окончательной очистки сточных вод (природоохранные).

Отстойники для предварительной очистки дренажных и карьерных вод устраиваются в водопоннжающих скважинах, у насосных станций главных и участковых водосборников. Для окончательной очистки вод применяют отстойники в виде резервуаров и пруды-осветлители.

Отстойники в виде резервуаров подразделяются на нетиповые и типовые. Нетиповые представляют емкости различных размеров и формы (обычно выполняются в виде прямоугольной формы). После заполнения до предельной высоты осветленная вода откачивается, а осадок периодически удаляется. Иногда используют несколько нетиповых отстойников (обычно из железобетонных конструкций), работающих поочередно.

Типовые отстойники в зависимости от характера движения осветляемой воды подразделяются на горизонтальные, вертикальные и радиальные.

Горизонтальные отстойники представляют собой прямоугольные резервуары, имеющие две или более одновременно работающие камеры (рис.5.13). В практике чаще всего применяют гидравлические камеры: водоворотные, вихревые (вертикальные), перегородчатые (коридорные). Очищаемая вода поступает через распределительный лоток и дырчатую перегородку в рабочую часть отстойника. Для удаления осадка вдоль рабочих коридоров по грязевому приямку укладываются перфорированные трубы, из которых осадок выдавливается в результате действия давления воды. Осветленная вода собирается лотком или перфорированной трубой. Если для интенсификации процесса осаждения используются различные коагулянты и флокулянты, то в этом случае в отстойнике встраивается камера хлопьеобразования.

В отстойнике каждая частица движется с потоком воды в горизонтальном направлении со скоростью v и под действием силы тяжести вниз - v₀ (рис.5.14). Поэтому скорость и направление перемещения каждой частицы представляют равнодействующую двух этих скоростей. В отстойнике успевают осесть только те частицы, траектория движения которых пересекает дно отстойника в пределах его длины. Следовательно, время прохождения частицы вдоль отстойника t_r должно быть больше либо равно времени опускания частицы на дно отстойника под действием силы тяжести (t_B), т.е. tr  t_B. С другой стороны, время t_r и t_B определяются, как:

 (5.15)

где L - длина отстойника, м;

Н - высота потока воды, м;

v - горизонтальная скорость перемещения частицы, м/с;

v0 - скорость осаждения частиц (гидравлическая крупность), м/с. Для оседания частиц в отстойнике необходимо обеспечить ламинарный характер движения воды, т.е. V  VKp. Критическая скорость при этом определяется по формуле

Vкр= м/с,

где V - кинематическая вязкость жидкости, см2/с;

RеKp - критическое число Рейнольдса;

R - гидравлический радиус, м. Горизонтальная скорость движения воды в отстойнике обычно не превышает V < 0,01 м/с.

Рис.5.13. Варианты оснащения горизонтального отстойника:

а - с регулирующими дырчатыми перегородками; б - с тонкослойными элементами из наклонных перегородок; в - с системой рассредоточенного поверхностного отбора осветленной воды

Важнейшим расчетным параметром, характеризующим процесс осаждения взвесей, является скорость осаждения частиц v₀, которая называется гидравлической крупностью. Она определяется либо расчетным путем, либо экспериментально. По формуле Стокса устанавливают обычно гидравлическую крупность шарообразных частиц одинакового размера, а для учета влияния концентрации взвесей и реолактических свойств системы вводят поправочный коэффициент - R:

 м/с (5.17)

, (5.18)

Где, где d - диаметр частицы, м;

g - ускорение свободного падения, м/с2;

rТ, rВ - плотность твердой частицы и воды, кг/м3;

m0, mСТ - абсолютная вязкость чистой и сточной воды, Па "с;

 - объемная доля жидкой фазы.

Сточные воды представляют собой зачастую полидисперсные системы. В них содержатся частицы от сравнительно крупных до мелких размеров, вплоть до коллоидных. Скорость осаждения последних незначительная, они могут долго находиться в воде. Это объясняется не только малой начальной массой частиц, но также отсутствием их самопроизвольной коагуляции, т.е. неслипаемостью друг с другом из-за наличия одноименных электрических зарядов на их поверхности. Поэтому скорость осаждения частиц в них непрерывно изменяется во времени. На практике ее определяют экспериментально, исследуя кинематику осаждения взвесей. Для этого через определенное время - t устанавливают количество осевшей твердой фазы - М (в процентах от общего количества твердого, содержавшегося в воде до ее отстаивания). Результаты наблюдений наносят на график и отстраивают кривую осаждения (рис.5.15), по которой можно определить количество осевшей твердой фазы взвеси (требуемую эффективность работы отстойного устройства) в любой момент времени t. После этого вычисляют гидравлическую крупность частиц в расчетный момент времени через соотношение высоты слоя жидкости - he отстойнике и времени - t, т.е. vo = h/t.

Рис.5.15. Кинетика процесса осаждения полидисперсной смеси

В конкретных условиях выбор методики определения v0 зависит, прежде всего, от назначения отстойника. Например, если он предназначен для улавливания частиц определенного размера независимо от общего эффекта осветления, то гидравлическую крупность частиц определяют по формуле Стокса. Это случай, когда проводится очистка воды в технических целях, например, для уменьшения гидроабразивного износа оборудования при использовании оборотной воды или при проектировании очистных сооружений новых карьеров, когда получить значение v0 экспериментальным путем не представляется возможным, но известен гранулометрический состав частиц.

Если отстойник предназначен для улавливания определенного количества частиц с учетом требуемого эффекта осветления воды, значение v0 находят опытным путем.

Необходимая длина отстойника устанавливается из выражения

L, м (5.19)

Поскольку частицы осаждаются в турбулентном потоке, в котором скорость осаждения частиц замедляется действием вертикальной составляющей горизонтальной скорости, в формулу (5.19) вводят поправочный коэффициент , равный 1,7 2:

м (5.20)

Обычно глубина отстойника равна Н - 1,5-4 м, длина (8-И2) Н. Ширина отстойника определяется по формуле:

м (5.21)

где Q - производительность отстойника, м3/ч.

Основным показателем осаждающей способности отстойника является объем активной зоны, под которым понимается объем фиктивного отстойника с параллельно струйным движением воды и осаждающей способностью, соответствующей естественному объему.

Объем активной зоны отстойника можно увеличить подбором рационального контура отстойника, устройством струераспредели-тельных сооружений в месте входа промстоков в отстойник и подбором рационального слива отстоявшейся воды.

Горизонтальные отстойники ввиду их простоты конструкции и небольших капитальных затрат широко используются на горных предприятиях. Вместе с тем, они характеризуются относительно низкими гидравлическими и технологическими показателями. Эффективность отстаивания не превышает 60%, продолжительность отстаивания - 1-3 часа.

Наряду с горизонтальными отстойниками на горно-обогатительных предприятиях применяют радиальный и вертикальный отстойники.

Радиальный отстойник (рис.5.16) представляет собой круглый резервуар диаметром до 100 м с коническим днищем с уклоном к центру порядка 0,03-0,08. Очищаемая вода подается в специальное приемное устройство в центре отстойника, из которого затем растекается в радиальном направлении, переливается в кольцевой сливной желоб и отводится к месту дальнейшего использования. Осадок непрерывно удаляется к центру отстойника вращающейся металлической гребковой фермой со скребками, откуда он непрерывно или периодически удаляется самотеком или с помощью насоса.

В радиальных отстойниках твердые частицы выпадают из потока так же, как в горизонтальных отстойниках. Однако в последних скорость потока постоянна, а в радиальных переменна и убывает от центра к стенкам отстойника. Это объясняется увеличение площади поперечного сечения потока от центра.

Требуемая площадь осветления радиального отстойника может быть определена по формуле:

F=2 (5.24)

где Q - производительность отстойника, м3/с;

Uo - гидравлическая крупность частиц, м/с;

β - коэффициент, учитывающий использование объема отстойника β - 1,5÷2).

Такие отстойники применяют при расходах сточных вод свыше 20000 м3/сут. Эффективность осаждения 60%. Главное преимущество такого отстойника - относительно большая площадь осветления при малой ее высоте. Фактическое отношение диаметра к высоте составляет 6 - 5-30. Обычно используют отстойники диаметром 16 - 5-60 м. Глубина проточной части отстойника от 1,5 до 5 м.

Рис.5.16. Принципиальная схема вертикального отстойника:

1 - водосборный канал; 2 - гаситель; 3 - труба для удаления осадка

Вертикальный отстойник (рис.5.17) представляет собой круглый (диаметр 5-10 м или квадратный в плане резервуар (14x14 м) с коническим (пирамидальным) днищем с наклоном стенок 50-70°. Очищаемая вода движется снизу вверх и после отстоя сливается в кольцевой желоб. Осадок собирается в нижней конической части отстойника, откуда периодически удаляется самотеком при открытых задвижках на выпускной трубе. В центральной части отстойника может размещаться труба, используемая как водоворотная или вихревая камера хлопьеобразования.

Осаждение частиц происходит в восходящем потоке, скорость которого равна 0,5-0,6 мм/м. Высота зоны осаждения 4-5 м. Для выпадения твердой фазы в осадок необходимо условие, при котором гидравлическая крупность частиц была бы больше скорости восходящего потока воды, т.е. U0 ≥V. Так как скорость восходящего потока неравномерна по сечению отстойника, но вводится коэффициент - k.

Тогда условие записывается как:

 (5.25)

к (5.25) Значение коэффициента k принимается равным 1,5÷1,8. Производительность вертикального отстойника:

м3/с (5.26)

Рис.5.17. Принципиальная схема вертикального отстойника: 1 - водосборный канал; 2 - гаситель; 3 - труба для удаления осадка

Повышение эффективности отстаивания взвесей в воде достигается за счет увеличения площади отпаивания и проведения процесса осаждения частиц в тонком слое жидкости. На практике применяют наклонные модули с прямоточным, противоточным и перекрестным движением воды и осадка. Рабочими элементами таких модулей являются трубки (для трубчатых модулей) диаметром 25-50 мм и длиной 0,6-1 м или параллельные пластины (для пластинчатых модулей), расстояние между которыми 10-15 мм. Трубки или пластины устанавливают с малым (до 5°) или большим (45-60°) наклоном. Благодаря многопластинчатой структуре модуля поток воды разбивается на ряд упорядоченных струек, в результате чего при неизменной скорости движения уменьшается гидравлический радиус в каждом канале, формируется ламинарная структура потока и тем самым создаются благоприятные условия для осаждения частиц. Осадок под действием сил тяжести постоянно сползает по наклонной поверхности в илонакопи-тель.

При одинаковой гидравлической крупности осаждаемых частиц удельная нагрузка на рабочую площадь наклонных модулей при принятых параметрах почти в 50 раз больше, чем горизонтальных отстойников. Благодаря высокой производительности отстойники с наклонными модулями имеют небольшие габариты. В связи с этим они получают все большее распространение. Их используют для осветления сточных вод с небольшим содержанием взвешенных веществ при расходах от 100 до 10000 м3/сут. Гидравлическая нагрузка у отстойников 2,4-10 м3/ч на 1 м2 входного сечения трубок. Эффективность очистки 80-85%.

Прогрессивным направлением является удаление взвешенных веществ под действием центробежных сил. Силы, действующие на выделяемые частицы в центробежных устройствах, больше сил тяжести, действующих в отстойниках. Вследствие этого повышается в несколько раз их производительность, уменьшаются их размеры. Поэтому применение таких устройств наиболее целесообразно для очистки карьерных и дренажных вод, содержащих большое количество крупных тяжелых взвесей, а также в условиях стесненных производственных площадей (например, в подземных дренажных выработках).

К устройствам центробежного типа относятся гидроциклоны и центрифуги. На горных предприятиях широко распространены напорные гидроциклоны, из которых наиболее распространен конический гидроциклон (рис.5.18). Загрязненная вода подается под давлением 0,05-0,3 МПа внутрь гидроциклона, поступает в цилиндрическую часть и вращательно движется в ней вместе с примесями. Крупные примеси отжимаются возникающей центробежной силой к стенкам и вместе с жидкостью по винтовой спирали поступают к сливу. Осветленная вода движется вверх по оси гидроциклона. Из-за возникновения в потоках гидроциклона радиальных и замкнутых циркуляционных токов, вызывающих турбулентное перемешивание жидкости, эффективность гидроциклонов составляет в среднем 70-80% (в отдельных случаях достигает 100%).

в)

Рис.5.18. Гидроциклоны: а - напорный; б - с внутренним цилиндром и конической диафрагмой; 1 - корпус; 2 - внутренний цилиндр; 3 - кольцевой лоток; 4 - диафрагма; в - блок напорных гидроциклонов; г - многоярусный гидроциклон с наклонными патрубками для отвода очищенной воды; 1 - конические диафрагмы; 2 - лоток; 3 - водослив; 4 - маслосборная воронка; 5 - распределительные лотки; 6 - шламоотводящая щель.

На эффективность работы напорных гидроциклонов влияют скорость движения воды на входе, масса частицы, физические свойства воды, конструктивные параметры (диаметр гидроциклона, выпускных и сливных патрубков). Производительность напорных гидроциклонов определяется по формуле:

 м3/с (5.27)

где k - безразмерный коэффициент;

D - диаметр гидроциклона, м;

DBX - диаметр впускного патрубка, м;

Н - перепад давления между сливом и впуском воды, Па;

g - ускорение свободного падения, м/с2.

Для удаления из воды тонкодисперсных примесей применяют также гидроциклоны малого диаметра (10, 15,20 мм), устанавливаемые параллельно в большом количестве. Установки такого типа называются мультициклонами. Повышение эффективности эффективности достигается за счет увеличения величины центробежной силы при уменьшении диаметра аппаратов.

Пруды-осветлители принимают в тех случаях, когда рельеф местности создает необходимые условия для сооружения пруда, а содержание взвешенных веществ в очищенной воде не превышает 30 мг/л. Содержание частиц с гидравлической крупностью менее 0,1 мм/с не превышает 50 мг/л. Процесс очистки сточных вод от взвешенных веществ заключается в следующем.

Рис.5.19. Пруд-отстойник трехкаскадный: 1 - первый каскад; 2 - второй каскад; 3 - третий каскад; 4 - плотина; 5 - хлораторная

Сточная вода поступает в первый каскад пруда 1 (рис.5.19), где происходит отставание основной массы взвешенных веществ. Предварительно осветленная вода через регулируемый водослив поступает во второй каскад 2, где также продолжается процесс отстаивания. При выпуске воды через регулируемый водослив второго каскада в нее вводят обеззараживающий реагент - хлорную воду. Третий каскад 3 выполняет роль контактного резервуара и осветлителя. Объем пруда-отстойника принимают таким, чтобы периодичность его очистки от осадка была не менее 10 лет. В период очистки первого каскада сточная вода подается непосредственно во второй каскад. На период очистки второго или третьего каскадов предусматриваются обводные водоводы (трубопроводы). Основным недостатком прудов-осветлителей является необходимость занятия больших площадей земли и неуправляемость процесса осветления.

Рекомендация для Вас - Часть 45.

Для очистки дренажных и карьерных вод, когда количество взвешенных веществ в исходной воде не лимитируется, отстаивание может осуществляться в горизонтальном отстойнике и в пруде-отстойнике (рис.5.20). Сточная вода подается в регулирующую емкость 1, откуда самотеком поступает в горизонтальный отстойник 2. Предварительно очищенная вода проходит хлорирование при выходе из горизонтального отстойника и далее поступает в пруд-отстойник.

Осадок удаляют с помощью шламовых насосов с предварительной размывкой его гидромонитором.

Для очистки вод, загрязненных мелкодисперсной взвесью, в данную схему вводят реагентную обработку. Вода из резервуара (усреднителя) поступает в смеситель, куда вводится раствор коагулянта. На выходе из смесителя вода смешивается с флокулянтом и самотеком через камеру хлопьеобразования подается в отстойник. Достоинством данных схем очистки является простота конструктивных решений и обслуживания, надежность работы. К недостаткам можно отнести необходимость выключения из работы секции остойника в период очистки от осадка. Этот недостаток может быть устранен в случае замены горизонтального отстойника на вертикальный, радиальный или наклонный отстойники.

Рис.5.20. Схема отстаивания шахтной воды в горизонтальной отстойнике и в пруде-отстойнике:

I - регулирующая емкость; 2 - горизонтальный отстойник; 3 - хлораторная; 4 - пруд-отстойник; 5 - иловая площадка