2. Удаление взвешенных частиц из сточных вод

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

2.1ПРОЦЕЖИВАНИЕ И ОТСТАИВАНИЕ

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

Решетки используются с прозорами 16-19 мм. Скорость сточной воды между стержнями принимается равной 0,8 – 1,0 м/с.

Потери напора h_р в решетке определяют по формуле

h_р = о (w_к² Р / 2g)

где w_к² – скорость движения воды в канале перед решеткой, м/с; Р – коэффициент, учитывающий увеличение потерь напора вследствие засорения решетки (принимают Р=3); о – коэффициент местного сопротивления решетки; g – ускорение свободного падения, м/с²; a - угол наклона решетки, град; s – толщина стержня, м; b – ширина прозоров между стержнями, м; b - коэффициент (для прямоугольных стержней равен 2,42, для закругленных – 1,83 и для круглых – 1,79).

            Для удаления более мелких взвешенных веществ, а также ценных продуктов, применяют сита, которые могут быть двух типов: барабанные или дисковые. Сито барабанного типа представляет собой сетчатый барабан с отверстиями 0,5 – 1,0 мм. Производительность сита зависит от диаметра барабана и его длины, а также от свойств примесей. Сита применяют в текстильной, целлюлозно- бумажной и кожевенной промышленности.

            Для разделения взвешенных частиц на фракции могут быть использованы фракционаторы, основной частью которых является вертикальная сетка, разделяющая емкость на две части. Диаметр отверстий сетки 60-100 мкм. Сточная вода через сопло поступает внутрь фракционатора и делится на грубую и тонкую фракции. При разделении 50-80 % взвешенных частиц остается в грубой фракции.

Рекомендуемые материалы

            Для удаления более мелких взвешенных веществ, а также ценных продуктов, применяют сита, которые могут быть двух типов: барабанные или дисковые. Сито барабанного типа представляет собой сетчатый барабан с отверстиями 0,5 – 1,0 мм. Производительность сита зависит от диаметра барабана и его длины, а также от свойств примесей. Сита применяют в текстильной, целлюлозно-бумажной и кожевенной промышленности.

            Для разделения взвешенных частиц на фракции могут быть использованы фракционаторы, основной частью которых является вертикальная сетка, разделяющая емкость на две части. Диаметр отверстий сетки 60-100 мкм. Сточная вода через сопло поступает внутрь фракционатора и делится на грубую и тонкую фракции. При разделении 50-80 % взвешенных частиц остается в грубой фракции.

Рис. Фракционатор:

1- корпус; 2- сопло; 3- сетка.

Волокноуловители.

            Для улавливания волокнистых веществ, содержащихся в сточных водах применяются различные волокноуловители.

В текстильной промышленности применяются для этой цели волокноуловители марки ШУ-3. Волокносодержащая сточная вода по каналу поступает в распределительный барабан и равномерно выливается через кольцевую щель между барабаном и коническим дырчатым диском. Сточная вода растекается по диску во все стороны и при достижении перфорированного пояса стекает через отверстие в водоотводящий канал, а волокно задерживается на поверхности диска. Диск во время работы волокноуловителя медленно вращается. Вибрация диска ускоряет прохождение жидкости через перфорированные отверстия. Задержанное на поверхности диска волокно собирается волокносъемным устройством и сбрасывается на транспортер.

            Производительность волокноуловителя составляет 120-140 м³/ч. диаметры перфорированного диска 2500 мм и отверстий в диске 3,5 мм. Диск делает 2 об/мин. Эффективность улавливания волокна составляет 85 % исходного содержания.

            Для очистки волокносодержащих вод в целлюлозно-бумажной промышленности применяют  фильтры «Вако».

            Работа этих фильтров основана на фильтрации сточной воды через непрерывно движущуюся сетку с нанесенным на нее слоем из волокнистой массы. Для создания слоя плотностью 20-70 г на 1 м² сетки применяют целлюлозу или ее отходы при сортировке. Для быстрого образования такого фильтрующего слоя, подаваемая на сетку масса должна содержать около 5 г/л волокна.

            Сетчатый фильтр с волокнистым подслоем состоит из двух вращающихся в ваннах барабанов с открытой ребристой поверхностью, на которой натянута латунная сетка № 40-50. Между барабанами сетка проходит по валу, регулирующему поступательное движение сетки, и затем по валу, на котором обезвоживается уловленная масса перед ее удалением с сетки.

            В ванну большого барабана подается очищаемая сточная вода, в ванну малого барабана – волокнистая масса для создания фильтрующего слоя.

            В отечественной практике применяют фильтры, имеющие диаметр сетки 4 м и общую площадь фильтрующей поверхности 18 м². Уровень фильтруемой воды в ванне находится на высоте 0,7 – 0,75 диаметра большого барабана. Скорость движения сетки регулируется вариатором скоростей; в зависимости от концентрации очищаемой жидкости она принимается равной 2-15 м/мин.

            Рабочий эффект фильтров, зависящий от многих условий, в том числе от начальной концентрации сточных вод, плотности, предварительно нанесенного фильтрующего слоя и скорости движения сетки, обычно составляет 80-90 %. Влажность снимаемой с фильтров массы равна 94-97 %. Более высокий эффект очистки достигается предварительной коагуляцией сточных вод, особенно при небольшой их начальной концентрации и повышенной (3-5%) зольности нерастворенных примесей. В качестве коагулянтов применяется сернокислый алюминий в количестве до 100 мг/л.

Песколовки.

            В практике очистки сточных вод песколовки используют для задержания тяжелых нерастворимых примесей (преимущественно песка), что способствует улучшению работы последующих очистных сооружений и облегчает их эксплуатацию. Наряду с минеральными примесями в песколовках отстаиваются вещества органического происхождения, гидравлическая крупность которых близка к гидравлической крупности песка. Количественное соотношение между задержанными минеральными и органическими веществами зависит от вида сточных вод и от гидравлических условий и условий эксплуатации песколовок. При очистке бытовых сточных вод песколовки задерживают частицы диаметром 0,25 мм и более. Количество органических веществ в задержанной массе составляет 15-20%.

            По направлению основного потока сточной жидкости песколовки подразделяют на вертикальные и горизонтальные; последние, в свою очередь, делятся на песколовки с прямолинейным и круговым движением воды.

            Расчетная скорость потока в горизонтальных песколовках при очистке смеси бытовых и производственных сточных вод не должна превышать 0,3 м/с при максимальном притоке сточных вод и должна быть не менее 0,15 м/с при минимальном их притоке; продолжительность протока 0,5-1,0 мин. Скорость потока в вертикальных песколовках принимают равной 0,03-0,04 м/с, а продолжительность протока – 2-2,5 мин. При таких условиях в песколовках задерживаются минеральные и органические примеси, имеющие гидравлическую крупность 20-25 мм/с.

            Песколовки для производственных сточных вод, содержащих аналогичные по гидравлической крупности примеси (например, стоки литейного производства, свеклосахарных заводов и др.), рассчитывают исходя из приведенных выше данных.

            При расчете сооружений для выделения тяжелых примесей из производственных сточных вод любого вида в каждом конкретном случае необходимо учитывать гидравлическую характеристику этих примесей и необходимую степень полноты их выделения. Осредненные данные по этим показателям привести нельзя, так как концентрация нерастворенных веществ, их форма и размеры и удельные веса так же разнообразны, как разнообразны и сами сточные воды.

            Например, крупная окалина в стоках от прокатных станов, которую извлекают отдельно, составляет до 90% общего количества окалины; гидравлическая крупность окалины около 100 мм/с, тогда как гидравлическая крупность наиболее тяжелых примесей некоторых стоков химической промышленности не превышает 10 мм/с.

            При расчете сооружений для отстаивания структурных примесей производственных сточных вод рекомендуется исходить из следующих зависимостей:

t = H / (u_o - w);

L = tv

где t – расчетная продолжительность протока сточной жидкости в сооружении, с; Н = 1ч2 м – рабочая (расчетная) глубина сооружения, принимаемая по местным условиям; L – расчетная длина сооружения; u_o – гидравлическая крупность (скорость осаждения) частиц, которые предполагается задержать; определяется теоретически или экспериментально; w – вертикальная составляющая горизонтальной скорости потока, тормозящая осаждение: w = 0,05v; v – расчетная скорость потока сточной жидкости.

            При осаждении тяжелых примесей (например, песка, крупной окалины и т.п.) влияние величины w ничтожно мало и может не учитываться.

            Песколовки с вертикальным движением воды рассчитываются исходя из условия, что u_o≥v. Необходимая высота (глубина) сооружения определяется по уравнению

H = t v

где t – продолжительность протока, обычно принимаемая равной 2 мин.

            Конструкцию сооружения выбирают в зависимости от количества обрабатываемых сточных вод и их концентрации. Эти же показатели определяют способ удаления выпадающего осадка.

            Наиболее широкое применение в практике получили прямоугольные в плане горизонтальные песколовки с прямолинейным движением сточных вод. Осадки из таких песколовок удаляют в два приема: сначала сгребают осадок к приямку, а затем удаляют его за пределы сооружения.

            Первая операция выполняется скребковыми устройствами различной конструкции, вторая – гидроэлеваторами или грязевыми насосами. Для удаления тяжелых осадков, выпадающих при обработке ряда производственных сточных вод (от прокатных станов, разливочных машин, некоторых стоков строительной промышленности), применяют грейферы.

            При небольшом количестве сточных вод применяют песколовки с кольцевым или вертикальным движением. Технологический их расчет производится по тем же исходным данным, что и для горизонтальных песколовок.

            Для обеспечения бесперебойной работы песколовок обычно предусматривают не менее двух секций этих сооружений. Пропускная способность каждой из них принимается равной половине расчетного притока сточных вод.

            В тех случаях, когда требуется возможно полное разделение примесей по крупности или химическому составу, применяются аэрируемые песколовки. Гидравлический расчет этих сооружений производится аналогично расчету песколовок для очистки бытовых сточных вод. Основные расчетные данные – гидравлическая крупность частиц, их размеры и плотность – определяются экспериментально для каждого вида сточных вод.

            При ориентировочных расчетах можно принимать глубину песколовок Н = 0,5ч2 м и соотношение ширины и глубины в горизонтальных песколовках В/Н = 1ч2

            Длину песколовки определяют по формуле L = 2 vh/u_o (где h – расчетная глубина, принимаемая равной половине общей глубины Н). Продолжительность протока сточной жидкости в сооружении 0,5 – 1,5 мин; скорость протока 0,1-0,2 м/с при максимальном притоке. Интенсивность аэрации составляет 3-5 м³/(м^{2 .} ч).

            Подаваемый воздух распределяют с помощью фильтросов или перфорированных труб, располагаемых на расстоянии 0,5 м от дна песколовки. Осадок собирают скребковыми механизмами или путем гидросмыва. А удаляют из песколовки гидроэлеватором.

            При проектировании аэрируемых песколовок необходимо предусматривать емкости для приема всплывающей пенообразной массы и механизм для ее удаления.

Отстойники.

            В практике очистки промышленных сточных вод применяют отстойники различных конструкций. Выбор типа отстойника зависит от необходимой степени осветления сточных вод, расчетных отходов, располагаемых площадей для размещения сооружений.

            Горизонтальные отстойники применяются при расходах сточных вод свыше 15000 м³/сут. Глубина отстойников равна 1,5-4 м, длина 8-12 м, ширина коридора 3-6 м. Эффективность отстаивания достигает 60 %.

Радиальные отстойники применяют при расходах свыше 20000 м³/сут. Глубина проточной части отстойника 1,5-5 м, а отношение диаметра к глубине от 6 до 30. Обычно используют отстойники диаметром 16-60 м. Эффективность осаждения  составляет 60 %.

Повысить эффективность отстаивания можно путем увеличения скорости осаждения, увеличив размеры частиц коагуляцией и флокуляцией или уменьшив вязкость сточной воды путем нагревания. Кроме того, можно увеличить площадь отстаивания и проводить процесс осаждения в тонком слое жидкости. В этом случае используют трубчатые и пластинчатые отстойники. При малой глубине отстаивания процесс протекает за короткое время (4-10 мин), что позволяет уменьшить размеры отстойников.

Рабочими элементами трубчатых отстойников являются трубки диаметром 25-50 мм и длиной 0,6-1 м. Трубки можно устанавливать с малым (до 5є) и большим (45-60є) наклоном. Трубчатый отстойник с небольшим наклоном работает периодически.

Сначала проводят отстаивание, затем промывают трубку от осадка. Для успешного проведения процесса необходимо равномерное распределение воды по трубкам и ламинарный режим движения. Такие отстойники используют для осветления сточных вод с небольшим содержанием взвешенных частиц при расходах 100-10000 м³/сут. Гидравлическая нагрузка у отстойников 6-10 м³/ч на 1 м² входного сечения трубок. Эффективность очистки 80-85%.

В трубчатых отстойниках с большим наклоном вода проходит снизу вверх, а осадок непрерывно сползает по дну трубок в шламовое пространство. Непрерывное удаление осадка исключает необходимость промывки трубок. Отстойники этого типа  могут быть изготовлены из пластмассовых блоков, которые устанавливают в корпусах обычных отстойников. Гидравлическая нагрузка отстойников с большим наклоном труб от 2,4 до 7,2 м³/ч на 1 м² входного сечения труб.

Пластинчатые (тонкослойные) отстойники имеют в корпусе ряд параллельно установленных наклонных пластин. Вода движется между пластинами, а осадок сползает вниз, в шламоприемник. Могут быть прямоточные отстойники, в которых направление движения воды и осадка совпадают; противоточные – вода и осадок движутся навстречу друг другу; перекрестные, в которых вода движется перпендикулярно движению осадка. Наиболее распространены противоточные отстойники.

В вертикальных отстойниках вода, подаваемая по центральной трубе, движется снизу вверх, т.е. осаждение происходит в восходящем потоке, скорость которого равна 0,5-0,6 м/с. Высота зоны осаждения – 4-5 м. Эффективность осаждения в вертикальных отстойниках 40-50%.

Осветлители применяют для очистки природных вод и для предварительного осветления сточных вод некоторых производств. Используют, в частности, осветлители со взвешенным слоем осадка, через который пропускают воду, предварительно обработанную коагулянтом.

Конструкции осветлителей отличаются по следующим признакам: по форме рабочей камеры; по наличию или отсутствию дырчатого днища под слоем взвешенного осадка; по способу удаления избыточного осадка; по конструкции и месту расположения осадкоуплотнителя.

Для интенсификации процесса первичного отстаивания трудно оседающих веществ на станциях биологической очистки применяют отстойники осветлители с естественной аэрацией, которые представляют собой вертикальные отстойники с внутренней камерой флокуляции.

Сточная вода через центральную трубу поступает в камеру флокуляции, где происходит частичное окисление, хлопьеобразование и сорбция загрязнений. Затем сточная вода поступает в отстойную зону. При прохождении через слой взвешенного осадка из нее удаляют  мелкодисперсные взвешенные частицы. Объем камеры флокуляции обеспечивает 20-минутное пребывание в ней воды. Степень очистки от взвешенных частиц достигает 70%.

Основные формулы для расчета отстойников

Необходимый эффект осветления сточной воды, %, определяется из выражения:

,

где С₁ – начальная концентрация взвешенных веществ в сточной воде, г/м³; С₂ – допустимая концентрация взвешенных веществ в осветленной оводе, принимаемая в соответствии с нормами (ПДК при выпуске в водоем) или технологическими требованиями (подача воды на последующую очистку или в систему водооборота), г/м³.

В большинстве случаев в отстойниках эффект отстаивания составляет 40-60%, а в осветлителях – до 70% при продолжительности отстаивания 1-1,5 ч. Для повышения эффективности работы отстойников, особенно первичных, при содержании в сточной воде взвешенных веществ более 300 мг/л необходимо: вводить в сточную воду коагулянты, способствующие увеличению скорости осаждения (гидравлической крупности) взвешенных частиц; добавлять активный ил, выполняющий роль сорбента и биокоагулянта; предварительно аэрировать сточную воду, что способствует флокуляции (хлопьеобразованию и укрупнению) мелких примесей.

Расчетная продолжительность отстаивания сточных вод в отстойнике, соответствующая заданному эффекту осветления, определяется по формуле:

,

где t – продолжительность отстаивания в эталонном цилиндре, соответствующая заданному эффекту осветления и принимаемая по справочным таблицам; H – глубина проточной части отстойника; t – высота эталонного цилиндра; n – коэффициент, зависящий от свойств взвешенных веществ, принимается для коагулирующих взвешенных веществ 0,25, для мелкодисперсных минеральных 0,4 и для структурных тяжелых 0,6 или устанавливается опытным путем.

            Основным показателем для определения размеров отстойников является расчетная гидравлическая крупность взвешенных частиц, которая определяется по формуле:

где k – коэффициент, зависящий от типа отстойника и конструкции водораспределительных и водосборных устройств; принимается для горизонтальных отстойников 0,5; вертикальных 0,35; радиальных 0.45; с вращающимся сборно-распределительным устройством 0,85.

            Коэффициент a, учитывающий влияние температуры воды на ее вязкость, имеет следующие значения:

t⁰сточн.воды,^oС…40                        30        25        20        15        10        5

a                           0,66         0,8       0,9        1           1,14       1,3     1,5

            Вертикальная составляющая скорости движения воды в отстойнике выражается следующими числами:

Средняя расчетная

скорость в проточной

части отстойника, мм/с                    5          10        15        20

w,мм/с                                                           0          0,05     0,1       0,5

            Радиус вертикальных первичных отстойников (м) устанавливается по формуле

,

где Q – расчетный расход сточных вод, м³/ч; k – коэффициент объемного использования, принимаемый для отстойников с центральной впускной трубой 0,35, для отстойников с нисходяще-восходящим потоком и периферическим впуском сточных вод 0,65-0,7; u₀ – гидравлическая крупность осаждаемых взвешенных частиц, мм/с.

            При проектировании отстойников с периферическим впуском воды радиус отстойной зоны принимается до 5 м. Ширина кольцевой зоны определяется по формуле

,

где v₀ – расчетная скорость входа воды в рабочую зону, равная 5-7 мм/с.

            Угол наклона стенок иловой части вертикальных отстойников всех типов принимается не менее 50⁰. Осадок удаляется под гидростатическим напором.

            Горизонтальные отстойники. Глубина проточной части отстойников принимается равной 1,5-4 м; отношение длины к глубине – 8-12 (для производственных сточных вод – до 20 м). Ширина отстойника (обычно 6-9 м) назначается в зависимости от способа удаления осадка.

            Длина отстойника, м рассчитывается по формуле

,

где v – средняя расчетная скорость в проточной части отстойника, принимаемая 5-10 мм/с; k – коэффициент объемного использования, равный 0,5.

            Радиальные отстойники применяются на станциях очистки сточных вод пропускной способностью более 20000 м³/сут.

            При расчете радиальных отстойников их радиус устанавливают по формуле приведенной для расчета вертикальных отстойников, где коэффициент k принимается равным 0,45. Диаметр радиальных отстойников принимается равным  не менее 18 м; отношение диаметра к глубине проточной части – от 6 до 12 (для производственных сточных вод – до 30); глубина проточной части – от 1,5 до 5 м.

            Тонкослойные отстойники можно применять для осветления слабо- и среднеконцентрированных бытовых и производственных сточных вод, содержащих взвешенные вещества преимущественно однородного состава, а также в качестве II ступени очистки концентрированных сточных вод, содержащих полидисперсные взвешенные вещества.

            Площадь поперечного сечения тонкослойного пространства, м², вычисляется по формуле

.

            Скорость потока, м/ч, определяется из условия обеспечения ламинарного режима течения воды (Re≤500) в ярусах и трубах тонкослойного пространства по уравнению

,

где Re – число Рейнольдса, равное 500; ч – смоченный периметр 1 м ширины яруса полочного или трубчатого элемента, м; w – площадь поперечного сечения (перпендикулярно направлению потока воды) 1 м ширины яруса полочного или трубчатого элемента,м²; н – кинематическая вязкость сточной воды, мм²/сек.

            Практически скорость потока принимается для полочных элементов 5-10 мм/с, для трубчатых элементов до 20 мм/с.

            Высоту тонкослойного пространства Н, м, рекомендуется принимать 1-2 м. Его ширину В, определяют по формуле

В = w/Н.

            Продолжительность отстаивания, ч, вычисляется по формуле

,

где h_яр – высота яруса, равная расстоянию по вертикали между верхней и нижней плоскостями, образующими ярусы в полочных или трубчатых элементах, мм; принимается от 50 до 150 мм.

            Угол наклона яруса принимается 45-60˚. Длина яруса в тонкослойном пространстве, м, находится по уравнению

L = k₃Tv,

где k₃ – коэффициент запаса, принимаемый 1,1-1,5.

2.2. Удаление всплывающих примесей.

Нефтеловушки

Процесс отстаивания используют и для очистки производственных сточных вод от нефти, смол, жиров и др. Очистка от всплывающих примесей аналогична осаждению твердых веществ. Различие заключается в том, что плотность всплывающих частиц меньше, чем плотность воды. Для улавливания частичек нефти используют нефтеловушки. Для удаления жиров применяют жироловушки.

Часто используются горизонтальные нефтеловушки. Всплывание нефти на поверхность воды происходит в отстойной камере. При помощи скребкового транспорта нефть подают к нефтесборным трубам, через которые она удаляется. Скорость движения воды в нефтеловушках изменяется в пределах 0,005-0,01 м/с. Для частичек нефти диаметром 80-100 мкм, скорость всплывания равна 1-4 мм/с. При этом всплывает 96-98 % нефти.. Горизонтальные нефтеловушки имеют не менее двух секций. Ширина секций 2-3 м, глубина отстаиваемого слоя воды 1,2-1,5 м; продолжительность отстаивания не менее 2 ч.

Имеются также радиальные и полочные тонкослойные нефтеловушки представляют собой усовершенствованные конструкции горизонтальных нефтеловушек. Они имеют меньшие габариты и более экономичны. Расстояние между полками равняется 50 мм, угол наклона полок 45є, время пребывания сточных вод в зоне отстаивания 2-4 мин, толщина слоя всплывающих нефтепродуктов 0,1 м; остаточное содержание их в воде 100 мг/л.

Сточные воды маслозаводов, фабрик первичной обработки шерсти, мясокомбинатов, столовых содержат жиры. Для их улавливания используют жироловушки, которые устроены аналогично нефтеловушкам. Для увеличения эффективности удаления из вод жира применяют аэрированные жироловушки.

На процесс разделения оказывает влияние турбулентность, коагуляция и гидродинамическое комплексообразование. При вводе сточной воды может произойти измельчение легкой жидкости, особенно при ударе струи о поверхность.

            При расчете горизонтальных нефтеловушек руководствуются следующим.

            Число секций принимается не менее двух; ширина секции – 2-3 м при глубине отстаиваемого слоя воды 1,2-1,5 м и пропускной способности до 45 л/с; при больших расходах сточной воды принимается ширина секции 6 м и глубина 2 м.

            Длина отстойной части нефтеловушки, м, определяется по формуле

,

где ф – коэффициент учитывающий турбулентность потока воды; h – глубина отстаивания слоя, м; v – скорость движения воды, мм/с; u₀ – скорость всплывания частиц нефти (гидравлическая крупность) мм/с; принимаемая с учетом кинетики всплывания нефти.

            Значение ф=1,75 при v/u₀=20; ф=1,65 при v/u₀=15 и ф=1,5 при v/u₀=10.

            Гидравлическая крупность, мм/с может быть определена по формуле

,

где г₁и г₂ – объемные массы воды и нефти, г/см³; d – крупность всплывающих нефтяных частиц, см; м – вязкость сточной жидкости, г/(см·с).

            При отсутствии данных по кинетике всплывание частиц нефти допускается принимать: u₀ = 0,4ч0,6 мм/с; v = 4ч6 мм/с.

            Расчетная продолжительность отстаивания t_р должна быть не менее 2 ч. Продолжительность всплывания нефтяных частиц

ќ_р = h/v.

            При этом необходимым условием является ќ_р≤t_Р,

            Скорость движения воды в нефтеловушке принимается 3-10 мм/с; толщина слоя всплывших нефтепродуктов – 0,1 м; площадь щелей в распределительной перегородке – 6-7% ее общей поверхности; общие потери напора в нефтеловушке – 0,4 – 0,5 м.

            При расчете многоярусных нефтеловушек принимается: число секций – не менее двух; подача воды – самостоятельным трубопроводом в каждую секцию; ширина каждой секции 2-3 м; глубина слоя отстаиваемой воды 2,5-3 м; гидравлическая крупность частиц нефти 0,15 мм/с; толщина слоя всплывших нефтепродуктов 0,1 м; остаточное содержание нефтепродуктов в сточной воде 100 мг/л; расстояние между полками по перпендикуляру h=50 мм; угол наклона полок яруса 45˚; ширина полочного блока 0,65-0,75 м; высота полочного блока 1,5-1,6 м. Скорость движения воды, мм/с, определяется по формуле

,

где Q – пропускная способность одной секции, м³/ч; F – площадь поперечного сечения полочных блоков, устанавливаемых по ширине секции, м².

            При этом число Re должно быть близко к 700-800 для достижения наибольшего коэффициента использования объема нефтеловушки:

Re = v w / л н,

где w – площадь поперечного сечения 1м ширины яруса,м²; л – смоченный периметр 1 м ширины яруса, м; н – кинематическая вязкость, равная 8,04•10^-7 м²/с при t=30˚С.

            Продолжительность пребывания воды в полочном пространстве, с, вычисляется по формуле

,

где h_яр = р/соs 45˚ - высота яруса по вертикали, мм.

            Длина полочного пространства находится по выражению

,

где k₃ – коэффициент запаса, равный 1,3.

            Общая строительная длина нефтеловушки на 5-6 м больше длины полочного пространства; потери напора 0,5-0,6 м.

            Радиальные нефтеловушки, применяемые вместо горизонтальных или прудов дополнительного отстаивания, требуют значительно меньших площадей. Кроме того, удаление всплывших нефтепродуктов и удаление выпавшего на дно осадка в них полностью механизировано.

            При расчете радиальных нефтеловушек принимается: число нефтеловушек – не менее трех; продолжительность отстаивания t = 6 ч. Глубина зоны отстаивания, м, определяется по формуле

H=3,6 ktu₀,

где k – коэффициент объемного использования, равный 0,6; u₀ – скорость всплывания (гидравлическая крупность) частиц нефти, равная 0,2 мм/с.

            Диаметр отстойника, м, рассчитывается по уравнению

,

где Q – расход сточных вод, поступающих в одну нефтеловушку, м³/ч.

            Высота зоны осадка принимается 0,3 м; толщина слоя всплывших нефтепродуктов – 0,1 м; потери напора – 0,6 м.

            Количество, м³, задерживаемого осадка в 1 сут определяется по формуле

,

где С – концентрация механических примесей в сточной воде, примерно равная 500 г/м³; n – процент задержания осаждающихся примесей: для горизонтальных ловушек 60-70%, для многоярусных и радиальных до 75%; г_ос – объемная масса частиц осадка в плотном теле, равная 2,65 т/м³; Z_ос – влажность осадка, %: свежевыпавшего 95% при объемной массе 1,1 т/м³; слежавшегося 70% при объемной массе 1,5 т/м³.

            Количество нефти в осадке составляет 20% по массе. Количество, м³, задержанных нефтепродуктов в 1 сут, определяется по формуле

,

Где А и А₁ – концентрация нефтепродуктов соответственно в исходной и осветленной воде, г/м³; г_н – объемная масса обводненных нефтепродуктов, равная 0,95 т/м³; 70 – процент обводненности уловленных нефтепродуктов.

            Продуктоловушки устраиваются и рассчитываются по типу горизонтальных нефтеловушек.

2.3. Удаление взвешенных веществ под действием центробежных сил и отжиманием

            Осаждение взвешенных частиц под действием центробежной силы проводят в гидроциклонах и центрифугах.

            Гидроциклоны. Для очистки сточных вод используют напорные и открытые (низконапорные) гидроциклоны. Напорные гидроциклоны применяют для осаждения твердых примесей, а открытые – для удаления осаждающих и всплывающих примесей.

            Эффективность разделения суспензий в поле центробежных сил характеризуется фактором разделения

Где R – радиус вращения, принимаемый равным радиусу сооружения.

            Открытые гидроциклоны. Величина фактора разделения в открытых гидроциклонах небольшая, поэтому гравитационные силы, действующие на выделяемую частицу, относительно велики, и при расчетах их следует учитывать.

            Производительность открытых гидроциклонов зависит от их геометрических размеров и может быть весьма значительной (сотни кубических метров в час).

            Общим недостатком открытых гидроциклонов являлось то, что фактический эффект их работы редко превышал 30% расчетного. Основной причиной этого была неудачная конструкция открытых гидроциклонов, вследствие чего расчетный объем сооружения использовался не полностью и фактическая продолжительность пребывания воды в гидроциклоне была значительно меньше расчетной.

            В современных конструкциях этот недостаток в значительной мере устранен. Одной из разновидностей усовершенствованных конструкций открытых гидроциклонов является гидроциклон с внутренней цилиндрической перегородкой.

            Одним из основных технологических параметров гидроциклонов является гидравлическая нагрузка. Увеличение ее при неизменном сечении выпускного патрубка приводит к увеличению центробежных сил, что в определенных пределах способствует повышению эффекта очистки. С повышением гидравлической нагрузки в открытых низконапорных циклонах увеличивается турбулентное перемешивание очищаемой сточной жидкости и уменьшается продолжительность пребывания ее в аппарате, что снижает степень очистки. Вращение потоков способствует агломерации взвешенных частиц и увеличению их гидравлической крупности.

            Степень турбулентности потока воды в гидроциклонах любой конструкции характеризуется числом Рейнольдса:

где v – скорость потока, приравниваемая в первом приближении к скорости потока на входе; d – диаметр впускного патрубка; н – кинематическая вязкость жидкости.

            Влияние турбулентности потока на эффективность работы любого аппарата может быть снижено уменьшением диаметра впускного патрубка при одновременном увеличении общего количества патрубков. Рассредоточенная подача очищаемой воды приводит к более равномерному распределению ее в аппарате и более полному использованию его объема, что способствует повышению эффективности работы. Число впусков должно быть не менее трех в многоярусных напорных гидроциклонах.

            Удельная гидравлическая нагрузка, м³/ (м^{2 .} ч), на гидроциклоны определяется уравнением

Q=3,6 k u₀,

Где k – коэффициент пропорциональности, величина которого зависит от конструкции гидроциклона и составляет 0,5 – 1; u₀ – гидравлическая крупность частиц, для задержания которых предназначен гидроциклон.

            Производительность одного аппарата Q, м³/ч, зависит от геометрических размеров:

Q = q р d²/4 = 0,785q D².

            Удельную гидравлическую нагрузку на гидроциклоны простейшей конструкции можно определять по элементарной эмпирической формуле q – 4,32 u₀.

            Основные размеры открытых гидроциклонов рекомендуется принимать

Цилиндрическая часть:

диаметр – D

высота рабочая – 1D

общая – 1,5 D

Коническая часть:

угол конусности - 60є

диаметр шламовой насадки – 0,05 D.

            Напорные гидроциклоны. Вращательное движение жидкости в таких гидроциклонах обусловлено энергией входящего потока и зависит от вязкости жидкости во всей ее массе.

            Общим недостатком существующих стандартных напорных гидроциклонов является несовершенство впускных устройств и неудачное соотношение размеров основных частей (цилиндрической и конической).

            Производительность, м³/ч, напорных гидроциклонов может быть определена по формуле

,

где k₁ – безразмерный коэффициент; D – диаметр гидроциклона; d – диаметр питающей насадки; ДН – потери напора – разница между напорами перед питающим отводным патрубком и после него.

            Величину k₁ можно принимать равной 0,524 для стандартных гидроциклонов диаметром 125-600 мм с углом конусности 30˚.

            Достаточно точные для практики результаты дает расчет по приблизительной фомуле Честона (л/мин)

где F – площадь питающего патрубка; ДН – потеря напора в гидроциклоне.

            Для определения гидравлической крупности выделяемых частиц может использоваться упрощенная формула И.В.Скирдова и В.Г.Пономарева

            Им же предложены номограммы, учитывающие седиментационные свойства взвешенных веществ. По этим номограммам определяются гидравлические и геометрические параметры гидроциклонов.

            Многоярусные гидроциклоны

            В основе конструирования многоярусных гидроциклонов лежит та же идея, что и в конструировании полочных отстойников: более полное использование объема сооружения и уменьшение расчетной продолжительности пребывания в нем сточной воды при одной и той же степени ее очистки.

            В зависимости от местных условий применяют высоко- и низконапорные сооружения.

            Очищаемая сточная вода подается в три аванкамеры, оборудованные водораспределительными устройствами, с помощью которых водный поток делится поровну между ярусами гидроциклонов, что способствует более полному использованию расчетного объема сооружения и тем самым способствует повышению эффекта его работы.

            Количество воды, поступающей в один ярус:

,

где q – удельная гидравлическая нагрузка, м²/(м^3.ч); h – расстояние между диафрагмами (высота яруса).

            Удельная гидравлическая нагрузка определяется по формуле

,

тогда ,

где n – число ярусов в циклоне; r – радиус шламоприемных козырьков.

            Производительность, м³/ч, многоярусного гидроциклона определяется по формуле

            Приведенными формулами можно пользоваться при гидравлической нагрузке 1-20 м³/(м²ч).

            При проектировании многоярусных гидроциклонов рекомендуется принимать

диаметр гидроциклонов – 2-6 м

число ярусов                                                                                    4-20

высоту яруса                                                                                    150-200 мм

диаметр центрального отверстия в диафрагме, м                       0,6-1,4

ширину шламоотводящей щели, мм                                 100

число впусков…3

скорость входящего потока, м/с                                       0,5

число патрубков для выпуска воды                                 3

угол наклона образующей конической диафрагмы

(д.б. равен углу естественного откоса осадка в воде)    ≥45є

            Центрифуги. Для удаления осадков из сточных вод могут быть использованы фильтрующие и отстойные центрифуги.

            Центробежное фильтрование достигается вращением суспензии в перфорированном барабане, обтянутом сеткой или фильтровальной тканью. Осадок остается на стенках барабана. Его удаляют вручную или ножевым съемом. Такое фильтрование наиболее эффективно, когда надо получить продукт с наименьшей влажностью и требуется промывка осадка.

            Фильтрующие центрифуги применяют для разделения суспензий, когда требуется высокая степень обезвоживания осадка и эффективная его промывка, а также в тех случаях, когда используется обезвоженный осадок и достаточно чистый фильтрат.

            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, с ножевой, поршневой, шнековой или центробежной выгрузкой). Они могут быть в герметизированном и негерметизированном исполнении.

            Центрифуги периодического действия применяют при расходах суспензии меньше 5 м³/ч в широком диапазоне концентрации суспензий с частицами диаметром больше 10 мкм. Наибольшее распространение получили центрифуги с механизированной выгрузкой осадка.

             Из отстойных центрифуг непрерывного действия в системах очистки сточных вод наибольшее распространение получили горизонтальные шнековые центрифуги типа ОГШ. Их используют для выделения частиц гидравлической крупностью примерно 0,2 мм/с (противоточные) и 0,05 мм/с (прямоточные).

            Производительность центрифуги равна

,

где К – коэффициент использования объема ванны (К = 0,4 – 0,6); v_в – расчетный объем ванны ротора; ф_ц – продолжительность пребывания суспензии в роторе.

            Червячные отжимные аппараты. При разделении суспензий такие аппараты имеют следующие преимущества перед центрифугами: отсутствие быстровращающихся частей, низкая конечная влажность осадка, простота изготовления и непрерывность процесса.

            Рис. Схема установки удаления осадка из сточной воды на центрифуге: 1 – решетка; 2 – гидроциклон; 3 – уплотнитель осадка; 4,7 – емкости; 5 – насос; 6 – центрифуга.

К недостаткам следует отнести значительный унос твердой фазы при работе с низкоконцентрированными и мелкодисперсными (менее 100 мкм) суспензиями и невозможность промывки осадка в аппарате.

3. Фильтрование.

            Фильтрование применяют для выделения из сточных вод тонкодиспергированных твердых или жидких веществ, удаление которых отстаиванием затруднено. Разделение проводят при помощи пористых перегородок, пропускающих жидкость, и задерживающих диспергированную фазу. Процесс идет под действием гидростатического давления столба жидкости, повышенного давления над перегородкой или вакуума после перегородки.

            Фильтрационные сооружения широко применяются также для глубокой очистки (доочистки) сточных вод после физико-химической или биологической очистки для последующего извлечения тонкодиспергированных веществ, пыли, масел, смол, нефтепродуктов и др. Тип фильтрующего аппарата подбирают в зависимости от количества воды, подлежащей фильтрованию; концентрации загрязнений, их природы и степени дисперсности; физико-химических свойств твердой и жидкой фаз; требуемой степени очистки; технологических, технико-экономических и других факторов

Фильтрование через фильтрующие перегородки. Выбор перегородок зависит от свойств сточной воды., температуры, давления фильтрования и конструкции фильтра.

В качестве перегородок используют металлические перфорированные листы и сетки из нержавеющей стали, алюминия, никеля, меди, латуни и др., а также 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 металлические перегородки, изготовляемые из перфорированных листов, сеток и пластин, получаемых при спекании сплавов.

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. По материалу из которого изготовляют перегородки, их разделяют на органические и неорганические, по принципу действия – на поверхностные и глубинные, а по структуре – на гибкие и негибкие.

Глубинные фильтровальные перегородки обычно применяют при осветлении суспензий с малой концентрацией твердой фазы, которая, проникая внутрь перегородок, задерживается в порах (оседает и адсорбируется). На поверхностных фильтровальных перегородках проникания частиц в поры перегородки не происходит.

Процесс фильтрования проводят с образованием осадка на поверхности фильтрующей перегородки или с закупоркой пор фильтрующей перегородки.

Осадки, которые образуются в процессе фильтрования, могут быть сжимаемыми и несжимаемыми. Сжимаемые осадки характеризуются уменьшением порозности вследствие уплотнения и увеличением сопротивления с ростом перепада давлений. У несжимаемых осадков порозность и сопротивление потоку жидкости в процессе фильтрования остаются постоянными. К таким осадкам относят вещества минерального происхождения (песок, мел, сода, и др.)  с размером частиц >100 мкм. Производительность фильтра определяется скоростью фильтрования, т.е. объемом воды, прошедшей в единицу времени через единицу поверхности.

Для фильтрования используют различные по конструкции фильтры. Основные требования к ним: высокая эффективность выделения примесей и максимальная скорость фильтрования.

Фильтры подразделяют по различным признакам: по характеру протекания процесса – периодические и непрерывные; по виду процесса – для разделения, сгущения и осветления; по давления при фильтровании – под вакуумом (до 0, 085 МПа), под давлением (от 0,3 – до 1,5 МПа) или при гидростатическом давлении столба жидкости (до 0,05 МПа); по направлению фильтрования – вниз, вверх или вбок; по конструктивным признакам; по способу съема осадка; по форме и положению поверхности фильтрования.

В системах очистки сточных вод используют фильтры периодического действия: нутч – фильтры, листовые и пресс- фильтры непрерывного действия: барабанные дисковые, ленточные.

Из фильтров периодического действия наиболее простыми 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. Осадок, накапливающийся на тканях, удаляется вручную.

Характеристика фильтров периодического и непрерывного действия

Обозначения, характеризующие технико-экономические показатели фильтров: 1 – высокие; 2 – хорошие; 3 – удовлетворительные; 4 – низкие (применяются при крайней необходимости); прочерк – неудовлетворительные (неприменимость данного фильтра).

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.

Для различных целей очистки сточных вод и для обезвоживания осадка широко применяют барабанные, дисковые и ленточные вакуум- фильтры непрерывного действия. 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 токсичны суспензий.

3.1. 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, барабанные сетки) и фильтры с фильтрующим зернистым слоем.

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. Скорость фильтрования в них зависит от концентрации взвешенных частиц: до 25 мг/л принимают скорость фильтрования 0,2-0,3 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. Общая высота слоя загрузки равняется 1,5-2 м. Скорость фильтрования принимается равной 12-20 м/ч.

Выбор типа фильтра для очистки сточных вод зависит от количества фильтрующих вод, концентрация загрязнений и степени их дисперсности, физико-химических свойств твердой и жидкой фаз и от требуемой степени очистки.

Промывку фильтров, как правило, производят очищенной водой (фильтратом), подавая ее снизу вверх. При этом зерна загрузки переходят во взвешенное состояние и освобождаются от прилипших частиц загрязнений. Может быть проведена водо-воздушная промывка, при которой сначала зернистый слой продувают воздухом для разрыхления, а затем подают воду. Интенсивность подачи воздуха изменяется в пределах 18-22 л/(м^{2 .} с), а воды – 6-7 л/(м^{2 .} с).

Площадь скорых фильтров F, м², следует определять по формуле

,

где Q – среднесуточная пропускная способность станции, м³/сут; m – продолжительность работы станции, ч; v_p  -расчетная скорость фильтрации, м/ч; n – число промывок каждого фильтра в сутки при нормальном режиме эксплуатации; W – интенсивность промывки, л/(с^.м²); t₁ – продолжительность промывки, ч; t₂ – продолжительность простоя фильтра в связи с промывкой, ч (принимается равной 0,33 ч).

Стабильная и надежная работа скорых фильтров может быть обеспечена при концентрации взвешенных веществ не более 30 мг/л и нефтепродуктов не более 50 мг/л.

Особенностью фильтра с подвижной загрузкой является вертикальное расположение фильтрующей загрузки и горизонтальное движение фильтруемой воды. Фильтрующим материалом служит кварцевый песок (1,5-3 мм) или гранитный щебень (3-10 мм).

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.

Микрофильтры. Сетчатыми фильтрами удаляют из сточных вод взвешенные и плавающие вещества при концентрации их в исходной воде более 30 мг/л. Процесс микрофильтрации заключается в процеживании сточной воды через сетки с отверстиями размером от 40 до 70 мкм. Барабанные сетки имеют ячейки размером от 0,3 Ч 0,3 до 0,5 Ч 0,5 мм. Микрофильтры применяются для очистки сточных вод от твердых и волокнистых материалов. Расчет фильтров, выпускаемых промышленным способом, заключается в определение необходимой площади фильтрующей поверхности исходя из рекомендуемых скоростей фильтрования.

Магнитные фильтры. Они нашли широкое распространение, обеспечивают степень очистки 80%. Такие фильтры применяют для удаления мелких ферромагнитных частиц (0,5-5 мкм) из жидкостей. 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.

Магнитные сепараторы делят на три группы: 1) сепараторы, в которых отделение ферромагнитных частиц идет непосредственно под действием постоянного магнита; 2) сепараторы, в которых отделителями частиц служат специальные ферромагнитные элементы, помещенные в силовом поле постоянного магнита (или группы магнитов); фильтры – сепараторы, представляющие собой комбинацию постоянных магнитов с различными механическими фильтрующие элементами. Наиболее простыми сепараторами являются магнитные уловители и магнитные патроны.

Ещё посмотрите лекцию "6 - Режимы рек" по этой теме.

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/м. Такие фильтры могут быть использованы при концентрации масел в исходной воде до 1000мг/л.

Сточная вода, подаваемая сверху, проходит через слой материала, освобождаясь от частичек масла. После насыщения материала маслом проводят его регенерацию трехкратным механическим отжатием с промывкой водой. Материал подают на ленту элеватором и пропускают через отжимные ролики.

Длительность цикла фильтрации определяют по формуле

ф_ф = KEW/(с_н - с_к),

где К – коэффициент, учитывающий нестабильность процесса (К= 0,85); Е – удельная маслоемкость пенополиуретановой загрузки (т.е. количество нефтепродуктов, масел и взвешенных веществ, задерживаемых единицей фильтрующего слоя за время фильтрования); W – объем фильтрующей загрузки, м³; с_н и с_к  - концентрация масел и взвеси соответственно до и после очистки, кг/м³.