Седиментационный анализ очистки воды (стр. 2 )

где Vz – взвешивающая составляющая скорости потока; V - скорость потока; n - коэффициент шероховатости стен и днища; H - глубина потока.

Другие исследователи предлагают аналогичную формулу

(1)

где k - коэффициент пропорциональности, V - скорость движения потока в отстойнике; Н - глубина потока; x и y - эмпирические коэффициенты.

По данным , , и других, значение этих коэффициентов колеблются в пределах: k = 0,05 - 1,5; х = 0,75 – 1; y = 0,2 - 0,5.

В приближенном виде значение составит V, а наименьшее, согласно СНиП I I-31-74, следует принимать не ниже 1/3 скорости осаждения частицы U.

По данным при малых скоростях потока (до 10 мм/с) влияние будет настолько мало, что им можно пре­небречь. Кроме того, также можно не учитывать и фактор вы­соты потока. Формула (1) справедлива при скоростях V = (0,2 - 0,7) м/с, в то время как в горизонтальных отстойниках скорости много меньше (примерно 0,01 м/с). Поэтому для определения добавочного сопротивления рекомендуется пользоваться графиком, представленным на рис. 2.[1].

Рис. 2 - График зависимости вертикальной составляющей скорости потока w от скорости потока v в отстойнике.

Горизонтальная средняя скорость Vср движения воды в отстойнике:

Vср = Q/BH

При определении необходимой площади отстаивания (F) рекомендуется ряд эмпирических уравнений, устанавлива­ющих взаимосвязь площади с нагрузкой:

F = KQ

где К - коэффициент, рекомендуемый для промышленных стоков (0,5 – 4) и бытовых – (2 - 3,5); Q - расход.

Для горизонтальных прямоугольных отстойников имеются рекомендации, касающиеся их конструктивных и технологических параметров. Конструктивные размеры рекомендуют принимать следующими: глубина рабочей части Н = 1,5 ¸ 4 м; ширина – 2Н¸ 5Н м; длина – 8Н ¸ 20Н [17]. При отстаивании сточных вод, содержащих медленно оседающие взвеси (например, органические), расчетную глубину отстаивания следует принимать минимальную – 1,5 и даже 1,2 м. Днище отстойника устраивают с продольным уклоном не менее 0,005 против движения воды, в сторону илового приямка. Наклон стенок илового приямка к горизонту следует принимать не менее 50°. Горизонтальная скорость движения воды в отстойнике не должна превышать 12 мм/с, а при отстаивания органических взвесей она не должна превышать 1,5¸2 мм/с. Охватывающая скорость осаждения органического шлама редко превышает 0,5 мм/с, а часто находится в пределах 0,05 ¸ 0,2 мм/с. Если основная масса взвешенных веществ состоит из хлопьев гидратов окислов железа, алюминия и других, образующихся при нейтрализации либо коагулирования сточных вод, то охватывающая скорость осаждения может быть принята, при отсутствии опытных данных, равной 0,4 ¸ 0,6 мм/с, а горизонтальная скорость движения воды – 3 ¸ 5 мм/с [17].

Проведенные исследования во ВНИИ ВОДГЭО показали, что при очистке сточных вод от нефтепродуктов, целесообразно выделять нефтяные частицы гидравлической крупностью 0,7 мм/с и более, т. е. фракционный состав капелек нефти 80 – 100 мкм [17, стр. 72]. Средняя скорость горизонтального движения воды в нефтеловушки Uср обычно принимается в пределах 4 ¸ 6 мм/с, степень задержания нефтепродуктов при этом составляет соответственно 70 – 60%. Рекомендованная гидравлическая нагрузка нефтеловушки до 4 м3/м2 в 1ч [21].

По длине горизонтального отстойника можно выявлять три зоны, рис. 3: 1) зону входа в отстойник; 2) зону плавного течения и 3) зону выхода из отстойника.

Первая зона простирается от струенаправляющей стенки до точки , где поток занимает все живое сечение отстойника.

Вторая зона простирается от точки до точки , где поток начинает сужаться.

Третья зона занимает пространство от точки до выход­ного отверстия (в стенке) из отстойника. Скорости движения частиц в каждой зоне рассчитывают исходя из гидродинамических особенностей потока в данной зоне.

Длина участка, на котором будет происходить наиболее неравномерное распределение скорости по глубине потока, зависит от таких факторов, как конструкция водораспределительных и водосборных устройств, глубина отстойника, его длина, начальной скорости движения воды при входе в отстойник и др.

б   а

Рис..3. - Расчетная схема движения воды в нефтеловушке:

а – по , б – по

Аргументы для применения тонкослойного отстаивания, физический смысл заключается в уменьшении высоты потока при сохранении той же скорости его движения. Таким образом, речь идет о рабочей зоне отстойника и физической целесообразности разделить поток в вертикальной плоскости на составляющие – тонкослойные элементы.

«Как показали исследова­ния, в движущемся двухфазном потоке, представленном неустой­чивой системой, осаждение взвеси протекает не в виде отдельных частиц, а в виде их облака. При этом в начальный период отста­ивания интенсивное перемещение облака в нижний слой потока вызывает перераспределение скоростей, что приводит к образо­ванию слоев различной плотности. Так, в нижней части потока формируется зона с повышенными скоростью и содержанием твердой фазы. В этой зоне, в отличие от всего потока, в силу вы­сокой концентрации частиц возникает стесненное осаждение, в результате чего время отстаивания затягивается и придонный слой сохраняется по всей длине, вызывая тем самым вынос взвеси из сооружения. В верхних слоях потока возникает обширная область осветленной воды в виде крупномасштабного вальца, дви­гающаяся в противоположном направлении. При этом, чем выше начальная концентрация взвеси, меньше скорость жидкости и бо­лее глубокое сооружение, тем интенсивнее деформируется поток.

Гидродинамическое взаимодействие частиц с жидкостью необ­ходимо рассматривать потому, что оно предопределяет сопротив­ление падающих частиц, перенос частицами жидкости и лежит в основе процессов разделения суспензии.

С позиции теории пограничного слоя неразрывно связано воз­никновение возвратного течения вблизи стенки, что влечет за со­бой вынос жидкости из пограничного слоя во внешнее течение (дорожка Кармана). В этом случае (Re = 600 - 5000) образуют­ся вихри, которые отрываются от тела и уносятся течением вниз.

Спутные течения за телами при Re < l описаны уравнениями Навье-Стокса, а перенос вихрей - уравнениями . Од­нако за движущимися телами, кроме вихревых зон, образуются значительные слои потенциального течения, представляющие на­ибольший интерес при оценке процесса разделения суспензии и переноса ею количества движения» [4].

Было установлено, что наличие взвеси в безнапорных потоках приводит к перераспределению скоростей по их сечению и к созданию придонных и поверхностных течений.

«Донные течения пред­ставляют собой мутный поток, имеющий большую плотность, чем вода. Опускаясь в нижние слои, он движется с большей скоро­стью по направлению к выходу из сооружения. Особенностью донных течений является то, что они способны уносить частицы d< 120 ÷ 20 мкм на большие расстояния. Экспериментальные ис­следования донного потока показали, что по концентрации твердых примесей он неоднороден и по направлению движения его можно разбить на две части: нижнюю и верхнюю. Нижняя часть потока движется по направлению к выходу и содержит в себе более 95% твердой фазы с высотой, Н, 0,3 - 0,4 м. В этой части потока скорость изменяется по вертикали, увеличиваясь по мере удаления от дна и далее снова уменьшаясь. При этом максимум скорости располагается на глубине 0,7—0,8 Н. Верхняя часть потока, т. е. слой чистой воды, представляет со­бой поток, в котором во всех случаях образуются поверхностные течения. Ряд исследователей показали, что образование донных потоков соответствует минимальной концентрации взвеси 0,5 г/л для некоагулируемой и 0,05 г/л для агрессирующей взвеси. Расход жидкости в придонном слое зависит, прежде всего, от ди­сперсности оседающих частиц, и достигает максимума в интерва­ле чисел Рейнольдса l < R < 5.

На основании изложенного механизм образования придонно­го течения можно представить следующим образом. Спутные течения, образованные падающими частицами, имеют опреде­ленную кинетическую энергию и, опускаясь в придонную область, увеличивают в ней скорость движения. Часть энергии спутных те­чений диспергируется, а оставшаяся способствует движению в направлении наименьшего сопротивления. Осевшая взвесь, при своем движении перемещает жидкость из верхних слоев в ниж­ние, прижимает поток к днищу, увеличивая тем самым его транс­портирующую способность и образуя циркуляционные токи, ко­торые в свою очередь приводят к обратному движению чистой воды в верхних слоях осадочных бассейнов. Величина донных и обратных течений в них находится в прямой зависимости от кон­центрации взвешенных веществ и общей высоты потока» [4].