Седиментационный анализ очистки воды (стр. 1 )

Седиментационный анализ очистки воды

В данной статье приводится теоретические основы расчета отстойников и современные тенденции в конструирования данных аппаратов. Приведены примеры различных реализованных экологических программ.

Патон, защищая науку от национализма, приводит существенный аргумент об интернациональности науки: таблица не может быть украинской, казахской, русской – она принадлежит всем... Это важно для развития общества в целом, и устраивать заборы в науке по национальному признаку: чья продукция, чьи изобретения, чьи статьи, чьи сертификаты, в какой стране произошла защита диссертации и т. д не есть признак Разума и хорошего поведения. Мы должны интегрироваться в науке на сильных мировых технических языках, таких как русский, немецкий, английский, французский. Поэтому, на постсоветском пространстве должен быть интернациональным языком русский. Перейти с русского на английский довольно легко: имеется большой политехнический словарь на 200 000 слов и выражений. Развить другие национальные языки на такой уровень не возможно, т. к. для этого надо иметь эксклюзивную национальную научную базу, а в настоящем финансирование на науку идет в доли процента от затратной части госбюджета.

«О чем это я?» - спросите Вы. Все в этом мире тесно взаимосвязано. Не могут быть стандарты национальные лучше общепризнанных интернациональных, только по признаку, что мои национальные стандарты (например, в области экологии) более строгие, чем скажем в соседней стране или у ВОЗ. К чему это может привести? Неоправданно завышение стандартов в области экологии может привести к обратному эффекту. Для того, чтобы построить дешевые очистные сооружения – будут строиться более дорогие по стоимости и себестоимости эксплуатации. Это ляжет бременем на госбюджет и благосостояние населения. Те очистные сооружения, которые можно было бы спроектировать и построить на реальных условиях – чиновники из Минрыбхоза, Минприроды не дадут: нормы не позволяют их согласовать В результате, очистить промышленный сток на разумную стоимость проекта не могут, и загрязнение водной среды неочищенными стоками годами продолжается. Где логика? Кому это выгодно?

Перейдем к примерам. На р. Нева и ее притоках (например, р. Большая Охта) можно наблюдать, как на поверхности плавают нефтепродукты. Причем это не меняется к лучшему с годами. Можно эту проблему решить? Да, но денег на это нет... Экопортал писал о том, что в Феодосии неочищенные бытовые стоки сбрасываются на берег Черного моря без всякой очистки. Ситуация отличается лишь географически... Для решения в инженерном плане этих проблем и посвящается данная статья. В ней будут рассмотрены важные проблемы конструирования отстойников – основном элементе технологической схемы.

Седиментационный анализ очищаемых стоков

Классические очистные сооружения в технологической схеме обязательно ставят первым технологический элемент - отстойник. Перед отстойником, при очень загрязненности стоков, могут добавляться такие элементы как гребенка и песколовка. Это мы наблюдаем в технологических схемах при очистки бытовых стоков городов.

Для того, чтобы понять физическую сущность процессов, происходящих в них, рассмотрим теорию седиментации (отстоя) при очистки загрязненных стоков. При дефиците в настоящем времени технической литературы это будет не лишним занятием.

Седиментация – наиболее простой способ выделения из сточных вод грубодисперсных примесей, которые под действием гравитационной силы оседает на дне отстойника или всплывают на ее поверхность. Кинетика осаждения полидисперсной взвеси представлена нами на рис. 1. Если в прозрачный цилиндр налить полидисперсную смесь, то процесс осветления будет происходить следующим образом. Через некоторый промежуток времени образуются шесть качественно отличающихся слоев: 1 – очищаемая вода; 2,3 – слои сгущенной суспензии взвешенных веществ (ВВ) и нефтепродукта (или других легких жидких фракций); 4,5 – слои пленочного нефтепродукта и осадка; 6 – слой осветленной воды. Во времени эти слои будут или увеличиваться или уменьшатся, как показано на рис. 1. В конечном времени отстоя останутся три слоя: 4 – пленочный нефтепродукт, 6 – осветленная вода, 5 – осадок, т. е. когда исчезнут свободное 1 и стесненное 2,3 осаждение. На рис.1 показан уровень возможного отбора очищенной воды, если это происходило бы на реальном отстойнике. Влияние различных факторов на работу статических и динамических отстойников, в основном, определяют экспериментально, причем все эксперименты проводят в состоянии покоя сточных вод. Первые такого рода работы проведены Штейенрангелем и потом , которые установили закономерность, что в течение 5 мин процесс отстаивания идет интенсивно, а затем замедляется [1]. были проведены исследования по осаждению взвешенных веществ в цилиндрах диаметром 76 мм и высотой от 300 до 2500 мм [2,3]. Была получена формула для определения эффекта осветления сточных вод от различных факторов:

,

где kt – концентрация взвешенных веществ после отстаивания сточных вод в течение времени t; k0 – концентрация взвешенных веществ в исходной сточной воде; Э – эффект осветления сточной воды; u0 = h/t; h – высота слоя сточной воды; А′ = 1,75-5,75·10- 4 ·k0 и В′= 0,21, из которой следует, что эффект осветления сточных вод зависит от гидравлической крупности и начальной концентрации и не зависит от высоты столба сточной жидкости.

При равномерном движении скорость U сферической частицы диаметром d более

0,1 мм описывается уравнением Стокса:

где ρ - плотность частицы, ρ0 - плотность жидкости; g - ускорение силы тяжести; μ - динамическая вязкость.

Данное уравнение получено из условий осаждения одиночной час­тицы в безграничном пространстве в статически неподвижной системе, поэтому достоверность полученных результатов зачастую требует поправки. Так, в случае, если силы вязкости превышают силы инерции или они близки по своим значениям, уравнение Стокса позволяет получить приемлемые результаты. Если это усло­вие нарушается, то наблюдается отклонение расчетных данных от фактических [4].

Таблица 1. Скорость осаждения кварцевых частиц в воде при t =20˚С

Диаметр частиц d, мм	Число Re	Скорость осаждения по данным различных авторов, мм/с
Стокса	Алена	Ретингера	Уравнение Re2φ	Фоменко	Фактически
0,156 0,234 0,315 0,41	2,64 6,80 9,75 16,80	21,8 49,2 89,2 151,1	26,1 39,1 52,7 68,6	88,2 108,1 125,4 143,0	19,9 38,6 55,5 68,3	15,3 27,1 35,3 44,5	17,0 29,0 31,0 41,0

При осаждении частиц возникают множество физических явлений. В соответствии с классификацией различа­ют термодинамические и кинетические факторы агрегативной устойчивости дисперсных систем. Так как движущей силой коа­гуляции является избыточная поверхностная энергия, то основными факторами, обеспечивающими устойчивость дисперсных систем (при сохранении размера поверхности), будут те, которые снижают поверхностное натяжение. Эти факторы относят к термодинамическим. Они уменьшают вероятность эффективных соударений между частицами, создают потенциальные барьеры, замедляющие или даже исключающие процесс коагуляции. Чем меньше поверхностное натяжение, тем ближе система к термо­динамически устойчивой. Однако это совсем не значит, что в агрегативно - неустойчивой системе с уменьшением поверхностного натяжения обязательно снижается скорость коагуляции, так как последняя зависит, кроме того, и от кинетических факторов.

Кинетические факторы, снижающие скорость коагуляции, связаны, в основном, с гидродинамическими свойствами среды: с замедлением сближения частиц, вытекания и разрушения прослоек среды между ними.

Осаждаясь частицы влияют друг на друга, вызывая в одном случае ускорение, в другом – замедление. Поэтому при расчетах вводятся поправки на концентрацию. Так, А. Энштейн предложил для этого случая следующую формулу для стесненной скорости осаждения Uст при концентрации взвеси С:

Поправка Энштейна Кэ зависит от концентрации взвеси С, так для гидроокиси алюминия при С = 0,05 г/л - Кэ = 0,981, для С= 50 г/л - Кэ = 0,42.

При осаждении двух сфер, расположенных одна над другой, согласно теоретическим исследованиям М. Смолуховского, наблюдается ускоренное осаждение. В этом случае отмечается увеличение скорости осаждения второго тела. Из исследований это увеличение может быть до 35%.

На твердой частице, погруженной в воду образуется тонкий им мобилизационный слой жидкости толщина которого колеблется от 0,03 мкм до 0,4 мкм, а в среднем составляет 0,15 мкм. Этот фактор является важным для осаждения частиц менее 10 мкм, т. к. плотность агрегированной частицы существенно меняется: например, для кварцевой частицы – так эта плотность для частицы в 0,1 мкм уменьшается в 63, 5 раза и частица становиться близкой к сединентационно – устойчивой системы.

Для динамических отстойников важным фактором для осаждения частиц имеет турбулентность очищаемых стоков. Особенно существенно это наблюдается при подачи сточных вод в отстойник (1-я зона), когда надо распределить воду по всему живому сечению, а также и в месте выхода очищенных вод из отстойника (3-я зона). Поэтому гидравлика осаждения в этих зонах не рассматривается. Выбираем только рабочую, вторую зону. По рекомендации , влияние турбулентности в этой зоне будет определяться из уравнения: