2. Механическая очистка сточных вод

Наиболее широко распространенным видом загрязнителей сточных вод являются нерастворимые примеси (взвешенные вещества).

Этот вид загрязнений характерен не только для бытовых сточных вод, но и для производственных стоков подавляющего большинства отраслей промышленности.

Относительное количество взвешенных веществ в 1 литре сточной воды колеблется в широких пределах – от 0,005 до 0,5 % ее массы. Вещества, выделенные из воды в виде осадка, представляют собой сильно обводненную массу, объем которой в десятки раз превышает их начальный объем.

По размерам и плотности отдельных частиц нерастворимые примеси разнообразны. По степени дисперсности они подразделяются на суспензии и коллоидные растворы. Частицы взвешенных веществ, диаметр которых больше 1·10^-4–1·10^-5см (1–0,1 мкм), не удерживаются во взвешенном состоянии длительное время, так как под действием гравитационных сил они оседают или всплывают в зависимости от их плотности.

Скорость такого процесса зависит от плотности и размера частиц. Мелкие частицы (размер менее 1·10^-5см) могут находиться в состоянии кинетической устойчивости (во взвешенном состоянии) весьма продолжительное время.

Следует отметить, что в ряде случаев нерастворимые примеси представляют значительную ценность для различных направлений их использования. Одни из них (например, примеси бытовых сточных вод) могут применяться в качестве удобрений, другие (примеси производственных стоков) – как сырье для получения той или иной промышленной продукции или исходного сырья для переработки.

Отмеченные выше свойства нерастворимых примесей лежат в основе современных методов механической очистки сточных вод. Для выделения грубодисперсных органических и минеральных примесей из сточных вод широко применяются три основных метода: процеживание, отстаивание (разделение в поле гравитационных сил) и центрифугирование (разделение в поле центробежных сил). При очистке этими методами используют различные конструктивные устройства: решетки, сита, отстойники, центрифуги и гидроциклоны.

2.1. Процеживание

Данная операция осуществляется с помощью решеток и волокноулавителей.

Решетки служат для извлечения крупных отходов производства, попадание которых в последующие очистные сооружения может вызвать засорение труб и каналов, нарушение нормальной работы движущихся частей оборудования.

Ширина прозоров в тонких решетках обычно составляет 15-20 мм.

Очистка решеток механическая. Используются решетки различного типа: вертикальные, наклонные, комбинированные решетки–дробилки. Не задерживаемые решетками грубодисперсные загрязняющие вещества удаляют путем процеживания сточных вод через подвижную механическую сетку.

Волокноулавители применяют в текстильной, целлюлозно-бумажной промышленности. Отделение волокна осуществляется в зазоре между барабаном и коническим дырчатым диском.

2.2. Отстаивание

2.2.1. Песколовки

Одним из простейших и наиболее известных сооружений, работающих по принципу отстаивания, являются песколовки, которые используют для задерживания тяжелых нерастворимых примесей (минерального и органического происхождения). При очистке бытовых сточных вод песколовки задерживают частицы диаметром приблизительно 0,25мм и более. Количество органики в задерживаемой массе может составлять 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 (рис. 2.1).

Широко применяются прямоугольные (в плане) горизонтальные песколовки с прямолинейным движением сточных вод. Осадки из них удаляют в два приема: сначала сгребают осадок к приямку (скребковые устройства), а затем удаляют его за пределы сооружения (гидроэлеваторы, грязевые насосы).

Рис. 2.1. Основные схемы песколовок: а – вертикальной; б, в – горизонтальных с

круговым движением воды; г – аэрируемой; 1 – подача сточной вводы;

2 – отвод воды; 3 – удаление пульпы; 4 – воздуховод; 5 – воздухораспределители;

6 – сборник всплывающих веществ; 7 – отвод всплывающих веществ

2.2.2. Отстойники

Отстаивание воды для выделения из нее нерастворимых примесей (взвешенные вещества, эмульсии масел, нефти и ее продуктов и т.п.) является одним из наиболее распространенных способов разделения суспензий и производится в горизонтальных, вертикальных, радиальных или комбинированных отстойниках.

Такая классификация отражает основное направление движения потока воды в этих сооружениях. Пример схемы горизонтального отстойника с ленточным скребковым устройством представлен на рис.2.2.

Основным исходным параметром при расчете отстойника является скорость осаждения взвешенных частиц (гидравлическая крупность), которая зависит от размера и формы частицы, плотности частицы и воды, вязкости воды, скорости и направления потока воды в отстойнике и др.

Рис. 2.2. Горизонтальный отстойник с ленточным скребковым устройством:

1 – водоподводящий лоток; 2 – ленточный скребок; 3 – водоотводящий лоток;

4 – направляющие ролики; 5 – приводной механизм; 6 – отвод осадка

Условия осаждения частиц описываются уравнением Рэлея

F =  V₀ ² d² _ч ,

где F – сопротивление, испытываемое частицей при ее движении;  – вязкость воды; V₀ – скорость осаждения; d – диаметр шара, равновеликого объему оседающей частицы; _ч – плотность частицы.

Это уравнение можно записать в виде

F= Re² ² _ч ,

где Re – число Рейнольдса относительно оседающей частицы,

Re = V₀d _ч  .

Соотношение между массой равномерно падающей частицы в воде и испытываемым ею сопротивлением движению постоянно. Для шарообразной частицы это может быть выражено уравнением Стокса

d³(_ч-g  d V₀  ,

или уравнением Ньютона-Риттенгера

d³_ч-gd² V₀² ,

где g – ускорение свободного падения; _ч – плотность материала частицы;  – плотность жидкости.

Осаждение частиц в воде при ламинарном и турбулентном режимах их перемещений происходит с различными скоростями, что необходимо учитывать при технологических расчетах отстойных сооружений.

При ламинарном режиме (R_е <<1) скорость частицы определяется обычно по формуле Стокса

V₀ = gd²₁-1  ,

при турбулентном используют формулу Риттенгера

V₀=_ч-gd,

где  – коэффициент, зависящий от формы и шероховатости частицы (от 1, 2 до 2, 3).

Следует отметить, что ни одна из имеющихся формул не учитывает действительных условий отстаивания: осаждение в стесненных условиях, агломерацию, изменение формы и плотности частицы в процессе ее осаждения. На практике широко используют экспериментальные зависимости параметров осаждения.

По данным А.И. Жукова, расчетная продолжительность отстаивания, соответствующая скорости осаждения задерживаемых частиц, составляет

Т = m t H /h,

где Т, t – продолжительность отстаивания при высоте отстаиваемого слоя соответственно Н и h; m – коэффициент пропорциональности, который отражает эффект агломерации при отстаивании сточной воды в состоянии покоя, зависит от отношения Н/L (L – длина отстойника) и варьируется от 1 до 0,25.

Порядок расчета отстойника сводится к выполнению последовательности операций:

1. Определяется взвешивающая составляющая скорости воды в отстойнике (мм/с):

υ_взв = 0,052 υ_ср /H_р^0,2,

где υ_ср – средняя горизонтальная скорость движения воды в отстойнике, принимается равной 6…8 мм/с; Н_р – рабочая глубина отстойника, м.

Минимальная отметка дна отстойника для эффективной его работы принимается на 2 м ниже, чем дно подводящего и отводящего каналов (трубопроводов).

2. Расчетная скорость взвеси (мм/с)

υ _расч = V_о - υ_ср ,

где V_о – скорость выпадения взвеси, которая принимается равной 0,4…0,5 мм/с.

2. Продолжительность пребывания воды в отстойнике (час)

Т = Н_р /3,6 · υ _расч.

Следует учитывать, что полный водообмен проходит не менее чем за 3 ч, т.е. должно сохраняться неравенство Т>3, в противном случае следует увеличить Н_р.

2. Необходимая длина отстойника по дну (м)

L = 3,6 · υ_ср ·Т .

Желательно, чтобы длина отстойника была не менее 100 м.

2. Площадь живого сечения отстойника (м²)

W_o = Q · K/υ_ср · 10 ^–3,

где Q – расход сточной воды, м³/с; К – коэффициент на пропуск повышенного расхода (К=1,1…1,3).

2. Ширина отстойника по дну (м)

b = (W_о – m H²) /Н,

где Н – глубина отстойника, м, принимается больше Н_р на 0,7…1 м; m – коэффициент заложения откоса, принимается в зависимости от вида

грунта (m= 1,5… 2,5)

2. Размеры отстойника по верху (м): ширина В = b + 2 mН, длина L = l + 2 mH.

2.3. Гидроциклонирование

2.3.1. Открытые гидроциклоны

Открытые гидроциклоны, в отличие от напорных, отличает большая производительность и небольшие потери напора ( 0,5 м). Применяются они для выделения из сточных вод тяжелых примесей (гидравлическая крупность 20 ммс и более) и в комплексе с другими сооружениями для механической очистки промстоков (рис. 2.3).

Рис. 2.3. Открытый гидроциклон: а – с подачей и отводом воды в нижней части;

б – с отводом воды в верхней части; 1 – водоподающая труба; 2 – водоотводящая