Глава 3. Установки и аппараты для физико-химической очистки сточных вод

Физико-химические методы играют значительную роль при очистке сточных вод. Они применяются как самостоятельно, так и в сочетании с механическими, химическими и биологическими методами. В последние годы область применения физико-химических ме­тодов очистки расширяется, а доля их среди других методов очистки возрастает.

К физико-химическим методам очистки относятся коагуляция, флокуляция, сорбция, флотация, экстракция, ионный обмен, гиперфильтрация, диализ, эвапорация, выпаривание, испарение, кристаллизация, магнитная обработка а также методы, связанные с наложением элек­трического поля — эектрокоагуляция, электрофлотация,

3.1. Установки для коагулирования и флокулирования примесей сточных вод.

Коагуляция — это слипание частиц коллоидной системы при их столкновениях в процессе теплового движения, перемешивания или направленного перемещения во внешнем силовом поле. В результате коагуля­ции образуются агрегаты — более крупные (вторичные) частицы, состоя­щие из скопления мелких (первичных). Первичные частицы в таких агрегатах соединены силами межмолекулярного взаимодействия непосредственно или через прослойку окружающей (дисперсионной) среды. Коагуляция сопровождается прогрессирующим укрупнением частиц и уменьшением их общего числа в объеме дисперсионной среды (в нашем случае — жидкости). Слипание однородных частиц называется гомокоагуляцией, а разнородных — гетерокоагуляцией.

В сточных водах могут содержаться твердые (каолин, глина, волокна, цемент, крис­таллы солей и др.) и жидкие (нефть, нефтепродукты, смолы и др.) час­тицы. Сточные воды в большинстве случаев представляют собой слабоконцентрированные эмульсии или суспензии, содержащие коллоид­ные частицы размером 0,001…0,1 мкм, мелкодисперсные части­цы размером 0,1…10 мкм, а так­же частицы размером 10 мкм и более.

В процессе механической очистки из сточных вод достаточно легко удаляются частицы разме­ром 10 мкм и более, мелкодис­персные и коллоидные частицы практически не удаляются. Сточные воды многих производств после сооруже­ний механической очистки представляют собой агрегативно устойчивую систему. Для их очистки применяют методы коагуляции; агрегативная устойчивость при этом нарушается, образуются более крупные агрегаты частиц, которые удаляются из сточных вод механическими методами.

Одним из видов коагуляции является флокуляция, при которой мел­кие частицы, находящиеся во взвешенном состоянии, под влиянием спе­циально добавляемых веществ (флокулянтов) образуют интенсивно оседающие рыхлые хлопьевидные скопления.

Эффективность коагуляционной очистки зависит от многих факторов: вида коллоидных частиц; их концентрации и степени дисперсности; наличия в сточных водах электролитов и других примесей; величины электрокинетического потенциала.

В качестве коагулянтов используют соли алюминия, соли железа, а также смеси солей Аl₂(SО₄)₃ и FeCl₃ в соотношении от 1:1 до 1:2 и алюминийсодержащие отходы, травильные растворы, шлаки, пасты и смеси.

Для интенсификации образования хлопьев гидроксидов алюминия и железа используют флокулянты: активную кремниевую кислоту (хSiO₂*yН₂О) и полиакриламид. Дозу полиакриламида при вводе перед отстойниками или осветлителями со взвешенным осадком принимают равной от 0,4 до 1,5 мг/л; дозу кремниевой кислоты — 2…3 мг/л.

При использовании в качестве коагулянтов солей алюминия и железа в результате реакции гидролиза образуются малорастворимые в воде гидроксиды железа и алюминия, которые сорбируют на развитой хлопьевидной поверхности взвешенные, мелкодисперсные и коллоидные вещества и при благоприятных гидродинамических условиях оседают на дно отстойника, образуя осадок.

Процесс очистки сточных вод методом коагуляции или флокуляции включает приготовление водных растворов коагулянтов или флокулянтов, их дозирование, смешение со всем объемом сточной воды, хлопьеобразование, выделение хлопьев из нее.

Приготовление и дозирование коагулянтов производят в виде растворов или суспензий. Растворение коагулянтов осуществляют в баках (не менее двух). Концентрация раствора коагулянта в растворных баках должна составлять 10…17%. Продолжительность растворения при температуре воды 10 °С принимают равной 10…12 ч.

Коагулянты смешивают с обрабатываемой сточной водой в смесите­лях, продолжительность пребывания воды в которых составляет 1…2 мин. Применяют перегородчатые, дырчатые, шайбовые вертикальные смесители, а также механические с пропеллерными или лопастными мешалками.

Дырчатый смеситель (рис. 3.1) представляет собой лоток с дырчатыми перегородками. Расстояние между перегородками принимают равным ширине лотка. Диаметр отверстий 20…100 мм. Суммарная площадь отверстий в каждой перегородке . Скорость движения воды в отверстиях = 1 м/с, а в лотке за последней перегородкой = 0,6 м/с. Уровень воды за последней перегородкой принимают равной = 0,4…0,5 м. Потерю напора в отверстиях определяют по формуле

,

где — коэффициент сопротивления.

Прибавляя к величину потерянного напора — h, находят уровень воды в каждом отделении смесителя.

Рис. 3.1. Дырчатый смеситель:

1 — подача воды; 2 — перегородка с отверстиями.

Вертикальный смеситель (рис. 3.2) представляет собой цилиндр с коническим днищем. Перемешивание в нем достигается изменением скорости движения в конической части. Скорость в нижнем конусе сечения равна 1 м/с, а в верхней цилиндрической части 25 мм/с. Время пребывания воды в камере = 1,5…2 мин.

Зная расход воды Q (в м³/с) и скорость ее движения в цилиндрической части , можно рассчитать диаметр цилиндрической части:

.

Высоту конической части находят из соотношения

,

где — диаметр входного патрубка; — угол конусности.

Рис. 3.2. Вертикальный смеситель:

1 — подача сточных вод; 2 — подача реагентов; 3 — лоток; 4 — выпуск сточных вод.

Объем конической части находят по уравнению:

.

Объем смесителя равен:

.

Высота цилиндрической части определяется по соотношению.

.

Общая высота смесителя равна: .

Трубопроводы или лотки, отводящие воду из смесите­лей в камеры хлопьеобразования и осветлители со взвешенным осадком, рассчитывают на скорость движения сточной воды 0,8…1 м/с и продолжительность ее пребывания в них не более 2 мин. После смешения сточных вод с коагулянтами начинается процесс образования хлопьев, который происходит в камерах хлопьеобразования. Эти камеры могут быть водоворотные, перегородчатые, вихревые, а также с механическим перемешиванием.

Водоворотные камеры хлопьеобразования (рис. 3.3) представляют собой ци­линдр, в верхнюю часть которого из смесителя вводится сточная вода с вращательной скоростью на выходе из сопла 2…3 м/с. В нижней части камеры перед выходом в отстойник находятся гасители вращательного движения воды. Продолжительность пребывания воды в камере 15…20 мин.

Водоворотные камеры конструктивно объединяют с вертикальными отстойниками. Время пребывания воды в камере принимают равным τ_к = 15…20 мин, а время отстаивания τ_ос = 1 ч. Скорость выхода воды из сопла u_с = 2…3 м/с. Высота камеры Н_к.х = 3,6…4 м.

Рис. 3.3. Водоворотная камера:

1 — подвод воды; 2 — камера; 3 — гаситель; 4 — отстойник.

Задаваясь числом камер хлопьеобразования n_к.х и зная расход воды, определяют площадь одной камеры и ее диаметр:

; .

Сопло размещают на расстоянии 0,2 d_к.x от стенки камеры на глубине 0,5 м от поверхности воды. Диаметр сопла равен

d_c = 1,13( _max/μ^.u_c)^1/2 ,

где _mnax — максимальный расход сточной воды на одно сопло, м³/с; μ - коэффициент расхода (равен 0,908).

Объем зоны осаждения вычисляют по соотношению

V_oc = q_max^.τ_oc/n_к.х.

Высота зоны осаждения равна Н_ос = Н_к.х + 0,5.

Диаметр отстойника рассчитывается по формуле

D_отс = 1,13[(V_oc + V_к.х)/h_oc]^1/2.

Вихревая камера хлопьеобразования представляет собой конический или цилиндрический расширяющийся кверху резервуар с нижним впус­ком сточной воды со скоростью 0,7…1,2 м/с. Угол наклона стенок камеры к горизонту около 70°. Скорость восходящего потока сточной воды на уровне выпуска 4…5 м/с, продолжительность пребывания воды в камере 6…10 мин.

В камерах хлопьеобразования с лопастными мешалками продолжи­тельность пребывания воды 20…30 мин, а, скорость движения воды 0,15…0,2м/с.

Если в сточных водах концентрация взвешенных веществ, способных к агрегации, не превышает 4 г/л, то применяют осветлители со взвешенным слоем осадка (рис. 3.4).

Рис. 3.4. Осветлители со взвешенным слоем осадка:

1 — воздухоотделитель; 2 — опускные трубы; 3 — осадкоотводные трубы или окна; 4 — осадкоуплотнитель; 5, 6 — трубопроводы выпуска осадка и отвода осветленной воды из осадкоуплотнителя.

В осветлителях происходят три основных процесса: смешение, коагуляция и осветление сточных вод. Обрабатываемая в осветлителях сточная вода проходит снизу вверх через слой ранее выделившегося шлама с такой скоростью, при которой взвешенные частицы не уносятся из зоны взвешенного осадка. При движении сточной воды через взвешенный слой увеличивается эффект задержания мелких суспензированных частиц. Осветлители проектируются круглыми (диаметр до 15 м) или прямоугольными в плане, площадь осветлителя не должна превышать 150 м².

Для обеспечения нормальной работы осветлителя сточную воду после смешения с коагулянтами направляют в воздухоотделитель, где она освобождается от пузырьков воздуха, выделяющихся в результате реак­ций.

Величина восходящей скорости потока в зоне осветления зависит от концентрации взвешенных веществ. Так, при обработке сточных вод сульфатом алюминия при содержании взвешенных веществ до 400 мг/л расчетная скорость восходящего потока v_расч = 0,8…1 мм/с, 400…1000 мг/л — v_расч = 1…1,1 мм/с, 1000…2500 мг/л — v_расч = 1,1…1,2 мм/с.

Исходя из концентрации взвешенных веществ в обрабатываемой сточной воде С_н, при известных расчетной скорости восходящего потока воды в зоне осветления v_расч, эталонной концентрации взвешенных веществ во взвешенном слое С_э (при скорости движения воды 1 мм/с и температуре 20 °С) и концентрации взвешенных веществ в осадке после его уплотнения С_шл, можно определить расход воды и размеры, осветлителя.

Расчетный расход сточной воды Q_расч, м³/ч, проходящей через осветлитель, определяется по формуле

Q_расч = Q_осв[1 + (С_н - С_к)/С_шл],

где Q_осв — расход сточных вод, выходящих из осветлителя, м³/ч; С_к — конечная кон­центрация взвешенных веществ в сточной воде, г/м³.

Площадь осветлителя F_oсв, м², с вертикальным осадкоуплотнителем находим по выражению

F_осв = F_з.о + F_о.у = Q_ocb [1 + (С_н - С_к/С_шл][k_р + φ(1 - k_р)]/v_расч ,

где F_з._o и F_o.y — площадь зоны соответ­ственно осветленяя и осадкоуплотнителя, м²; k_p.— коэффициент распределе­ния воды между зоной осветления и осадкоуплотнителем, равный:

k_p = 1 — v_расч (С_н - С_к)/С_э;

φ — коэффициент подсоса осветленной воды в осадкоуплотнитель, равный 1,15…1,2.

Объем зоны накопления и уплотнения осадка W_з.у (часть объема осадкоуплотнителя, которая расположена на 0,5…0,7 м ниже нижней кромки осадкоотводящих окон или труб) должен удовлетворять условии

W_з.у ≥ Q_расч t (C_н - C_к )/C_шл ,

где t — продолжительность уплотнения шлама, равная 3…6 ч.

Пример 3.1. Рассчитать осадкоуплотнители для станции производительностью Q = 60000 м³/сут при следующих данных:

- количество осадка из первичных отстойников: по весу Р = 5,2 т/сут, по объему Q_oc = 86 м³/сут с влажностью W_ос = 94 %;

- количество избыточного активного ила: по весу Р = 9 т/сут, по объему Q_ил = 2239 м³/сут с влажностью W_ил = 99,6 %;

- количество избыточного ила с коэффициентом K = 1,3;

- Q_{ил.макс} =1,3^.2239 = 2911 м³/cyт.