МИНОБРНАУКИ РОССИИ

федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение

высшего профессионального образования

«ЧЕРЕПОВЕЦКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ» Инженерно-технический институт

Кафедра техносферной безопасности

РАСЧЕТ И ПРОЕКТИРОВАНИЯ СИСТЕМ ОБЕСПЕЧЕНИЯ БЕЗОПАСНОСТИ

Учебное пособие

Для направления подготовки 280700 – техносферная безопасность

Череповец

2012 г.

1

УДК 574

Ермилов В.В. Расчет и проектирование систем обеспечения безопасности. Учебное пособие. – Череповец: ФГБОУ ЧГУ, 2012. – 279 с., ил.

Пособие содержит основные сведения по проектированию систем обеспечения безопасности промышленных производств. Приведены практические рекомендации и необходимые справочные материалы. В пособии изложены физико-химические процессы способов и технологий переработки промышленных отходов: твердых, сточных вод, газообразных выбросов и их воз-

действие на окружающую среду. Приведены основные элементы конструкций. Большое внимание уделено вопросам конструирования безопасных аппаратов химических производств.

Пособие предназначено для студентов высших учебных заведений направления 280700 – техносферная безопасность.

Рассмотрено на заседании кафедры техносферной безопасности, протокол № 3 от 29.01.12 г.

Одобрено редакционно-издательской комиссией инженерно-технического института, протокол № 3 от 3.02.12 г.

Составители: В.В. Ермилов - канд. техн. наук, доцент

Рецензенты: Н.Н. Синицын, д-р техн. наук, проф. (ГОУ ВПО ЧГУ); З.К. Кабаков, д-р техн. наук, проф. (ГОУ ВПО ЧГУ)

Научный редактор: Н.Н. Синицын, д-р техн. наук, проф.

© Ермилов В.В., 2012

© ФГБОУ ВПО «Череповецкий государственный университет», 2012

2

Введение

С ростом благосостояния и общего материально-технического потенциала общества усиливается тенденция глобальной деградации окружающей природной среды за счет нерегулируемого, неупорядоченного ресурсопотребления.

Истощение природных ресурсов составляет главный количественный критерий глобального экологического ущерба, резко ухудшающий условия жизни всех объектов биосферы. Изменения окружающей природной среды в результате глобального техногенеза породили проблему выживания общества.

Рост концентрации диоксида углерода приводит не только к росту средних температур, но и к изменению структуры атмосферной циркуляции, глобальному перераспределению осадков, а, следовательно, и изменению продуктивности биоты.

Загрязнение Мирового океана меняет характер энергообмена «океан – атмосфера» и уменьшает испарение с водной поверхности, являющейся основным источником влаги на Земле.

Вырубка лесов, увеличение площади пустынь, замена естественных ценозов узкоспециализированными агроценозами, осушение болот, создание искусственных водохранилищ меняют альбедо земной поверхности и структуру естественного круговорота химических элементов.

Кислотные дожди отравляют почву, губят урожаи, разрушают памятники старины, попадая в почву, они выщелачивают ее и уносят из нее такие питательные вещества, как кальций, магний, калий и натрий, убивая микроорганизмы. Проникая в тонкую структуру листьев и ветвей, кислотный дождь отравляет растения, опасно снижает интенсивность фотосинтеза и всхожесть семян.

Кислотные дожди загрязняют пищу и питьевую воду кислотными и ядовитыми металлами (ртуть, медь, свинец и др.), образующимися при разложении металлических и других предметов под действием на них кислотных дождей.

Реальная опасность погубить жизненную среду обитания на планете побудила промышленно развитые страны повернуться лицом к экологическим проблемам, выделяются огромные средства, призванные компенсировать ущерб, причиняемый природе, но это всего лишь полумеры, поскольку не изменяется ни в качественном, ни в количественном выражении сама поступь научно-технического «прогресса», оказывающего все возрастающее негативное влияние своим промышленным, индустриальным воздействием на все природные объекты.

Интеллектуальные истоки современного научно-технического прогресса не одухотворены той необходимой культурой знаний, которая позволяет использовать опыт всех времен и поколений во имя процветания живого организма планеты, гармонии природы и общества.

Приходится развертывать деятельность по ликвидации результатов деятельности. Необходимо воздействовать на биосферу, адаптируя ее кнашим целям и потребностям, а сами эти цели и потребности адаптировать к возможностям биосферы, меняя многие привычные для нас стандарты. Комплексное понимание системы «Человек – Природа» и ее изменений как гармонического развития человеческой деятельностии природы составляет интеллектуальный базис экологизации современного научно-технического прогресса, который должен опираться на следующие принципы:

1.Духовное начало жизни является основой экологической морали, способствующей выживанию природы и общества.

2.Образование и воспитание будущего специалиста должно строиться на принципах экологического мышления.

3.Главная заповедь инженера – «не повреди биосферу».

4.Мыслить глобально, действовать – локально.

5.Реализация экологически репрезентативных моделей управления техносферой в масштабах отдельных территорий и планеты в целом.

6.Развитие норм хозяйствования на основе коэволюции человека и биосферы.

3

7.Комплексная унификация экологических критериев защиты природы на основе единых норм рационального использования природных ресурсов.

8.Единство действий вытекает из единства природы.

9.Наука, техника, производство должны оцениваться и развиваться только в ключе экологической состоятельности на текущий момент и перспективу.

10.Экологическая когерентность всех направлений научно-технической деятельно-

сти.

Ни одно инженерное обоснование не обходится без расчета. Но в лабиринте математических формул и обозначений необходимо видеть живую душу Природы, которой предстоит принять на себя творение рук человеческих. Расчет – весьма ответственный инструмент в арсенале инженера. Он может вывести нас на такие цифры, которые будут одних устраивать, а других нет. Любая расчетная модель строится на тех или иных допущениях, ограничениях и прочих условностях, по которой затем предстоит работать конструктору, технологу, производственнику. Результат расчета зависит также от достоверности исходных данных, которые используют для получения конечных выводов.

1. Основы очистки сточных вод

1.1. Показатели качества природных вод

Природные воды бывают поверхностные, подземные и биосферные. Поверхностные природные водные объекты разделяются на водоемы, водотоки, моря и океаны.

Качество природных и сточных вод определяется их составом и свойствами. Нормирование качества воды рек, озер, водохранилищ проводят в соответствии с «Са-

нитарными правилами и нормами охраны поверхностных вод от загрязнений». «Санитарные правила и правила охраны поверхностных вод от загрязнений» устанавливают две категории водоемов: 1 категория – водоемы питьевого и культурно-бытового назначения; 2 категория – водоемы рыбохозяйственного назначения.

Нормы качества воды устанавливаются с учетом вида водопользования.

Качество воды водных объектов определяется следующими основными показателями:

-содержание взвешенных веществ;

-плавающие примеси (пленка, пятна, скопления);

-запах и вкус;

-окраска;

-температура;

-состав и концентрация минеральных примесей;

-значение рН;

-растворенный в воде кислород (ХПК);

-биохимическая потребность воды в кислороде (ВПК);

-возбудители заболеваний;

-состав и предельно допустимая концентрация ядовитых и вредных веществ;

-состав и содержание болезнетворных бактерий.

Предельно допустимая концентрация загрязняющего вещества (ПДК) – максимальная концентрация загрязняющих веществ в воде, при которой вещество не оказывает прямого или опосредованного влияния на здоровье человека (при воздействии на организм в течение всей жизни) и не ухудшает гигиенические условия водопользования.

ПДК вредных веществ, как показатель качества воды, устанавливается с учетом лимитирующего показателя вредности (ЛПВ) вредного вещества, под которым понимают наиболее вероятное неблагоприятное воздействие каждого вещества.

При нормировании качества воды в водных объектах 1-ой категории используют три вида ЛПВ: санитарно-токсикологический, общесанитарный, органолептический. Для водоемов 2-ой категории, наряду с указанными, используют еще два вида ЛПВ: токсикологический и

4

рыбохозяйственный.

При оценке опасности загрязнения водных объектов используется соотношение [1, 2]:

С / ПДК < 1,

где С – концентрация вредного вещества в водоеме, г/м3; ПДК – предельно допустимая концентрация вещества, г/м3.

Если значение соотношения больше единицы, то опасность загрязнения существует. При поступлении в водные объекты нескольких веществ с одинаковыми ЛПВ, их кон-

центрация должна удовлетворять условию:

С1 / ПДК1 + С2 / ПДК2 + …+ Сn / ПДКn < 1,

где C1,n – фактические концентрации вредных веществ, г/м3; ПДК1,n – предельно допустимые концентрации этих веществ, г/м3.

Предельно допустимые сбросы (ПДС) в водный объект – это масса загрязняющего вещества в сточных водах, максимально допустимая к отведению в данном пункте водного объекта в единицу времени с целью обеспечения качества воды.

ПДС устанавливаются для предприятий, имеющих самостоятельные выпуски сточных

вод.

ПДС для всех категорий водопользования определяется по формуле

ПДС = Q∙С,

где Q – расход сточных вод; С – концентрация веществ в сточных водах.

ПДС устанавливается по каждому веществу, в том числе и по веществам, относящимся к одной группе ЛПВ.

1.2. Классификация сточных вод

Сточная вода – это вода бывшая в употреблении, а также вода, прошедшая какую-либо загрязненную территорию.

В зависимости от условий образования сточные воды делятся на производственные, хо- зяйственно-бытовые, и атмосферные (или поверхностные).

Загрязняющие вещества по физическому состоянию можно разделить

-на нерастворимые,

-на растворимые,

-на коллоидные примеси.

По биохимическому составу загрязнения делятся на минеральные, органические и биологические.

К минеральным относятся – песок, глина (глинистые частицы), частицы руды, шлака, минеральных солей и другие.

Органические подразделяются по своему происхождению на растительные и животные. Растительные – это остатки растений, плодов, овощей, злаков, растительного масла и т.п. Органические загрязнения животного происхождения – это физиологические выделения людей и животных, остатки тканей животных, клеевые вещества и другие.

Бактериальные и биологические вносятся, главным образом, бытовыми сточными водами и стоками некоторых промышленных предприятий (кожевенные заводы, фабрики первичной обработки шерсти, предприятия микробиологической промышленности и т.п.). По степени агрессивности производственные сточные воды разделяют на слабоагрессивные (слабокислые и слабощелочные), сильноагрессивные (сильнокислые и сильнощелочные) и неагрессивные.

5

Производственные сточные воды образуются в результате использования воды в технологических процессах. Их количество и состав определяются типом предприятия, его мощностью, видами используемых технологических процессов, от состава исходной свежей воды и от местных условий, схемы водообеспечения водоотведения промышленных предприятий.

Производственные сточные воды содержат различные примеси и подразделяются на три группы:

1)Загрязненные преимущественно минеральными примесями (металлургическая, машиностроительная, рудо- и угледобывающая промышленность, заводы по производству минеральных удобрений, кислот, строительных материалов).

2)Загрязненные преимущественно органическими примесями (предприятия мясной, рыбной, молочной, пищевой, целлюлозно-бумажной, химической, микробиологической промышленности, заводы по производству пластмасс, каучука).

3)Загрязненные минеральными и органическими примесями (предприятия нефтедобывающей, нефтеперерабатывающей, нефтехимической, текстильной, легкой, фармацевтической промышленности, заводы по производству сахара, продуктов органического синтеза, витаминов, консервов).

Хозяйственно-бытовые – это стоки столовых, бань, прачечных, туалетов и другие. В

бытовых сточных водах органические вещества в загрязнениях составляют примерно 58 % и минеральные – 42 %.

Атмосферные сточные воды образуются в результате выпадения атмосферных осадков и стекающие с территорий предприятий. Они загрязняются органическими и минеральными веществами.

На территории промышленных предприятий образуются сточные воды трех видов: бытовые, поверхностные и производственные.

Например, машиностроительные предприятия используют воду:

-на охлаждение (подогрев) исходных материалов и продукции, деталей и узлов технологического оборудования;

-приготовление различных технологических растворов;

-промывку, обогащение, очистку исходных материалов или продукции;

-хозяйственно-бытовое обслуживание.

Бытовые сточные воды предприятий образуются при эксплуатации на его территории душевых, туалетов, прачечных и столовых.

Поверхностные сточные воды промышленных предприятий образуются в результате смывания дождевой, талой и поливочной водой примесей скапливающихся на крышах и стенах производственных зданий и на территории предприятия. Основными примесями этих вод являются твердые частицы (песок, камень, стружки и опилки, пыль, сажа, остатки растений и деревьев и т.п.), нефтепродукты (масла, бензин, керосин), используемые в двигателях транспортных средств, а также органические и минеральные удобрения, используемые в заводских скверах, цветниках и теплицах.

Большое количество забираемой для обеспечения промышленных предприятий воды возвращается в водоемы с различной степенью загрязнения.

1.3. Методы очистки сточных вод

Существует большое количество способов очистки сточных вод и различные виды их классификации. Выбор способа очистки обычно определяется видом и концентрацией преобладающих примесей сточных вод: механических (взвешенных), растворенных и органических.

Существующие методы очистки сточных вод от примесей можно разделить на механические, физико-химические, химические, биологические и др. (рис. 1.1).

6

физико-химические методы

механические методы

очистка от орга-

очистка от мине-

очистка от

очистка от

нических ве-

ральных приме-

грубодисперсных

тонкодисперсных и кол-

ществ

сей

примесей

лоидных примесей

процеживание

фильтрование

адсорбция

ионообменная

экстракция

обратный осмос и

отстаивание

центрифугирование

ультрализация

химические методы

очистка от

тонкодисперсных и коллоид-

очистка от

очистка от

ных примесей

минеральных приме-

тонкодисперсных

сей

примесей и эмульси-

флотация

онных веществ

нейтрализация

коагуляция

флокуляция

электрохимические методы

биологические методы

очистка от растворенных ор-

очисткаот

очистка от

ганических и

тонкодисперсных и

взвешенных и

неорганических веществ

растворенных веществ

коллоидных ве-

ществ

аэробные методы

аноидное

электрокоагуляция

анаэробные методы

окисление и катод-

ное

электрофлотация

восстановление

термические методы

электродиализ

очисткаотминеральных

термокаталитическое

примесей

обезвреживание жидких

отходов

концентрирование

жидкофазное

вымораживание

кристаллизация

окисление

парофазное

каталитическое

окисление

ОЧИСТКА И ОБРАБОТКА СТОЧНЫХ ВОД

Рис. 1.1. Классификация методов очистки и обработки сточных вод

7

Механические методы очистки применяются для очистки сточных вод от взвешенных частиц путем процеживания, отстаивания, отделения взвешенных частиц с использованием центробежных сил, фильтрования.

Физико-химические методы используются для очистки сточных вод от растворенных примесей, также в некоторых случаях и от взвешенных частиц. Основными методами являются флотация, экстракция, нейтрализация, сорбция, ионообменная очистка, гиперфильтрация, электрохимическая очистка, озонирование, электрокоагуляция, эвапорация.

К химическим методам очистки сточных вод относятся нейтрализация, окисление и восстановление. Химическая очистка может применяться как самостоятельный вид очистки перед подачей производственных сточных вод в систему оборотного водоснабжения, а также в качестве предварительной очистки перед биологической или физико-химической очисткой. Ее применяют для извлечения различных компонентов, растворенных в сточных водах, а также для дизенфекции и обесцвечивания.

Биологическая (биотехнологическая) очистка применяется для очистки сточных вод от растворенных органических веществ. Она основана на способности микроорганизмов использовать для питания содержащиеся в сточных водах органические вещества (углеводы, спирты, белки и т.п.). Используется для очистки бытовых и производственных сточных вод. Очистка осуществляется на полях фильтрации, полях орошения, в биологических прудах, а также в специальных установках – биологических фильтрах, аэротенках и окситенках.

1.4. Механическая очистка сточных вод

Механическая очистка применяется для выделения из сточной воды нерастворенных минеральных и органических примесей. Она предназначена для подготовки производственных сточных вод к биологическому, физико-химическому или другому методу более глубокой очистки воды.

Механическая очистка состоит из процеживания через решетки, пескоулавливания, отстаивания и фильтрования. Типы и размеры этих сооружений зависят в основном от состава, свойств и расхода производственных сточных вод, а также от методов их дальнейшей обработки.

Обычно, механическая очистка является предварительным этапом очистки производственных сточных вод. Она обеспечивает выделение из сточных вод до 90÷95 % взвешенных

веществ и снижение органических загрязнений (по показателю БПКполн) до 20÷25 %. Высокий эффект очистки сточных вод достигается различными способами интенсифи-

кации гравитационного отстаивания – преаэрацией, биокоагуляцией, осветлением во взвешенном слое (отстойники-осветлители) или в тонком слое (тонкослойные отстойники), а также с помощью гидроциклонов.

Процесс более полного осветления сточных вод осуществляется фильтрованием – пропуском воды через слой различного зернистого материала (кварцевого песка, гранитного щебня, дробленого антрацита и керамзита, горелых пород, чугунолитейного шлака и других материалов) или через сетчатые барабанные фильтры и микрофильтры, через высокопроизводительные напорные фильтры и фильтры с плавающей загрузкой – пенополиуретановой или пенополистирольной.

Преимущество этих процессов заключается в возможности их применения без добавления химических реагентов.

Выбор метода очистки сточных вод зависит от размера взвешенных частиц. Размеры взвешенных частиц, содержащихся в производственных сточных водах изменяются в широких пределах (от 5·10–9 до 5·10–4 м), для частиц размером до 10 мкм конечная скорость осаж-

дения составляет менее 10–2 см/с. Если частицы достаточно велики (диаметром более 30÷50 мкм), то они могут легко выделяться отстаиванием или процеживанием. Коллоидальные час-

тицы (диаметром 0,1÷1 мкм) могут быть удалены фильтрованием, однако из-за ограниченной емкости фильтрующего слоя более подходящим методом при концентрациях взвешенных

8

частиц более 50 мг/л является коагуляция с последующим осаждением или осветлением во взвешенном слое.

Повышение технологической эффективности сооружений механической очистки очень важно при создании замкнутых систем водного хозяйства промышленных предприятий. Этому требованию удовлетворяют различные конструкции многополочных отстойников, сетчатых фильтров, фильтров с новыми видами зернистых и синтетических загрузок, гидроциклонов (напорных, безнапорных, многоярусных).

Очистные сооружения рассчитываются по максимальному расходу сточных вод или же по какому-либо среднему их расходу. Иногда следует проверять их объемы по минимальному расходу. На рис. 1.2. показана схема механической очистки производственных сточных вод. В состав очистных сооружений входят: решетки для задержания крупных загрязнений органического и минерального происхождения, песколовки для выделения тяжелых минеральных примесей (главным образом песка), усреднители расхода сточных вод и концентрации их загрязнений, отстойники или отстойники-осветлители для выделения нерастворимых примесей, фильтры для более полного осветления воды и сооружения для обработки осадка.

	Сточная вода
			1
	Приемная камера

Вода Решетки механические с от-

дельными дробилками или

решетки-дробилки

Воздух

Песколовки

Водоизмерительное

устройство

(лоток Вентури)

Воздух

Усреднители

Отстойники или

отстойники-осветлители

Барабанные сетки и песча-

ные фильтры (или каркасно-засыпные

фильтры)

Насосная станция

Вода +воздух на промывку

Вода на доочистку и повторное использование

2

Песок на обезвоживание и утилизацию

Осадок на обработку и утилизацию

Вода от промыки фильтров

Рис. 1.2. Схема механической очистки сточных вод:

1 – с дроблением отходов и отводом их в канализацию, 2 – с вывозом отходов в контейнерах на обезвреживание

С целью обеспечения надежной работы сооружений механической очистки производственных сточных вод обычно применяют не менее двух рабочих единиц основного технологического назначения – решеток, песколовок, усреднителей, отстойников или фильтров.

В ряде случаев механическая очистка является единственным и достаточным способом

9

для извлечения из производственных сточных вод механических загрязнений и подготовки их к повторному использованию в системах оборотного водоснабжения. При необходимости предусматривается охлаждение механически очищенной сточной воды в градирнях.

Однако для некоторых производств требуется вода с меньшим содержанием взвешенных веществ, чем содержание, обеспечиваемое механической очисткой, поэтому необходима дополнительная физико-химическая и биологическая очистка. При повторном использовании биологически очищенной сточной воды в соответствии с санитарными нормами требуется применять хлорирование.

1.4.1. Процеживание

Процеживание предназначено для выделения из сточных вод крупных нерастворимых примесей размером до 25 мм, а также более мелких волокнистых загрязнений, которые в процессе дальнейшей обработки стоков препятствуют нормальной работе очистного оборудования. Процеживание сточных вод осуществляется пропусканием воды через решетки и волокноуловители.

Решетки могут быть неподвижными, подвижными, а также совмещенными с дробилками (комминуторы). Наибольшее распространение имеют неподвижные решетки. Решетки,

изготовленные из металлических стержней с зазором между ними 5÷25 мм, устанавливают в

коллекторах сточных вод вертикально или под углом 60÷70° к горизонту. Стержни могут иметь круглое или прямоугольное сечение. Стержни с круглым сечением имеют меньшее сопротивление, но быстрей засоряются, поэтому чаще используют прямоугольные стержни, закругленные со стороны входа воды в решетку. Решетки очищают граблями, которые могут быть установлены по-разному (рис. 1.3) [3].

а)		б)		в)
2		1		2
	1		2	1
3	3			3

Рис. 1.3. Виды решеток с граблями для очистки: 1 – решетка, 2 – бесконечная цепь, 3 – грабли

Размеры поперечного сечения решеток выбирают из условия минимальных потерь давления потока на решетке. Скорость сточной воды в зазоре между стержнями решетки не

должна превышать значений 0,8÷1,0 м/с при максимальном расходе сточных вод. Расчет ре-

шеток сводится к определению числа зазоров п, ширины решетки В и потерь напора ∆p сточной воды на ней по формулам

10

n =1,05 QVП (bHw ) ,

где QV– объемный расход сточной воды; b – ширина прозоров между стержнями; H – глубина коллектора; wП – скорость движения сточной воды в прозорах;

B = bn + δ(n −1),

где δ – толщина стержня;

∆p = ξ k ρ w2 2,

где w – скорость в канале перед решеткой (w = 0,7÷0,8 м/с); k – коэффициент, учитывающий увеличение сопротивления решетки в процессе осаждения в ее зазорах примесей сточных

вод, принимается равным 2÷3; ξ – коэффициент местного сопротивления решеток;

ξ =β(δ/b)4 3 sin α; β – коэффициент, характеризующий форму поперечного сечения стержней решетки: для круглых стержней β = 1,79; прямоугольных – 2,42; овальных – 1,83; α

– угол наклона решетки к горизонту.

При эксплуатации решетки должны непрерывно очищаться, что обычно осуществляется механически, и лишь при задержании примесей в количествах менее 0,0042 м3/ч допускается ручная очистка. Примеси, снятые с решеток, измельчают на специальных дробилках и сбрасывают в поток сточной воды за решеткой или направляют на переработку. Однако эта процедура усложняет технологическую схему очистки сточных вод и ухудшает качество воздушной среды в помещениях очистных станций. Для устранения этих недостатков применяют решетки-дробилки, измельчающие задержанные примеси, не извлекая их из воды. Средний размер измельченных ими примесей не превышает 10 мм.

Наибольшее применение получили решетки следующих типов: решетки механические унифицированные типа РМУ и с механическими граблями типа МГ, предназначенные для извлечения из сточных вод крупных загрязнений с механизированной выгрузкой их непосредственно в контейнер или на транспортирующее устройство к дробилкам; комбинированные решетки-дробилки типов РД и КРД.

1.4.2. Отстаивание

Отстаивание применяют для осаждения из сточных вод грубодисперсных примесей. Осаждение происходит под действием силы тяжести. Для проведения процесса используют песколовки, отстойники и осветлители. В осветлителях одновременно с отстаиванием происходит фильтрация сточных вод через слой взвешенных частиц.

Обычно сточные воды содержат взвешенные частицы различной формы и размера. Такие воды представляют собой полидисперсные гетерогенные агрегативно-неустойчивые системы. В процессе осаждения размер, плотность и форма частиц, а также физические свойства системы изменяются. Кроме того, при слиянии различных по химическому составу сточных вод могут образовываться твердые вещества, в том числе и коагулянты. Эти явления также оказывают влияние на форму и размеры частиц. Все это усложняет установление действительных закономерностей процесса осаждения.

Свойства сточных вод отличаются от свойств чистой воды. Они имеют более высокую плотность и вязкость. Вязкость и плотность сточных вод, содержащих только взвешенные твердые частицы, равна [4]:

µc = µ0 (1+ 2,5c0 ),

ρс = ρ+ρТВ(1−ε).

Объемная доля жидкой фазы вычисляется по соотношению

ε =Vж /(Vж +VТВ).

где µc и µ0 – динамическая вязкость сточной и чистой воды, Па·с; с0 – объемная концентрация взвешенных частиц, кг/м3; ρ и ρТВ – плотность соответственно чистой воды и твердых

11

Рис. 1.4. Кинетика процесса осаждения

60

40

20

0

М, %

– объемная доля жидкой фазы; Vж и VТВ – объем жидкой и твердой фаз в

частиц, кг/м3; ε сточной воде, м3.

Основным параметром, который используют при расчете отстойников, является wос – скорость осаждения частиц.

Для ламинарного, переходного и турбулентного режимов скорость свободного осаждения шарообразных частиц вычисляют по формуле

	Re0	=	Ar			,
			(18 + 0,6	Ar )

где Re0 = wocdρ/µ0 – число Рейнольдса; Ar = d3ρ2 g(ρТВ −ρ)µ02ρ – число Архимеда; d – диаметр частицы.

Для шарообразных частиц в формулы подставляют эквивалентный диаметр частиц:

dэ = 3Vч π ,

где Vч – объем частицы.

При отстаивании сточных вод наблюдается стесненное осаждение, которое сопровождается столкновением частиц, трением между ними и изменением скоростей как больших, так и малых частиц. Скорость стесненного осаждения меньше скорости осаждения свободного, вследствие возникновения восходящего потока жидкости и большей вязкости среды.

Скорость стесненного осаждения шарообразных частиц одинакового размера можно рассчитать при ламинарном режиме по формуле Стокса с поправочным коэффициентом, учитывающим влияние концентрации взвешенных частиц и реологические свойства систе-

мы:
w = d 2 g(ρ	−ρ)R /18µ	,	R = εµ	0	/µ	.
ocТВ	0				c

Скорость осаждения полидисперсной системы непрерывно изменяется во времени. Вследствие агломерации частиц она может изменяться в несколько раз по сравнению с теоретической. Способность к агломерации зависит от концентрации, формы, размера и плотности взвешенных частиц, а также от соотношения частиц различного диаметра и вязкости среды.

Коэффициент агломерации характеризуется отношением Ка = dф/d0, где dф – фиктивный диаметр частицы, эквивалентный теоретической скорости ее осаждения. Для полидисперсных систем кинетику осаждения устанавливают опытным путем. Она характеризуется кривой, пока-

занной на рис. 1.4.

При периодическом процессе осаждения взвешенные частицы в отстойнике распределяются неравномерно по высоте слоя сточных вод. Через ка- кой-то промежуток времени после начала отстаивания в верхней части отстойника появляется осветленный слой жидкости. Чем ближе к дну отстойника, тем больше концентрация взвешенных частиц в

1 2 3 τ, ч сточной воде, а у самого дна образуется слой осадка. Во времени высота слоя осветленной жидкости и высота слоя осадка возрастают за счет промежуточных слоев. Через определенный промежуток времени в отстойнике будут находиться только слой ос-

ветленной жидкости и слой осадка. В дальнейшем, если осадок не удалить, он будет уплотняться с уменьшением высоты.

Песколовки

Песколовки применяют для выделения минеральных частиц, размером свыше 0,2÷0,25

12

мм из сточных вод. В зависимости от направления движения сточной воды песколовки делят на горизонтальные с прямолинейным и круговым движением воды, вертикальные и аэрируемые песколовки.

Конструкцию песколовки выбирают в зависимости от количества сточных вод, концентрации взвешенных веществ. Наиболее часто используют горизонтальные песколовки.

Горизонтальные песколовки представляют собой резервуары с треугольным или тра-

пецеидальным поперечным сечением. Глубина песколовок 0,25÷1 м. Скорость движения воды в них не превышает 0,3 м/с.

На рис. 1.5 представлена схема горизонтальной песколовки с прямолинейным движени-

L

ем сточной воды, посту-

1

пающей в песколовку 2 че-

рез

входной патрубок

1.

Оседающие в процессе дви-

h1

жения воды твердые части-

2

4

цы скапливаются в шламос-

борнике 3 и на дне песко-

ловки, а очищенная сточная

3

h2

вода через выходной патру-

бок

4

направляется

для

дальнейшей обработки.

Рис. 1.5. Схема горизонтальной песколовки:

Глубину h1 выбирают из

условия:

1, 4 – входной и выходной патрубки;

h1 / w0 ≤ τПР ,

2 – песколовка; 3 – шламосбоник

где

τПР

– время движения

воды в песколовке, составляет обычно 30÷100 с. Длину песколовки определяют по формуле

L = k h1 w w0 ,

где w = 0,15÷0,3 м/с – скорость движения воды в песколовке; k = 1,3÷1,7–коэффициент, учитывающий влияние турбулентности и неравномерности скоростей движения сточной воды в песколовке.

Ширину В песколовки определяют с учетом реализации заданного расхода сточных вод (Q):

В = h1 Qw n ,

где п – число секций в песколовке.

Разновидностью горизонтальных песколовок являются песколовки с круговым движением воды в виде круглого резервуара конической формы с периферийным лотком для протекания сточной воды (рис. 1.6.). Горизонтальные песколовки с круговым движением сточной воды предназначаются для удаления песка из производственных сточных вод, имеющих нейтральную или слабощелочную реакцию.

Сточная вода подводится к песколовкам и отводится от них лотками. Подводящий лоток располагается в насыпи высотой до 5 м.

13

Для выключения песколовок из работы на подводящих и отводящих лотках в распределительной камере устанавливают затворы. Осадок из песколовок удаляют гидроэлеваторами. Подача рабочей жидкости к гидроэлеватору и отвод пульпы осуществляются самостоятельными напорными трубопроводами через камеру переключения, оборудованную задвижками.

Рис. 1.6. Горизонтальные песколовки с круговым движением сточных вод

Аэрируемые песколовки (рис. 1.7.) применяются для выделения содержащихся в сточной воде минеральных частиц размером 13÷18 мм/с. Скорость движения сточных вод составляет 0,08÷0,12 м/с при максимальном притоке. Расчетная пропускная способность аэри-

руемой песколовки шириной 4,5 м на три отделения составляет 200÷240 тыс. м3/сут сточных вод. Подвод сточной воды к песколовкам и отвод ее осуществляются открытыми лотками. Для системы аэрации используется воздух от насосно-воздуходувной станции.

Осадок смывается в бункер песколовки гидромеханической системой, включающей продольный лоток и трубопроводы со спрысками; осадок из бункера удаляется с помощью гидроэлеватора.

Крупные фракции осаждаются, как и в горизонтальных песколовках. Мелкие частицы, обволакиваясь пузырьками воздуха, всплывают наверх и с помощью скребковых механизмов удаляются с поверхности.

Длина аэрируемых песколовок вычисляется по формуле

L = wx H / w0 .

Время пребывания сточной воды в песколовке составляет 30÷90 с, wx = 0,1÷0,2 м/с,

удельный расход аэрируемого воздуха 0,00083÷0,0014 м3/(м2·с).

Вертикальные песколовки имеют прямоугольную или круглую форму, в них сточные воды движутся с вертикальным восходящим потоком со скоростью 0,05 м/с.

2 3

1

4

6	H
5	L

Рис. 1.7. Схема аэрируемой песколовки 1 – входная труба, 2 – воздуховод, 3 – воздухораспределители,

4 – выходная труба, 5 – шламосборник, 6 – отверстие для удаления шлама

14

Расчет вертикальных песколовок заключается в определении требуемой ее глубины

H = τПРwу в предположении w0>wу, где wу = 0,03÷0,04 м/с – вертикальная составляющая скорости движения воды; время пребывания сточной воды в песколовке для практических расчетов принимают 120 с.

l1

l2

l3

h1
h0	H

Рис. 1.8. Расчетная схема горизонтального отстойника

Отстойники

Отстойники используют для выделения из сточных вод твердых частиц размером менее 0,25 мм. По направлению движения сточной воды в отстойниках их делят на горизонтальные, вертикальные, радиальные и комбинированные.

Горизонтальные отстойники. Они представляют собой прямоугольные резервуары, имеющие два или более одновременно работающих отделения. Вода движется с одного кон-

ца отстойника к другому. Глубина отстойников (Н) равна 1,5÷4 м, длина 8÷12 Н, а ширина

коридора 3÷6 м. Равномерное распределение сточной воды достигается при помощи поперечного лотка. Горизонтальная скорость движения воды в отстойнике принимают не более

0,01 м/с.

Горизонтальные отстойники рекомендуется применять при расходах сточных вод свыше

15000 м3/сут. Продолжительность отстаивания – 1÷3 ч. Эффективность отстаивания достига-

ет 60 %.

При расчете отстойников определяют его длину и высоту. На рис. 1.8. представлена расчетная схема горизонтального отстойника.

Отстойник по длине разбит на три зоны: в первой зоне длиной l1 наблюдается неравномерное распределение скоростей по глубине потока. Длина этой зоны:

l1 =1,15 (H − h0 ) / k ,

где h0 – высота движущегося слоя в начале отстойника, принимается равной 0,25 Н; k =

(0,0184÷0,02) wх.

Во второй зоне длиной l2 скорость потока считается постоянной. При движении в этой зоне большая часть частиц загрязнений должна осесть в иловую часть отстойника, поэтому

l2= (H – h1)wx / (w0 – 0,5wх),

где h1 – максимально возможная высота подъема частицы в первой зоне.

В третьей зоне длиной l3 скорость потока увеличивается, и условия осаждения частиц ухудшаются. Длина этой зоны определяется по формуле l3 = Htgα,

15

где α – угол сужения потока жидкости в выходной части отстойника, принимается равным

25–30°.

Для расчета длины отстойника L = l1 + l2 + l3 должны быть заданы: расход сточной воды и геометрические размеры поперечного сечения отстойника.

Вертикальный отстойник представляет собой цилиндрический (или квадратный в плане) резервуар с коническим днищем (рис. 1.9). Сточную воду подводят по центральной трубе. После поступления внутрь отстойника вода движется снизу вверх к желобу. Для лучшего ее распределения и предотвращения образования мути трубу делают с раструбом и распределительным щитом.

Таким образом, осаждение происходит в восходящем потоке, скорость которого равна

0,5÷0,6 м/с. Высота зоны осаждения – 4÷5 м.

Каждая частица движется с водой вверх со скоростью v и под действием силы тяжести вниз wос. Поэтому различные частицы будут занимать различное положение в отстойнике. При wос>v будут быстро оседать, при wос<v уноситься вверх.

Эффективность осаждения вертикальных отстойников на 10÷20 % ниже, чем в горизонтальных.

		3		Радиальные отстойники
			представляют собой круглые в
		4	плане резервуары. Вода в них
			движется от центра к перифе-
	2	5	рии. При этом минимальная
			скорость наблюдается у пери-
		6	ферии.		Такие		отстойники
			применяют			при		расходах
			сточных		вод	свыше		20	000
		1	м3/сут.		Глубина		проточной
			части отстойника 1,5÷5 м, а
			отношение диаметра к глубине
			от 6 до 30. Эффективность
			осаждения составляет 60 %.
				Пластинчатые				отстой-
			ники. Они имеют в корпусе
		Рис. 1.9. Схема вертикального отстойника:	ряд	параллельно			установлен-
			ных наклонных пластин. Вода
	1 – трубопровод для удаления плавающих веществ, 2 – тру-
			движется между пластинами, а
	бопровод для удаления осадка, 3 – приемная воронка для		осадок сползает вниз, в
	отвода плавающих веществ, 4 – лоток для сбора осветлен-
			моприемник.			Могут			быть
	ной воды, 5 – водослив, 6 – кольцевая полупогруженная пе-		моточные			отстойники,			в
		регородка	рых	направление			движения

воды и осадка совпадают; тивоточные – вода и осадок движутся навстречу друг другу; перекрестные, в которых вода движется перпендикулярно движению осадка. Наиболее распространены противоточные стойники.

Гидроциклоны

Отделение твердых примесей под действием центробежных сил осуществляется в открытых или напорных гидроциклонах и центрифугах.

16

Открытые (безнапорные) гидроцикло-

2

ны применяют для отделения из сточных вод

крупных твердых частиц со скоростью осажде-

ния 0,02 м/с. Преимущества открытых гидро-

3

D

циклонов перед напорными – большая произ-

d

водительность и малые потери напора, не пре-

H

вышающие 0,5 кПа. Эффективность очистки

сточных вод от твердых частиц в гидроцикло-

нах зависит от характеристик примесей (вида

1

материала, размеров и формы частиц и др.), а

α

также от конструкционных и геометрических

характеристик самого гидроциклона.

На рис. 1.10. представлена схема открыто-

го гидроциклона, состоящего из входного пат-

рубка (1), кольцевого водослива (2), трубы для

4

отвода очищенной воды (3) и шламоотводящей

трубы (4). Кроме указанной схемы известны

гидроциклоны с нижним отводом очищенной

воды и циклоны с внутренней цилиндрической

Рис. 1.10. Схема открытого

перегородкой.

гидроциклона

Производительность открытого гидроци-

клона

QV = 0,785 q D2 ,

где D – диаметр цилиндрической части гидроциклона; q – удельный расход воды, определяемый по формуле

q = 4,32·w0

для открытых гидроциклонов с внутренней цилиндрической перегородкой

q = 7,15·w0.

При проектировании открытых гидроциклонов рекомендуются следующие значения

геометрических характеристик: диаметр D = 2÷10 м.; высота цилиндрической части Н=D; диаметр входного отверстия d=0,1D (при одном отверстии), при двух входных отверстиях d= 0,0707·D; угол конической части α = 60°.

Напорные гидроциклоны используются для выделения из сточных вод грубодисперсных примесей, в основном минерального происхождения, плотность которых отличается от плотности жидкой среды сточных вод, в том числе: частиц песка, угля, окалины, компонентов керамики, стекла, строительных материалов и т. д

Из напорных гидроциклонов наибольшее распространение получил аппарат конической формы (рис. 1.11).

17