8.8. Расчет гидравлической камеры хлопьеобразования водоворотного типа

Такую камеру используют (рис. 8.7) в вертикальных отстойниках, располагая ее в центральной трубе (стакане). Вода после смесителя поступает в камеру хлопьеобразования через сопла, направленные по касательной и расположенные на расстоянии 0,2·d_к от стенки камеры (d_к − диаметр камеры) на глубине 0,5 м от поверхности воды (СНиП 2.04.02-84).

Водоворотная камера хлопьеобразования совмещается с вертикальным отстойником и располагается в центральном стакане. Вода подается в верхнюю часть камеры через сопло, расположенное на расстоянии 0,2 диаметра камеры от стенки, на глубине 0,5 м от поверхности воды, или соплами, закрепленными в ее центре в виде неподвижного сегнетова колеса. Вода, выходя из сопл со скоростью 2...3 м/с, приобретает вращательное движение и движется сверху вниз. Для гашения вращательного движения воды при ее переходе в отстойник, которое могло бы ухудшить его работу, внизу камеры устанавливают гаситель в виде крестообразной перегородки высотой 0,8 м с ячейками 0,50,5 м. Время пребывания воды в камере высотой 3,5...4 м принимают 15...20 мин.

Рис. 8.7. Водоворотная камера хлопьеобразования:

1 – отстойник; 2 – камера хлопьеобразования; 3 – подача воды от смесителя; 4 – труба с соплами (по касательной); 5 – отвод воды; 6 – сброс осадка; 7 – стабилизатор скорости

Для повышения эффективного использования объема камеры хлопьеобразования Г.Д. Павловым была предложена камера с центральной галереей. Половина поступающей в отстойник воды проходит через слой взвешенного осадка в камере, осветляется в нем и отводится в сборный торцевой канал отстойника, а другая половина проходит через центральную галерею камеры, куда отводится избыток взвешенного осадка, и поступает в отстойник, где происходит ее осветление осаждением.

Для интенсификации процесса хлопьеобразования при коагулировании примесей маломутных и цветных вод в свободном объеме А.Б. Гальберштадтом предложена гравийная камера с псевдоожиженной зернистой загрузкой.

Оптимальные условия протекания процесса хлопьеобразования создаются при использовании зернистой загрузки из антрацита (керамзита, песка и др.) с эквивалентным диаметром 0,6...0,9 мм и высотой слоя в статических условиях 0,3...0,5 м.

Загрузка работает при расширении 10...15 %, что соответствует восходящей скорости потока 2,6...4,0 мм/с. Первоначально контактный слой антрацита покоится на слое гравия крупностью 5...20 мм, высотой 0,3...0,4 м.

Аналогичная конструкция контактной камеры хлопьеобразования (без поддерживающего гравийного слоя) предложена во ВНИИ ВОДГЕО. Для создания псевдоожиженного слоя использованы вспененные гранулы полистирола марки ПСВ крупностью 0,5...1,5 мм, удерживаемые в верхней части камеры дренажной сеткой. Первоначальная высота слоя гранул около 1 м. Восходящая скорость движения воды в камере 5...6 мм/с.

Применение контактных камер хлопьеобразования позволяет увеличить в 3–4 раза нагрузку на единицу объема камеры, снизить на 20...25 % расход коагулянта, уменьшить примерно в 1,5 раза продолжительность осветления воды в отстойниках.

При обработке маломутных цветных вод хорошо зарекомендовала себя камера хлопьеобразования зашламленного типа с рециркуляцией шлама. Обрабатываемая вода вводится в нижние части секций камеры со скоростью 1 м/с и поступает в центрально расположенные эжектируемые вставки, всасывая воду с осадком из объема секций. Таким образом, в каждой секции происходит непрерывное движение взвешенного осадка, обеспечивающее контактирование агрегативно неустойчивых примесей и их агрегацию. Постепенно обрабатываемая вода переходит из камеры в камеру и далее – в отстойник. Время пребывания воды в камере 20...30 мин.

В механических камерах хлопьеобразования (флокуляторах), применяемых на крупных водоочистных комплексах, плавное перемешивание воды для завершения процесса коагулирования ее примесей осуществляется механическими пропеллерными или лопастными мешалками, размещаемыми на горизонтальных или вертикальных осях. Мешалка может иметь одну или несколько лопастей. Флокуляторы обычно встраивают в горизонтальные отстойники и рассчитывают на время пребывания воды в них 30...40 и до 60 мин при реагентном умягчении. Число мешалок принимают 3...5. Скорость движения воды во флокуляторе уменьшается по ходу потока от 0,5 до 0,1 м/с за счет сокращения частоты вращения мешалок или уменьшающейся по ходу воды площади их лопастей. Скорость вращения мешалок принимают 0,3...0,5 м/с в зависимости от качества исходной воды.

Флокуляторы устраивают с мешалками на вертикальной или горизонтальной оси. В первом случае их обычно оборудуют двигателями с переменной частотой вращения, во втором – один двигатель обслуживает несколько мешалок. Мешалки располагают в начале коридора отстойника в два ряда и более и разделяют перегородками для циркуляции воды. Флокуляторы имеют различную форму в плане (квадратные, круглые и прямоугольные). Оптимальным является применение пропеллерных мешалок, создающих аксиальные потоки, что ослабляет процесс разрушения образовавшихся хлопьев.

Следует принимать не менее трех секций камеры с зигзагообразной траекторией движения воды; структура градиента скорости (табл. 8.2) должна быть убывающей по ходу от 100 до 25...50 с^–1 в последней секции; мешалки целесообразно размещать на вертикальной оси.

Таблица 8.2

Критерий Кэмпа для механических флокуляторов

Характеристика воды	рH	Реагент	Критерий Кэмпа GТ·103
Маломутные, цветные	5,5–6,5 4,5–5,5 5,5–6,8	Сульфат алюминия Хлорное железо ППА	40–55 100–150 200–300
Средней мутности и цветности	6–7 6,6–7,2	Сульфат алюминия Хлорное железо	25–36 35–50

Преимуществами флокуляторов по сравнению с камерами гидравлического типа являются небольшие потери напора, простота конструкции, оптимизация процесса хлопьеобразования адекватно качеству обрабатываемой воды путем изменения частоты вращения мешалки. Недостатками являются дополнительный расход электроэнергии, высокие требования к материалам деталей, что удорожает сооружение в целом.

Пример. Расчет камеры хлопьеобразования водоворотного типа

Исходные данные. Расчетный расход обрабатываемой воды Q_сут = 5000 м³/сут, (Q_ч = 208,3 м³/ч).

Расчет. Площадь отстойника, м², определяют по формуле

F₀ = β·Q_ч / 3,6·v_р·N = 1,5·208,3 / 3,6·0,5·6 = 28,9 м²,

где β – отношение диаметра отстойника D₀ к его высоте Н₀, β = D₀ / Н₀ = 1,5; v_р – скорость восходящего потока 0,5 мм/с (принимается от 0,5 до 6 мм/с).

Площадь, м², в плане водоворотной камеры, встроенной в отстойник,

где t – время обработки воды в камере; t = 15...20 мин; H_к – высота камеры, м, принимают Н_к = 3,5...4 м; N – число отстойников; принимаем N = 6, (количество отстойников зависит от производительности станции очистки воды и может назначаться произвольно).

м².

Диаметр камеры хлопьеобразования:

d_к = м.

Диаметр отстойника

D₀ = м.

Расход воды, поступающей в камеру,

q_с = Q_ч / (N · 3600) = 208,3 / (6 · 3600) = 0,0096 м³/с.

Принимаем диаметр подводящего трубопровода d_т = 100 мм при скорости подвода воды в камеру v = 0,9 м/с.

Определяем необходимый диаметр сопла, м, при скорости движения воды из сопла v_с = 2,5 м/c и коэффициенте расхода 0,908:

d_с= 1,13 ;

d_с м.

Потери напора в соплах:

h = ξ·v² / 2·g = 1,18·2,5² / 2·9,81 = 0,375 м.

Высота конической части отстойника:

м.

Конусная часть отстойника используется для отвода осадка по трубе 6.