2.4 Відстоювання стічних вод

2.4.1 Закономірності відстоювання

Матеріальний баланс механічного поділу стічних вод від домішок. За відсутності втрат речовин у процесі механічного поділу стічних вод від домішок рівняння матеріального балансу мають вигляд:

- за загальною кількістю речовин G_см = G_осв + G_ос;

- за дисперсною фазою G_см ⋅ x_см = G_осв ⋅ x_осв G_ос ⋅ x_ос,

де G_см, G_осв, G_ос – маса вихідної стічної води, освітленої води й одержуваного осаду домішок, кг; x_см, x_осв, x_ос – уміст домішок у вихідній стічній воді, освітленій воді та осаді, масові частки.

Спільне рішення цих рівнянь дозволяє визначити масову кількість освітленої води G_осв і масу осаду G_ос, одержуваних при заданому змісті домішок в осаді та освітленій воді:

; (2.1)

. (2.2)

Уміст зважених часток в освітленій воді та в осаді вибирається залежно від конкретних технологічних умов процесу поділу.

Основним параметром, який використовують при розрахунку осадження, є швидкість осадження частинок (гідравлічна крупність). При падінні частки під дією сили тяжіння сила, яка рухає частку діаметром D_ч, виражається різницею між її вагою

(2.3)

і виштовхується архімедовою силою, що дорівнює вазі рідини в об'ємі частинки

; (2.4)

, (2.5)

де ρ_ч – щільність твердої частинки, кг/м³ .

Сила опору середовища за Ньютоном

, (2.6)

де ζ коефіцієнт опору водного середовища, що залежить від режиму осадження. Швидкість осадження w_ос можна знайти з умови рівності сили, рушійної частки і сили опору водного середовища:

. (2.7)

У ламінарному режимі осадження при ζ = 24/Re_ч отримаємо формулу Стокса

(2.8)

Існує і мінімальний розмір часток, нижче від якого спостерігаються відхилення від закону Стокса та при Re_ч ≤ 10-4 на швидкість осадження дуже дрібних частинок починає впливати тепловий рух молекул середовища. У таких умовах розмір d частинок стає порівнянним із середньою довжиною вільного пробігу молекул середовища. Розрахунки показують, що при d ≈ 0,1 мкм частинки не осідають, а спостерігається лише хаотичний броунівський рух частинок.

Швидкість осадження частинок нешаруватої форми менше від швидкості осадження кулястих частинок. Для нешаруватих частинок у розрахункових формулах використовують еквівалентний діаметр d_е, який визначають за об'ємом або масою V_ч G_ч частки:

. (2.9)

При відстоюванні стічних вод спостерігається стиснуте осадження, яке супроводжується зіткненням частинок, тертям між ними і зміною швидкостей великих та малих часток. Швидкість стиснутого осадження менше від швидкості вільного осадження внаслідок виникнення висхідного потоку рідини й збільшення в'язкості середовища. Швидкість стиснутого осадження частинок однакового розміру при ламінарному режимі можна розрахувати за формулою Стокса з поправковим коефіцієнтом R = (1−ϕ)μ₀ /μ_c , який ураховує вплив концентрації зважених частинок і реологічні властивості системи (в'язкість системи Європейського Союзу наприкінці):

. (2.10)

Швидкість осадження полідисперсної системи безперервно змінюється від часу. Внаслідок агломерації частинок вона може змінюватися в кілька разів у порівнянні з теоретичною. Здатність до агломерації залежить від концентрації, форми, розміру і щільності зважених часток, від співвідношення часток різного розміру і в'язкості середовища. Коефіцієнт агломерації характеризується співвідношенням Ka = d_ф / d_ч, де d_Ф – фіктивний діаметр частинки, еквівалентний теоретичній швидкості її осадження. Для полідисперсних систем кінетику осадження встановлюють дослідним шляхом у вигляді кривої залежності маси M осаджених частинок від часу осадження τ.

Процес відстоювання використовують також для очищення виробничих стічних вод від нафти, масел, смол, жирів. Очищення від спливаючих домішок аналогічне осадженню твердих речовин. Різниця полягає в тому, що щільність спливаючих частинок менша, ніж щільність води. Для вловлювання частинок нафти використовують нафтоловки, а для жирів – жироловки. Швидкість підйому часток w_вс легкої рідини залежить від розміру частинок D_ч, щільності спливаючих частинок ρ_л і в'язкості середовища μ₀, тобто від числа Re_ч = w_вс.d_ч.ρ_л/μ₀. В області Re_ч <0,25 спливання частинок відбувається за залежністю Стокса:

. (2.11)

Рух частинки легкої фази вгору викликає в стічній воді вторинні потоки, які гальмують піднесення. Швидкість підйому з урахуванням гальмування дорівнює

, (2.12)

де μ_л – коефіцієнт динамічної в'язкості більш легкої спливаючої рідини.

На процес поділу впливає турбулентність, коагуляція і гідродинамічне комплексоутворення. При введенні стічної води в пастки може відбутися подрібнення легкої рідини при ударі струменя об поверхню, що супроводжується зміною тиску. Початковий розмір часток підтримується капілярним тиском P_к = 4σ / D (σ – коефіцієнт поверхневого натягу). При ударі струменя виникає результуючий тиск Р₁. Якщо P₁> P_к, то відбувається подрібнення крапель. Відношення числа відстояних частинок легкої рідини певного розміру до загальної кількості частинок цієї рідини називають ефектом відстоювання.