Лекция 3 Отстаивание

В технологии процессов очистки природных и сточных вод раcсматривается осаждение частиц двух типов — гранулированных и флокулированных.

Гранулированные частицы осаждаются независимо друг от друга и с постоянной скоростью, а флокулированные, которые могут быть естественного происхождения или искусственно полученными вследствие агломерации коллоидных веществ, осаждаются по-разному в зависимости от исходной концентрации частиц.

Если их концентрация флокул мала, то в верхних слоях воды осаждение каждого хлопка происходит индивидуально, но затем при столкновении и слипании частиц скорость осаждения увеличивается. Это явление носит название стесненного или флокулянтного осаждения.

При высокой концентрации флокул происходит совместное осаждение хлопьев с четко выраженной границей раздела фаз между верхним слоем жидкости и осадком. Такое осаждение называют зонным.

Теория осаждения гранулированных частиц основана на следующих представлениях. На частицу, находящуюся в состоянии покоя, действует гравитационная сила F_г, вследствие чего частица начинает двигаться вниз. Осаждению препятствуют силы сопротивления F_с, которые зависят от вязкости жидкости, массы, размера и формы частицы и скорости ее осаждения. Следовательно, вначале частица имела нулевую скорость, затем ее движение ускорилось и, спустя некоторое время t, она приобрела некоторую постоянную скорость  вследствие равновесия сил F_г и F_с.

Скорость  свободного падения в воде шарообразной частицы диаметром d под действием силы тяжести равна:

(3)

где d – диаметр шарообразной частицы, см;

_ч и _ж – плотность соответственно частиц взвеси и жидкости (воды), г/см³;

g – коэффициент свободного падения, см/с²;

С_ш – коэффициент сопротивления, связанный с числом Рейнольдса (Re) формулой

(4)

 ‑ коэффициент динамической вязкости воды, 10^‑1 Пас. Число Re символизирует отношение инерционных сил к силам динамической вязкости. Если оно мало, то преобладают силы вязкости, а если велико, то преобладают силы инерции.

В зависимости от гидродинамического режима формула (3) несколько видоизменяется.

1. При малых значениях числа Re (Re<2) обеспечивается ламинарный режим движения потока (малые частицы 10^‑1…10^‑4 мм, малая скорость осаждения). При этом на сопротивление движению частицы влияет только сила гравитации. Коэффициент сопротивления C_ш рассчитывается по формуле:

Формула (3) принимает вид уравнения Стокса:

(5)

В практике водоочистки осаждающаяся частица представляет собой комплекс веществ различной плотности, при этом формула Стокса принимает вид:

(5а)

где _Т1, _Т2, …, _Тn – плотности составляющих частиц, г/см³; W₁, _W2, …, W_n – их относительные объемы, см³.

2. При средних значениях числа Re (2<Re<50) наблюдается переходный между ламинарным и турбулентным режим движения потока. На скорость осаждения взвеси кроме вязкости влияют и инерционные силы. Коэффициент сопротивления C_ш вычисляется по формуле:

,

а формула (3) принимает вид уравнения Алена. Скорость осаждения частиц неправильной формы меньше скорости осаждения шарообразных частиц, что учитывается введением коэффициентом  (обычно составляет 1…3):

3. С увеличением скорости осаждения и размеров частиц (при Re>500) при обтекании их жидкостью возникает турбулентность (турбулентный режим движения потока). Силы вязкости уже не играют существенной роли в формировании величины коэффициента сопротивления С_ш, он уже не зависит от числа Re и принимается С_ш=0,4. Уравнение скорости свободного падения шарообразной частицы в этих условиях записывается:

Из структуры формул видно, что на скорость седиментации влияют диаметр частиц, разность плотностей частиц и воды, температура, от которой зависит вязкость, а также форма частиц.

Плотность взвешенных частиц, выделяющихся при очистке воды, отличается от табличных величин для соответствующих химических соединений из-за повышенной гидратации частиц в момент их образования.

Вещество	Плотность химического вещества, г/см3	Плотность гидратированных частиц (в процессах очистки воды) , г/см3
Гидроксид алюминия Al(OH)3 с веществами цветности с активир. кремниевой кислотой с глиной	2,42 ‑ ‑ ‑	1,016 1,035 1,06 1,180
Гидроксид железа Fe(OH)2	3,4	1,020
Карбонат кальция CaCO3	2,93	2,52

Строгого математического описания для флокуляционного осаждения нет. Есть ряд эмпирических формул, например, типа  = ptⁿ, Коэффициент n — это мера флокуляционных свойств суспензированных взвешенных частиц. Очевидно, для гранулированных частиц n=0. Для взвешенных веществ городских сточных вод n = 0,25.

В практике водоснабжения и канализации скорость осаждения, мм/с, при температуре воды 10° С называют гидравлической крупностью частиц и₀.

Из данных эксплуатации известно

‑ для маломутных (концентрация взвешенных веществ до 50 мг/л), но высокоцветных вод после коагулирования и₀=0,35…0,45 мм/с;

‑ для мутных вод с концентрацией более 250 мг/л после коагуляции и₀=0,5…0,6 мм/с;

‑ для этих же вод без коагуляции — и₀ не более 0,15 мм/с.

Для решения задач проектирования отстойных сооружений изучают зависимость =f(t), при этом высота столба воды в отстойном сосуде должна быть не менее 500 мм, а диаметр сосуда — не менее 100 мм. Эти условия обеспечивают возможность фиксирования эффекта слипания частиц и ускорения их падения при одновременном сведении к минимуму искажающего картину явления налипания частичек на стенки сосуда.

Для зонного осаждения, которое наблюдается при исходной концентрации взвешенных веществ более 1000 мг/л, закономерности осаждения описываются также эмпирическими формулами.

Способность активного ила к осаждению характеризуется иловым индексом, который определяется по объему ила, образующегося после 30-минутного отстаивания жидкости, содержащей 3 мг/л ила. иловый индекс ‑ соотношение между объемом (мл) ила и массой сухого вещества, содержащегося в 1 г ила. Так, при хорошей работе аэротенка иловый индекс составляет 100-120 мл/г. Повышение илового индекса да 150-200 мл/г свидетельствует о нарушении работы аэротенка.

При расчете эффективности отстаивания воды расчетным путем определяют исходную концентрацию взвешенных веществ:

С_исх = М + КД_к + 0,25 Ц + В,

где М – мутность, г/м³;

К – коэффициент перевода массы коагулянта в массу сухого осадка, образующегося при коагулировании (для очищенного сульфата алюминия К=0,5, для неочищенного К=1, для хлорного железа ‑ К=0,7);

Дк – доза коагулянта по безводному продукту, г/м³;

Ц – цветность исходной воды, град;

В – количество нерастворимых веществ, вводимых известью, г/м³.

Процессы отстаивания — наиболее широко применяемые процессы в любой системе очистки природных вод или бытовых и производственных стоков. В большинстве случаев отстаивание осуществляется в сооружениях не контактного, а проточного типа, что вносит существенные усложнения в расчетные формулы процесса. По структуре потока очистные сооружения условно делят на горизонтальные, радиальные, вертикальные. Особый интерес представляют сооружения с так называемыми вставками-модулями. Модули — это системы параллельных полок (каждая высотой 20—40 см), обеспечивающих чрезвычайно малый путь движения частицы до дна полки, что существенно увеличивает пропускную способность отстойного сооружения.