19. Смесители и камеры хлопьеобразования. Конструкция, выбор типа.

Чтобы химические реакции после введения реагентов проходили во всём объёме обрабатываемой воды, необходимо обеспечить быстрое и полное их перемешивание. Для этого применяются специальные устройства, называемые смесителями.

По принципу действия различают два вида смесителей:

1. Гидравлические, в которых смешение происходит за счёт энергии и турбулентности основного потока.

2. Механические, в которых смешение происходит за счёт турбулизации потока при помощи специальных устройств, использующих внешние источники энергии.

В любых типах смесителей смещение воды с реагентами должно быть обеспечено за 1 - 2 мин.

Механические смесители обеспечивают полное и быстрое смешение реагентов с водой независимо от колебания её расхода. Гидравлические смесители при расходах, меньших расчётных, не обеспечивают удовлетворительного смешения. Однако механические смесители представляют собой сложные и энергоёмкие механизмы, что существенно ограничивает их применение. Гидравлические смесители имеют простую конструкцию без подвижных частей, что способствует их широкому использованию.

К гидравлическим смесителям относятся:

• шайбовый (диафрагмовый);

• дырчатый;

• перегородчатый;

• коридорный;

• вихревой (вертикальный).

• ш айбового (диафрагмового) смесителя основан на том, что в трубопровод устанавливается диафрагма (шайба), которая является местным сопротивлением, создающим существенную турбулизацию потока. Перед шайбой по специальному трубопроводу от дозатора вводится раствор реагента, который за счёт вихрей хорошо перемешивается с основным потоком воды (рис.4.1). Соотношение диаметров шайбы (d) и трубопровода (D) подбирается таким, чтобы потеря напора в шайбе была в пределах 0,3 - 0,4 м. Расчёт ведётся по формуле

• , м³/с

• где Q - общий расход воды и раствора реагента;

• - коэффициент расхода, зависящий от соотношения диаметров, принимается по таблице в СНИП

• - площадь отверстия в шайбе, м²;

• g - ускорение свободного падения, м/с²;

• h - потеря напора в шайбе, м.

В некоторых случаях, когда подающий трубопровод имеет достаточное количество местных сопротивлений (повороты, тройники, изменение диаметра), обеспечивающих потери напора 0,3 - 0,4 м, можно использовать их для смешения воды с реагентами.

Дырчатый смеситель представляет собой железобетонный лоток 1 из двух отделений. В каждом отделении перпендикулярно потоку установлены три дырчатые перегородки с отверстиями в несколько рядов. В каждое отделение подводится вода по трубе 3 и реагент по трубе 4. Отвод смешанной с реагентом воды производится по трубе 5. В обход смесителя имеется обводная линия 6.

При истечении из отверстий в перегородках в потоке создается множество мелких интенсивных вихрей, которые способствуют перемешиванию воды с реагентом. Для предотвращения насыщения воды воздухом, который при дальнейшей обработке воды ухудшает выпадение взвеси, верхний ряд отверстий заглубляется под уровень воды на глубину 0,15-0,1 м. Скорость движения воды в отверстиях принимается равной 1 м/с.

Ширину отделения смесителя В определяют по скорости движения воды не менее 0,6 м/с. Расстояние между перегородками принимают (1-1,5)В.

Диаметр отверстий в перегородках зависит от производительности очистных сооружений и принимается в пределах от 20 до 100 мм.

Перегородчатый смеситель отличается от дырчатого только конструкцией перегородок. В железобетонном корпусе 1 устанавливаются три перегородки 2, которые имеют большие отверстия (проходы). При движении воды через отверстия происходит изменение направления движения потока, а повышение скорости в суженных местах создаёт интенсивные завихрения. Многократные изменения направления потока и завихрения в нём способствуют хорошему перемешиванию воды с реагентом.

Для предотвращения подсоса воздуха в воду верхние кромки проходов в перегородках должны заглубляться под уровень воды на 0,1 - 0,15 м. Ширина смесителя В определяют по скорости движения воды не менее 0,6 м/с. Расстояние между перегородками принимается равной двойной ширине лотка В. Скорость воды в проходах 1 м/с, при этом потери напора в каждом проходе составляют 0,1- 0,15 м.

К оридорный смеситель рекомендуется применять на очистных станциях большой производительности (более 300 тыс. м³/сут). Интенсивная турбулизация потока создаётся многократным изменением направления движения воды между перегородками смесителя. Количество перегородок 6-7. Расстояние между перегородками не менее 0,7 м. Размеры смесителя рассчитываются по скорости воды 0,6-0,9 м/с и времени пребывания воды в смесителе 1,5-2 мин.

Д ырчатый, перегородчатый и коридорный смесители (с горизонтальным движением потока воды) нецелесообразно применять при использовании в качестве реагента извести, так как частицы извести оседают в смесителе.

При производительности очистных сооружений более 2000-3000 м³/ч и при использовании любых реагентов, в том числе извести, следует применять вихревые (вертикальные смесители).

Вихревой смеситель представляет собой прямоугольный или круглый в плане железобетонный или стальной резервуар 1 с пирамидальным или коническим днищем. Угол между наклонными стенками составляет 30⁰-40⁰. Обрабатываемая вода подводится в смеситель 1 снизу по трубе 2. В эту трубу перед смесителем вводятся реагенты. Из трубы в смеситель вода выходит со скоростью 1,2 - 1,5 м/с и образует струю. Взаимодействие струи с потоком воды в смесителе, который тоже движется вверх с переменной скоростью из-за наклонных стенок, приводит к разрушению струи с образованием большого количества разнообразных вихрей. Эти вихри обеспечивают хорошее перемешивание воды и реагентов. Более того, если в смеситель попадают не растворившиеся частицы реагентов, например, извести, то в вертикальном смесителе обеспечивается их растворение. Крупная частица под действием силы тяжести стремится осесть на дно. Однако высокая скорость у дна увлекает её в верхнюю часть. В результате частица совершает многократные круговые движения, пока полностью не растворится.

О твод воды из смесителя производится через затопленные окна 3 в лоток 4 и далее по трубе 5 на дальнейшую обработку. Скорость движения воды на уровне отводных окон должна быть от 30 до 40 мм/с. Для отвода воды могут использоваться и другие устройства, например, перфорированные трубы или воронки. Важно чтобы отверстия были расположены под уровнем воды для предотвращения подсоса воздуха.

Время пребывания воды в смесителе 1,5 - 2 мин. Число смесителей - не менее двух. В обход смесителей делается обводная линия.

Механическое смешение с реагентами может осуществляться путём:

• подачи реагентов во всасывающий трубопровод центробежного насоса;

• применением механических мешалок.

Подача реагента во всасывающую трубу насоса рис. 4.6 возможна в том случае, когда время движения воды от насосной станции первого подъёма до очистных сооружений не превышает 2 - 3 мин (расстояние 150 - 200 м). Кроме того, из за коррозионной активности реагентов необходима химическая защита насосов.

В механических мешалках смешение воды с реагентами происходит при вращении электродвигателем вала с лопастями.

Преимущества мешалок перед гидравлическими смесителями:

• малые размеры;

• потери напора в мешалках незначительны, что позволяет заглублять последующие сооружения на 0,3 - 0,4 м меньше.

• возможность регулировать число оборотов мешалки, легко изменяя режим, достигая оптимального перемешивания- это главное преимущество.

Недостатки:

• необходимо сложное дополнительное механическое оборудование, которое нуждается в квалифицированном обслуживании;

• наличие подвижных частей снижает надёжность;

• на перемешивание 1000 м³ воды затрачивается 1 - 1,5 кВт-ч электроэнергии (примерно столько - же расходуется и в гидравлических смесителях).

Камеры хлопьеобразования

Для коагуляции коллоидных и взвешенных частиц в объеме воды, обработанном реагентами необходимо, чтобы частицы перемещались и сталкивались друг с другом; чем выше интенсивность перемешивания, тем выше вероятность столкновения частиц и, следовательно, их коагуляции. Казалось бы, в таком случае целесообразно создавать как можно более высокие скорости относительно перемещения частиц. Однако если эти скорости слишком большие, то образовавшиеся хлопья могут быть разбиты и измельчены. Поэтому оптимальными условиями хлопьеобразования является равномерное и медленное перемешивание, осуществляемое в специальных сооружениях, называемыми камерами хлопьеобразования (КХ).

По принципу действия КХ делятся на 2 вида:

1. гидравлические,

2. механические.

Гидравлические КХ классифицируют по конструкциям:

1. Водоворотные

2. Перегородчатые.

3. Вихревые.

4. Зашламленные КХ (или со слоем взвешенного осадка).

5. Гравийные КХ.

По компоновке КХ могут быть:

а) встроенные в отстойник,

б) отдельно-стоящие.

Если КХ отдельно-стоящие или примыкающие, а не встроенные в отстойники, необходимо принимать меры, чтобы не допускать разрушения хлопьев. Поэтому скорости в отводящих трубопроводах и каналах принимают не более: для мутных вод – 0,1 м/с, для цветных – 0,05 м/с. Разница в нормативах объясняется большей прочностью хлопьев, образующихся при коагулировании мутных вод, чем цветных.

Водоворотные КХ применяют в схемах с вертикальными отстойниками (при производительности станции до 5 тыс. м³/сут.). Вертикальные отстойники – прямоугольная в плане железобетонная емкость, в центре которой устроена водоворотная камера хлопьеобразования (рис. 5.1). Вода поступает от смесителей по трубопроводу 1 и выходит через неподвижные сопла в КХ по касательной. При этом создается вертикальный (направленный вниз) закрученный поток с хорошими условиями хлопьеобразования. На выходе из КХ установлены решетки (4) с ячейками 0,5х0,5 м для гашения вращательного движения. Затем вода движется вверх в зазоре между стенками КХ и отстойника, при этом происходит оседание хлопьев (главным образом, при повороте). Осветленная вода отводится периферийными желобами и трубопроводами, осадок отводится из нижней части отстойника.

Перегородчатые КХ могут быть с горизонтальным (рис.5.2) и вертикальным движением воды (рис.5.3). Промежуточные шиберы позволяют при необходимости выключать часть камеры. В нижней части КХ предусмотрена возможность сброса осадка.

С хема КХ с вертикальным движением воды представлена на рис.5.3. Перегородки такой камеры имеют отверстия для прохода воды вверху и внизу поочередно. В результате вода движется не только зигзагообразно по горизонтали, но и вверх-вниз, что создает хорошие условия хлопьеобразования.

Вихревая камера. Камеры хлопьобразования имеют наклонные стенки, из-за чего скорость потока уменьшается и вода движется как в диффузоре. При этом образуются вихри и интенсифицируется процесс хлопьеобразования. Вода с хлопьями собирается трубами 4, необходимыми для равномерной работы КХ. Через дырчатую перегородку 5 вода поступает в горизонтальный отстойник 6.

Рекомендации для проектирования.

1. Время пребывания – 6-10мин (нижний предел – мутные воды, верхний – цветные).

2. Скорости:

• входа в камеру – 0,7-1,2 м/с,

• восходящего потока на выходе их камеры – 4-5 мм/с,

• в сборных лотках -  0,1 м/с для мутных вод,  0,05 для цветных.

3. Угол между стенками КХ – 50-70⁰.

КХ зашламленного типа, встроенные в горизонтальный отстойник. Схема такой КХ представлена на рис.5.5.

Вода из смесителя поступает в систему распределительных перфорированных труб. Малые вертикальные скорости и большое время пребывания способствуют образованию крупных хлопьев, находящихся во взвешенном состоянии.

Во взвешенном слое хлопьев процесс коагуляции интенсифицируется – повышается вероятность столкновения частиц и сорбции загрязнений на хлопьях. Поэтому при применении таких КХ процесс отстаивания проходит лучше, что позволяет увеличить расчетные скорости осаждения взвеси на 25-30%. При этом уменьшается размер отстойников, падает их стоимость.

Для равномерного использования объема в КХ устанавливают вертикальные перегородки. Днище КХ делают коническим, в вершине каждого конуса находится распределительная перфорированная труба (канал). Такая конструкция днища предотвращает образование «мертвых » зон в промежутках между трубами распределительной системы и выпадение хлопьев в осадок в этих зонах. Вода со сформировавшимися хлопьями из КХ поступает в отстойник через затопленный водослив под подвесной перегородкой.

Р екомендации для проектирования.

1. Время пребывания воды - 20 мин.

2. Высота слоя взвешенного осадка - 3 м.

3. Скорости:

восходящего потока – 0,9-2,2 мм/с в зависимости от качества воды;

над стенкой 3 - 0,05м/с,

между 3 и 4 - 0,03м/с.

Рекомендации по проектированию гравийных КХ:

1. Высота гравия 0,7-1,0 м, крупность 30-70 мм.

2. Скорость восходящего потока – 2-4 мм/с (при высоких температурах – 6-10 мм/с).

3. Время пребывания – 2-8 мин.

Противопоказаниями для применения ГКХ являются:

1. Неудовлетворительное состояние защитных устройств водозаборных сооружений, когда на сооружения могут поступать щепа, рыба, водоросли.2. Развитие дрейссены.

3. Большое содержание нефтепродуктов.

С ущественным недостатком гравийных камер хлопьобразования является сложность очистки (отмывки) гравия, который периодически кольматируется.

В механических или лопастных КХ вода перемешивается с помощью лопастей на горизонтальной или вертикальной оси (рис. 5.7.).

Время пребывания в механических КХ - 20-40 мин. в зависимости от качества исходной воды. Лопасти вращаются с линейными (окружными) скоростями 20-75 см/с, причем желательно, чтобы к концу камеры скорости вращения были меньше, чем в начале для предохранения хлопьев от разрушения. Зазор между лопастями и перегородками (стенками) – не более 25 м. Площадь лопасти должна быть не более 15-20% площади поперечного сечения потока. При этом вращается не вся масса воды, а лишь ее часть, что обеспечивает необходимый градиент скорости и улучшает условия хлопьеобразования.

Преимуществом механических КХ перед гидравлическими является:

1. Возможность изменения режима перемешивания при необходимости с целью получения оптимальных условий хлопьеобразования.

2. Меньшие потери напора (в КХ гидравлического типа потери порядка 0,4-0,5 м),что значительно облегчает проектирование высотной схемы и удешевляет комплекс, если рельеф площадки плоский.

Н едостатком механических КХ является сложность устройства и эксплуатации, необходимость дополнительного оборудования (мешалки, электродвигатели и т.п.) и меньшая надежность работы из-за этого. Однако возможность управлять процессом являются главной причиной, по которой за рубежом механические камеры используются исключительно широко.