§ 22. Очистка сточных вод от механических примесей

Очистка сточных вод от механических примесей в зависимости от их свойств, концентрации и фракционного состава на машиностроительных предприятиях осуществляется методами процеживания, отстаивания, отделения механических частиц в поле действия центробежных сил и фильтрования.

Процеживание - первичная стадия обработки стоков; 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 их через решетки и волокноуловители.

Решетки изготавливаются из металлических стержней с зазором между ними, равным 5 ÷ 25 мм, и устанавливаются в коллекторах сточных вод вертикально или под углом 60 ÷ 70° к горизонту. 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 решеток сводится к определению числа прозоров решетки, ее ширины и потерь напора сточной воды на решетке.

Число прозоров n=l,05[Qv/(bhω)], где Qv - объемный расход сточной воды; b - ширина прозора; Н - глубина коллектора; ω - скорость движения сточной воды в прозорах.

Отстаивание предназначено для выделения из сточной воды нерастворимых и частично коллоидных механических загрязнений минерального и органического происхождения. Этот процесс основан на закономерностях осаждения твердых частиц в жидкости. При этом может иметь место свободное осаждение неслипающихся частиц, которые в процессе осаждения не коагулируют, сохраняя свои формы и размеры, и осаждение частиц, склонных к коагулированию и изменяющих при этом свою форму и размеры. Закономерности свободного осаждения частиц практически сохраняются при объемной концентрации осаждающихся частиц до 1%, что соответствует их массовой концентрации до 2,6 кг/м³ (для частиц с плотностью, равной 2600 кг/м³). Массовые концентрации механических загрязнений сточных вод машиностроительных предприятий обычно не превышают 10 кг/м³.

Расчет отстойников производственных сточных вод требует определения скорости осаждения (скорости витания) твердых частиц в жидкости. Скорость осаждения WB может быть получена решением уравнения Стокса для движения сферической частицы в жидкости с учетом влияния силы гидравлического сопротивления, массовых сил и силы Архимеда:

Отделение механических примесей в поле действия центробежных сил осуществляется в открытых или напорных гидроциклонах, многоярусных гидроциклонах и центрифугах.

Открытые гидроциклоны применяют для отделения из сточных вод крупных механических частиц со скоростью осаждения более 0,02 м/с. Преимущества открытых гидроциклонов перед напорными - большая производительность и малые потери напора, не превышающие 0,5 Па. Эффективность очистки сточных вод от механических примесей в гидроциклонах зависит от характеристик загрязнений (вида материала, размеров и формы частиц и др.), а также от конструкционных и геометрических характеристик самого гидроциклона.

На рис. 48 представлена схема открытого гидроциклона, состоящего из входного патрубка 1, кольцевого водослива 2, трубы для отвода очищенной воды 3 и шламоотводящей трубы 4. Кроме указанной схемы известны гидроциклоны с нижним отводом очищенной воды и циклоны с внутренней цилиндрической перегородкой.

Рис. 48. Схема открытого гидроциклона

Производительность открытого гидроциклона Q_v=0,785qD², где D - диаметр цилиндрической части гидроциклопа; q - удельный расход воды, определяемый по формуле q=4,32ω_B; для открытых гидроциклонов с внутренней цилиндрической перегородкой q=7,15ω_B.

При проектировании открытых гидроциклонов рекомендуются следующие значения геометрических характеристик: D=2 ÷ 10 м; высота цилиндрической части H=D; диаметр входного отверстия d=0,1D (при одном отверстии), при двух входных отверстиях d=0,0707D; угол конической части α=60°.

Напорные гидроциклоны (рис. 49) применяют для выделения из сточных вод механических частиц со скоростью осаждения менее 0,02 м/с. Производительность напорных гидроциклонов Qv= kDd √(2 Δp/р), где р - плотность очищаемой сточной воды; k - опытный коэффициент, равный 0,524 для гидроциклонов с диаметром цилиндрической части 0,125 ÷ 0,6 м и углом конической части, равным 30°.

Рис. 49. Схема напорного гидроциклона: 1 - входной патрубок; 2 - труба для отвода воды; 3 - труба для отвода шлама

Многоярусные гидроциклоны по принципу выделения механических частиц из жидкости аналогичны напорным гидроциклонам. Устройство в камере гидроциклонов нескольких секций (ярусов), через которые последовательно проходит очищаемая сточная вода, позволяет более полно использовать объем гидроциклона и уменьшить время пребывания жидкости в циклоне. Величина удельного расхода воды через многоярусные гидроциклоны изменяется в пределах 0,00028 ÷ 0,0056 м³/(м²•с).

Для очистки от механических примесей больших объемов сточных вод используют центрифуги, где отделение примесей происходит в поле действия центробежных сил. Центрифуги применяют в химической, нефтеперерабатывающей и целлюлозно-бумажной промышленности. В практике очистки сточных вод машиностроительных предприятий их применяют редко.

Фильтрование сточных вод предназначено для очистки их от тонкодисперсных механических загрязнений с небольшой концентрацией. Процесс фильтрования применяется также после физико-химических и биологических методов очистки, так как некоторые из этих методов сопровождаются выделением в очищаемую жидкость механических загрязнений.

Для очистки сточных вод машиностроительных предприятий используются два класса фильтров: зернистые, в которых очищаемую жидкость пропускают через насадки несвязанных пористых материалов, и микрофильтры, фильтроэлементы которых изготовлены из связанных пористых материалов.

К фильтрам предъявляют следующие требования: фильтрование должно осуществляться в направлении уменьшения размера частиц фильтроматериала; колебания расхода очищаемой жидкости не должны превышать 15% (при постоянном перепаде давлений на фильтре); в конструкции фильтров необходимо предусматривать устройства для их регенерации и удаления загрязняющих веществ; фильтроматериалы должны иметь высокие физико-механические свойства (прочность, пластичность), химическую стойкость, невысокую стоимость и т. п.

В зернистых фильтрах широко используют в качестве фильтроматериалов кварцевый песок, дробленый шлак, гравий, антрацит и т. п. Зернистые фильтры изготавливают однослойными и многослойными. Схема каркасно-насыпного фильтра (рис. 50), в котором в качестве фильтроматериала применяется гравий и песок, предусматривает его регенерацию промывкой обратным потоком чистой воды или сжатого воздуха. Скорость фильтрования жидкости в таком фильтре составляет 0,0014-0,002 м/с для сточной воды, поступающей в фильтр из циклона, отстойника и т. п. Для сточной воды, поступающей в фильтр после биологической очистки,- не более 0,0028 м/с.

Рис. 50. Схема каркасно-насыпного фильтра: 1 - поддерживающий слой гравия; 2 - перфорированное днище; 3 - коллектор подвода очищаемой воды; 4 - труба подачи сжатого воздуха; 5 - гравий; 6 - песок; 7 - труба подачи воды; 8 - отвод очищенной воды

На рис. 51 представлена схема автоматического зернистого фильтра 59247 для очистки сточных вод сталеплавильных цехов. При открытых задвижках 6 и 8 щаемая вода поступает по трубе 1 на фильтроматериал 3, фильтруется по высоте слоя, проходит через поддерживающую решетку 2 и по трубе 5 удаляется из фильтра. Фильтр регенерируется промывкой обратным потоком чистой воды при открытых задвижках 7 и 9. В зависимости от высоты слоя фильтрующего материала (0,46; 0,86 и 1,06 м) к трубе 1 подсоединяется дополнительная насадка 4. Фильтр работает при давлении на входе до 0,6 МПа; имеет производительность 0,056 м³/с. Высота и диаметр фильтра составляют соответственно 3,32 и 2 м.

Рис. 51. Схема зернистого фильтра

Лучшими характеристиками обладают комбинированные фильтры, в которых процесс фильтрования объединяется с другими методами очистки сточных вод от механических загрязнений. На рис. 52 представлена схема комбинированного фильтра для очистки сточной воды от механических загрязнений с размером частиц от 0,001 до 10 мм. Очищаемая вода подается через трубу 1 тангенциально в емкость 2, в которой за счет вращения потока отделяются наиболее крупные частицы. Шлам из емкости удаляется по трубопроводу 4. Частично очищенная вода переливается через верхний уровень емкости 2 и поступает в зернистый фильтр 6, в котором происходит более тонкая очистка. Дренажное устройство 5 предназначено для сбора шлама при промывке фильтра. Комбинированный фильтр можно использовать и для очистки воды от масла, которое накапливается в верхней зоне фильтра и удаляется затем по трубе 3.

Рис. 52. Схема комбинированного фильтра

Для выделения из сточных вод механических загрязнений с размерами частиц менее 0,01 мм применяют микрофильтры, в которых фильтрующий элемент изготавливают из одного или нескольких слоев металлических сеток с размером ячейки (2 ÷ 4)•10^-5 м, или из тканей.

Для очистки сточных вод машиностроительных предприятий обычно применяют барабанные или пластинчатые конструкции микрофильтров.

Гидравлический расчет микрофильтров сводится к определению площади фильтра при заданных значениях перепада давлений на фильтре и тонкости очистки сточной воды. Порядок расчета фильтров изложен в работе [3].

Отделение механических примесей в поле действия центробежных сил осуществляется в открытых или напорных гидроциклонах, многоярусных гидроциклонах и центрифугах.

Открытые гидроциклоны применяют для отделения из сточных вод крупных механических частиц со скоростью осаждения более 0,02 м/с. Преимущества открытых гидроциклонов перед напорными - большая производительность и малые потери напора, не превышающие 0,5 Па. Эффективность очистки сточных вод от механических примесей в гидроциклонах зависит от характеристик загрязнений (вида материала, размеров и формы частиц и др.), а также от конструкционных и геометрических характеристик самого гидроциклона.

На рис. 48 представлена схема открытого гидроциклона, состоящего из входного патрубка 1, кольцевого водослива 2, трубы для отвода очищенной воды 3 и шламоотводящей трубы 4. Кроме указанной схемы известны гидроциклоны с нижним отводом очищенной воды и циклоны с внутренней цилиндрической перегородкой.

Рис. 48. Схема открытого гидроциклона

Производительность открытого гидроциклона Q_v=0,785qD², где D - диаметр цилиндрической части гидроциклопа; q - удельный расход воды, определяемый по формуле q=4,32ω_B; для открытых гидроциклонов с внутренней цилиндрической перегородкой q=7,15ω_B.

При проектировании открытых гидроциклонов рекомендуются следующие значения геометрических характеристик: D=2 ÷ 10 м; высота цилиндрической части H=D; диаметр входного отверстия d=0,1D (при одном отверстии), при двух входных отверстиях d=0,0707D; угол конической части α=60°.

Напорные гидроциклоны (рис. 49) применяют для выделения из сточных вод механических частиц со скоростью осаждения менее 0,02 м/с. Производительность напорных гидроциклонов Qv= kDd √(2 Δp/р), где р - плотность очищаемой сточной воды; k - опытный коэффициент, равный 0,524 для гидроциклонов с диаметром цилиндрической части 0,125 ÷ 0,6 м и углом конической части, равным 30°.

Рис. 49. Схема напорного гидроциклона: 1 - входной патрубок; 2 - труба для отвода воды; 3 - труба для отвода шлама

Многоярусные гидроциклоны по принципу выделения механических частиц из жидкости аналогичны напорным гидроциклонам. Устройство в камере гидроциклонов нескольких секций (ярусов), через которые последовательно проходит очищаемая сточная вода, позволяет более полно использовать объем гидроциклона и уменьшить время пребывания жидкости в циклоне. Величина удельного расхода воды через многоярусные гидроциклоны изменяется в пределах 0,00028 ÷ 0,0056 м³/(м²•с).

Для очистки от механических примесей больших объемов сточных вод используют центрифуги, где отделение примесей происходит в поле действия центробежных сил. Центрифуги применяют в химической, нефтеперерабатывающей и целлюлозно-бумажной промышленности. В практике очистки сточных вод машиностроительных предприятий их применяют редко.

Фильтрование сточных вод предназначено для очистки их от тонкодисперсных механических загрязнений с небольшой концентрацией. Процесс фильтрования применяется также после физико-химических и биологических методов очистки, так как некоторые из этих методов сопровождаются выделением в очищаемую жидкость механических загрязнений.

Для очистки сточных вод машиностроительных предприятий используются два класса фильтров: зернистые, в которых очищаемую жидкость пропускают через насадки несвязанных пористых материалов, и микрофильтры, фильтроэлементы которых изготовлены из связанных пористых материалов.

К фильтрам предъявляют следующие требования: фильтрование должно осуществляться в направлении уменьшения размера частиц фильтроматериала; колебания расхода очищаемой жидкости не должны превышать 15% (при постоянном перепаде давлений на фильтре); в конструкции фильтров необходимо предусматривать устройства для их регенерации и удаления загрязняющих веществ; фильтроматериалы должны иметь высокие физико-механические свойства (прочность, пластичность), химическую стойкость, невысокую стоимость и т. п.

В зернистых фильтрах широко используют в качестве фильтроматериалов кварцевый песок, дробленый шлак, гравий, антрацит и т. п. Зернистые фильтры изготавливают однослойными и многослойными. Схема каркасно-насыпного фильтра (рис. 50), в котором в качестве фильтроматериала применяется гравий и песок, предусматривает его регенерацию промывкой обратным потоком чистой воды или сжатого воздуха. Скорость фильтрования жидкости в таком фильтре составляет 0,0014-0,002 м/с для сточной воды, поступающей в фильтр из циклона, отстойника и т. п. Для сточной воды, поступающей в фильтр после биологической очистки,- не более 0,0028 м/с.

Рис. 50. Схема каркасно-насыпного фильтра: 1 - поддерживающий слой гравия; 2 - перфорированное днище; 3 - коллектор подвода очищаемой воды; 4 - труба подачи сжатого воздуха; 5 - гравий; 6 - песок; 7 - труба подачи воды; 8 - отвод очищенной воды

На рис. 51 представлена схема автоматического зернистого фильтра 59247 для очистки сточных вод сталеплавильных цехов. При открытых задвижках 6 и 8 щаемая вода поступает по трубе 1 на фильтроматериал 3, фильтруется по высоте слоя, проходит через поддерживающую решетку 2 и по трубе 5 удаляется из фильтра. Фильтр регенерируется промывкой обратным потоком чистой воды при открытых задвижках 7 и 9. В зависимости от высоты слоя фильтрующего материала (0,46; 0,86 и 1,06 м) к трубе 1 подсоединяется дополнительная насадка 4. Фильтр работает при давлении на входе до 0,6 МПа; имеет производительность 0,056 м³/с. Высота и диаметр фильтра составляют соответственно 3,32 и 2 м.

Рис. 51. Схема зернистого фильтра

Лучшими характеристиками обладают комбинированные фильтры, в которых процесс фильтрования объединяется с другими методами очистки сточных вод от механических загрязнений. На рис. 52 представлена схема комбинированного фильтра для очистки сточной воды от механических загрязнений с размером частиц от 0,001 до 10 мм. Очищаемая вода подается через трубу 1 тангенциально в емкость 2, в которой за счет вращения потока отделяются наиболее крупные частицы. Шлам из емкости удаляется по трубопроводу 4. Частично очищенная вода переливается через верхний уровень емкости 2 и поступает в зернистый фильтр 6, в котором происходит более тонкая очистка. Дренажное устройство 5 предназначено для сбора шлама при промывке фильтра. Комбинированный фильтр можно использовать и для очистки воды от масла, которое накапливается в верхней зоне фильтра и удаляется затем по трубе 3.

Рис. 52. Схема комбинированного фильтра

Для выделения из сточных вод механических загрязнений с размерами частиц менее 0,01 мм применяют микрофильтры, в которых фильтрующий элемент изготавливают из одного или нескольких слоев металлических сеток с размером ячейки (2 ÷ 4)•10^-5 м, или из тканей.

Для очистки сточных вод машиностроительных предприятий обычно применяют барабанные или пластинчатые конструкции микрофильтров.

Гидравлический расчет микрофильтров сводится к определению площади фильтра при заданных значениях перепада давлений на фильтре и тонкости очистки сточной воды. Порядок расчета фильтров изложен в работе [3].

Для очистки концентрированных маслосодержащих сточных вод машиностроительных предприятий, например стоков охлаждающих жидкостей металлорежущих станков, широко применяется обработка сточных вод специальными реагентами, способствующими коагуляции загрязнений в эмульсиях. В качестве реагентов используются Na₂CO₃, H₂SO₄, NaCl, A1₂(SO₄)₃, смесь NaCl и A1₂(SO₄)₃ и др.

Очитску сточных вод от маслопримесей с повышенной вязкостью и большой плотностью производят в гидроциклонах, принцип действия и характеристики которых описаны в § 22.

Очистка сточных вод от маслопримесей флотацией заключается в интенсификации процесса всплывания маслопродуктов, жиров при обволакивании их частиц пузырьками воздуха, подаваемого в сточную воду. В основе этого процесса лежит молекулярное слипание частиц масла и пузырьков тонкодиспергированного в воде воздуха. Образование агрегатов «частица - пузырьки воздуха» зависит от интенсивности их столкновений друг с другом, химического взаимодействия находящихся в воде веществ, избыточного давления воздуха в сточной воде и т. п.

В зависимости от способа образования пузырьков воздуха различают несколько видов флотации: напорная, пневматическая, пенная, химическая, биологическая, электрофлотация и т. д.

Наибольшее применение в системах очистки сточных вод получили установки напорной флотации (рис. 54). Загрязненная сточная вода по трубе 1 поступает в приемный резервуар 2, откуда по всасывающей трубе 3 с помощью насоса 5 подается в сатуратор 6. Через трубу 4 в сточную воду поступает сжатый воздух с расходом не менее 3% от объемного расхода сточной воды. В сатураторе происходит перемешивание воды с воздухом. Этот процесс протекает при избыточном давлении 30-50 Па, время пребывания жидкости в сатураторе 2-3 мин. Из сатуратора смесь воды с воздухом отводится по трубе и через сопла 8 направляется во флотационную камеру 7, в которой происходит всплывание на поверхность камеры агрегатов «маслопримесь - частицы воздуха». Для удаления масло-продуктов предусмотрен пеносборник 9, а очищенная сточная вода удаляется по трубе 10. Эффективность очистки сточных вод от маслопримесей в таких установках достигает 0,85-0,95.

Очистка сточных вод от маслосодержащих примесей фильтрованием - заключительный этап очистки. Это объясняется тем, что концентрация маслопродуктов в сточной воде на выходе из отстойников или гидроциклонов составляет 0,05 ÷ 2 кг/м³ и значительно превышает допустимые концентрации маслопродуктов в водоемах.

Адсорбция масел (как и любых нефтепродуктов) на поверхности фильтроматериала происходит за счет сил межмолекулярного взаимодействия и ионных связей. Существенное влияние на процесс осаждения масло-продуктов на фильтроматериал имеют электрические явления, происходящие на поверхности раздела кварц - водная среда, связанные с возникновением разности электрических потенциалов на этой поверхности и образованием двойного электрического слоя. На процесс адсорбции маслопродуктов влияют также и поверхностно-активные вещества (ПАВ), содержащиеся в сточной воде. Анионы ПАВ ориентированно скрепляются с поверхностью кварца через катионы металлов, как правило, находящихся на поверхности кварца. В результате этого частица кварца становится гидрофобной, что способствует осаждению на ней пленок масла. На процесс адсорбции масла влияет и взаимодействие капель масла с растворенным в воде кислородом, в результате чего образуются оксиды масла, адсорбционная способность которых значительно выше, чем у капель масла. Кроме указанных физико-химических факторов на процесс осаждения влияет скорость и направление фильтрования. При повышенных скоростях сближения капель масла с поверхностью фильтроматериала интенсивность адсорбции понижается. Исследования процессов фильтрования сточных вод, содержащих маслопримеси, показали, что кварцевый песок - лучший фильтроматериал. Применение реагентов повышает эффективность очистки, однако при этом значительно возрастает стоимость очистных сооружений и усложняется процесс их эксплуатации. Образующийся при этом осадок требует дополнительных устройств для его переработки.

В качестве фильтрующих материалов кроме кварцевого песка используют доломит, керамзит, глауконит. Эффективность очистки сточных вод от маслосодержащих примесей значительно повышается при добавлении волокнистых материалов (асбеста и отходов асбестоцементного производства).