1.3. Флотационные уплотнители

Флотационное уплотнение (сгущение) позволяет предотвратить загнивание активного ила, сократить продолжительность его первичной обработки и уменьшить объемы сооружений. При наличии резервуара – регулятора расхода осадка из первичных отстойников возможно совместное уплотнение избыточного активного ила и указанного осадка. В то же время, для сокращения объема означенного резервуара, лучшего уплотнения смеси, улучшения ее структуры и снижения удельного сопротивления в данный резервуар целесообразно подавать промывную воду от скруберов газоочистки после термической сушки осадков, фильтрат от вакуум – фильтров и фильтр-прессов, а так же промывную воду от регенерации фильтрованной ткани этих фильтров. Кроме того, разработана технология очистки сточных вод с совместным уплотнением осадка первичных отстойников и активного ила, предусматривающая обработку такой смеси с содержанием сточной воды 5 % и более от общего количества активного ила.

Как правило, уплотнение осуществляется методом напорной флотации с использованием рабочей жидкости или с непосредственным насыщением уплотняемой суспензии воздухом. Наибольший эффект достигается при применении напорной флотации с насыщением воздухом рециркулирующей рабочей жидкости, в качестве которой обычно используют образующийся в процессе уплотнения или обезвоживания фугат.

Поэтому далее рассматрим методику расчета флотационной установки, работающей по указанному принципу. Принципиальная схема такой установки представлена на рис. 5.

В практике уплотнения избыточных илов, осадков из первичных отстойников или их смесей обычно используют флотаторы радиального типа, имеющие круглую форму в плане. Наиболее распространенная конструкция этих сооружений представлена на рис. 6.

Расчет флотаторов начинают с определения необходимого удельного содержания воздуха в уплотняемой субстанции, м³/м³,

,(55)

где: h₁– рабочая глубина флотатора (глубина зоны флотации),h₁ = 1…3 м;

B_p– удельное количество растворенного воздуха, выделившегося при снижении давления с уровня давления насыщения до уровня рабочего давления в флотаторе, м³/м³;

f_р– степень насыщения уплотняемой суспензии воздухом в зависимости от давления насыщения и температуры, доли единицы,f_р = 0,5…0,8;

Р_н– давление насыщения рабочей жидкости воздухом, Р_н = 0,2…0,8 Мпа;

Р_ф– рабочее давление во флотаторе, Р_ф = 0,1 Мпа;

С_н– начальная концентрация сухого вещества в уплотняемой суспензии, кг/м³.

Удельное количество растворенного воздуха, выделившегося при снижении давления от уровня давления насыщения Р_ндо уровня рабочего давления во флотаторе Р_фопределяется с помощью монограммы растворимости воздуха в активном иле в зависимости от давления и температуры (рис. 7) как разница количеств растворенного газа при указанных давлениях с учетом степени насыщенияf_р, т.е.:

, (56)

здесь: B_н– растворимость воздуха в активном иле при давлении насыщения рабочей жидкости воздухом Р_ни принятой температуре, м³/м³;

В_ф– растворимость воздуха при рабочем давлении во флотаторе Р_ри принятой температуре, м³/м³.

I– осадок из первичных отстойников;II– избыточный активный ил;III– смесь избыточного активного ила и осадка из первичных отстойников, (уплотняемая суспензия);IV– рециркулирующая рабочая жидкость;V– газонасыщенная рабочая жидкость;VI– уплотненная смесь избыточного активного ила и осадка из первичных отстойников (уплотненная суспензия);VIII– избыточное количество фугата.

1 – резервуар-регулятор расхода осадка из первичных отстойников; 2 – насос подачи осадка из первичных отстойников; 3 – насос подачи избыточного активного ила; 4 – резервуар-смеситель; 5 – насос подачи уплотняемой суспензии; 6 – флотационная камера (флотатор); 7 – резервуар-накопитель рабочей жидкости (фугата); 8 – компрессор; 9 – сатуратор; 10 – рециркуляционный насос рабочей жидкости.

Начальная концентрация сухого вещества в уплотняемой суспензии, кг/м³,

, (57)

при чем: С₀– концентрация сухого вещества в осадке из первичных отстойников, кг/м³;

Q₀– расход осадка из первичных отстойников, м³/сут;

С_и– концентрация ила по сухому веществу в избыточном активном иле, кг/м³;

Q_и– расход избыточного активного ила, м³/сут.

Концентрация сухого вещества в осадке, кг/м³,

, (58)

где: С – концентрация взвешенных веществ в сточной воде, поступающей в первичные отстойники, мг/л;

Э – эффективность задержания взвешенных веществ в первичных отстойниках, в долях единицы;

К – коэффициент, учитывающий увеличение объема осадка за счет крупных фракций взвешенных веществ, неулавливаемых при отборе проб для анализа, К = 1,1…1,2.

Примечание.Удельное содержание воздуха в уплотняемой суспензии, рассчитанное на формуле (55), должно составлять не менее 0,03 м³/м³. Если это условие не выполняется, то следует скорректировать принятые технологические параметры флотационной установки.

После вычисления величины W_рнеобходимо определить расход рециркулирующей рабочей жидкости, м³/сут:

,(59)

при чем, Q_y – суточный расход уплотняемой суспензии, м³/сут.

Тогда, полный расход жидкости, поступающей во флататор будет равен, м³/сут,

. (60)

Гидравлическая нагрузка на флататор составит, м³/м²ч,

, (61)

где: V_ур - удельный объем разреженного слоя смеси уплотняемой суспензии и рабочей жидкости, м³/м²;

t_р– продолжительность разряжения, ч (как правило, принимается равной 10 мин).

Удельный объем разряженного слоя V_урпредставляет собой часть удельного объема зоны флотации, приходящегося на 1 м² площади зеркала указанной зоны, соответствующая продолжительности разряженияt_рпри принятой продолжительности флотации, следовательно он может быть рассчитан по формуле, м³/м²:

, (62)

здесь, t_ф– принятая продолжительность флотации,t_ф=0,71,0 ч.

Рабочая площадь флотатора, м²,

, (63)

при чем, Q_ч– полный часовой расход жидкости, поступающей во флотатор, равный, при условии равномерного поступления уплотняемой суспензии, что обеспечивается за счет использования резервуара-регулятора расхода осадка из первичных отстойников, м³/ч,

; (64)

n– число рабочих флотаторов.

Диаметр зоны флотации, м,

. (65)

Диаметр зоны осаждения, м,

, (66)

где: v_о- скорость движения отводимой из флотатора жидкости в вертикальном кольцевом канале,v_о30 мм/с.

Q_o– расход отводимой из флотатора жидкости, м³/ч;

Расход отводимой из флотатора жидкости определяется как сумма расходов отделяемой от уплотняемой суспензии и рабочей жидкостей, т.е.

, (67)

здесь: Q_у– расход отделяемой от уплотняемой суспензии жидкости, м³/ч, определяемой по формуле (10) при условии, чтоW₂ = 94,596,5 %.

Примечание:Диаметр зоны осажденияD_о, как определяющий габаритный размер флотатора, не должен превышать 12 м. Если это условие не выполняется, следует скорректировать число рабочих флотаторов.

Диаметр трубопровода для отвода жидкости из флотатора, м,

, (68)

где, v_ж– скорость движения отводимой из флотатора жидкости в трубопроводе, принимаемая: 0,81,0 м/с – при безнапорном режиме движения и 3 м/с - при напорном режиме движения.

Ширина водоотводящего лотка, м,

, (69)

здесь: k_л–коэффициент запаса,k_л = 1,1…1,25.

Диаметр водоотводящего лотка, м,

. (70)

Глубина жидкости в указанном лотке, м,

, (71)

при чем, v_л– скорость движения жидкости в лотке,v_л = 0,81,0 м/с.

Глубина рассматриваемого лотка, м,

. (72)

Расход уплотненной суспензии из флотаторов, м³ /ч,

. (73)

Наружный диаметр пеносборного лотка, м,

, (74)

здесь, k_п– коэффициент пропорциональности,k_п = 0,850,90.

Диаметр трубопровода для удаления уплотненной суспензии из флотатора, м,

, (75)

здесь, v_y– скорость движения уплотненной суспензии в трубопроводе,v_y = 0,080,10 м/с.

Ширина пеносборного лотка, м,

. (76)

Глубина уплотненной суспензии в пеносборном лотке, м,

. (77)

Высоты внутреннего и наружного бортов пеносборного лотка, м,

, (78)

, (79)

при чем: h- высота запаса,h= 0,10,2 м;

h₄– высота борта флотатора,h₄= 0,30,5 м.

Внутренний диаметр пеносборного лотка, м,

. (80)

Диаметр вращающегося скребка, м,

, (81)

здесь, k_ск = 0,950,98.

Диаметр трубопровода подач уплотняемой суспензии во флотатор, м,

, (82)

где, v'_у– скорость движения уплотняемой субстанции в трубопроводе,v'_y = 3 м/с.

Диаметр трубопровода подачи воздухонасыщенной рабочей жидкости во флотатор, м,

, (83)

здесь, v_р– скорость движения рабочей жидкости в трубопроводе,v_р = 3 м/с.

Для равномерного распределения уплотняемой суспензии и воздухонасыщенной рабочей жидкости по площади флотатора в основном используют распределительные системы, состоящие из перфорированных распределительных труб. При чем, расположение этих труб может быть различным, например, по концентрическим окружностям, в виде веера и т.д. Наиболее часто используют кресто- или звездообразное размещение распределительных труб. Поэтому рассмотрим только эти два варианта. Они отличаются друг от друга только количеством распределительных перфорированных труб (рис. 8), при чем в при крестообразном расположении – их четыре, при звездообразном – более четырех и, как правило, четное количество.

Диаметры цанг распределительных систем уплотняемой суспензии и воздухонасыщенной рабочей жидкости, м,

, (84)

, (85)

где, k_ц – коэффициент запаса, k_ц = 1,351,5.

Примечание: Высота цанги принимается не менее ее диаметра.

Диаметр перфорированных распределительных труб, м,

, (86)

, (87)

здесь: n_р и n_p – количество перфорированных распределительных труб, принимаются не менее четырех.

Для подсоединения распределительных труб к цангам необходимо чтобы длина окружности цанги была больше суммы диаметров этих труб, т.е.

, (88)

. (89)

Примечание: Если условия (88) и (89) не выполняются, следует скорректировать диаметр цанги.

Диаметр распределительных систем, м,

, (90)

при чем, k_р – коэффициент пропорцианальности, k_р = 0,750,9.

Длина распределительных труб рассматриваемых систем, м,

, (91)

. (92)

Число отверствий в распределительных перфорированных трубах, как правило, должно быть четным. При этом, отверстия располагаются в нижней части распределительных труб под углом 45⁰ к вертикали для системы распределения уплотняемой суспензии, а для системы распределения воздухонасыщенной рабочей жидкости – в верхней части означенных труб также под углом 45⁰ к вертикали. Такое расположение отверстий обеспечивает движение уплотняемой суспензии и рабочей жидкости навстречу друг другу, что значительно увеличивает эффективность образования флотокомплексов, и, следовательно, эффективность работы флотатора.

Число отверствий в распределительных трубах определяется по формулам:

, (93)

, (94)

где: d₀ – диаметр отверствий, м, d₀=24 мм;

v_o – скорость выхода уплотняемой суспензии из отверствий распределительных труб, v_о = 0,71,0 м/с;

v_о – скорость выхода воздухонасыщенной рабочей жидкости из отверствий распределительных труб, v_о = 1,82,3 м/с.

Расстояние между отверствиями по длине распределительных труб, м,

, (95)

. (96)

Распределительные трубы системы распределения воздухонасыщенной рабочей жидкости устанавливаются выше верхней границы зоны осаждения не менее чем на 0,1 м, а распределительные трубы системы распределения уплотняемой суспензии располагают на глубине, составляющей 0,75 от глубины зоны флотации h₁. При этом, расстояние между этими системами должно быть не менее высоты разреженного слоя h_ур, которая численно равна величине удельного объема этого слоя, определяемой по формуле (62).

Объем зоны осаждения флотатора рассчитывается исходя из условия пребывания в ней смеси уплотняемой суспензии и рабочей жидкости в течение 510 мин. Таким образом, он будет равен, м³,

, (97)

где: t_o – продолжительность пребывания смеси уплотняемой суспензии и рабочей жидкости в зоне осаждения, ч.

Зона осаждения состоит из цилиндрической и конической частей и приямка.

Размеры приямка определяются исходя из условий размещения трубопровода подачи во флотатор воздухонасыщенной рабочей жидкости и трубопровода опорожнения флотатора.

Диаметр приямка D_пр следует принимать не менее 0,5 м, при этом он должен быть не менее чем в 2 раза большим диаметра трубопровода подачи рабочей жидкости D_в. Высота приямка h_пр должна быть не менее чем в 2 раза большей диаметра трубопровода для опорожнения флотатора d₀, при этом ее следует принимать равной 0,5…1,0 м.

Диаметр трубопровода опорожнения флотатора, м,

, (98)

где: t'_о – продолжительность опорожнения флотатора, t'_о = 0,5…2,0 ч;

v_о – скорость движения жидкости в трубопроводе, v_о = 3 м/с.

Объем приямка, м³,

. (99)

Высота конической части зоны осаждения, м,

, (100)

здесь, i – уклон днища флотатора, i = 0,05.

Объем этой части, м³,

.(101)

Объем цилиндрической части зоны осаждения, м³,

. (102)

Глубина этой части, м,

. (103)

Полная глубина флотатора с учетом приямка, м,

.(104)

Объем резервуара-накопителя рабочей жидкости определяется из условия обеспечения нормальной работы флотационной установки и, как правило, принимается равным 1-2- часовому расходу этой жидкости, т.е., м³,

, (105)

где, t_р.н. - продолжительность пребывания рабочей жидкости в резервуаре, t_р.н. = 12 ч;

n_р.н. – число рабочих резервуаров-накопителей, как правило, равное числу рабочих флотаторов.

Этот резервуар может иметь прямоугольную или круглую форму в плане. При этом его высота должна быть в 1,52,0 раза большей меньшего габаритного размера в плане.

Диаметр всасывающего трубопровода рециркуляционного насоса рабочей жидкости принимается в 1,21,5 раза большим напорного трубопровода этого насоса, определяемого по формуле, м;

, (106)

здесь, v_р.н. – скорость движения жидкости в трубопроводе, v_р.н. = 3 м/с.

Диаметр трубопровода отвода избыточного количества жидкости из резервуара-накопителя на очистку, м,

, (107)

при чем, v_оч – скорость движения жидкости в трубопроводе: v_оч = 0,81,0 м/с – при безнапорном движении и v_оч = 3 м/с – при напорном движении.

Объем сатуратора определяется исходя из продолжительности насыщения рабочей жидкости воздухом, м³,

, (108)

где: k_c – коэффициент запаса, k_c = 1,31,5;

t_н – продолжительность насыщения рабочей жидкости воздухом, ч, t_н = 13 мин.

Сатуратор выполняется в виде герметичного цилиндрического резервуара. При этом его высота, как правило, в 1,52,5 раза больше диаметра.

Расход воздуха, необходимый для работы флотатора, м³/ч,

. (109)

Расход воздуха на один сатуратор, м³/ч,

. (110)

Диаметр трубопровода подачи воздуха на один сатуратор, м,

, (111)

здесь, v_возд. – скорость движения воздуха в трубопроводе, равная для трубопроводов малого диаметра - 45 м/с, для трубопроводов большого диаметра - 1015 м/с.

Диаметр магистрального трубопровода подачи воздуха ко всем флотационным установкам, м,

. (112)

Объем резервуара-смесителя и его габаритные размеры определяются аналогично резервуару-накопителю рабочей жидкости.

Резервуар-регулятор расхода осадка из первичных отстойников по сути является усреднителем расхода оснащенным, в данном случае, механической системой перемешивания. Объем этого сооружения определяется исходя из кратности выгрузки осадка из указанных отстойников, м³,

, (113)

где, n_о – число выгрузок осадка из первичных отстойников в сутки, принимаемое по результата расчета этих отстойников.

Размеры рассматриваемого сооружения определяются конкретными условиями его размещения и конструкцией в соответствии с методикой расчета усреднителей расхода сточных вод.