книги из ГПНТБ / Шабалин А.Ф. Очистка сточных вод предприятий черной металлургии учебное пособие для техникумов
.pdfРасчет отстойников и маслоуловителей |
39 |
Кривые, показывающие кинетику выпадения |
и всплывания |
взвеси в зависимости от продолжительности отстаивания и ско
рости выпадения или всплывания частиц взвеси из сточных вод ряда производств черной металлургии, приведены ниже в соот ветствующих разделах.
§ 2. РАСЧЕТ ОТСТОЙНИКОВ И МАСЛОУЛОВИТЕЛЕЙ
Отстойники бывают с горизонтальным или вертикальным
(восходящим) движением воды, прямоугольные или круглые в плане. В системах производственного водоснабжения заводов черной металлургии применяют главным образом отстойники с горизонтальным движением воды, прямоугольные или круглые (последние часто называют радиальными отстойниками).
Рис. 3. Схема осаждения тяжелых частиц, в горизонтальном прямоугольном отстойнике
Горизонтальный отстойник
В горизонтальном прямоугольном отстойнике сточная вода движется от одной до другой, противоположной, стенки. При рас чете отстойников условно принимают, что вода, проходящая че рез него, движется с одинаковой скоростью во всех точках его по перечного сечения и что скорость осаждения частиц взвеси пос тоянна во все время их выпадения. Рассмотрим движение какойлибо частицы более тяжелой, чем вода, в горизонтальном от стойнике.
Скорость и направление движения данной взвешенной части цы при прохождении ее через отстойник можно определить сло
жением двух составляющих скоростей (рис. 3): рассмотренной
выше вертикальной скорости и — выпадения частицы под дейст вием силы тяжести и скорости v — горизонтального движения воды, несущей частицу вдоль отстойника. Траектория движения частицы будет направлена по равнодействующей этих двух ско
40 Механическая очистка производственных сточных вод заводов
ростей и, согласно принятым допущениям, составит прямую ли нию. Очевидно, что в отстойнике задержатся те частицы, кото рые успеют осесть на дно за время прохождения воды через всю длину отстойника, т. е. те частицы, траектория которых кос нется дна отстойника или уровня осадка. Самый длинный путь будет, очевидно, у частиц, содержащихся в верхнем слое воды, поступающей в отстойник.
Рассмотрим движение в отстойнике длиной L и глубиной Н какой-либо взвешенной частицы тяжелее воды, находящейся в
первоначальный момент в точке О. При скорости течения воды в отстойнике v и скорости выпадения частица движется по равнодействующей^ направленной по линии Ов, которая не каса ется дна отстойника; следовательно, частица не успеет осесть в пределах длины отстойника, а будет вынесена из него. При той же скорости течения воды и, но другой скорости выпадения и2 равнодействующая, направленная по линии Ос, коснется дна от стойника в пределах первой половины его длины и осядет в на чале отстойника. Предельной будет, очевидно, скорость выпаде ния частицы и0, при которой равнодействующая коснется уровня осадка, выпавшего на дно отстойника в наиболее удаленной точке d. Следовательно, в отстойнике длиной L и глубиной про тока воды Н при скорости движения воды v будут задерживать ся все частицы взвеси, скорость выпадения которых равна или
больше w0. Эту предельную скорость и0 — и мин |
называют скоро- |
стью выпадения, охватываемой отстойником. |
Частицы, скорость |
выпадения которых меньше и0, не успевают осесть на дно отстой ника за время своего движения в нем и будут вынесены с водой.
Если дело идет не об одной частице, а о реальной взвеси,
то в отстойнике будет задержан, очевидно, тот процент взвеси,
который соответствует данной процентной скорости |
выпадения |
||
взвеси и0. |
|
|
|
Осевший осадок периодически удаляют. |
|
|
|
На основании приведеных рассуждений о работе отстойни |
|||
ка, из подобия треугольника Oid и Oaf |
может |
быть найдено |
|
следующее соотношение между величинами Uq, Н и L: |
|||
= |
|
|
(П-6) |
откуда необходимая длина отстойника, |
обеспечивающая задер |
||
живание данного процента взвеси, характеризуемого |
величиной |
||
процентной скорости выпадения и0, будет |
|
|
|
«о |
|
|
(П-7) |
|
|
|
|
Однако реальный отстойник отличается от |
рассмотренного |
||
нами теоретического. Вода поступает в |
него и |
выходит из него |
Расчет отстойников и маслоуловителей |
41 |
не по всей глубине, а струей, лишь постепенно распределяется по глубине. В связи с этим для достижения нужного эффекта
осаждения требуется несколько большая длина его. Имеют место
и другие факторы, задерживающие процесс осаждения. Поэто
му расчетная длина горизонтального отстойника должна бытьнесколько больше теоретической, т. е.
Лпр = а—/7, |
(П-8) |
«о |
|
где а = 1 — 1,5 — поправочный коэффициент, учитывающий ука |
занные выше факторы. Величина его зависит от отношения —
н
и тем меньше, чем больше это отношение. Обычно принимают L равной около 10 Н.
Расчетная продолжительность t протока сточной воды в от стойнике зависит от глубины проточной части отстойника Н и
процентной скорости и0 выпадения |
частиц, |
задерживаемых от |
стойником, т. е. |
|
|
/ = |
. |
(П-9) |
ио |
V |
|
Следовательно, продолжительность пребывания воды в отстой нике при одном и том же эффекте осветления тем меньше, чем
меньше глубина отстойника.
Ширина прямоугольного отстойника с горизонтальным дви жением воды определится по формуле
В = Ц-, |
(П-10} |
v Н |
|
где q—количество очищаемой воды, мР/сек.
Площадь поперечного сечения потока воды в горизонтальном
отстойнике
FC = BH. |
(П-11) |
При окончательном назначении |
размеров отстойника (L, В |
и Н) необходимо учитывать объем накапливаемого осадка. Пусть теперь по отстойнику будет двигаться взвешенная час
тица легче воды (рис. 4). Всплывание этой частицы начнется
с момента поступления воды в отстойник.
Рассмотрим условия всплывания частицы в горизонтальном отстойнике-маслоуловителе длиной L и глубиной Н. Примем, что эта частица находится в начале отстойника у дна его, в точ ке О. Как и в предыдущем случае, при скорости течения воды в отстойнике v и скорости всплывания частицы и2, эта частица,
будет двигаться по равнодействующей Ос до тех пор, пока не достигнет поверхности воды в пределах отстойника L и будет
42 Механическая очистка производственных сточных вод заводов
задержана в нем. Если же скорость всплывания частицы ub то
она, двигаясь по равнодействующей Obt не достигнет поверхно сти воды в отстойнике, т. е. не успеет подняться в пределах за данной длины отстойника и будет вынесена из него. Предельной будет, очевидно, скорость всплывания частицы и'о, при которой равнодействующая выйдет на поверхность воды в отстойнике в наиболее удаленной точке d (у маслозадерживающего щита). Следовательно, в отстойнике длиной L (до маслозадерживающе го щита) и глубиной протока воды Н при скорости движений воды v будут задерживаться все частицы легкой взвеси, скорость всплывания которых равна или больше и'о. Частицы, скорость
Рис. 4. Схема всплыван'ия легких частиц в горизонтальном прямоугольном отстойнике
всплывания которых меньше и'о, не успевают всплыть на поверх ность воды в отстойнике за время своего движения в нем и бу дут вынесены водой.
Всплывающее масло и нефтепродукты периодически удаляют. Необходимая практически длина отстойника-маслоуловителя, обеспечивающая задержание легкой взвеси и характеризуемая величиной всплывания и'о, та же, что и определяемая по формуле
(П-8):
L ~ ct—^-Н ~ a.vt, |
(П-12) |
«о
где обозначения те же, что и выше.
Определение размеров отстойника-маслоуловителя проводит
ся по приведенным выше формулам (П-10 и П-11), а время
пребывания воды в нем — по формуле (П-9).
В том случае, когда в отстойнике необходимо обеспечить од новременно осаждение тонущих частиц взвеси и задержание всплывающих частиц (масла, нефтепродуктов), расчет отстойни ка ведется как для первого, так и для второго случая, размеры же его принимаются наибольшими, полученными по расчету.
Расчет отстойников и маслоуловителей |
43 |
Для равномерного распределения воды в поперечном сечении
прямоугольного отстойника воду направляют в него через рас пределительный лоток, устраиваемый вдоль его торцовой сторо ны, а выпускают через такой же сборный лоток.
За распределительным лотком устраивают так называемый водораспределительный щит, служащий для более равномерно го распределения воды по глубине отстойника, и перед водосбор ным лотком устанавливают маслоудерживающий щит (рис. 4).
Расчетная длина отегойника L считается между указанными
щитами.
Строительная длина отстойника складывается из расчетной длины L, ширины 2/1 распределительного и сборного лотков и расстояний 2/2 от водораспределительного и маслоудерживающсго щитов до распределительного и сборного лотков
Астр = L + 2 (/, + Z2). |
(П-13) |
Обычно принимают Ц — 0,50 м, /2 = 1,0 м.
При расчете отстойников для сточных вод, т. е. вод, содержа щих много взвеси, необходимо считаться с тем, что в отстойнике быстро накапливается слой осадка, для которого в отстойнике должен быть предусмотрен определенный объем. Поэтому пол ная (строительная) глубина отстойника складывается из сред ней высоты рабочего слоя воды в отстойнике Нср , слоя накап ливаемого осадка Нос и высоты превышения бортов отстойника над уровнем воды в нем Нзаи:
Ястр = Н + Нос + Язап. |
|
|
(П-14) |
|||
Глубиной отстойника обычно задаются, |
принимая, что Нср = |
|||||
= 0,5 4- 1,5 м и Нпол =1,5-=- 4,0 м. |
подставим |
в |
уравнение |
|||
Из уравнения (П-8) |
avH = Lu0 |
|||||
(П-10)' и получим |
|
|
|
|
|
|
В = а—(П-15а) |
||||||
|
L • ио |
|
|
|
|
|
ИЛИ |
|
|
|
|
|
|
LB = Гплощ = <*■ -q— , |
|
|
|
(II-156) |
||
|
«о |
|
|
|
|
|
т. е. площадь отстойника в плане равняется |
расходу отстаивае |
|||||
мой воды, выраженному в м3)сек, деленному на |
величину про |
|||||
центной скорости выпадения взвеси, выраженную в мм!сек, |
ко |
|||||
торую требуется задержать. Исходя из этой |
зависимости, |
|||||
иногда (в особенности в |
иностранной |
литературе) |
предлагают |
|||
приближенно определять |
площадь отстойника, |
задаваясь |
рас |
|||
ходом воды в м3!час на 1 |
м2 его площади по практическим дан |
ным уже эксплуатируемых отстойников, осветляющих аналогич-
.ную воду.
44 |
Механическая очистка производственных сточных вод заводов |
Радиальный отстойник
Врадиальном отстойнике сточная вода движется от центра
кпериферии с постепенно уменьшающейся скоростью и, иоскорость и0 осаждения частиц взвеси остается постоянной во все
время их выпадения. Поэтому для радиальных отстойников рас
чет ведется по средней скорости (примерно, в середине |
длины |
||
отстойника) горизонтального движения воды оср : |
|
||
|
|
|
(II-16} |
где L = R — радиус отстойника; |
попе |
||
»Ср —средняя скорость движения воды в площади |
|||
речного сечения |
потока в отстойнике F, в |
рассто |
|
янии — |
от впуска воды в отстойник; |
|
|
Н — глубина воды в |
отстойнике в расстоянии |
|
впуска ее в отстойник;
и0 — скорость выпадения взвеси.
Площадь поперечного сечения потока в радиальном отстойни-
(II-17)
Пользуясь уравнениями (П-16) и (П-17), можно рассчитать радиальный отстойник. Однако наиболее обоснованным являет ся метод расчета его, предложенный В. А. Клячко и Г. Д. Павло вым ’. Сущность метода сводится к отысканию отстойника с не обходимым радиусом R при глубине у сборного желоба h м.
Глубина отстойника в центре будет |
|
Н = /г + Ri м, |
(11-18} |
где i — уклон дна отстойника.
Для осветления воды в количестве q м?1сек в отстойнике ра диусом Rm горизонтальная составляющая скорости движения воды в любой точке отстойника будет
V = |
(П-19) |
2 к х (Н — ix) ’ |
|
Где х—расстояние от центра отстойника до |
рассматриваемой |
точки. |
|
1 Журнал «Водоснабжение и санитарная техника», 1955, № 4..
Расчет отстойников и маслоуловителей |
45 |
Проектированию обычно предшествуют исследования в |
ци |
линдрах (см. рис. 2), где определяется скорость осаждения взве
си в неподвижной воде и0. Фактическая скорость осаждения наи более мелких частиц взвеси, задержанных отстойником при его работе, будет
г/ср = ио — w мм/сек, |
(П-20) |
где w—взвешивающая составляющая скорости движения воды в отстойнике, мм!сек..
Величина взвешивающей составляющей скорости зависит от абсолютной величины горизонтальной составляющей скорости
движения воды в отстойнике, от глубины его и степени турбу лентности потока на входе воды. Согласно расчетам ВНИИ ВОДГЕО (Г. Д. Павлов) и опытам проф. П. И. Пискунова вели-
чина взвешивающей составляющей скорости может приниматься
равной — |
величины |
горизонтальной составляющей скорости. |
|||||
г |
26 |
|
|
|
|
|
|
Тогда |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
uQ----------- = w0 —-------------------------- • |
|
|
(П-21) |
||
|
|
26 |
26-2 ttx(H—ix) |
|
|
|
|
Решая уравнения |
(П-19) и (П-21), приняв |
х = Д, |
получим |
||||
|
|
/280^0.535 +А |
|
|
(П-22) |
||
|
|
\ |
ио / |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
где |
q — количество осветляемой воды, м31сек; |
|
|
||||
|
и0—гидравлическая крупность частиц взвеси, задерживае |
||||||
|
|
мой отстойником (или процентная |
скорость |
выпаде |
|||
|
|
ния частиц осадка), мм!сек; |
м, |
в которой, по |
|||
|
А — радиус вихревой зоны |
отстойника, |
|||||
|
|
данным наблюдений, |
осаждения |
взвеси расчетной |
крупности практически не происходит. Можно прини мать А = от 2 до 4 м.
Исходными данными для расчета отстойников на любую сте
пень осветления сточных вод должны служить:
1)количество осветляемых сточных вод q и содержание в них взвешенных веществ С] согласно анализам;
2)допустимое содержание взвешенных веществ в осветлен ной воде С2 по заданию технологов или по санитарным нормам,
тогда необходимый эффект осветления (в процентах) определит
ся из уравнения
Э = Ю0-£~СЧ |
(П-23) |
3) процентная скорость имин выпадения частиц |
осадка, со |
ответствующая требуемому эффекту осветления Э, принимается по графику кинетики выпадения взвешенных веществ.
46 Механическая очистка производственных сточных вод заводов
Работа выстроенных отстойников может характеризоваться кривой распределения отлагающегося осадка, которая в каждом (данном) горизонтальном отстойнике показывает, насколько полно использовано сооружение и в какой части его преимуще ственно выпадает осадок.
§3. ОСАЖДЕНИЕ ВЗВЕШЕННЫХ ВЕЩЕСТВ В ГИДРОЦИКЛОНЕ
Впоследнее время в заграничной практике очистки сточных: вод от грубой тяжелой взвеси начали применять осадители цен тробежного типа, называемые гидроциклонами.
По а-б-в
Рис. 5. Схема гидроциклона для очистки воды от тяжелых механических примесей
Гидроциклон (рис. 5) представляет собой металлический ци линдр диаметром D, в который очищаемая вода подводится сбо ку трубой диаметром d\, заканчивающейся соплом диаметром dc внутри цилиндра. В результате в цилиндре происходит вра
щение воды с выходом ее через центральную трубу dQ и отводя
щую трубу d2.
При вращении потока очищаемой сточной воды взвешенные
частицы в нем под влиянием центробежной силы перемещаются (сепарируются) к внешней части потока и попадают у стенок
Осаждение взвешенных веществ в гидроциклоне |
47 |
гидроциклона в область, где горизонтальная скорость вращения
потока |
воды изменяется от максимума — с'г.макс до |
нуля — |
vr = 0. |
Вертикальная скорость потока воды у места |
поворота |
ее кверху близка к нулю—vB =0, благодаря чему происходит выпадение взвешенных частиц из потока воды в конусную часть гидроциклона.
При осаждении взвешенных веществ в гидроциклоне проис ходит ряд дополнительных явлений, полностью еще не исследо ванных. Поэтому схему движения воды в гидроциклоне можно
представить лишь в общем виде (рис. 6): в зоне выше линии
Рис. 6. Схема движения воды в гидроциклоне (а) и диаграммы распре деления скоростей (б) в нем:
vr — горизонтальная скорость; |
—вертикальная скорость; |
1—1— выше линии |
|
а — а- |
2 — 2—на |
линии а — а\ 3—3 — ниже линии |
а — а |
а—а происходит |
сепарация взвеси к внешней части потока; а |
в зоне ниже линии а—а — переход взвеси в коническую часть.
Осадок из конусной части гидроциклона удаляется наружу непрерывно вытекающей струей воды, величина которой регу-' лируется пробковым краном К\ следует отметить, что эта струя при выходе из гидроциклона имеет вращательное движение.
Расчет гидроциклонов сводится к определению двух основ ных показателей его работы — производительности (или расходу очищаемой воды) — Q и крупности наименьших зерен *, задер живаемых в гидроциклоне, — б.
1 См. М. Ф. Ипполитов, Применение гидроциклонов для осветления; производственных сточных вод, журнал «Водоснабжение и санитарная тех ника», № 12, 1958.
48 Механическая очистка производственных сточных вод заводов
Производительность гидроциклона
|
Q = KD d Y 2g ЛЯ, |
где |
D — диаметр гидроциклона; |
|
d—диаметр центральной трубы (d0) или распо |
|
ложенного сверху водоотводящего патруб |
|
ка (rf2); |
|
g— ускорение силы тяжести; |
|
К — коэффициент производительности, характе |
|
ризующий конструкцию гидроциклона; |
ДЯ =//j — Н2— напор, теряемый на преодоление сопротив ления в гидроциклоне (Hi и Н2 — напор в подводящем и отводящем патрубках).
Рис. 7. Зависимость коэффициента производительно сти гидроциклона К от относительной величины во доподводящего патрубка
Коэффициент К, по исследованиям института «Механобр» и
др., зависит главным образом от отношения диаметра водопод
водящей трубы di к диаметру |
гидроциклона D и выражается |
|
как |
|
|
К =--------Q |
— . |
(П-24) |
Dd УgkH |
|
|
Эта зависимость характеризуется |
кривой, показанной на |
рис. 7. Для упрощения коэффициент К может быть принят прямо пропорциональным относительной величине водоподводящего па
трубка или питающего отверстия (пунктирная линия на рис. 7).
Тогда определение производительности гидроциклома можно проводить по графику «Механобра» (рис. 8); порядок пользо
вания номограммой показан в примере расчета гидроциклона на стр. 78.