4. Механические (физические) методы очистки сточных вод

Механическая (физическая) очистка применяется для выделения из сточной воды нерастворенных минеральных и органических примесей. Назначение ее заключается в подготовке производственных сточных вод к биологической (биохимической), физико-химической и другой более тонкой очистке. Механическая очистка обеспечивает выделение взвешенных веществ из вод до 90-95% и снижение органических загрязнений на 20-25% [11].

Продукт, который получается при удалении взвешенных веществ из сточных вод, называется осадок.

Основные методы удаления взвешенных веществ: процеживание, отстаивание, фильтрация, центрифугирование. Данные процессы и оборудование достаточно подробно описаны в книгах С.В.Белова [3] и С.В.Яковлева [11].

3.4.1. Процеживание и отстаивание примесей

Основными аппаратами для процеживания являются решетки. Решетки устанавливают на очистных станциях при поступлении на них сточных вод самотеком. Не применять решетки на очистных станциях допускается в случае подачи вод насосами с установленными перед ними решетками с прозорами 16 мм или менее. Решетки могут быть с ручной или механизированной выгрузкой осадка, по конструктивным особенностям вертикальные и наклонные, а также решетки-дробилки. На рис. 3.3 представлена схема решетки с механизированной выгрузкой осадка.

Рис. 3.3. Схема решетки

1 – решетка из металлических стержней; 2 – механизм для снятия задержанных решеткой

загрязнений; 3 – транспортер для подачи задержанных загрязнений в дробилку

Необходимо отметить, что решетки ставятся для извлечения из сточных вод крупных частиц размером более 10 мм. Все более мелкие частицы движутся со сточной водой на предварительное отстаивание.

Метод отстаивания подразделяется на 2 группы:

осветление в поле гравитационных сил;

осветление в поле центробежных сил.

Для осветления в поле гравитационных сил используют песколовки и отстойники.

Песколовки обычно используют для отделения из сточных вод минеральных частиц крупностью более 200 мкм. Их устанавливают при пропускной способности станции очистки сточных вод более 100 м³/сут. Песколовки задерживают 40-50% взвешенных веществ. Эффективность очистки определяется гидравлической крупностью. Гидравлической крупностью называется скорость оседания взвешенных частиц в поле гравитационных сил. Гидравлическая крупность (U) измеряется в мм/сек и определяется по формуле

(3.6)

где Н – глубина проточной части песколовки или отстойника;

τ – продолжительность отстаивания частиц в цилиндре с высотой столба воды h = 500 мм при температуре 20^оС;

n – показатель степени, определяемый по специальным таблицам. Он еще называется коэффициентом гравитационной коагуляции. При обычных условиях без добавки коагулянтов он изменяется от 0,5 до 2. При использовании коагулянтов он уменьшается до 0,35-0,75.

Исходя из этих показателей можно рассчитать рабочую продолжительность протока сточной воды

t₁ = H(U – w), (3.7)

где w – вертикальная составляющая турбулентного потока, мм/с

w = 0,05 v , (3.8)

где v – скорость потока, м/с.

Расчетная длина сооружения определяется по формуле

L = t v . (3.9)

К основным типам песколовок относятся: горизонтальные с прямолинейным или круговым движением воды, вертикальные, аэрируемые, тангенциальные со шнековым пескопромывателем.

Горизонтальные песколовки с круговым движением сточной воды предназначены для удаления песка из производственных сточных вод, имеющих нейтральную или слабощелочную реакцию. Они рассчитаны на производительность 1400-70000 м³/сут. Широкое применение находят горизонтальные песколовки с прямолинейным движением воды (рис. 3.4), в состав которой входят входной патрубок 1, выпускной коллектор 4 и песковый приямок (шламосборник) 3.

Рис. 3.4. Схема горизонтальной песколовки

1 – входной патрубок; 2 – корпус песколовки; 3 – шламосборник (песковый приямок); 4 – выпускной коллектор

Горизонтальные песколовки этого типа обладают пропускной способностью 70-280 тыс.м³/сут. Скорость движения сточных вод составляет 0,15-0,3 м/сек, продолжительность пребывания в рабочей зоне около 1 мин.

Вертикальные песколовки (рис. 3.5) состоят из входной трубы 1, перегородки 2 для изменения направления движения очищаемой воды, шламосборника 3 и выходной трубы 5. В шламосборнике предусмотрено отверстие 4 для удаления шлама. Вертикальные песколовки имеют линейную скорость 0,03-0,04 м/сек, продолжительность пребывания потока в рабочей зоне 2-2,5 мин, а гидравлическая крупность – до 25 мм/сек.

Для разделения механических загрязнений по фракционному составу или по плотности применяют аэрируемые песколовки (рис. 3.6), в состав которых входят входная труба 2, воздуховод, воздухораспределители 3, выходная труба 4, шламосборник 5 с отверстием 6 для удаления шлама. Крупные фракции осаждаются, как и в горизонтальных песколовках. Мелкие же частицы, обволакиваются пузырьками воздуха, всплывают наверх и с помощью скребковых механизмов удаляются с поверхности. Длина таких песколовок определяется по формуле

(3.10)

Рис. 3.5. Схема вертикальной песколовки

1 – входная труба; 2 – перегородка; 3 – шламосборник; 4 – отверстие для удаления шлама; 5 – выходная труба

Рис. 3.6. Схема аэрируемой песколовки

1 – входная труба; 2 – воздуховод; 3 – воздухораспределители; 4 – выходная труба; 5 – шламосборник; 6 – отверстие для удаления шлама

Аэрируемые песколовки применяются для выделения из сточной воды минеральных частиц гидравлической крупностью 13-18 мм/сек. Скорость движения сточных вод составляет 0,08-0,12 м/сек.

Усреднители применяют для регулирования состава и расхода сточных вод, поступающих на очистные сооружения, что позволяет повысить эффективность и надежность устройств механической, биологической и физико-химической очистки. Экономический эффект достигается за счет выравнивания пиковых концентраций и расходов сточных вод, поступающих на очистку.

Конструктивно усреднители представляют собой прямоугольные резервуары, изготовленные из железобетона. В отечественной практике применяют усреднители, действующие по принципу дифференцирования потока, и усреднители с перемешиванием поступающей сточной воды.

Схема усреднителя с дифференцированием потока сточных вод представлена на рис. 3.7. Принцип работы этого усреднителя заключается в следующем: сточная вода после очистки на решетках и песколовках попадает в распределительный колодец 8, из которого по желобам направляется в коридоры усреднителя 3 и собирается затем в диагональные лотки 4, из них сточная вода поступает в выпускную камеру 5. Эффективность усреднения по концентрации достигается за счет разного времени добегания отдельных порций сточной воды к сборному лотку. Типовой усреднитель состоит из 4-6 параллельно расположенных коридоров.

Рис. 3.7. Схема усреднителя прямоугольной формы с дифференцированием

потока сточных вод

1 – входной патрубок с шибером; 2 – диагональная перегородка; 3 – коридоры; 4 – сборные лотки; 5 – выпускная камера; 6 – выходной патрубок; 7 – желоб для подачи сточных вод; 8 – распределительный колодец

Кроме того, при очистке производственных сточных вод применяют усреднители барботажного типа суммарной вместимостью 600, 900, 1200, 1800 м³, а также радиальные отстойники-усреднители, в которых совмещены процессы отстаивания и усреднения. Разработаны также конструкции усреднителей, обеспечивающих поддержание расчетной величины усредненного расхода выпускаемой воды.

Отстойники. Как правило, в отстойниках отделяются частицы меньших размеров, чем в песколовках, что определяет большее разнообразие отстойников перед песколовками. Некоторые из конструкций этих аппаратов показаны на рис. 3.8.

Все аппараты отстойники делятся на 2 типа: периодического и непрерывного действия.

Типы аппаратов отстойников непрерывного действия: вертикальные, горизонтальные, радиальные.

Рис. 3.8. Отстойники

а – горизонтальный: 1 – входной лоток; 2 – отстойная камера; 3 – выходной лоток;

4 – приямок;

б – вертикальный: 1 – цилиндрическая часть; 2 – центральная труба; 3 – желоб,

4 – коническая часть;

в – радиальный: 1 – корпус; 2 – желоб; 3 – распределительное устройство; 4 – успокоительная камера; 5 – скребковый механизм;

г – трубчатый;

д – с наклонными пластинами: 1 – корпус; 2 – пластины; 3 – шламоприемник

Горизонтальные отстойники (рис. 3.8, а) представляют собой удлиненные и прямоугольные резервуары с глубиной 1,5-4,0 м с приямком для сбора осадка. Длина таких отстойников равна 8-12 м, а ширина коридора – 3-6 м. Такую же конструкцию имеют и горизонтальные песколовки, рассмотренные выше. Осадок сдвигают в приямок с помощью скребкового механизма. Горизонтальная скорость движения воды в отстойнике не выше 0,01 м/с. Это обеспечивает достижение заданной степени отстаивания за 1-3 ч.

Вертикальный отстойник (рис. 3.8, б) представляет собой цилиндрический или квадратный в плане резервуар с коническим днищем. Сточную воду вводят по центральной трубе. После ввода она движется вверх к желобу. Для равномерности распределения воды конец вводной трубы снабжен раструбом и распределительным щитом. Таким образом, оседание частиц происходит в восходящем потоке, скорость которого составляет 0,4-0,6 м/с. Высота зоны осаждения – 4-5 м.

Радиальные отстойники представляют собой круглые в плане резервуары (рис. 3.8, в), вода в которых движется от центра к периферии. Глубина проточной части такого отстойника составляет 1,5-5 м, а отношение диаметра к глубине – от 6 до 30. Обычно используются отстойники диаметром 9-60 м. Такие отстойники применяются при расходах сточных вод свыше 2000 м³/сут.

Повысить эффективность работы отстойников можно, увеличивая не только площадь, но и глубину отстаивания. Это используют в трубчатых (рис. 3.8, г) и пластинчатых (рис. 3.8, д) аппаратах.

В трубчатых отстойниках основным рабочим элементом являются пучки труб квадратного, круглого или шестиугольного сечения. Трубки устанавливают под некоторым углом к горизонту. Трубчатые отстойники с небольшим углом наклона работают периодически.

Пластинчатые отстойники имеют в корпусе ряд параллельно установленных пластин с расстоянием между ними 25-100 мм. Пластины устанавливают под некоторым углом к горизонтали, достаточным для самопроизвольного сползания осадка. Угол устанавливают экспериментально.

Среди гравитационных отстойников, используемых в промышленности, можно выделить группу простейших устройств – аппаратов периодического действия. Как правило, это цилиндрические резервуары большого диаметра (рис. 3.9).

Рис. 3.9. Схема гравитационного отстойника периодического действия

1 – корпус; 2 – патрубки для отвода отстоя; 3 – патрубок для выгрузки осадка

Аппарат 1 объемом V периодически заполняют суспензией, которая отстаивается в течение времени τ_о. Сначала сливается чистая жидкость через патрубки 2, а затем удаляется образовавшийся концентрированный осадок через патрубок 3. Это отстойник периодического действия. Он же может работать и в непрерывном режиме.

Производительность такого отстойника не зависит от его высоты, а зависит от скорости осаждения частиц (гидравлической крупности – U), продолжительности нахождения суспензии в отстойнике (τ) и площади отстойника (S).

Необходимую площадь отстойника рассчитывают по формуле

(3.11)

где Qc – суточная производительность отстойника,

t – суточная продолжительность работы отстойника,

U – гидравлическая крупность частиц,

k – коэффициент объемного использования площади отстойника, равный отношению среднего фактического времени пребывания воды в отстойнике к расчетному. Для вертикальных отстойников этот коэффициент равен 0,4-0,5, а для радиальных и горизонтальных – 0,71-0,8.

Значительно повышается эффективность отстаивания в тонкослойных отстойниках, когда при невысоких концентрациях взвешенных веществ теряется различие между Ш и 1У зонами (рис. 1.10). В этом случае не формируется зона стесненного осаждения, а высота отстаивания уменьшается. Этот показатель (Н_отс) рассчитывают по формуле

(3.12)

где Q_ч – часовая производительность отстойника.

Высота отстаивания составляет 0,5 – 1 м. Такая высота принимается для расчетов в тонкослойных пластинчатых или трубчатых отстойниках. В других отстойниках она, как правило, должна быть в 3-4 раза больше.