Главная страницаСтатьи → Моделирование и расчет отстойников

Моделирование и расчет отстойников

Приведены результаты исследования процессов очистки воды от взвешенных веществ. При расчете сооружений и аппаратов, применяемых для выделения взвешенной фазы загрязнений, должны учитываться ее дисперсный состав, плотность, концентрация, поверхностные свойства жидкой фазы и показатель динамики потоков.

Ключевые слова:

агломерация, взвешенные вещества, диффузия, кинетика, отстойник, фильтрат

Взвешенные загрязнения в сточных водах, образующихся в технологических циклах промышленных предприятий, часто являются следствием потерь сырья или выпускаемой продукции, поэтому цепочку технологического процесса целесообразно дополнять локальными очистными установками с возвратом очищенной воды в производство и утилизацией задержанных загрязнений.

Взвешенная фаза загрязнений промышленных сточных вод отличается широким диапазоном крупности дисперсного состава (от 1·10-2 до 1·10-9 м) и плотности (от 0,8 до 7 т/м3), а также концентрациями, которые в ряде производств могут составлять до 20 г/л и более. Частицы взвешенных загрязнений находятся в постоянном взаимодействии между собой и могут объединяться в агломераты. Этот процесс определяет устойчивость дисперсной фазы суспензий (эмульсий) сточных вод, для разделения которых используются различные модификации отстойников, гидроциклонов, флотаторов, центрифуг, фильтров и комплексные схемы с этими сооружениями.

Расчет и выбор сооружений для выделения взвешенных частиц загрязнений, как правило, производится по гидравлической крупности u3, определяемой по кривым кинетики отстаивания Э = f(t). Эти зависимости (рис. 1) получаются опытным путем в лаборатории при отстаивании отобранных проб сточной воды в статических условиях.

Кинетика отстаивания сточных вод оптико-механического завода

Характер кривых отстаивания зависит от многих факторов: высоты слоя в лабораторных условиях, которая, как правило, отличается от высоты слоя в промышленном сооружении; концентрации и плотности взвешенной фазы; температуры и других параметров, не учитываемых в лабораторном эксперименте.

Для пересчета кривых Э = f(t) для промышленных сооружений исследователями [1-4] рекомендуется использовать коэффициенты и степенные показатели. Следует отметить, что величины предлагаемых коэффициентов пересчета зависят от природы загрязнений и поэтому могут меняться, что отражается на точности расчетов. Вместе с тем, анализ [5] показывает, что процессы разделения взвесей в сооружениях, в том числе и в фильтрах, подобны и различаются движущей силой процесса и условиями его проведения. Это позволяет сделать вывод о возможности создания единой методики расчета очистных сооружений, что даст возможность производить выбор рациональной схемы очистки и оптимизировать системы водного хозяйства промышленных предприятий.

Для исследования процесса отстаивания были использованы искусственно приготовленные суспензии со взвешенной фазой шламов нескольких промышленных предприятий: оптико-механических, литейных, металлургических, машиностроительных, асбестоцементных заводов, заводов железобетонных изделий и обогатительных фабрик, а также различных глин [6]. По разработанным методикам определялись следующие показатели: d – эквивалентный диаметр частиц, м; γ – объемный вес, кг/м3; m – пористость высушенной массы, %; ξ – электрокинетический потенциал, мВ;ρ – плотность частиц, кг/м3; Э – эффективность отстаивания, %; 
μ – вязкость, пуаз; C – концентрация твердой фазы, мг/л; Sуд – удельная поверхность твердой фазы, см2/г; ϕ – фактор формы; θ – смачиваемость.

Влияние и зависимость выбранных параметров друг от друга оценивались по кривым Э = f(t). Результаты исследований показали, что все перечисленные параметры взаимозависимы (рис. 2). Более того, имеются параметры, по которым с некоторой вероятностью можно определять порядок величины других показателей, что подтверждает гипотезу о возможности создания единой системы расчета очистных сооружений.

Графы корреляционных связей между природными показателями взвесей в линейной (а) и квадратичной (б) зависимости

Дальнейшие исследования процесса отстаивания проводились в статических условиях при изменении высоты слоя от 50 до 2000 мм и концентрации взвешенной фазы 25-5000 мг/л. Анализ полученных результатов показывает, что при малых концентрациях (С < 50 мг/л) взвешенные частицы находятся в свободном осаждении и не оказывают влияния друг на друга – их агломерация отсутствует. Графически это выражается в том, что кривые Э = f(t) практически совпадают (рис. 1, кривая 1). Это позволяет сделать вывод, что определение истинного гранулометрического состава дисперсной системы следует проводить методом разбавления при малых концентрациях, а не больших, как это рекомендуется в некоторых применяемых методиках.

Распределение по крупности твердой фазы загрязнений сточных вод оптико-механического завода

При повышении концентрации взвесей одного гранулометрического состава кривые Э = f(t) начинают расходиться, при этом кривые с большей концентрацией располагаются выше. Это свидетельствует об  увеличении содержания частиц крупных фракций за счет сокращения мелких, т. е. происходит агломерирование взвешенной фазы (рис. 3). Следует также отметить, что с увеличением концентрации взвесей возникает стесненное осаждение [5], но кривые кинетики располагаются одна над другой. При значительных концентрациях взвешенных веществ (более 5000 мг/л) для некоторых суспензий процесс стесненного осаждения переходит в процесс уплотнения взвешенной фазы. В этом случае кривые Э = f(t) располагаются ниже кривых, соответствующих меньшим концентрациям. Это свидетельствует о том, что при очистке сточных вод с высокой концентрацией взвешенных веществ целесообразно производить разбавление поступающей воды очищенной. В этом случае можно ожидать образование шлама меньшей влажности.

Исследования [7] процессов разделения суспензий сточных вод показывают, что агломерируемость взвешенной фазы загрязнений при различных условиях отстаивания можно характеризовать изменением ее удельной поверхности Sуд, определенной по кривым Э =  f(t), выражаемой отношением Sуд50, определенной при содержании взвесей 50 мг/л, к SCуд при исходной концентрации С0 (рис. 4, 5). Отношение рекомендуется принять за коэффициент агломерации I:

I= Sуд50/ SCуд.                (1)

Зависимость удельной поверхности взвешенной фазы Sуд от высоты слоя отстаивания
Зависимость удельной поверхности взвешенных загрязнений S<sub>уд</sub> от их концентрации”></p>
<p>Этим коэффициентом можно оценивать устойчивость дисперсной системы загрязнений к разделению. На рис. 6 приведены экспериментально полученные кривые зависимости коэффициента I от исходной концентрации взвеси и высоты слоя отстаивания Н для нескольких видов сточных вод, отличающихся природой и дисперсным составом. Экспериментально установлена прямая зависимость функции I =  f(С, Н), что свидетельствует о возможности прогнозирования устойчивости дисперсной системы загрязнений к разделению и необходимости применения реагентов для изменения дисперсного состава взвешенной фазы. Было доказано, что интенсивность агломерации систем, частицы которых близки по крупности, невелика. Это соответствует значениям I ≤ 1,1. </p>
<p><img src=

Для сточных вод, содержащих механические загрязнения с различным по крупности составом с коэффициентом I ≥3, наблюдается их значительная агломерируемость.

На процесс разделения суспензий сточных вод большое влияние оказывает гидравлический режим потоков в сооружениях, формирующийся под влиянием скоростей основного потока, а также плотностных и конвекционных потоков, возникающих вследствие неравномерного распределения в объеме сооружения концентрации взвесей и температуры.

В работах [1; 3; 4] для учета турбулентного воздействия на осаждающиеся частицы в отстойниках рекомендуется вводить в расчетные формулы показатель  – взвешивающую составляющую со знаком «–». Как показали исследования, в сооружениях можно создать гидродинамический режим, при котором возникающее турбулентное перемешивание оказывает положительное действие на агломерируемость дисперсной системы, при этом процесс разделения ускоряется. Полученные результаты свидетельствуют о том, что при проектировании и расчете сооружений следует предусматривать возможность регулирования гидравлического режима, когда турбулентный режим постепенно переходит в ламинарный. Ранее к подобному выводу пришел T. R. Саmp  [8].

Гидродинамический режим в сооружениях рекомендуется оценивать числом Рейнольдса Re или коэффициентом турбулентной диффузии Ре, а также коэффициентом продольной диффузии D/vl. Коэффициенты турбулентной и продольной диффузии определяются по кривым отклика, получаемым при оценке гидравлической эффективности сооружения.

Re = vП/ʋ;                 (2)

Pe = 8/(1 + 8σ2 ) – 1;        (3)

D/vl = f(Ci ti ),               (4)

где v – скорость потока; l – длина пути потока в сооружении; П – линейный характерный размер сооружения;  ʋ – кинематическая вязкость;  σ – коэффициент диффузии.

σ 2 = {(Σti 2 Ci /ΣCi )/t2cp} – 1;    (5)

tср = Σti Ci /ΣCi ,               (6)

где Сi  – концентрация индикатора (красителя) на выходе из сооружения по истечении времени; tcp – средняя продолжительность пребывания потока в сооружении.

На крупномасштабной модели отстойника (модуль тонкослойного блока в масштабе 1:1) были проведены лабораторные исследования влияния турбулентности на процесс разделения искусственно приготовленных суспензий с концентрациями взвесей 300-1000 мг/л. 
Подаваемый расход изменялся от 0,2 до 1,85 м3/ч, что соответствовало удельным гидравлическим нагрузкам 0,25-2,3 м3/(м2·ч). Гидравлический режим оценивался по кривым отклика, получаемым при импульсном вводе красителя на входе в модель. Отбор проб выходящей воды производился на водосливе. В модели на некотором расстоянии от впуска воды и перед водосливом были установлены перфорированные перегородки, обеспечивающие ламинарный режим в ярусах. Коэффициент использования объема составлял 85-90 %. Дисперсный состав контролировался по кривым кинетики отстаивания Э = f(t).

Установлено, что в первой зоне, между впуском потока и первой перфорированной перегородкой, где наблюдается турбулентное перемешивание, происходит агломерация и последующее выделение взвесей. При этом происходит захват мелких (менее 10 мк) частиц более крупными (d ≥ 30 мк). При изменении расхода воды в назначенном интервале число Re изменялось в пределах 2700-18900, Ре – от 91 до 24, а D/vl – от 0,131 до 0,202. Сравнение с полученными технологическими результатами процесса разделения показало, что показатели Re, Pe, D/vl не могут использоваться для технологического моделирования очистных сооружений, а лишь характеризуют гидродинамический режим в них.

При разработке единой методики расчета сооружений и аппаратов, применяемых для выделения взвешенной фазы загрязнений, должны учитываться: ее дисперсный состав, плотность, концентрация и поверхностные свойства, а также свойства жидкой фазы и показатель динамики потоков, в качестве которого может быть принят коэффициент продольной диффузии D/vl.

До настоящего времени недостаточно экспериментальных данных для разработки единой модели расчета, поэтому автор предлагает  методику расчета отстойных сооружений, основанную на определении кривых кинетики отстаивания с учетом показателя устойчивости дисперсных систем загрязнений:

  1. В лабораторных условиях в цилиндрах с высотой слоя взвешенных частиц h = 200 и 400 мм определяется кинетика Э = f(t) при известной концентрации твердой фазы С0.
  2. Проба разбавляется фильтратом той же воды (чтобы не изменить солевой состав) до концентраций:

     С1 = С0 /2; С2  = С0 /3 и С3  = 50 мг/л.

  3. Определяется кинетика отстаивания разбавленных проб в слое высотой h1  = 200 мм и h2  = 400 мм.
  4. Имея четыре кривые кинетики при одной высоте слоя, расчетным путем определяется кинетика отстаивания при рабочей концентрации Ср, если ее величина выше, чем в отобранной пробе. Построение этих графиков Э = f(t) производится через графики Сt = f(C0) для заданной продолжительности отстаивания (например t = 2, 5, 10, 30 мин) и последующей интерполяцией кривых с использованием статистической обработки.
  5. По разработанной программе с аппроксимированием кривых Э = f(t) по методике Н. Я. Авдеева [9] рассчитывается дисперсный состав, а затем показатели дисперсности системы Sуд при всех концентрациях С 0, С 1, С 2 , С 3 = 50 мг/л и С p при изменении h, и рассчитывается коэффициент агломерации I= Sуд50/SCуд.
  6. Строятся графики Sуд =  f(C) и I = f(C) для h1 = 200 мм и h2 = 400 мм.
  7. Строится график I = f(H) при концентрации Cp Далее экспериментальные точки аппроксимируются зависимостью:

    I = К0 + К1С0Н + К2С0 + К3Н, (7)

    по которой определяется индекс I при расчетной концентрации Ср и высоте отстаивания Н в реальном сооружении.

  8. Рассчитывается предполагаемая кривая Э = f(t) сточной воды в зоне отстаивания выбранного сооружения. Расчет производится по формуле:

    Сt = C0e-K1C0K2HK3IK4t.        (8)

  9. По полученной кривой для заданной эффективности определяется расчетная гидравлическая крупность u0.
  10. Дальнейший расчет производится по известным зависимостям.

В настоящее время разрабатывается компьютерная программа расчета, для которой предварительно необходимо получить экспериментальные данные по пунктам 1-3 предлагаемой методики.

Список литературы

  1. Жуков А. И., Монгайт И. Л., Родзиллер И. Д. Канализация промышленных предприятий. – М.: Госстройиздат, 1962.
  2. Вейцер Ю. И., Колобова З. А. Осаждение коагулирующих суспензий. – М.: ОНТИ АКХ, 1960. Т. 1.
  3. Калицун В. И., Ласков Ю. М. Лабораторный практикум по канализации. – М.: Стройиздат, 1978.
  4. СНиП 2.04.03-85. Канализация. Наружные сети и сооружения.
  5. Минц Д. М. Теоретические основы технологии очистки воды. – М.: Стройиздат, 1964.
  6. Пономарев В. Г., Веригина М. Н., Волков Л. А. Зависимость процесса осветления сточных вод от природы механических загрязнений. – М.: ВНИИ ВОДГЕО, 1987.
  7. Пономарев В. Г. Очистка производственных сточных вод от грубодиспергированных примесей: дисс. … д-ра техн. наук. – М.: ВНИИ ВОДГЕО, 1993.
  8. Camp T. R. Flocculation and flocculation basins Proceedings // American Society of civil engineers. 1953. V. 79. № 283.
  9. Авдеев Н. Я. Расчет гранулометрических характеристик полидисперсных систем. – Ростов: Ростовское книжное издательство, 1966.