Теоретические основы процесса осаждения

Отстойники -это сооружения для выделения из воды основной массы взвеси гравитационным осаждением частиц, имеющих плотность большую, чем вода. На характер осаждения частиц влияет их размер, форма, вязкость среды, наличие движения в среде(температурный режим), которые влияют на коэффициент сопротивления воды. Различают три типа взвеси:

1) монодисперсная, состоящая из частиц примерно одного размера и одной гидравлической крупности при t=10°С;

2) Полидисперсная, частицы имеющие различную форму и размер, гидравлическую крупность. Встречаемая в практике водоподготовки вода, имеет всегда полидисперсную взвесь, а при коагулировании приходится иметь дело с осаждением.

3) Агрегативно-неустойчивой взвеси частицы при осаждении изменяют свой размер и структуру.

3.1 Осаждение монодисперсной взвеси.

Рассмотрим наиболее простой случай осаждения монодисперсной взвеси в неподвижной воде.

åZ=0; G=R+P ; (1)

; (2), где -объём частицы;

R= ; (3)

P ; (4)

= ;

W = ; ;

Найдём скорость выпадения монодисперсной взвеси:

; (5)

где: коэффициент сопротивления зависит от физических свойств жидкости, вязкости, температуры, определяется опытным путём, кроме этого на коэффициент сопротивления влияет скорость движения и число Рейнольдса:

R = ; ; (6), где кинематический коэффициент вязкости;

абсолютная вязкость;

Профессор Зигже – отношение от R : Рисунок 6

Для этого графика характерны 3 участка:

1)Область маленьких чисел R , меньше 2 (ламинарный режим движения-малые скорости и малые частицы), коэффициент сопротивления находится:

; ( ) (7)

; (8)

2) При числах R (2-50)-режим переходный. Коэффициент сопротивления находится по формуле:

;

3) С увеличением скорости движения частиц и увеличения размера частицы возникает турбулентность и на коэффициент сопротивления, числа R влияет не значительно. Скорость определяется:

; (9)

Если взвесь монодисперсная, то зависимость между количеством выпавшей в осадок взвеси и времени отстаивания линейны.

Рисунок 7:

Угол наклона данной линии зависит от скорости осаждения частиц.

3.2 Осаждение полидисперсной взвеси.

Большинство взвесей, содержащихся в природной воде, а также образующейся в процессе коагуляции неоднородны по форме, по размерам и по массе, поэтому характер осаждения такой взвеси устанавливается экспериментально путём лабораторных исследований, определяется количество выпавшей взвеси из проб через разные промежутки времени (через каждый час), составляют кривые выпадения взвеси:

Рисунок 8

Чем больше выгнута кривая, тем больше неоднородная взвесь содержится в воде. Время осаждения взвеси t, зависит от высоты слоя пробы ;

Эта кривая позволяет определить какой процент взвеси осаждается в течение любого заданного промежутка времени.

В точке А, проводится касательная к кривой, абсцисса точки А-время выпадения взвеси, ордината-количество взвеси, выпавшей за это время.

Тангенс угла касательной равен приращению количества взвеси за определённый отрезок времени:

; (10)

Ясно, что в каждый момент времени t на дно выпадают частицы всех размеров, кроме частиц выпавших заранее в осадок , то есть гидравлической крупностью U ; поэтому

tg -это скорость накопленной полидисперсной взвеси с гидравлической крупностью U ;

По графику видно, что полное количество взвеси на долю частиц с гидравлической крупностью U приходится количество частиц P :

Р =t ;

Количество взвеси, приходящейся на гидравлическую крупность U -величина Р :

Р =Р-Р ;

Для того, чтобы исключить влияние высоты опытных цилиндров строят зависимость от гидравлической крупности U:

Рисунок 9

Эффект осветления:

Э= ; (11) где:

с- исходное количество взвешенных веществ в воде

с -количество взвеси после отстаивания 8-12 мг/л

Для частиц одинаковой крупности можно составить зависимость (12):

;

Хорошо использовать при проектировании отстойников.

; ; (13)

3.3 Осаждение агрегативно-неустойчивой взвеси.

Для такой взвеси линейной зависимости не будет, то есть отношение (12) будет иметь вид:

;

n - показатель степени, учитывающий отклонение от линейной зависимости. n -всегда (0,2-0,5).

4. Классификация отстойников. Конструкция и расчёт горизонтальных отстойников

4.1 Классификация.

Классифицируют по схеме движения воды по сооружениям(4 основных типа):

1. Горизонтальные отстойники

2. Вертикальные отстойники

3. Радиальные отстойники

4. Тонкослойные отстойники.

4.2 Конструкция и расчёт.

При осаждении частиц в отстойниках, на характер осаждения влияет турбулентная составляющая вертикальных пульсаций. Схема осаждения частиц в горизонтальном отстойнике выглядит следующим образом.

Для предварительных расчётов, вертикальную составляющую ищут, исходя из горизонтальных составляющих. Так как расчётная схема берется для наиболее благоприятного случая, то есть для частицы, находящейся в верхних слоях потока воды соответственно имеющей наибольший путь движения от поверхности потока до его дна. Из отношения находят длину отстойника, причём вводят величину -отношение гидравлической крупности и скорости движения частицы вниз.

;

Величина зависит от гидравлической крупности частиц и турбулентности потока или скорости движения воды в отстойнике. Горизонтальную составляющую скорости движения частиц можно найти:

; к =f( );

Для горизонтальных отстойников, отношение длины к глубине отстойной части (10-25)

Согласно СНиП (п.6.63) рассчитывается площадь отстаивания:

F= м ; где: q-расчётный расход очистной станции в м

Далее определяется ширина отстойника, в СНиП рекомендует сначала принимать ширину отстойника, затем площадь, затем длину. Кроме зоны отстаивания в горизонтальных отстойниках есть зона накопления осадка. Зона накопления осадка определяется по формуле(10) СНиП (п.6.65). Объём зоны накопления осадка зависит от исходной мутности воды. Периоды накопления осадка, мутности воды на выходе из отстойника и концентрации уплотнённого осадка:

W = ;

Т-периоды между сбросами осадка в часах,

принимается больше 12 ч-при гидравлическом удалении осадка;

принимается более 24 ч-при опорожнении отстойников;

С-концентрация взвешенных веществ, мг/л

Концентрация взвешенных веществ в отстойной воде (8-12 мг/л)

Концентрация взвешенных веществ в исходной воде должна учитывать привнесённые загрязнения с реагентами ф.11 СНиП. Горизонтальный отстойник представляет собой прямоугольный в плане железобетонный резервуар, оборудованный водораспределительными и водосборными устройствами, а также трубопроводами для подвода осветляемой и осветлённой воды и удаления выпавшего осадка. Горизонтальные отстойники применяются на станциях с производительностью свыше 30-50 тыс. м . При любом количестве взвешенных веществ (до 1500 мг/л) применяются отстойники как для осветления некоагулированной взвеси, так и при добавлении реагентов . Зону осветления воды принимают в пределах 3-5 м, а длину отстойника и площади рассчитывают. Основным недостатком данных сооружений является их большая протяжённость. Схематично выглядит следующим образом:

Рисунок 10:

Длины колеблются от 30-150м. Чтобы уменьшить длину сооружения делают горизонтальный отстойник с поворотом потока воды.

Рисунок 11:

Рисунок 12:

При недопущении перерывов подачи воды на ОС (1 категория-количество отстойников не менее 2). Для равномерного распределения воды по поперечному сечению, предусмотрена система лёгких перегородок, разделяющих горизонтальный отстойник на несколько коридоров, ширина коридора 3-6м. (должно соответствовать шагу колонны). Эти секции отстойника оборудуются водораспределительными устройствами (желоба, водопереливные перегородки) и водосборными устройствами в виде дырчатых желобов различного поперечного сечения. Осадок в отстойниках выпадает неравномерно, и основная его масса находится в передней части отстойника. Для периодического удаления осадка предусматривают уклон днища отстойника в противоположную сторону движения воды. Для цветной воды - уклон 20%, для мутной -30%. Удаление осадка бывает гидравлическим, для этого предусматривают гидроэлеваторы; для плавного сползания осадка к приямку, дно горизонтального отстойника выполняют пирамидальным; угол конусности-45°. В основании пирамиды- дырчатые короба или трубопровод. Расстояние между сборными трубами или коробами должно быть не более 3м при призматическом днище. Если днище горизонтальное, то расстояние не должно превышать 2м. Когда ширина секции отстойника принимается-3м, то количество сборных труб-1, если ширина 6м- 2 трубы.

При отсутствии дырчатой системы удаления осадка в каждой секции отстойника должен быть лоток для удаления осадка. При мутности более 1500 мг/л должно быть предусмотрено механическое удаление осадка, тогда дно отстойника принимается горизонтальным.

Рисунок 13:

Водосборные желоба располагаются горизонтально, параллельно стенкам отстойника, длина желобов-2/3. Расстояние между желобами не более 3м., и расстояние от жёлоба до стен не более 1,5м. Вода из сборных желобов поступает в сборный карман.