Удаление примесей воды осаждением. Закономерности процесса. Кривые осаждаемости

Теоретические основы осаждения взвеси

Осаждение взвешенных частиц происходит под действием силы тяжести. Современные конструкции отстойников, приме­няемые для осветления воды, являются проточными, так как осаждение взвеси в них происходит при непрерывном движении воды от входа к выходу. Поэтому скорости движения воды в отстойниках должны быть малы; они измеряются деся­тыми долями мм/с в вертикальных отстойниках и несколькими мм/с — в горизонтальных, тонкослойных и радиальных. При та­ких малых скоростях поток почти полностью теряет свою так называемую транспортирующую способность, обусловленную ин­тенсивным турбулентным перемешиванием.

Эти законы хорошо изучены применительно к явлению осаждения зернистой агрега-тивно устойчивой взвеси, частицы которой в процессе осаждения не слипаются друг с другом, не изменяют своих форм и разме­ров(первичное грубое осветление мутных вод). Осаждение неустойчивой взвеси, способной агломерировать­ся, слипаться в процессе осаждения, изучено в меньшей степени(типа при коагуляции).

Седиментация зернистой взвеси подчиняется более простым закономерностям, чем неустойчивой взвеси, но эти же законо­мерности с определенными допущениями применяют для расчета осаждения и неустойчивой взвеси.

За­коном Стокса: Этот закон определяет величину силы сопротивления, которую испытывает частица при своем падении в жидкости; сила сопротивления из­меняется пропорционально скорости, т. е. по линейному закону. Закон Стокса, как показывает опыт, справедлив для частиц очень малого размера, осаждающихся с малой скоростью (лами­нарный режим), когда на сопротивление движению оказывают влияние только силы вязкости. С увеличением размера и скоро­сти осаждения частиц линейный закон нарушается. Это вызы­вается возникновением турбулентности при обтекании движу­щейся частицы жидкостью, когда помимо вязкости на движение частицы начинают оказывать влияние инерационные силы.

Скорость осаждения при температуре воды 10°С называют гид­равлической крупностью частицы. Этот параметр используют для расчета отстойников, так как в этом случае важно знать скорость осаждения частиц, а не их размеры. Гидравлическую крупность частиц взвеси находят экспериментально, определяя от­носительное количество взвеси, выпавшей за определенный про­межуток времени на дно цилиндра, заполненного испытуемой водой на высоту h.

Природная взвесь водоемов, так же как и скоагулированная взвесь, состоит из частиц различного размера. Их гидравлическая крупность изменяется в широких пределах. Такая взвесь называется полидисперсной. Представление об осаждении полидисперсной взвеси дают кривые выпадения взвеси приведенные на рис. 8.3, б и 8.4, полученные опытным путем. Экспериментальная кривая выпадения взвеси позво­ляет найти процентное содержание различных ее фракций, т. е. фракций с различной гидравлической крупностью.

Рис. 8.4. Графики седиментации зернистой полидисперсной взвеси при различной высоте осаждения (а) и совмещенная кривая осаждения (б)

Пользуясь кривой выпадения, можно определить также среднюю гидравлическую крупность полидисперсной взвеси или среднюю скорость ее осаждения u_cp:

u_cp.=ph/T. Величина u_ср может рассматриваться как гидравлическая крупность такой моно­дисперсной взвеси, для которой при той же высоте столба во­ды и равной продолжительности отстаивания получены одина­ковые значения величины р. На практике опреде­ляют не среднюю скорость осаждения полидисперсной взвеси, а некоторую фиктивную скорость:

u_ф=u_ср/р

обычно называемую процентной скоростью осаждения. Вели­чина и хотя и имеет размерность скорости, но не является физической скоростью осаждения частиц взвеси. Из изложен­ного видно, что указанный метод определения гидравлической крупности фракций взвеси и ее средней скорости осаждения можно использовать только для устойчивой зернистой взвеси и нельзя для коагулированной, неустойчивой взвеси, поскольку вследствие коагуляции частиц фракционный состав последней изменяется в процессе седиментации. Тем не менее кривые вы­падения взвеси используют для расчета отстойников, так как они позволяют определить необходимую продолжительность пребывания воды в них по заданному эффекту осаждения или эффекту осветления воды. Это применимо как к осаждению устойчивой взвеси, так и не устойчивой, коагулированной взвеси.

Технологическое моделирование процесса осаждения

Технологическое моделирование процесса осаждения за­ключается в определении в лабораторных условиях расчетных параметров отстойников: скорости осаждения взвеси и про­должительности пребывания воды в отстойнике, обеспечиваю­щей заданный эффект ее осветления. Методика моделирования основана на подобии кривых выпадения взвеси, получаемых при различных высотах столба исследуемой воды. Благодаря подобию кривых выпадения взве­си оказывается возможным моделировать этот процесс в ци­линдрах с небольшой высотой столба воды. При этом время, в течение которого достигается определенный эффект осаждения, значительно уменьшается по сравнению с временем осаж­дения в отстойниках. Это позволяет быстро определить необходимые параметры для расчета отстойников.

Одина­ковый эффект осаждения монодисперсной взвеси с определен­ной гидравлической крупностью частиц достигается при равных отношениях T/h. Это справедливо и для полидисперсной зер­нистой взвеси. Т – время осаждения, h-высота столба жидкости.

На рис. 8.4, а представлено семейство кривых выпадения по­лидисперсной зернистой взвеси. Каждая кривая получена при различных значениях высоты столба воды: кривые отличаются друг от друга только формой. Одинаковый эффект осаждения достигается при различной продолжительности отстаивания, но все кривые подобны между собой. Если изменить масштаб оси абсцисс (масштаб времени) и отложить по этой оси вместо зна­чений времени значения T/h, то все кривые совместятся в одну (рис. 8.4,б). Это обстоятельство дает весьма простое правило пересчета времени, необходимого для получения заданного эф­фекта осаждения по результатам технологического моделиро­вания.

Получив в лаборатории кривую выпадения взвеси в процессе исследования исходной воды при высоте столба воды h, опре­деляем требуемый эффект осаждения р. Он может быть рассчи­тан по концентрации взвеси в исходной воде С_о и концентрации взвеси в осветленной воде С, регламентируемой СНиПом и при­нимаемой равной 8... 15 мг/л:

Р=(С₀-С)/С₀

По величине р с помощью кривой выпадения взвеси определяем продолжительность осаждения Т ₁, а затем расчетную продолжительность пребывания воды в отстойнике Т_р из соотношения

Тр/Т1=hр/h1 (1)

Так как из условия подобия T_p/h_p = T1/h1 =const при р — const здесь h_p и Tр — соответственно расчетная высота зоны осаж­дения и продолжительность пребывания воды в проектируемом отстойнике. Формула (1) показывает, что при осаждении ус­тойчивой взвеси продолжительность пребывания воды в отстой­нике во столько раз больше продолжительности осаждения в цилиндре, во сколько высота зоны осаждения больше высоты слоя воды в цилиндре.

При осаждении неустойчивой коагулирующей взвеси для расчета отстойников следует пользоваться выражением

Tp/T1=(hp/h1)^n

где n=0,2 - 0,5 — эмпирическая величина.

Поиск по сайту: