Аппараты механической очистки сточных вод

 

Принцип работы песколовки

 

Песколовки – аппараты, предназначенные для осаждения тяжелых минеральных частиц из сточных вод.

Осаждение – гидродинамический процесс, а для рассмотрения гидродинамических процессов обычно применяют теорию подобия, которая гласит, что подобными являются процессы, явления, для которых соблюдается геометрическое подобие, подобие сил и энергий. Подобие воздействующих на систему сил отражают безразмерные критерии подобия, характеризующие соотношение воздействующих на систему сил.

Критерий Рейнольдса определяется по формуле 41:

 

(41)

где w – скорость потока, м/с;

d – определяющий линейный размер, м.

 

Критерий Рейнольдса характеризует соотношение инерционных сил и сил внутреннего трения. Подобны такие потоки, для которых критерии Рейнольдса совпадают. С помощью данного критерия определяют режимы движения жидкости и режимы осаждения.

Для потока со значением критерия Рейнольдса до 2300 наблюдается ламинарный режим течения, от 2300 до 10000 – переходный, более 10000 – турбулентный. Ламинарный режим течения характеризуется размеренным движением слоёв жидкости относительно друг друга практически без смешения, профиль скоростей неравномерен, но симметричен относительно оси трубопровода – максимальная скорость наблюдается на оси трубопровода и убывает при приближении к поверхности трубопровода. Турбулентный режим характеризуется интенсивным движением жидкости, перемешивание слоёв жидкости за счёт образования турбулентных струй и пульсаций, профиль скоростей симметричен и более равномерен, чем при ламинарном течении, скорость несколько убывает при приближении к поверхности трубопровода. Переходный режим нестабилен и сочетает свойства турбулентного и ламинарного режимов течения.

При осаждении определяющим линейным размером является диаметр частицы, учитывается скорость осаждения. При значениях критерия Рейнольдса до 2 наблюдается ламинарный режим осаждение, от 2 до 500 – переходный, более 500 – турбулентный.

Скорость осаждения, как правило – искомая величина, и чаще режим осаждения определяют с помощью критерия Архимеда, рассчитываемого по формуле 42:

 

(42)

 

Критерий Архимеда характеризует соотношение подъёмной силы (результирующей сил тяжести и Архимеда) и сил внутреннего трения При значениях критерия Архимеда до 36 наблюдается ламинарный режим осаждения, от 36 до 83000 – переходный, более 83000 – турбулентный. Критерии Архимеда и Рейнольдса взаимосвязаны, что отражено в формуле 42:

 

(42)

 

Таким образом, с увеличением критерия Архимеда увеличивается критерий Рейнольдса, а соответственно и скорость осаждения частиц. Но исходя из формулы очевидно, что при переходе от ламинарного режима к переходному и далее к турбулентному рост критерия Архимеда (скорости) при увеличении критерия Архимеда перестаёт быть линейным и становится степенным. Это связано с тем, что при ламинарном режиме осаждения жидкость плавно обтекает оседающую частицу, а при переходе к переходному и турбулентному режиму за частицей формируются турбулентные струи и вихри, оказывающие дополнительное лобовое сопротивление частицам, оседающим в вышележащих слоях. И чем выше концентрация частиц, тем больше гидравлическое сопротивление. Данное явление называется стеснённым осаждением. Приведем формулу 43 для расчёта лобового сопротивления частицы, формулу 44 для выражения скорости осаждения исходя из критерия Рейнольдса и формулу 45 для определения скорости стеснённого осаждения.

 

	(43)
	(44)
	(45)

где  – объёмная доля жидкости в суспензии.

 

Таким образом, лобовое сопротивление пропорционально размерам частицы и скорости её движения, так же увеличивается при увеличении концентрации частиц фазы.

Здесь мы рассмотрели основные закономерности процесса осаждения и затронули теорию подобия, в частности рассмотрели ряд критериев гидродинамического подобия [1,8,15].

 

В таблице 7 приведём схемы основных типов аппаратов, их описание будет приведено в дальнейшем в подразделе 3.2 и таблице 8.

 

Таблица 7 – Схемы основных типов циклонов

 

Тип песколовки	Схема
Горизонтальные с прямолинейным движением жидкости
Горизонтальные с круговым движением жидкости
Вертикальные
Тангенциальные
Аэрируемые

 

Достоинства и недостатки

 

На данный момент существует несколько разновидностей песколовок, их конструктивные особенности, достоинства и недостатки рассмотрим в таблице 5 [4].

 

Таблица 8 – Сравнительный анализ песколовок разных конструкций

 

Тип	Конструктивные особенности	Достоинства	Недостатки
Горизонтальные с прямолинейным движением жидкости	Резервуар прямоугольной формы, снабжен подводящим и отводящим трубопроводами; желобом для накопления осадка, расположенным ближе к подводящему трубопроводу; эрлифт для удаления осадка; стоит отметить, что дно резервуара выполнено с уклоном в сторону желоба	Малое гидравлическое сопротивление; большая производительность; простота конструкции	Совместное осаждение органических и минеральных частиц; ограниченный диапазон осаждаемых фракций
Горизонтальные с круговым движением жидкости	Представляет собой конический резервуар с периферийным лотком для течения сточных вод	Большая эффективность за счёт организации кругового движения жидкости, облегчение выгрузки осадка	Большее гидравлическое сопротивление, усложнение конструкции и площади занимаемой аппаратом
Вертикальные	Представляет собой цилиндрический резервуар с коническим днищем, снабжённый подводящим трубопроводом, обеспечивающий подвод жидкости в центральный цилиндр (трубу), в котором осуществляется гашение напора, скорость которого при достижении нижнего уровня мала. Также аппарат снабжён отводящим трубопроводом, в которого вода поступает из затрубного пространства	Подводящий трубопровод осуществляет подачу воды вертикально, за счёт чего осуществление гашения напора о эллиптическую крышку и центральный цилиндр, что ведёт к снижению скорости и числа вихрей и турбулентных струй, что увеличивает эффективность очистки	Увеличение гидравлического сопротивления и ограничение пропускной способности аппарата

Продолжение таблицы 8

 

Тип	Конструктивные особенности	Достоинства	Недостатки
Тангенциальные	Представляет собой цилиндрический резервуар с коническим днищем, снабженный подводящим трубопроводом, обеспечивающим тангенциальную подачу жидкости; отводящим трубопроводом, осуществляющим водозабор из центра аппарата.	В аппаратах данного типа осуществлён принцип действия циклона, основывающийся на действии центробежной силы, что обеспечивает большую эффективность очистки и большую степень разделения минеральных и органических примесей	Увеличение гидравлического сопротивления и ограничение пропускной способности аппарата, помимо этого песколовки данного типа наиболее чувствительны к суточному изменению расхода воды, так как падает скорость потока, а соответственно не достигается ожидаемая интенсификация гравитационного осаждения
Аэрируемые	Конструктивно похож на горизонтальную песколовку, но снабжён воздуховодом для подвода воздуха к аэраторам – перфорированным трубам, проложенным на незначительном удалении от днища аппарата вдоль наиболее длинной оси аппарата, ближе к одной из стенок для создания винтового движения жидкости	Барботаж жидкости через дисперсную систему приводит к возникновению в среде вихрей и турбулентных струй, диспергированию частиц фазы и лучшему разделению минеральной и органической составляющих, снижает эффект стесненного осаждения. Винтовое движение интенсифицирует гравитационное осаждение за счёт воздействия центробежной силы	Затраты на забор и подведение воздуха с использованием компрессорной техники, помимо этого в песколовках данного типа, несмотря на интенсификацию процесса разделения минеральной и органической составляющих, наиболее вероятен унос частиц песка в связи со сложным режимом течения в аппарате