Химическая и физико-химическая очистка сточных вод

Физико-химическая очистка сточных вод является одним из основных методов их обезвреживания. Она может применяться как самостоятельно, так и в сочетании с другими методами. Актуальность физико-химической очистки сильно возросла в связи с повышением требований к качеству воды, сбрасываемой в водоемы. В результате получили развитие системы оборотного водоснабжения предприятий, предусматривающие минимальный сброс сточных вод.

Преимуществами физико-химических методов являются высокая степень очистки воды и возможность извлечения из нее ценных компонентов. Однако, в связи с тем, что многие из этих методов достаточно дороги, необходимо правильно сочетать локальные и общие системы при разработке схем очистки воды на предприятиях.

Большинство физико-химических методов требуют глубокой предварительной очистки сточных вод от взвешенных веществ, поэтому применяются совместно с другими методами – отстаиванием и фильтрацией.

 

Нейтрализация

 

Производственные сточные воды от многих технологических процессов содержат щелочи, кислоты и соли тяжелых металлов. Попадая в очистные сооружения или водоемы, такие стоки приводят к коррозии конструкционных материалов, нарушению биохимических процессов в биологических окислителях и водных объектах, осаждению тяжелых металлов. Для предупреждения подобных негативных явлений кислые и щелочные стоки подвергают нейтрализации.

В соответствии с [1] нейтрализации подлежат сточные воды, величина рН которых ниже 6.5 или выше 8.5, перед отводом в канализацию населенного пункта или в водный объект. Реакция нейтрализации – это химическая реакция между веществом, имеющим свойства кислоты, и веществом, имеющим свойства основания. В результате реакции нейтрализации характерные свойства обоих соединений теряются.

Наиболее типичная реакция в водных растворах происходит между гидратированными ионами водорода и гидроксид-ионами, содержащимися в кислотах и основаниях: Н⁺ + ОН^– = Н₂О. При этом концентрация каждого из ионов становится равной той, которая свойственна самой воде (10^-7), т. е. активная реакция водной среды приближается к рН = 7.

В производственных стоках наиболее часто встречаются серная, соляная, азотная, фосфорная, уксусная и плавиковая (фтороводородная) кислоты. Среди щелочных реагентов распространены гидроксиды калия, натрия, кальцинированная сода.

В практике водоочистки применяются следующие способы нейтрализации:

– взаимная нейтрализация кислых и щелочных сточных вод;

– нейтрализация реагентами (растворами кислот и щелочей);

– фильтрование кислот через нейтрализующие щелочные материалы (известь, известняк, доломит, магнезит, мрамор, мел);

– нейтрализация за счет щелочного резерва городских сточных вод.

Рекомендации по применению различных способов нейтрализации кислых стоков [3] представлены в табл. 4.1.

 

Таблица 4.1

Условия применения различных способов нейтрализации кислых стоков

Кислота	Концентрация, г/м^3	Режим притока	Способ нейтрализации
смешение со щелочными стоками	раствором извести	раствором известняка	Фильтрованием через
известняк	доломит	мел
Серная	<1.5	равномерный	+	+		—	+	+
>1.5	+	+	—	—	—	—
<1.5	неравномерный	+			—	+	+
>1.5	+		—	—	—	—
Соляная и азотная	—	равномерный	+	+	+	+	+	+
—	неравномерный	+			+	+	+
Углекислота и др. слабые кислоты	—	равномерный	+	+	—	—	—	—
—	неравномерный	+		—	—	—	—

 

Примечание: «+» – способ рекомендуется; «0» – применение способа допускается; «—» – применение способа не рекомендуется.

Процессы реагентной нейтрализации производственных сточных вод осуществляются на соответствующих станциях. В состав станций нейтрализации входят песколовки, резервуары-усреднители, склады нейтрализующих реагентов, баки для приготовления рабочих растворов, смесители сточных вод с реагентами, камеры реакции (нейтрализаторы), отстойники для удаления осадка из нейтрализованных вод, осадкоуплотнители (перед механическим обезвоживанием образующихся осадков), сооружения для механического обезвоживания осадков, а при их отсутствии – шламовые площадки, места для складирования обезвоженных осадков, устройства контроля за процессом нейтрализации. Принципиальная схема станции нейтрализации показана на рис. 4.1.

 

Теоретический расход щелочного реагента на нейтрализацию кислоты и осаждение гидроокиси металла, г/л, определяется по формуле:

 

Х = С · Щ/К,

где С – концентрация кислоты или ионов металла в растворе, г/л;

Щ – эквивалентная масса используемого щелочного реагента, г/г-экв.;

К – эквивалентная масса кислоты или иона металла, г/г-экв.

Если известна величина водородного показателя воды, то пересчет концентраций содержащихся в ней кислот и щелочей производится по следующим формулам:

 

– для кислых стоков:

 

,

(4.1)

где С_к – концентрация кислоты, г/л;

К – эквивалентная масса кислоты, г-экв;

 

- для щелочных стоков:

 

,

(4.2)

где С_щ – концентрация щелочи, г/л;

Щ – эквивалентная масса щелочи, г-экв.

Теоретические расходы реагентов определяются на основании уравнений реакции нейтрализации. Значения теоретических расходов некоторых соединений, используемых в качестве реагентов, приведены в приложении 19. В соответствии с [1] для нейтрализации кислот применяют гидроокись кальция (гашеную известь) в виде 5 % по активной окиси кальция известкового молока или отходы щелочей (едкого натра или калия) в виде 5÷10 %-ных растворов. Для подкисления и нейтрализации щелочных сточных вод рекомендуется применять техническую серную кислоту.

На практике дозу реагента для обработки сточных вод принимают на 10 % больше теоретической, полученной по расчету. Расход реагентов G, кг/сут, для нейтрализации находят по формуле:

 

,

(4.3)

где k ₃ – коэффициент запаса расхода реагента по сравнению с теоретическим. Для известкового молока k ₃ = 1.1, для известкового теста и сухой извести k ₃ = 1.5;

Q_сут – расход сточных вод, м³/сут;

а – теоретический расход реагента на нейтрализацию, кг/кг;

С_к,щ – концентрация кислоты или щелочи в стоках, кг/м³;

В – количество активной части в товарном продукте, %.

Поскольку в кислых производственных стоках практически всегда присутствуют ионы металлов, дозу реагента следует определять с учетом выпадения в осадок солей и гидроксидов тяжелых металлов:

 

,

(4.4)

где b_i – расход реагента на осаждение металлов, кг/кг;

С_Ме – концентрация металлов в сточных водах, кг/м³.

Количество сухого вещества осадка М, кг/м³, образующегося при нейтрализации 1 м³ сточной воды, содержащей свободную серную кислоту и соли тяжелых металлов, определяют по формуле [1]:

 

,

(4.5)

где А ₁ – количество активного оксида кальция, необходимое для осаждения металлов, кг/м³;

А ₂ – количество активного оксида кальция, необходимого для нейтрализации свободной серной кислоты, кг/м³;

А ₃ – количество образующихся гидроксидов металлов, кг/м³;

Е ₁ – количество сульфата кальция, образующегося при осаждении металлов, кг/м³;

Е ₂ – количество сульфата кальция, образующегося при нейтрализации свободной кислоты, кг/м³.

Если выполняется условие: Е ₁ + Е ₂ < 2, то третий член выражения (4.5) не учитывается, поскольку весь образующийся при нейтрализации сульфат кальция находится в растворенном виде.

Объем осадка, %, образующегося при нейтрализации 1 м³ сточных вод, вычисляется по выражению:

 

,

(4.6)

где W_ос – влажность удаляемого осадка, %[3].

 

Общий объем образующегося за сутки осадка, м³, составит:

 

.

(4.7)

 

Приготовление рабочих растворов хорошо растворимых в воде щелочных реагентов (гидроксидов натрия, калия, соды) не вызывает трудностей. Их приготавливают в баках с перемешиванием воздухом или различными механическими мешалками (см. п. 4.2). Растворимость гидроксида кальция в воде невелика, поэтому рабочий раствор представляет собой суспензию (известковое молоко), включающую как растворенный, так и нерастворенный реагент. Для известкового молока используют специальные аппараты для гашения извести, в которые на 1 т товарной извести подают 7÷10 м³ воды, желательно подогретой до 60÷70 ºС.

Для очистки известкового молока от нерастворимых примесей при стабилизационной обработке воды применяют вертикальные отстойники или гидроциклоны. Вертикальные отстойники рассчитываются исходя из скорости восходящего потока 2 мм/с. При очистке известкового молока на гидроциклонах необходимо обеспечивать двукратный его пропуск через гидроциклоны.

Известковое молоко из известегасительных аппаратов после очистки направляется в баки с непрерывным гидравлическим перемешиванием (с помощью насосов) или механическими мешалками. Количество баков – не менее двух. При гидравлическом перемешивании восходящая скорость движения молока в баке должна составлять не менее 5 мм/с. В баках с лопастными мешалками частота вращения вала мешалки принимается равной не менее 40 об/мин. Для перемешивания допускается применять сжатый воздух при интенсивности подачи 8÷10 л/(с · м²). Баки должны изготавливаться из коррозионно-стойких материалов, иметь конические днища с наклоном 45° к горизонту и трубопроводы для сброса осадка диаметром не менее 100 мм.

Объем каждого из растворных баков V_б, м³,определяется по выражению:

 

,

(4.8)

где N – количество баков;

n – число заготовок известкового молока в сутки;

С_Са = 5 % – концентрация известкового молока по активному СаО.

Число заготовок известкового молока зависит от расхода реагента и продолжительности работы станции нейтрализации. Обычно, это значение находится в пределах от 2 до 4.

Трубопроводы при напорной подаче очищенного известкового молока должны иметь диаметр не менее 25 мм, неочищенного – не менее 50 мм, при самотечной подаче – не менее 50 мм. Скорость движения в трубопроводах известкового молока должна составлять не менее 0.8 м/с. Повороты на трубопроводах известкового молока следует предусматривать с радиусом не менее 5 · d, где d – диаметр трубопровода. Напорные трубопроводы проектируются с уклоном к насосу не менее 0.02, самотечные трубопроводы должны иметь уклон к выпуску не менее 0.03. Насосы для подачи известкового молока и дозирующие устройства должны быть приспособлены для работы с суспензиями.

Часовой расход известкового молока:

 

,

(4.9)

где Т – продолжительность работы станции в течение суток, ч/сут.

В дальнейшем оборудование станции нейтрализации должно рассчитываться на суммарный расход сточных вод Q_p и известкового раствора q_из:

 

Qсум = Q + qиз.

 

Смешение реагентов с водой рекомендуется осуществлять в смесителях гидравлического типа (вихревых, перегородчатых). При обосновании допускается применение смесителей механического типа. Количество смесителей должно быть не менее двух.

Из смесителей сточные воды подаются в камеру реакции (нейтрализатор), в которой должно осуществляться непрерывное перемешивание воды механическими мешалками с частотой вращения не менее 40 об/мин. Продолжительность контакта сточных вод и реагента составляет 5 минут для кислых и щелочных вод и не менее 30 минут для кислых вод, содержащих ионы тяжелых и цветных металлов. При интенсивном перемешивании воды в камере реакции (при частоте вращения мешалки порядка 150 об/мин) время контакта может быть снижено до 15 минут. При расходах сточных вод до 50 м³/ч можно использовать камеры реакции периодического действия, число которых должно быть не менее двух. При бóльших расходах следует применять камеры непрерывного действия [7].

Для извлечения выпадающих в осадок соединений рекомендуется использование отстойников различных типов, в отдельных случаях допускается использование флотационных установок.

Отстойники рассчитываются на продолжительность отстаивания не менее 2 ч при доведении рН обрабатываемой воды до величины 7.5÷8.5. Продолжительность отстаивания можно уменьшить введением в сточную воду перед отстаиванием флокулянтов (например, полиакриламида) в виде 0.1 %-го водного раствора. Доза флокулянта обычно находится в пределах 1÷5 мг/л и определяется экспериментально в зависимости от температуры и рН воды, интенсивности перемешивания и других факторов.

Выделенный в отстойниках или флотаторах осадок подлежит обезвоживанию на шламовых площадках, оборудованных дренажем или на установках механического обезвоживания. Площадки обычно размещают в закрытых помещениях, оборудованных устройствами для погрузки осадка в автотранспорт. Нагрузка на площадки по осадку (шламу) q_шл составляет 10÷15 м³/(м² · год). Суммарная площадь шламовых площадок, м²:

 

.

(4.10)

 

Для механического обезвоживания осадков используются вакуум-фильтры, фильтр-прессы или центрифуги. Предварительно осадки следует направлять в осадкоуплотнители, время пребывания осадков в которых составляет 6 ч.

Обезвоживание осадков на вакуум-фильтрах рекомендуется производить при количестве сухого вещества в осадке не менее 25 кг/м³. При расчете вакуум-фильтров нагрузку на фильтр принимают в пределах 15÷25 кг/(м² · ч), частоту вращения – 0.4 об/мин, поддерживаемый вакуум – 50÷80 кПа.

Применение фильтров, загруженных кусковым мелом, доломитом, известняком и пр. возможно при соблюдении следующих условий:

1) количество серной кислоты в стоках не должно превышать 1.5 мг/л, поскольку при большей концентрации количество образующегося сульфата кальция превысит предел его растворимости (2 мг/л) и он начнет выпадать в осадок, который, покрывая поверхность загрузки, затрудняет доступ к ней кислоты, в результате чего реакция нейтрализации прекращается. Исключение составляет загрузка из карбоната магния (магнезита), поскольку растворимость сульфата магния в воде весьма велика (355 г/л);

2) нейтрализуемые стоки не должны содержать растворенных солей металлов, так как при рН > 7 они будут выпадать в осадок в виде труднорастворимых соединений, засоряющих фильтр;

3) для непрерывно действующих фильтров начальная крупность загрузки должна составлять 3÷8 см. Вода фильтруется снизу вверх со скоростью не более 5 м/ч, продолжительность контакта воды с загрузкой – не менее 10 минут.

При нейтрализации сточных вод, содержащих серную кислоту, на вертикальных фильтрах с доломитовой загрузкой (СаСО₃ · MgCO₃) высоту слоя загрузочного материала, м, можно определять по эмпирической формуле С.А. Вознесенского:

 

,

(4.11)

где d – диаметр зерен загрузочного материала, мм;

С_к – концентрация кислоты, г-экв/л; если концентрация серной кислоты выражена в г/л, то для перевода в г-экв/л ее следует умножить на коэффициент 0.0204;

v = 4÷8 м/ч – скорость фильтрации;

К – эмпирический коэффициент, зависящий от сорта доломита; для подмосковного доломита равен 0.62, для уральского 1.31.

Суточный расход реагента, т/сут., определяют по формуле:

 

,

(4.12)

где т – коэффициент, характеризующий стехиометрическое соотношение; (для подмосковного доломита равен 0.94);

С_к – концентрация кислоты в стоке.

Поскольку 100 %-ное использование активной части загрузочного материала фильтра практически невозможно, фактический расход материала принимают в полтора раза бóльшим: G_ф = 1.5 · G.

Продолжительность работы фильтра до перезагрузки, сут:

 

,

(4.13)

где F = Q / v – площадь фильтрации, м²;

ρ – плотность загрузочного нейтрализующего материала, т/м³, равная 2.8 для доломита, известняка и мрамора, 3.0 для магнезита и 2.7 для мела.

Нейтрализация сточных вод, содержащих щелочи, может осуществляться кислыми отходящими газами (СО₂, SO₂, NO₂, N₂O₃ и др.). Достоинством данного метода является то, что наряду с обработкой стоков происходит эффективная очистка газовых выбросов от вредных компонентов. Процесс нейтрализации может осуществляться в реакторах с мешалками, а также в скрубберах различного типа (полых, насадочных, тарельчатых и т. д.).

 

Коагуляция и флокуляция

 

В процессе механической очистки из сточных вод достаточно легко удаляются частицы размером 10 мкм и более. Мелкодисперсные и коллоидные частицы в результате механической очистки практически не удаляются. Для очистки таких стоков применяют методы коагуляции и флокуляции, приводящие к нарушению агрегативной устойчивости коллоидных и мелкодисперсных систем.

В общем случае коагуляция – это физико-химический процесс агломерации коллоидных и мелкодисперсных частиц при их тепловом движении, перемешивании или направленном перемещении в силовом поле. В результате коагуляции образуются более крупные вторичные частицы.

В практике очистки сточных вод основным процессом коагуляционной обработки является взаимодействие находящихся в воде примесей с агрегатами, образующимися при введении в воду коагулянтов (преимущественно солей алюминия и железа). В результате реакции гидролиза образуются малорастворимые в воде гидроксиды, которые сорбируют на развитой хлопьевидной поверхности взвешенные, мелкодисперсные и коллоидные примеси. В дальнейшем образовавшиеся укрупненные частицы удаляются из воды при помощи методов отстаивания, фильтрования или флотации.

 

Рис. 4.2. Конструкции баков для растворения коагулянтов: а) – для кускового продукта с перемешиванием сжатым воздухом: 1 – подача воды; 2 – подача сжатого воздуха; 3 – колосниковая решетка; 4, 5 – верхняя и нижняя распределительные системы для воздуха; 6 – выпуск осадка; 7 – отбор раствора; б) – для кускового продукта с перемешиванием пропеллерной мешалкой: 1 – подача воды; 2 – привод от электродвигателя; 3 – мешалка; 4 – колосниковая решетка; 5 – отбор раствора; 6 – спуск осадка; в) – для зернистого продукта с перемешиванием лопастной мешалкой; 1 – привод от электродвигателя; 2 – мешалка

 

Флокуляцией называют процесс агрегации дисперсных частиц под действием высокомолекулярных соединений, называемых флокулянтами.

Флокулянты используют для расширения оптимальных диапазонов коагуляции по рН и температуре, а также для повышения плотности и прочности образующихся хлопьев и снижения расхода коагулянтов. В результате повышается надежность работы и пропускная способность очистных сооружений. Количество коагулянтов и флокулянтов, необходимых для очистки сточных вод, зависит от вида реагентов, расхода, состава и требуемой степени очистки стоков и определяется экспериментально.

Процесс очистки воды данными методами включает следующие технологические операции: приготовление водных растворов коагулянтов и флокулянтов, дозирование и смешение их со всем объемом обрабатываемой воды, хлопьеобразование, выделение хлопьев из сточной воды.

Коагулянты используются в виде 1÷10 % растворов, а флокулянты – в виде 0.1÷1 % растворов. Растворы коагулянтов готовят в специальных баках, оборудованных перемешивающими устройствами (рис. 4.2). Количество растворных баков зависит от объема разовой поставки, способов доставки и разгрузки коагулянта, его вида, а также времени его растворения и должно быть не менее трех. Количество расходных баков должно быть не менее двух. Внутренняя поверхность баков должна быть защищена кислотостойкими материалами.

Для смешивания сточных вод с растворами коагулянтами используют дырчатые, перегородчатые и вертикальные смесители. Смешение может осуществляться и непосредственно в трубопроводе. В этом случае для снижения высоты положения дозирующих устройств применяют различные дроссельные устройства – трубы Вентури, диафрагмы, дроссельные шайбы, эжекторы и т. д. Продолжительность пребывания сточных вод в смесителях – 1÷2 мин. При использовании в качестве коагулянта железного купороса (сульфата железа II) следует применять аэрируемые смесители, обеспечивающие перевод двухвалентного гидроксида железа в трехвалентный.

Из смесителей обработанная коагулянтами вода поступает в камеры хлопьеобразования. Интенсивность перемешивания должна быть оптимальной, поскольку при малой интенсивности реагенты распределяются неравномерно и образуются непрочные хлопья, а при чрезмерной интенсивности образующиеся хлопья разрушаются и измельчаются. Интенсивность перемешивания можно оценить по величине градиента скорости, с^-1:

 

,

(4.14)

где Р – мощность, расходуемая на перемешивание, Вт;

V – объем воды в смесителе, м³;

m - динамическая вязкость воды, Па · с.

Оптимальное значение G при использовании сульфата алюминия находится в пределах от 150 до 300 с^-1; при использовании более эффективных коагулянтов и флокулянтов градиент скорости может достигать 1000 с^-1 (обычно 300÷500).

Чтобы хлопья коагулянтов не разрушались в коммуникациях, камеры хлопьеобразования рекомендуется изготавливать примыкающими к сооружениям для осветления воды или встроенными в них.

По конструкции камеры хлопьеобразования делятся на водоворотные, перегородчатые, вихревые, механические и барботажные. Водоворотная камера (рис. 4.3) представляет собой цилиндрический железобетонный или металлический резервуар высотой Н от 3.5 до 4.5 м. В верхнюю часть резервуара по трубопроводу, снабженному на конце соплами, подается вода. Сопла располагаются на расстоянии 0.2 d от стенок камеры (d – диаметр камеры хлопьеобразования) и на глубине 0.5 м от поверхности воды. Скорость истечения из сопел составляет 2÷3 м/с.

Рис. 4.3. Водоворотная камера хлопьеобразования, совмещенная с вертикальным отстойником. 1 – подача сточных вод; 2 – выпускные сопла; 3 – водоворотная камера хлопьеобразования; 4 – успокоительная решетка; 5 – зона осаждения отстойника; 6 – выпуск осветленной воды; 7 – зона осаждения; 8 – выпуск осадка

 

На выходе из камеры хлопьеобразования устанавливается металлическая или деревянная успокоительная решетка с размером ячейки 0.5×0.5 м высотой 0.8 м. Время пребывания воды в водоворотной камере принимается равным 15÷20 минут.

Площадь поперечного сечения встроенной водоворотной камеры хлопьеобразования определяют по выражению:

 

,

(4.15)

где Т – продолжительность пребывания воды в камере, мин.;

Н – высота камеры, м;

N – расчетное количество отстойников на станции водоочистки.

Перегородчатые камеры (рис. 4.4) хлопьеобразования представляют собой прямоугольные в плане железобетонные резервуары с железобетонными или деревянными перегородками.

 

 

По направлению движения воды между перегородками эти камеры подразделяют на устройства с горизонтальным и вертикальным движением воды. Перегородчатые камеры хлопьеобразования обычно используют в комплексе с горизонтальными отстойниками, устанавливая их в начале сооружений. Камеры конструируются с расчетом возможности изменения времени пребывания в них воды. Это достигается за счет отключения части коридоров при помощи шиберных заслонок. Для выпуска осадка дно перегородчатых камер хлопьеобразования выполняют с уклоном 0.02÷0.03. Продолжительность пребывания воды в камерах составляет 20÷30 минут.

При расчете перегородчатых камер среднюю высоту их принимают равной 2÷3 м. Объем камеры V_к, м³, и площадь зеркала F, м², определяют по выражениям:

 

, ,

(4.16)

где Н – средняя высота уровня воды в камере, м;

Т – расчетное время пребывания воды в камере, ч.

Для наиболее распространенных камер с горизонтальной циркуляцией воды среднюю ширину коридоров b, м, вычисляют по формуле:

 

,

(4.17)

где v – скорость движения воды в коридорах, м/с;

Q_p – расчетный расход сточных вод, м³/ч.

Наименьшая ширина коридоров принимается равной 0.7 м. Скорость потока воды в коридорах должна убывать с 0.2÷0.3 м/с в начале до 0.05÷0.1 м/с в конце сооружения за счет увеличения расстояния между перегородками. Число поворотов потока п в камерах обычно составляет 8÷10. Потери напора при движении воды между перегородками h, м:

 

.

(4.18)

 

Конструкция вихревых (вертикальных) камер хлопьеобразования близка к конструкции одноименных смесителей (см. главу 2.2). Они могут иметь как круглую, так и прямоугольную в плане форму. В последнем случае вихревые камеры непосредственно примыкают к горизонтальным отстойникам. Осветляемая вода с коагулянтом подается в основание конической части камеры. Угол между наклонными стенками равен 50÷70º. Скорость воды на входе в аппарат составляет 0.7÷1.2 м/с, скорость восходящего потока на выходе – 4÷5 мм/с. Отвод воды из верхней части камеры осуществляется при помощи сборных лотков или перфорированных труб. Продолжительность пребывания воды в вихревых камерах 6÷10 мин, в камерах, встроенных в отстойник, – не менее 20 мин.

Механические камеры хлопьеобразования представляют собой прямоугольные железобетонные резервуары, оборудованные 2÷5 парами мешалок. Наибольшее распространение получили камеры хлопьеобразования с мешалками, вращающимися вокруг горизонтальных осей. Расчетная скорость движения воды в камерах – 0.2÷0.5 м/с, время пребывания сточных вод – 30÷60 минут. Окружная скорость лопастных мешалок составляет 0.4÷0.55 м/с. Камеры данного типа часто совмещают с горизонтальными отстойниками, разделяя их дырчатой вертикальной перегородкой.

Объем и площадь зеркала камеры вычисляют по формулам (4.16). Длина камеры L_к, м:

 

,

(4.19)

где α – коэффициент, равный 1.0÷1.5;

п – количество осей с мешалками.

Ширина камеры В, м:

 

Скорость горизонтального движения воды, м/с:

 

.

 

Перемешивание в барботажных камерах хлопьеобразования осуществляется продувкой сжатого воздуха через воду. На дно таких камер укладываются перфорированные трубы или пористые плиты. Расстояние между осями труб – 0.9÷1.5 м, диаметр отверстий – 1.8 мм, расстояние между ними – 75÷150 мм.

Барботажные трубы обычно располагают на глубине 2÷3.6 м от поверхности воды. Максимально допустимая глубина воды в камере – 4.5 м. Расход воздуха составляет около 0.15 м³ на 1 м² площади зеркала камеры в час.

Наилучшие условия для хлопьеобразования обеспечиваются при градиенте скорости G = 50÷60 с^-1. Величина градиента определяется по формулам:

 

а) для перегородчатых камер:	(4.20)
б) для вихревых и водоворотных камер:   ,	(4.21)

где т – число перегородок;

v ₁ и v ₂ – скорости движения воды в коридоре и на повороте, м/с;

Q – расход воды, м³/с;

V – объем камеры, м³;

m – динамическая вязкость воды, Па · с;

r – плотность воды, м³.

При очистке сточных вод флотационными методами продолжительность пребывания воды в камерах хлопьеобразования составляет: для коагулянтов – 3÷5, для флокулянтов – 10÷20 минут.

 

Рис. 4.5. Осветлители со взвешенным слоем осадка диффузорного типа малой (а) и средней (б) производительности: 1 – воздухоотделитель; 2 – осадкоотводные трубы; 3 – опускные подводящие трубы; 4 – осадкоуплотнитель; 5, 6 – трубы или отверстия для выпуска осадка; 7 – отвод воды из осадкоуплотнителей

При концентрации в сточных водах взвешенных веществ, способных к агрегации, до 2.5 г/л используют осветлители со взвешенным слоем осадка. В аппаратах данного типа последовательно осуществляются три основных процесса: смешение реагентов с водой, коагуляция и осветление сточных вод. В основе работы осветлителей со взвешенным слоем осадка лежит явление контактной коагуляции, протекающей на поверхности сорбента – хлопьев гидроксида. Восходящий поток осветляемой воды пропускается в аппарате через слой ранее выпавшего шлама (осадка). При этом скорость восходящего потока регулируется таким образом, чтобы частицы шлама не выносились из зоны выделившегося осадка. Коллоидные и взвешенные примеси, содержащиеся очищаемой в воде, под действием молекулярных сил прилипают к поверхности хлопьев гидроксидов или к ранее осевшим на них частицам. Для повышения эффективности осветления сточная вода, смешанная с коагулянтами, предварительно проходит через воздухоотделитель, в котором она освобождается от пузырьков воздуха.

Осветлители рекомендуется применять на станциях водоочистки производительностью более 5000 м³ в сутки для очистки сточных вод с содержанием взвешенных веществ до 2500 мг/л. Осветлители могут иметь круглую форму в плане (диаметром не более 14 м) или прямоугольную (площадью не более 150 м²).

На рис. 4.5 показано устройство осветлителей со взвешенным слоем осадка диффузорного типа с поддонным осадкоуплотнителем, которые используются на станциях водоочистки производительностью 5000 м³/ч и более.

Площадь сечения осветлителей с поддонным осадкоуплотнителем вычисляется по формуле:

 

,

(4.22)

где F_осв – площадь зоны осветления, м²;

F_шо – суммарная площадь сечения труб для отвода осадка, м²;

k – коэффициент распределения воды между зоной осветления и осадкоуплотнителем (см. табл. 4.2);

v_осв – скорость восходящего потока воды в осветлителе, м/с (см. табл. 4.2);

v_шо = 0.04÷0.06 м/с – скорость движения воды с осадком в осадкоотводящих трубах.

На станциях осветления и обесцвечивания воды производительностью 50÷100 тыс. м³/сут используются осветлители коридорного типа с вертикальными осадкоуплотнителями (рис. 4.6). Площадь сечения данных осветлителей рассчитывают по формуле:

 

,

(4.23)

где F_отд – площадь зоны отделения осадка, м²;

a - коэффициент снижения скорости восходящего потока в зоне отделения осадка, равный 0.9.

 

Таблица 4.2

Скорость восходящего потока и коэффициенты распределения

воды в осветлителях

Концентрация взвешенных веществ в осветляемой воде, мг/л	Скорость восходящего потока в зоне осветления, мм/с^*	Коэффициент распределения воды k
летом	зимой
< 20 20÷100 100÷400 400÷1000 1000÷2500	0.4÷0.5 0.5÷0.6 0.6÷0.8 0.8÷1.0 1.0÷1.2	0.6÷0.7 0.7÷0.8 0.8÷1.0 1.0÷1.1 1.1÷1.2	0.60÷0.65 0.75÷0.80 0.70÷0.75 0.65÷0.70 0.60÷0.65

^* Скорости, приведенные в таблице, следует выбирать при использовании в качестве коагулянта сульфата алюминия. При обработке воды хлоридом или сульфатом железа (III) скорости восходящего потока следует увеличивать на 10 % по сравнению с табличными.

 

 

При проектировании осветлителей высоту взвешенного слоя осадка принимают равной 2.5 м. Нижняя кромка осадкоприемных окон или осадкоотводящих труб должна располагаться не менее чем на 1÷1.5 м выше наклонных стенок аппарата. Угол между наклонными стенками – 50÷70º, высота зоны осветления 1.5÷2.0 м.

Вода в осветлители подается через дырчатые каналы и трубы или через погружные трубы. Скорость движения воды при входе в перфорированные каналы и трубы принимается равной 0.5÷0.6 м/с, скорость истечения из отверстий в них – 1.5÷2 м/с. Отверстия направляются вниз под углом 45º или горизонтально. Диаметр отверстий 15÷25 мм, расстояние между ними – не более 500 мм. Расстояние между распределительными трубами – 3 м. Скорость движения воды в осадкоприемных окнах составляет 10÷15 мм/с. Осадкоотводящие трубы и осадкоприемные окна должны оборудоваться ограждающими козырьками.