Осаждение взвешенных веществ в гидроциклонах.

Гидроциклоны применяются для очистки производственных сточных вод от механических примесей и уплотненного осадка. Выделение примесей в гидроциклонах происходит под действием центробежных сил. По гидравлическим условиям работы различают два основных вида гидроциклонов: напорные и открытые. Напорный гидроциклон представляет собой металлический аппарат конической формы (рис.43).

Сточная жидкость в напорный гидроциклон подается под напором тангенциально, шлам отводят через нижнее отверстие, а осветленную воду через верхний сливной патрубок. Так как сточная жидкость в гидроциклон подается тангенциально, она находится во вращательном движении. Поскольку центробежные силы, возникающие при вращательном движении, в десятки, сотни раз превышают силы тяжести, пропорционально возрастают скорости осаждения частиц. Частицы отбрасываются к стенкам гидроциклона, а затем опускаются к нижнему отверстию.

Рис.43. Напорный гидроциклон: 1.Подача жидкости; 2.Отводящий трубопровод; 3. Патрубок для отвода пульпы (шлама);

Сточная жидкость в гидроциклоне образует два винтовых потока: внешний, направленный к вершине конуса, и внутренний, направленный в противоположную сторону, к сливному патрубку. Напорные гидроциклоны могут работать как в вертикальном, так наклонном и горизонтальном положениях. Диаметр гидроциклона определяется в зависимости от крупности задерживаемых частиц :

Диаметр гидроциклона
, мк.	8-25	10-30	15-35	18-40	20-50	25-60	30-70	35-85	40-110	45-150	50-170	55-200

Основные размеры гидроциклонов подбираются по данным завода изготовителя.

Производительность гидроциклона по осветленной воде может быть вычислена по формуле:

Q = 0,24 ^. , м³/с, где

d_сл , d_п - соответственно эквивалентные диаметры сливного и питательного патрубков;

- коэффициент, учитывающий потерю воды с осадком ( = 0,85-0,9);

- площадь живого сечения питательного патрубка;

- потеря напора в гидроциклоне.

В зависимости от требуемой пропускной способности устанавливают одиночные гидроциклоны или группу из нескольких параллельно включенных гидроциклонов.

Для более высокого эффекта осветления включают последовательно два и более напорных гидроциклонов.

Достоинством гидроциклонов является малые размеры при относительно высокой производительности. Однако их применение эффективно для выделения структурных частиц типа песка, окалины и не эффективно для хлопьевидных частиц, всплывающих примесей. Кроме того, выделение примесей в гидроциклонах связано со значительными энергозатратами и износом стенок аппаратов. Для предотвращения износа производится футеровка стенок износостойкими материалами.

Для удаления всплывающих и оседающих примесей с гидравлической крупностью свыше 0,2мм/с и скоагулированной взвеси применяют безнапорные (открытые) гидроциклоны. Открытый гидроциклон с внутренним цилиндром и диафрагмой изображен на рис.44.

Исходная вода подается тангенциально в пространство ограниченное внутренним цилиндром. Поток по спирали движется вверх, а оседающие взвешенные частицы под действием равнодействующих сил тяжести и центробежных отбрасываются к внутренней стенке цилиндра и сползают вниз в коническую часть. Центральный поток освобожденный от взвесей отделяется диафрагмой и переливается через водослив в кольцевой лоток. Мелкие взвешенные частицы выносятся потоком в зазор между корпусом и внутренним цилиндром и осаждаются практически в покое. В верхней части гидроциклона расположена кольцевая полупогружная перегородка для задержания всплывающих примесей.

Рис.44. Открытый гидроциклон: 1.Подача сточной жидкости; 2.Отвод пульпы (шлама); 3.Отвод очищенной жидкости; 4. Кольцевая полупогружная перегородка; 5.Полупогружной водослив; 6.Водосборный кольцевой лоток; 7. Диафрагма; 8. Внутренний цилиндр.

В практике очистки сточных вод используются также открытые гидроциклоны без внутренних устройств и многоярусные.

Расчет открытых гидроциклонов производится по гидравлической нагрузке:

; м³/м²час , где

U₀ - гидравлическая крупность частиц, которые необходимо выделить для обеспечения требуемого эффекта, мм/с;

k - коэффициент пропорциональности, зависящий от типа гидроциклона и равный для гидроциклонов:

·без внутренних устройств - 0,61;

·с конической диафрагмой и внутренним цилиндром - 1,98;

·многоярусных с центральным выпуском

;

D - диаметр гидроциклона, метр;

d - диаметр центрального отверстия в диафрагме, метр.

Потери напора в открытых гидроциклонах принимаются 0,5м.

Фильтрование.

Фильтрование применяют для выделения из сточных вод тонкодиспергированных частиц масел, смол, волокон, пыли и т.д., удалить которые отстаиванием не удается, а также при доочистке сточных вод после биологической очистки.

Наибольшее распространение получили фильтры с зернистой загрузкой, подразделяемые по следующим основным признакам:

По скорости фильтрования - скорые (7-16м/час) и сверхскоростные (25-100м/час);

По рабочему давлению - открытые (безнапорные) и напорные;

По крупности фильтрующего материала - мелкозернистые, среднезернистые, крупнозернистые;

По количеству фильтрующих слоев - однослойные, двухслойные, многослойные (каркасно-засыпные).

При выборе материала загрузки и его крупности следует учитывать вид загрязнений сточных вод. В качестве фильтрующих материалов могут использоваться сыпучие и пористые материалы: кварцевый песок, древесные опилки, дробленный гравий , антрацит, коксовая мелочь, бурый уголь, торф, горелые породы, пластмассовая загрузка.

По конструкции фильтры, применяемые для очистки производственных сточных вод, во многом аналогичны фильтрам для целей водоподготовки. Напорные фильтры чаще всего загружают песком крупностью 0,2-2 мм. Высота загрузки колеблется от 0,5 до 1,0м. При загрузке гравийной мелочью диаметром 1,0-2,0мм высота загрузки составляет 1-1,5м. Скорость фильтрования зависит от вида и крупности загрузки, от вида и концентрации удаляемых загрязнений, а также типа фильтра (напорный или безнапорный). От этих факторов зависят и другие параметры работы фильтров: грязеемкость загрузки, продолжительность фильтроцикла, потери напора. Для примера рассмотрим скоростной контактный фильтр КФ - 5 (рис.45).

Фильтр КФ-5 может использоваться при реагентной очистке производственных сточных вод от грубодисперсных и коллоидных примесей. Отличительной особенностью фильтра является наличие дырчатой водоподводящей (распределительной) системы, расположенной непосредст-венно у поверхности загрузки. Наличие такой системы позволяет избежать предварительного хлопьеобразования в слое воды над загрузкой и создать условия для эффективной коагуляции на поверхности зерен загрузки, что значительно увеличивает эффективность фильтрования.

Рис.45. Скорый контактный фильтр КФ-5: 1.Подача исходной воды; 2.Отвод очищенной воды; 3.Подача воды на промывку загрузки; 4.Отвод воды после промывки; 5.Желоба для сбора промывной воды; 6.Водоподводящая система; 7.Загрузка фильтра; 8.Пористый дренаж; 9.Устойство для подачи промывной воды в поддон фильтра; 10.Корпус фильтра; 11.Линия подачи коагулянта.

Применять такие фильтры рационально при концентрации взвешенных веществ в очищаемой воде до 300-400мг/л со скоростью фильтрования 12-20м/час. Применение двухслойной загрузки в сочетании с водоподводящей системой позволяет увеличить грязеемкость в 2,5 раза по сравнению с обычными скорыми фильтрами.

Широкое применение в практике очистки производственных сточных вод нашли также каркасно-засыпные фильтры, фильтры с плавающей загрузкой, намывные напорные фильтры и другие.

Конструкция каркасно-засыпного фильтра является разновидностью фильтров, в которых используется принцип фильтрования в направлении убывающей крупности зерен. Загрузка каркасно-засыпного фильтра состоит из каркаса в качестве которого используется гравий или щебень крупностью 40-60мм и засыпки из песка крупностью 0,8-1,0мм. Засыпка размещена в нижней половине гравийного каркаса. Кроме песка в качестве засыпки может использоваться гранулированный доменный шлак, керамзит, мраморная крошка, антрацит. Фильтрация осуществляется сверху вниз, скорость фильтрования составляет 10м/час.

Фильтры с плавающей загрузкой заполняются вспененными гранулами полистирола, который готовят на месте путем обработки суспензионного бисерного полистирола марки ПСВ горячей водой или паром при 100⁰С. Фильтры с плавающей загрузкой имеют следующие преимущества: Экономичность, простота конструкции, долговечность фильтрующей загрузки, её способность к самостоятельной гидравлической сортировке в процессе промывки по убывающей крупности зерен и др.

Напорные намывные фильтры применяются при небольших расходах сточных вод. Фильтрование производится через предварительно намытый слой перлита. Конструкция намывного фильтра представляет собой горизонтальный корпус, внутри которого по всей длине проходит полый вал с закрепленными на нём дисками. Поверхность дисков состоит из перфорированных листов покрытых фильтрующей сеткой или тканью. Начальный фильтрующий слой (толщиной 1-2мм) наносится подачей в корпус фильтра суспензии порошка перлита концентрацией 2-2,5г/л. Затем суспензия подается с очищаемой сточной жидкостью при этом фильтрующий слой наращивается до толщины 45мм.

Фильтроцикл прекращается по достижении предельного значения потерь напора (от 0,1 до 0,2МПа).

Фильтры рассчитываются на работу в нормальном и форсированном режимах. Основные расчетные параметры обычно устанавливаются опытным путем в зависимости от состава сточных вод.

Расчет площади фильтров производится по максимально часовому расходу за вычетом допустимой неравномерности 15%, расчет конструктивных элементов фильтров выполняется аналогично как и для фильтров водоподготовки.

Микрофильтрование.

Микрофильтрование производится на микрофильтрах через сетки с микроскопическими отверстиями (20-40мкм). Конструкция микрофильтра аналогична конструкции барабанного сита (рис.8) на цилиндрической поверхности которого установлена микросетка. Рабочая сетка укреплена между двумя поддерживающими сетками с размерами ячеек 1,25 1,25мм (2,0 2,0мм).

Барабан микрофильтра погружен в камеру-резервуар примерно на 0,7 своего диаметра. Вращается он на подшипниках, закрепленных на пустотелом валу. Частота вращения барабана составляет 3-20об/мин и регулируется специальным устройством. Микрофильтры могут задерживать до 80% поступающих на них примесей. Эффективность микрофильтрования определяется рядом факторов. Основными из них являются физико-химические свойства задерживаемых примесей, их концентрация в исходной воде, режим процесса микрофильтрования.

Условно режимы микрофильтрования можно подразделить на гравитационное и напорное.

Гравитационное микрофильтрование осуществляется с образованием на микросетке фильтрующей пленки из задерживаемых частиц при периодическом её удалении промывным устройством. Потери напора при таком режиме микрофильтрования не должны превышать 0,2-0,3м.

Напорное микрофильтрование осуществляется при потерях напора до 0,5м без образования фильтрующей пленки и с непрерывной промывкой микросетки. При напорном режиме производительность выше, но эффективность очистки ниже. Крупность задерживаемых частиц при напорном режиме соизмерима с размерами ячеек микросетки, при гравитационном значительно ниже.

Рис.46. Кинетика микрофильтрования.

Расчет микрофильтров сводится к определению фильтрующей поверхности и количества микрофильтров. Определение площади микросеток производится исходя из скорости микро-фильтрования. При напорном режиме скорость микрофильтрования постоянна и достигает 90м/час. При гравитационном режиме скорость с течением времени в связи с увеличением гидравлического сопротивления падает (рис.46). При этом среднее значение скорости микро-фильтрования составит:

;

- начальная скорость микрофильтрования;

- скорость микрофильтрования через время к моменту промывки.

;

;

Т - время образования фильтрующей пленки, равное

; где

- эмпирические коэффициенты;

С_о - исходная концентрация взвешенных веществ;

В - коэффициент, зависящий от типа сетки.

Микросетки изготавливают из различных материалов: нержавеющей стали, латуни, фосфористой бронзы, никеля, капрона, нейлона, лавсана и др.

Металлические сетки обладают достаточно большой прочностью, но подвержены агрессивному действию сточных вод. Наилучшими свойствами обладают микросетки из никеля и фосфористой бронзы. Во избежание образования гальванических пар, рабочие и поддерживающие сетки должны быть выполнены из одного материала. Микросетки из неметаллических материалов стойки к агрессивному действию сточных вод, однако подвержены набуханию, из-за чего ухудшаются фильтрационные свойства, и старению.

Микрофильтры МБФ выпускаются промышленностью различных типоразмеров. Расход промывной воды составляет 5% от расхода сточных вод. Промывное устройство работает под давлением 0,13МПа.

Микрофильтры нашли применение для очистки сточных вод бумажной, текстильной, химической промышленности, а также для доочистки биологически очищенных сточных вод.

Список рекомендуемой литературы

1. Найманов А.Я., Насонкина Н.Г., Никиша С.Б., Омельченко Н.П. и др. Водоснабжение. – Донецк, 2006. – 654 с.

2. Иванов, В.Г. Водоснабжение промышленных предприятий.- Санкт-Петербург, 2003.- 537 c.

3. Гусаковский, В.Б. и др. Водоснабжение промышленных предприятий.- Санкт-Петербург, 2003.- 155 c.

4. Абрамов Н.Н., Водоснабжение. 2-е изд.перераб.и доп.- М: Строийиздат, 1984.-480с.

5. Алферова Л.А., Нечаев А.П. Замкнутые системы водного хозяйства промышленных предприятий, комплексов и районов. - М.: Стройиздат, 1984.-272с.

6. Вахлер Л.Б. Водоснабжение и водоотведение на металлургических предприятиях. Справочник. - М.: "Металлургия", 1987.-320 с.

7. 4. Водный Кодекс Российской Федерации. Принят Государственной думой 18.10.1995 г//Российская газета от 23 ноября 1995.

8. Водоснабжение. Проектирование систем и сооружений: в 3-х т.-т.1. Системы водоснабжения. Водозаборные сооружения/Под ред. докт.техн.наук, проф.Журбы М.Г. -Вологда-Москва:ВоГТУ, 2001.-290 с.

9. Водоснабжение. Проектирование систем и сооружений: в 3-х т. - т.2. Очистка и кондиционирование природной воды. Под ред. докт.техн.наук, проф.Журбы М.Г.-Вологда-Москва: ВоГТУ, 2001.-324 с.

10. Водоснабжение. Проектирование систем и сооружений: В 3-х т. - т.З. Системы распределения и подачи воды/Под ред.докт.техн.наук, проф.Журбы М.Г. -Вологда-Москва: ВоГТУ, 2001.-188 с.

11. Дикаревский B.C., Караваев И.И. Водоохранные сооружений на железнодорожном транспорте. -М.: Транспорт, 1986.-211 с.

12. Дикаревский B.C., Павлова Н.Н. Водоснабжение, водоотведение и очистка сточных вод дезинфекционно-промывочных станций и пунктов на железных дорогах: учебное пособие.-СПб.:ПГУПС, 1998.-60 с.

13. Дикаревский B.C. и др. Водоснабжение и водоотведение на железнодорожном транспорте. Учеб.для ВУЗов ж.-д.трансп./В.С.Дикаревский, П.П.Якубчик, В.Г.Иванов, Е.Г.Петров.-М.:/ Издательская группа "Вариант", 1999.-440 с.

14. Иванов Е.Н. Противопожарное водоснабжение.-М.: Стройиздат, 1987.-297с.

15. Иванов В.Г., Симонов Ю.М. Расчет и проектирование тонкослойных отстойников для очистки природных вод. -Л.:ЛИИЖТ, 1987.-36 с.

16. Иванов В.Г., Симонов Ю.М. Расчет и проектирование тонкослойных отстойников для очистки сточных вод.-Л.:ЛИИЖТ, 1985.-34 с.

17. Иванов В.Г.Семенов В.П., Симонов Ю.М. Применение тонкослойных отстойников в целлюлозно-бумажной промышленности.-М.: "Лесная промышленность", 1989.-175 с.

18. Кагановский A.M. и др. Очистка и использование сточных вод в промышленном водоснабжении.-М.:Химия, 1983.-288 с.

19. Копылов А.С., Верховский Е.И. Спецводоочистка на атомных электростанциях. Учебн.пособ.для СПТУ.-М.: Высшая школа, 1988.-208 с.

20. Кучеренко Д.И., Гладков В.А. Оборотное водоснабжение:/Системы водяного охлаждения/-М.: Стройиздат, 1980.-168 с.

21. Курганов A.M., Федоров Н.Ф. Гидравлические расчеты систем водоснабжения и водоотведения// Справочник. Изд.З-е.-Л.: Стройиздат, 1986.-440с.

22. Методические указания по проектированию очистных сооружений и оборотных систем водопользования для предприятий железнодорожного транспорта.-М.: МПС РФ, 1995.-152 с.

23. Методические рекомендации по расчету технико-экономических показателей и эколого-экономической оценке эффективности охлаждающих систем оборотного водоснабжения промпредприятий.-М.: ВНИИ ВО-ДГЕО, 1990.

24. Николадзе Г.И., Сомов М.А. Водоснабжение/Учеб.для вузов.-М.: Стройиздат, 1995 .-688 с.

25. Николадзе Г.И. Технология очистки природных вод.-М.: Высшая школа, 1987.-479с.

26. Нормы водопотребления и водотведения в технологических процессах отрасли. ОН 016-01124328-2000.МПС РФ.-М.: Транспорт, 2000.-16 с.

27. Пономаренко B.C., Арефьев Ю.И. Градирни промышленных и энергетических предприятий: Справочное пособие/ Под общ. ред. В.С.Пономаренко.-М.: Энергоатомиздат, 1998.-376 с.

28. Пособие по проектированию градирен (к СниП 2.04.02.-84. Вдоснабже-ние.Наружние сети и сооружения) ВНИИ ВОДГЕО Госстроя СССР.-М.: ЦИТТ Госстроя СССР, 1989.

29. Сомов М.А. Водопроводные системы и сооружения.-М.; Стройиздат, 198.-389с.

30. СниП.2.04.02-84*.Водоснабжение.Наружные сети и сооружения/Госстрой России.-М.: ГУП ЦПП, 1998.-128 с.

31. СниП 2.04.01-85*.Внутренний водопровод и канализация зданий/Госстрой России.-М.: ГУП ЦПП, 2000.

32. СниП.2.04.09.-84. Пожарная автоматика зданий и сооружений/Госстрой СССР.-М.: ЦИТП Госстроя СССР, 1988.-24 с.

33. СниП 11.89.80 Проектирование генеральных планов промышленных предприятий М.: Стройиздат, 1981.

34. Справочник проектировщика. Водоснабжение населенных мест и промышленных предприятий/Под ред.И.А.Назарова.-М.: Стройиздат, 1977.-429с.

35. Технические записки по проблемам воды: Пер.с англ, в 2-х т.Под ред.Т.А.Карюхиной, И.Н.Чурбановой.-М.: Стройиздат, 1983.-607 с.

36. Укрупненные нормы водопотребления и водоотведения для различных отраслей промышленности/СЭВ ВНИИ ВОДГЕО-М.: Стройиздат, 1978.-528с.

37. Фрог Б.Н., Левченко А.П. Водоподготовка. Учебн.пособие для вузов.-М: Издательство МГУ, 2001.-680 с.

38. Михайлов Е.А. Методы подготовки питательной воды котлов и современное оборудование для коммунального тепло и водоснабжения: учебное пособие / Е. А. Михайлов, Ю. С. Кашенков, А. Г. Маланов. – Ярославль: Изд-во ЯГТУ, 2009. – 156 с.