Размещено на http://www.allbest.ru/

29

ВВЕДЕНИЕ

Коагуляция - это слипание частиц коллоидной системы при столкновениях в процессе теплового движения, перемешивания или направленного перемешивания во внешнем силовом поле. В результате коагуляции образуются агрегаты - более крупные (вторичные) частицы, состоящие из скопления мелких (первичных) частиц. Первичные частицы в таких агрегатах соединены силами межмолекулярного взаимодействия непосредственно или через прослойку окружающей (дисперсной) среды. Коагуляция сопровождается прогрессирующим укрупнением частиц и снижением их общего числа в объеме дисперсной среды. Слипание однородных частиц называется гомокоагуляцией, а разнородных - гетерокоагуляцией.

1. КОАГУЛЯЦИЯ

Коагуляция - это слипание частиц коллоидной системы при столкновениях в процессе теплового движения, перемешивания или направленного перемешивания во внешнем силовом поле. В результате коагуляции образуются агрегаты - более крупные (вторичные) частицы, состоящие из скопления мелких (первичных) частиц. Первичные частицы в таких агрегатах соединены силами межмолекулярного взаимодействия непосредственно или через прослойку окружающей (дисперсной) среды. Коагуляция сопровождается прогрессирующим укрупнением частиц и снижением их общего числа в объеме дисперсной среды. Слипание однородных частиц называется гомокоагуляцией, а разнородных - гетерокоагуляцией.

Производственные сточные воды в большинстве случаев представляют собой слабоконцентрированные эмульсии или суспензии, содержащие коллоидные частицы размером 0,003-0,1 мкм, мелкодисперсные частицы 0,1-10 мкм, а также частицы размером 10 мкм и более. В процессе механической очистки сточных вод достаточно хорошо удаляются частицы размером 10 мкм и более, мелкодисперсные и коллоидные частицы практически не удаляются. Таким образом, сточные воды многих производств после сооружений механической очистки представляют собой агрегативно устойчивую систему. Для их очистки применяются методы коагуляции: агрегативно устойчивая система при этом нарушается, образуются более крупные агрегаты частиц, которые удаляются из сточных вод механическими методами. Одним из видов коагуляции является флокуляция, при которой мелкие частицы, находящиеся во взвешенном состоянии, под действием специально добавляемых веществ (флокулянтов) образуют интенсивно оседающие рыхлые скопления.

Методы коагуляции и флокуляция широко распространены для очистки сточных вод предприятий химической, нефтехимической, нефтеперерабатывающей, целлюлозно-бумажной, легкой, текстильной и других отраслей промышленности. Эффективность коагуляционной очистки зависит от вида коллоидных частиц; концентрации и степени дисперсности коллоидных частиц; наличия в сточных водах электролитов и других примесей; величины электрокинетического потенциала.

В сточных водах могут содержаться твердые (глина, волокна, цемент, кристаллы солей и т.п.) и жидкие (нефть и нефтепродукты, смолы и другие) загрязнения. Коллоидные частицы, представляющие собой совокупность большого числа молекул вещества, содержащегося в сточной воде в диспергированном состоянии, при перемешивании прочно удерживают покрывающий их слой воды. Обладая большой удельной площадью поверхности, коллоидные частицы адсорбируют находящиеся в воде ионы преимущественно одного знака, которые значительно снижают свободную поверхностную энергию коллоидной частицы. Ионы, непосредственно прилегающие к ядру, образуют слой поверхностно-ядерных ионов, или так называемый адсорбционный слой. В этом слое может находиться также небольшое количество противоположно заряженных ионов.

Коагулирующее действие есть результат гидролиза, который происходит вслед за растворением. Силы взаимного притяжения между коллоидными частицами начинают преобладать над электрическими силами отталкивания при о - потенциале системы менее 0,03 В. При о = 0 В, коагуляция происходит с максимальной интенсивностью, состояние коллоидной системы в этом случае называется изоэлектрическим, а величина рН называется изоэлектрической точкой системы (рис. 1.15.).

Процесс гидролиза коагулянтов и образования хлопьев происходит по следующим стадиям:

Ме³⁺ + НОН = Ме(ОН)²⁺ + Н⁺

Ме(ОН)²⁺ + НОН = Ме(ОН) ²⁺ + Н⁺

Ме(ОН)₂+ НОН = Ме(ОН)₃ + Н⁺

Ме³⁺ + НОН = Ме(ОН)₃ + 3Н⁺

В действительности процесс гидролиза значительно сложнее. Ион металла образует ряд промежуточных соединений в результате реакций с гидроксид-ионами и полимеризации. Образующиеся соединения имеют положительный заряд и легко адсорбируются отрицательно заряженными коллоидными частицами. Одним из методов снижения о - потенциала коллоидной системы является увеличение концентрации электролитов в сточной воде. Способность электролита вызывать коагуляцию коллоидной системы возрастает с увеличением валентности коагулирующего иона, обладающего зарядом противоположным по знаку заряду коллоидных частиц. Соотношение коагулирующей способности одно-, двух- и трехвалентных ионов приблизительно 1:30:1000, т.е., чем выше валентность, тем более эффективно коагулирующее действие.

При коагуляции хлопья образуются сначала за счет взвешенных частиц и коагулянта или только коагулянта. Образовавшиеся хлопья коагулянта сорбируют вещества, загрязняющие сточные воды, и, осаждаясь вместе с ними, очищают воду.

Основным процессом очистки производственных сточных вод является гетерокоагуляция - взаимодействие коллоидных и мелкодисперсных частице агрегатам и, образующимися при введении в сточную воду коагулянтов. При использовании в качестве коагулянтов солей алюминия и железа в результате реакции гидролиза образуются малорастворимые в воде гидроксиды железа и алюминия, которые сорбируют на раз витой хлопьевидной поверхности взвешенные мелкодисперсные частицы, коллоидные частицы при благоприятных гидродинамических условиях оседают на дно отстойника, образуя осадок:

Al₂(SО₄)₃ + 6Н₂О > 2Аl(ОН)₃ + 3H₂SО_4;

FeCl₃ + ЗН₂О > Fe(OH)₃ + 3HCl;

Fe(SO₄) + 2H₂O > Fe(OH)₂ + H₂SO₄;

4Fe(OH)₂ + О₂ + 2H₂О > 4Fe(OH)₃.

Образующуюся в процессе гидролиза серную и соляную кислоты следует нейтрализовать известью или другими щелочами. Нейтрализация образующихся при гидролизе коагулянтов кислот может также протекать за счет щелочного резерва сточной жидкости:

Н⁺ + HCO ^- > СО₂ + Н₂О.

В целях уменьшения расходов коагулянтов процесс коагуляции следует осуществлять в диапазоне оптимальных величин рН. Значения рН при оптимальных условиях коагуляции будут следующими:

- для Аl(ОН)₃рН = 4,57;

- для Fe(OH)₂pH = 8,5-10,5;

- для Fе(ОН)₃рН = 4-6 и 8-10.

Для очистки производственных сточных вод применяют различные коагулянты: соли алюминия, соли железа, соли магния, известь, шламовые отходы и отработанные растворы отдельных производств (например, хлорид алюминия является отходом при производстве этилбензола, сульфат двухвалентного железа - травление металлов, известковый шлам и другие).

Соли алюминия. Сульфат алюминия (глинозем) Al₂(SО₄)·18Н₂О (плотность 1,62 т/м³, насыпная масса на 1 м³ сточных вод равна 1,05-1,1 т, растворимость в воде при температуре 20 °С - 362 г/л). Процесс коагуляции алюминия рекомендуется проводить при значениях рН = 4,5-8. В результате применения сульфата алюминия степень минерализации воды увеличивается. Алюминат натрия NaAlO₂, оксихлорид алюминия, полихлорид алюминия [Al₂(OH)_nCl_6n]_m(SO₄)_x, где 1 < n < 5< m < 10, алюмокалиевые [AlK(SO₄)₂ ·18Н₂О] и алюмоаммонийные квасцы [Al(NH₄)(SO₄)₂·12H₂O] квасцы имеют меньшую стоимость и дефицитность, чем сульфат алюминия.

Соли железа. Сульфат двухвалентного железа, или железный купорос FeSO₄·7H₂O (плотность 3 т/м³, насыпная масса на один куб. метр сточных вод равна 1,9 т, растворимость в воде при 20 ⁰С - 265 г/л). Применение процесса коагуляции оптимально при рН > 9. Гидроксид железа - плотные, тяжелые, быстро осаждающиеся хлопья, что является несомненным преимуществом его применения. Хлорид железа FеСl₃·6Н₂О, сульфат железа Fе₂(SO₄)₃•9Н₂О.

Соли магния - хлорид магния MgCl₂·6H₂O, сульфат магния MgSO₄·7H₂O. Соли железа, как коагулянты, имеют ряд преимуществ перед солями алюминия: действие при низких температурах воды; более широкая область оптимальных значений рН среды; большая плотность и гидравлическая крупность хлопьев; возможность использовать для вод с более широким диапазоном солевого состава; способность устранять вредные запахи и привкусы, обусловленные присутствием сероводорода. Однако имеются и недостатки: образование при реакции катионов железа с некоторыми органическими соединениями сильно окрашивающих растворимых комплексов; сильные кислотные свойства, усиливающие коррозию аппаратуры; менее развитая поверхность хлопьев.

При использовании смесей Аl(SO₄)₃ и FeCl₃ соотношениях от 1:1 до 1:2 достигается лучший результат коагулирования, чем при раздельном использовании реагентов. Происходит ускорение осаждения хлопьев. Кроме названных коагулянтов для обработки сточных вод могут быть использованы другие реагенты - глины, алюмосодержащие отходы производства, травильные растворы, пасты, смеси, шлаки, содержащие диоксид кремния. Оптимальную дозу реагента устанавливают на основании пробного коагулирования.

Количество коагулянта, необходимое для осуществления процесса коагуляции, зависит от вида коагулянта, расхода, состава, требуемой степени очистки сточных вод и определяется экспериментально.

Образующиеся в результате коагуляции осадки представляют собой хлопья размером от нескольких микрометров до нескольких миллиметров. Рыхлая пространственная структура хлопьев осадка обуславливает их высокую влажность - до 96-99 %. Плотность хлопьев осадка составляет обычно 1,01-1,03 т/м³. Для обесцвечивания высококонцентрированных и интенсивно окрашенных вод расходы коагулянтов достигают 1-4 кг/м³ сточной воды. Объем осадка, получающегося в результате коагуляции, достигает 10-20 % объема обрабатываемой сточной воды.

Недостатки метода коагуляционной очистки сточных вод (значительный объем коагулянтов, большой объем получающегося осадка, сложность его обработки и складирования, увеличение степени минерализации обрабатываемой сточной воды) не позволяют рекомендовать коагуляцию как самостоятельный метод очистки.

Коагуляционный метод очистки сточных вод применяется в основном при небольших расходах воды и при наличии дешевых коагулянтов.

Расширению оптимальных областей коагуляции (по рН и температуре) способствуют флокулянты, повышающие плотность и прочность образующихся хлопьев, снижающие расход коагулянтов, снижающие расход коагулянтов, повышающие надежность работы и пропускную способность очистных сооружений.

При растворении в сточных водах флокулянты могут находиться в неионизированном и ионизированном состоянии. Последние носят название растворимых полиэлектролитов. В зависимости от состава полярных групп флокулянты бывают:

- неионогенные - полимеры, содержащие неионогенные группы: -ОН, >СО (крахмал, оксиэтилцеллюлоза, поливиниловый спирт, полиакрилонитрил и др.);

- анионные - полимеры, содержащие анионные группы: -СООН, -SО₃Н, -OSO₃H (активная кремниевая кислота, полиакрилат натрия, альгинат натрия, лигносульфонаты и др.);

- катионные - полимеры, содержащие катионовые группы: -NH₂, =NH (полиэтиленимин, сополимеры винил пиридина, ВА-2, ВА-102, ВА-202 и др.);

- амфотерные - полимеры, содержащие одновременно анионные и катионные группы: полиакриламид, белки и др.

Скорость и эффективность процессов флокуляции и коагуляции зависят от состава сточных вод, их температуры, интенсивности перемешивания последовательности введения коагулянтов и флокулянтов. Дозы флокулянтов составляют обычно 0,1-10 г/м, а в среднем 0,5-1 г/м. Так применение добавок полиакриламида в концентрации 1 г/м³ при коагуляции сточных вод металлургического завода позволило увеличить удельную нагрузку на радиальные отстойники в два раза.

Процесс очистки сточных вод методом коагуляции или флокуляцией состоит из следующих стадий: дозирование и смешивание реагентов со сточной водой; хлопьеобразование и осаждение.

В реагентное хозяйство на очистных сооружениях входят склады для хранения коагулянтов. Широко применяется так называемое мокрое (рис. 1.16) хранение коагулянтов - в виде раствора или кускового продукта в концентрированном растворе, в баках и резервуарах, располагаемых внутри или вне зданий. Емкости, располагаемые вне зданий, следует утеплять. Растворение коагулянтов в воде осуществляется в специальных растворных баках с устройствами для барботажа сжатым воздухом интенсивностью 4-5 л/с на 1 м² площади колосниковой решетки.

Применяются также баки с лопастными и пропеллерными мешалками для растворения соответственно зернистых и кусковых материалов размером не более 20 см.

Из растворных баков коагулянты перекачивают в расходные баки, а оттуда дозируют в обрабатываемую водус помощью дозаторов различных конструкций. Коагулянты вводят в обрабатываемую воду обычно в виде 1-10 % растворов, а флокулянты 0,1-1 % растворов. Коагулянты смешивают с обрабатываемой сточной водой в смесителях в течение 1-2 мин. Для смешения коагулянтов применяют гидравлические и механические смесители. В гидравлических смесителях смешение происходит вследствие изменения направления движения и скорости тока воды.

Применяют перегородчатые, шайбовые и вертикальные смесители, а также механические с пропеллерными или лопастными мешалками. Трубопроводы или, отводящие воду из смесителей в камеры хлопьеобразования, и осветлители с взвешенным слоем осадка рассчитывают на скорость движения сточной воды 0,8-1 м/с и продолжительность ее пребывания в них не более двух минут. После смешивания сточных вод с коагулянтами начинается процесс образования хлопьеобразования. Эти камеры могут быть водоворотные, перегородчатые, вихревые, с механическим перемешиванием.

Водоворотные камеры хлопьеобразования представляют собой цилиндр, в верхнюю часть которого из смесителя вводится сточная вода, имеющая скорость на выходе из сопла 2-3 м/с. В нижней части камеры перед выходом в отстойник находятся гасители вращательного движения воды. Продолжительность пребывания воды в камере 15-20 мин.

Перегородчатые камеры могут быть горизонтальные (рис. 1.17) и вертикальные. В горизонтальной камере сточная вода протекает по нескольким последовательно соединенным коридорам. Перемешивание осуществляется за счет 8-10 поворотов. Коридоры устраиваются таким образом, чтобы скорость движения сточной воды в первом была 0,2-0,3 м/с, а в последнем - 0,1 м/с. Продолжительность пребывания воды в перегородчатых камерах 20-30 мин. Высота камеры определяется высотой отстойника, а ширина коридоров составляет не менее 0,7 м.

В камерах хлопьеобразования с лопастными мешалками скорость движения воды 0,15-0,2 м/с, а продолжительность пребывания - 20-30 мин.

Последующее осветление сточной воды производится в горизонтальных, радиальных или вертикальных отстойниках.

Наиболее целесообразной является двухступенчатая схема отстаивания сточных вод. На первой ступени осуществляется простое отстаивание в отстойнике без коагулянта. На второй ступени - обработка сточных вод коагулянтами и флокулянтами с последующим отстаиванием в отстойнике.

Если в производственных сточных водах концентрация взвешенных веществ, способных к агрегации, не превышает 4 г/л, то применяют осветлители со взвешенными слоями осадка. В осветлителях происходят три основных процесса: смешение, коагуляция и осветление сточных вод. Обрабатываемая в осветлителях сточная вода проходит снизу вверх через слой ранее выделившегося шлака с такой скоростью, при которой взвешенные частицы не уносятся из зоны взвешенного осадка. При движении сточной воды взвешенный слой увеличивается эффект задержания мелких суспензированных частиц. Осветлители проектируются круглыми (диаметр до 15 м) или прямоугольными в плане, площадь осветлителя не должна превышать 150 м².

Для обеспечения нормальной работы осветлителя сточную воду после смешения с коагулянтами направляют в воздухоотделитель, где она освобождается от пузырьков воздуха, выделяющихся в результате реакции. В течение одного часа допускается колебание температуры не более чем на 1 ⁰С, а расхода - не более чем на 10 %. Скорость коагуляции (рис. 1.18) зависит от концентрации электролита.

При малых числах соударений частиц, т.е. отношений числа столкновений окончившихся слипанием скорость близка к нулю (у = 0). По мере роста концентрации скорость коагуляции повышается, но не все столкновения эффективны - такую коагуляцию называют медленной. При наступает быстрая коагуляция, при которой все столкновения частиц заканчиваются образованием агрегатов.

Скорость быстрой коагуляции для неподвижной среды при броуновском движении частиц по теории Смолуховского равна

Количество частиц в единице объема воды за время Т для быстрой и медленной коагуляции определяются по формулам

Для ламинарного и турбулентного движения потока воды число взаимодействий частиц за единицу времени в единицу объема жидкости и вычисляется по формулам

где - число агрегатов частиц; k - константа коагуляции, k = 4рD, R = 8рDr; D - коэффициент диффузии одиночных частиц; r - радиус частиц; R - расстояния, на которые должны приблизиться частицы, чтобы произошло их объединение в агрегаты: R ? 2r; - начальная концентрация частиц; Т_1/2 - время коагуляции, в течение которого количество частиц в единице объема уменьшается вдвое; - коэффициент эффективности столкновений частиц; n_л и n_т - число взаимодействий частиц за единицу времени в единицу объема соответственно для ламинарного и турбулентного движения потока воды; n₁ и n₂ - число частиц с размером d₁ и d₂ соответственно; G - скоростной градиент: G = d_V / d_z; V₁ и V₂ - среднеквадратичные скорости двух коагулирующих частиц.

В полудисперсных системах коагуляция происходит быстрее, чем в монодисперсных, т.к. крупные частицы при оседании увлекают за собой более мелкие.

Форма частиц также влияет на скорость коагуляции. Например, удлиненные частицы коагулируют быстрее, чем шарообразные.

Размер хлопьев (в пределах 0,5-3 мм) определяется соотношением между молекулярными силами, удерживающими частицы вместе, и гидродинамическими силами отрыва, стремящимися разрушить агрегаты. Для характеристики хлопьев пользуются (определением) понятием эквивалентного диаметра

где - кинематическая вязкость воды; р_х - плотность хлопьев; - скорость свободного осаждения; К_ф - коэффициент формы хлопьев.

Плотность хлопьев определяется с учетом плотностей воды р_в и твердой фазы и объема твердого вещества в единице объема хлопьев

Прочность хлопьев зависит от гранулометрического состава образующихся частиц и пластичности. Агломераты частиц, неоднородных по размеру, прочнее, чем однородных. Вследствие выделения газов из воды, а также в результате аэрации и флотации происходит газонасыщение хлопьев, которые сопровождаются уменьшением плотности хлопьев и снижением скорости осаждения.

Резкие колебания скорости движения воды не допускаются. Величина восходящей скорости потока в зоне осветления зависит от концентрации взвешенных веществ. Так, при обработке сточных вод сульфатом алюминия при содержании взвешенных веществ в одном литре до 40 мг расчетная скорость восходящего потока:

Высота слоя взвешенного осадка принимается равной 1,5-2,5 м; высота защитной зоны от верха осадкоотводящих окон или труб до лотков для сбора осветленной воды 1-1,5 м; низ осадкоприемных окон или кромка осадкоотводящих труб располагается на расстоянии 1,5-1,75 м выше перехода наклонных стенок осветлителя в вертикальные; угол наклона к горизонту нижних частей стенок осветлителей и осадкоуплотнителей принимается не менее 45 ⁰С.

Избыток шлама, накапливающегося в осветлителе со взвешенным слоем осадка (рис. 1.19), перетекает под действием разности плотностей осветленной воды и взвешенного слоя в осадкоуплотнитель - это осветлитель с естественным отсосом шлама, либо отсасывается вследствие разностей уровней отбора воды из рабочей камеры и уплотнителя - это осветлитель с принудительным отсосом избытка шлама. Осветлители второй конструкции работают эффективнее.

Исходя из концентрации взвешенных веществ в обрабатываемой сточной воде С_н, при известных расчетах скорости восходящего потока воды в зоне осветлителя V_расч, эталонной концентрации взвешенных веществ во взвешенном слое С_э (при скорости движения воды 1 мм/с) и концентрации взвешенных веществ в осадке после его уплотнения С_шл, можно определить расход воды и размеры осветлителя (табл. 1.1). Расчетный расход сточной воды, проходящей через осветлитель



где Q_осв - расход сточных вод, выходящих из осветлителя, м³ /ч; С_к - конечная концентрация взвешенных веществ в сточной воде, г/м³.

Таблица 1.1 Параметры для расчета осветлителя со взвешенным слоем осадка.

Сн, г/м3	Vpaсч, м/с	Сэ, г/м3	Сшл после уплотнения, г/м3
			4 ч	6 ч
100-400	2,8-3,6	1000-2000	20000	24000
400-1000	3,6-4	2000-2500	25000	27000
1000-2000	4-4,3	2500-10000	32000	34000

Площадь осветлителя F_зо, с вертикальным осадкоуплотнителем находим по выражению

где F_зо , F_оу - площадь зоны соответственно осветления и осадкоуплотнения, м?; - коэффициент распределения воды между зоной осветления и осадкоуплотнителем

где - коэффициент подсоса осветленной воды в осадкоуплотнитель; = 1,15-1,2.

Площадь осветителя с поддонным осадкоуплотнителем

где F_отв - площадь поперечного сечения осадкоотводящих труб, м? ; V_отв - скорость движения воды с осадком в осадкоотводящих трубах, равная 90-140 м/ч.

Объем зоны накопления и уплотнения осадка W_зу (часть объема осадкоуплотнителя, которая расположена на 0,5-0,7 м и ниже нижней кромки осадкоотводящих труб (или окон) должен удовлетворять условию:

где t = 3-6 ч - продолжительность уплотнения шлама.

2. АППАРАТУРНОЕ ОФОРМЛЕНИЕ ПРОЦЕССА КОАГУЛЯЦИИ

Камеры хлопьеобразования

Камеры хлопьеобразования применяются в настоящее время лишь в схемах осветления воды, включающих отстойники.

Назначение камер хлопьеобразования--обеспечить образование хлопьев коагулянта. Процесс хлопьеобразования, начинающийся после смешения воды с реагентами, протекает относительно медленно, и для получения достаточно крупных хлопьев (для осаждения) требуется 10--30 мин. Процессу хлопьеобразования способствует плавное перемешивание воды. Скорость движения воды при перемешивании должна быть достаточной для предотвращения выпадения хлопьев коагулянта в пределах камеры, но не настолько большой, чтобы вызвать разбивание образовавшихся хлопьев.

Наибольшее распространение имеют камеры хлопьеобразования следующих типов: а) перегородчатые; б) вихревые; в) водоворотные; г) лопастные.

Перегородчатая камера (V.11) представляет собой резервуар, разделенный перегородками на ряд последовательно проходимых водой коридоров /. Окна 2 с шиберами позволяют выключать отдельные коридоры и менять длину пути воды в камере. Число поворотов потока обычно принимают равным восьми-десяти. Для выпуска осадка дну камеры придается уклон. Осадок удаляется через систему сборных труб.

Кроме наиболее распространенных горизонтальных перегородчатых камер, устройство которых в плане представлено схематически на V. 11, применяют также перегородчатые камеры с вертикальным попеременно восходящим и нисходящим движением воды.

Объем камеры определяют исходя из указанного выше времени пребывания в камере обрабатываемой воды и ее расхода Q. Скорость движения воды в камере принимают равной 0,2--0,3 м/с. В горизонтальных камерах хлопьеобразования ширина коридора, образуемого перегородками, b = Q/(vH) принимается не менее 0,7 м. Здесь Н -- глубина воды в камере.

Перегородчатые (горизонтальные) камеры применяют обычно для станций большой производительности (более 30 тыс. м3/сутки). Их удобно устраивать непосредственно примыкающими к горизонтальным отстойникам (как схематически показано на V. 11).

Камеры вихревого типа (предложены впервые Е. Н. Тетеркиным для станций умягчения воды) основаны на том же принципе изменения скорости потока, что и вихревой смеситель. Эти камеры могут иметь коническую форму (в комбинации с цилиндром) или призматическую.

Камера первого типа показана схематически на V.12. Вода подается в нижнюю часть корпуса. Скорость движения воды в конической части меняется от 0,7 м/с в нижнем сечении до 4--5 мм/с в верхнем сечении. Время пребывания в камере 6--10 мин. Из верхней, цилиндрической части камеры вода отводится обычно системой дырчатых труб.

В вихревые камеры призматической формы вода поступает через нижнюю, продольную щель и отводится из верхней части камеры сборными дырчатыми трубами, погруженными в воду.

Водоворотные камеры чаще всего объединяют конструктивно с вертикальными отстойниками, совмещая с их центральной трубой (см, далее V.21). Вода поступает в камеру через два расположенных в ее верхней части насадка, подобных насадкам в сегнеровом колесе. Эти насадки направляют струи воды по касательным к цилиндрическим стенкам трубы. Скорость выхода воды из насадков 2--3 м/с. Благодаря этому получается вращательное движение воды в верхней части камеры. В нижней ее части устраивают гаситель в виде решетки из поставленных на ребро досок, переводящий вращательное движение воды в поступательное.

Время пребывания воды в камере 15--20 мин.

В лопастных камерах перемешивание воды достигается вращением мешалок, приводимых в движение электродвигателем. Различают лопастные камеры с вертикальной и горизонтальной осью вращения мешалок. Первые представляют собой железобетонные резервуары, рассчитанные на 10--20-минутное пребывание в них обрабатываемой воды. В центре камеры располагается вертикальная ось с сидящими на ней лопастями. Средняя скорость движения воды в камере 0,2--0,5 м/с.

3. ВЕРТИКАЛЬНЫЙ ОТСТОЙНИК С ВИХРЕВОЙ КАМЕРОЙ ХЛОПЬЕОБРАЗОВАНИЯ

Изобретение относится к устройству, предназначенному для физико-химической очистки природных и сточных вод от оседающих и плавающих примесей с применением химических реагентов. Отстойник содержит цилиндрический и конический корпус, вихревую камеру хлопьеобразования, эжектирующую насадку с соплом, сборный лоток плавающих веществ, лоток осветленной воды и трубопровод вывода осадка. Вихревая камера хлопьеобразования имеет форму конуса с расположением направляющей окружности книзу. Эжектирующая насадка установлена над вихревой камерой. Технический результат состоит в интенсификации процессов очистки природных и сточных вод от плавающих и оседающих примесей с применением химических реагентов и повышение эффективности очистки. 3 ил.

Изобретение относится к конструкциям для очистки природных и сточных вод и может быть использовано для осветления воды от оседающих и плавающих примесей с использованием химических реагентов.

Известно устройство для очистки сточных вод, содержащее цилиндроконический корпус, перегородку в цилиндрической части корпуса, лоток подачи исходных сточных вод, зубчатый водослив, чашу для удаления плавающих веществ с трубопроводом удаления плавающих веществ, трубопровод удаления осадка под гидростатическим давлением, сборный лоток осветленной сточной жидкости с трубопроводом осветленных сточных вод (SU 208552 А, кл. В01D 21/02, от 12.03.1968 г.).

Недостатком известного устройства является отсутствие возможности уплотнения плавающих веществ, отсутствие устройств для интенсификации удаления уплотненных плавающих веществ и отсутствие взвешенного слоя осадка. коагуляция вертикальный отстойник вихревая камера

Технической задачей, на решение которой направлено предлагаемое изобретение, является повышение интенсификации очистки природных и сточных вод.

Указанная задача решается тем, что в вертикальном отстойнике с вихревой камерой хлопьеобразования, содержащем цилиндрический и конический корпус, подводящий лоток, эжектирующую насадку с соплом, вихревую камеру хлопьеобразования, сборный лоток плавающих веществ с зубчатым водосливом и трубопроводом удаления плавающих веществ, трубопровод удаления осадка, лоток осветленной воды с трубопроводом удаления осветленной воды, вихревая камера хлопьеобразования имеет форму конуса с расположением направляющей окружности книзу, эжектирующая насадка установлена над вихревой камерой хлопьеобразования, а между стенками цилиндрического корпуса и вихревой камеры хлопьеобразования находится взвешенный слой осадка.

Сущность предлагаемого изобретения поясняется чертежами, где на фиг.1 и фиг.2 приведена конструкция вертикального отстойника с вихревой камерой хлопьеобразования, на фиг.3 - конструкция устройства для интенсификации удаления уплотненных плавающих веществ.

Позиции на чертежах обозначают:

1 - цилиндрический корпус

2 - подводящий лоток

3 - сопло

4 - эжектирующая насадка

5 - вихревая камера хлопьеобразования

6 - слой взвешенного осадка

7 - лоток осветленной воды

8 - трубопровод удаления осадка

9 - зубчатый водослив

10 - сборный лоток плавающих веществ

11 - трубопровод удаления плавающих веществ

12 - конический корпус

13 - трубопровод удаления осветленной воды

Вертикальный отстойник с вихревой камерой хлопьеобразования состоит из цилиндрического корпуса 1 с коническим корпусом 2, вихревой камеры хлопьеобразования 5, имеющей форму конуса с расположением к низу направляющей окружности, эжектирующей насадки 4 с соплом 3, подводящего лотка 2 и лотка осветленной воды 7, сборного лотка плавающих веществ 10 с зубчатым водосливом 9.

Пример работы вертикального отстойника с вихревой камерой хлопьеобразования. Загрязненная жидкость с раствором химических реагентов по подающему лотку 2 транспортируется на сопло 3 эжектирующей насадки 4 (фиг.3), где в результате истечения жидкости происходит подсос из атмосферы воздуха, вследствие чего образуется водовоздушная смесь, плотность которой меньше плотности уплотненных плавающих веществ. При движении пузырьков воздуха в толще слоя уплотненных плавающих веществ происходит вытеснение его некоторого объема, и далее избыток уплотненных плавающих веществ через зубчатый водослив 9 поступает в сборный лоток плавающих веществ 10, откуда по трубопроводу удаления плавающих веществ 11 транспортируются за пределы вертикального отстойника. Далее очищаемая жидкость с раствором реагентов поступает в вихревую камеру хлопьеобразования 5, где перемешивание воды происходит при ее движении сверху вниз вследствие уменьшения скорости движения при увеличении площади живого сечения по высоте, благодаря чему происходит образование агрегативных частиц в виде хлопьев, которые частично осаждаются и поступают в конический корпус 12, откуда периодически удаляются за пределы вертикального отстойника по трубопроводу удаления осадка 8 под гидростатическим давлением.

Другая часть агрегативных частиц в виде хлопьев, имеющая меньшую гидравлическую крупность, проходит плоскость направляющей окружности вихревой камеры хлопьеобразования 5, где в результате изменения направления потока происходит наиболее интенсивное разделение твердой и жидкой фаз. Далее очищаемая жидкость снизу вверх поступает в слой взвешенного осадка 6, ограниченный поверхностями цилиндрического корпуса 1 и вихревой камеры хлопьеобразования 5, где площадь живого сечения является величиной переменной и, как следствие, будет переменной скорость восходящего потока. Так как гидравлическая крупность коагулированных взвешенных веществ есть величина переменная, то по высоте слоя взвешенного осадка 6 будут образовываться слои взвешенных веществ с определенной гидравлической крупностью, причем максимальная критическая гидравлическая крупность коагулированных частиц будет наблюдаться в нижней части слоя взвешенного осадка 6, а частицы с минимальной критической гидравлической крупностью будут концентрироваться в верней части слоя взвешенного осадка 6. В результате многообразного рода взаимодействий (броуновского движения, сил Ван-дер-Ваальса, ионных связей и т.д.) при поступлении воды в слой взвешенного осадка 6 будет происходить адгезия частиц коагулированной взвеси, их укрупнение и, как результат, увеличение гидравлической крупности. При достижении максимальной критической гидравлической крупности коагулированных частиц в слое взвешенного осадка 6 они будут осаждаться и далее поступать в конический корпус 12 вертикального отстойника, откуда периодически удаляться под гидростатическим давлением по трубопроводу удаления осадка 8 за пределы.

Частицы с гидравлической крупностью, меньшей минимальной критической гидравлической крупности, будут выноситься из слоя взвешенного осадка 6 вместе с осветленной водой, далее поступать в лоток осветленной воды 7 и затем по трубопроводу удаления осветленной воды 13 будут удаляться за пределы вертикального отстойника. Плавающие вещества, поступающие с очищаемой жидкостью и имеющие плотность, меньшую плотности очищаемой жидкости, вследствие столкновения частиц будут укрупняться и уплотняться за счет наличия конической части вихревой камеры хлопьеобразования 5, в результате чего будут всплывать и собираться в верхней части вихревой камеры хлопьеобразования 5.

Аппарат оснащен приводным скребковым механизмом для удаления осадка с днища аппарата в кольцевой лоток.

В этом аппарате исходная жидкость поступает в зону реакции тангенциально, что придает потоку жидкости вращательное движение. Этот поток движется в зоне реакции по спирали снизу вверх. В зоне флокуляции движение жидкости происходит по спирали сверху вниз. Здесь формируются и укрупняются флокулы осадка. Вращательное движение жидкости в зоне флокуляции прекращается при проходе потока через успокоительную решетку. После этого жидкость поступает в камеру отстаивания. Пройдя через тонкослойные осадительные элементы, осветленная жидкость направляется в лоток, из которого выводится за пределы аппарата. Отделенные от жидкой фазы твердые частицы из зоны флокуляции и камеры отстаивания собираются на днище аппарата, откуда осадок скребковым механизмом удаляется в кольцевой лоток, а из него по трубопроводу - из аппарата. Всплывшие примеси собираются в отдельном лотке, откуда выводятся за пределы аппарата.

Основной недостаток описанного аппарата состоит в том, что его конструкция не позволяет интенсифицировать очистку жидкости от дисперсной фазы. Это объясняется тем, что занимаемый успокоительной решеткой объем и пространство под ней до днища не могут быть использованы для проведения процесса флокуляции и служат лишь для остановки вращения потока жидкости и накопления осадка. Кроме того, неорганизованный подвод жидкости к камере отстаивания препятствует осаждению частиц из тонкослойных осадительных элементов, что снижает эффективность их работы.

Предложение направлено на создание аппарата с высокими показателями очистки при наименьших его размерах.

Технический результат, который при этом может достигаться, состоит в интенсификации процесса осветления жидкости за счет увеличения рабочего объема зоны флокуляции с обеспечением рециркуляции осадка, отлагающегося на днище аппарата под зоной флокуляции, при вращении потока жидкости в горизонтальной плоскости и под воздействием вертикальных циркуляционных потоков, а также за счет создания организованного горизонтального потока жидкости, подводимого к низу тонкослойных осадительных элементов.

Это достигается тем, что по п.1 формулы аппарат снабжен образующими между собой кольцевой канал дополнительными перегородками, одна из которых - внутренняя - является продолжением перегородки камеры хлопьеобразования и образует с днищем аппарата входное кольцевое окно, а другая - внешняя - примыкает к днищу аппарата и образует с перегородкой камеры хлопьеобразования выходное кольцевое окно, сообщающее кольцевой канал с камерой отстаивания на уровне низа тонкослойных осадительных элементов.

При таком выполнении аппарат не содержит успокоительную решетку, а полезный объем зоны флокуляции увеличен до днища аппарата, что позволяет более продолжительное время обрабатывать жидкость в этой зоне. Возникающие при вращении жидкости вертикальные циркуляционные потоки активизируют перемешивание и поднимают с днища аппарата частицы осадка, которые вовлекаются в процесс, становясь центрами кристаллизации и хлопьеобразования, что интенсифицирует осветление жидкости. В кольцевом канале продолжается вращение жидкости и хлопьеобразование, что также влияет на интенсификацию очистки. На выходе из этого канала вращение жидкости прекращается. Жидкость организованным горизонтальным потоком через выходное кольцевое окно поступает в камеру отстаивания под уровень низа тонкослойных осадительных элементов. Такое направление ввода жидкости в наименьшей степени препятствует выходу осадка из указанных элементов и способствует выносу осадка к днищу.

При наличии в аппарате скребкового механизма для удаления осадка с днища по п.2 формулы дополнительная внешняя перегородка выполнена составной по высоте так, что ее верхняя часть установлена стационарно, а нижняя прикреплена к лучам скребкового механизма и имеет окна для отвода осадка в местах пересечения со скребками.

Выполнение дополнительной внешней перегородки составной и с окнами, с одной стороны, формирует кольцевой канал с дополнительной внутренней перегородкой, а с другой стороны, не препятствует удалению осадка с днища аппарата. Такое исполнение аппарата является предпочтительным при осветлении сточных вод, содержащих тяжелые, малоподвижные осадки.

Согласно п.3 формулы для упрощения системы отвода осадка днище аппарата выполнено из двух расположенных на расстоянии друг от друга обечаек в виде коаксиальных обратных конусов, верхняя из которых соединена с дополнительной внешней перегородкой, а нижняя - с наружной перегородкой камеры отстаивания, при этом указанные обечайки имеют соосные отверстия для отвода осадка. Осадок, образующийся в камере хлопьеобразования, и осадок, образующийся в камере отстаивания, могут удаляться из аппарата по общему каналу, что упрощает систему отвода осадка. Такой аппарат наиболее целесообразен при образовании подвижных осадков, например, при коагуляционной очистке природных вод.

Предложение поясняется фиг. 1-3, где на фиг.1 показан патентуемый аппарат в общем виде; на фиг.2 - то же, при наличии в аппарате скребкового механизма; на фиг.3 - то же, при выполнении общего отвода осадка.

Аппарат для осветления жидкости содержит цилиндрический корпус 1, внутри которого коаксиально расположены камера хлопьеобразования с зоной реакции 2 и зоной флокуляции 3 и камера отстаивания 4 с тонкослойными осадительными элементами 5. Зона реакции ограничена внешней вертикальной перегородкой 6, общей с камерой отстаивания, внутренней наклонной перегородкой 7, общей с зоной флокуляции, и горизонтальным дном 8. Зона флокуляции ограничена наклонной перегородкой 7 и дополнительной вертикальной внутренней перегородкой 9, которая является продолжением от дна 8 перегородки 6, то есть продолжением перегородки камеры хлопьеобразования. Перегородка 9 образует с днищем 10 аппарата в зоне флокуляции входное для жидкости кольцевое окно 2. Камера отстаивания образована перегородкой 6, корпусом 1, который является наружной перегородкой камеры отстаивания, и дополнительной вертикальной внешней перегородкой 12, примыкающей к днищу 13 аппарата в камере отстаивания. Перегородки 9 и 12 образуют между собой вертикальный кольцевой канал 14. Перегородка 12 образует с перегородкой 6 камеры хлопьеобразования выходное кольцевое окно 15, сообщающее кольцевой канал 14 с камерой отстаивания на уровне низа тонкослойных осадительных элементов 5. Элементы 5 расположены над окном 15.

Аппарат может иметь скребковый механизм для удаления осадка с днища (фиг. 2), который содержит лучи 16 со скребками 17 и привод 18 вращения лучей. В этом случае дополнительная внешняя перегородка выполнена составной по высоте: ее верхняя часть 19 установлена стационарно, например прикреплена к корпусу аппарата, а нижняя часть 20 прикреплена к лучам 16 скребкового механизма. Нижняя часть 20 в местах пересечения со скребками имеет окна 21 для беспрепятственного отвода осадка.

Днище аппарата (фиг.3) может быть выполнено из двух расположенных на расстоянии друг от друга обечаек в виде коаксиальных обратных конусов. Верхняя обечайка 22 соединена с перегородкой 12, а нижняя обечайка 23 - с наружной перегородкой камеры отстаивания.

Аппарат содержит систему 24 подвода исходной жидкости, систему 25 отвода осветленной жидкости, систему 26 отвода всплывающих примесей и систему отвода осадка, включающую патрубки 27 в днище аппарата (фиг.1) или кольцевой лоток 28 и трубопровод 29 (фиг.2) или соосные отверстия 30 в обечайке 22 и 31 в обечайке 23 (фиг.3). В аппарате на фиг.3 для изменения количества удаляемого из камеры хлопьеобразования осадка может служить регулирующий орган 32.

Исходная жидкость, подаваемая в аппарат по системе 24, тангенциально поступает в зону реакции 2, где ей сообщается горизонтальное вращательное движение с перемещением по спирали снизу вверх. В зоне флокуляции 3 жидкость продолжает горизонтальное вращательное движение и перемещается по спирали сверху вниз до днища. В объеме камеры хлопьеобразования, наряду с перемещением жидкости по спирали, возникают вертикальные циркуляционные потоки, которые переносят и вовлекают в процесс хлопьеобразования частицы ранее образовавшегося осадка с днища аппарата. Формирование и выпадение флокул происходит в результате продолжительного перемешивания жидкости при повышенном количестве центров кристаллизации и флокуляции. Осадок из зоны флокуляции удаляется через патрубок 27 или отводится скребками в кольцевой лоток 28 и далее к трубопроводу 29 или выводится через отверстие 30 в обечайке 22.

Жидкость по входному кольцевому окну 11 отводится в кольцевой канал 14, где продолжается процесс хлопьеобразования с постепенным его прекращением. Жидкость на выходе из канала успокаивается и через окно 15 горизонтальным потоком поступает в камеру отстаивания 4 на уровне низа элементов 5. Здесь частицы теряют энергию, часть из них оседает на днище, другая часть отстаивается в элементах 5. Осадок из камеры отстаивания удаляется через патрубки 27 или отводится скребками в кольцевой лоток 28 и трубопровод 29 или выводится через отверстие 31 в обечайке 23. Углы наклона конусов обечаек 22 и 23 выбираются достаточными для непринудительного поступления осадков по обечайкам к отверстиям 30 и 31. Для удаления осадка с днища аппарата по фиг. 2 включают привод 18 вращения лучей 16, скребки которых подают осадок к лотку 28 с трубопроводом 29. Верхняя часть 19 перегородки остается неподвижной, а нижняя часть 20 вращается вместе с лучами. Окна 21 позволяют беспрепятственно отводить осадок. В аппарате по фиг.3 осадки из камер хлопьеобразования и отстаивания отводятся из него по общему каналу.

Осветленная жидкость выводится из аппарата по системе 25. Всплывающие примеси накапливаются в верхней части камеры отстаивания и отводятся по системе 26.

Таким образом, создан аппарат для осветления жидкости, относительно простой по конструкции, позволяющий повысить его компактность за счет интенсификации процесса очистки путем увеличения при тех же размерах агрегата камеры хлопьеобразования и поддержания в ней активного вертикально-циркуляционного перемешивания среды, а также горизонтального подвода жидкости в камеру отстаивания, что способствует осаждению частиц, выделяемых в тонкослойных осадительных элементах. Формулаизобретения: 1. Аппарат для осветления жидкости, содержащий корпус, коаксиально расположенную в нем камеру хлопьеобразования, ограниченную перегородкой, общей с камерой отстаивания, имеющей тонкослойные осадительные элементы, и системы подвода исходной жидкости, отвода осветленной жидкости, осадка и всплывающих примесей, отличающийся тем, что он снабжен образующими между собой кольцевой канал дополнительными перегородками, одна из которых - внутренняя - является продолжением перегородки камеры хлопьеобразования и образует с днищем аппарата входное кольцевое окно, а другая - внешняя - примыкает к днищу аппарата и образует с перегородкой камеры хлопьеобразования выходное кольцевое окно, сообщающее кольцевой канал с камерой отстаивания на уровне низа тонкослойных осадительных элементов.2. Аппарат по п. 1, отличающийся тем, что при наличии в нем скребкового механизма для удаления осадка с днища аппарата дополнительная внешняя перегородка выполнена составной по высоте так, что ее верхняя часть установлена стационарно, а нижняя - прикреплена к лучам скребкового механизма и имеет окна для отвода осадка в местах пересечения со скребками.3. Аппарат по п. 1, отличающийся тем, что его днище выполнено из двух расположенных на расстоянии друг от друга обечаек в виде коаксиальных обратных конусов, верхняя из которых соединена с дополнительной внешней перегородкой, а нижняя - с наружной перегородкой камеры отстаивания, при этом указанные обечайки имеют соосные отверстия для отвода осадка.

ЛИТЕРАТУРА

Эльтермап В. М. Охрана окружающей среды на химических и нефтехимических предприятиях. М.: Химия, 1985. 160 с,

Лейкан И. И. Рассеивание вентиляционных выбросов химических предприятий. М.: Хнмня, 1982. 224 с.

Перегуд Е. А. Санитарно-химическин контроль воздушной среды. Л.: Химия, 197S. 336 с.

Наркевич И. П., Печковский В. В. Утилизация и ликвидация отходов в технологии неорганических веществ, М,; Химия, 1984, 240 с.

Экологические проблемы химического предприятия/О. Г. Воробьев, О. С. Балабеков, Ш, М. Молдабеков, Б. Ф. Уфимцев. Алма-Ата: Казахстан, 1984. 172 с.

С. Калверт, М. Треиюу и др. Защита атмосферы от промышленных загрязнении/Под ред. С, Калверта и Г. М. Инглунда. В 2-х т. М.: Металлургия, 1988, 1470 с,

Техника защиты окружающей средьт/Н. С, Торочешников, А. И. Родионов, Н. В. Кедьцев, В. Н. Клушин. М.: Химия, 1981. 368 с,

Стадницкий Г. В., Родионов А. И. Экология. М.; Высшая школа, 1988. 272 с.

Ужов В. Н., Вальдберг А. Ю. Очистка газов мокрыми фильтрами. М,: Химия, 1972, 248 с.

Страус В. Промышленная очистка газов: Пер. с англ. М,: Химия, 1981. 616 с.

Быстрое Г. А., Гслыгерин В. М„ Титов Б. И. Обезвреживание и утилизация отходов в производстве пластмасс. Л,; Химия, 1982. 264 с.

Т. А. Семенова, И. Л. Лейтес, Ю. В. Аксельрод и др. Очистка технологических газов/Под ред. Т. А. Семеновой. М; Химия, 1977. 488 с.

Кузнецов И. Е., Троицкая Т. М. Защита воздушного бассейна от загрязнения вредными веществами. М.: Химия, 1979. 344 с.

Алтыбаев М. А. Разработка и внедрение хемосорбционной очистки промышленных газов от сернистых и фосфорных соединений в псевдоожи-женном слое с утилизацией продуктов очистки: Дне. ... д-ра техн. наук, Ташкент, 1989. 406 с.

Очистка газов в производстве фосфора и фосфорных удобрекий/Э. Я. Та-рат, О. Г, Воробьев, О. С. Балабеков, В. И. Быков, О. Г. Ковалев/Под ред. Э. Я. Тарата. Л.: Химия, 1979. 208 с.

А. А. Соколовский, Т. И, Унанянц. Краткий справочник по минеральным удобрениям, --М.: Химия, 1977. 376 с.

Абсорбция и пылеулавливание в производстве минеральных удобрений/ И. П. Мухленов, О. С. Ковалев, А. Ф. Туболкин, О. С. Балабеков и др./ Под ред. И. П. Мухленова и О. С. Ковалева. М.: Химия, 1987. 208 с.

Бесков С. Д. Технохимические расчеты. М.: Высшая школа, 1966. 520 с.

Коузов П. А., Малыгин А. Д., Скрябин Г. М. Очистка от пыли газов и воздуха в химической промышленности. Л,: Химия, 1982. 256 с.

Бродский Ю. Н, Определение эк он ом ико-экологи ческой эффективности систем газоочистки и пылеулавливания//Хиническое н нефтяное машиностроение. 1986. № 2. С. 3--4.

21. Stalrmand С. J, Chemical Engineer, СЕ. 310 (1965).

Карнаухов И. А., Доронин В. И.. Цирульников П. Г. Экономический анализ технологических параметров каталитического обезвреживания газовых выбросов//Хим. пром-сть. 1988. № I. С. 55--56.

Кафиров В. В. Принципы создания безотходных химических производств, М.: Химия, 1982. 288 с.

Харлампович Г. Д., Кудряшова Р, И. Безотходные технологические процессы в .химической промышленности. М.: Химия, 1978. 280 с.

Размещено на Allbest.ru