Из Википедии, бесплатной энциклопедии
Перейти к навигации Перейти к поиску

Осаждение - это процесс физической обработки воды с использованием силы тяжести для удаления взвешенных твердых частиц из воды. [1] Твердые частицы, увлекаемые турбулентностью движущейся воды, могут удаляться естественным путем путем осаждения в неподвижной воде озер и океанов. Отстойники - это пруды, построенные с целью удаления унесенных твердых частиц путем осаждения. [2] Осветлители - это резервуары, построенные с механическими средствами для непрерывного удаления твердых частиц, осаждающихся в результате осаждения. [3] Разъяснение не удаляет растворенные вещества. [4] Осаждение - это процесс отложения осадка.

Основы [ править ]

Взвешенные твердые частицы (или SS) - это масса сухих твердых частиц, задержанных фильтром с заданной пористостью, относящейся к объему пробы воды. Сюда входят частицы размером 10 мкм и более.

Коллоиды - это частицы размером от 1 нм (0,001 мкм) до 1 мкм в зависимости от метода количественного определения. Из-за броуновского движения и электростатических сил, уравновешивающих гравитацию, они вряд ли осядут естественным образом.

Предельная скорость осаждения частицы - это ее теоретическая скорость спуска в чистой и неподвижной воде. Согласно теории процесса осаждения , частица оседает, только если:

  1. В вертикальном восходящем потоке скорость восходящей воды ниже предельной скорости осаждения.
  2. При продольном потоке отношение длины резервуара к высоте резервуара больше, чем отношение скорости воды к предельной скорости осаждения.

Удаление взвешенных частиц осаждением зависит от размера, дзета-потенциала и удельного веса этих частиц. Взвешенные твердые частицы, задержанные на фильтре, могут оставаться во взвешенном состоянии, если их удельный вес аналогичен плотности воды, в то время как очень плотные частицы, проходящие через фильтр, могут оседать. Оседающие твердые частицы измеряются как видимый объем, накопленный на дне конуса Имхоффа после того, как вода отстоялась в течение одного часа. [5]

Используется теория гравитации, вывод из второго закона Ньютона и уравнений Навье – Стокса .

Закон Стокса объясняет взаимосвязь между скоростью осаждения и диаметром частиц. В определенных условиях скорость осаждения частиц прямо пропорциональна квадрату диаметра частиц и обратно пропорциональна вязкости жидкости. [6]

Скорость осаждения, определяемая как время пребывания частиц в резервуаре, позволяет рассчитать объем резервуара. Точная конструкция и работа отстойника имеют большое значение для поддержания минимального порогового уровня количества наносов, поступающих в систему отвода, за счет поддержания транспортной системы и устойчивости потока для удаления отложений, отводимых из системы. Это достигается за счет снижения скорости потока до минимума на максимально длительный период времени. Это возможно за счет расширения подходного канала и опускания его дна для уменьшения скорости потока, что позволяет осадку выпадать из взвеси под действием силы тяжести. На оседание более тяжелых частиц также влияет турбулентность. [7]

Дизайн [ править ]

Рис. 1. Различные конструкции осветлителей.

Хотя осаждение может происходить в резервуарах другой формы, удаление накопившихся твердых частиц проще всего с помощью конвейерных лент в прямоугольных резервуарах или с помощью скребков, вращающихся вокруг центральной оси круглых резервуаров. [8] Отстойники и осветлители должны быть спроектированы на основе скорости осаждения (v s ) мельчайших частиц, которые теоретически должны быть удалены на 100%. Скорость перелива определяется как:

Скорость перелива (v o ) = Расход воды (Q (м 3 / с)) / (Площадь отстойника (A (м 2 ))

Во многих странах это значение называется поверхностной нагрузкой в ​​м 3 / ч на м 2 . Скорость перелива часто используется для потока через край (например, водослив) в единицах м 3 / ч на м.

Единицей измерения скорости перелива обычно являются метры (или футы) в секунду. Любая частица со скоростью осаждения ( v s ), превышающей скорость перетока, оседает, в то время как другие частицы оседают в соотношении v s / v o . Существуют рекомендации по скорости перелива для каждой конструкции, которые в идеале учитывают изменение размера частиц по мере движения твердых частиц в ходе операции:

  • Зоны покоя: 9,4 мм (0,031 фута) в секунду
  • Полнопоточные бассейны: 4,0 мм (0,013 фута) в секунду
  • Автономные бассейны: 0,46 мм (0,0015 фута) в секунду [9]

Однако такие факторы, как скачки потока, сдвиг ветра, размыв и турбулентность, снижают эффективность оседания. Чтобы компенсировать эти неидеальные условия, рекомендуется удвоить площадь, рассчитанную по предыдущему уравнению. [9] Также важно выровнять распределение потока в каждой точке поперечного сечения бассейна. Плохая конструкция входа и выхода может привести к чрезвычайно плохим характеристикам потока для седиментации. [ необходима цитата ]

Отстойники и отстойники могут быть выполнены в виде длинных прямоугольников (рис. 1.a), которые гидравлически более устойчивы и легче управляются для больших объемов. Круглые осветлители (Рис. 1.b) работают как обычный загуститель (без использования граблей) или как резервуары с восходящим потоком (Рис. 1.c).

Эффективность осаждения не зависит от глубины резервуара. Если скорость поступательного движения достаточно мала, чтобы осевший материал не ресуспендировался с дна резервуара, площадь по-прежнему является основным параметром при проектировании отстойника или осветлителя, при этом необходимо следить за тем, чтобы глубина не была слишком низкой.

Оценка основных характеристик процесса [ править ]

Отстойники и отстойники предназначены для удержания воды, так что взвешенные твердые частицы могут оседать. Согласно принципам седиментации, подходящие технологии обработки следует выбирать в зависимости от удельного веса, размера и сопротивления частиц сдвигу. В зависимости от размера и плотности частиц, а также физических свойств твердых частиц, существует четыре типа процессов седиментации:

  • Тип 1 - разбавляет, не- флокулянт , свободный осаждению (каждая частица оседает независимо друг от друга.)
  • Тип 2 - Разбавленный, хлопьевидный (частицы могут флокулироваться по мере осаждения).
  • Тип 3 - Концентрированные суспензии, зональное осаждение, затрудненное осаждение (сгущение шлама).
  • Тип 4 - суспензии концентрированные, компрессионные (сгущение шлама).

В каждом из них скорость оседания зависит от различных факторов. [10]

Оседание дискретных частиц [ править ]

Рисунок 2. Четыре функциональные зоны отстойника с непрерывным потоком.

Беспрепятственное осаждение - это процесс, при котором дискретные частицы удаляются в очень низкой концентрации без вмешательства соседних частиц. Как правило, если концентрация растворов ниже 500 мг / л взвешенных твердых частиц, осаждение будет считаться дискретным. [11] Концентрации общего количества взвешенных твердых частиц (TSS) в канализационных каналах на западе обычно менее 5 мг / л нетто. Концентрации TSS в сточных водах автономного отстойника менее 100 мг / л нетто. [12]Частицы сохраняют свой размер и форму во время дискретного осаждения с независимой скоростью. При такой низкой концентрации взвешенных частиц вероятность столкновения частиц очень мала, и, следовательно, скорость флокуляции достаточно мала, чтобы ею можно было пренебречь в большинстве расчетов. Таким образом, площадь отстойника становится основным фактором скорости осаждения. Все отстойники непрерывного действия разделены на четыре части: входная зона, зона отстаивания, зона ила и выходная зона (Рисунок 2).

Во входной зоне поток устанавливается в том же прямом направлении. Осаждение происходит в зоне отстаивания по мере того, как вода течет в зону выхода. Затем осветленная жидкость вытекает из выпускной зоны. Зона ила: здесь будет собираться осадок, и обычно мы предполагаем, что он удаляется из потока воды, как только частицы прибывают в зону ила. [9]

В идеальном прямоугольном отстойнике в зоне осаждения критическая частица входит в верхнюю часть зоны осаждения, и скорость осаждения будет наименьшим значением для достижения зоны ила, а в конце зоны выпуска составляющая скорости этой критической частицы - скорость осаждения в вертикальном направлении (v s ) и в горизонтальном направлении (v h ).

На Рисунке 1 показано время, необходимое для оседания частицы;

t o = H / v h = L / v s (3)

Поскольку площадь поверхности резервуара равна WL, а v s = Q / WL, v h = Q / WH, где Q - расход, а W, L, H - ширина, длина и глубина резервуара.

Согласно формуле. 1, это также является основным фактором, который может контролировать производительность отстойника, называемую скоростью перелива. [13]

Уравнение 2 также говорят нам, что глубина отстойника не зависит от эффективности отстаивания, только если поступательная скорость достаточно мала, чтобы гарантировать, что осевшая масса не будет снова подвешиваться на дне резервуара.

Оседание хлопьевидных частиц [ править ]

В горизонтальном отстойнике некоторые частицы могут не следовать диагональной линии на рис. 1, а оседать быстрее по мере роста. Таким образом, это говорит о том, что частицы могут расти и развивать более высокую скорость осаждения, если они имеют большую глубину и более длительное время удерживания. Однако вероятность столкновения была бы еще выше, если бы такое же время удерживания было распределено по более длинному и мелкому резервуару. Фактически, чтобы избежать гидравлического короткого замыкания, резервуары обычно делают глубиной 3–6 м с временем выдержки в несколько часов.

Зональное установление поведения [ править ]

По мере увеличения концентрации частиц в суспензии достигается точка, в которой частицы располагаются настолько близко друг к другу, что они больше не оседают независимо друг от друга, а поля скорости жидкости, вытесняемые соседними частицами, перекрываются. Существует также чистый восходящий поток жидкости, вытесняемый осаждающимися частицами. Это приводит к снижению скорости осаждения частиц, и этот эффект известен как затрудненное осаждение.

Часто возникает затрудненное оседание. вся суспензия имеет тенденцию оседать в виде «одеяла» из-за чрезвычайно высокой концентрации частиц. Это известно как зона осаждения, потому что легко различить несколько разных зон, разделенных скачками концентрации. На рис. 3 представлены типичные испытания в колонне периодического осаждения на суспензии, демонстрирующей характеристики зонального осаждения. В верхней части колонны должна быть прозрачная граница раздела для отделения осаждающейся массы ила от осветленного супернатанта до тех пор, пока такая суспензия остается в отстойной колонне. Когда подвеска стабилизируется, этот интерфейс будет двигаться вниз с той же скоростью. В то же время, внизу есть граница раздела между установленной подвеской и подвешенным одеялом.После завершения оседания суспензии нижняя поверхность раздела переместится вверх и встретится с верхней поверхностью раздела, которая движется вниз.

Настройка сжатия [ править ]

Рисунок 3: Типичное испытание колонны периодического осаждения на суспензии, демонстрирующей характеристики зонального осаждения.

Оседающие частицы могут контактировать друг с другом и возникать при приближении к дну отстойников при очень высокой концентрации частиц. Таким образом, дальнейшее осаждение будет происходить только в регулируемой матрице при уменьшении скорости седиментации. Это можно проиллюстрировать нижней частью диаграммы зонной стабилизации (Рисунок 3). В зоне сжатия осевшие твердые частицы сжимаются под действием силы тяжести (веса твердых частиц), так как осевшие твердые частицы сжимаются под весом вышележащих твердых частиц, а вода выдавливается, а пространство становится меньше.

Приложения [ править ]

Очистка питьевой воды [ править ]

Осаждение при очистке питьевой воды обычно следует за стадией химической коагуляции и флокуляции , что позволяет группировать частицы вместе в хлопья большего размера. Это увеличивает скорость осаждения взвешенных твердых частиц и позволяет оседать коллоиды.

Очистка сточных вод [ править ]

Основная статья: Очистка сточных вод

Осаждение использовалось для очистки сточных вод на протяжении тысячелетий. [14]

Первичная обработка из сточных вод является удаление плавающих и твердых веществ через к осаждению осадка. [15] Первичные осветлители снижают содержание взвешенных твердых частиц, а также загрязняющих веществ, содержащихся во взвешенных твердых частицах. [16] : 5–9 Из-за большого количества реагента, необходимого для очистки бытовых сточных вод, предварительная химическая коагуляция и флокуляция обычно не используются, а количество оставшихся взвешенных частиц уменьшается на следующих этапах системы. Однако коагуляция и флокуляция могут использоваться для строительства компактной очистной установки (также называемой «комплексной очистной установкой») или для дальнейшей очистки очищенной воды. [17]

Отстойники, называемые «вторичными осветлителями», удаляют хлопья биологического роста, образовавшиеся при некоторых методах вторичной обработки, включая активный ил , капельные фильтры и вращающиеся биологические контакторы . [16] : 13

См. Также [ править ]

  • Сепаратор масла и воды API
  • Флотация растворенного воздуха
  • Перечень технологий очистки сточных вод
  • Очистка сточных вод
  • Всего взвешенных твердых частиц

Ссылки [ править ]

  1. ^ Omelia, C (1998). «Коагуляция и седиментация в озерах, водохранилищах и водоочистных сооружениях». Водные науки и технологии . 37 (2): 129. DOI : 10.1016 / S0273-1223 (98) 00018-3 .
  2. ^ Голдман, Стивен Дж., Джексон, Кэтрин и Бурштынски, Тарас А. Справочник по борьбе с эрозией и отложениями. Макгроу-Хилл (1986). ISBN 0-07-023655-0 . С. 8.2, 8.12. 
  3. ^ Хаммер, Марк Дж. Вода и технология очистки сточных вод. Джон Вили и сыновья (1975). ISBN 0-471-34726-4 . С. 223–225. 
  4. ^ Reinsel, М., Apex Engineering. «Промышленная очистка воды от неорганических загрязнителей: процессы физической очистки» Water Online; Доступ 15 октября 2018 г.
  5. ^ Фрэнсон, Мэри Энн. Стандартные методы исследования воды и сточных вод. 14-е изд. (1975) APHA, AWWA и WPCF. ISBN 0-87553-078-8 . стр. 89–98 
  6. ^ Beatop (Zhuhai) Instruments Ltd., Чжухай, Китай. «Технология и применение измерения размера частиц осадка». Архивировано 29октября 2013 г.на Wayback Machine, доступ осуществлен 13 октября 2013 г.
  7. ^ Boeriu П., Roelvink, JA, Simanjuntak, ТД, "Рассмотрение на седиментационный процессе в отстойниках." J. Hydrol. Гидромех. 2009, с. 16-25.
  8. ^ Меткалф и Эдди. Очистка сточных вод. Макгроу-Хилл (1972). С. 449–453.
  9. ^ a b c Западный региональный центр аквакультуры, Вашингтонский университет. Сиэтл, Вашингтон (2001). «Проектирование отстойников». Публикация WRAC № 106.
  10. ^ Министерство окружающей среды, земель и парков Британской Колумбии. (1997): Руководство по оценке конструкции, размера и эксплуатации отстойников, используемых в горнодобывающей промышленности; Отделение предотвращения загрязнения.
  11. ^ Департамент планирования и местного самоуправления, Аделаида, Австралия (2010). «Городской дизайн с учетом воды». Техническое руководство для региона Большой Аделаиды. Правительство Южной Австралии, Аделаида.
  12. ^ Совет по канализации и водным ресурсам Нового Орлеана, Луизиана (2013). «Процесс очистки воды на заводе в Кэрроллоне». По состоянию на 14 октября 2013 г.
  13. ^ "Дизайн отстойника". Конспект лекций по Waste & Wastewater Engineering 2006, National Program on Technology Enhanced Learning, Ченнаи, Индия. По состоянию на 14 октября 2013 г.
  14. ^ Chatzakis, MK, Lyrintzis, AG, Мара, DD, и Angelakis, AN (2006). «Отстойники сквозь века». Материалы 1-го Международного симпозиума IWA по технологиям водоснабжения и водоотведения в древних цивилизациях, Ираклион, Греция, 28–30 октября 2006 г., стр. 757–762.
  15. ^ Steel, EW & McGhee, Теренс Дж. Водоснабжение и канализация. (5-е изд.) Макгроу-Хилл (1979). ISBN 0-07-060929-2 . стр. 469–475 
  16. ^ a b Агентство по охране окружающей среды США (EPA). Вашингтон, округ Колумбия (2004 г.). «Грунтовка для систем очистки городских сточных вод». Документ №. EPA 832-R-04-001.
  17. ^ EPA. Вашингтон, округ Колумбия (2000). «Комбинированные заводы». Информационный бюллетень по технологии очистки сточных вод. Документ №. EPA 832-F-00-016.

Библиография [ править ]

  • Вебер, Вальтер Дж., Младший. Физико-химические процессы для контроля качества воды. Джон Вили и сыновья (1972). ISBN 0-471-92435-0 .