12. Камеры реакции водоворотного типа.

Водоворотная камера хлопьеобразования (рис. 6.2,а) совмещается с вертикальным отстойником и располагается в центральном стакане. Вода подается в верхнюю часть камеры соплом, расположенным на расстоянии 0,2 диаметра камеры от стенки на глубине 0,5 м от поверхности воды, или соплами, закрепленными в ее центре в виде неподвижного сегнерова колеса.

Выходя из сопел со скоростью 2 ... 3 м/с, вода приобретает вращательное движение вдоль ее стенок и движется сверху вниз.

Для гашения вращательного движения воды при ее переходе в отстойник, которое могло бы ухудшить его работу, в низу камеры устанавливают гаситель в виде крестообразной перегородки высотой 0,8 м с ячейками 0,5X0,5 м. Время пребывания воды в камере принимают 15...20 мин, а ее высоту 3,5 .. 4 м.

Область применения водоворотных камер определяется применимостью вертикальных отстойников, т. е. качество обрабатываемой воды практически любое при суточной подаче до 5—8 тыс. м3.

При расчете водоворотных камер первоначально находят ее площадь по времени пребывания воды, а затем зная ее высоту, определяют диаметр.

1 и 5 — подача исходной и отвод осветленной воды; 2 и 3 — кольцевой и радиальные водосборные лотки; 4 — водоворотная камера; 6 — зона осветления воды; 7 — гаситель; 5 — зона накопления и уплотнения осадка; 9 — конусный отражатель; 10 — удаление осадка; 11 — контактная загрузка из вспененного полистирола; 12 — сетка; 13 — контактная камера.

13. Камеры реакции со взвешенным слоем осадка.

Контактные КХО следует применять в технологических схемах осветления мало- и среднемутных цветных и высокоцветных вод. Область применения контактных камер ограничивается мутностью исходной воды до 150 мг/л, цветностью до 250 град. Работа контактных камер хлопьеобразования основана на принципе контактной коагуляции, обусловленной способностью мелких частиц взвеси и микрохлопьев коагулянта после взаимной нейтрализации элекгрокинетических зарядов прилипать к поверхности более крупных частиц фильтрующей загрузки.

Чаще всего контактные камеры хлопьеобразования встраивают в вертикальные и горизонтальные отстойники и осветлители со взвешенным осадком.

Площадь контактной камеры хлопьеобразования следует определять по удельной нагрузке в расчете на площадь зеркала воды. В качестве загрузки контактных камер хлопьеобразования следует использовать пенополистирол, разрешенных марок для контакта с питьевой водой (ПСВ и ПСБ) или другие аналогичные материалы.

Расчет контактной камеры аналогичен расчету крупнозернистых фильтров. При этом промывку гранул предусматривают без расширения фильтрующего слоя.

Вертикальный отстойник с контактной камерой хлопьеобразования: 1 - отвод отстоянной воды; 2 - подача исходной воды; 3 - контактная камера хлопьеобразования; 4 - верхняя решетка; 5 - плавающая загрузка; 6 - нижняя решетка; 7 - удаление осадка.

14. Теоретические основы процесса осаждения взвеси.

На характер осаждения частиц взвеси влияют их размер и форма, наличие и режим движения осветляемой воды и ее вязкость (изменяющаяся с температурой). Встречаемые в практике мутные воды всегда представляют собой полидисперсную систему, т. е. содержат частицы различных размеров, а также различных форм. Наконец, весьма часто (при коагулировании) приходится иметь дело с осаждением агрегативно-неустойчивой взвеси, частицы которой в процессе осаждения меняют свою структуру и размеры.

Рассмотрим некоторые теоретические предпосылки, которые могут быть положены в основу методики расчета отстойников.

Очевидно, что основной величиной, которая нас будет интересовать при проектировании и расчете отстойников, является скорость выпадения взвеси.

Скорость выпадения частицы в стоячей воде при температуре 10° С

называют, как известно, гидравлической крупностью частицы. Величина частицы любой формы может быть условно выражена через теоретический (эквивалентный) диаметр. Эквивалентным диаметром называется диаметр такой шарообразной частицы, которая имеет ту же гидравлическую крупность, что и данная частица произвольной формы.

В стоячей воде на осаждающуюся частицу действуют следующие силы: F — сила тяжести частицы в воде; Ф — сила сопротивления жидкости; J— сила инерции.

Следовательно, уравнение движения осаждающейся частицы в самом общем виде: F-Ф=J.

Сила тяжести частицы, погруженной в воду:

где и — удельный вес и плотность частицы; и — удельный вес и плотность воды; W—объем частицы.

Сила сопротивления жидкости Ф зависит от массы, размера и формы частицы, скорости ее выпадения и вязкости жидкости. В общем виде силу Ф можно представить так: ,где —коэффициент сопротивления, зависящий от числа Рейнольдса: , u— скорость выпадения частицы; d—эквивалентный диаметр частицы; — вязкость жидкости.

Сила инерции равна массе частицы, умноженной на ускорение, т. е. .

Подставив значения всех сил в основное уравнение движения частицы, получим

. Скорость выпадения частицы весьма быстро приобретает постоянное значение, не изменяющееся во все время выпадения, поэтому ускорение du/dt будет равно нулю на большей части пути выпадения частицы. При du/dt=0 основное уравнение примет вид .

Определяя отсюда скорость выпадения и, получим .

Для частицы произвольной формы, имеющей эквивалентный диаметр d: .

Отсюда скорость выпадения равна: .

Характер зависимости коэффициента сопротивления от числа Re виден из графика на рис. V.13. Кривая построена по опытам проф. А. П. Зегжда для песка и гравия. Для частиц весьма малого размера имеет место линейный закон сопротивления (левый участок линии), т. е. сила сопротивления будет пропорциональна первой степени скорости выпадения частицы. Стоксом дано известное выражение силы сопротивления: Сравнивая эту формулу с общим выражением силы сопротивления жидкости, получим выражение для коэффициента сопротивления при линейном законе: , т. е. коэффициент может быть выражен в функции числа Рейнольдса.

Подставив это выражение в полученную выше основную формулу для скорости выпадения, получим

, т. е. получим известную формулу Стокса.

При увеличении диаметра осаждающихся частиц и скорости их выпадения, т. е. с увеличением числа Re (при Re>l), как видно из рис. V.13, линейный закон сопротивления нарушается. При дальнейшем увеличении числа Re кривая постепенно переходит в прямую, параллельную оси абсцисс, т. е. значение ? становится постоянным, не зависящим от Re. Таким образом, при больших значениях Re мы имеем дело с квадратичной областью сопротивления, когда сила сопротивления пропорциональна квадрату скорости выпадения.

Следует отметить, что и в этой области коэффициент сопротивления будет зависеть от формы осаждающихся частиц.

При уменьшении температуры воды ее вязкость увеличивается, и поэтому скорость выпадения и будет меньше в холодной воде и больщей в теплой (что легко видеть из полученной формулы).

Приведенные выражения для скорости выпадения могут быть практически использованы лишь для случаев монодисперсной взвеси, т. е. когда частицы, замутняющие воду, имеют одинаковые (или весьма мало колеблющиеся) размеры.

Так как обычно при осаждении как естественной, так и коагулированной взвеси приходится иметь дело с полидисперсной взвесью с большим диапазоном размеров частиц, характеристики осаждения такой взвеси получают эмпирическим путем.

Определяя в лаборатории количество р взвешенных веществ (в процентах от количества взвешенных веществ до отстаивания), выпавших из проб исследуемой воды через различные промежутки времени (например, через каждый час), получают кривую выпадения взвеси (рис. V.14).

Обычно кривые выпадения взвеси для воды природных источников обращены выпуклой стороной вверх. Это свидетельствует о замедлении процесса осветления с течением времени, что объясняется неоднородным составом взвеси. Более крупные частицы выпадают быстрее и осаждаются в начале процесса осветления воды. Чем более выгнута кривая выпадения, тем более неоднороден состав взвеси. Для монодисперсной взвеси эта кривая обратилась бы в прямую линию.

Кривая выпадения взвеси позволяет определить, какой процент взвеси осаждается в течение любого заданного промежутка времени. Она дает возможность также найти процентное содержание различных фракций взвеси с разной гидравлической крупностью частиц. Проведем касательную к кривой выпадения взвеси в точке А с абсциссой t (см. рис. V.14). Тангенс угла наклона этой касательной к оси абсцисс равен dp/dt, т. е. представляет собой скорость накопления осадка в данный момент времени. Очевидно, что в каждый момент времени на дно выпадают частицы всех размеров, кроме частиц, которые уже успели выпасть ранее, т. е. кроме частиц с гидравлической крупностью u>h/t (где h — высота слоя воды). Таким образом, тангенс угла наклона касательной в точке А есть скорость накопления в осадке всех частиц полидисперсной взвеси, гидравлическая крупность которых u<h/t.

Полное количество p всех частиц, выпавших в осадок за промежуток времени от 0 до t, определяется ординатой точки А. Из этого количества на долю частиц с гидравлической крупностью u<h/t приходится

p₁ = t*tga, а на долю частиц с гидравлической крупностью u>h/t приходится p₂=р—р₁.

Таким образом, по кривой выпадения взвеси легко найти процентное содержание частиц с гидравлической крупностью u>h/t. Оно равно отрезку, отсекаемому на оси ординат касательной, проведенной в точке А, имеющей абсциссу t.

Кривые выпадения взвеси, полученные на основе специально поставленных экспериментов, позволяют обоснованно подойти к расчету отстойников при их проектировании. С помощью указанных кривых определяют расчетные скорости выпадения взвеси, при которых обеспечивается заданный эффект осветления воды, а также необходимое время пребывания воды в отстойниках.

Экспериментальные исследования, проводимые для получения кривых выпадения взвеси, относятся к технологическому анализу воды, упомянутому ранее.

Перенося результаты опытов по исследованию осаждения взвеси на реальные сооружения, очевидно, следует считать, что скорость выпадения взвеси данной крупности постоянна (если взвесь в процессе выпадения не агломерируется), и, следовательно, время ее осаждения будет пропорционально высоте слоя осветляемой воды. Таким образом, для частиц данной крупности будет иметь место соотношение.

, или и т.д.

Для полидисперсной взвеси (как было показано) может быть определена скорость выпадения, соответствующая заданному проценту задержания взвеси. С этой целью можно использовать метод, показанный на рис. V.14. Весьма удобно для этой цели строить кривые зависимости u =h/t от р. При этом, чтобы исключить влияние высоты h опытного цилиндра, можно разделить ее на периоды времени ti, для которых опытом был установлен определенный процент выпадения взвеси.

Тогда получим величины, имеющие размерность скорости u₁ = h/t₁ u₂ = h/t₂ и т. l., соответствующие каждому данному проценту выпадения взвеси.

Зависимость между процентом выпавшей взвеси и соответствующей ему скоростью и может быть выражена графически (график на рис. V.15, построенный в данном случае для той же воды, для которой построен график на рис. V.14).

Такие графики, составленные на основании предварительных опытов с водой, подлежащей осветлению, используются при проектировании отстойников.

Все сказанное справедливо для полидисперсной, но агрегативно- устойчивой взвеси, т. е. такой взвеси, в которой размеры и форма частиц в процессе осаждения не изменяются. Между тем при коагулировании, широко используемом в современной практике осветления воды, имеет место процесс агломерации частиц взвеси — их слипание, изменение формы и размеров (укрупнение). Таким образом, в практике приходится весьма часто иметь дело с осаждением агрегативно-неустойчивой взвеси. Для такой взвеси линейная зависимость между величинами h и t уже не будет соблюдаться. Поэтому при переносе в натуру результатов лабораторных опытов с коагулированной взвесью приходится использовать соотношение вида

, где n — показатель степени, учитывающий отклонение от линейной зависимости.

По опытам Академии коммунального хозяйства значение n колеблется в пределах 0,2—0,5 (большее для хорошо сформированных крупных хлопьев).

Согласно упомянутой методике проведения технологического анализа (ГОСТ 2919—45), выпадение взвеси из воды характеризуется осаждаемостью взвеси. За показатель осаждаемости S принимается (по предложению А. А. Кастальского) отношение количества взвеси А (в %), выпадающей со скоростью 12 мм/с, к количеству взвеси В, выпадающей со скоростью 0,1 мм/с (в этих пределах лежат величины скоростей выпадения, практически имеющие место в отстойниках), т. е. S=A/B. Так как в этом диапазоне скоростей кривая выпадения взвеси (рис. V. 16) может быть принята за прямую, при помощи величин А и В могут быть получены скорости выпадения и, соответствующие требуемому проценту ? задержания взвеси отстойником. Как видно из рис. V.16:

.

В практике очистки воды осаждение взвеси осуществляется в специальных сооружениях — отстойниках.

Под отстаиванием в строгом смысле слова понимается осаждение взвеси из воды, находящейся в покое. Осуществление такого процесса («периодического отстаивания») в практике очистки воды крайне неудобно, так как требует периодического наполнения и опорожнения отстойных бассейнов. Поэтому применяют так называемое непрерывное отстаивание, при котором осветляемая вода непрерывно проходит с малыми скоростями через отстойники, в которых происходит осаждение

В настоящее время применяют отстойники трех типов, различаемые по направлению движения воды в них: горизонтальные, вертикальные и радиальные.