регистрация компании дать объявление быстрый поиск лента публикаций восстановление доступа о портале
    
Строительный портал СтройПлан.ру
Подбор проекта Новости отраслиПубликации
 
КОРЗИНА (0)  
 >>>  ПОИСК ДОКУМЕНТОВ  
  Дополнительные материалы  [ + развернуть]  
Утвержден: ВНИИ ВОДГЕО Госстроя СССР (01.01.1990)
Дата введения: 1 января 1990 г.
скачать бесплатно Пособие к СНиП 2.04.02-84 "Проектирование сооружений для обезвоживания осадков станций очистки природных вод"
Утвержден: НИИ КВОВ АКХ им. К.Д. Памфилова (09.04.1985)
Дата введения: 9 апреля 1985 г.
скачать бесплатно Пособие к СНиП 2.04.02-84 "Пособие по проектированию сооружений для очистки и подготовки воды"

Всесоюзный ордена Трудового Красного Знамени комплексный научно-исследовательский и конструкторско-технологический институт водоснабжения, канализации, гидротехнических сооружений и инженерной гидрогеологии (ВНИИ ВОДГЕО) Госстроя СССР

Справочное пособие
к СН
иП 2.04.03-85

Проектирование сооружений для очистки сточных вод

Москва Стройиздат 1990

Разработано к СНиП 2.04.03-85 «Канализация. Наружные сети и сооружения» на основе результатов научных исследования и опыта эксплуатации сооружений и установок для очистки сточных вод за последние годы в различных отраслях промышленности. Содержит методики и примеры расчета, вспомогательные справочные материалы, необходимые при проектировании очистных сооружений.

Для инженерно-технических работников проектных и строительно-монтажных организаций.

Содержание

1. СООРУЖЕНИЯ ДЛЯ МЕХАНИЧЕСКОЙ ОЧИСТКИ СТОЧНЫХ ВОД

Усреднители

Типы и конструкции усреднителей

Отстойники

Общие сведения

Расчет отстойников

Тонкослойные отстойники

Реконструкция обычных отстойников в тонкослойные

Примеры расчета отстойников

Гидроциклоны

Примеры расчета гидроциклонов

2. СООРУЖЕНИЯ ДЛЯ БИОЛОГИЧЕСКОЙ ОЧИСТКИ СТОЧНЫХ ВОД

Аэротенки

Аэротенки - смесители без регенераторов

Аэротенки-смесители с генераторами

Аэротенки-вытеснители с регенераторами

Аэротенки-вытеснители без регенераторов

Системы аэрации

Окситенки

Аэротенки с флотационным илоотделением для очистки производственных сточных вод

Аэротенки с флотационным разделением иловой смеси для очистки городских сточных вод

Удаление из сточных вод соединений азота

Удаление из сточных вод соединений фосфора

3. СООРУЖЕНИЯ ДЛЯ ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКОЙ очистки сточных вод

Нейтрализация сточных вод

Адсорберы

Установки для ионообменной очистки сточных вод

Установки для электрохимической очистки сточных вод

4. СООРУЖЕНИЯ ДЛЯ ОБРАБОТКИ ОСАДКОВ

Аэробные стабилизаторы

Флотационные илоуплотнители

5. ОБЕЗЗАРАЖИВАНИЕ СТОЧНЫХ ВОД

Установки для обеззараживания сточных вод жидким хлором

Установки для обеззараживания очищенных сточных вод с использованием прямого электролиза

6. СОВМЕСТНАЯ ОБРАБОТКА СТОЧНЫХ ВОД И ОСАДКОВ ВОДОПРОВОДНЫХ СТАНЦИЙ

7. СООРУЖЕНИЯ ДЛЯ РЕГУЛИРОВАНИЯ И ОЧИСТКИ ПОВЕРХНОСТНОГО СТОКА С ТЕРРИТОРИИ ПРОМЫШЛЕННЫХ ПРЕДПРИЯТИЙ

1. СООРУЖЕНИЯ ДЛЯ МЕХАНИЧЕСКОЙ ОЧИСТКИ СТОЧНЫХ ВОД

Усреднители

1.1. Усреднение расхода и концентрации загрязнений позволяют рассчитывать все последующие звенья очистки не на максимальные, а на некоторые средние значения параметров потока. Экономичнее иметь усреднитель в начале цепи, чем завышать объем и производительность каждого из последующих звеньев очистки.

1.2. Выбор рациональной схемы усреднения (типа усреднителя), расчет его объема проводятся на основе информации о характере колебаний параметров входного потока (концентраций Сen(t) и расхода qen(t) ч и требований на допустимые колебания параметров сточных вод на выходе усреднителя Ceх,(t), qex(t). Эти требования обычно устанавливаются на основе максимально допустимых величин Сadm и qadm, назначаемых в зависимости от типа последующих очистных сооружений, при этом они должны превышать средние значения параметров Сen mid, qen mid.

Для расчета объема усреднителя используется информация, получаемая: от технологов основного производства, которые, используя характеристику номинального режима производства и аварийных режимов, могут прогнозировать характер поступления сточных вод на очистные сооружения; с объектов-аналогов, а также непосредственным наблюдением на объекте.

Информация может накапливаться в записях заводских лабораторий об изменениях расхода и лимитируемых показателей загрязнения сточной воды.

При наличии на предприятии контрольно-измерительной аппаратуры изменение состава сточных вод регистрируется непрерывно, при отсутствии - дискретно с различной длительностью интервалов между лабораторными анализами (не более 1 ч). Окончательная форма представления информации о колебаниях - таблицы и графики. Полученная информация о колебаниях расхода и состава сточных вод (по лимитируемым загрязнениям, например: рH среды, интенсивность окраски, взвешенные вещества, специфические загрязнения производства), а также представление о количественном и качественном составе нерастворимых загрязнений, даст возможность вести расчет объема усреднителя в соответствии с основными типами нестационарности потока:

залповые сбросы высококонцентрированных сточных вод;

циклические колебания;

случайные колебании произвольного спектра.

Сведения о количественном и качественном составе нерастворимых загрязнений необходимы для выбора способа перемешивания и расчета перемешивающих устройств. Кроме того, эти сведения помогу принять решения о возможной компоновке усреднителя с отстойной зоной в целях облегчения его эксплуатации и частичной очистки стоков. Образование непредусмотренного и трудноотделяемого осадка в усреднителях является основной причиной снижения эффективности их работы.

Конструктивное выделение зоны отстаивания в усреднителе приемлемо при наличии узла обработки осадка в технологической цепи очистки (напорная, реагентная флотация, отстаивание, осветление).

Типы и конструкции усреднителей

1.3. Тип усреднителя необходимо выбирать в зависимости от характера и количества нерастворенных компонентов загрязнений, а также динамики поступления сточных вод. При гашении залповых сбросов предпочтительнее конструкции многоканального типа, при произвольных колебаниях практически равноценны любые типы усреднителей. В таких случаях большую роль играют вид и количество нерастворенных загрязнений.

К многоканальным конструкциям относятся: прямоугольные - Д. М. Ванякина, круглые - Д. А. Шпилева, конструкции с неравномерным распределением расхода и объемов по каналам.

Усреднитель-смеситель барботажного типа следует применять для усреднения стоков независимо от режима их поступления при содержании грубодиспергированных взвешенных веществ с концентрацией до 500 мг/л гидравлической крупностью до 10 мм/с.

Усреднитель-смеситель с механическим перемешиванием и отстойной зоной необходимо применять для усреднения стогов с содержанием взвешенных веществ более 500 мг/л любой гидравлической крупности. Режим поступления стоков - произвольный.

Усреднители следует устанавливать после отстойников или оборудовать их отстойной частью с целью облегчения эксплуатации. Расчет отстойной части необходимо проводить по данным кинетики осаждения взвесей, аналогично расчету отстойников. При этом необходимо учитывать гидродинамический режим выбранного типа усреднителя. Для подавления залповых сбросов высококонцентрированных стоков и произвольных колебаний состава и при наличии взвешенных мелкодиспергированных веществ с концентрацией до 500 мг/л, гидравлической крупностью до 5 мм/с следует применять многоканальные усреднители без принудительного перемешивания. При необходимости усреднения и расхода усреднитель блокируется с аккумулирующей емкостью.

КОНСТРУКЦИИ УСРЕДНИТЕЛЕЙ РАЗЛИЧНОГО ТИПА

1.4. Комплексный подход к выбору типа усреднителя и его расчету в зависимости от характера колебаний концентрации загрязнений и расхода сточных вод, от их качественного состава, позволил выявить основные типы конструкций.

Однако для конкретных технологических задач усреднения сточных вод могут быть использованы и другие схемы усреднения (последовательно-параллельные, двухступенчатые и др.) с соответствующим обоснованием, разрабатываться новые конструкции с заданными свойствами.

Усреднитель - смеситель барботажного типа

1.5. Союзводоканалпроект разработал типовые проекты многосекционных пневматических усреднителей концентрации сточных вод полезным объемом одной секции 300, 1400 и 5000 м3. Применение усреднителей барботажного типа связано с соблюдением ряда принципиальных положений:

1. Распределение сточных вод по площади усреднителя должно быть максимально равномерное. С этой целью могут использоваться системы подающих лотков с придонными водосливными окнами, расположенными на расстоянии 2 м друг от друга. При обеспечении должного качества строительства возможно распределение жидкости из лотков через донные выпуски. Размеры выпусков рассчитываются по формуле:

                                                                                     (1)

Каждый распределительный лоток оборудуется двумя шиберами: на входе в лоток для создания оптимального режима и равномерного распределения сточной воды между лотками; и в конце лотка в торцевом придонном водосливном окне размером 20´40 см (Н´В), обеспечивающий периодическую промывку лотка.

Число распределительных лотков и размещение выпускных окон в одной или обеих стенках лотков принимается из такого расчета, чтобы в каждый циркуляционный поток поступало одинаковое количество жидкости.

2. При напорной подаче воды на усреднитель перед ним на трубопроводе необходимо устанавливать колодец гашения напора. Целесообразнее самотечная подача стоков на усреднитель. В этом случае сооружение несет на себе всю нагрузку по выравниванию расхода и концентрации.

3. Расчет объема усреднителя ведется в зависимости от характера поступления сточных вод на сооружение в соответствии с формулами (19)-(24) СНиП 2.04.03-85.

Максимальная величина скорости проточного течения жидкости в усреднитель 2,5 мм/с, при этом длина секции усреднителя принимается из расчета

                                                                                             (2)

с учетом графика поступления концентрации загрязнении по часам суток.

С целью обеспечения равномерного распределения жидкости и воздуха вдоль усреднителя целесообразна длина секции не более 24 м. Глубина слоя поды в усреднителе из конструктивных соображений принимается в пределах 3-6 м. Ширина секции усреднителя принимается не более 12 м.

4. В качестве барботеров в усреднителе рекомендуется использовать перфорированные трубы с отверстиями диаметром 3 мм (шаг 8-16 см), располагаемыми в нижней части трубы в один или два ряда под углом 45° к оси трубы.

Трубы укладываются горизонтально вдоль резервуара на подставках высотой 6-10 см. Допустимое отклонение от горизонтальной укладки труб барботеров не должно превышать ± 0,015 м так, чтобы связанная с этим неравномерность подачи воздуха по длине барботера не превысила одной трети от принятой в расчете неравномерности подачи воздуха (20 % среднего расхода воздуха).

Барботеры подразделяют на пристеночные, создающие один циркуляционный поток, и промежуточные, создающие два циркуляционных потока.

Оптимальное расстояние между барботерами следует считать (2-3)Н, а между барботерами и параллельной ему стеной усреднителя (1-1,5)Н, где Н - глубина погружения барботера.

При расчете принимаются:

интенсивность барботирования для усреднения концентрации растворенных примесей при простеночных барботерах 6 м3/ч на 1 м, при промежуточных барботерах 12 м3/ч на 1 м;

интенсивность барботирования для предотвращения выпадания в осадок взвесей в пристеночных барботерах 12 м3/ч на 1 м, в промежуточных 24 м3/ч на 1 м.

Числа стояков подвода воздуха к барботеру и шаг между радиальными отверстиями перфорации для барботеров из полиэтиленовых труб надлежит определять в зависимости от требуемой интенсивности барботирования и заданной неравномерности подачи воздуха на основании данных, приведенных в табл. 1.

В расчете принято, что каждый стояк присоединен к середине обслуживаемого им участка барботера длиной l. При расположении стояка подвода воздуха у одного из концов барботера длина обслуживаемого участка будет равна l/2.


Таблица 1

Наружный диаметр трубы, мм

Диаметр центрального отверстия барботера, мм

Диаметр перфорационных отверстий, мм

Число рядов перфорационных отверстий

Интенсивность подачи воздуха, Нм3

Перепад давления на перфорационном отверстии, кПа

Шаг радиальных отверстий, мм

Неравномерность подачи воздуха, %

Длина барботера обслуживаемого одним стояком, м

50

42,5

3

1

6

1

160

20

39,5

12

4

160

20

42,5

12

1

80

20

28,5

2

12

1

160

20

29

24

4

160

20

32

24

1

80

20

22

6,3

59

3

1

6

1

160

12

50

12

4

160

10

50

12

1

80

20

44

2

12

1

160

20

43,5

24

4

160

20

47

24

1

80

20

33,5

75

71

3

1

6

1

160

5

50

12

4

160

4

50

12

1

80

13

50

2

12

1

160

13

50

24

4

160

10

50

24

1

80

20

43,5


Расчетная глубина погружения барботера принята равной 4,3 м. Приведенные в табл. 1 данные могут использоваться при изменении погружения в диапазоне 3-5 м.

При среднем перепаде давления на перфорированных отверстиях =1 кПа максимальные потери в барботере не более м=2 кПа, а при =4 кПа - не более м=7 кПа.

5. Для предотвращения выпадения осадка в местах прямоугольного сопряжения днища со стенками резервуара рекомендуется заполнение этих мест тощим бетоном. При этом угол сопряжении днища с заполнением должен составлять 30°.

Возможен уклон в сторону забора воды, где должен быть предусмотрен трубопровод опорожнения секции усреднителя.

6. На входе в усреднитель необходимо устанавливать контрольно-измерительную аппаратуру для определения расхода полы и воздуха, поступающих на сооружение.

7. Все конструктивные узлы сооружения необходимо оборудовать трубопроводами опорожнения и предусматривать малые средства механизации (например, бадья-таль-кошка, бадья-тальфер и др.) для периодической чистки усреднителя.

Возможно, предусмотреть нестационарную систему пеногашения усредненными стоками (например, шланги с насадками, укрепленные на штативах). Как показал опыт эксплуатации, пены в усреднителях нет, кроме исключительных случаев, когда применяли и производстве запрещенные в настоящее время ПАВ.

8. В зависимости от характеристик стоков в цеховых каналах, на выпусках из промышленных здании или перед резервуаром - усреднителем необходимо предусматривать решетки для сбора волокон, шерсти, тряпок и других отходов производства. Целесообразно по ходу технологических линий на определенных производствах устанавливать шерстеуловители.

9. Самым надежным способом водоотведения, как показал опыт эксплуатации, является работа насосов.

Многоканальные усреднители

1.6. Перспективным типом усреднителя для большого числа объектов, например, легкой промышленности, является многоканальный усреднитель, схема которого разработана во ВНИИ ВОДГЕО, с оптимальным распределением сточных вод по коридорам разной ширины. На базе этой схемы МИСИ и ГПИ-1 разработали конструкцию усреднителя для сточных вод, относящуюся к категории легких (взвешенных веществ до 500 мг/л, гидравлической крупностью до 5 мм/с), для суточного расхода сточных вод свыше 67 тыс. м3.

Конструкция, представленная на рис. 1, состоит из приемной камеры, распределительного лотка, каналов усреднителя, камеры усредненных стоков аккумулирующей емкости. Сточная вода попадает и приемную камеру, оборудованную полупогруженной доской для гашения волновых колебаний на поверхности, откуда поступает в распределительный лоток. При превышении величины среднего расхода сточных вод избыточное количество воды переливается в аккумулирующую емкость через регулируемый водослив. Усреднение колебаний концентрации загрязнений и поступающих сточных водах осуществляется за счет различного времени пребывания потока в каждом из каналов. Распределение сточных вод по каналам усреднителя осуществляется через донные выпуски расчетного диаметра.

Рис. 1. Схема многоканального усреднителя

1 - приемная камера; 2 - распределительный лоток; 3 - донные выпуски и боковой водослив с шибером; 4 - каналы; 5 - система гидросмыва; 6 - удаление осадка гидроэлеваторами; 7 - камера усредненных стоков; 8 - аккумулирующая емкость; 9 - водослив.

Для возможности дорегулировки расходов воды по каналам усреднителя в стенке лотка устраиваются прямоугольные водосливы, оборудованные шиберами. На выходе из каждого канала предусматриваются измерительные водосливы, которые позволяют контролировать уровень и расход воды по каждому каналу.

Из камеры усредненных стоков пода либо откачивается, либо самотеком поступает на дальнейшую очистку. На предприятиях в часы минимального водостока сточные воды из аккумулирующей емкости перекачиваются в приемную камеру. В каждом из каналов усреднителя и в аккумулирующей емкости предусматривается отстойная зона.

Система сбора и удаления осадка выбирается в зависимости от конкретных данных по кинетике отстаивания, количеству и характеру взвешенных веществ (гидровзмучивание, гидросмыв и др.). Периодичность удаления осадка определяется в период пусконаладочных работ.

Длина, общая ширина и глубина сооружения принимаются в зависимости от требуемого расчетного объема с учетом граничных условий (граничные условия определены для суточной производительности сточных вод свыше 10 тыс. м3); ширина одного канала от 1 до 6 м, глубина не более 3 м.

При меньших расходах сточных вод возможен лотковый вариант многоканального усреднителя, сохраняющий принцип дифференцированного распределения потока.

Распределение потока воды между каналами осуществляется в соответствии с формулой (3) (i-номер канала)

                                                                           (3)

Объем коридоров различен. Ширина каждого i-го канала рассчитывается по формуле

.                                                           (4)

При этом в целях создания наилучшего гидродинамического режима работы каждого" капала (высокого коэффициента полезного использования объема каждого канала) минимальная скорость течения воды в канале желательна не менее 7 мм/с.

Порядок расчета многоканального усреднителя

1. Расчет объема аккумулирующей емкости Wreg с учетом графика притока сточных вод на очистные сооружения (аналогично расчету регулирующей емкости водонапорных сооружений).

2. Расчет объема многоканального усреднителя Wes (для qmin) с учетом характера поступления концентрации загрязнений: залповый, циклический или произвольный. См. формулы (25)-(29) СНиП 2.04.03-85.

3. Определение общего объема сооружения: W = Wreg+Wes.

4. Определение размеров усреднителя, в плане В´Н´L - в соответствии с граничными условиями.

5. Расчет ширины bi каждого канала по формуле (4), причем число каналов должно выбираться, начиная с трех при соблюдении конструктивных граничных условий и обеспечения минимальной скорости течения 7 мм/с.

6. Расчет расхода qi, по каждому каналу по формуле (3).

7. Расчет распределительного лотка и размеров донных и боковых водосливов.

Распределительный лоток с донными выпусками рассчитывается с учетом следующих положений:

горизонтальное расположение дна лотка;

скорость течения воды в лотке принимают постоянной, не менее 0,4 м/с из условия незаиливания лотка. При этом влияние на изменение кривой свободной поверхности воды при неравномерном ее отборе по длине лотка должно быть незначительным.

Лоток лучше располагать затопленным (ниже уровня воды в каналах) для более равномерного распределения воды по глубине потока;

расчет донных и боковых выпусков необходимо производить для расходов в м3/c, определяемых по формуле (3) для каждого канала по общепринятой методике гидравлического расчета водосливов

.                                                                                             (5)

Для донного цилиндрического отверстия  = 0,8, для бокового прямоугольного отверстия  = 0,7.

8. Расчет измерительных и регулируемых водосливов производится в соответствии с расчетом, изложенном в Справочнике по гидравлическим расчетам систем водоснабжения и канализации/А. М. Курганов, И. Ф. Федорова. - М.: Стройиздат, 1978.

Регулирование водослива, установленного между приемной камерой и аккумулирующей емкостью, производится с помощью передвижной стенки. На стенке из каждого канала устанавливаются водосливы треугольного профиля.

Кроме предложенной конструкции возможны варианты многоканального типа усреднителя. Например, в проектном институте ГИАП многоканальный усреднитель схемы ВНИИ ВОДГЕО выполнен в П-образной компоновке сблокированным аварийным накопителем.

Усреднитель-смеситель с механическим перемешиванием, оборудованный отстойной зоной

1.7. В настоящее время теоретически и экспериментально душная конструкция не отработана. Работы по созданию такой конструкции для сточных вод, относящихся к категории «тяжелых» (содержание взвешенных веществ более 500 мг/л, гидравлическая крупность - не лимитируется) начаты в МИСИ им. В.В. Куйбышева.

При конструировании такого типа усреднителя необходимо учитывать большое количество факторов, влияющих на эффективность перемешивания, например:

уплотнение или отстаивание, происходящее в донной части усреднителя (отстаивание в зоне сжатия). Интенсивность осаждения взвеси, зависимость между скоростью осаждения взвешенных частиц и их содержанием. На основании этих и других данных можно будет рассчитать отстойную зону усреднителя;

влияние условий смешения (скорость перемешивания, перемешивание за счет диффузии, создание градиента скорости между различными элементами объема и др.) на эффект выравнивания концентрации в воде и осуществления химических реакций (нейтрализация, хлопьеобразование и т.д.);

выбор мешалок или аэраторов, а также конфигурации сооружения для создания условии перемешивания.

Нельзя также не учитывать требования последующих звеньев очистки: реагентная обработка, отстаивание, флотация, биологические методы.

Так, например, для стоков кожзаводов слишком интенсивное перемешивание стоков в усреднителе разрушает естественные структурные образования, что в дальнейшем ведет к снижению эффекта коагулирования, флотации.

В то же время при аэрации стоков кожевенных производств, содержащих большое количество сульфидов, в усреднителе происходит окисление сульфидов и частичное выдувание сероводорода в атмосферу (при значениях рН менее 7). Процесс выдувания не желателен в связи с загрязнением окружающей атмосферы, о то же время процесс частичного окисления сульфидов - положителен (с повышением степени диспергирования воздуха - степень окисления сульфидов возрастет). Целесообразно в отдельных случаях использовать поверхностные аэраторы в качестве перемешивающих устройств.

Конструкция усреднителя с механическим перемешиванием разработана для стоков кожевенных производств институтом ГПИ-2 па базе радиального отстойника диаметрами 12, 24 и 40 м. Усреднитель оборудован вращающимся мостом с механическими мешалками и скребками для сгребания осадка. Пуск стока из нижней точки конического днища.

Анализ эффективности работы действующих сооружений показал, что построенные сооружения неудовлетворительно справляются с функцией усреднения состава сточных вод. Сказываются расчетные и конструктивные ошибки при проектировании, плохое качество строительства и низкий уровень эксплуатации.

Модернизация существующих конструкций может быть осуществлена использованием следующих мероприятий:

вместо централизованного впуска воды в усреднитель предусмотреть рассредоточенный по периметру сооружения (возможен металлический лоток с подачей воды через придонные выпуски);

интенсифицировать работу системы перемешивания;

предусмотреть возможный забор воды выше зоны отстаивания не менее 1,5 м. Из нижней точки дна усреднителя удалять осадок, обработка которого возможна в общей схеме локальной очистки.

Отстойники

Общие сведения

1.8. Для проектирования сооружений и аппаратов механической очистки должны быть заданы следующие данные:

общее количество сточных вод, м3/ч;

температура сточных вод, °С;

периодичность образования сточных вод;

тяжелые механические примеси, мг/л;

нефтепродукты, масла, мг/л;

плотность тяжелых и легких загрязнений, г/см3; кинетика осаждения механических процессах тяжелее и легче поды, при их расчетной концентрации в исходной воде;

требуемая степень очистки (%) или допустимое содержание загрязнений легче и тяжелее воды, мг/л;

гидравлическая крупность частиц, тяжелее и легче воды, которую необходимо выделить для обеспечения требуемой степени очистки, мм/с.

Гидравлическая крупность определяется по кривым кинетики отстаивания Э = f(t) (рис. 2), полученным экспериментально отстаиванием сточной воды в статических условиях в слое h, как правило, отличным от действительной высоты отстаивания в выбранном типе отстойника, поэтому для приведения полученных результатов к натурным надлежит производить пересчет по формулам (30) и (31) СНиП 2.04.03-85 с учетом поправки на изменение вязкости воды при изменении температуры (табл. 2).

Таблица 2

Температура воды, °С

60

50

40

30

25

20

15

10

5

0

Коэффициент вязкости , 10-3 Н×с/м2

0,469

0,549

0,656

0,801

0,894

1,01

1,14

1,308

1,519

1,702

Показатель степени n2, зависящий от природы загрязнений, в том числе и от агломерируемости взвесей для промышленных сточных вод, определяется по полученным экспериментально кривым кинетик отстаивания в слоях h1 и h2

                                                                                        (6)

При расчете сооружений для механической очистки промышленных сточных вод экспериментальное определение показателей характеристики воды и загрязнений должно предшествовать проектированию в каждом конкретном случае. Если проектирование ведется для строящегося предприятия, данные о характеристике воды, возможно, получить при изучении воды на аналогичном производстве. Опыт обследования промышленных предприятий показывает, что величина гидравлической крупности частиц U0, которые должны быть выделены для обеспечения требуемого эффекта колеблется в пределах 0,2-0,5 мм/с, поэтому для ориентировочных расчетов отстойных сооружении величину U0 можно принимать равной 0,25-0,3 мм/с.

Рис. 2. Кинетика отстаивания сточных вод прокатных производств при исходной концентрации С0 = 200 мг/л

1 - h = 200 мм; 2 - h = 500 мм

Для городских сточных вод продолжительность отстаивания t в слое h = 500 мм можно принимать по табл. 30 СНиП 2.04.03-85, а показатель степени n2 по рис. 2 СНиП 2.04.03-85.

Расчет отстойников

1.9. Принимая по внимание, что при проектировании очистных установок, как правило, применяются типовые или экспериментальные конструкции отстойных сооружений с известными геометрическими размерами, за расчетную величину следует принимать производительность одного отстойника qset, при которой обеспечивается заданный эффект очистки. После расчета qset исходя из общего расхода сточных вод определяется количество рабочих единиц отстойников N

N = .                                                                                                       (7)

Для горизонтального отстойника производительность одной секции рассчитывайся по формуле (32) СНиП 2.04.03-85. Для радиальных, всех типов вертикальных отстойников, а также отстойников с вращающимся сборно-распределительным устройством (см. пример 2), производительность одного отстойника рассчитывается по формуле (33) СНиП 2.04.03-85.

Отстойники с вращающимися сборно-распределительными устройствами

1.10. Для отстойников с вращающимся сборно-распределительным устройством  = 0. Кроме того, при проектировании этих отстойников должна рассчитываться форма перегородки, разделяющая распределительный и водоприемный лоток. Форма этой перегородки может быть выражена через изменяющуюся ширину Вр распределительного лотка

,                                                                                         (8)

где m = 1/11, 1/12;

,                                                                                         (9)

где bз - зазор между стенкой и фермой (bз = 0,1-0,15 м); lЛ - удаление расчетного створа лотка от центра отстойника. Количество струенаправляющих лопаток nЛ определяется конструктивно при соблюдении следующего соотношения:

2rл-(2nл+1) = Lр,                                                                                           (10)

где rл = 0,1-0,125 м.

Число лопаток nЛ не следует принимать более 24 шт. Изменение высоты водослива но длине водоприемного лотка зависит от изменения по радиусу расхода воды, удаляемой из отстойника. Высота водослива hсб по мере удаления от центра отстойника рассчитывается по формуле затопленного водослива с тонкой стенкой

.                                                                                     (11)

Период вращения Т, с, водораспределительного устройства, зависит от требуемой степени очистки и должен также рассчитываться при привязке отстойника к конкретным условиям,

.                                                                                        (12)

Тонкослойные отстойники

1.11. Тонкослойное отстаивание применяется в случае необходимости сокращения объема очистных сооружений при ограниченности выделяемой площади и при необходимости повышения эффективности существующих oтстойников. В первом случае тонкослойные отстойники выполняют роль самостоятельных сооружений, во втором - существующие отстойники дополняются тонкослойными модулями, располагаемыми в совершенствуемом отстойнике, перед водосборным устройством.

1.12. При расчете отстойника, работающего по перекрестной схеме (рис. 3) расчетными величинами являются длина яруса Lbl и производительность отстойника qset. Длина яруса Lb, м, определяется по формуле

,                                                                                           (13)

где uw - скорость потока воды в ярусе отстойника, мм/с, применяемая по табл. 31 СНиП 2.04.03-85; hli - высота яруса, м, по табл. 31 СНиП 2.04.03-85 (при высоких концентрациях загрязнений рекомендуется принимать большие значения); Кdis, - коэффициент сноса выделенных частиц (при плоских пластинах Кdis = l,2; при рифленых пластинах Кdis = 1); Uо - гидравлическая крупность, задерживаемых частиц которую рекомендуется определять в слое, равном высоте яруса hli.

Производительность отстойника qset определяется по формуле

qset = 7,2Kset Hbl Lbl Bbl Uo/Kdis hli,                                                                  (14)

где Bbl - ширина тонкослойного блока, назначается из допустимого прогиба листа, выбранного для тонкослойного блока (= -5мм) при наклоне под углом сползания осадка.

Строительная ширина Встр, м, отстойника определяется по формуле

Встр = 2Вbl+b1+2b2,                                                                                      (15)

где b1 - 0,25 м, b2 - 0,05-0,1 м.

После определения длины яруса отстойника lbl, исходя из возможных размеров материала, применяющегося для параллельных пластин, назначаются длина пластины в ярусе и количество блоков (модулей), располагаемых по одной прямой.

Обязательным условием, выполняемым при конструировании отстойника, должна быть плотная стыковка соответствующих пластин в рядом устанавливаемых блоках (модулях). Строительная высота отстойника Нстр. м (см. рис. 3) определяется по формуле

Нстр = Нbl+h3+hм+0,3,                                                                                 (15а)

Рис. 3. Схема тонкослойного отстойника, работающего по перекрестной схеме удаления осадка

где h3 - высота, необходимая для расположения рамы, на которой устанавливаются блоки (h3 = 0,2-0,3 м; hм = 0,l м).

Строительная длина тонкослойного отстойника Lcтp (см. рис. 3) определяется по формуле

Lстр = Lbl;+l1+l2+2l3+l4.                                                                               (16)

Зона длиной l1 служит для выделения крупных примесей Объем зоны рассчитывается на 2-3-минутное пребывание потока

l1 = qsett/(60HblBcтpKset),                                                                                (17)

где Kset - коэффициент использования зоны, принимаем равным 0,3; при применении пропорционального устройства l2 = 0,2 м, если распределение осуществляется дырчатой перегородкой l2 = 0; l3 = 0,2-0,25 м; l4 = 0,15-0,2 м.

1.13. В настоящее время применяется большое количество конструктивных разновидностей тонкослойных отстойников, работающих по противоточной схеме, все они практически, могут быть сведены к двум расчетным схемам, показанным на рис. 4 и рис. 5. В конструкции отстойника, показанного на рис. 4, расчетной являются длина пластины в блоке (модуле) Lbl и производительность секции qset.

Длину пластины Lы можно определить по формуле

Lbl = uWhti/U0,                                                                                               (18)

где uw - скорость потока в ярусе; hti - высота яруса. Данные параметры задаются по табл. 31 СНиП 2.04.03-85.

Производительность одной секции рассчитывается по формуле (36) СНиП 2.04.03-85, для которой Hbl определяется по формуле

Ны = пtibn,                                                                                                     (19)

где пti - количество ярусов в блоке, которое назначается из конструктивных соображений; bn - определяется по формуле

bп = htiсоs.                                                                                                 (20)

Рис. 4. Схема тонкослойного отстойника, работающего по противоточной схеме удаления примесей

а - тяжелых примесей; 6 - легких примесей (масла, нефтепродукты и т.п.)

Ширина секции отстойника назначается из конструктивных соображений и исходя из размеров пластин, предназначающихся для изготовления блоков (модулей). Все размеры других узлов отстойника (ширина резервуара отстойника, его строительная глубина и т.д.) назначаются из конструктивных соображений.

За расчетные параметры тонкослойного отстойника (см. рис. 5) следует принимать длину пластин в блоке Lbi и длину расположения тонкослойных блоков (модули) Lb. Величина Lbi определяется так же, как и в предыдущем случае по формуле (18), a Lb - по формуле

Lb = qset /(3,6KetuWBbi),                                                                                  (21)

где qset - расход сточных вод на секцию, м3.

Рис. 5. Схема отстойника, оборудованного тонкослойными блоками, работающего по противоточной схеме удаления примесей

а - тяжелых примесей; б - легких примесей (масла, нефтепродукты и т.п.)

Общая длина  отстойника определяется по формуле

L = Lb +,                                                                 (22)

где  - длина зоны определяется из условия формирования потока перед распределением между ярусами. В этом же объеме происходит выделение крупных механических примесей при этом  принимается в интервале 1-1,5 м;

 = Lbl sin (90-);

 = 0,3 м;  = 0,05-0,1 м;  = 0,4-0,5 м.

Общая глубина воды в отстойнике Нстр, м, определяется как сумма высот различных зон

Нстр = hм + h2 + h3 +h4+ h5,                                                                        (23)

где

h2 = Lbl sin ;                                                                                               (24)

hм0,1 м; h3 = 0,2-0,5 м; h4 = 0,1-0,2 м; h5 = 0,3 м.

Затем определяется удельный объем образующегося осадка Qmud,, м3/ч, назначается способ его удаления в приямок и способ удаления из приямка, а по формуле (37) СНиП 2.04.03-85 рассчитывается его расход.

Реконструкция обычных отстойников в тонкослойные

1.14. В случае дополнения горизонтальных отстойников тонкослойными блоками (при необходимости повышения их эффективности или для увеличения производительности), расчетными параметрами являются длина пластин Lbl в блоке (модуле) и расстояние Lb, на котором устанавливаются блоки в отстойнике. Эти величины рассчитываются но формулам (18) и (21). Величина Вbl численно равна ширине секции отстойника (пример 5).

При дополнении тонкослойными блоками вертикальных отстойников, при известных габаритах отстойника Lset и Вset или Dset, заданной крупности задерживаемых частиц U0 расчетной величиной является длина пластин Lbl, которая при заданной высоте яруса hti рассчитывается но формуле (18) или высота яруса hti, рассчитывается по заданной длине пластин по той же формуле. Производительность отстойника рассчитывается по формуле

;                                                                              (25)

Fset = Lset Bset или Fset = 0,785Dset ; Hbl = Lbl sin .                                     (26)

Когда производительность отстойника известна и требуется лишь увеличить эффективность очистки Эгр, по лабораторным анализам кинетики отстаивания изучаемой воды определяется гидравлическая крупность частиц. Далее, задаваясь высотой яруса hti, по формуле (25) определяется высота Ны, на которой должны быть расположены тонкослойные элементы, а затем по формуле (26) рассчитывается длина пластины и проверяется по формуле (18) скорость потока в ярусе.

При дополнении существующих радиальных отстойников тонкослойными блоками (модулями) (рис. 6), когда известны геометрические размеры отстойника и его производительность, а требуемая степень очистки задана гидравлической крупностью частиц U0, которые необходимо выделить, расчетными параметрами являются длина пластины в блоке Lbl, высота блока Нbl и число ярусов в блоке nbl. Величина lbl, рассчитывается по формуле (18) при заданной высоте яруса hbl. Высота блока hbl рассчитывается по следующей зависимости:

,                                                                               (27)

где Kset - коэффициент использования объема, определяется по табл.31 СНиП 2.04.03-85, как для радиальных отстойников; D1 - диаметр расположения блоков,

Рис. 6. Схема радиального отстойника дополненного тонкослойными блоками (модулями)

Затем определяется число ярусов в блоке (модуле)

nti = Hbi/hticos.                                                                                           (28)

Примеры расчета отстойников

Пример 1. Требуется определить гидравлическую крупность частиц для проектирования отстойника при очистке сточных вод прокатного производства.

Исходные данные: расход сточных вод qw - 1000 м3/ч; температура Tw – 30 °С; расход сточных вод постоянен в течение суток. Исходная концентрация тяжелых механических примесей - 200 мг/л; маслопродуктов - 50-60 мг/л; плотность тяжелых загрязнений - 5 г/см3; маслопродуктов - 0,8 г/см3; кинетики отстаивания механических примесей тяжелее воды расчетной концентрацией в различных слоях воды показаны на рис. 2.

В очищенной воде содержание тяжелых примесей не должно превышать 60 мг/л, маслопродуктов - 25 мг/л.

В проекте принимаются отстойники с рабочей глубиной отстаивания Нset = 1,5 м. Определение расчетной гидравлической крупности исходя из заданных параметров производится в следующем порядке:

по заданным величинам концентраций механических примесей в исходной и осветленной воде определяем требуемый эффект очистки Этр

Этр = 100 (200 - 60) /200 = 70 %;

по кривым кинетики отстаивания (см. рис. 2) определяется продолжительность отстаивания ti = 13,5 мин (810 с); t2 = 17,5 мин (1050 с), при которых в слоях воды h1 = 200 мм и h2 = 500 мм достигается требуемый эффект;

после этого по формуле (6) определяется показатель степени n2

n2 = (lg 1050 - 1g 810)/(lg 500 - lg 200) = 0,3;

затем по формуле (30) СНиП 2.04.03-85 определяется гидравлическая крупность U0 частиц взвесей, которые должны быть выделены в отстойнике, при этом Kset = 0,5 (по табл. 31 СНиП 2.04.03-85), если температура сточных вод, поступающих на отстойники, будет такая же, какая была обеспечена при экспериментальном определении кинетик отстаивания, например Тw = 20 °С:

.

Поскольку температура сточных вод поступающих на отстойник Tw = 30 °С, требуется внести поправку:

 = 063.1,005/0,801 = 0,79 мм/с.

Таким образом, отстойники, принятые как сооружения для механической очистки сточных вод прокатных производств, должны рассчитываться на задержание частиц гидравлической крупностью 0,79 мм/с.

Пример 2. Для очистки городских сточных вод требуется рассчитать отстойник с вращающимся сборно-распределительным устройством, который должен обеспечивать 60 %-нoe задержание механических загрязнений, при исходной концентрации 300 мг/л. Расчетная температура воды составляет 20 °С, плотность осадка 2,0 г/см3.

Задаемся диаметром отстойника Dset = 24 м, в котором высота отстаивания Нset = 1 м.

По формуле (30) СНиП 2.04.03-85 определяется гидравлическая крупность частиц, которые требуется выделить для обеспечения заданного эффекта. При этом по табл. 30 и рис. 2 СНиП 2.04.03-85 определяется значение h1 = 0,5; tset = 970 с и n2 = 0,275, входящие в эту формулу, а по табл. 31 СНиП 2.04.03-85 назначается значение коэффициента использования объема Кset = 0,85

.

Внесение поправки на температуру не требуется, так как при лабораторных определениях кинетики отстаивания температура воды была той же, что в производственных условиях.

По формуле (33) СНиП 2.04.03-85 определяется производительность одного отстойника

qset = 2,8.0,85.(242-12).0,76 = 1042 м/ч.

По формуле (12) определяется период вращения водораспределительного устройства

Т = 1000.1.0,85/0,76 = 1118,4 с = 18,6 мин.

Определив по формуле (9) величину RЛ = (24/2)-0,15 = 11,85, и задавшись значениями m = 1/12; b3 = 0,15 и bл, по формулам (8) и (11), рассчитываем ширину распределительного лотка Вр и высоту водослива hсб по створам. Для удобства результаты расчета сводим в табл. 3

Таблица 3

RЛ, м

2

3

4

5

6

7

Вр, м

0,973

0,955

0,929

0,895

0,851

0,796

hсб, м

0,030

0,039

0,017

0,055

0,062

0,069

Продолжение табл. 3

RЛ, м

8

9

10

11

11,85

Вр, м

0,728

0,642

0,529

0,367

0

hсб, м

0,076

0,081

0,037

0,093

0,097

Исходя из общего количества сточных вод и коэффициента неравномерности рассчитывается количество отстойников, а по формуле (37) СНиП 2.04.03-85 определяется количество образующегося осадка и принимается способ его удаления.

Пример 3. Расчет тонкослойного отстойника, работающего по перекрестной схеме удаления осадка (см. рис. 3).

Исходные данные: расход сточных вод завода производства железобетонных изделий (ЖБИ) составляет 1200 м3/сут; коэффициент часовой неравномерности составляет 1,1; завод работает в две смены.

Исходная концентрация тяжелых механических примесей - 700 мг/л; масло- и нефтепродуктов - 100-300 мг/л. Допустимая концентрация механических примесей в очищенной воде - 50 мг/л, нефтепродуктов - 25 мг/л.

По кривым кинетики отстаивания в слое воды, равном высоте яруса hti = 0,1 м, находим, что гидравлическая крупность тяжелых механических взвесей, которые требуется выделить, составляет

U0 = 1000hti/t = (0,1.1000)/500 = 0,2 мм/с.

Гидравлическая крупность нефтепродуктов

U0н = (0,l.1000)/330 = 0,3 мм/с.

Следовательно, расчет отстойника нужно вести на задержание частиц крупностью 0,2 мм/с.

Из условия количества загрязнений в сточных водах (700 мг/л) принимаем высоту яруса в отстойнике hti = 0,1 м (табл. 31, СНиП 2.04.03-85). Для обеспечения условий сползания осадка по пластинам, угол наклона пластин  принимаем равным 45°. В качестве материала пластин по имеющимся возможностям будет использована листовая сталь  = 3 мм. Задавшись скоростью потока в ярусе отстойника (табл. 31 СНиП 2.04.03-85)  = 7 мм/с, определяем по формуле (13) длину яруса

.

Из условия допустимого прогиба ( = 3-5 мм) наклоненной под углом 45° пластины принимаем ширину блока Bbl = 0,75 м. Таким образом, максимальная ширина пластины в блоке будет Bbl = 0,75 1,41 = 1,060 м. Задаемся высотой блока с параллельными пластинами Hbl = 1,5 м.

По формуле (35) СНиП 2.04.03-85 определяем производительность одной секции тонкослойного отстойника с двумя рядами блоков (см. рис. 3)

qset = 7,2.0,75.1,5.0,75.4,2  = 42,5 м3/ч.

Проверяем скорость потока в ярусе отстойника при использовании поперечного сечения на 75 % Kset = 0,75 (табл. 31, СНиП 2.04.03-85)

Приведенный расчет показывает, что исходные величины выбраны верно. Строительная ширина секции отстойника рассчитывается по формуле (15)

Встр = 2´0,75+0,2+2´0,05 = 1,8;

Нстр = 1,5+0,3+0,1+0,3 = 2,2 м.

Длина зоны грубой очистки li по формуле (17)

.

Строительная длина секции Lcтp по формуле (16)

Lcтp = 4,2+1,75+0,2+2.0,2 +0,15 = 6,7 м.

Определяется часовой расход сточных вод с учетом коэффициента часовой неравномерности

qW = (1200.1,1)/16 = 82,5 м3/ч.

Исходя из общего количества сточных вод определяется количество секции тонкослойного отстойника

N = 82,5/42,5 = 1,94  2 секции.

В соответствии с п. 6.58 СНиП 2.04.03-85 уточняется количество секций: N = 2 секции.

Из условия выбранного материала для пластин (листовая сталь  = 3 мм) и облегчения массы блока, исходя из расчетной длины ярусного пространства (Lы = 4,2 м), принимаем длину блока (модуля) 1,06 м. Таким образом, в каждом ряду будет располагаться по 4 блока (модуля).

Количество выделяемого осадка влажностью W = 96 % определяется по формуле (37) п. 6.65 СНиП 2.04.03-85

.

Далее принимается метод удаления осадка из отстойника. В данном случае, так как тонкослойный отстойник рекомендуется располагать над поверхностью земли, целесообразно принять многобункерную конструкцию отстойника с удалением осадка под гидростатическим напором.

Пример 4. Рассчитать тонкослойный отстойник, работающий по противоточной схеме удаления осадка (см. рис. 4).

Расчет ведется для случая очистки нефтесодержащих сточных вод НПЗ, когда для обеспечения снижения содержания нефтепродуктов до 50-70 мг/л из воды должны быть удалены глобулы нефти гидравлической крупностью  = 0,3 мм/с, которая определена при отстаивании в слое воды h = 100 мм. Расход сточных вод qW постоянен и составляет 600 м3/ч, температура воды 20 °С.

Приняв по табл. 31 СНиП 2.04.03-85 высоту яруса h = 0,l м, и скорость рабочего потока  = 5 мм/с, определяем по формуле (18) длину пластины в ярусе

.

Задавшись углом наклона пластин, определенным экспериментально,  = 45°, определяем расстояние между пластинами

.

Задаемся количеством ярусов в блоке (модуле) из условия простоты монтажа nы = 15 шт. Определяем высоту блока по формуле (19)

Hы = 0,07.15 = 1,05 м.

Ширина блока Вы определяется из условия ширины материала листа и условий монтажа. Назначаем ширину одной секции отстойника

Bset = Bы = 6 м.

Определяем производительность одной секции по формуле (36) СНиП 2.04.03-85, если коэффициент использования объема Кset = 0,55 (табл. 31 СНиП 2.04.03-85);

qset = 3,6.0,55.1,05.6.5 = 62,4 м3/ч.

Толщиной пластин в блоке при технологическом расчете можно пренебречь.

Исходя из расхода сточных вод определяем количество секций отстойника

N = 600/62,4 = 9,6  10 шт.

Далее из конструктивных соображений и с учетом обеспечения гидравлического режима потоков воды, близкого к ламинарному, назначаются другие размеры секции отстойника. Например:

l1 = lsin  +0,5 = 1,7.0,707+0,5 = 1,7 м;

Hы/sin = l2 = 1,05/0,707 = 1,481,5 м;

h3 = 0,5 м из условия более равномерного сброса очищенной воды;

l2 = Hыcos+lsin  = 1,05×0,707+1,7×0,707 = 1,94 м;

h3 = 0,5 м из условия равномерности распределения воды между ярусами блока. Таким образом Ноб = 0,5 + 1,94+0,5 = 2,94 м.

Пример 5. Требуется рассчитать отстойник, работающий по противоточной схеме, показанной на рис. 5, для очистки коагулированных сточных вод литейного производства расходом 500 м3/ч, сточные воды с концентрацией механических примесей 1000 мг/л образуются постоянно, температура сточных вод Тw (в среднем) 30 °С. Экспериментально в заводской лаборатории установлено, что требуемая степень очистки (содержание взвесей 150-200 мг/л) обеспечивается при задержании частиц гидравлической крупностью 0,2 мм/с. Крупность определена по кривым кинетики отстаивания, полученным при температуре 20 °С в слое 100 мм.

По формуле (31) СНиП 2.04.03-85 уточняем величину гидравлической крупности

 = 0,2×1,005/0,8007 = 0,25 мм/с.

По формуле (18) определяем длину пластины в ярусе Lbl, задавшись предварительно по табл. 3.1 СНиП 2.04.03-85 высотой яруса hti = 0,1 м; и скоростю потока в ярусе uw = 5 мм/с

Lbl = (5×0,1)/0,25 = 2 м.

Назначаем угол наклона пластин, определенный экспериментально: a = 50°.

Задаемся количеством секций отстойника N = 5 и определяем производительность одной секции qset = 500/5 = 100 м3/ч.

Задаемся шириной одной секции Bbt = 3 м.

По формуле (21) определяем длину зоны Lb тонкослойного отстаивания, если коэффициент использования ее объема в соответствии с табл. 31 СНиП 2.04.03-85 Kset равен 0,5:

Lb = 100/(3,6×0,5×5×3) = 3,7 м.

Задаем длину зон тонкослойного отстойника (см. рис. 5):

 = 1,5 м;  = 2 sin (90- 50°) = 2×0,64 = 1,28;  = 0,3 м;  = 0,1 м;  = 0,5 м, а затем по формуле (22) определяем общую рабочую длину отстойника

 = 3,7 + 1,5 + 1,28 + 0,3 + 0,1 + 0,5 = 7,38 » 8 м.

По формуле (23) определяем общую глубину воды в отстойнике Нстр, предварительно задавшись высотой зон:  = 0,1;  = 2 sin 50° = 2×0,77 = 1,54;  = 0,3;  = 0,2;  = 0,3;

Нстр = 0,1 + 1,54 + 0,3 + 0,2 + 0,3 = 2,44 см = 2,5 м.

Принимаем удаление осадка в приямок скребковым механизмом. По формуле (37) СНиП 2.04.03-85 определяется расход удаляемого осадка

Qmud = (1000 - 200) 500/(100 - 96) 2,6×104 = 3,85 м3/ч.

Пример 6. Необходимо повысить эффективность работы действующего раднального отстойника Dset = 30 м, на который подается расход воды qset = 1000 м3/ч. При этой производительности в отстойнике задерживаются частицы гидравлической крупностью Uо = 1 мм/с, что не удовлетворяет предъявляемым требованиям. Анализ характеристики загрязнений показал, что требуемый эффект очистки обеспечивается при выделении примесей гидравлической крупностью 0,25 мм/с и более.

Одним из путей интенсификации работы существующих отстойников является дополнение их тонкослойными блоками (модулями) (см. рис. 6).

Требуется определить размеры тонкослойных блоков, которыми должен быть оборудован радиальный отстойник.

Приняв по табл. 33 СНиП 2.04.03-85 скорость потока uw =5 мм/с и высоту яруса hti = 0,07 м по формуле (18), определяем длину пластин в блоке

Lbt = 5×0,07/0,25 = 1,4 м.

Задавшись диаметром Di = 27 м, на котором предполагается расположить блоки с параллельными пластинами, по формуле (27) определяем высоту блока, при коэффициенте использования объема Кset = 0,45, определяемого по табл. 31 СНиП 2.04.03-85

 м.

Рассчитываем количество ярусов в блоке (модуле)

пti = 1,5/0,07 = 21,4 » 22 яруса.

Гидроциклоны

1.15. Для расчета и проектирования установок с открытыми гидроциклонами должны быть заданы те же параметры по воде и по загрязнениям, что и для отстойников (см. п. 1.8).

Гидравлическая крупность частиц, которые необходимо выделить для обеспечения требуемого эффекта очистки, определяется при высоте слоя воды, равном 200 мм. Для многоярусных гидроциклонов слой отстаивания должен быть равен высоте яруса.

Основной расчетной величиной открытых гидроциклонов (рис. 7 - 9) является удельная гидравлическая нагрузка, которая определяется по формуле (38) СНиП 2.04.03-85.

Величину конструктивных параметров (Dhcbcn и т.д.), входящих в расчетные зависимости, следует назначать по табл. 4. Производительность одного аппарата рассчитывается по формуле (41) СНиП 2.04.03-85

.

Исходя из общего количества сточных вод Qw определяется количество рабочих единиц гидроциклонов: N = QW/Qhc. После назначения диаметра аппарата и определения их количества по табл. 4 определяются основные параметры гидроциклона.

Угол наклона образующей конических диафрагм в открытых гидроциклонах в каждом конкретном случае должен задаваться в зависимости от свойств выделяемого осадка, но не менее 45°. Диафрагмы в открытых гидроциклонах могут быть выполнены как из стали, так и из неметаллических материалов: ткань, пластик и т.д.

В распределительном канале пропорционального водораспределительного устройства многоярусного гидроциклона скорость восходящего потока должна быть не менее 0,4 м/с.

Рис. 7. Схемы открытых гидроциклонов

а - без внутренних вставок; б - с конической диафрагмой; в - с конической диафрагмой и внутренним цилиндром

Рис. 8. Схема многоярусного гидроциклона с центральными выпусками

Рис. 9. Схема многоярусного гидроциклона с периферийным отбором очищенной воды


Таблица 4

На именование конструктивного элемента

Единица измерения

Тип гидроциклона по рис.

7, а

7, б

7, в

8

9

1

2

3

4

5

6

7

Диаметр аппарата

м

2-10

2-6

2-6

2-6

2-6

Высота цилиндрической части H

доля от Dhc

Dhc

Dhc

Dhc +0,5

-

-

Размер впускного патрубка

»

0,07

0,05

0,05

Определяется по скорости входа

Количество впусков nl

шт.

2

2

2

3

3

Угол конической части

град

60

60

60

60

60

Угол конуса диафрагм

»

-

90

90

90-60

90-60

Диаметр центрального отверстия в диафрагме d1

доля от Dhс

-

0,5

0,5

0,6-1,4 м

Диаметр внутреннего цилиндра D1

то же

-

-

0,88

-

-

Высота внутреннего цилиндра H1

»

-

-

1,0

-

-

Высота водосливной стенки над диафрагмой Н2

м

-

0,5

0,5

0,5

0,5

Диаметр водосливной стенки, D2

в долях от Dhc

Dhc

Dhc +0,2

Dhc +0,2

Dhc +0,2

Dhc +0,2

Диаметр полупогруженной кольцевой перегородки D3

то же

Dhc -0,2

Dhc

Dhc

Dhc

Dhc

Высота ярусов hti

м

-

-

-

0,1-0,25

0,1-0,2

Число ярусов nti

шт.

-

-

-

4-20

4-20

Зазор между корпусом и диафрагмой

м

-

0

0

0,05-0,07

0,1-0,15

Ширина шламоотводящей щели b

»

-

-

-

0,1-0,15

-

Скорость потока на входе в аппарат ubn ,

м/с

0,3-0,5

0,3-0,5

0,3-0,5

0,3-0,4

0,3-0,4

Скорость потока на входе в раструб выпуска u вых

»

-

-

-

0,1

-

Количество выпусков из яруса n3

шт.

-

-

-

3

-

___________________

* Над чертой показан размер нижней диафрагмы пары ярусов, под чертой - верхней.


При расположении гидроциклонов над поверхностью земли и удалении осадка под гидравлическим напором, отвод осадка производится с разрывом струн через коническую насадку, присоединенную к шламовому патрубку через задвижку. Диаметр шламовой насадки подбирается при наладке сооружения. Для предупреждения засорения насадки крупными загрязнениями перед ней, но после задвижки, устанавливается камера, в которой располагается решетка, набранная из металлической полоски с прозорами 6-8 мм.

Для равномерного распределения воды между гидроциклонами их водосливные кромки должны располагаться на одной отметке, а на подводящих трубопроводах должны быть установлены водоизмерительные устройства.

Напорные гидроциклоны

1.16. Посредством напорных гидроциклонов успешно решаются следующие технологические задачи, осветление сточных вод, например стекольных заводов, автохозяйств (удаление песка, глины и других минеральных компонентов), литейных производств (удаление компонентов формовочной земли), нефтепромыслов (удаление нефтепродуктов и шлама), мясокомбинатов (удаление частиц минерального происхождения) и т.д.

Обогащение твердой фазы стоков (удаление из твердой фазы частиц минерального или органического происхождения, снижающих ценность основного продукта). Например, обогащение твердой фазы сточных вод галтовочных барабанов, в которых содержится ценный карборундовый порошок и отходы процесса шлифовки керамики, с обеспечением повторного использования порошка карборунда в процессе шлифовки.

1.17. Для обезвоживания сырых осадков при использовании тисковых центрифуг напорные гидроциклоны надлежит применять для предварительного удаления абразивных частиц твердой фазы осадка, обеспечивающего защиту центрифуг от абразивного износа.

Удаление из известкового молока инертных примесей (частиц песка, необожженного известняка) позволяет повысить надежность работы дозаторов, реакторов, контрольно-измерительной аппаратуры.

1.18. Классификация частиц твердой фазы сточных вод: разделение частиц на фракции с различной крупностью. Например, классификация частиц твердой фазы сточных фаз литейных производств с повторным использованием отдельных фракций в технологическом процессе.

Процесс классификации реализуется с использованием нескольких ступеней разделения в напорных гидроциклонах с получением на каждой ступени фракций с определенными размерами частиц.

1.19. На очистных сооружениях в напорных гидроциклонах производится сгущение сточных вод и осадков. Учитывая то, что объем сгущенного продукта в напорных гидроциклонах может составлять всего 2,5-10 % начального объема обрабатываемой суспензии, технологическая операция сгущения может обеспечить значительную экономию материальных затрат на строительство очистных сооружений и участков обработки осадков. При этом происходит эффективная отмывка минеральных частиц от налипших на них органических загрязнений, например, на очистных сооружениях НПЗ при обработке песка, выгружаемого из песколовки гидроэлеваторами, или при отмывке песчаной загрузки фильтров при ее гидроперегрузке.

1.20. В зависимости от расположения напорных гидроциклонов в технологическом процессе и схемы их обвязки могут иметь место четыре гидродинамических режима работы:

при свободном истечении верхнего и нижнего продуктов в атмосферу Рвх = Ра; Ршл = Ра;

при наличии противодавления со стороны сливного трубопровода и свободном истечении шлама Рвха; Ршл = Ра;

при противодавлении со стороны спинного и шламового трубопроводов Рвха; Ршла.

Режимы работы гидроциклонов учитываются при расчете конструктивных и технологических параметров.

1.21. Одной из важных особенностей напорных гидроциклонов является сильная корреляция производительности и эффективности разделения суспензий с основными конструктивными и технологическими параметрами аппаратов (рис. 10).

Наибольшие значения коэффициентов корреляции имеют следующие параметры: диаметр цилиндрической части гидроциклона Dhс площадь питающего патрубка Fen, диаметры сливного и шламового патрубков dвx, dшл; высота цилиндрической части Нц, угол конусности конической части , перепад давления в гидроциклоне Р = Рcnсx, концентрации суспензии на входе в гидроциклон Ссn, размеры и плотность частиц твердой фазы суспензии dcpT.

1.22. Основные размеры напорного гидроциклона подбираются по данным заводов изготовителей при этом должны учитываться:

диаметр питающего dеn и сливного dех патрубков должны отвечать соотношениям dеn/dex = 0,5-1;den/Dhc = 0,12-0,4;

,

где  - толщина стенки сливного патрубка; dшл - диаметр шламового патрубка назначается из соотношения dшл/deх = 0,2-1,0 (для предупреждения засорения шламового патрубка его минимальный диаметр должен в 6-8 раз превышать максимальный размер частиц загрязнений); Нц - высота цилиндрической части для гидроциклонов осветлителей должна приниматься: Нц = (2-4)Dhс, для гидроциклонов сгустителей: Нц = (1-2)Dhс.

Угол конусности  конической части следует принимать для гидроциклонов осветлителей 5-15°, для гидроциклонов сгустителей - 20-45°.

1.23. В зависимости от особенностей решаемых технологических задач могут применяться двух продуктовые (см. рис. 10) и многопродуктовые (рис. 11) напорные гидроциклоны. В последнем случае аппараты имеют несколько сливных трубопроводов, отводящих целевые продукты из различных зон восходящего вихревого потока гидроциклонов. Такие конструкции аппаратов, как правило, применяются при разделении многофазных сред.

Рис. 10. Схема напорного гидроциклона

Рис. 11. Схема трехпродуктового напорною гидроциклона

1.24. За последние годы в ряде отраслей промышленности широко внедряются мультигидроциклоны - монолитные или сборные блочные конструкции, включающие десятки или сотни единичных напорных гидроциклонов, имеющих единые питающие, сливные и шламовые камеры. Путем создания мультигидроциклонов успешно реализуется возможность промышленного применения высокоэффективных двухпродуктовых и многопродуктовых напорных гидроциклонов с малым диаметром цилиндрической части от 8 до 75 мм.

1.25. Для выделения из сточных вод частиц механических загрязнении крупностью  = 50-100 мкм (табл. 5) рекомендуются конструкции напорных гидроциклонов малых диаметров, выпускаемых Усолье-Сибирским заводом горного оборудования.

Для выделения из сточных вод мелкодисперсных механических примесей и сгущения осадка - гидроциклоны опытно-экспериментального завода Дзержинского филиала Ленниихиммаш (табл. 6).

Таблица 5

Наименование узлов и деталей, технологические параметры

Размеры основных узлов и деталей

ГЦ-150К*

ГЦ-250К*

ГЦ-360К*

ГЦ-500К*

Внутренний диаметр цилиндрической части Dhc, мм

150

250

350

500

Сечение вкладыша питающего патрубка на входе в гидроциклон b´h мм

15´45

30´65

40´40

55´140

Диаметр патрубка питающего den, мм

50

80

100

150

Насадок сливной dвx, мм

40

65

90

130

Патрубок сливной dсx, мм

65

100

100

150

Патрубок шламовый dшл, мм

12; 17; 24

17; 24; 34

24; 44; 48

31; 48; 75

Угол конусности конической части  град

20

20

20

20

Масса гидроциклона, кг

94

209

344

605

Объемная производительность Qеn, м3/4, при Pen = 0,03-0,25, МПа

12-35

30-85

55-160

98-281

Граничная крупность разделения , мкм

28-95

37-135

44-160

52-240

_______________

* ГЦ - сокращенное название гидроциклона; цифры - внутренний диаметр цилиндрической части, мм; буква К - внутренняя поверхность стенок аппарата футерована каменным литьем.


Таблица 6

Наименование узлов и деталей. Технические параметры

Размеры основных узлов и деталей

Тип гидроциклонов*

ГН-25

ГН-40

ГН-60

ГН-80

ГНС-100

ГНС-125

ГНС-160

ГНС-200

ГНС-250

ГНС-320

ГНС-400

ГНС-500

Диаметр:

25

40

60

80

100

125

160

200

250

320

400

500

цилиндрической части Dhc, мм

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

питающего патрубка den, мм

4, 6, 8

6, 8, 12

8, 12, 16

10, 12, 16, 20

12, 16, 20, 25

16, 25, 32, 40

20, 25, 32, 40, 50

25, 32, 40, 50, 60

32, 40, 50, 60, 80

40, 50, 60, 80, 100

50, 60, 60, 100, 125

60, 80, 100, 125, 160

сливного патрубка deх, мм

5, 8, 12

8, 12, 16

12, 16, 20

16, 20, 32

20, 32, 40

25, 32, 40, 50

32, 40, 50, 60

40, 50, 60, 80

50, 60, 80, 100

60, 80, 100, 125

80, 100, 125, 160

100, 125, 160, 200

шламового патрубка dшл, мм

3, 4, 5

4, 5, 6

5, 6, 8

6, 8, 10, 12

8, 10, 12, 16

8, 10, 12, 16

10, 12, 16, 20, 25

12, 16, 20, 25

16, 20, 25, 32, 40

16, 20, 25, 32, 40, 50

20, 25, 32, 40, 50

25, 32, 40, 50, 60

Угол конусности конической части , град

5, 10, 15

5, 10, 15

5, 10, 15, 20

5, 10, 15, 20

10, 15, 20

10, 15, 20

10, 15, 20

10, 15, 20, 30

10, 15, 20, 30

10, 15, 20, 30

15, 20, 30, 45

15, 20, 30, 45

Высота цилиндрической части Нц, мм

25, 50, 75, 100

40, 80, 60, 120, 160

60, 120, 180, 240

80, 160, 240, 320

100, 200, 300, 400

125, 250, 375

160, 320, 480

200, 400, 600

250, 500, 750

320, 500, 750

400, 500, 800

500, 750, 1000

Глубина погружения сливного патрубка Нк, мм

10, 16, 25

16, 25, 32

25, 32, 40

32, 40, 64

40, 64, 80

50, 64, 80, 100

64, 80, 100, 120

80, 100, 120, 160

120, 160, 200

120, 160, 200, 250

160, 200, 250, 320

200, 250, 320, 400

Объемная производительность Qеn при Реn = 0,1 МПа

0,3-1,1

0,6-2,2

1,1-3,7

1,8-6,4

2,7-10,1

4,4-21,1

6,7-31,8

10,2-47,4

16,3-78,7

24,05-117,3

37,67- 180,3

54,6-282

Граничная крупность разделения гр, мкм

2,3-64

2,3-84,9

3,4- 92,9

4,3-103,0

6,1-150

6,6-311

8,9-330,8

10,5-342

12,5-413,3

15,3-685,5

17,5-745,0

20,5-884

___________

* ГН - гидроциклон напорный с монолитными элементами, ГНС - со сборными элементами рабочей камеры.


1.26. Гидроциклоны малых диаметров объединяются в батареи и блоки(мультициклоны), что позволяет при обеспечении требуемого эффекта очистки и производительности добиться максимальной компактности установки.

Батарейные гидроциклоны имеют единую систему питания, а также системы сбора верхнего и нижнего продуктов разделения. Батарейный гидроциклон, состоящий из 12 аппаратов Dhc = 75 мм, имеющий производительность 60-70 м3/ч, изготавливает опытно-экспериментальный завод Ленниихиммаш. Материал - нержавеющая сталь.

Аппарат рекомендуется к применению в технологических процессах очистки производственных сточных вод литейных, стекольных и керамических производств и т.д. Опытно-экспериментальный завод Дзержинского филиала Ленниихиммаш изготавливает батарейные гидроциклоны, включающие шесть единичных гидроциклонов Dhc = 125 мм (den = 25 мм; dвх = 35 мм; dшл = 12 мм;  = 10°). С целью сокращения расхода шлама и повышения надежности работы батареи, единичные гидроциклоны снабжаются автопульсирующими шламовыми патрубками.

Производительность батарейного гидроциклона при давлении питания 0,4 МПа-120 м3/ч. Материал - нержавеющая сталь.

Центральным научно-исследовательским институтом крахмало-паточной промышленности (ЦНИИКПП) разработаны конструкции мультигидроциклонов марки ГБ-2, ГБ-3, ГБ-6, ГБ-7, ГП-8, (табл. 7). Серийное производство аппаратов осуществляет Кореневский опытный завод ЦНИИКПП.

Единичные аппараты изготовляют из пластмасс. Основные геометрические размеры и технологические параметры мультигидроциклонов приведены в табл. 7. Назначение аппаратов; разделение суспензии картофеле- и кукурузокрахмального производства. В технологии очистки сточных вод мультигидроциклонов ЦНИИКПП рекомендуется применять для механической очистки промышленных стоков, содержащих минеральные частицы размером  = 200 мкм и плотностью  = 2,7 г/см3.

Таблица 7

Наименование узлов и деталей, технологические параметры

Тип мультигидроциклонов

ГБ-2*

ГБ-3*

ГБ-6**

ГБ-7**

ГБ-8**

1

2

3

4

5

6

Единичный гидроциклон:

 

 

 

 

 

диаметр цилиндрической части Dhc, мм

20

20

20

20

20

размер питающего патрубка dcn, мм

2´5

2´5

2´5

2´5

2´5

диаметр сливного патрубка dвх, мм

6

6

6

6

6

диаметр шламового патрубки dшл, мм

3

3

3

3

3

Угол конической части , град

10

10

10

10

10

Число гидроциклонов в выпускаемых, шт

29

48

16

24

48

Давление питания мультигидроциклонов Реn. МПа

0,4-0,5

0,4-0,5

0,4-0,5

0,4-0,5

0,4-0,5

Объемная производительность блока Qвn, м3

15,0

25,0

8,0

15,0

25,0

Габариты блока мультигидроциклонов, мм:

 

 

 

 

 

высота

1017

1147

1243

1336

1410

ширина

475

475

374

440

477

длина

475

475

400

400

400

Масса блока мультигидроциклонов. кг

250

290

60

96

133

_______________

* Мультигидроциклоны первого выпуска.

** Модернизированная конструкция мультигидроциклонов.

Рис. 12. Кинетика отстаивания сточных вод фасонно-формовочного цеха (Со = 300 мг/л; h = 200 мм)

1.27. Для проектирования гидроциклонных установок должны быть заданы те же данные о характеристике сточных вод и механических загрязнений, что и при проектировании других методов механической очистки.

1.28. По кривой кинетики отстаивания (рис. 12) по заданному эффекту очистки определяется охватывающая гидравлическая крупность Uо, мм/с:

U0 = h/t,                                                                                                         (29)

затем из точки на оси ординат, соответствующей требуемому эффекту очистки, проводится касательная к кривой Э = f(t), из точки касания опускается перпендикулярна ось абсцисс и по найденному времени tгр определяется граничная гидравлическая крупность Uгр задерживаемых частиц, мм/с;

Uгр = h/trц,                                                                                                     (30)

по которой по формуле Стокса рассчитывается граничный диаметр задерживаемых при заданном эффекте частиц

.                                                                              (31)

1.29. После определения граничной крупности частиц, которые требуется выделить по табл. 5 - 7, подбирается диаметр гидроциклона, в котором эти частицы могут быть выделены, назначаются размеры его основных узлов dвn, dвх, dшл, НцНк (см. рис. 10) и назначается давление Рвп,, под которым исходная вода будет подаваться на гидроциклоны. Затем исходя из заданных размеров гидроциклона рассчитывается граничная крупность разделения, мкм:

.                                   (32)

1.30. В случае если рассчитанная крупность гр будет больше крупности, которая соответствует требуемому эффекту очистки, определенной по формуле (32), то подбор гидроциклона необходимо повторить, изменяя его конструктивные размеры и давление на входе. На основании формулы (32) в ГИСИ им. В.В. Куйбышева составлена номограмма, упрощающая определение гр.

1.31. После уточнения всех геометрических размеров гидроциклона определяется его производительность. Для гидроциклонов, работающих без противодавления, расчет производительности следует производить по формуле (42) СНиП 2.04.03-85. Для получения более точных расчетов рекомендуется следующая формула л/с:

.                                       (33)

После определения производительности одного аппарата, исходя из общего количества сточных вод, определяют число рабочих гидроциклонов, назначают общее количество аппаратов и приступают к проектированию гидроциклонной установки в соответствии со СНиП 2.04.03-85.

1.32. Потери воды с выделенным осадком, удаляемым через шламовую насадку dшл, л/с, определяются по уравнению

                                                                 (34)

1.33. Для примерного расчета потерь воды с выделяемым осадком следует принимать для гидроциклонов диаметром меньше 100 мм - 0,07-0,08 Qen, более 100 мм - 0,04-0,03 Qen.

Примеры расчета гидроциклонов

Пример 7. Требуется рассчитать открытий гидроциклон для очистки сточных вод, образующихся при мойке грузовых автомобилей. Расход сточных вод составляет 50 м/ч. Гидроциклон применен на первой ступени очистки и должен задерживать частицы гидравлической крупностью 0,3 мм/с.

Для расчета принимаем открытый гидроциклон с конической диафрагмой и внутренним цилиндром (см. рис. 7, в).

По формуле (38) СНиП 2.04.03-85 рассчитываем удельную гидравлическую нагрузку на гидроциклона

qhc = 3,6.1,98.0,3 = 2,l4 м3/(м2.ч).

Определяем общую площадь зеркала воды в гидроциклонах

Fhc = 50/2,14 = 23,4 м2.

Задавшись диаметром гидроциклона Dhc = 3 м, рассчитываем их количество N, шт.:

N = 23,4/32.0,785 = 3,3

Принимаем 3 гидроциклона диаметром Dhc = 3 м.

По табл. 4 рассчитываем все конструктивные размеры гидроциклона с конической диафрагмой и внутренним цилиндром (графа 5): высота цилиндрической части, Hhc: = 3 м; диаметр впускного патрубка den = 150 мм; количество патрубков n = 2; угол конической части  = 60°; угол конуса диафрагм  = 90°; диаметр центрального отверстия в диафрагме dd = 1,5 м; диаметр внутреннего цилиндра D1 = 2,64 м; высота внутреннего цилиндра H1 = 3 м; высота водосливной стенки H2 = 0,6 м; диаметр водосливной стенки D2 = 3,2 м; диаметр водопогруженного щита D3 = 3 м.

Выбираем материал для изготовления гидроциклона.

При решении о применении железобетона для выполнения корпуса аппарата в проекте обязательно должно быть оговорено непременное применение опалубки, позволяющей получить гладкую внутреннюю поверхность в аппарате.

Далее с учетом п. 6.89 СНиП 2.04.03-85 приступают к проектированию схемы гидроциклонной установки.

Пример 8. Требуется запроектировать установку с многоярусными гидроциклонами для очистки сточных вод цеха среднесортного проката. Расход сточных вод 1500 м3/ч. Расход воды практически постоянен в течение суток. Температура воды Tw в течение года изменяется в пределах 15-30 °С. Концентрация взвесей в исходной воде составляет 250 мг/л, масла 60 мг/л.

В очищенной воде содержание тяжелых примесей не должно превышать 60 мг/л, масел 25 мг/л. По данным анализа кривых кинетик отстаивания сточных вод при температуре 20 °С в слое h = 200 мм, требуемая степень очистки обеспечивается при задержании частиц тяжелых примесей крупностью 0,3 мм/с и 0,5 мм/с - легче воды, поэтому за расчетную принимается 0,3 мм/с.

Принимаем многоярусный гидроциклон с центральными выпусками (см. рис. 8).

Расчет производится в следующем порядке.

Задаемся диаметром гидроциклона Dhc = 5 м.

По формулам (38). (39) СНиП 2.04.03-85 рассчитываем удельную гидравлическую нагрузку, приходящуюся на один ярус гидроциклона:

.

Зная диаметр аппарата (Dhc = 5 м), определим расход воды, который может подаваться на один ярус:

q¢hc = 0,785.52.0,7 = 13,73 м3/ч.

Определяем количество ярусов

nti = 1200/13,73 = 87,4 88 шт.

Задавшись количеством ярусов в гидроциклоне n = 15 шт., определяем количество рабочих аппаратов

N = 88/15  6 шт.

По табл. 4 назначаем основные размеры аппарата.

Пример 9. Требуется запроектировать установку с многоярусными гидроциклонами для очистки сточных вод от вагранок литейного цеха.

Расход сточных вод 680 м3/ч. Расход воды практически постоянен в течение суток. Температура воды в течение года изменяется в пределах 22-60 °С. За расчетную принимаем 30 °С. Концентрация взвесей в исходной воде составляет 800-1200 мг/л. В очищенной воде содержание тяжелых примесей не должно превышать 150 мг/л.

По данным анализа кривых кинетик отстаивания сточных вод при температуре 20°С, в слое h = 200 мм требуемая степень очистки обеспечивается при задержании частиц крупностью 0,2 мм/с.

В качестве очистного сооружения принимаем многоярусный гидроциклон с периферийным отбором очищенной воды (см. рис. 9). Расчет производится в следующем порядке.

Задаемся следующими параметрами гидроциклона: диаметр гидроциклона Dhc = 5 м; диаметр центрального отверстия верхней диафрагмы прямоточного яруса dd = 1 м; высота ярусов hti = 0,12 м.

По формулам (38), (40) СНиП 2.04.03-85 рассчитываем удельную гидравлическую нагрузку, приходящуюся на один ярус гидроциклона, b - ширина периферийной щели для отвода очищенной воды, назначаем b = 0,1 м; Kset - коэффициент использования объема яруса, так как гидравлическая нагрузка на ярус обещает быть небольшой, принимаем Kset = 0,4.

Если температуру оборотной воды принимаем равной 30 °С, тогда гидравлическая крупность по зависимости (31) СНиП 2.04.03-85 при этой температуре составит

 = 0,2×1/0,8 = 0,25 мм/с;

.

Зная диаметр аппарата (Dhc = 5 м), определим расход воды, который может подаваться на один ярус

.

Определим количество ярусов

пti = 680/13,33 = 51 шт.

Задавшись количеством пар ярусов в гидроциклоне n1 = 15шт., определим количество аппаратов

N = 51/15 = 3,4  4 шт.

По табл. 4 (графа 7) назначаем все остальные размеры многоярусного гидроциклона:

высоту цилиндрической части определяем исходя из количества ярусов Нц = 2 htinti+400 = 4000 мм; количество впусков nвп = 3; угол конической части,  = 60°; угол конуса диафрагм,  = 50°; диаметр центрального отверстия, dd = l м; высоту ярусов принимаем hii = 0,12 м; зазор между корпусом и диафрагмой  = 0,1 м; скорость потока на входе  = 0,3 м/с; размер впускной щели: высота 0,12 м; ширина 13,3.1000/0,3.3600 = 12 мм; высота водосливной стенки Н2 = 0,5м.

Пример 10. Требуется запроектировать очистные сооружения фасонно-формовочного цеха, сточные воды которого в основном представлены пылевидными частицами песка, глины, шлака, формовочной земли и т.д. Расход сточных вод в среднем составляет 120 м3/ч. Концентрация взвешенных веществ изменяется в пределах 1500-3000 мг/л. Кривая кинетики отстаивания приведена на рис. 12. По требованиям производств эту воду необходимо очистить до 10 мг/л, т.е. 99,7 %. Подобные жесткие требования диктуются условиями предохранения плунжерных насосов от образивного износа. Этими насосами очищенная сточная вода будет подаваться в технологический процесс. Температура воды 20 °С; pН = 6-7. Удельный вес механических загрязнений в среднем равен: г = 2,6 г/см3.

Расход воды следует считать постоянным в течение суток.

Для достижения столь грубой степени очистки принимаем двухступенную схему очистки, по которой на период ступени применены напорные гидроциклоны, в которых обеспечивается удаление основной массы механических загрязнений (Э = 80 %), на второй ступени - отстаивание с применением реагентов. В данном примере рассматривается лишь расчет напорных гидроциклонов.

По кривой кинетики отстаивания (см. рис. 12) по заданному эффекту Э = 80 % определяем охватывающую гидравлическую крупность U0 = 200/l0,60 = 0,33 мм/с.

Затем из точки на оси ординат, соответствующей заданному эффекту очистки (80 %), проводим касательную к кривой. Из точки касания опускаем перпендикуляр на ось абсцисс и по найденному времени tгр = 16,5 мин рассчитываем граничную гидравлическую крупность

Uгр = 200/(16,5.60) = 0,2 мм/с.

Затем по формуле (31) рассчитываем граничный диаметр гр, мкм, задерживаемых частиц

.

После определения граничной крупности по табл. 6 подбираем гидроциклон, который может выделить частицы этой крупности Dhc = 80 мм и по этой же таблице в соответствии с рекомендуемыми соотношениями СНиП 2.04.03-85 назначаем размеры основных рабочих узлов den = 80.0,25 = 20 мм; dвх = 20/0,6 = 32 мм; dшл = 10; Нц = 4Dhc = 4.80 = 320 мм;  = 10°;

Hk = Dhc/(2 tg /2) = 457 мм.

Давление питания принимаем Pвn = 0,3 МПа.

По формуле (32) определяем гр

.

Вследствие того, что полученное значение гр = 27 мкм меньше значения гр = 47,5 мкм, которое требуется обеспечить, ожидается, что подобранный гидроциклон обеспечит эффект очистки несколько выше задаваемого.

В случае, если определенная гр была бы больше заданного, потребовалось бы подбор повторить, задаваясь другими размерами гидроциклона.

Далее по формуле (33) определяем производительность одного аппарата

Qen = 1,03×0,80,053×21,28×3,20,405×1,60,143×3,20,015×100,025×0,30,443 = 3,7 л/с = 13,3 м3/ч.

Исходя из общего количества сточных вод для их очистки потребуется гидроциклонов

N = 120/13,4 = 8,9  9 шт.

В соответствии с п. 6.91 СНиП 2.04.03-85 установка должна включить 9 рабочих аппаратов и 1 (один) резервный. После определения количества гидроциклонов определяем расход воды, удаляемой со шламом, на который нужно рассчитывать уплотнитель осадка

qшл = 0,07 (13,4.9) = 8,4 м3/ч.

2. СООРУЖЕНИЯ ДЛЯ БИОЛОГИЧЕСКОЙ ОЧИСТКИ СТОЧНЫХ ВОД

Аэротенки

2.1. В соответствии с СНиП 2.04.03-85 технологические параметры аэротенков определяются расчетом по зависимостям (48)-(67). Hа очистных станциях производительностью более 30000 м3/сут аэротенки, как правило, устраиваются в виде железобетонных резервуаров глубиной 4-5 м, шириной коридоров 6-9 или 12 м. Количество коридоров и их длин зависят от типа аэротенка и компоновки очистных сооружений.

Аэротенки - смесители без регенераторов

2.2. Сооружения этого типа целесообразно применять для очистки производственных сточных вод при относительно небольших колебаниях их состава и присутствии в воде преимущественно растворенных органических веществ, например на второй ступени биологической очистки сточных вод и системы канализации нефтеперерабатывающих заводов.

Пример. Исходные данные: расчетный расход сточных вод в смеси с городскими 1250 м3/ч; БПКдолн воды (после аэротенков I ступени) и смешения с городскими в соотношении 1:1 (Len) = 150 мг/л; БПКдолн очищенной воды (Lex.) = 15 мг/л.

Значения констант принимаются из уравнения (40) СНиП 2.04.03-85:  = 59 мг БПКдолн/(г-ч); Kl = 24 мг/л; K0 = 1,66 мг/л;  = 0,158 л/г.

Доза ила и концентрация растворенного кислорода должны определяться по технико-экономическим расчетам. В данном случае практически установлены ai = 2 г/л; С0 = 2 мг/л. Величина , рассчитанная по уравнению (49) СНиП 2.04.03-85, составит

 

мг БПКполн×ч).

Период аэрации определяется по уравнению (48) СНиП 2.04.03-85

;

.

Объем аэротенков

Wat = qWtatm = 1250.7,4 = 9250 м3

Степень рециркуляции определяется по формуле (52) СНиП 2.04.03-85. В первом приближении принимать Ii = 100 см3/r, который потом уточняется по табл. 41 СНиП 2.04.03-85, исходя из нагрузки на ил.

Аэротенки-смесители с генераторами

2.3. Эти сооружения применяются для очистки производственных сточных вод со значительными колебаниями состава и расхода стоков и присутствии в них эмульгированных и биологически трудноокисляемых компонентов, например, при очистке сточных вод 1 ступени второй системы канализации ППЗ.

Пример расчета.

Исходные данные: расчетный расход (с учетом неравномерности поступления) qW = 625 м3/ч; Len = 300 мг/л; Lвх = 100 мг/л.

Значения констант уравнения (49) приведены в табл. 40 СНиП 2.04.03-85:  = 59 мг БПКполн/(г-ч); Kl = 24 мг/л; K0 = 1,66 мг/л;  = 0,158 л/г.

По данным технико-экономического расчета или опыту эксплуатации принимаются величины средней дозы ила aimix = 3,5 г/л и концентрации растворенного кислорода Сo = 2мг/л.

Для расчета аэротенков, предназначенных для очистки производственных сточных вод, степень регенерации Rr задается по данным исследований или по опыту эксплуатации.

В данном случае степень регенерации принимается Rr = 0,3 (объем, занятый регенератором, составляет 30 %), иловой индекс Ii = 100 см3/г.

По формуле (52) СНиП 2.04.03-85 определяется коэффициент рециркуляции

.

Средняя скорость окисления  в системе аэротенка с регенератором aimix = 3,5 г/л определяется по формуле (49) СНиП 2.04.03-85, а значения констант по табл. 40 СНиП 2.04.03-85

 = 18,3 мг БПКполн/(г×ч).

Общий период окисления при  = 18,3 рассчитываем по формуле (48) СНиП 2.04.03-85

ч.

Общий объем аэротенка и регенератора

Watm + Wг = qWtatm = 625 4,46 = 2788 м2.

Общий объем аэротенка определяется по формуле

Watm = (Watm+Wr)/(1+) =

 = 1952 м3.

Объем регенератора Wr = 2788-1952 = 836 м3.

С учетом величины периода аэрации следует уточнить нагрузку на ил, а затем значения илового индекса. По формуле (53) СНиП 2.04.03-85 определим значения qi

qi = 439 мг/г×сут.

По табл. 41 СНиП 2.04.03-85 при этом значении qi для сточных вод НПЗ Ii = 74 cм3/г, что отличается от ранее принятого Ii = 100 cм3/г.

С учетом проектирования значения Ii по формуле (52) СНиП 2.04.03-85 уточняется величина коэффициента рециркуляции

Ri =  = 0,35.

Для расчета вторичного отстойника уточняется доза ила в аэротенке по следующей формуле:

.                                                                         (35)

Подставляя численные значения в формулу (35), получим

 = = 2,45 г/л.

Гидравлическая нагрузка на вторичный отстойник определяется по формуле (67) СНиП 2.04.03-85 с учетом допустимого выноса ила из отстойника после I ступени биологической очистки  = 30 мг/л. Принимается радиальный отстойник с коэффициентом использования объема Кss = 0,4, для которого при глубине зоны отстаивания 3 м гидравлическая нагрузка будет равна:

Аэротенки-вытеснители с регенераторами

2.4. Сооружения этого типа применяются для очистки городских сточных вод и близких к ним по составу промышленных при незначительных колебаниях в составе и расходе.

Пример расчета.

Исходные данные: расчетный часовой расход сточных вод qW = 4200 м3/ч; величина БПКполн исходной воды Len = 250 мг/л; требуемая величина БПКполн очищенных вод Lвх = 15 мг/л допустимый вынос ила из вторичных отстойников  = 10 мг/л

В начале по формуле (52) СНиП 2.04.03-85 определятся степень рециркуляции Ri, причем, в первом приближении принимается величина Ji = 100 см3/г. Доза ила в аэротенке определяется оптимизационным расчетом с учетом работы вторичных отстойников, ориентировочно  = 3 мг/л.

Ri = = 0,43.

Величина БПКполн воды, поступающей в начало аэротенка-вытеснителя Lmix, определяется по формуле (51) СНиП 2.04.03-85 с учетом разбавления циркуляционным илом

 мг/л.

Период пребывания сточных вод в аэротенке рассчитывается no формуле

 ч.

Доза ила в регенераторе определяется зависимостью (55) СНиП 2.04.03-85. В первом приближении

 г/л.

Удельная скорость окисления  рассчитывается по формуле (49), где величины констант и коэффициентов следует брать из табл. 40 СНиП 2.04.03-85. Для городских сточных вод  = 85 мг БПКдолн/(г×ч); Ki = 33 мг/л; K0 = 0,626 мг/л;  = 0,07 л/г; s = 0,3.

Концентрация кислорода и доза ила определяется оптимизационным расчетом. Для регенератора принимается в данном случае Сo = 2 мг/л, ar = 6,49 г/л,

 = 16,6 мг БПКполн/(г.ч).

Продолжительность окисления загрязнений рассчитывается по формуле (54) СНиП 2.04.03-85

 ч.

Продолжительность регенерации ила по формуле (57) СНиП 2.04.03-85

tr = to-tat = 7,29 - 1,55 = 5,74 ч.

Продолжительность пребывания в системе аэротенк-регенератор рассчитывается по формуле

t = (1+Ri)tato+Ritr                                                                                          (36)

Подставив численные значения, получим t = (1+0,43)1,55 + 0,43×5,74 = 4,68 ч.

Объем аэротенка определяется по формуле (58) СНиП 2.04.03-85

Wat = tato(1+Ri)qW = 1,55 (1+0,43) 4200 = 9309 м3

Объем регенератора - по формуле (59) СНиП 2.04.03-85

Wr = tr Riqw = 5,74×0,43×4200 = 10366 м3.

Для уточнения илового индекса определяется средняя доза ила в системе аэротенк-регенератор по формуле

                                                                                                                                           (37)

Подставив численные значения, получим

aimix = [(1+0,43) 1,55×3 + 0,43×5,74×6,49]/4,68 = 5,45 г/л.

По формуле (53) СНиП 2.04.03-85 определяется нагрузка на ил qi, где доза ила принимается равной величине aimix, а период аэрации равен продолжительности пребывания в системе аэротенк - регенератор t:

 мг×БПКполн/(г×сут).

По табл. 41 СНиП 2.04.03-85 для ила городских сточных вод при qi = 355 мг /(г×сут), Ji = 76 см3/г. Эта величина отличается от принятой ранее Ji- = 100 cм3/г.

По формуле (52) СНиП 2.04.03-85 с учетом скорректированной величины Ji = 76 см3/г уточняется степень рециркуляции

Ri = 3/ = 0,29.

Принимается Ri = 0,3. Эта величина существенно отличается от рассчитанной в первом приближении, поэтому нуждается в уточнении величины Lmix и tai. По формуле (51) СНиП 2.04.03-85

Lmix =  мг/л.

По формуле (56) СНиП 2.04.03-85

ч.

По формуле (55) СНиП 2.04.03-85

 г/л.

По формуле (49) СНиП 2.04.03-85

 = 15,47 мг×БПКполн/(г×ч).

По формуле (54) СНиП 2.04.03-85

to = 9,04 ч.

По формуле (57) СНиП 2.04.03-85

tr = 9,04- 1,6 = 7,44 ч.

Продолжительность пребывания в системе аэротенк-регенератор по формуле (36)

t = (1 + 0,3) 1,6 + 0,3×7,44 = 4,31 ч.

Объем аэротенка по формуле (58) СНиП 2.04.03-85

Wat = 1,6(1+0,3)4200 = 8790 м2.

Объем регенератора по формуле (57) СНиП 2.04.03-85

Wr = 7,44×0,3×4200 = 9374 м3.

Далее необходима проверка величины aimix по формуле (37)

aimix = [(1+0,3)1,6×3 + 7,44×0,3×8]/4,31 = 4,79 г/л,

с учетом которой нагрузка на ил будет равна:

qi = 390 мг/г×сут;

величина Ji по табл. 41 СНиП 2.04.03-85 равна 79 cм3/г, что не существенно отличается от ранее определенного значения этой величины, и дальнейшей корректировки расчетов не требуется.

Вторичные отстойники для аэротенков-вытеснителей с регенераторами рассчитываются по формуле (67) СНиП 2.04.03-85, в котором значения аi и аt соответствуют первоначально заданным величинам, значение Ji принимается на основе последних корректировок, в данном случае для радиальных отстойников при Kss = 0,4 и Hset = 3 м

qssa = 1,43 м32.ч.

Аэротенки-вытеснители без регенераторов

2.5. Сооружения этого типа рекомендуется применять для очистки городских и близких к ним по составу производственных сточных вод с БПКполн не более 150 мг/л, либо на второй ступени биологической очистки.

Пример расчета.

Исходные данные: расчетный расход сточных вод qW = 4200 м3/ч, для городских сточных вод БПКполн исходной воды Len = 150 мг/л; БПКполн очищенных вод Lех = 15 мг/л; вынос ила из вторичных отстойников  = 15 мг/л.

В начале определяется степень рециркуляции Ri, в которой величина илового индекса в первом приближении принимается Ji = 100 см3/г доза ила в аэротенке -  устанавливается в результате технико-экономических расчетов. Ориентировочно  = 3 мг/л. По формуле (52) СНиП 2.04.03-85

Ri = 0,25.

Для обеспечения нормального удаления ила из вторичных отстойников с илососами следует принимать Ri = 0,3.

БПКполн воды, поступающей в начало аэротенка-вытеснителя Lmix с учетом разбавления циркуляционным илом рассчитывается по формуле (51) СНиП 2.04.03-85

Lmix = 119 мг/л.

Период аэрации определяется по уравнению (50) СНиП 2.04.03-85, в котором значения констант и коэффициентов для рассматриваемого примера по табл. 40 СНиП 2.04.03-85 имеют следующие значения:  = 85 мг/(г×ч), Ki = 33 мг/л; KO = 0,626 мг/л;  = 0,07л/г; s = 0,3. При Leх = 15 мг/л коэффициент Kp = 1,5. Концентрация кислорода определяется технико-экономическими расчетами с учетом типа аэраторов. Приближенно Со = 2 мг/л.

Объем аэротенка и вытеснителя с учетом рециркуляционного расхода определяется по зависимости (58) СНиП 2.04.03-85.

Wat = tatv(1+Ri)qW = 2,96(1+0,3)4200 = 16162 м3.

Для расчета вторичного отстойника следует уточнить величину илового индекса по нагрузке на ил, которая рассчитывается по формуле (53) СНиП 2.04.03-85, где для аэротенка-вытеснителя без регенерации исходная величина БПК равна Lmix:

qi = 421 мг /(г.сут).

По табл. 41 СНиП 2.04.03-85 при qi = 421 мг /(г.сут) Ji = 83 см3/г.

При новом значении илового индекса степень рециркуляции уточняется по формуле (52) СНиП 2.04.03-85

Ri = 2/ = 0,199.

но для обеспечения нормального удаления ила следует принять Ri = 0,3, и, следовательно, дальнейший расчет в корректировке не нуждается.

Гидравлическая нагрузка qssa на вторичный отстойник определяется no формуле (67) СНиП 2.04.03-85, в котором величина илового индекса принимается после последней корректировки Ji = 83 см3/г. Для радиальных отстойников с Kss = 0,4; Hset = 3 м;

qssa = 1,45 м3/(м2.ч).

Системы аэрации

2.6. Аэраторы должны обеспечивать заданный кислородный режим и необходимую интенсивность перемешивания в аэротенках.

2.7. Пневматические аэраторы рассчитываются по зависимостям, приведенным в п. 6.157 СНиП 2.04.03-85. В конструкции мелкопузырчатых аэраторов могут применяться фильтросные пластины и трубы, синтетические ткани, пористые пластины и т.п.

При использовании пористых материалов удельный расход воздуха на единицу рабочей поверхности аэраторов Ja,d зависит от индивидуальных свойств этих материалов и назначается в пределах Ja,d = 30-100 м3/(м2.ч); для фильтросных пластин - Ja,d = 60-80 м3/(м2.ч), для фильтросных труб Ja,d = 70 - 100 м3/(м2.ч), считая на площадь горизонтальной проекции трубы, для синтетических тканей (арт. 56007, арт. 56026) Ja,d = 50 - 80 м3/(м2.ч). Потери напора в фильтросных материалах и тканях следует принимать 0,7-1 м. Скорость выхода воздуха из отверстий дырчатых труб - 50 м/с.

При использовании аэраторов из синтетических тканей или пористых пластмасс целесообразны конструкции в виде решеток шириной до 2 м, что позволяет увеличить площадь полосы аэрации (отношение faz/fat = 0,2-0,3), повысить эффективность использования и снизить удельный расход воздуха.

2.8. В аэротенках-смесителях пневматические аэраторы располагаются вдоль одной стены коридора равномерно по всей их длине. Количество фильтросных пластин или труб определяется с учетом необходимости интенсивности аэрации и рекомендуемых значений Ja,d. В регенераторах аэраторы размещаются неравномерно по длине: в первой половине в 2 раза больше, чем во второй.

2.9. В аэротенках-вытеснителях аэраторы располагаются неравномерно в соответствии со снижением концентрации загрязнений и скоростей биохимического окисления.

Пример расчета.

Исходные данные: вид сточных вод (например, городские); расход сточных вод qW = 4200 м3/ч; солесодержание воды Сs = 3 г/л; БПКполн исходной и очищенной воды Len и Lвх - 150 в 15 мг/л, расчетная температура воды ТW 20 °С.

Удельный расход воздуха qаir, осуществляется по формуле (61) СНиП 2.04.03-85 для условий полной биологической очистки. В рассматриваемом примере удельный расход кислорода q0 = 1,1 и средняя концентрация кислорода в аэротенке С0 = 2 мг/л.

По данным расчета объем аэротенка Watv = 16162 м3. Приняв по конструктивным соображениям длину коридора l = 60 м и рабочую глубину Hat = 4 м, общая ширина аэротенка будет равна:

.

Приняв ширину одного коридора b = 6 м, число коридоров будет равно:

nk = Bat/b = = 11,17.

Следует принять nk = 12 и соответственно изменить и длину коридора l

Bat = nk b = 12.6 = 72 м; l = Watv/Hat Bat = =56 м.

В зависимости от температуры воды, ее солесодержания и глубины погружения аэратора растворимость кислорода определяется зависимостью

,                                            (38)

где ha = hai- hay; при h = 0,3 м; hа = 4-0,3 = 3,7 м; TW = 20 °С; Cs = 3 г/л;

= 8,72 мг/л.

Приняв в первом приближении faz/fat = 0,1; по табл. 42 СНиП 2.04.03-85 К1 = 1,47 для аэратора из фильтросных труб при ha = 4 м, по табл. 43 СНиП 2.04.03-85 К2 = 2,52. При 20 °С коэффициент КT = 1.

Для городских сточных вод коэффициент K3 = 0,85. Приведем значения коэффициентов K3 для некоторых видов производственных сточных вод

Источники сточных вод

K3

Целлюлозно-бумажные комбинаты …………

0,7-0,8

Молочные заводы …………………………….

0,8

Производства крафт-бумаги ………………….

0,7

Деревообрабатывающие

 

производства ………………………………….

0,68

Бумажные фабрики ……………………………

0,85

Картонажные фабрики ………………………..

0,53-0,64

Фармацевтические заводы ……………………

0,8-1,6

Заводы синтетического волокна …………….

1-1,8

Для определения интенсивности аэрации по длине аэротенка-вытеснителя строится график изменения БПКполн во времени (рис. 13). Периоды аэрации для заданных промежуточных значений Lex определяются расчетом по формуле (50) СНиП 2.04.03-85. Данные расчетов для условий рассматриваемого примера приведены в табл. 8.

Рис. 13. Зависимость Lex от продолжительности пребывания в аэротенках-вытеснителях

Таблица 8

Lmix мг/л

119

119

119

119

119

Lex, мг/л

100

75

50

25

15

taiv. ч

0,44

1,06

1,73

2,53

2,96

На графике (см. рис. 13) интервал времени, соответствующий продолжительности аэрации, при которой достигается Lex = 15 мг/л, делится на равные части (по принятому числу ячеек аэротенка-вытеснителя), например на 6 частей. Для периодов аэрации в каждой ячейке с помощью полученной кривой (см. рис. 13) определяются значения БПКполн на входе и выходе из ячеек. Эти данные приведены в табл. 9.

Таблица 9

Показатель

Номер ячейки

Примечания

I

II

III

IV

V

VI

Lеn, мг/л

119

95

75

56

40

25

По рис. 13

Lex, мг/л

95

75и

56

40

25

14

то же

qо, мг/мг

Lеn- Lеx

0,9

0,9

0,9

0,9

1,0

1,1

-

qair, ì3/м3

1,02

0,85

0,81

0,68

0,71

0,47

-

Ja,м3/(м2ч)

6,38

5,32

5,06

4,25

4,43

2,95

-

Q¢air, ì3/ч

4284

3570

3402

2856

2982

1974

-

nd, ед.

1,82/2

1,52/2

1,44/2

1,21/1

1,27/1

0,84/1

-

Примечание. Под чертой указано принятое число рядов фильтросных труб.

На основе данных табл. 9 по формуле (39) определяется интенсивность аэрации в каждой ячейке

,                                                                                            (39)

где q¢air - удельный расход воздуха для каждой ячейки определяется по формуле (61) СНиП 2.04.03-85.

Для рассматриваемого примера количество ячеек принято nja = 6, общая продолжительность аэрации в сооружении по табл. 8 taiv = 2,96 ч.

Количество рядов пневматических аэраторов (например, фильтросных труб) определяется по формуле

                                                                                                    (40)

В рассматриваемом примере ширина коридора аэротенки принята b = 6 м, удельный расход воздуха на аэратор для фильтросных труб Jad = 70 м3/(м2ч), площадь одного ряда аэратора на 1 м фильтросных труб dy, = 300 мм; f¢d = 0,3 м2/м. Расход воздуха Q¢air, м3/ч, в каждой ячейке определяется по формуле

.                                                                                                 (41)

Общий расход воздуха на аэротенк Qair, равен сумме всех Q¢air.

Для более точного регулирования подачи воздуха на воздуховодах каждой ячейки следует установить расходомеры с задвижками или вентилями.

2.10. В аэротенках-вытеснителях с регенераторами удельный расход воздуха определяется по формуле (61) СНиП 2.04.03-85. Количество аэраторов на первой половине длины аэротенков и регенераторов принимается вдвое больше, чем на остальной длине коридора.

Для условий рассмотренного примера в п. 2.9 удельный расход воздуха, рассчитанный по формуле (61) СНиП 2.04.03-85, составил

qair = 12,22 м3/м3.

Общий расход воздуха Qair = 12,22.4200 = 51309 м3/ч.

Средняя интенсивность аэрации

Ja = (12,22.4)/3,75 = 13,03 м3/(м2ч).

Интенсивность аэрации на первой половине аэротенка и регенератора Ja1 = 1,33Ja, на второй - Ja2 = 1,33Ja/2 = 0,67Ja.

При ширине коридора аэротенка b = 6 м, удельном расходе воздуха на аэратор в виде фильтросных труб Jab = 90 м3/(м2ч) и площади одного ряда фильтросных труб dy = 300 mm; f¢d = 0,3 м2/м.

Количество рядов фильтросных труб в первой половине аэротенки вытеснителя составило

;

во второй половине:  = 3,92/2 = 1,96.

В данном случае следует принять на первой половине аэротенка и регенератора число рядов фильтросных труб - 4, на второй половине - 2, соответственно распределив расходы воздуха.

2.11. С целью сокращения длины воздуховодов количество стояков для подвода воздуха к аэраторам следует ограничить минимально возможным числом, которое определяется из заданной неравномерности распределения воздуха вдоль коридора аэротенка.

Таблица 10

Геометрические размеры, мм

Допустимая неравномерность подачи воздуха, %

Максимальная удельная производительность, м3/(м×ч)

Перепад давления, кПа

наружный диаметр

толщина стенки

5

10

15

длина трубы на 1 стояк, м

242

29

25

43

53

112

3-10

260

30

29

51

60

115

3-10

288

30

33

56

72

126

3-10

Число стояков зависит от длины обслуживаемого ими участка фильтросного канала, фильтросной или дырчатой трубы.

Параметры аэраторов из фильтросных труб приведены в табл. 10, из фильтросных пластин - в табл. 11, из дырчатых труб в табл. 12.

Таблица 11

Геометрические размеры, мм

Допустимая неравномерность подачи воздуха, %

Максимальная удельная производительность, м3/(м.ч)

Перепад давления, кПа

ширина

глубина

5

10

15

длина канала на 1 стояк, м

250

100

64

78

88

30

2-10

250

200

120

146

150

30

2-10

Таблица 12

Геометрические размеры, мм

Допустимая неравномерность подачи воздуха, %

Максимальная удельная производительность м3/(м2×ч)

Перепад давления, кПа

условный проход

наружный диаметр

диаметр отверстий

число отверстий на 1 трубы

5

10

15

длина трубы на стояк, м

50

60

3

20

13

15,5

17,2

18

1,5

50

60

3

40

5,7

9,6

13,6

36,5

1,5

50

60

3

80

2,6

4,0

5,0

73

1,5

80

88,5

3

40

20

24,0

26,4

36,5

1,5

80

88,5

3

80

7

10,7

14,0

73,0

1,5

80

88,5

3

120

4,5

6,7

8,5

110,0

1,5

100

114

3

40

27,3

34,2

37,9

36,5

1,5

100

114

3

80

11,3

17,4

23,4

73

1,5

100

114

3

120

7,1

10,7

13,6

110

1,5

Пример. Определить основные параметры аэратора (фильтросный канал) для обеспечения аэрации коридора аэротенка - смесителя длиной 100 м, шириной 9 м с интенсивностью аэрации 10 м3/(м2ч) при допускаемой неравномерности подачи воздуха 15 %.

Интенсивность подачи воздуха на 1 м длины коридора

J¢¢a = J¢db = 10.9 = 90 м3/(м2×ч).

Указанная интенсивность при перепаде 1,5 кПа (новые пластины) может быть обеспечена установкой трех параллельных рядов фильтросных каналов. Для допустимой неравномерности 15 % при глубине канала 100 мм находим из табл. 11 максимальную длину аэратора на 1 стояк - 88 м. Стояк присоединен к середине обслуживаемого им участка. Для коридора длиной 100 м потребуется таким образом 2 стояка. Полученное данным методом число стояков является минимально допустимым и может быть увеличено из конструктивных соображений.

Следует обратить внимание, что при этом должны быть предусмотрены упругие вставки на температурных швах резервуара аэротенка.

2.12. Эрлифтные аэраторы. При наличии и сточных водах значительных количеств карбонатных солей, смол, жиров, вязких нефтепродуктов и волокнистых веществ, способных вызвать быструю кольматацию пор в мелкопузырчатых пневматических аэраторах, целесообразно применение эрлифтных аэраторов. По эффективности они приближаются к механическим, но не имеют сложного привода и не подвержены засорениям.

Принцип действия эрлифтных аэраторов совмещают в себе среднепузырчатую аэрацию с помощью сжатого воздуха в эрлифте и дополнительную аэрацию при изливе струи через кромку водослива (рис. 14). Конструкция этих аэраторов разработана ВНИИ ВОДГЕО.

Рис. 14. Схема эрлифтного аэратора

1 - аэрационная решетка; 2 - нижний конус диффузора; 3 - труба диффузора: 4 - верхний конус диффузора с гребенчатым водосливом; 5 - лопатки; 6 - воздухопровод; 7 - опорные стойки

Ориентировочно производительность эрлифтного аэратора Qm, кг/ч по кислороду определяется по уравнению

,                                              (42)

где hb - высота кромки водослива, рекомендуется принимать hb = 0,45 - 0,5 м; dэp - диаметр трубы аэратора dэp = (0,6-1) Ва; Нэp - глубина погружения аэратора Нэp = 3,5 - 4 м.

Растворимость кислорода Са определяется по формуле (38).

Пример расчета. Для подбора эрлифтных аэраторов приведен график (рис. 15). Оптимальный режим работы эрлифтных аэраторов наблюдается при Ja1 = 10-15 м3/(м2×ч) и dэp = 0,3 - 1,2 м.

Рис. 15. Зависимость удельных энергозатрат и производительности по кислороду от диаметра эрлифтных аэраторов при различных значениях интенсивности аэрации

1 - Ja = 5; 2 - Ja = 10; 3 - Ja = 15 м3/(м2×ч)

Исходные данные: тип сооружения - аэротенк-смеситель первой ступени. БПК сточных вод Len = 550 мг/л; Lех = 137 мг/л; расчетный расход qW = 40000 мз/cyт = 1667 м3/ч; период аэрации taim = 3 ч; растворимость кислорода Са = 9 мг/л; концентрация растворенного кислорода в аэротенке Со = 2 мг/л; ширина коридора аэротенка b = 9 м.

В данном случае принят dэp = 0,1b, т.е. dэp = 0,19 = 0,9 м, Ja1 = 15 м3/(м2×ч).

Объем аэротенка Waim = qWtaim = 1667.3 = 4999 м3.

По рис. 15 при Ja1 = 15 м3/(м2×ч) производительность по кислороду этого типоразмера аэратора приближенно составит 65 кг/ч.

Для определения необходимого числа эрлифтных аэраторов может быть использована формула (65) СНиП 2.04.03-85

Следует принять Nma = 18 ед. При общей длине коридоров аэротенка La = Waim/Hatb = 4999/(4,5×9) = 123 м.

Расстояние между аэраторами l1 = 123/18 = 6,86 м. Расход воздуха QB1 на один аэратор при Ja1 = 15 м3/(м2×ч).

QB1. = Ja1 bl1 = 15×9×6,86 = 926 м3/ч = 257 л/с.

Окситенки

2.13. Окситенки представляют собой комбинированные сооружения, в конструкции которых предусмотрены зоны окисления и илоотделения, сообщающиеся между собой с помощью циркуляционных окон и щелей. Зона окисления оборудуется механическим аэратором, системой автоматической подпитки кислорода и стабилизации кислородного режима (рис. 16). Окситенки работают в режиме реактора-смесителя. Они могут применяться для полной и неполной очистки городских и производственных сточных вод.

Рис. 16. Схема окситенка

1 - резервуар; 2 - полупогружная перегородка; 3 - корпус зоны реакции, 4 - кислородопровод. 5 - механический аэратор; 6 - стояк сброса газа; 7 - привод илоскреба, 8 - кислородный датчик; 9 - зона илоотделения; 10 - решетка илоскреба; 11 - водослив водосборного лотка; 12 - донная циркуляционная щель; 13 - подводящий дюкер; 14 - циркуляционные окна

Институт Союзводоканалпроект разработал проекты окситенков диаметром 10, 22 и 30 м, в которых зоны окисления и илоотделения равны между собой по объему.

2.14. При расчете окситенков определяются необходимые объемы зоны окисления и илоотделения, размеры турбины аэратора частота ее вращения и мощность привода при заданной эффективности использования кислорода.

2.15. Исходные данные для расчета окситенков аналогичны тем, которые необходимы при применении аэротенков. Для примера рассмотрим случай, при котором расход сточных вод qW = 1667 м3/ч; БПКполн исходной воды Len = 400 мг/л: БПКполн очищенной воды Lех = 15 мг/л.

Сточная вода представляет собой смесь промышленной и бытовой и по составу близка к городской, поэтому кинетические константы могут быть взяты из табл. 40 СНиП 2.04.03-85  = 85 мг БПКдолн/(г×ч); Kl = 33 мг/л; K0 = 0,625 мг/л;  = 0,07 л/г.

Доза ила и концентрация кислорода определяются в результате технико-экономических расчетов. Для окситенков эти параметры находятся в следующих пределах: ai = 5 - 12 г/л, Сo = 6 - 12 мг/л.

В данном случае в первом приближении принято ai = 6 г/л, Сo = 8 мг/л.

В начале определяется удельная скорость окисления по формуле (49) СНиП 2.04.03-85

 = =18,25 мг.БПКполн/(г×ч).

Период пребывания в зоне реакции определяется по формуле (48) СНиП 2.04.03-85

taim == 5,02 ч.

Суммарный объем зон реакции окситенков, м3.

WO = qwtaim = 1667.5,02 = 8368 м3.

Приняв окситенки DО = 22 м, глубиной НО = 4,5 м, с общим объемом, равным:

WO1 = 0,785 НО. = 0,785×222×4,5 = 1708 м3

получим объем зоны реакции

Wa1 = WO1/2 = =854 м3

Далее рассчитаем диаметр зоны реакции по формуле, м:

.                                                        (43)

Затем количество окситенков

nO = WO/ Wa1 = 8368/854 = 9,718 ед.

Согласно расчетам принимаем nO = 10 ед.

2.16. Для определения седиментационой характеристики ила по формуле (53) СНиП 2.04.03-85 рассчитываем нагрузку на ил

qi = (400 - 15) 24/6×5,02(1 - 0,3) = 438 мг.БПКполн/(г×сут).

По табл. 41 СНиП 2.04.03-85 при qi = 438 величина илового индекса Ji = 85 см3/г. С учетом снижения его за счет кислорода Ji = 85/1,4 = 60,7 см3/г.

По табл. 45 СНиП 2.04.03-85 в зависимости от величины параметра (aiJi) определяем допустимую гидравлическую нагрузку на илоотделитель; для aiJi = 6.60,7 = 364, при котором qms = 1,4 м3/(м2×ч).

Необходимая площадь илоотделителей окситенков

Fтs = qw/ qms = = 1140 м2.

Фактическая площадь илоотделителей

FOi = WO1/2HO = 1708/(2.4,5) = 1900 м2

что значительно превышает необходимую величину, поэтому дозу ила можно несколько увеличить.

2.17. Во втором приближении принимается доза ила ai = 8 г/л, остальные параметры остаются неизменными и расчет повторяется в прежней последовательности. По формуле (49) СНиП 2.04.03-85

 = 16,62 мг /(г×ч).

По формуле. (48) СНиП 2.04.03-85

taim = (400-15)/[8(1-0,3)16,62] = 4,13 ч.

Объем зон реакции окситенков Wa = 1667×4,13 = 6895 м3. Количество окситенков nO = 6895/854 = 8,07 ед. Можно принять nO = 8 ед. По формуле (53) СНиП 2.04.03-85

qi = (400-15).24/[8.4,13 (1-0,3)] = 399,5 мг/(г×сут)/

По табл. 41 СНиП 2.04.03-85 при qi = 399,5 мг/(г×сут), Ji = 80 см3/г, с учетом влияния кислорода Ji = 80/1,4 = 57 см3/г, величина aiJi = 8.57 = 456, при котором по табл.45 СНиП 2.04.03-85 qms = 1 м3/(м2×ч)

Необходимая площадь илоотделителей окситенков Fтs = 1667/1 = 1667 м2

Фактическая площадь илоотделителей F¢тs = 6895/4,5 = 1532 м2, что соответствует необходимой величине.

2.18. Производительность аэратора по кислороду Qma, кг/ч, при использовании технологического 95 %-ного кислорода определяется по формуле

,                       (44)

где Са - концентрация насыщения воды кислородом, мг/л, в стандартных условиях по формуле (38) (в данном случае Сa = 10 мг/л); Кт и K3 - коэффициенты, учитывающие температуру и состав сточных вод, определяются по п. 6.157 СНиП 2.04.03-85.

Например, при температуре воды 12 °С Кт = 1+0,02(12 - 20) = 0,84. Для смеси промышленных и городских вод K3 = 0,7. Коэффициент использования кислорода в окситенке принимается в пределах  = 0,85-0,95.

Концентрация растворенного кислорода в зоне реакции определяется технико-экономическим расчетом. Для окситенков оптимальные значения Со = 6-12 мг/л. В данном случае Со = 8 мг/л.

Скорость потребления кислорода рассчитывается с учетом БПК исходной и очищенной воды и производительность одного окситенка по формуле, кг/ч:

.                                                                        (45)

Для данного случая

 = (400 - 15) 1667/1000×8 = 80 кг/ч.

Приняв  = 0,9; Co = 8 мг/л,

Qma = 10×80/1000×0,84×0,7[0,174(1-0,9)/0,9-8/1000] = 119 кг/ч.

Исходя из конструктивных соображений, принимается диаметр турбины механического аэратора dа = 2 м. Параметры механических аэраторов приведены в табл. 13.

Таблица 13

Диаметр турбин аэратора, м

Количество лопаток, шт.

Длина лопатки, мм

Высота лопатки, мм

Частота вращения, мин-1

Производительность по кислороду, кг/ч

Мощность (нетто), кВт

0,5

6

17

14

133

3,33

1,2

0,7

8

20

14

95

7,08

2,4

1,0

12

21

13

67

9,58

3,4

1,5

16

25

14

48

22,91

7,5

2

18

30

15

38

33,33

11,8

2,5

18

37

18

32

52,08

18,1

3

24

35

17

27

77,5

26,5

3,5

24

40

18

24

108,33

38,5

4

24

47

20

22

145,83

52,5

4,5

24

52

22

21

204,16

75

Для аэратора с da = 2 м, работающего на воздухе, производительность по кислороду составляет Qm = 33,5 кг/ч, мощность (нетто) Nm = 11,8 кВт, частота вращения nm = 38 мин-1.

Поскольку Qm аэратора недостаточна, следует повысить скорость его вращения и соответственно увеличить мощность привода.

Необходимая частота вращения nO, мин-1, определяется по формуле

nO = nm,                                                                                                                     (46)

т.е.

nO =  = 72 мин-1.

Мощность (нетто) на валу NO, кВт, рассчитывается по формуле

NO = ,                                                                                           (47)

для рассматриваемого примера

NO = 11,8.722/382 = 42,3.

Мощность привода аэратора (брутто) при его КПД  = 0,7

NOb = No/ = 42,3/0,7 = 60,5 кВт.

Интенсивность перемешивания механического аэратора оценивается по величине донной скорости Jо, м/с, в наиболее удаленной точке зоны его действия, величина которой должна быть не менее 0,2 м/с и рассчитывается по формуле

,

где Ha и Вa - глубина и ширина зоны реактора.

Для рассматриваемого примера при Вa = Dr = 15,5 м; На = 4,5 м, донная скорость будет равна:

Jо = = 0,7 м/с,

что значительно выше требуемой величины, и, следовательно, перемешивание будет обеспечено.

2.19. Расход кислорода определяется с учетом расхода сточных вод, БПКполн исходной и очищенной воды и эффективности использования кислорода. Весовой расход кислорода рассчитывается по формуле

.

Для рассматриваемого примера

 = 713 кг/ч.

Объемный расход

Q¢o = Qo /,

где плотность 1 м3 кислорода при нормальном давлении  = 1,43 кг/м3. Для условий примера Q¢o = 713/1,43 = 498,7 м3/ч.

2.20. При подборе оборудования можно использовать технико-экономические показатели установок разделения воздуха (по данным Гипрокислорода) которые приведены в табл. 14.

2.21. Применение окситенков экономически целесообразно при получении кислорода по себестоимости от действующих кислородных цехов предприятий азотной, нефтехимической, коксохимической и других отраслей промышленности, а также при строительстве собственных кислородных установок в составе очистных сооружений.

Экономический эффект от применения окситенков с собственными кислородными установками по сравнению с аэротенками при очистке городских сточных вод возрастает с повышением производительности очистных сооружений.

Таблица 14

Марка установки

Количество блоков в установке, шт.

Производительность по кислороду, м3

Стоимость цеха в тыс. руб.

Расход электроэнергии тыс. кВт.ч

Годовые эксплуатационные затраты, тыс. руб.

Себестоимость 1 м3 кислорода, коп.

К-0,15

1

165

134,2

1918

73,38

5,5

К-0,4

1

420

275

4631

162,23

4,79

К-0,4

1

840

505,2

926,2

308,26

4,5

К-1,4

1

1400

632,15

7268

306,33

2,85

К-1,4

2

2800

1164,45

14535,4

554

2,53

К-5

1

4850

1604,2

24823,5

848,18

2

Примечание. Производительность и себестоимость даны при нормальном давлении кислорода при температуре 20 °С. Содержание кислорода не ниже 99,5 %.

Ориентировочные величины экономического эффекта для этих условий приведены в табл. 15.

Таблица 15

Производительность, сооружения, тыс. м3/сут

20

55

110

180

360

620

Экономический эффект, тыс. руб.

55

126,7

208,5

381,2

645

970,1

Аэротенки с флотационным илоотделением для очистки производственных сточных вод

2.22. Технологическая схема очистки производственных сточных вод с флотационным разделением иловой смеси предназначается для полной, и глубокой биологической очистки производственных сточных вод.

Рекомендуется двухстепенная очистка, в которой на первой ступени используются аэротенки-смесители, работающие с высокой дозой ила, и разделение иловой смеси в напорных флотаторах на второй ступени - секционированные аэротенки-вытеснители и вторичные отстойники.

Схемы с флотационным разделением иловой смеси могут быть применены при строительстве новых и при реконструкции существующих очистных сооружений.

При проектировании целесообразно использовать комбинированные сооружения аэротенков I и II ступени, между которыми располагается флотационный илоотделитель (рис. 17).

Рис. 17. Схема аэротенка с флотационным илоотделителем для очистки производственных сточных вод

1 - резервуар аэротенка; 2 - центробежной насос; 3 - сатуратор; 4 - дросселирующая арматура; 5 - флотационный илоотделитель; 6 - трубопровод подачи воды на II ступень; 7 - вторичный отстойник; 8 - сброс очищенной воды; 9 - аэротснк II ступени; 10 - ячейки аэротенка II ступени; 11 - аэротенк I ступени; 12 - подача исходной воды; 13 - регенератор; 14 - подача возвратного ила; 15 - опорожнение флотатора.

Применение аэротенков с флотационным илоотделением, экономически целесообразно для очистки производственных сточных вод с БПКполн более 400 мг/л биологически трудноокисляемых загрязнений сточных вод, для которых необходимый период аэрации превышает 16 ч. При преимущественном развитии в аэротенках, так называемых «вспухающих» активных илов с иловым индексом более 200 см3/г, применение напорной флотации имеет преимущества перед отстаиванием.

Применение двухступенчатых аэротенков с флотационным разделением иловой смеси целесообразно для сточных вод химической, нефтехимической, микробиологической, гидролизной, дрожжевой, медицинской, пищевой и других отраслей промышленности на станциях любой производительности. Причем экономическая эффективность этих схем повышается при увеличении производительности станции.

Принцип действия и схемы аэротенков с флотационным илоотделением

2.23. Разделение напорной флотацией основано на всплывании частиц активного ила вместе с мельчайшими пузырьками воздуха, которые выделяются из иловой смеси после насыщения ее воздухом под давлением.

Преимущества напорной флотации для разделения иловой смеси по сравнению с общепринятым в настоящее время вторичным отстаиванием заключается в том, что процесс биологической очистки интенсифицируется в результате увеличения окислительной мощности аэротенка первой ступени как за счет увеличения рабочей дозы ила, так и при увеличении нагрузки на ил в результате сокращения времени пребывания во флотаторе. При этом уменьшается объем сооружений для разделения иловой смеси и в них создаются аэробные условия, что позволяет получить более глубокую очистку сточных вод.

За счет уменьшения площади аэротенков первой ступени и увеличения их окислительной мощности значительно улучшаются условия аэрации и снижается удельный расход воздуха; увеличивается активность микроорганизмов ила первой ступени в результате дробления его в дросселирующей аппаратуре.

Для достижения максимальной эффективности процесса первая ступень аэротенка оборудуется регенератором активного ила, вторая выполняется в виде ячеистого реактора-вытеснителя с 4-6 секциями. Первая ступень работает с высокими дозами ила (или большой нагрузкой на ил), вторая - предназначена для доочистки воды и улучшения седиментационных свойств активного ила.

После второй ступени иловая смесь разделяется в обычном отстойнике. Аэротенк с флотационным разделением ила состоит (см. рис. 17) из аэрационного резервуара, разделенного флотационным илоотделителем на две ступени, первая ступень оборудована регенератором активного ила, вторая - разделена на ячейки. Флотационный илоотделитель оборудован центробежным насосом и эжектором для подсоса воздуха, сатуратором для растворения воздуха и дросселирующей арматурой.

Сооружение работает следующим образом: неочищенная сточная жидкость поступает в первую ступень, смешивается с регенерированным активным илом, выходящим из ячейки и освобождается от основной массы загрязнений в результате происходящих в первой ступени процессов сорбции и окисления. Затем иловая смесь забирается высоконапорным насосом из конца первой ступени, насыщается воздухом в сатураторе и выпускается через дросселирующее устройство во флотационный илоотделитель в котором при снижении давления с 0,3-0,6 МПа до атмосферного происходит интенсивное всплывание воздушных пузырьков вместе с частицами активного ила. Выделенный в виде пены активный ил направляется в регенератор, где сорбированные загрязнения окисляются при высокой концентрации активного ила 25-30 г/л. Регенерированный ил смешивается затем с поступающей сточной жидкостью. Цикл повторяется. При работе первой ступени без регенератора предусмотрена возможность подачи части сточных вод в ячейку.

Осветленная во фотационном илоотделителе иловая смесь с содержанием взвеси 100-300 мг/л по трубопроводу выпускается во вторую ступень аэротенка, где происходит процесс доочистки сточных вод при нормальной нагрузке на ил. Аэротенк второй ступени разделен перегородками с отверстиями на 4-6 ячеек. На последней ячейки иловая смесь поступает в отстойник. Очищенная вода сбрасывается с установки, циркуляционный ил возвращается в первую ячейку второй ступени.

Избыточный ил из отстойника второй ступени направляется на первую ступень, проходит флотационный илоотделитеаль и вместе с избыточным илом первой ступени направляется в уплотнитель, в котором происходит дальнейшее снижение влажности пены до 92-94 %.

Осветленная надиловая вода из уплотнителя направляется по возможности самотеком во вторую ступень аэротенка или (как вариант) сбрасывается в поток осветленной воды, выходящей из отстойника второй ступени. Следует предусмотреть подачу части неочищенной сточной жидкости (10 % общего расхода) в первые две ячейки второй ступени.

Для первой ступени рекомендуется применять флотационный илоотделитель с цилиндрическими насадками и вращающимся водораспределителем (см. разд. 4).

2.24. Для расчета аэротенков с флотационным илоотделением необходимы следующие исходные данные: расход сточных вод, начальная и конечная БПКполн сточных вод, значения констант в формуле (42) СНиП 2.04.03-85 ; Ki; Ко; .

Доза ила в аэротенке первой ступени и концентрация растворенного кислорода должны определяться на основании технико-экономических расчетов. Ориентировочно она может быть определена по формуле (48) в зависимости от величины илового индекса, г/л,

ai, = 1,3/(0,05+0,00152Ji).                                                                            (48)

Величину БПКполн в воде после аэротенка первой ступени L¢ex следует принимать 80-130 мг/л. Продолжительность прерываний в аэротенке первой и второй ступенях рассчитывать по формулам (48) и (50) СНиП 2.04.03-85, удельную скорость окисления по формуле (49) СНиП 2.04.03-85 степень рециркуляции ила для аэротенков второй ступени по формуле (52) СНиП 2.04.03-85 константы процесса ; Ki, Ко и  из табл. 40 СНиП 2.04.03-85.

Концентрация сфлотированного уплотненного ила af, г/л, определяется по уравнению

,                                                                                            (49)

где иловый индекс принимается по данным табл. 41, СНиП 2.04.03-85.

Коэффициенты «а» и «b» принимаются в зависимости от продолжительности уплотнения сфлотированного ила, которую следует принимать 2-3 ч.

Время уплотнения ила, ч ……………

0,25

0,5

1

2

3

Коэффициента а ………….………….

0,019

0,016

0,014

0,012

0,011

Коэффициента в ………….…………..

0,000262

0,000242

0,000218

0,000203

0,000198

Степень рециркуляции активного ила на первой ступени определяется в зависимости от требуемой концентрации сфлотированного уплотненного ила, аf

.                                                                                        (50)

Нагрузка по твердой фазе на зеркало флотационного илоотделителя qss кг/(м2.сут), при оптимальном удельном расходе растворенного воздуха и концентрации активного ила (aопт) определяется по формуле

qss = (50 + 1,5Ji) 1,4/(0,005Ji - 0,07),                                                           (51)

Суммарное количество твердой фазы, подвергаемой флотации, кг/сут;

.                                                                                       (52)

Суммарная площадь флотационных илоотделителей Ff, м2,

.                                                                                               (53)

Гидравлическая нагрузка qm,i, м3/(м2×ч).

qm,s = qW /24Ff.                                                                                              (54)

Продолжительность пребывания воды tszf в отстойной зоне (ниже водораспределителя) принимается равной 0,4-0,6 ч, высота отстойной зоны определяется по формуле Hszf, м:

Hszf = tszf qm,i.                                                                                                 (55)

Глубина зоны уплотнения Hт (выше водораспределителя) принимается 2-2,5 м. Разность отметок водосливов водосборного и пеносборного лотков флотационного илоотделителя 40-50 мм, предусматривается регулировка положения отметки пеносборного лотка.

Уклон дна пеносборного лотка принимать в пределах 0,1-0,05. Hacoc для подачи иловой смеси на флотатор устанавливается под заливом, гидростатический напор перед насосом должен поддерживаться постоянный и составлять не более 2,5-3 м, забор воды осуществляется непосредственно из аэротенка первой ступени.

Остальные конструктивные особенности флотатора приведены в гл. 4.

Пример расчета аэротенка с флотационным илоотделителем

2.25. Исходные данные: расход сточных вод qW = 40000 м3/сут.

Сточные воды химкомбинатов азотной промышленности с БПКполн исходной и очищенной воды 500 и 15 мг/л.

По табл. 41 СНиП 2.04.03-85 иловый индекс 120 см3/г.

Доза активного ила ai, г/л, в аэротенке первой ступени рассчитывается по формуле (48)

аi = 1,3/(0,05+0,00152.120) = 5,59.

Концентрация сфлотированного ила аf, г/л, при продолжительности уплотнения 3ч - по формуле (49)

аf = 1,6/(0,011+0,000198.120) = 47,75.

Степень рециркуляции пла Rf - по формуле (50)

Rf = 5,59/(47,65 - 5,59) = 0,132.

Нагрузка по твердой фазе на зеркало флотационного илоотделителя qssf, кг/м2 сут, определяется по формуле (51)

qssf = [(50+1,5×120)×1,4]/(0,005×120 - 0,07) = 475.

Суммарное количество флотируемой твердой фазы G, кг/сут, по формуле (52)

G = 40000×5,59(1 +0,132) = 253115.

Суммарная площадь флотационных илоотделителей Ff, м2 - по формуле (53)

Ff = 253115/475 = 532,9.

Рационально принять 4 флотатора диаметром 13 м.

Гидравлическая нагрузка на флотаторы qms, м3/(м2×ч), по формуле (54)

qms = 40000/24.532,9 = 3,13.

При продолжительности пребывания воды в отстойной зоне 0,5 ч, ее высота Hszf, м, по формуле (55) составит

Hszf = 0,5×3,13 = 1,57.

Глубина зоны уплотнения принимается равной 2,5 м.

Высота зоны распределения жидкости 0,3 м.

Гидравлическая глубина флотационного илоотделителя составит 1,57+2,5+0,3 = 4,37 м.

Аэротенки с флотационным разделением иловой смеси для очистки городских сточных вод

2.26. Для очистки городских сточных вод взамен вторичных отстойников применяются аэротенки с флотационным разделением иловой смеси с одноступенчатой схемой флотации.

Применение напорной флотации для разделения иловой смеси приводит к значительному сокращению объема сооружений.

В данных условиях возможно применение горизонтального флотационного илоотделителя (рис. 18), который совмещается с аэротенком обычной конструкции, откуда иловая смесь во флотационный резервуар поступает самотеком. Туда же через распределительную систему вводится предварительно насыщенная воздухом под давлением вода. Комплекс (пузырек воздуха-флокула) активного ила поднимается на поверхность флотационного резервуара, образуя слой сфлотированного ила.

Рис. 18. Схема горизонтального флотационного илоотделения

1 - подача иловой смеси; 2 - лоток для сбора сфлотированного ила; 3 - скребковый механизм для удаления сфлотированного ила; 4 - подвесная перегородка; 5 - водослив; 6 - лоток осветленной воды; 7 - флотационный резервуар; 8 - распределительная система насыщенной воздухом воды

Осветленная вода отводится из нижней части флотационного резервуара с помощью дырчатой трубы или через зазор под подвесной стенкой через регулируемый водослив в канал осветленной воды, а затем по трубопроводу в контактные резервуары.

Сфлотированный ил скребком удаляется с поверхности флотационного резервуара в лоток, откуда циркулирующая часть активного ила возвращается в аэротенк, а избыточная часть направляется на дальнейшую обработку.

Для получения насыщенной воздухом воды часть осветленной воды подводится к насосу (рис. 19). С помощью насоса вода под давлением подается в напорный бак. Туда же компрессором подводится сжатый воздух. В напорном баке воздух растворяется в воде практически до полного ее насыщения. Насыщенная воздухом вода по трубопроводу подводится к распределительной системе флотационного резервуара (см. рис. 18).

Рис. 19. Схема узла насыщения рециркулирующей части осветленной воды

1 - трубопровод отвода насыщенной воздухом воды; 2 - напорный бак; 3 - компрессор; 4, 11 - обратный клапан; 5 - вентиль; 6, 9 - расходомер; 7 - манометр; 8 - эжектор; 10 - клапан регулирующий; 12 - насос; 13 - предохранительный клапан; 14 - уровнемер; 15 - трубопровод опорожнения

2.27. Флотационный резервуар рассчитывается на суммарный расход сточной воды, рециркулирующего ила и насыщенной воздухом воды. Время пребывания суммарного расхода принимается равным 40 мин.

Узел насыщения (напорный бак, насос, компрессор) и трубопроводы подачи и распределения насыщенной воздухом воды рассчитываются из условия обеспечения давления насыщения 0,6-0,9 МПа, продолжительности насыщения - 3-4 мин и расхода насыщенной воздухом воды в зависимости от давления и рабочей дозы ила (табл. 16). Расход воздуха составляет 20-30 % расхода насыщаемой воды при давлении 0,6-0,9 МПа соответственно.

Таблица 16

Давление насыщения,

Расход насыщенной воздухом воды QН в % от объема иловой смеси Qис при дозе ила ai г/л

МПа

3

4

5

6

7

8

0,6

12

15

19

23

27

30

0,9

7,5

10

12,5

15

17,5

20

Примечание. Для промежуточных значений давления насыщения расход воды определяется интерполяцией.

Степень осветления очищенных сточных вод зависит от удельного расхода воздуха и следовательно, от давления насыщения. При удельном расходе воздуха 4-6 л/кг сухого вещества ила содержание взвешенных веществ в осветленной воде не превышает 15 мг/л; при удельном расходе воздуха 9-10 л/кг сухого вещества ила - не более 5 мг/л.

Флотационные резервуары в плане могут быть прямоугольными, а при реконструкции существующих отстойников - круглыми с радиальным движением воды.

Конструктивные параметры прямоугольных резервуаров: рабочая глубина 2-4 м, общая высота на 0,4-0,5 м больше глубины.

Отношение ширины к длине от 1:3 до 1:5. При ширине более 3 м рекомендуется установка продольных (ненесущих) перегородок для обеспечения равномерного движения воды и работы скребковых механизмов.

Расстояние под подвесной перегородкой определяется из условия движения воды в этом сечении со скоростью в пределах 0,8-1,2 м/с.

Объемы аэротенков принимаются в соответствии с п. 6.143 СНиП 2.04.03-85. При определении периода аэрации, удельную скорость окисления надлежит принимать по табл. 17, дозу активного ила по табл. 18.

Таблица 17

БПКполн, мг/л

Удельная скорость окисления r, мг×БПКполн /(г×ч), при дозе активного ила ai, г/л

 

3

4

5

6

7

8

100

19,2

17,3

16,11

14,9

13,7

12,7

150

23,5

21,4

19,7

18,4

17,3

15,9

200

27,6

25,5

24

22,5

21

19,5

300

31,6

29,7

28

26,7

25,2

23,4

400

33,8

32,1

30,7

29,4

27,6

25,9

500

35,2

33,8

33,1

31,3

29,9

28,1

Таблица 18

Показатель

БПКполн, мг/л

100

150

200

300

400

500

Доза ила а, г/л

3

4

5

6

7

8

Степень рециркуляции

0,11

0,16

0,20

0,25

0,30

0,36

Расход рециркуляционного ила при концентрации сфлотированного ила 30 г/л может быть принят по табл. 18.

Перекачку активного ила рекомендуется осуществлять эрлифтами. Для определения количества воздуха, необходимого для перекачки активного ила, ориентировочно можно принять расход воздуха 1 м33 ила.

Прирост ила в схеме полной биологической очистки следует принимать по СНиПу по аналогии с окситенками.

Пример расчета аэротека с флотационным разделением иловой смеси для городских сточных вод

2.28. Исходные данные: расход сточных вод qw = 4160 м3/ч; БПКполн начальное и конечное Lеn,ai 200 мг/л, Lex = 15 мг/л; содержание взвешенных веществ начальное и конечное 150 и 15 мг/л соответственно.

Период аэрации, ч:

tatm = (200-15)/5 (1 - 0,25) 24 = 2,06,

где принимается r по табл. 17, и а - по табл. 18.

Объем аэротенков

Wai =4160×2,06 = 8600 м3.

Расход воздуха на аэрацию рассчитаем, по формуле (61) СНиП 2.04.03-85 при q0qh = 1,1 мг/мг, K1Kт = 2; при fаэр/Fаэр = 0,5; K2Kг/л = 2,52; при hha = 4 м, KтKт = 1, KзKкв = 0,85, Са = 10,8 мг/л, Со = 2 мг/л,

 м33.

Расход воздуха Qair = 5,4×4160 = 22500 м3/ч.

Интенсивность аэрации

Ja = qaHa/tair = 5,4×4/2,06 = 10,5 м3/(м2×ч),

что выше Ja min.

Циркуляционный расход qr = 20 % от qw (табл.18); Qr = 4160´0,2 = 832 м3/ч.

Расход иловой смеси Qис = 4160+832 = 4992 м3/ч.

Расход насыщенной воздухом осветленной сточной воды Qн определяется по табл.16. При аi = 5 г/л и давлении насыщения 0,6 МПа Qн = 19 % от Qис

Qн = 4992×0,19 = 950 м3/ч.

Расход Qф, м3/ч, через флотационный резервуар

Qф = 4992 + 950 = 5942.

Объем флотационного Wф, м3, резервуара при времени пребывания 40 мин

Wф = 5942  = 3960.

Рабочий объем напорного бака принимается равным 50 м3. Общий объем сооружений Wc, м3, биологической очистки:

Wc = 8600 + 3960 + 50 = 12610.

Насос подбирается на производительность 950 м3/ч и напор 0,6 МПа.

Компрессор подбирается на производительность 190 м3/ч и давление 0,6 МПа.

Удаление из сточных вод соединений азота

2.29. Процесс глубокой нитрификации сточных вод, содержащих NH, независимо от исходной концентрации аммонийного азота эффективно протекает в аэротенках-смесителях при соблюдении строго определенного возраста активного ила, который для различных условий может измениться от 5 до 70 и более сут.

При осуществлении процесса нитрификации в отсутствии или недостатке органического субстрата для построения биомассы нитрифицирующих микроорганизмов требуется искусственная добавка источников неорганического углерода в виде НСО или СО2 из расчета 2 мг-экв на 1 мг-экв окисленного аммонийного азота.

Оптимальная величина рН для нитрифицирующих микроорганизмов составляет 8,4, оптимальная температура 30 °С. При температуре менее 30 °С наблюдается снижение скорости нитрификации. Процесс нитрификации может осуществляться как в присутствии органических веществ, так и в их отсутствии. Особое внимание следует обратить на присутствие в сточных водах веществ, тормозящих или полностью ингибирующих нитрификацию, в частности свободного аммиака и тяжелых металлов.

Для удаления из воды окисленных форм азота (NО и NO) осуществляют денитрификацию, т.е. восстановление нитритов и нитратов до молекулярного азота. Этот процесс может быть реализован при наличии в воде определенного количества органического субстрата, окисляемого сапрофитными микроорганизмами до CO2 и Н2О за счет кислорода азотсодержащих соединений. При денитрификации обеспечивается очистка сточных вод одновременно от биологически окисляемых органических соединений и от соединений азота (NО и NO). Наиболее эффективно процесс денитрификации протекает при рН = 7-7,5, при рН выше 9 и ниже 6 процесс затормаживается.

В качестве органического субстрата в процессе денитрификации могут быть использованы любые биологически окисляемые органические соединения (углеводы, спирты, органические кислоты, продукты распада белков, избыточный активный ил и т.д.). Источником углеродного питания при очистке сточных вод методом денитрификации могут быть исходные или прошедшие очистку в первичных отстойниках сточные воды, а также органосодержащие производственные сточные воды, предпочтительно не содержащие аммонийного, органического и белкового азота.

Необходимое соотношение величины БПК в сточных водах к нитратному азоту ориентировочно равно 4:1.

Для процессов нитрификации и денитрификации могут быть использованы обычные сооружения биологической очистки: аэротенки и биофильтры.

При удалении соединений азота из сточных вод могут применяться различные схемы очистки: одностадийные, двух или трехстадийные. В каждой схеме процесс денитрификации может осуществляться в начале, середине или конце сооружения, с искусственной добавкой субстрата (например, метанола) или с использованием субстрата сточных вод, с проведением процесса денитрификации в аэробных или анаэробных условиях, с дополнительной рециркуляцией иловой смеси в начало резервуара из его конца или из вторичного отстойника, а также из одной ступени в другую. Во всех схемах на завершающей стадии устраивают, как правило, аэрацию иловой смеси продолжительностью не менее 1-2 ч для отдувки газообразного азота и более глубокого окисления аммонийного азота. Для удаления из сточных вод соединений азота возможно применение специально разработанных для этих целей сооружений типа циркуляционных каналов, в которых создаются аэробные и анаэробные участки за счет рассредоточенного расположения поверхностных механических аэраторов. Возможно осуществление процесса в аэротенке-смесителе при попеременном (цикличном) аэрировании и перемешивании иловой смеси в течение короткого времени (1-1,5 ч) при соблюдении необходимого времени пребывания сточной жидкости в сооружении. Для перемешивания иловой смеси могут быть использованы лопастные мешалки с горизонтальной или вертикальной осью вращения, гидравлическое перемешивание, а также перемешивание воздухом с малой интенсивностью, подаваемым дырчатыми трубами или открытыми стояками.

При отсутствии токсичных загрязнений (особенно для нитрификации) могут применяться секционированные вытеснители с последовательно работающими аэробными и анаэробными секциями и подачей в секции денитрификации соответствующего количества органического субстрата или исходной сточной жидкости.

2.30. Аэротенки-тарификаторы целесообразно применять при отсутствии в сточных водах посторонних органических примесей например, дренажных вод жидкостей из накопителей производственных отходов, содержащих NН. Для поддержания стабильной очистки не допускается суточное изменение концентрации N-NН в поступающей жидкости более ±5 %. Процесс нитрификации следует осуществлять в аэротенке-cмесителе при невысокой степени очистки воды (2-4 мг N-NН очищенной воды).

При расчете процессов нитрификации сточных вод необходимо вначале определить минимальный возраст активного ила, при котором обеспечивается требуемая остаточная концентрация аммонийного азота.

Ориентировочно концентрацию нитрифицирующего ила при требуемом его возрасте следует определять по табл. 19, в которой представлены данные по количеству нитрифицирующих микроорганизмов (ais, г/л) при количестве окисленного аммонийного азота (Сn) 20 мг N-NН за 24-часовой период обработки воды при температуре 20 °С, а также данные по приросту ила и удельной скорости окисления аммонийного азота. При других количествах окисленного аммонийного азота Сn и продолжительности очистки t дозу нитрифицирующего ила следует определять по формуле

.                                                                                        (56)

Минимальное время обработки в аэротенке-смесителе сточных вод, не содержащих органических веществ, 10-12 ч. Вынос нитрифицирующего ила из вторичных отстойников должен быть не более 20 мг/л, т.е. его прирост должен быть не менее этой величины, с целью сохранения нитрифицирующего ила в системе.

Таблица 19

Прирост ила, мг/мг

Возраст ила, Т, сут.

Концентрация микроорганизмов, ais, г/л

Удельная скорость окисления rп, мг/(г×ч)

N-NН

0,17

5

0,017

49,0

0,17

10

0,034

24,5

0,16

15

0,048

17,4

0,138

20

0,055

15,2

0,09

25

0,048

17,4

0,055

30

0,033

25,2

0,03

35

0,021

39,7

0,02

40

0,016

52,1

0,048

50

0,048

17,4

0,044

60

0,053

15,7

0,018

70

0,025

33,3

Для более эффективного задержания нитрифицирующего ила целесообразно размещение тонкослойных блоков в конце аэротенков.

Следует отметить, что вследствие весьма малой скорости роста нитрифицирующих микроорганизмов существует критическая минимально возможная суммарная концентрация аммонийного и органического азота Сnen min в поступающей воде, ниже которой осуществление процесса нитрификации в аэротенке с заданным эффектом становится практически невозможным из-за ограничений работы вторичных отстойников при возврате в нитрификатор необходимого количества нитрифицирующего ила.

Минимальная допустимая концентрация Сnen min при заданном возрасте ила Т в зависимости от допустимого выноса нитрифицирующего ила из вторичных отстойников аt, мг/л, определяется выражением

Сnen min = 0,02 аt T/ais.                                                                                    (57)

Для обеспечения эффективной нитрификации аммонийного азота при меньших начальных его концентрациях целесообразно вводить дополнительное количество неконсервативных легкоокисляемых органических веществ, например, метанола или неочищенной бытовой сточной жидкости.

Процесс нитрификации следует осуществлять при оптимальном значении рН, равном 8,4. При других значениях рН и той же температуре удельные скорости снижаются. Приведем значения КрН при различных величинах рН:

рН . . . .

6

6,5

7

7,5

8

8,4

9

КрН . . . .

0,15

0,31

0,5

0,6

0,87

1

1,23

В общем случае при расчете аэротенков с нитрификацией сточных вод необходимо знание удельной скорости роста нитрифицирующих микроорганизмов, которая зависит от рН и температуры жидкости, концентрации растворенного кислорода в иловой смеси и аммонийного азота в очищенной жидкости, а также от наличия токсичных для нитрификации компонентов.

Удельная скорость роста тарификаторов , сут-1, определяется по формуле

,                                                             (58)

где КрН - коэффициент, учитывающий влияние рН;

КТ - коэффициент, учитывающий влияние температуры жидкости;

°С . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

10

15

20

25

30

КТ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

0,32

0,56

1,0

1,79

3,2

Кос - коэффициент, учитывающий влияние концентрации растворенного кислорода, который определяется по формуле

Кос = Со/(Коо).                                                                                         (59)

Кс - коэффициент, учитывающий влияние токсичных компонентов;

 - максимальная скорость роста нитрифицирующих микроорганизмов, равная 1,77 сут-1 при рН = 8,4 и температуре 20 °С;

Кп - константа полунасыщення, мг N - NH4/л; N - концентрация аммонийного азота в очищенной жидкости.

Со - концентрация растворенного кислорода в иловой смеси, мг/л;

Ко - константа полунасыщения, равная 2 мг O2/л.

Коэффициент Ко определяется по формуле

Ко = J/(J + Сi),                                                                                             (60)

где Сi - концентрация ингибитора, мг/л;

J - константа полунасыщенпя, мг ингибитора/л.

Минимальный возраст нитрифицирующего ила  определяется по формуле

.                                                                                                       (61)

Удельная скорость окисления органических веществ , мг/(г×ч), определяется по формуле

.                                                                              (62)

где КЭ - энергетический физиологический коэффициент, мг.БПКполн/(г×ч); КР - физиологический коэффициент роста микроорганизмов активного ила, мг.БПКполн/г;  - возраст ила, сут.

Для городских сточных вод

КЭ = 3,7 мг.БПКполп/(г×ч); Кр = 864 мг БПКполп/г.

Концентрация беззольной части активного ила ai определяется из формулы (49) СНиП 2.04.03-85, где для городских сточных вод  = 70 мг.БПКполн/(г×ч); Кi = 65 мг БПКполн/л,  = 0,14 л/г; Ко = 0,625 мг/л.

Продолжительность пребывания сточных вод в аэротенке tatm с нитрификацией аммонийного азота определяется по формуле

tatm = (Len-Lех)/ai,                                                                                       (63)

Удельный прирост активного ила Kg, мг/(мг.БПКполн), определяется по формуле

Kg = 41,7atatm/(Len-Lех),                                                                             (64)

где a - концентрация ила по сухому веществу, г/л.

Суточное количество избыточного ила G, кг/сут, составляет

G = Kg/(Len-Lех)Q/1000.                                                                               (65)

Пример расчета аэротенка-нитрификатора

2.31. Исходные данные: расход сточных вод Q = 12000 м3/сут; содержание аммонийного азота в исходной воде Сnen = 150 мг/л, в очищенной воде Сnex = 3 мг/л; температура 20 °С; значение рН = 8,4; концентрация растворенного кислорода равна 4 мг/л.

По формуле (58) определяется удельная скорость роста нитрификаторов , сут-1;

 = 0,126.

Минимальный возраст ила находим из уравнения (61)

 = 1/0,126 = 7,93 сут.

Принимается  = 8 сут.

Затем определяем концентрацию нитрифицирующего ила ais. При возрасте ила  = 8 сут, ais = 0,03 г/л. Удельная скорость нитрификации по табл. 19 составит 34,5 мг/(г×ч).

По формуле (57) определяется минимально допустимая концентрация аммонийного азота в поступающей жидкости Cnen min при задаваемом выносе ила из вторичных отстойников Сi = 20 мг/л;

Cnen min = 0,02=107 мг/л,

т.e. меньше исходной величины, которая равна 150 мг/л.

Общую дозу ила следует определять исходя из минимального периода аэрации для аэротенков-смесителей, равного 10 ч.

Из уравнения (56) доза нитрифицирующего ила

ain = 0,53 г/л.

Объем нитрификаторов

Wn = Qt/24 = 5000 м3.

Гидравлическая нагрузка на вторичные отстойники определяется по формуле (67) п. 1.161 СНиП 2.04.03-85.

Пример расчета аэротенка-нитрификатора в присутствии биоразлагаемых органических веществ

2.32. Исходные данные: расход сточных вод 48000 м3/сут; БПК сточных вод Len = 150 мг/л; аммонийный азот Cnen = 50 мг/л; в очищенной воде (Len = 8 мг/л); концентрация Cneх = 2 мг/л; температура жидкости 20 °С; концентрация кислорода в аэротенке - 2 мг/л; рН = 7,8.

Характер органических загрязнений аналогичен городским сточным водам. Значения констант при окислении органических веществ и обеспечении глубокой нитрификации:

 = 70 мг БПКполн.ч;

Ki = 65 мг/л;

 = 0,14 л/ч;

KO = 0,625 мг/л.

По формуле (58) наводим

 = 0,051 сут-1.

Минимальный возраст ила по формуле (61)

1/ = 1/0,051 = 19,6 cyт.

Удельная скорость окисления органических веществ определяется по формуле (62)

 = 3,7+(864×0,0417)/19,6 = 5,54 мг.БПКполн/(г×ч).

По формуле (49) п. 6.143 СНиП 2.04.03-85, зная , находим концентрацию беззольной части активного ила при Lеx = 8 мг/л

5,54+5,54.0,14аi = 7,41; аi = 2,42 г/л.

Продолжительность аэрации сточных под tatm, ч, в аэротенке-смесителе с нитрификацией аммонийного азота определяется по формуле (63)

tatm = = 10,6.

Концентрация нитрифицирующего ила в иловой смеси при возрасте ила 19,6 сут определяется по данным табл. 19 с использованием формулы (56)

ain = 1,2×0,055 = 0,3 г/л.

Общая концентрация беззольного ила в иловой смеси аэротенков составляет ain+ai = 2,42+0,3 = 2,72 г/л, с учетом 30 % зольности доза ила по сухому веществу составит а = 2,72/0,7 = 3,88 г/л.

Удельный прирост избыточного ила Кg определится по формуле

Кg =  0,62 мг/(мг·БПКполн).

Суточное количество избыточного ила по формуле (65),

 кг/сут.

Объём аэротенков-интрификаторов

W = = 21200 м3.

Расход подаваемого воздуха рассчитывается по формуле (61), п. 6.157 СНиП 2.04.03-85 с учетом дополнительного слагаемого в числителе

1,1(Cen-Cnex)4,6.

Расчет, денитрификатора

2.33. В качестве денитрификаторов могут применяться как смесители, так и вытеснители. Для осуществления процесса денитрификации в качестве, источника углерода в сточные воды искусственно добавляют биологически неконсервативные, органические вещества (метанол, органические кислоты и т.д.) или исходные сточные воды из расчета 3-6 мг БПК на 1 мг N-NO.

Расчет продолжительности процесса в реакторе-смесителе осуществляются по формуле (48) п. 6.143 СНиП 2.04.03-85.

Удельная скорость , мг/(г.ч), денитрификации рассчитывается по формуле

,                                                           (66)

Продолжительность пребывания в смесителе, ч:

,                                                                                    (67)

в вытеснителе

                                                  (68)

Значения кинетических констант принимаются по данным табл. 20.

Таблица 20

Вид субстрата

, мг N-NO3/(г.ч)

kdn, мг N-NО/л

, л/г

Метанол

58,8

40

0,19

Этанол

44,9

25

0,17

Во всех случаях после денитрификации перед отстойниками необходима аэрация иловой смеси в течение 0,5-1 ч для отдувки газообразного азота.

Пример расчета денитрификатора

2.34. Исходные данные: расход сточных вод qW = 48000 м3/сут; концентрация нитратного азота 20 мг/л; углеродный субстрат - метанол; концентрация азота в очищенной воде - 9,1 мг/л; иловой индекс - 100 см3/г, зольность ила - 0,3.

Предельная доза денитрифицирующего ила при Ji = 100 см3 составляет

 г/л.

Удельная скорость в денитрификаторе , мг/(г.ч), в смесителе по формуле (66)

.

Продолжительность пребывания в денитрификаторе tatm, ч, по формуле (67)

tatm = (30 - 9,l)/3(l - 0,3).6,94 = 1,43.

Объем реактора Wdn = 48000.1,43/24 = 2860 м3.

Для создания анаэробных условий перемешивание иловой смеси в денитрификаторе осуществить механическими лопастными мешалками или гидравлическим способом.

Денитрификатор с фиксированной загрузкой

2.35. В качестве загрузки допускается использовать кварцевый песок, гравий, рулонную пластмассу, стекловолокно, а также другие материалы, обладающие высокоразвитой поверхностью и стойкостью к биологическим воздействиям.

При концентрации азота нитратов в поступающей воде менее 50 мг/л рекомендуется устанавливать каркасно-засыпные денитрификаторы; для диапазона концентраций 50<N-NО<100 - гравийные денитрификаторы. При содержании азота нитратов в исходной воде более 100 мг/л - пленочные и денитрификаторы с загрузкой из стекловолокна типа «ерш».

Расчет денитрификаторов с фиксированной загрузкой, работающих в затопленном режиме, производятся по формуле

                                            (69)

где  - время контакта, ч; С - концентрация азота нитратов в исходной воде, мг/л; С - концентрация азота нитратов в очищенной воде, мг/л; Kd - экспериментальный коэффициент, по табл. 21; Kdn - константа Михаэлиса-Ментен, мг/л;  - коэффициент ингибирования процесса денитрификации продуктами метаболизма активного ила, л/г;  - максимальная удельная скорость восстановления азота, нитратов, мг N-NО/(г.ч) концентрация денитрифицирующего ила, г/л.

Для денитрификации с использованием в качестве углеродного субстрата метанола и этанола значения кинетических констант Kdn, dn,  установлены экспериментально и определяются по табл. 20 и 21.

Таблица 21

Конструкция денитрификатора

Экспериментальный коэффициент Кd

Конструкция денитрификатора

Экспериментальный коэффициент Кd

Каркасно-засыпной

0,89

Гравийный

0,83

Пленочный

0,81

Доза денитрифицирующего ила в сооружении зависит от концентрации азота нитратов в исходной воде и необходимой степени очистки. Для расчетов принимаются средние значения a в соответствии с данными табл. 22.

Таблица 22

Концентрация азота нитратов в исходной воде мг/л

Средняя концентрация денитрифицирующего ила, г/л. при концентрации азота нитратов в очищенной воде, мг/л

10

20

30

40

50

50

1,0

2,0

2,5

3,5

-

100

1,5

2,5

3,5

5,0

7,5

200

2,0

3,5

5,5

7,5

10,0

300

2,5

4,0

6,0

9,0

14,0

400

3,0

5,0

7,0

14,0

20,0

Объем рабочей части сооружения, заполненного загрузкой, подсчитывается как произведение

.                                                                                                            (70)

где qW - расход нитратсодержащих сточных вод, м3/ч.

Расчетные параметры денитрификаторов с фиксированной загрузкой следует принимать по табл. 23.

Регенерацию загрузки каркасно-засыпного и гравийного денитрификаторов следует осуществлять обратным током исходной или очищенной воды.

Таблица 23

Денитрификатор

Параметры фиксированной загрузки

Высота слоя, м

Расстояние между рядами, мм

Интенсивность промывки, л/м2.с)

Продолжительность промывки. мин

материал

гранулометрическая характеристика, d мм

Каркасно-засыпной

Кварцевый песок

0,8-1

0,8-1

-

Нарастание интенсивности до 8

10

Гравий

16-32

1,5-2

 

 

 

Гравийный

Гравий

40-60

Не менее 4

-

13

10

Пленочный

Рулонные пластмассовые материалы

-

То же

Вертикальные ряды через 40-60 мм

-

-

С загрузкой из стекловолокна

Стекловолокно

-

-

Вертикальные ряды через 50-70 мм

-

-

Пример расчета денитрификатора с фиксированной загрузкой

2.36. Исходные данные: расход сточных вод, qw = 200 м3/ч; концентрация азота: нитратов в поступающей воде - 300 мг/л; углеродный субстрат - этанол; концентрация азота нитратов в очищенной воде - 10-мг/л; конструкция денитрификатора - с загрузкой из стекловолокна.

Время контакта сточных вод ,ч, с загрузкой определяется по формуле (69)

 = 4,4.

Объем загрузки W = 200×4,4 = 880 м3.

Удаление из сточных вод соединений фосфора

2.37. Одним из приемов предупреждения эвтрофирования водных объектов является удаление из очищенных сточных вод фосфора. В процессе обычной биологической очистки соединения фосфора удаляются не полностью. Благодаря бактериальному воздействию полифосфаты превращаются в ортофосфаты. Если в неочищенных исходных городских сточных водах примерно две трети общего содержания фосфора обусловлено присутствием полифосфатов, а одна треть ортофосфатов, в биологически очищенных сточных водах имеет место обратное соотношение.

Для удаления из сточных вод соединений фосфора применяют реагентную обработку, в процессе которой снижение содержания ортофосфатов происходит в результате химического взаимодействия вводимого реагента с ионами РО с образованием нерастворимых соединений, выпадающих, в осадок, и в результате сорбции, соединений фосфора хлопьями гидроксидов металлов.

В качестве реагентов могут быть использованы традиционные минеральные коагулянты, применяемые в практике водоподготовки: сернокислое железо Fe3+, сернокислый алюминий, железный купорос. Можно также использовать отходы производств, содержащие соли Fe2+, Fe3+ и Al3+, не токсичные для биологического процесса.

Иногда в качестве реагента применяется известь. Однако из-за необходимости повышения величины рН воды до 11 и последующей нейтрализации очищенных сточных вод, а также возможного образования отложений: углекислого кальция на поверхности трубопроводов, загрузке фильтров предпочтение следует отдавать алюминий- или железосодержащим реагентам.

При введении реагентов на ступени механической очистки сточных вод, т.е. при предварительном осаждении соединений фосфора, одновременно имеет место значительное снижение концентрации органических и других загрязняющих веществ. Поэтому предварительное осаждение фосфатов целесообразно применять для очистки производственных и смеси городских и производственных сточных вод с величиной БПКполн более 400 мг/л, а также при перегрузке очистных сооружений.

Практически для удаления из сточных вод соединений фосфора применяется биолого-химическая очистка. При биолого-химической очистке традиционные схемы сооружений биологической очистки (с заключительным фильтрованием сточных вод или без него) дополняются реагентным хозяйством, включающим растворные и расходные баки для коагулянтов и помещение для их хранения. Указанное реагентное хозяйство рассчитывается в соответствии с требованиями СНиП 2.04.02-84.

Доза реагента при его введении в сточные воды на ступени биологической очистки определяется по формуле

Cреаг = КСРобщ,                                                                                              (71)

где К - коэффициент увеличения стехиометрического соотношения, вычисленный с учетом определения по стандартным методикам содержания общего фосфора (по РО) и металлов реагента (по оксиду металла Ме2Оз), принимается по табл.24; СРобщ - концентрация общего фосфора в поступающей воде, мг/л. При отсутствии данных о концентрации в поступающей воде общего фосфора, ориентировочно может быть принято СРобщ = (2 - 3) , где - концентрация фосфатов в поступающей воде мг, РО.

Таблица 24

Эффективность удаления общего фосфора, %

Величина К при применении

сернокислого железа II

сернокислого железа III

сернокислого алюминия

60

0,33

0,15

0,35

65

0,5

0,25

0,4

70

0,66

0,33

0,5

75

1

0,5

0,65

80

1,34

0,66

0,74

85

1,67

1

0,9

Учитывая возможное угнетение микроорганизмов активного ила при введении реагентов в иловую смесь, не рекомендуется принимать дозы сернокислого железа (II) более 25 мг/л по Fе2Оз; сернокислого железа (III) более 15 мг/л пo Fе2Оз; сернокислого алюминия более 18 мг/л по Al2O3.

С целью эффективного использования реагента и с учетом его влияния на активный ил рекомендуется введение сернокислого железа (II) - в начало аэротенка либо во флотационную емкость, сернокислого железа (III) - перед вторичным отстойником, сернокислого алюминия - в конец аэротенка.

При использовании в качестве реагента сернокислого алюминия для уменьшения концентрации взвешенных веществ в очищенной воде следует добавлять полиакриламид (ПАА). Ориентировочная доза ПАА 0,2-1 мг/л. Введение раствора ПАА осуществляется в иловую смесь перед вторичным отстойником.

При наличии в схеме очистки сточных вод на завершающем этапе фильтров с повышенной грязеемкостью (например, гравийно-песчаных фильтров с восходящим потоком воды) применение ПАА не обязательно.

Введение реагента на ступени биологической очистки позволяет снизить содержание в воде общего фосфора до 85 %, растворимых фосфатов до 95 %. Более глубокое удаление общего фосфора (до 90-95 %) достигается в процессе доочистки сточных вод фильтрованием. Введение реагента должно учитываться при определении объема аэротенка изменением зольности ила (коэффициент b) и удельной скорости окисления (коэффициент т). Тогда формула (48) п. 6.143 СНиП 2.04.03-85 определения продолжительности аэрации примет вид

tatm = (Len-Lex)/ai(1-s) m,                                                                      (72)

где ai - доза ила, принимается по табл. 25; s - зольность ила; b - поправка за счет введения реагента, принимаемая по табл. 26.

Удельная скорость окисления, мг БПКполн на 1 г беззольного вещества ила в 1 ч, определяется по формуле (49) СНиП 2.04.03-85.

Таблица 25

Доза реагента по Ме2О3 мг/л

Рекомендуемая доза ила аi г/л, в зависимости от БПК, поступающей в аэротенк сточной воды Len.

100

150

200

300

10

3

4

5

5

15

4

5

6

6

20

5

6

6

7

25

6

6

7

7

Примечание. При применении сернокислого алюминия или сернокислого железа (III) дозу ила принимать не более 5 г/л.

Таблица 26

Реагент

b при дозах реагента в Ме2О3

При применении сернокислого железа (III)

5

10

15

20

25

1,1

1,2

1,3

1,4

1,5

При применении других реагентов

1,07

1,15

1,2

1,22

1,22

Коэффициент, учитывающий изменение скорости окисления органического вещества за счет введения реагента по отношению к скорости окисления при биологической очистке, т, принимается по табл.27 в зависимости от нагрузки по коагулянту Nкоаг, мгМe2Оз/г беззольного вещества ила, рассчитанной по формуле

Nкоаг = Среагi(1-s),                                                                                  (73)

Удельный расход воздуха, м33, сточной воды определяется по формуле (61) СНиП 2.04.03-85. При этом в схеме с введением железного купороса средняя концентрация кислорода в аэротенке принимается равной 5 мг/л.

Таблица 27

Nкоаг

9

8

7

6

5

4

3

2

т

0,68

0,78

0,84

0,95

1

1,08

1,16

1,24

Рециркуляционный расход активного ила ориентировочно принимается в зависимости от рабочей дозы ила в аэротенке и дозы возвратного ила по данным табл. 28.

Таблица 28

Рабочая доза ила в аэротенке, г/л

Схема с введением

железного купороса

сернокислого железа (III) или алюминия

доза, г/л

рециркуляция, %

доза, г/л

рециркуляция, %

3

10

45

6,5

85

4

11,5

50

8,5

90

5

11,5

60

10,0

100

6

14,0

75

-

-

7

14,0

100

-

-

Перекачку возвратного ила рекомендуется осуществлять эрлифтами, что предупреждает излишнее дробление хлопка ила, создает большую аэробность системы и является более экономичным способом перекачки ила по сравнению с центробежными насосами. Выполнение этой рекомендации особенно важно при применении в качестве реагента сернокислого алюминия. Реагент вводится в аэротенк в виде раствора.

При применении гравийно-песчаных фильтров с восходящим потоком воды в схеме биолого-химической очистки расчет фильтров производится:

в схеме с введением сернокислого закисного железа перед аэротенком - по параметрам безреагентного фильтрования;

в схеме с введением сернокислого окисного железа перед вторичным отстойником или сернокислого алюминия в конце аэротенка следует принимать скорость фильтрования в рабочем режиме 9-10 м/ч, при форсированном 11-12 м/ч.

Промывку следует предусмотреть 2-3 раза в сут.

При расчете сооружений по обработке осадка необходимо учитывать увеличение массы сухого вещества активного ила в связи с образованием дополнительного химического осадка, количество которого на 1 мг/л Ме2О3 составляет 1 % прироста активного ила, рассчитанного по п. 6.148 СНиП 2.04.03-85.

Однако, несмотря на увеличение массы ила, объем избыточного ила сокращается в 1,5 раза в связи с лучшей способностью осаждаться. Активный ил обладает хорошими водоотдающими свойствами, аналогичными свойствами осадка после аэробной стабилизации.

Введение реагента на ступени биологической очистки не влияет на протекание процессов сбраживания осадков в метантенках. При механическом обезвоживании биолого-химических илов с применением реагентов расход последних можно сократить до 30 %.

Пример расчета аэротенка при биолого-химической очистке сточных вод с введением в аэротенк сернокислого железа

2.38. Исходные данные: расчетный расход сточных вод qW = 4160 м3/ч; БПКполн начальное и конечное Len = 200 мг/л и Lex = 15 мг/л; содержание взвешенных веществ Ссдр начальное и конечное 150 и 15 мг/л; содержание общего фосфора поступающей воды 16 по РО; требуемая доза реагента Среаг = 1 16 = 16 мг/л; К = 1 - по табл. 24.

Необходимо удалить 75 % общего фосфора.

При исходной БПКполн = 200 мг/л и необходимой дозе реагента 16 мг/л согласно табл. 25 биолого-химический процесс целесообразно вести при дозе активного ила ai = 6 г/л. При этих параметрах увеличение зольного ила принимаем по табл. 26,  = 1,3, т. е. зольность ила будет 0,3.1,3 = 0,39.

Нагрузку по коагулянту определяем по формуле (73)

Nкоаг = 16/6(1-1,3×0,3) = 4,4 мг/г.

По табл. 27 коэффициент изменения удельной скорости окисления органических загрязнений при Nкоаг = 4,4 мг/г составит m = 1,04.

Скорость окисления органического вещества при биологической очистке определяем по формуле (49) СНиП 2.04.03-85

 = 85.15.5/[(15.5+33+0,625.15)(1+0,07.6)] = 18 мг.БПКполп/(г.ч).

где  = 85 мг.БПКполн/(г×ч); Со = 5 мг/л (использование железного купороса); Кi = 33 мг.БПКполн/л; Ко = 0,625 мг/л;  = 0,07 л/r.

Удельная скорость окисления органических веществ при биолого-химической очистке m = 18.1,04 = 18,7 мг БПКполн/(г×ч).

Расчет периода аэрации в аэротенках производим по формуле (72)

tatm = (200-15)/6(l-0,39) 18,7 = 2,73 ч.

Рециркуляцию ила принимаем по табл. 28 - 75 %. Тогда прирост ила составит 1,16 (0,8×150+0,4×15) = 145 мг/л.

В заключение определяем количество реагента для расчета реагентного хозяйства при содержании 52 % FeSO4 в техническом железном купоросе (Рренг) по формуле

Qренг = qW Среагренг = 4160×16×1,9×100×24/52×1000×1000 = 5,76 т/сут.

3. СООРУЖЕНИЯ ДЛЯ ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКОЙ очистки сточных вод

Нейтрализация сточных вод

3.1. Кислые и щелочные сточные воды перед сбросом их в промышленную канализацию или водоемы должны быть нейтрализованы до достижения величины рН, равной 6,5-8,5. При нейтрализации сточных вод допускается смешение кислых и щелочных стоков для их взаимонейтрализации:

3.2. Пример расчета взаимной нейтрализации. Исходные данные: кислые сточные воды содержат H2SO4 - 4,7; HCl - 3,8 г/л; щелочные сточные воды содержат NaOH - 3,3; Na2CO3 - 2,9 г/л. Для расчета взаимной нейтрализации концентрации кислот и щелочей надо выразить в г-экв/л.

В кислых сточных водах это составит

Нa2SO4 - 4,7:49 = 0,0958 г-экв/л;

НС1 - 3,8:36,5 = 0,1041 г-экв/л;

итого кислот - 0,2 г-экв/л.

NaOH - 3,3: 40 = 0,0825 г-экв/л;

Nа2СО3 - 2,9: 53 = 0,0547 г-экв/л;

итого щелочей - 0,1372 г-экв/л; где 49; 36,5; 40; 53 грамм-эквиваленты Нa2SO4, HC1, NaOH и Nа2СО3 соответственно.

В результате смешения равных объемов данных сточных вод преобладают кислые стоки: 0,2-0,1372 = 0,0628 г-экв/л. Для их нейтрализации потребуется дополнительно 0,0628 г-экв/л щелочи. Это количество щелочи содержится в 0,46 л щелочной воды, что видно из следующего расчета: в 1 л содержится 0,1372 г-экв/л щелочи, а в Х л содержится 0,0628 г-экв/л щелочи, тогда Х = 0,0628:0,1372 = 0,46 л щелочной воды.

Следовательно, для получения при взаимной нейтрализации воды с величиной рН = 7 надо смешивать с 1 л кислой воды 1,46 л щелочной воды. Если для расчета взаимной нейтрализации известны величины рН, то пересчет концентрации производится по формулам:

для кислых стоков

pH = - lg,                                                                                                 (74)

где Х - концентрация кислоты, г/л; Э - ее эквивалентная масса;

для щелочных стоков

pH = 14+lg,                                                                                             (75)

где X1 - концентрация щелочи, г/л; Э1 - ее эквивалентная масса.

3.3. Пример расчета концентрации НNО3, имеющей величину рН = 2,02.

По формуле (74) произведем следующий расчет:

2,02 = - lg; 2,02 = - (lgХ - lg63) = - lgX + lg63,

где 63 - эквивалентная масса HNO3; lg 63 = 1,8, тогда 2,02 = - lgX+1,8; lgX = 1,8-2,02 = - 0,22 + 1,78; X = 0,603 HNO3 г/л (0,603 антилогарифм 1,78).

3.4. Пример расчета концентрация NaOH, имеющей величину рН =12,77.

По формуле (75) произведем следующий расчет;

12,77 = 14+lg ;                               12,77 = 14 +(lgX1-lg40)

где 40 эквивалентная масса NaOH, lg 40 = 1,602, тогда 12,77 = 14+lgX1 - 1,602; lgX1 = 12,77-14+l,602 = 0,372; X1 = 2,36 NaOH г/л (2,36 антилогарифм 0,372).

Непрерывно действующие фильтры, загруженные кусковым мелом, известняком, магнезитом, мрамором, доломитом н другими химическими веществами, могут применяться для нейтрализации соляно-кислых и азотно-кислых сточных вод, а также серно-кислотных, содержащих не более 5 г/л H2SO4 и не содержащих солей тяжелых металлов.

Если нейтрализуемая сточная вода содержит катионы металлов, то доза нейтрализующего реагента рассчитывается как на свободную кислоту, так и на концентрацию металлов. При достижении оптимального значения величины рН-6,5-8,5 основное количество металлов выделяется в осадок в виде соответствующих гидроксидов.

3.5. Расчет количества образующегося осадка производится по формуле (80) СНиП 2.04.03-85

.

Третий член в данной формуле не учитывается, если его значение отрицательное.

3.6. Объем образующегося осадка рассчитывается по формуле (81) СНиП 2.04.03-85

Wmud = (10.M)/(100-Pmud).

3.7. Пример расчета количества осадка, образующегося при нейтрализации кислых сточных вод, содержащих катионы металлов, производится по формулам (80) и (81) СНиП 2.04.03-85.

Исходные данные. Нейтрализуемая сточная вода содержит 7 г/л FeSO4, и 10,3 г/л H2SO4. Применяемая для нейтрализации известь содержит 50 % активной СаО (A). Расход нейтрализуемой сточной воды qw = 120 м3/сут.

Определяем количество сухого вещества в осадке M по формуле (80) СНиП 2.04.03-85. По реакции FeSO4,+CaO+H2OCaSО4+Fe(OH)2 находим значения A1, A2 и A3:

FeSO4 + СаО + H2ОCaSO4 + Fe(ОН)2,

152        66                    36             90

7            A1,                   A2             A3

A1 = (7.56)/152 = 2,6 г/л;                 A2 = (7.136)/152 = 6,2 г/л;

A3 = (7.90)/152 = 4,1 г/л.

Затем по реакции H2SO4+CaO - CaSО4+H2О находим значения E1 и E2:

H2SО4 + СаО  CaSO4, + Н2О

98          66        136

10,3       E1        Е2,

E1 = (10,3.56)/98 = 5,9 г/л;                                   E2 = 10,3.136/98 = 14,3 г/л.

Найденные значения подставляются в формулу (80) СНиП 2.04.03-85.

 г/м3.

Определяем объем осадка, образующегося при нейтрализации 1 м3 сточной воды при влажности его 90 % по формуле (81) СНиП 2.04.03-85

Wmud = (10×31,1)/(100-90) = 3,l %.

Общее количество влажного осадка будет 31,1.120:1000 = 4,7 т/сут.

Заметим, что влажность осадка всегда должна быть меньшей или равной 100 % минус количество сухого вещества. Если, например, количество сухого вещества M = 31,1 кг/м3, то влажность осадка не может быть более 96,9 %, а всегда равна или меньше этой величины.

Ориентировочное количество осадка, образующегося в зависимости от концентрации кислоты и ионов тяжелых металлов в нейтрализуемой воде и выделяющегося в накопителях, предназначенных для складирования его, может быть принято по следующим данным:

концентрация кислоты и ионов

тяжелых металлов, кг/м3 . .    5        10      15        20        30          40        50

количество осадков, м3, накапливаемых за 1 год, от каждого 1 м3/сут

нейтрализованной воды . . .  33      51      65        76        93          108      118

Адсорберы

3.8. Аппаратурное оформление адсорбционной очистки сточных вод активными углями включает комплекс оборудования и его обвязки, обеспечивающий в общем случае следующие технологические операции:

а) подачу сточных вод в адсорбер;

б) контакт сточных вод с адсорбентом в адсорбере;

в) отделение очищенной воды от адсорбента и вывод ее из адсорбционной аппаратуры;

г) вывод отработанного адсорбента из адсорбера с утилизацией или регенерацией его;

е) загрузку в адсорбер чистого адсорбента.

3.9. Выбор конструкции адсорберов прежде всего обусловлен дисперсным составом адсорбента, который принимается с учетом дефицитности, его стоимости н возможности регенерации.

В зависимости от дисперсного состава адсорбента принципиальные конструкции адсорберов можно подразделить на следующие типы;

I - адсорбер с неподвижной или движущейся загрузкой, через которую водный поток фильтруется или нисходящим потоком со скоростью до 20 м/ч, или восходящим - со скоростью до 12 м/ч, применяется для фракции 0,8-5 мм;

II - адсорбер с псевдосжиженной загрузкой, расширение слоя которого осуществляется не менее чем на 50 % восходящим потоком воды со скоростью 10-40 м/ч, применяется для фракций 0,25-2,5 мм;

III - адсорберы-смесители применяются для фракции 0,05- 0,5 мм;

IV - патронные адсорберы с фильтрованием воды со скоростью 1-12 м/ч через слой адсорбента толщиной 0,5-2 см, применяются для фракции 0,02-0,1 мм.

Адсорберы I типа могут применяться для очистки любых объемов сточных вод самого широкого спектра концентрации и химического строения извлекаемых примесей.

Если исчерпание емкости адсорбента происходит на коротком слое загрузки (за счет высокой эффективности адсорбции или малой концентрации адсорбата) и процесс можно прервать на период смены загрузки или ее регенерации, то вся высота загрузки, используемая для адсорбции, размещается в одном адсорбере.

Если требуемая высота загрузки больше размеров одного адсорбера или процесс не может прерываться, то используются несколько последовательно работающих адсорберов, или порционный (дискретный или непрерывный) вывод из адсорбера отработанного адсорбента.

В тех случаях, когда расход воды превышает допустимый для одного адсорбера или требуемую степень очистки можно обеспечить за счет смешения потоков, поступающих из адсорберов с разной эффективностью работы, устанавливают параллельно работающие адсорберы.

Адсорберы II типа наиболее целесообразно применять для очистки небольших объемов сточных вод с хорошо сорбируемыми загрязнениями.

Адсорберы III типа эффективно использовать для очистки небольших объемов высококонцентрированных сточных вод, а адсорберы четвертого типа для очистки небольших объемов низкоконцентрированных сточных вод (5-10 мг/л извлекаемых примесей).

Адсорберы с неподвижной гранулированной загрузкой выполняются в виде металлических колонн или бетонных резервуаров. Промышленное изготовление таких колонных адсорберов в настоящее время ограничено. Возможно применение сорбционных угольных фильтров, предназначенных для глубокой очистки конденсата от нефтепродуктов на ТЭЦ, для обработки любой сточной воды активными углями при условии предварительного удаления из воды грубодисперсных примесей.

Фильтры сорбционные угольные вертикальные (ФСУ-2, 0-6; ФСУ-2, 6-6; ФСУ-3, 0-6 и ФСУ-3, 4-6) представляют собой однокамерные цилиндрические аппараты из листовой стали с приваренными эллиптическими штампованными днищами. К нижнему днищу приварены три опоры для установки фильтра на фундамент. В центре верхнего и нижнего днища приварены патрубки для подвода и отвода сточной воды. К ним снаружи присоединяются трубопроводы, расположенные по фронту фильтра, а внутри - распределительные устройства, состоящие из вертикальных коллекторов, соединенных с радиально расположенными перфорированными трубами.

Корпус угольного фильтра снабжен двумя лазами - верхним эллиптическим размером 420´320 мм и нижним круглым диаметром 600 мм. На уровне нижнего распределительного устройства к корпусу фильтра приварен штуцер для гидравлической выгрузки отработанного угля. При общей высоте фильтра 5-5,7 м высота загрузки составляет 2,5 м.

Ввиду дефицитности угольных фильтров в качестве адсорберов может использоваться и промышленное оборудование, изготавливаемое для фильтрования волы через другие загрузки, например фильтры ионообменные.

Все указанные фильтры рассчитаны на подачу воды под напором до 0,6 МПа, но могут работать и в безнапорном режиме. Корпус и трубопроводы фильтров изготовляются из углеродистой стали, их внутренние поверхности подлежат защите коррозионно-стойкими покрытиями, распределительные устройства изготавливаются из нержавеющей стали и полиэтилена.

В комплект поставки входят: корпус фильтра, верхнее и нижнее распределительные устройства, трубопроводы и арматура в пределах фронта фильтра, пробоотборное устройство, манометры с трехкодовыми кранами и сифонными трубками, крепежные и прокладочные материалы.

В тех случаях, когда производительность адсорберов с плотным слоем загрузки превышает 120-200 м3/ч, а также при отсутствии промышленных адсорберов, они изготавливаются в индивидуальном порядке в виде металлических колонн напорного и безнапорного типа или в виде открытых бетонных резервуаров.

В резервуарных адсорберах гранулированный адсорбент укладывается или на беспровальную решетку с колпачковыми дренажными устройствами, или на слой гравия и мелкого щебня высотой 0,4-0,5 м. Трубчатая система подачи сточной воды устанавливается в слое гравия и представляет собой набор кольцевых или радиальных трубопроводов с отверстиями, направленными к нижней части адсорбера.

В резервуарных адсорберах сбор очищенной воды осуществляется системой открытых лотков или перфорированных трубопроводов. Выгрузка отработанного угля ведется гидроэлеватором или через придонное отверстие при расширении загрузки восходящим потоком воды. Загрузка свежим активным углем обеспечивается гидроэлеватором.

Подача воды в колонны осуществляется равномерно по сечению адсорбера с помощью распределительной системы, сбор очищенной воды - открытыми лотками или трубчатой системой. Впуски и выпуски воды могут быть оформлены также и в виде решетчатых патрубков, равномерно рассредоточенных по сечению колонны в верхней и нижней ее части. Патрубки выполняются из нержавеющей стали с отверстиями 0,5 мм, поверхность их покрыта сеткой из нержавеющего материала. Количество и размер патрубков следует принимать из расчета площади решеток не менее 0,025 м2/1000 м3 в сут расхода воды. Подающие и сборные патрубки устанавливаются таким образом, чтобы площадь адсорбера между патрубками и наружными стенками составляла половину поперечного сечения адсорбера. В напорных колонных адсорберах вверху необходимо предусмотреть устройство для регулирования давления в колонне. В противном случае возможно разрушение адсорбера при его опорожнении и образование воздушных пробок в загрузке адсорбера при его наполнении.

Перегрузка адсорберов может выполняться с помощью воздушного или водного потоков, но в первом случае наблюдается большая эрозия труб и арматуры, а также срыв вакуума. Поэтому чаще применяется гидротранспорт угля по трубопроводам уклоном 0,02-0,1°, диаметром не менее 50 мм при скорости угольной пульпы 0,8-1 м/с и отношении твердой части к жидкой в пульпе по массе Т:Ж не менее 1:8.

Перед загрузкой в адсорбер уголь замачивается горячей водой в течение 5 ч или холодной водой в течение 20-24 ч при постоянном перемешивании.

Адсорберы с движущейся плотной или ожиженной не более чем на 10 % загрузкой выполняются в виде колонных аппаратов, дополнительно оборудованных устройствами для непрерывной подачи сверху замоченного и отмытого от мелкой фракции адсорбента, находящегося в верхней части адсорбера, и для вывода отработанного адсорбента из нижней зоны адсорбера. Сточная вода при этом подается через распределительное устройство под загрузкой и собирается сборным устройством над загрузкой угля. Кроме того, адсорбер оборудуется устройством, обеспечивающим равномерность перемещения толщи угольной загрузки по поперечному сечению аппарата.

В отечественном промышленном изготовлении адсорберов с противотоком воды и плотной угольной загрузкой не имеется. ВНИИ ВОДГЕО и Институт гидромеханики АН СССР разработали и проверили на опытной модели конструкцию адсорбера, которая может быть использована для экспериментального проектирования.

Наиболее надежными адсорберами второго типа с псевдо-ожиженным слоем угольной загрузки являются цилиндрические металлические колонны, разделенные по высоте беспровальными решетками, оборудованными переточными устройствами. Очищаемая сточная вода подается в нижнюю часть аппарата по трубчатой системе большого сопротивления, уложенной в слое гравия, очищенная вода отводится через кольцевое сборное устройство в верхней части адсорбера. Активный уголь в сухом виде непрерывно дозируется с помощью вакуумной системы через шлюзовой питатель в загрузочное устройство, где происходит его замачивание и перемещение в адсорбер.

Выгрузка отработанного угля осуществляется эрлифтом, нижний конец которого установлен вблизи гравийных поддерживающих слоев. Угольная загрузка, заключенная в каждой секции между беспровальными решетками, расширяется восходящим потоком воды в 1,5-1,75 раза по сравнению с высотой того же объема загрузки в неподвижном состоянии. Режим перетока сорбента с верхних решеток на нижние задается на основе расчета необходимой дозы сорбента и расхода сточных вод.

В адсорберах с псевдоожиженным слоем нет необходимости отмывать загружаемый уголь от пылевидной фракции, так как она выносится из адсорбера вместе с очищенной водой. После адсорберов с псевдоожиженным слоем обязательно устанавливается фильтр для осветления воды. В настоящее время в химической технологии разработано и применяется большое число мешалочных аппаратов и патронных фильтров, которые могут быть использованы как адсорберы III и IV типов. Для перемешивания сточных вод с активным углем рекомендуется использовать лопастные, турбинные или пропеллерные мешалки в аппаратах, изготавливаемых отечественной промышленностью.

При выборе мешалочных адсорберов следует учитывать, что для угольной суспензии наиболее эффективны следующие параметры лопастных мешалок: диаметр мешалки dм = 0,3-0,8 от диаметра адсорбера (D), ширина лопасти мешалки B = 0,05-0,4 от dм, высота уровня жидкости в сосуде Н = 0,8-1,3 от D, расстояние между дном аппарата и краем лопасти hм = 0,2-0,4 от dм, параметры турбинных мешалок: dм = 0,15-0,6 от D; B = 0,l-0,2 от dм; H = 0,8-1,5 от D; высота мешалки hм = 0,3-0,8 от dм; пропеллерной мешалки - dм = 0,2-0,5 oт D; шаг винта S = 1-3 от D; hм = 0,5-1 от D; H = 0,8-1,2 от D.

Адсорберы IV типа - патронные фильтры широко используются в химической технологии, например в ионообменной технологии для очистки низкосолевых водных растворов. Практически все промышленные аппараты этого типа могут быть использованы для адсорбционной очистки, но специфика физических характеристик сорбента требует и специфичных технологических параметров эксплуатации.

В настоящее время в промышленной практике адсорбции загрязнений из малоконцентрированной по органическим загрязнениям воды на мелкодисперсных активных углях КАД и БАУ могут применяться патронные фильтры, площадь фильтрации 248 патронов составляет 80 м2. Патроны выполнены из витой проволоки, для намыва на них угольного порошка фракции 40 - 30 мкм, они предварительно покрываются двойной капроновой сеткой производства Рахмановской шелкопрядильной фабрики. Продолжительность фильтроцикла в зависимости от состава очищаемой воды обусловлена либо потерями напора, либо проскоком недопустимой концентрации растворенных загрязнений.

3.10. Для проектирования адсорберов должны быть известны следующие параметры: размеры адсорберов, объем и масса загрузки адсорбента, режим смены загрузки, количество и технологическая схема обвязки адсорберов, тип и количество используемой арматуры.

При расчете адсорберов необходимы следующие исходные параметры: расход сточных вод; начальная концентрация загрязнений; концентрация загрязнений в очищенной воде; изотерма адсорбции; скорость фильтрования сточной воды через загрузку или скорость движения сточной воды через поперечные сечения адсорбера; объем адсорбента, единовременно выгружаемого из адсорбционной установки; ориентировочная продолжительность периода работы адсорбента до проскока и соответственно замены отработанного адсорбента чистым; требуемая степень отработки; кажущаяся и насыпная плотность адсорбента.

В том случае, когда физико-химический состав загрязнений в сточной воде неизвестен, например, в многокомпонентной сточной воде после биохимической очистки, в расчете концентраций адсорбата может использоваться обобщенный показатель, в частности ХПК, БПК, органический углерод.

Расчет размеров адсорберов начинают с определения общей площади адсорбционной установки, используя формулу (82) СНиП 2.04.03-85, а затем, выбрав конструкцию и площадь поперечного сечения одного адсорбера, рассчитывают минимально необходимое число параллельно работающих адсорберов.

Наиболее точный расчет высоты загрузки адсорбента в адсорберах и режима ее замены выполняется по результатам работы модели адсорбера выбранной конструкции на данной или аналогичной сточной воде. В режиме, соответствующем реальному, т.е. при сохранении продолжительности контакта и объемной нагрузки сточной воды на адсорбент (скорости фильтрования), определяют продолжительность работы адсорбера до проскока минимально допустимой концентрации и до полного исчерпания емкости адсорбента.

На основе указанных опытных данных для адсорберов с плотным слоем загрузки строят выходную кривую. Выходная кривая представляется в виде графика в системе координат: концентрация адсорбата в жидкой фазе Ci - на оси ординат и время t - на оси абсцисс. Она характеризует изменение концентрации в очищаемой воде в каком-либо сечении адсорбционной колонны в процессе адсорбции. Выходная кривая начинается с момента появления минимальной проскоковой концентрации и заканчивается моментом появления максимальной концентрации адсорбата в воде.

По данным экспериментальной выходной кривой определяется длина зоны массопередачи Нм, заключенной между слоями чистого и отработанного адсорбента:

                                                                    (76)

С увеличением скорости водного потока  длина зоны массопередачи увеличивается, но для многокомпонентной сточной воды - менее чем в пропорциональном отношении, в частности при доочистке биохимически очищенных сточных вод:

.от                                                                    (77)

Длина зоны массопередачи должна быть меньше общей высоты загрузки на резервную высоту слоя, обеспечивающего очистку сточных вод в период смены отработанного адсорбента, и на высоту слоя отработанного адсорбента. Резервную высоту загрузки определяют по двум выходным кривым на высоте На и НБ

,                                                                            (78)

где un - фактическая скорость водного потока, равная  ( - порозность загрузки).

Для расчета продолжительности работы адсорберов до смены адсорбента используют данные выходной кривой по объему жидкости, обработанной определенным объемом загрузки до обеспечения требуемого исчерпания емкости:

.                                                                                    (79)

Для расчета массы адсорбента следует пользоваться величиной кажущейся плотности (следует учитывать, что насыпная плотность активных углей характеризует массу образца адсорбента, занимающего определенный объем, включая воздушные прослойки между частицами угля и внутри его пор, и составляет 0,25-0,6 г/см3). В отличие от насыпной, кажущаяся плотность активных углей включает только массу частиц с внутренними порами. При заполнении внутренних пор частиц воздухом эта величина равна 0,4-0,9 г/см3. При заполнении внутренних пор водой кажущаяся плотность равна 1,2-1,5 г/см3, поэтому в плотном слое мокрого гранулированного угля возможно создавать восходящий поток воды со скоростью 8-12 м/ч без всплывания частиц угля. Истинная плотность углеродного скелета активного угля равна 1,9-2 г/см3. Следует учитывать и повышение плотности углей в процессе накопления на их поверхности молекул адсорбата. Изменение плотности адсорбентов должно учитываться при пересчете объема активных углей на их массу, в частности, при перегрузках адсорбционных аппаратов и расчете поддерживающих конструкций.

Потери адсорбента при перегрузке зависят от его прочности, которая для активных углей в зависимости от исходного сырья и технологии активации находится в пределах 60-90 %. В частности, прочность менее 75 % приводит к потерям на истирание более 15 %, поэтому эти угли рекомендуются к одноразовому употреблению.

При отсутствии выходных кривых и других данных работы модели адсорберов в реальных режимах эксплуатации расчет необходимого объема загрузки адсорбента начинают с определения дозы адсорбента, обеспечивающей требуемую характеристику очищенной сточной воды.

Этот расчет для условия полного исчерпания емкости адсорбента при извлечении одного компонента при известных характеристиках адсорбата и адсорбента ведется по формуле

                                 (80)

где Vм - молярный объем сорбата, дм3/моль.

Во всех остальных случаях (многокомпонентный состав загрязнений, отсутствие характеристик адсорбата и адсорбента и пр.) используется формула из СНиП 2.04.03-85

.                                                                        (81)

Изотерму адсорбции, выражающую связь между концентрацией адсорбата в воде (Св мг/л) и максимальной адсорбционной емкостью (, мг/л), описывают уравнениями. При начальной концентрации сточной воды до 100 мг/л ХПК можно использовать изотерму Генри

 = ГСex;  = ГСen.                                                                              (82)

При больших концентрациях обычно используют изотерму Фрейндлиха

 = f ;  = f.                                                                         (83)

Адсорбция индивидуального вещества из воды при условии заполнения поверхности монослоем может быть описана уравнением Лэнгмюра

 =  bCex/(1+bCex).                                                                            (84)

Для адсорбции ограничено растворимого вещества с размером молекулы, близким размеру пор адсорбента из однокомпонентного раствора, может быть использовано уравнение

lg  = lg- 2,3 .                                                            (85)

Определив коэффициенты по опытным точкам, вычисляют величины  и , задавшись Cex и Сen, и по ним определяют дозы адсорбента, которые в статических условиях обеспечивают очистку воды до требуемого качества (до проскока) и до качества воды, соответствующего заданному исчерпанию емкости адсорбента. На основе расчетных доз, задавшись ориентировочной продолжительностью работы адсорбционной установки до перегрузки адсорбера, рассчитывают высоту адсорбционной загрузки, обеспечивающей очистку воды до проскока Н2 и высоту загрузки, которая за тот же период должна исчерпать емкость Н1

; .                                                           (86)

Уточняется величина Н1 с учетом условий замены отработанного адсорбента чистым, т.е., например, для неподвижного плотного слоя загрузка Н принимается равной высоте загрузки в одном аппарате.

Общая высота загрузки адсорбента принимается не менее чем

Нtot = H1+H2+H3.                                                                                          (87)

Ввиду того, что условия исчерпания емкости адсорбента в динамическом (проточном) режиме отличаются от принятых для ориентировочного расчета статических (контактных) условий, необходимо уточнить продолжительность работы загрузки адсорбционной установки до проскока по формуле

;                                                            (88)

.                                                                                                 (89)

При отсутствии справочных данных в расчете адсорберов с активных углем e принимается равным 0,5. В условиях адсорбционной очистки воды от одного компонента при Re>4 расчет продолжительности работы адсорбера до появления на выходе из слоя проскоковой концентрации проводится по формуле

.                         (90)

Расчет при Re<4 проводится по формуле

.                                 (91)

Формулы для определения коэффициентов массоотдачи имеют вид

; (0,2 < Re2 < l);                                         (92)

; (l<Re<4).                                                  (93)

Добиться уменьшения объема угля в адсорбционной установке, не снизив эффект очистки, можно, обеспечив непрерывный или дискретный вывод из адсорбера порций отработанного адсорбента и одновременную подачу в него порций чистого адсорбента. Такой процесс может быть осуществлен в адсорберах с движущимся слоем загрузки. Скорость движения загрузки должна быть равна скорости перемещения контролируемого концентрации адсорбата по слою загрузки при условии его неподвижности. В практике очистки сточных вод эта скорость находится в пределах 1-20 см/ч.

Для расчета скорости перемещения по неожиженному слою адсорбента заданной концентрации загрязнений сточных вод, находящейся в пределах 20-80 % начальной, используется формула

.                                                                              (94)

В условиях адсорбционной обработки многокомпонентной сточной воды граница исчерпания емкости сорбента перемещается медленнее границы проскоковой концентрации, поэтому режим выгрузки отработанного сорбента должен периодически корректироваться.

В адсорберах с псевдоожиженным углем для расчета используются формулы:

для двухсекционного аппарата

,                                                     (95)

для трехсекционного аппарата

                                        (96)

3.11. На основе выполненных теоретических исследований приведем примеры расчета.

Пример 1. Расчет адсорбционной установки с плотным неподвижным слоем гранулированного активного угля для очистки многокомпонентной воды.

Исходные данные: производительность qw = 10 тыс м3/сут. или 417 м3/ч; начальная величина ХПК (Сen) = 625 мг/л; конечная величина ХПК ех) = 50 мг/л; изотерма адсорбции соответствует уравнению Фрейндлиха: аsb в мг/г; С в мг/л;  = 253C; линейная скорость относительно стен адсорбера  составляет 10 м/ч; ориентировочная продолжительность работы установки до проскока  = 24 ч; уголь АГ-3, его кажущаяся плотность  = 0,90, насыпная  = 0,45; высота слоя угля в одном адсорбере Hads = 2,50 м; заданная степень исчерпания емкости сорбента Кsb = 0,7; диаметр адсорбера D = 3,5 м.

Порядок расчета: определяем максимальную сорбционную емкость  в соответствии с изотермой, мг/г:

 = 253C = 253.0,6251/2 = 200;                                                          (97)

Находим общую площадь одновременно и параллельно работающих адсорберов, м2;

.                                                                            (98)

Количество параллельно и одновременно работающих линий адсорберов при D = 3,5 м, шт:

.                                                                     (99)

Принимаем к работе четыре параллельно и одновременно работающих линий адсорберов при скорости фильтрации 11 м/ч.

Максимальная доза активного угля, г/л (кг/м3):

.                                                       (100)

Доза активного угля, выгружаемого из адсорбера, г/л (кг/м3):

.                                                                (101)

Ориентировочная высота загрузки, обеспечивающая очистку м:

.                                                      (102)

Ориентировочная высота загрузки, выгружаемая из адсорбера, м:

                                                          (103)

Высота слоя отработанного адсорбента, выгружаемого из адсорбера, принимается равной загрузке одного адсорбера Н = 2,5 м, резервная высота загрузки H3 = 2,5 м, H2 = 5.

Общая высота загрузки адсорбента в адсорбционной установке принимается с учетом установки одного резервного адсорбера, м:

Htot = H1 + Н2 + H3 = 2,5 + 5 + 2,5 = 10.                                                     (104)

Общее количество последовательно установленных в одной линии адсорберов

Nads = 10/2,5 = 4 шт.

Продолжительность работы tads адсорбционной установки до проскока (при одном адсорбере, находящемся в процессе перегрузки), ч:

;                                                  (105)

при порозности загрузки

;                                                                                  (106)

 ч.                                               (107)

Продолжительность работы одного адсорбера до исчерпания емкости, ч:

.                                                 (108)

Таким образом, требуемая степень очистки может быть достигнута непрерывной работой четырех параллельных линий адсорберов, в каждой из которых по четыре последовательно установленных адсорбера, из которых один резервный находится в режиме перегрузки. Каждый адсорбер при этом работает в течение 51 ч, отключение одного адсорбера в последовательной цепи на перезагрузку производится через 17 ч.

Произведем расчет объема загрузки одного адсорбера, м3:

;                                                             (109)

сухой массы угля в одном адсорбере, т:

.                                                                        (110)

При перезагрузке четырех адсорберов через каждые 17 ч (по одному из каждой линии) затраты угля составят, т/ч:

,                                                                         (111)

что соответствует дозе угля, г/л:

.                                                                   (112)

Пример 2. Расчет адсорбционной установки, оборудованной аппаратами с неподвижным слоем активного угля для очистки однокомпонентного водного раствора от вещества известного строения.

Исходные данные: производительность установки 120 м3/ч; активный уголь КАД-иодный с эквивалентным диаметром зерен 2,5×10-3 м; начальная концентрация бензойной кислоты в сточной воде Сen = 10,65 моль/м3; конечная концентрация бензойной кислоты в очищенной воде Сex = 0,l моль/м3; высота слоя угля в адсорбере Hads = 3 м.

Порядок расчета: определяем константу адсорбционного равновесия Kp по табл. 29, расчет производим по формуле

;                                                                                              (113)

где R = 8,33 Дж/(моль.град), при температуре сточной воды t = 25 °С; T = 289°, откуда RT = 2,48 КДж/моль;

Логарифмируем выражение (113)

,

где K = 10000; 2,303 - коэффициент перевода ln в lg.

Расчет равновесной (минимальной) дозы активного угля для извлечения бензойной кислоты проводим по формуле

,                                                                                   (114)

где  - отношение молярного объема данного вещества к молярному объему стандартного вещества; * - молярный объем бензойной кислоты, равный 0,1135 дм3/моль;  - молярный объем стандартного вещества (постоянная величина в расчетах, равная 0,09 дм3/моль); Сen = 10,65 моль/м3; Сs - растворимость бензойной кислоты в воде, равная 27,8 моль/м3; Кр - константа адсорбционного равновесия для поглощения вещества, равная 10000;  - предельный адсорбционный объем, равный для угля КАД-иодный 0,3 дм3/кг.

Подставив значения приведенных величин в уравнение (114) и прологарифмировав, получим

откуда Dsp = 4,7 мг/м3.

3. Определим коэффициенты массоотдачи при адсорбции в плотном слое активного угля при Рr = v/Dм и Re = d/v no формулам:

 (0,2<Re<1).                                             (115)

 (1< Re < 4),                                              (116)

где eн - порозность неподвижного слоя, принимаемая равной 0,4; Dm - величина коэффициента молекулярной диффузии берется из справочных данных (Д. Шервуд; Т. Рид. Свойства газов и жидкостей - М: Химия, T.1. - 1969. - 640 с; Справочник химика. - М.: Химия, - 1971. - 1168 с.); v - величина кинематической вязкости воды, равная: v = 10-6 м2/с.

Рассчитаем коэффициент массоотдачи  при адсорбции бензойной кислоты на активном угле. При диаметре зерен активного угля равном (2-3)10-3 м, средний диаметр зерен равен 2,5´10-3 м. Величина коэффициента молекулярной диффузии бензойной кислоты в воде равна: Dм = 0,89×10-9 m2/c.

Рассчитаем критерий Рейнольдса и Прандтля при различных скоростях потока:

а) пусть  = 0,278×10-3 м/c (1 м/ч); тогда

Re = 0,278×10-3 2,5×10-3/10-6 = 0,694;

Рг = 10-6/0,89×10-9 = 1123,595.

Поскольку Re = 0,694, расчет проводим по формуле (115)

1/ч;

б) пусть  = 2,222×10-3 м/с (8 м/ч), тогда

.

Поскольку Re = 5,555>4, расчет проводим по формуле (116)

 или .

Тогда

 1/ч.

Рассчитаем время работы адсорбера до появления на выходе из слоя проскоковой концентрации органического вещества. При Re<4 расчет tads, проводится по формуле (91), где tads, время работы адсорбера или группы последовательно соединенных адсорберов до появления проскоковой концентрации, ч:

,

,

где C0,5 - содержание извлекаемого вещества в сточной воде, равновесное с количеством вещества, равным половине Dsb моль/м3.

Задание. Рассчитать время работы адсорбера до проскока при:  = 0,278×10-3 м/с = 1 м/ч;  = 430 кг/м3; Htot = 3; Сen = 10,65 моль/м3; С = 0,1 моль/м3.

Рассчитаем величину

.

По данным предыдущих расчетов K = 10000; Сs = 27,8 моль/м3;  = 1,26.

Рассчитаем продолжительность tads;ч, работы адсорбера до регенерации активного угля

При Re>4 расчет продолжительности работы адсорбера до появления на выходе из слоя проскоковой концентрации проводится по формуле (90).

Рассчитаем величину tads, ч, при скорости фильтрования, равной  = 2,222.10-3 = 8 м/ч. При этом  = 26,568 1/ч,

 ч.

Расчетное количество работающих адсорберов определяем исходя из требуемой производительности установки, площади qw, аппарата fads и скорости движения очищаемой сточной воды в адсорбере .

Приняв диаметр аппарата D = 3,2 м (fads = 8,04 м2) и скорость движения жидкости  = 1 м/ч, находим требуемое количество работающих адсорберов при производительности установки 120 м3

 (аппаратов).

Время работы каждого адсорбера при заданных условиях фильтрования сточной воды составляет приблизительно 245 ч. При скорости движения очищаемой жидкости  = 8 м/ч и D = 3,2 м необходимое количество работающих адсорберов

 (аппарата).

Время работы каждого адсорбера в этом случае до проскока бензойной кислоты составляет 29 ч.

Пример 3. Расчет адсорбционной установки, оборудованной аппаратами с псевдоожиженным слоем активного угля.

Исходные данные: производительность установки 400 м3/ч; используется активный антрацит с эквивалентным диаметром зерен 0,5 10-3 (0,5 мм); начальная концентрация биологически очищенных сточных вод Сen - 50 г O3; конечная концентрация органических загрязнений в воде Сex = 15 г O3.

Порядок расчета: минимальную дозу активного угля при доочистке биологически очищенных сточных вод определяем по формуле, кг/м3:

Определяем расход активного угля, который зависит от числа секций адсорбционного аппарата. Рассмотрим определение расхода активного угля при расходе жидкости qw = 10 м3/ч в двух и трехсекционном аппарате. Расчеты проводим по формулам (95) и (96). Величина дозы активного угля, определенная в примере, составляет 5,8 кг/м3. Расход активного угля в двухсекционном аппарате qsb, кг/ч, определяем решением квадратного уравнения

;                                                         (117)

Принимаем двухсекционный аппарат с общей высотой псевдоожиженного слоя 3 м (1,5 м высота слоя на каждой секции).

3.12. Для определения основных технологических параметров работы адсорбционных аппаратов принимаем, что относительное расширение псевдоожиженного слоя в аппарате равно:  ( - высота псевдоожиженного слоя, образованного из неподвижного, высотой ). Тогда порозность  псевдоожиженного слоя с заданным относительным расширением составит

,

 - порозность неподвижного слоя, равная 0,4.

Преобразуя формулу

,                                                                           (118)

находим скорость восходящего потока жидкости, , м/ч, обеспечивающей заданную порозность псевдоожиженного слоя, где Ar - число Архимеда, определяемое по формуле

,                                                                          (119)

где Pi - удельная пористость сорбента.

Подставляя числовые значения в формулы (118) и (119), получим:

число Архимеда

;

порозность

,

где Re =  - число Рейнольдса, Re = 2,57.

Преобразуя число Рейнольдса, определим скорость потока , м/ч:

.

Таким образом, для обеспечения полуторакратного расширения псевдоожиженного слоя активного угля с размером частиц 0,5.10-3- (0,5 мм) скорость потока должна быть равна 18,5 м/ч.

При диаметре адсорбера 3 м его производительность qw, равна, м3/ч:

.

Следовательно, для обеспечения очистки 400 м3/ч сточной воды необходимо три адсорбционных аппарата.

Часовой расход равен (51,4/10)131 = 673 кг/ч. Перепад давления в псевдоожиженном слое активного угля определяем по формуле, Н/м2:

 

Для расчета адсорбционной аппаратуры в табл. 29 приводятся характеристики активных углей, выпускаемых отечественной промышленностью. В табл. 30 приведены инкременты стандартного уменьшения свободной энергии адсорбции из водных растворов некоторых структурных элементов и функциональных групп молекул органических веществ, часто встречающихся в сточных водах.


Таблица 29

Характеристика активированного угля

Марка активированного угля

ДАК

АГ-2

АГ-3

АГ-5

КАД-иодный

КАД-молотый

БАУ

АР

СКТ

ОУ-А сухой щелочный

ОУ-Б влажный кислый

Основной размер аерен (более 90 %) мм

1,0-3,6

1,0-3,5

1,5-2,5

1,0-1,5

1,0-1,5

0,04

1,0-3,6

3,5

1,5-2,7

Порошок

Порошок

рН водной вытяжки

7-8

7-8

7-8

7-8

7-8

7-8

7-8

7-8

6

8

4-6

Удельный объем пор, см3

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

общий

1,45

0,6

0,3-1

0,8-1,0

1,0-1,3

 

1,5-2,1

0,6-0,7

0,8-1,0

-

 

макропор (0,1- 0,004 мкм)

1,23

0,22

0,41-0,52

0,46

0,51-1,0

 

1,19-1,8

0,3-0,5

0,27

-

1,8

мезопор (0,0015- 0,004 мкм)

0,04

0,05

0,12-0,16

0,18

0,11-0,15

0,09

0,08-0,16

0,06-0,07

0,20

0,20

0,15

микропор (менее 0,0015 мкм)

0,17

0,3

0,32-0,42

0,43-0,46

0,29-0,34

0,11-0,23

0,23-0,35

0,28-0,33

0,51

0,28-0,38

0,35

Удельная поверхность мезопор, м2

-

33

-

-

110

64

57

48

108

138

 

Плотность, г/см3:

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

кажущаяся

0,4-0,5

0,8-0,9

0,8-0,9

0,8-0,9

0,55-0,65

 

0,4-0,5

1

-

-

-

истинная

1,8

2

2

2

2,1

 

1,8

1,95

-

-

-

насыпная

0,23

0,6

0,45

0,45

0,45

 

0,22-0,35

0,6

0,38-0,45

0,42

0,44

Структурные константы:

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

W1, см3

0,17

0,20

0,3

0,25-0,30

0,23

0,12

0,22-0,27

0,3

0,45-0,56

-

-

W2, см3

 

0,13

 

 

0,13

 

 

 

 

 

 

B1, 106 град-2

0,64

0,67

0,7-0,8

0,7-0,8

0,7

1,08

0,55-0,7

0,7-0,8

0,6-0,85

-

-

B2, 106 град-2

 

2,5

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Влажность, %

10

5

5

5

10

10

10

15

8

-

-

Прочность на истирание, %

70

75

75

75

90

 

70

90

70

-

-

Остовая цена, руб/т

790

750

660

 

483

400

1260-1340

835-1010

860

1010

1200


Таблица 30

Ароматические соединения

Алифатические соединения

структурный элемент или функциональная группа

теплота адсорбции, КДж/моль

структурный элемент или функциональная группа

теплота адсорбции, КДж/моль

СН (в бензольном кольце)

3,53±0,02

-СН2 (в спиртах и карбоновых кислотах)

2,18±0,08

СН (в нафталиновом кольце)

2,35±0,02

 

 

-СН3

0,85±0,08

 

 

-СН

0,042±0,04

>С = С<

0,88±0,04

-NH2

1,05±0,02

 

 

Сl2

1,38±0,02

-ОН (при вторичном или третичном атоме)

0,25

-NО2

2,59±0,08

-ОН (при первичном атоме)

2,3±0,2

-SОзН

-1,13±0,08

 

 

4Н4 (второе кольцо в конденсированной системе)

2,3

-ОН (при наличии в цепи аминного азота)

0,25

Пиразолоновое кольцо:

0,84

Сl (алиф.)

5,0±0,25

Установки для ионообменной очистки сточных вод

3.13. Выбор схемы ионообменной очистки и обессоливания сточных вод производится в зависимости от назначения установки, состава и расходов сточных вод, требований к качеству очищенной воды.

Очистка и частичное обессоливание сточных вод, имеющих слабокислую или нейтральную реакцию, от ионов 2- и 3-валентных металлов, при отсутствии или малом содержании катионов щелочных металлов, а также аммония, анионов слабых кислот (карбонатов, силикатов, боратов) или допустимости их присутствия в очищенной воде производится по одноступенчатой схеме последовательным фильтрованием через катионит в водородной форме и слабоосновный анионит в гидроксильной форме (рис. 20, а). При наличии в воде, подвергаемой очистке, окислителей (хромат- и бихроматионов), в качестве анионообменника необходимо применять слабоосновные аниониты АН-18-10 П, АН-251 или сильноосновной анионит АВ-17, стойкие к окислительному действию указанных ионов.

Для более глубокой очистки сточных вод от анионов слабых кислот (боратов, силикатов) применяют схему с одноступенчатым Н-катионированием и 2-ступенчатым Н-анионированием (рис. 20,б). На первой ступени анионирование производится с использованием слабоосновных анионитов, на второй ступени используются сильноосновные аниониты.

Для обессоливания и очистки сточных вод при большом содержании катионов щелочных металлов и аммония, а также при наличии ионов 2- и 3-валентных металлов целесообразно применять 2-ступенчатое Н-катионирование (рис. 20, в).

При наличии в обрабатываемой воде большого количества солей угольной кислоты, для предотвращения быстрого истощения емкости сильноосновных анионитов 2-й ступени анионирования из воды, после Н-катионирования, удаляется углекислота в специальных дегазаторах с насадкой из колец Рашига с деревянной хордовой насадкой или в других массообменных аппаратах (рис. 20, г).

Рис. 20. Схемы установок очистки и обессоливания сточных вод ионообменным способом

а - одноступенчатая схема для очистки и частичного обессоливания сточных вод; б - схема очистки и полного обессоливания сточных вод с двухступенчатым анионированием; в - схема очистки и полного обессоливания сточных вод с двухступенчатым катионированием и двухступенчатым анионированием; г - схема очистки и полного обессоливания сточных вод с двухступенчатым анионированием и удалением углекислоты дегазацией; д - схема очистки и обессоливания сточных вод с удалением углекислоты дегазацией и фильтрами смешанного действия; е - схема очистки и полного обессоливания сточных вод с двухступенчатым анионированием, удалением углекислоты дегазацией и предочисткой на механических и сорбционных фильтрах; kI и КII - Н-катионовые фильтры I и II ступени; АI и АII - ОН-анионитовые фильтры I и II ступени; Д - декарбонизатор; ПБ - промежуточный бак; М - механические фильтры; Ф - фильтры смешанного действия (ФСД).

В ряде случаев для стабилизации показателя рН очищенной воды или глубокого обессоливания ее и удаления анионов слабых кислот вместо анионитовых (фильтров второй ступени или после них используют фильтры смешанного действия (ФСД), загружаемые сильнокислотными катионитами и сильноосновными анионитами (рис. 20, д).

Содержание повышенных веществ в воде, поступающей на ионообменные фильтры, не должно превышать 8 мг/л. Величина ХПК не должна быть более 8 мг О/л. В противном случае в схему ионообменной установки включаются сооружения предочистки с механическими и сорбционными фильтрами (рис. 20, е).

В зависимости от конкретных условий возможны и другие компоновки ионообменных установок с включением различного количества ступеней катионирования и анионирования и возможным чередованием их. При наличии в сточных водах сложных смесей катионов большое значение имеет селективное их поглощение катионитами.

Для определения наименее сорбируемых катионов при обмене на сильнокислотном катионите КУ-2 следует принимать во внимание ряд катионов по энергии их вытеснения друг другом

Н+ < Na+< NH< Mg2+< Zn2+ < Со2+ < Cu2+ <Cd2+ < Ni2+<Cа2+ < Sr2+ < Pb2+ < Ва2+.

При обмене на слабокислотном катионите КВ-4 установлен следующий ряд катионов:

Mg2+ < Са2+ < Ni2+ < Со2+ < Сu2+.

Установлен аналогичный ряд поглощения анионов сильных кислот на сильноосновном и слабоосновном анионитах

Cl- < NO < SO < CrO.

Анионы слабых кислот по сродству к сильноосновным анионитам образуют следующий ряд: силикаты<бораты<фосфаты.

В случае присутствия в воде нескольких катионов и анионов системы рассчитываются как однокомпонентные по наименее сорбируемым или лимитирующим ионам. Расчетные концентрации ионов принимаются равными концентрациям суммы ионов (катионов и анионов раздельно), а емкость ионитов, равной емкости ионитов но наименее сорбируемым или лимитирующим ионам, при сорбции их из индивидуальных растворов.

В ряде случаев ионообменные установки применяются специально с целью извлечения специфичных, отдельных компонентов из сточных вод.

Иониты для очистки и обессоливания сточных вод.

3.14. Для загрузки Н-катионитовых фильтров при очистке сточных вод и их обессоливания в настоящее время преимущественно используются катиониты КУ-1, КУ-2-8, КУ-2-20, КУ-23, KБ-4, КБ-4П-2, КБ-4-10П.

В качестве слабоосновных анионитов могут применяться: АН-2-ФН, АН-18, АН-22, АН-32, АН-221, АН-251. Аниониты промежуточной основности ЭДЭ-10П. Сильноосновные аниониты АВ-17-8, АВ-29-12П.

В табл. 31 дана характеристика некоторых отечественных катионов (ГОСТ 20298-74*), в табл. 32 - некоторых отечественных анионитов (ГОСТ 20301-74*). Выбор ионитов для очистки сточных вод производится в зависимости от условий ведения процесса и требований к качеству очищенной воды.


Таблица 31

Марка катионитов

Размер гранул ионита, мм

Содержание рабочей фракции, %

Содержание влаги, %

Насыпная плотность товарного ионита, т/м2

Удельный объем набухшего ионита, м3

Средняя рабочая обменная емкость, г-экв/м3

Полная обменная емкость в динамических условиях, г-экв/м3

Допустимая температура воды при очистке, °С

при Н-катионировании

при Na-катионировании

Сульфо-уголь

 

 

 

 

 

 

 

 

 

СМ-1

0,3-0,8

-

-

0,65

-

250

400

-

60

СК-1

0,5-1,1

-

-

0,65

-

200

350

-

60

КУ-1

0,4-2

92,2

40-50

0,63-0,75

2,9-3,2

300

300

660

80

КУ-2-8

0,315-1,25

93

40-60

0,72-0,8

2,9

800

800

1850

120

КУ-2-20

0,315-1,25

92

33-40

0,8

2

-

-

1300

-

КУ-23

0,315-1,25

95

50-70

0,72

4,3

400

-

1100

120

КБ-4

0,355-1,5

90

35-65

0,55-0,72

3

-

-

2000

120

КГ-4П-2

0,355-1,5

95

60-75

0,7-0,8

2,8

-

-

2500

150

КБ-4-10П

0,355-1,5

95

55-70

 

3,3

-

-

1800

-

Таблица 32

Марка анионита

Фракционный состав набухшего ионита, мм

Содержание рабочей фракции, %

Содержание влаги, %

Насыпная плотность товарного ионита, т/м3

Удельный объем набухшего ионита не более, м3

Полная обменная емкость, г-экв/м

Полная обменная емкость в динамических условиях, г-экв/м3

Допустимая температура воды при очистке, °С

По Cl-ионам

По SO ионам

По SO ионам

АН-2ФН

0,4-4,2

92

2-10

0,65-0,68

3,2

500

700

-

1700-1750

40

АН-18-8

0,4-1,25

92

30-50

0,68

2,5

850

1000

-

650

70

АН-18П

0,355-1,5

92

35-60

-

3,5

1100

-

-

-

70

АН-22

0,315-1,25

90

30-50

0,79

2,3±0,5

1800

-

-

1000

100

АН-31

0,4-1,2

92

2-10

0,7-0,8

3,2

1500

-

-

1260

100

АН-221

0,315-1,25

90

40-60

0,83

3,9

1200

-

-

860

100

АН-251

0,63-1,6

90

Не более 50

0,34-0,46

3,0-3,6

1800

-

-

-

120

ЭДЭ-10П

0,4-1,8

92

2-10

0,6-0,7

3,45

800

1000

50

1020-1160

45

АВ-17-8

0,355-1,25

92

40-60

0,74

2,9

650

800

400

670-900

90

АВ-17-8ЧС

0,4-1,25

95

-

-

3,3

1050

-

-

900

90

АВ-29-12П

0,355-1,5

95

55-65

-

3,6

1000

-

-

700

40


Для выбора ионообменной смолы при удалении из воды того или иного специфического соединения или элемента приводятся обменные емкости ионитов по некоторым компонентам, присутствующим в сточных водах.

В табл. 33 дана динамическая обменная емкость (ДОЕ) ряда катионитов по меди, никелю и цинку; и табл. 34 - ДОЕ сильно- и слабоосновных анионитов по шестивалентному хрому. В табл. 35 приведена рабочая обменная емкость анионита АВ-17 в ОН-форме по анионам сильных кислот при извлечении хроматов. В последующих таблицах даются опытные данные: по емкости некоторых ионитов по фенолу (табл. 36), катионитов КУ-2 и КБ-4П-2 по пиридину (табл. 37), анионитов ЭДЭ-10П и АВ-17 по муравьиной кислоте (табл. 38) и некоторых катионитов по анилину (табл. 39).

Таблица 33

Марка катионита

ДОЕ, мг-экв на 1 г катионита по катионам

ДОЕ, г на 1 кг катионита по катионам

цинка

меди

никеля

цинка

меди

никеля

КУ-2-8

2-3

3,7-3,8

2,1-2,3

65-90

80-120

63-70

KБ-4

5

-

-

163

-

-

Cyльфо-уголь

0,2

2,5

0,4-1

6,5

70-80

11-30

КУ-1

0,4

-

-

13

70-90

-

Таблица 34

Марка анионита

ДОЕ по Сг (VI) до проскока

% по массе сухой смолы

г-экв/м

АВ-17-8

11-12

720-780

АВ-17-16

7,3-8,4

480-550

АН-18

6,9-10,4

450-680

АН-251

-

850

Таблица 35

Состав сточной воды, мг-экв/л

РОЕ, г-экв/м3

Использование РОЕ по Сг (VI), %

Сг (VI)

SO

Cl-

NO

по

по Сг (VI)

0,8-1,1

0,8-1,1

0,4-0,5

-

2-2,7

660-900

270-436

41-48

1,2-1,3

1,2-1,4

0,3-0,4

4,8-5,3

7,5-8,4

600-925

108-144

16-18

1,2-1,3

1,3-1,4

0,3-0,4

0,4

3,1-3,5

835-1095

328-348

32-39

1,2-1,4

1,2

0,3

0,2

2,9-3,1

760-860

336-376

44

Таблица 36

Марка ионита

Емкость в статических условиях, мг/г

В динамических условиях

При сорбции фенола из водно-метанольных сред, мг/г

до проскока, мг/г

до насыщения, мг/г

Сульфоуголь

37-40

92

90-100

-

КУ-1

-

-

70-90

-

ЭДЭ-10П

54-55

120

54-68

80-100

АВ-17

85-89

147

90-95

100-120

Таблица 37

Марка катионита

Статическая обменная емкость при сорбции из чистых растворов

Динамическая обменная емкость при сорбции из сточных вод и присутствии катионов натрия и аммония

до насыщения

до проскока

мг-экв/г

мг/г

мг-экв/г

мг/г

мг-экв/г

мг/г

КБ-4П-2

-

-

1-1,1

80-88

0,7-1

56-80

КУ-2

3,2-3,3

250-269

1,5-2,2

120-180

1,3-2,1

105-170

Таблица 38

Марка анионита

Емкость

мг-экв/г

мг/г

ЭДЭ-10П

4,5-4,6

206-210

АВ-17

3,7-3,9

170-180

Таблица 39

Марка катионита

ДОЕ до проскока, мг/г, при концентрации анилина 10 мг/л

Полная динамическая обменная емкость (ПДОЕЭ, мг/г)

КУ-1

227

310

КУ-1Г

-

67

КУ-2

146

310

КБ-4П-2

-

95

Сульфоуголь

330

422

Ионообменные аппараты

3.15. Процессы ионообменной очистки и обессоливания сточных вод могут осуществляться в различных аппаратах: ионообменных фильтрах с обработкой воды в плотном слое; фильтрах для работы с псевдоожиженным слоем ионитов; пульсационных колоннах, «паучках».

Наиболее распространено применение серийно выпускаемых таганрогским заводом «Красный котельщик» и Бийским котельным заводом ионообменных фильтров для фильтрования воды в плотном слое. Для очистки и обессоливания сточных вод используются стандартные Н-катионитовые фильтры - первой ступени, вертикальные, параллельно-точные. Их характеристики приведены в табл. 40.

Таблица 40

Характеристика фильтра

ФИПа-

ФИПа-

ФИПа-

ФНПа-

ФНПа-

ФНПа-

1-1-6

1-1,5-6

1-2-6

1-2,6-6

1-3-6

1-3,4-6

Рабочее давление, МПа

0,6

0,6

0,6

0,6

0,6

0,6

Площадь фильтрования, м2

0,785

1,775

3,14

5,3

7,1

9,1

Диаметр фильтра, мм

1000

1500

2000

2600

3000

3400

Высота слоя попита, м

2

2

2,5

2,5

2,5

2,5

Объем загрузки попита, м3

1,6

3,56

7,85

13,25

17,75

22,75

Масса фильтра (с арматурой), т

0,905

1,692

2,746

4,558

5,527

7,848

Удельное давление на фундамент, МПа

0,65

0,69

0,6

0,65

0,68

0,65

Изготовитель

Бийский котельный завод

Таганрогский завод «Красный котельщик»

Фильтры смешанного действия имеются двух видов: с внутренней регенерацией и с выносной регенерацией. Наибольшее применение в практике очистки и обессоливания сточных вод находят ФСД с внутренней регенерацией. Их характеристика приведена в табл. 41.

Важным моментом в проектировании ионообменных установок является расчет потери напора в загрузке ионитовых фильтров. В табл. 42 приведены данные о потере напора в зависимости от крупности зерен ионита, высоты слоя и скорости фильтрования.

Таблица 41

Характеристика фильтра

ФСДНр -

ФСДНР -

ФСДНР -

ФСДВР -

2,0-10

2,6-10

3,4-10

2,0-6

Давление. МПа;

 

 

 

 

рабочее

1

1

1

0,6

пробное гидравлическое

1,3

1,3

1,3

0,9

Площадь фильтрования, м2

3,14

5,3

9,1

3,13

Диаметр фильтра, мм

2000

2600

3400

2000

Высота фильтрующего слоя, м:

 

 

 

 

общая

1,2

1,2

1,2

1,2

катионита

0,6

0,6

0,6

0,6

анионита

0,6

0,6

0,6

0,6

Объем фильтрующей загрузки, м3:

 

 

 

 

катионита

1,9

3,18

5,5

1,9

анионита

1,9

3,18

5,5

1,9

Масса, т:

 

 

 

 

катионита

1,35

2,26

3,9

1,35

анионита

1,4

2,35

4,1

1,4

нагрузочная

17

20,5

45

15,5

Удельное давление па фундамент, МПа,

0,6

0,5

0,6

0,6

Изготовитель

Таганрогский завод «Красный котельщик»

Таблица 42

Скорость фильтрования м/ч

Потери напора в фильтре, м, при размере зерен ионита мм

0,3-0,8

0,5-1,2

Высота загрузки, м

2

2,5

2

2,5

5

5

5,5

4

4,5

10

5,5

6

5

5,5

15

6

6,5

5,5

6

20

6,5

7

6

6,5

25

9

10

7

7,5

3.16. Технологические данные для расчета Н-катионитовых фильтров

Скорость фильтрования, м/ч ………………

10-15

Скорость регенерации, м/ч ………………..

1,0-1,5

Направление потока при фильтрации,

 

регенерации и отмывке …………………….

сверху вниз

Интенсивность взрыхления катионита

 

перед регенерацией, л/(с.м2) ……………….

3

Время взрыхления, мин …………………….

5-7

Скорость отмывки катионита после

 

регенерации, м/ч …………………………….

6-10

Регенерационный раствор ………………….

7-10 %-ные растворы НС1 или H2SO4

ДОЕ КУ-2 по сумме ионов 2- и

 

3-валентных металлов ………………………

15-19 кг (830-1050 г-экв) на 1

 

м3 набухшей смолы

КУ-23 …………………………………………

8-10,5 кг/м3 (450-580 г-экв/м3)

Ориентировочный годовой износ катионита .

10 %

3.17. Технологические данные для расчета анионитовых фильтров

Скорость фильтрования, м/ч ……………….

10-15

Скорость регенерации, м/ч …………………

1,5-2

Направление потока при фильтрации,

 

регенерации и отмывке …………………….

сверху вниз

Интенсивность взрыхления анионита

 

перед регенерацией. л/(с.м2) …………………

3-4

Время взрыхления загрузки, мин ……………

5-7

Скорость отмывки после регенерации, м/ч …

5-6

Регенерационный раствор ……………………

3-4 % NaOH

ДОЕ анионитов по анионам сильных

 

кислот, г-экв на 1 м3 набухшей смолы ………

АН-2ФН-800-1000;

 

АН-22-900-1000;

 

AН-31-1000-1200

Ориентировочный годовой износ …………..

15-20 %

Способы защиты ионообменных установок

3.18. Сточные воды, поступающие на установку, могут иметь кислую или щелочную реакцию, содержать компоненты, обладающие агрессивными свойствами по отношению к бетону или металлам. Кроме того, при обессоливании вода, поступающая из Н-катионитовых фильтров в анионитовые, имеет кислую реакцию, а обессоленная вода по отношению к бетону или металлам также обладает коррозионными свойствами. Агрессивны и применяемые для регенерации ионитов растворы и образующиеся элюаты. Эти обстоятельства необходимо учитывать при проектировании ионообменных установок. Необходима защита от коррозии внутренних поверхностей всех емкостей для приготовления и дозирования регенерирующих реагентов, сбора и хранения элюатов и промывных вод; внутренних поверхностей фильтров, декарбонизаторов, всех деталей внутри фильтра, обвязки трубопроводов, арматуры, соприкасающейся с водой и растворами в установке.

Для защиты от коррозии внутреннюю поверхность корпуса фильтров и емкостей либо гуммируют, либо покрывают кислотостойкими смолами и лаками. Нижние распределительные устройства трубчатого типа, крепежные детали внутри корпуса фильтра и другую арматуру изготовляют из нержавеющей стали. Верхние распределительные устройства выполняются из полиэтилена. Нижние распределительные устройства типа «ложное дно» изготовляют из полимерных материалов: доски из пресс-материала АГ-40, щелевые колпаки из сополимера стирола СНП-2.

Пример расчета ионообменной установки по доочистке и обессоливанию сточных вод цеха гальванических покрытий

3.19. Назначение ионообменной установки. На ионообменную установку подаются промывные кислотно-щелочные сточные воды цеха в смеси с хромосодержащими (после их предочистки электрокоагуляцией) и циансодержащими (после каталитического окисления цианидов кислородом) сточными водами.

Смесь сточных вод перед подачей на ионообменную установку подвергается отстаиванию для выделения труднорастворимых соединений, образующихся в результате взаимодействия компонентов при смешении указанных категорий стоков. Результатом ионообменной обработки сточных вод является организация системы оборотного технического водоснабжения цеха, получение обессоленной воды.

Расход воды на собственные нужды установки после ее запуска и вывода на режим принимается 10-15 % ее производительности.

Характеристика обрабатываемых сточных вод. Количество сточных вод с учетом пополнения воды на потери и на собственные нужды установки на данном объекте составляет 820 м3/cyт, в среднем 51 м3/ч при непрерывной 2-сменной работе. Основные показатели смеси сточных вод, поступающих на ионообменную установку, приведены в табл. 43.

Таблица 43

Ингредиенты

Концентрация

мг/л

мг-экв/л

Общее солесодержание

570

7,77

Катионы:

 

 

натрия

164,28

7,135

калия

2,5

0,06

аммония

1

0,055

Итого одновалентных катионов:

167,78

7,250

меди

4,4

0,136

цинка

0,84

0,026

кадмия

0,25

0,004

никеля

3,78

0,128

алюминия

0,94

0,105

свинца

1,32

0,013

магния

0,11

0,009

висмута

0,008

-

Итого катионов поливалентных металлов

11,62

0,40

Всего катионов

179,4

7,68

Анноны

 

 

хлориды

36,7

1,034

нитраты

182,9

2,951

нитриты

3,12

0,068

фториды

5,32

0,28

сульфаты

147,19

3,066

тартраты

0,09

0,001

оксалаты

0,28

0,006

Итого анионов сильных кислот:

375,6

7,406

фторобораты

4,83

0,056

ацетаты

0,1

0,002

силикаты

1,53

0,04

бораты

2,09

0,10

карбонаты

5,1

0,17

Итого анионов слабых кислот:

13,65

0,369

в том числе без карбонатов

8,55

0,199

Всего анионов

389,25

7,775

Органические примеси

8,4

-

Солесодержание поступающих сточных вод ~570 мг/л (7,7- 7,8 мг-экв/л), рН = 6,5-7.

В состав установки входят; усреднитель сточных вод, отстойник, механические фильтры, сорбционные фильтры, Н-катионитовые фильтры, ОН-анионитовые фильтры, узел приготовления регенерирующих растворов, емкости для сбора обессоленной воды алюатов от регенерации ионитов и промывочных вод, узел обезвреживания элюатов.

Описание технологической схемы ионообменной очистки и подготовки воды

Сточные воды после усреднения и отделения ГДП в отстойнике поступают в сборник, из которого насосом подаются последовательно на механические, сорбционные, катионитовые и анионитовые фильтры. Обессоленная вода поступает в сборник, из которого направляется затем потребителям.

Расчет ионообменной установки. Накопитель-усреднитель сточных вод рассчитывается из условия 3-4-часового усреднения по соответствующему разделу СНиП 2.04.03-85 при максимальном расходе сточных вод. Емкость его принимается равной 150-200 м3. Отстойник (вертикальный или тонкослойный) рассчитывается согласно пп. 6.57-6,70 СНиП 2.04.03-85.

Исходные данные для расчета: средний часовой расход сточных вод qw = 51 м3; концентрация взвешенных частиц образующихся из труднорастворимых соединений (фосфатов и гидроксидов металлов) 250-300 мг/л (в расчете на сухое вещество); гидравлическая крупность частиц U0 = 0,2 мм/с; сборник осветленной воды рассчитывается на 20-30 минутный расход сточных вод и подпиточной воды. Его емкость составит 17-25 м3.

Механические фильтры проектируются согласно соответствующему разделу СНиПа, на производительность 51 м3/ч; скорость фильтрования принимается 8-10 м/ч.

Для подготовки фильтра к работе в следующем фильтроцикле загрузка после опорожнения фильтра отмывается противотоком воды [13-15 л/(с.м2)] в течение 7-8 мин. Отмывочная вода подается в усреднитель сточных вод перед отстаиванием. Необходимая площадь фильтрования должна быть в праделах

 м2.

Количество фильтров принимается в соответствии с их характеристиками. Рекомендуется применять 2 рабочих фильтра диаметром 2 м и площадью 3,14 м2 каждый.

Сорбционные фильтры проектируются согласно СНиП 2.04.03-85 пп. 6.283-6.289. Фильтры рассчитываются на производительность 51 м3/ч, скорость фильтрования 8-10 м/ч, интенсивность взрыхления активированного угля 3-4 л/(с×м2), высота загрузки 2,2-2,8 м. Необходимая площадь фильтрования 5,1-6,4 м2. Количество фильтров определяется в соответствии с основными их характеристиками. Загрузка - уголь БАУ, АГ-3, АГ-5, АР-3. Рекомендуется принять 2 рабочих фильтра диаметром 2 м и сечением 3,14 м2 каждый. Возможно совмещение механической и сорбционной предочистки в одном 2-слойном фильтре.

Н-катионитовые фильтры рассчитываются на производительность 51 м3/ч. Содержание катионов металлов 7,7 г-экв/м3 при эксплуатации (см. табл. 42) и 8,3 г-экв/м3 при запуске (работа без оборота).

Объем катионита What, м3, в водород-катионитовых фильтрах определяется по формуле

,                                                                           (120)

где

.                                                                       (121)

Подставив цифровое обозначение в формулы (120) и (121), получим

 м3;

 = 0,8×1000 - 0,5×4×1,7 = 796,7  800 г-экв/м3.

Площадь катионитовых фильтров определяется по формуле

                                                                                                 (122)

 м2.

Предлагается к установке один рабочий и один резервный фильтр диаметром 2,6 м и сечением 5,3 м2 каждый. При этом скорость фильтрования составит 51/5,3 = 9,6 м/ч (скорость фильтрования должна быть в пределах 8-15 м/ч).

Длительность рабочего цикла фильтра принята 2 сут по 16 ч. Она может быть рассчитана по формуле

.                                                                      (123)

Подставив цифровое обозначение в формулу (123), получим

 ч.

Регенерация катионитовых фильтров производится 7- 10 %-ным раствором соляной кислоты в количестве 2,5-3 г-экв на 1 г-экв сорбированных катионов (на 1 г-экв РОЕ катионита).

Расход реагента на регенерацию одного фильтра в одном цикле определяется по формуле

.                                                                         (124)

Подставив цифровые обозначения, получим

 кг.

При повторном использовании части элюатов на регенерацию расход кислоты может быть сокращен на 30-40 %.

Расход воды на регенерацию катионитовых фильтров.

На взрыхление смолы при интенсивности 3 л/(с.м2) в течение 20 мин

5,3.3.60.20.0,001 = 19 м3;

на приготовление 10 %-ной соляной кислоты

 м3;

на после регенерационную отмывку - 3-4 объема на 1 объем ионита, т.е. 13,25.3,5 = 46,4 м3.

Общий объем воды на одни фильтр в цикле 77,1 м3, средний часовой расход 77,1/32 = 2,4 м3.

Анионитовые фильтры. Загрузка - слабоосновный анионит АН-31, производительность 51 м3/ч. На анионитовые фильтры поступает Н-катионированная вода с содержанием анионов сильных кислот 7,4 г-экв/м (см. табл. 43).

Объем анионита Wan, м3, определяется по формуле (120), где вместо , и  ставятся величины  и - концентрации суммы анионов в обрабатываемой и анионированной воде.

Рабочая емкость анионита  рассчитывается по формуле (121), где а для слабоосновных анионитов = 0,9;  = 1120; qan = 3-4 м3; Kion = 0,8;  = 0,9.1120-0,8.4.1,7 = 1000;

Пreg - число регенерации анионитовых фильтров в сутки (принимается 1 раз в 3 сут.)

 м3.

По аналогии с Н-катионитовыми фильтрами принимается один рабочий и один резервный анионитовые фильтры с объемом загрузки 13,25 м3, сечением 5,3 м2 и диаметром 2,6 м. Площадь фильтрования анионитовых фильтров может быть проверена по формулам

Fan = 16qw/nregtfvf;                                                                                         (125)

tf = 16/nreg—t1-t2-t3.                                                                                       (126)

Регенерация анионита производится 4 %-ным раствором гидроксида натрия в количестве 2,5 экв на 1 экв рабочей обменной емкости. Расход 100 %-нoгo гидроксида натрия рассчитывается по формуле (124)

 кг,

где 40 - эквивалентная масса гидроксида натрия.

Расход реагента может быть сокращен на 30-40 % при повторном использовании части элюатов.

Расход воды на регенерацию анионитовых фильтров:

на взрыхление смолы

5,3.3.60.20.0,001 = 19,1 м3;

на приготовление 4 %-ного раствора гидроксида натрия 1325/40 = 33,1 м3;

на после регенерационную отмывку фильтра 13,25×5 = 66,2 м3. Общий расход воды на регенерацию составил 118,4 м3, а продолжительность регенерации 33,1/5,3×2 = 3,12 ч, продолжительность отмывки 66,2/5,3×6 = 2,08 ч продолжительность работы фильтра между регенерациями

 ч (43 ч).

Площадь фильтрования

Fa = (16×51)/(0,33×43×12) = 4,79 м2.

что укладывается в сечение выбранного фильтра 5,3 м2, диаметром 2,6 м.

Часовой расход воды на регенерацию составит 118,4/43 = 2,75 м3/ч.

Часть отмывочной воды может использоваться для приготовления регенерационного раствора. Общий расход очищенной воды на собственные нужды ионообменной установки (на взрыхление, регенерацию, отмывку ионитов всех фильтров) без учета повторного использования составит 2,4+2,75 = 5,15 м3/ч, или 10 % производительности установки.

Выбор оборудования

3.20. Для ионообменной установки выбирается серийно выпускаемое оборудование заводского изготовления в кислотостойком исполнении. Выбор ионообменных фильтров производится с учетом непрерывной работы и возможности регенерации одного из них без прекращения работы всей установки.

В табл. 44 приводится техническая характеристика ионообменной установки и технологические показатели эксплуатации механических, сорбционных (табл. 45) и ионообменных (табл. 46) фильтров, а также перечень и расход основных материалов для загрузки фильтров (табл. 47) и реагентов на их регенерацию (табл. 48).

Таблица 44

Показатель работы установки

Величина

Производительность установки, м3

50-52

Содержание взвешенных веществ в воде, поступающей на установку, мг/л

10-15

Солесодержание поступающей воды, г-экв/м3

7,7

Содержание катионов 2- и 3-валентных металлов, г-экв/м3

0,42

Содержание катионов натрия, калия и аммония, г-экв/м3

7,25

Содержание анионов сильных кислот, г-экв/м3

7,4

Содержание анионов слабых кислот, г-экв/м3

0,37

Удельная электропроводимость обессоленной воды, мк×см/см

50-100

Годовой расход реагентов (с учетом повторного использования 30 % элюатов) т:

 

соляной кислоты (ГОСТ 857-88)

346

гидроксида натрия (ГОСТ 2263-79*)

81,2

Установочная мощность одновременно работающих двигателей, кВт

95

Расход сжатого воздуха, м3/ч:

 

среднесуточный

20

максимальный

50

Давление подаваемого сжатого воздуха, МПа

0,25-0,4

Расход воды на собственные нужды установки, %

10

Потребность в ионообменных смолах (на 1 загрузку всех фильтров) т.

 

катионит КУ-2-8 (ГОСТ 20298-74*)

10,2

анионит АН-31 (ГОСТ 20301-74*)

10,8

Годовая потребность ионитов на пополнение износа, % от первоначальной загрузки:

 

катионит KУ-2-8

10

анионит АН-31

15

Таблица 45

Технологические показатели

Фильтры

механические

сорбционные

Производительность одного фильтра, м3

25-26

25-26

Скорость фильтрования, м/ч

8-10

8-10

Расход воды на промывку фильтра, м3

17-20

-

Продолжительность подготовки фильтра к работе, ч

0,3-0,5

-

Интенсивность подачи на промывку, л/(с.м2);

 

 

воды

13-15

-

воздуха

15-20

 

Таблица 46

Технологические показатели

Фильтры

катионитовые

анионитовые

Производительность одного фильтра м3

50-52

50-52

Материал загрузки

Катионит КУ-2-8

Анионит АН-31

Скорость фильтрования сточной воды, м/ч

8-15

8-15

Продолжительность фильтроцикла, ч

32

45

Межрегенерационный период работы фильтров, ч

32

45

Регенерационный раствор и его концентрация, %

HCl 7-10

NaOH 4-6

Расход товарного реагента на 1 регенерацию, кг

3744

1325

Расход воды на 1 фильтр, м3 в 1 цикле

77,1

118,4

в том числе на:

 

 

взрыхление

19,1

19,1

приготовление регенерационного раствора

11,6

33,1

отмывку

46,4

66,2

Скорость подачи воды и растворов, м/ч, при:

 

 

взрыхлении

9-10

7-8

регенерации

2-3

2

отмывке

6-7

5-6

Таблица 47

Наименование материалов

Марка ГОСТ

Кол-во необходимое для загрузки 1 фильтра, т

Общая масса, т

Оптовая цена за 1 т, руб.

Суммарная стоимость загрузки, тыс. руб.

Завод изготовитель

Гравий диаметром гранул 5-15 мм

 

2,8

8,4

8,2

0,07

Местные материалы

Песок кварцевый диаметром 0,5-1,5 мм

 

7

21

11,9

0,25

Карьер

Уголь активированный

АГ-3; АГ-5; КАД

3,6

10,8

560

6,05

-

Антроцит-крошка

-

5,68

17,1

27,1

0,46

-

Катионит

КУ-2-8 ГОСТ 20298-74*

5,1

10,2

1800

18,36

Завод «Карболит», Химкомбинат г. Черкассы

Анионит

АН-31 ГОСТ 20301-74*

5,4

10,8

2300

24,84

То же

Итого

-

-

-

-

50,03

 

Элюаты от регенерации катионитовых и анионитовых фильтров подвергаются реагентной обработке вместе с отработанными концентрированными технологическими растворами. Количество сбрасываемых кислых элюатов от регенерации катионитовых фильтров 5,8 м3/сут. Количество сбрасываемых щелочных элюатов от регенерации анионитовых фильтров 11 м3/сут. Сброс кислоты с элюатами 10,59 кг×экв/сут.

Сброс щелочей с элюатами 7,24 кг-экв/сут. Избыток кислот составляет 3,35 кг-экв/суч. Расход активного СаО на нейтрализацию избытка кислоты 3,35 кг-экв/сут, или 3,35.28 = 93,8 кг/сут. В расчете на товарную 50 %-ную известь с учетом 5 % избытка расход ее составит 197 кг/сут.

При дозировании 5 %-ного по активному СаО известкового молока расход ее составит приблизительно 2 м3/сут.


Таблица 48

Реагент

Процесс

Межрегенерационный период

Число регенераций в год

Расход реагентов, т*

Количество регенирирующих растворов (элюатов), м3

в год

в сутки

на одну регенерацию

в год

в сутки

на одну регенерацию

Кислота соляная (ГОСТ 857-88)

Регенерация катионитовых фильтров

32

130

490

1,89

3,77

1520

5,8

11,6

Гидроксид натрия ТР (ГОСТ 2263-79*)

Регенерация анионитовых фильтров

45

87

116

0,44

1,325

2880

11

33,1

Известь гашеная (ТУ 6-02-936-74)

Нейтрализация элюатов

-

-

52

0,2

-

520

2

 

* Расчет расхода реагентов произведен на соляную кислоту 31 %-ную; гидроксид натрия 100 %-ный; известь гашеную 50 %-ную по активному СaО.


Установки для электрохимической очистки сточных вод

Электролизеры для обработки циансодержащих сточных вод

3.21. Электролизеры для обработки сточных вод, относящиеся к нестандартному оборудованию, представляют собой открытые или со съемной крышкой прямоугольные стальные резервуары, разделенные с помощью перегородок из синтетических материалов на несколько отсеков. В перегородках проделываются несколько рядов отверстий, суммарная площадь которых составляет 20 - 30 % площади находящейся в воде чисти перегородки, высота которой соответствует высоте погруженных в воду электродов.

Движение потока сточных вод в электролизере происходит вдоль поверхности электродов в горизонтальном направлении. Электролизер снабжается приемной и сборной камерами, также отделенными от его рабочего пространства дырчатыми перегородками. На дно электролизера (в каждом из отсеков) укладывают дырчатые трубки из синтетических материалов, через которые поступает сжатый воздух, который, барботируя через жидкость, способствует ее перемешиванию.

В электролизер помещаются электроды двух типов: стальные катоды (в виде пластин толщиной 1-2 мм) и аноды из графитированного угля в виде плит или стержней. Можно использовать малоизнашивающиеся титановые аноды с металлоксидным покрытием (диоксид рутения, магнетит и др.). Ориентировочный срок службы анодов из графитированного угля составляет 4-5 мес. При обработке медьсодержащих сточных вод целесообразно использование медных катодов для облегчения утилизации дополнительно извлекаемой из сточных вод (в виде катодного осадка) металлической меди.

При определении габаритов электролизера необходимо учитывать объем постоянно находящейся в нем воды, а также объем, занимаемый перегородками, электродами (размеры плит из графитированного угля, выпускаемых отечественными электродными заводами, составляют 1000´180´50 мм). Расстояние между соседними электродами (катодом и анодом) следует принимать в пределах 40-50 мм.

Электроды обоих видов (катоды и аноды) подвешиваются в электролизере на медных (латунных) стержнях (токоподводах), концы которых покоятся на соответствующих катодных (анодных) шинах, укладываемых на изоляторах вдоль бортов электролизера. Аноды из графитированного угля (в виде плит) можно устанавливать на дно электролизера, футерованное материалом - диэлектриком. Сечение токоподводов и электродных шин рассчитывается на максимальную токовую нагрузку.

При значительной расчетной величине тока в электрической цепи (более 3000 А) и необходимости отведения больших количеств выделяющихся газообразных продуктов электролиза рекомендуется установка нескольких электролизеров, снабженных автономными источниками электропитания.

Технологическая схема электрохимической очистки циансодержащих сточных вод включает: двухсекционный резервуар-усреднитель (каждая секция усреднителя рассчитана на часовой расход сточных вод); электролизеров; источник постоянного электрического тока (выпрямитель из ременного электрического тока - типа ВАКГ или ВАКР); бак для приготовления раствора поваренной соли; бак, для приготовления раствора щелочного реагента (едкий натр, сода), используемого для корректировки исходной величины рН обрабатываемой воды (в случае необходимости); сборный бак для очищенной воды.

К сточным водам, находящимся в резервуаре-усреднителе, добавляют насыщенный раствор поваренной соли для достижения ее концентрации в воде в пределах 5-10 г/л и раствор щелочного реагента (в случае необходимости) до величины рН10. При наличии высококонцентрированных циансодержащих сточных вод (отработанных технологических растворов) следует предусмотреть дополнительный бак для их сбора с последующим равномерным добавлением к сточным водам, поступающим в резервуар-усреднитель, до достижения расчетной концентрации цианидов не более 1 г/л.

3.22. Пример расчета электролизера для очистки циансодержащих сточных вод.

Исходные данные для расчета: производительность электролизера 2,5 м3/ч; исходная концентрация цианидов в очищаемой воде 200 мг/л; время электрохимичекой обработки сточных вод 0,5 ч.

Необходимая величина тока в электрической цепи электролизера

 А.

Принимается к установке один выпрямитель переменного электрического тока, вырабатывающий постоянный электрический ток величиной 1600 А. Объем сточных вод в электролизере составляет

Wel = qwtel = 2,5.0,5 = 1,25 м3.

Общая поверхность анодов

 м2.

При использовании в качестве анодов плит из графитированного угля размером 1000´180´50 мм общая поверхность одной плиты составляет

f¢an = 2×0,18×1 = 0,36 м2.

Общее количество плит (анодов) из графитированного угля, помещаемых в один электролизер:

Nan = fan/f¢an = 10/0,36 = 28 шт.

Общая поверхность катодов равна общей поверхности анодов. Размеры электролизера выбираются исходя из объема находящихся в нем сточных вод с учетом общего объема погруженных в воду электродов.

Электрокоагуляторы с алюминиевыми электродами

3.23. Электрокоагуляторы с алюминиевыми электродами, используемые для очистки концентрированных маслоэмульсионных сточных вод, относятся к нестандартизированному оборудованию. Предпочтительно использование электрокоагуляторов горизонтального типа с пластинчатыми электродами. Электрокоагуляторы могут быть как периодического, так и непрерывного действия. Электрокоагулятор состоит из корпуса с наклонным дном и крышкой, электродной системы, пеноудаляющего устройства. Электрокоагуляторы непрерывного действия, кроме того, должны быть снабжены устройствами рассредоточенного впуска и выпуска воды и устройством для поддержания уровня воды в аппарате на заданном уровне. Электрокоагуляторы обоих типов должны быть снабжены патрубками с вентилями для выпуска и впуска воды, пены, емкостями для сбора пены и вентиляционной системой удаления водорода.

Корпус электролизера прямоугольной формы следует изготовлять из листовой углеродной стали с последующим нанесением на внутреннюю поверхность защитного покрытия, например, из винипласта или эпоксидных смол.

Крышка электролизера, предназначенная для предотвращения выделения водорода в рабочее помещение, изготавливается из листовой стали с покраской внутренней поверхности водостойкой краской. Крышка устанавливается своим фланцем к фланцу корпуса и герметизируется. Дно корпуса электролизера должно иметь уклон.

Электродный блок, собираемый из алюминиевых пластин, выполняется в виде параллелепипеда и располагается равномерно по объему электролизера. Электроды в блоке устанавливаются плоскопараллельно на одинаковом расстоянии друг от друга (10-20 мм). Объем жидкости над электродами не должен превышать 20 % общего объема электрокоагулятора. Электродные пластины прямоугольной формы следует изготавливать одинаковыми для обеспечения их взаимозаменяемости. Механическая жесткость электродного блока создается с помощью диэлектрических гребенок. Для удобства монтажа в блоках предусматривают проушины (крючки).

Соединение электродов в блок производится либо сваркой, либо стягиванием (разъемное соединение). Токоподводы к электродным блокам внутри электролизера в местах соприкосновения их с жидкостью должны быть изолированы. Их следует изолировать и от корпуса электрокоагулятора.

Пеноудаляющее устройство может быть, выполнено либо в виде приспособления, сгоняющего пену струями сжатого воздуха в пеносборный лоток, либо и виде доски с пневматическим приводом. Пеноудаляющее устройство перемещается как вручную, так и автоматически по заданной программе.

В процессе электролиза выделяется водород, который необходимо постоянно удалять из аппарата с помощью вытяжного вентиляционного устройства. Для обеспечения безопасности, работа электрокоагулятора должна быть сблокирована с работой вентилятора: в случае остановки вентилятора должна быть прекращена подача электроэнергии на электрокоагулятор.

Время обработки сточной воды при соответствующей силе тока выбирают экспериментально по степени ее осветления. При изменении состава воды время ее обработки также изменяется.

Пример расчета электрокоагулятора периодического действия

3.24. Исходные данные: производительность аппарата qw = 1,8 м3/ч; исходное содержание масел Сen = 6000 г/м3; удельный расход электричества на обработку cточных вод qcur = 540 А×ч/м3, толщина электродных пластин  = 0,006 м; межэлектродное расстояние b = 0,02 м; анодная плотность тока fan = 120 А/м2.

Расчет. Примем продолжительность, цикла очистки teh, равной 0,5 ч (продолжительность электрокоагуляционной обработки t1 = 0,25 ч; продолжительность налива жидкости в аппарат и ее слива t2 = 0,25 ч). Объем жидкости в электрокоагуляторе Wch = qw tek = 1,8×0,5 = 0,9 м3.

Общее количество электричества, необходимое для обработки такого объема жидкости, составит Qсur = Wch qcur = 0,9×540 = 486 А×ч, а величина тока в электрической цепи Icur = Qcur/t1 = 486/0,25 = 1941 A; рабочая поверхность анодов составит fan = I/ian = 1944/120 = 16,2 м2. Отсюда общим объем электродов при их толщине 6 мм составит Vch = fan = 16,2.0,006 = 0,097 м3, а их масса Mеk = VekA1 = 0,097 2,7 = 0,262 т (A1 плотность алюминия, т/м3).

В связи с тем, что масса одного электродного блока не должна превышать 50 кг, принимаем число блоков, равное 6.

Общий объем жидкости в межэлектродном пространстве всех электродных блоков составит Vж = fan b = 16,2×0,02 = 0,324 м3, а объем одного электродного блока  = (0,097+0,324) : 6 = 0,07 м3.

Условно, приняв форму блока кубической, длина его ребра, м:

.

Число электродов в одном электродном блоке составит  , т.е. блок будет состоять из 8 анодов и 8 катодов.

Таким образом, с учетом установочных зазоров (l3 = 0,07 м; lb = 0,41) общая длина электрокоагулятора составит Lэ = 6lb+7l3 = (6×0,41+7×0,07) = 2,95. Ширина электрокоагулятора, м:

Bэ = lb+2l3 = 0,41 +2×0,07 = 0,55.

На высоте верхней кромки электродов L1 = lb+l3 объем жидкости в электрокоагуляторе

Vэк = LэBэ(lb+l3) - Vek = 2,95×0,55(0,41+0,07) -0,097 = 0,681 м3.

Высота слоя жидкости над электродами, м

h2 = (Weh-Vэк)/LэВэ = (0,900-0,681)/2,95×0,55 = 0,13.

Общая высота слоя жидкости в электрокоагуляторе составляет, м:

hэ = h1+h2 = 0,48 + 0,13 = 0,61.

С учетом необходимости размещения пеносгонного устройства полная высота аппарата Нэ составит 0,8 м.

Общие габариты электрокоагулятора LэBэHэ = 2,95×0,55×0,8 м.

Пример расчета электрокоагулятора непрерывного действия

3.25. Исходные данные: производительность аппарата qw = 1,8 м3/ч; исходное содержание масел Cen = 2500 г/м3; удельный расход электричества на очистку сточной воды qcur = 270 A×ч/м3; начальная толщина электродных пластин  = 0,006 м; межэлектродное расстояние b = 0,02 м; анодная (катодная) плотность тока ian = 120 А/м2.

Расчет. Общий расход электричества на обработку 1,8 м3 сточной воды составит

Qcur = qcur q= 1,8×270 = 486 А×ч,

а токовая нагрузка на электрокоагулятор I = Qcur/t = 486 A. Поверхность анодов (катодов) будет равна:

fan = fh = I/iап = 486/120 = 4,05 м2.

Объем жидкости в межэлектродном пространстве Vж = fan b = 4,05.0,02 = 0,081 м3, a общий объем электродов Vеk = fan  = 4,05 0,006 = 0,024 м3. Общий объем электродного блока составит  = Vж+Vek = 0,081+0,024 = 0,105 м3, а масса такого блока

 = VekA1 = 0,024.2,7 = 0,065 г.

В связи с тем, что масса электродного блока не должна превышать 50 кг, принимаем число блоков равным 2. Условно принимая форму блока кубической, получим, что длина его ребра составит

 м.

Число электродов в блоке составит .

В связи с тем, что в электрокоагуляторе непрерывного действия проскок жидкости вне межэлектродного пространства недопустим, между боковыми стенками аппарата и крайними электродами не должно быть установочных зазоров.

Учитывая, что в аппарате должны быть размещены пеносгонное устройство, а также устройства для распределения потока воды на входе и выходе, габариты электрокоагулятора принимаем

LэBэHэ = 0,8.0,42.0,5 м.

Электрокоагуляторы со стальными электродами

3.26. Электрокоагуляторы со стальными электродами относятся к нестандартному оборудованию. Корпус электрокоагулятора представляет собой прямоугольный резервуар изготовленный из синтетических кислотостойких материалов (полиизобутилен, полипропилен и др.), или футерованный изнутри этими материалами. Электрокоагулятор оборудуется вытяжным вентиляционным устройством (например, бортовыми отсосами) для удаления газов, образующихся при электролизе сточных вод. Целесообразно, чтобы дно электрокоагулятора имело небольшой уклон (до 5°) в сторону выхода сточных вод.

Наибольшее применение получили в настоящее время электрокоагуляторы с помещенными в них пакетами (блоками) плоских пластинчатых электродов, расположенных вертикально, параллельно друг другу.

Движение потока сточных вод в электрокоагуляторе следует осуществлять вдоль поверхности электродных пластин в вертикальном направлении (снизу вверх или сверху вниз) либо в горизонтальном направлении.

Для равномерного распределения воды между электродами и равномерного ее отвода рекомендуется предусмотреть в электрокоагуляторе или в отдельных его секциях приемные и сборные камеры. Приемные камеры отделяются от рабочего пространства электрокоагулятора дырчатыми перегородками, которые рассчитываются как распределитель высокого сопротивления (отношение суммарного сечения отверстий в перегородках к общему сечению электрокоагулятора составляет 0,3).

Электроды (катоды и аноды), помещаемые в электролизер, изготавливаются из низкоуглеродистой стали (Ст3, Ст4 и т.п.) и могут иметь толщину от 3 до 6 мм. Первоначальное расстояние между соседними электродами должно составлять 5-10 мм.

Рекомендуются следующие размеры электродных пластин: длина 0,6-1, ширина 0,3-0,6 м. Целесообразно использование электродов (анодов и катодов) в виде блоков. Блок электродов представляет собой набор стальных пластин, закрепленных на общей раме. Пластины через одну подключаются к катодной и анодной шинам источника постоянного электрического тока с помощью приваренных или припаянных и ним токоподводов. Для предотвращения коротких замыканий пластины в двух-трех местах по своей высоте разделяются прокладками из диэлектрика (текстолит, винипласт и др.), выполненными, например, в виде колец. Электродные пластины у своего основания или по их высоте (с обеих сторон) рекомендуется вставлять в «гребенку», также изготовленную из материала-диэлектрика. Масса одного электродного блока не должна превышать 0,05 т.

Электродные шины изготавливаются из медных (латунных) или алюминиевых прутков или полос, закрепляются на изоляторах на корпусе электрокоагулятора и соединяются с соответствующими полюсами источника постоянного электрического тока. Диаметры (сечение) электродных, а также токоподводящих шин (кабелей), соединяющих электролизер с источником тока, во избежание перегрева, рассчитываются на максимальную токовую нагрузку.

При расчете электрокоагулятора определяются общая поверхность и количество электродов, конструктивные размеры и число электрокоагуляторов и величина тока в электрической цепи. При этом основными исходными параметрами для расчета являются: расход сточных вод; исходная концентрация шестивалентного хрома и ионов тяжелых металлов в сточных водах; анодная плотность тока; удельный расход электричества, необходимый для обработки единицы объема сточных вод.

Пример расчета электрокоагуляторов со стальными электродами для очистки хромсодержащих сточных вод

3.27. Исходные данные для расчета: расход сточных вод составляет 10 м3 (при круглосуточной работе установки), исходные концентрации шестивалент