КАМЕРЫХЛОПЬЕОБРАЗОВАНИЯ
Место камерхлопьеобразования в технологической схеме, их классификация
Процесс конвективнойкоагуляции во времени состоит из двух этапов. Ход процесса перекинетическойкоагуляции определяется интенсивностью теплового броуновского движения. Вмомент ввода и распределения раствора коагулянта в воде ионы алюминия илижелеза начинают взаимодействовать с гидроксильными ионами и спустя некотороевремя появляется опалесценция и вода мутнеет от формирования огромногоколичества первичных мельчайших хлопьев. Под действием броуновского движенияхлопья контактируют друг с другом и укрупняются, а их число в единице объемауменьшается. Наступает момент, когда энергия броуновского движения недостаточнодля перемещения первичных агрегатов с целью их дальнейшей агломерации. На этомзаканчивается перекинетическая фаза коагуляции и наступает ортокинетическая,для успешного протекания которой необходимо обеспечить дальнейшееконтактирование уже сформировавшихся агрегатов.
Таким образом, камерыхлопьеобразования предназначены для создания благоприятных условий назавершающей второй стадии процесса коагуляции — хлопьеобразования, чемуспособствует плавное перемешивание потока. На размеры образующихся хлопьев впроцессе медленного перемешивания обрабатываемой воды влияет его интенсивностьи продолжительность, солевой состав воды, природа примесей (коллоидные илидиспергированные), а также силы адгезии, удерживающие частицы примесейсвязанными между собой. Укрупнение образующихся в процессе гидролиза коагулянтахлопьев происходит постепенно в течение некоторого времени, варьируемогосогласно СНиПа в пределах 6… 30 мин и более. Первоначально протекает стадияскрытой коагуляции, характеризующаяся формированием первичных мельчайшиххлопьев, которые затем укрупняются и образуют крупные видимые агрегаты. Приэтом структура образующихся хлопьев гидроксида железа значительно прочнее и ониимеют большую плотность, чем гидроксид алюминия. На структурообразованиехлопьев оказывает влияние солевой состав воды. Так, возрастание концентрациигидрокарбонатов и хлоридов повышает прочность формирующихся хлопьев и,наоборот, увеличение содержания сульфатов понижает ее.
Как показали результатыисследований, выполненных в МГСУ (Г. И. Николадзе, А. Мирзаев и др.) и в НИИ КВОВАКХ (Г. Н. Луценко и др.), существенное влияние на процесс хлопьеобразованияоказывают интенсивность и продолжительность перемешивания обрабатываемой воды вкамерах хлопьеобразования. При этом основополагающей является интенсивностьперемешивания G = 50…60 с-1, влияние продолжительности процесса проявляется в меньшей степени.
Ниже приводятся формулыдля определения градиента скорости в камерах хлопьеобразования разных типов:
Перегородчатая />
Вихревая и водоворотная/>
флокулятор(механическая) />
в аэрофлокуляторе />
где n—число перегородок; υ1и υ2 —соответственно скорости движения воды в коридоре камеры и на повороте, м/с; Q—расход коагулируемой воды, м3/с; р — плотность воды, кг/м3; V — объем камеры,м3; т]— динамическая вязкость воды, Пас; о — скорость входа воды в камеру из подводящеготрубопровода, м/с; т — частота вращения мешалки, с-1; N — начальная мощность,затрачиваемая на вращение, Вт; q—расход воздуха, м3/с; ро — атмосферное давление, Па; Л — высота слоя воды надвоздухораспределительной системой.
Интенсивность перемешиванияводы в камерах хлопьеобразования не должна быть слишком большой, чтобы неразрушить сформировавшиеся хлопья. Необходимая интенсивность перемешивания водыдостигается путем изменения скорости ее движения или частоты вращения мешалкиво флокуляторах, а оптимальная продолжительность процесса обеспечиваетсянадлежащим объемом сооружения.
Из практики известно,что скорость хлопьеобразования понижается при низкой температуре обрабатываемойводы, а размер и структура образующихся при этом хлопьев неудовлетворительны.Это негативное явление удается локализовать путем увеличения интенсивности ипродолжительности перемешивания.
При обработкемаломутных цветных вод ускорения хлопьеобразования можно достичь искусственнымзамутнением обрабатываемой воды, вводя в нее осадок из отстойников илисуспензию глины, частицы которых являются центром агрегации. Такой же результатдает применение флокуляторов в сочетании с флокулянтами. Из сказанногостановится очевидной роль и назначение камер хлопьеобразования.
/>
/>
Рис. 6.1.Камеры хлопьеобразования вихревого (а) и зашламленного (б) типа, встроенные вгоризонтальный отстойник.
1 — отвод осветленной иподача исходной воды; 2 — водосборный карман; 3 — лотки децентрализованногосбора осветленной воды; 4 — тонкослойные модули; 5 — зона осветления воды; 6 —струенаправляющая перегородка; 7 — лотки для сбора и отведения воды из камеры;8 — камера хлопьеобразования; 10 — перфорированные водораспределительные трубы;11 — удаление осадка из отстойника; 12 — короба для сбора и удаления осадка изотстойника; 13 — затопленный водослив; отделяющий камеру от отстойника.
В современной практикекамеры хлопьеобразования встраивают в отстойники или располагают вплотную к нимс тем, чтобы избежать разрушения хлопьев при передаче воды из камеры вотстойник. Согласно СНиП скорость движения воды из камеры в отстойник не должнапревышать 0,1 м/с для мутных вод и 0,05 м/с для цветных.
По принципу действиякамеры хлопьеобразования подразделяют на гидравлические, механические(флокуляторы) и аэро- флокуляторы. Из камер гидравлического типа на практикеотдают предпочтение вихревым (рис. 6.1, а) я зашламленного типа (рис. 6.1, б),водоворотным (рис. 6.2, а) и контактным (рис. 6.2, б), перегородчатым сгоризонтальным или вертикальным движением воды, камерам с рециркуляцией осадков(рис. 6.3). При числе камер хлопьеобразования менее шести следует принимать однурезервную.
/>
Рис. 6.2. Водоворотная(а) и контактная (б) камеры хлопьеобразования, встроенные в вертикальныйотстойник.
1,5 — подача исходной иотвод осветленной воды; 2 и 3 — кольцевой и радиальные водосборные лотки; 4 —водоворотная камера; 6 — зона осветления воды; 7 — гаситель; 8 — зонанакопления и уплотнения осадка; 9 — конусный отражатель; 10 — удаление осадка;11 — контактная загрузка из вспененного полистирола; 12 —• сетка; 13 —контактная камера
хлопьеобразованиеконвективный коагуляция
Камерыхлопьеобразования гидравлического типа
При выборе типа камерыхлопьеобразования следует руководствоваться производительностью водоочистногокомплекса, качеством исходной воды и конструкцией отстойника.
Перегородчатая камерахлопьеобразования (применяют с горизонтальнымиотстойниками) представляет собой прямоугольный железобетонный резервуар сперегородками, образующими 9… 11 коридоров шириной не менее 0,7 м, черезкоторые последовательно проходит вода со скоростью 0,2… 0,3 м/с в началекамеры и 0,05… 0,1 м/с в конце за счет увеличения ширины коридоров.Подключая к работе то или иное число коридоров, можно регулироватьпродолжительность пребывания обрабатываемой воды в камере в зависимости от еекачества. Дно коридоров камеры выполняют с продольным уклоном 0,02… 0,03 дляудаления осадка при чистке. Среднюю глубину камеры принимают 2… 2,5 м,продолжительность пребывания воды в камере 20 ...40 мин (минимальное время —длямутных вод, максимальное — для цветных с пониженной температурой).
В перегородчатых (одно-или двухэтажных) камерах, вплотную примыкающих к горизонтальным отстойникам,перемешивание воды достигается многократным изменением направления ее движенияв вертикальной или горизонтальной плоскости. Перегородчатые камеры применяют накрупных водоочистных комплексах: с вертикальным движением воды до 60 тыс.м3/сут; с горизонтальным — при большей подаче.
Расчет камерыперегородчатого типа заключается в нахождении ее объема, размеров в плане,числа и ширины коридоров и общей потери напора в сооружении.
Вихревая камерахлопьеобразования (рис. 6.1, а), предложенная Е.Н.Тетеркиным, выполнена в виде железобетонного конического или пирамидальногорезервуара (с углом конусности 50… 70°), обращенного вершиной вниз. Обычно еевстраивают в горизонтальный отстойник или располагают вплотную к нему. Принципработы камеры заключается в том, что перемешивание воды происходит при еедвижении снизу вверх вследствие значительного уменьшения скорости движения (от0,7… 1,2 до 0,004… 0,005 м/с) в результате резкого увеличения площадипоперечного сечения. Время пребывания воды в камере составляет от 6 (для мутныхвод) до 12 мин (для цветных вод). Передачу воды из камеры в отстойник следуетосуществлять при скорости ее движения в сборных лотках или трубах, а также в ихотверстиях не более 0,05 м/с для цветных вод и 0,1 м/с — для мутных.
При устройстве желобанеобходимо предусматривать треугольные водосливы или затопленные отверстия дляравномерного сбора воды. В современных конструкциях вихревых камерхлопьеобразования предусматривают встраивание тонкослойных модулей, чтоповышает эффект хлопьеобразования и улучшает гидравлические условия их работы.
Камерахлопьеобразования зашламленного типа (рис. 6.1, б),предложенная И. М. Миркисом, с вертикальными перегородками применяется для водс мутностью до 1500 мг/л. Ее размещают в начале коридора отстойника иливплотную с ним и выполняют в виде железобетонного пирамидального резервуара (суглом конусности порядка 45°). В основаниях перевернутых пирамид размещаютнапорные перфорированные водораспределительные трубы, расстояние между которымив осях — 2 м, от стенки камеры— 1 и. Отверстия трубы диаметром не менее 25 ммнаправлены вниз под углом 45°, их суммарная площадь должна составлять 30…40% от площади сечения распределительной трубы. Скорость движения воды враспределительных трубах принимают 0,5… 0,6 м/с. Для соблюдения постоянстваскорости движения воды распределительные трубы рекомендуется выполнятьтелескопическими с косыми переходами.
При скоростивосходящего потока 0,65… 1,6 (для вод мутностью 50… 250 мг/л) и 0,8…2,2 мм/с (для вод мутностью 250… 1500 мг/л) образуется и поддерживается вовзвешенном состоянии слой осадка высотой не менее 3 м, частицы которогоявляются центрами коагуляции. Время пребывания воды в камере не менее 20 мин.Применение камер хлопьеобразования со слоем взвешенного осадка позволяетувеличить расчетную скорость осаждения взвеси в отстойниках при осветлении водсредней мутности на 15...20% и для мутных вод— на 20%. Передача воды из камерыв отстойник осуществляется при скорости ее движения до 0,1 м/с для мутных вод идо 0,05 м/с — для цветных.
При расчете камерыпервоначально определяют ее объем по времени пребывания воды и площадь ееверхней части по скорости восходящего движения. Затем находят габариты широкойи узкой частей камеры, вычисляют их объемы, складывают и проверяют фактическоевремя пребывания воды в ней.
Водоворотная камерахлопьеобразования (рис. 6.2, а) совмещается с вертикальнымотстойником и располагается в центральном стакане. Вода подается в верхнюючасть камеры соплом, расположенным на расстоянии 0,2 диаметра камеры от стенкина глубине 0,5 м от поверхности воды, или соплами, закрепленными в ее центре ввиде неподвижного сегнерова колеса. Выходя из сопел со скоростью 2… 3 м/с,вода приобретает вращательное движение вдоль ее стенок и движется сверху вниз.Для гашения вращательного движения воды при ее переходе в отстойник, котороемогло бы ухудшить его работу, в низу камеры устанавливают гаситель в видекрестообразной перегородки высотой 0,8 м с ячейками 0,5x0,5м. Время пребывания воды в камере принимают 15… 20 мин, а ее высоту 3,5…4 м.
Область примененияводоворотных камер определяется применимостью вертикальных отстойников, т. е.качество обрабатываемой воды практически любое при суточной подаче до 5—8 тыс.м3.
При расчетеводоворотных камер первоначально находят ее площадь по времени пребывания воды,а затем зная ее высоту, определяют диаметр.
Для интенсификациипроцесса хлопьеобразования при коагулировании примесей маломутных и цветных водв свободном объеме А. Б. Гальберштадтом предложена гравийная камера спсевдоожиженной зернистой загрузкой, позволяющей в результате оптимизациипараметров турбулентности потока увеличить число взаимных контактов первичныхагрегатов и снизить кинетическую энергию их взаимодействия. Оптимальные условияпротекания процесса хлопьеобразования создаются при использовании зернистойзагрузки из антрацита (керамзита, песка и др.) с эквивалентным диаметром 0,6… 0,9 мм и высотой слоя в статических условиях 0,3… 0,5 м, работающей прирасширении 10… 15%, что соответствует восходящей скорости потока 2,6… 4,0мм/с. Первоначально контактный слой антрацита покоится на слое гравиякрупностью 5… 20 мм высотой 0,3… 0,4 м.
Примерно аналогичнаяконструкция контактной камеры хлопьеобразования (без поддерживающего гравийногослоя) предложена М. Г. Журбой. Для создания псевдоожиженного слоя использованывспененные гранулы полистирола марки ПСВ (ОСТ 6—05—202—83) крупностью 0,5…4,5 мм, удерживаемые в верхней части камеры дренажной сеткой. Первоначальнаявысота слоя гранул около 1 м. Восходящая скорость движения воды в камере 5…6 мм/с.
Применение на практикевышеописанных контактных камер хлопьеобразования позволяет увеличить в 3… 4раза нагрузку на единицу объема камеры, снизить на 20… 25% расходкоагулянта, уменьшить примерно в 1,5 раза продолжительность осветления воды вотстойниках.
Хорошо себязарекомендовала на практике при обработке маломутных цветных вод камерахлопьеобразования зашламленного типа с рециркуляцией шлама, предложенная ЛНИИАКХ им. К. Д. Памфилова (рис. 6.3). Обрабатываемая вода вводится в нижние частисекций камеры со скоростью 1 м/с и поступает в центрально расположенныеэжектируемые вставки, засасывая воду с осадком из объема секций. Таким образом,в каждой секции происходит непрерывное движение взвешенного осадка,обеспечивающее контактирование агрегативно неустойчивых примесей и ихагрегацию. Постепенно обрабатываемая вода переходит из камеры в камеру и далеев отстойник. Время пребывания воды в камере 20… 30 мин.
Флокуляторы
/>В механическихкамерах хлопьеобразования (флокуляторах), рекомендуемых СНиП при обработкемутных вод и применяемых на крупных водоочистных комплексах (рис. 6.4), плавноеперемешивание воды для завершения процесса коагулирования ее примесейосуществляется механическими пропеллерными или лопастными мешалками. Мешалкаможет иметь одну или несколько лопастей. Флокуляторы обычно встраивают вгоризонтальные отстойники и рассчитывают на время пребывания воды в них 30…40 и до 60 мин при реагентом умягчении. Число мешалок принимают 3… 5. Скоростьдвижения воды во флокуляторе уменьшается по ходу потока от 0,5 до 0,1 м/с засчет сокращения числа оборотов мешалок или уменьшающейся по ходу воды площадиих лопастей. Скорость вращения мешалок принимают 0,3… 0,55 м/с в зависимостиот качества исходной воды.
Флокуляторыустраивают с мешалками на вертикальной или горизонтальной оси. В первом случаеих обычно оборудуют моторами с переменной скоростью вращения, во втором — одиндвигатель обслуживает несколько мешалок. Мешалки располагают в начале коридораотстойники в два ряда и более и разделяют перегородками для циркуляции воды.Флокуляторы выполняют различной формы в плане: квадратными, круглыми и прямоугольными.Оптимально применение пропеллерных мешалок, создающих аксиальные потоки, чтоослабляет процесс разрушения образовавшихся хлопьев.
Исследованияфлокуляторов, выполненные в МГСУ (Г. И. Николадзе, Ч. С. Лай), показали, чточисло цилиндрических секций камеры следует принимать не менее трех сзигзагообразной траекторией движения воды, структура градиента скорости должнабыть убывающей по ходу воды от 100 до 25… 50 с-1 в последней секции, мешалкицелесообразно размещать на вертикальной оси. Данные табл. 6.1 даютпредставление о величинах критерия Кэмпа при обработке вод разного состава.
Таблица 6.1Схема очистки воды Критерий GT Маломутные цветные воды, рН = 5,5 ...6,5, обрабатываемые сульфатом алюминия 40*103…55*10 То же, при рН = 4,5… 5,5, обрабатываемые хлорным железом 100*103…150*103 Маломутные цветные воды, рН = 5,5… 6,8, обрабатываемые ПАА 200*103…300*103 Воды средней мутности и средней цветности, рН=6...7, обрабатываемые сульфатом алюминия 25*103…36*103 Воды средней мутности, рН = 6,6… 7,2, обрабатываемые хлорным железом 35*103…50*103
Преимуществамифлокуляторов по сравнению с камерами гидравлического типа являются небольшиепотери напора, конструктивная простота, оптимизация процесса хлопьеобразованияадекватно качеству обрабатываемой воды.
К числу недостатковфлокуляторов следует отнести дополнительный расход электроэнергии, наличие вводе деталей, к материалам на изготовление которых предъявляются высокиетребования, что удорожает сооружение в целом.
Методика расчетафлокуляторов аналогичная принятой для перегородчатых камер хлопьеобразования
Аэрофлокуляторы
Хорошеехлопьеобразование достигается барбатированием обрабатываемой воды сжатымвоздухом. При этом одновременно с хлопьеобразованием происходит насыщение водыкислородом воздуха и удаление оксида углерода. Равномерное распределениевоздуха в массе обрабатываемой воды достигается либо системой из пористых илиперфорированных труб (рис. 6.5), либо ложным дном из пористых плит. Глубинаслоя воды принимается в пределах 2,5—4,5 м, интенсивность подачи воздухаварьируется в пределах 0,05— 0,06 л/(с-м2), давление воздуха в подающемтрубопроводе должна быть порядка 5 МПа. Воздухораспределительные трубы,располагаемые поперек камеры с шагом 0,2—0,3 м, на расстоянии 1,0 м от дна,имеют по нижней образующей отверстия диаметром 2 мм при шаге 0,125—0,15 м. ПоА. В. Бутко преимущества аэрофлокуляторов заключаются в гибкости регулированияпроцесса хлопьеобразования адекватно качеству обрабатываемой воды, низкойстоимости и простоте устройства. К числу недостатков следует отнестидополнительный расход электроэнергии на компрессию воздуха.
/>
Рис. 6.5. Схемааэрофлокулятора.
1 и 2 — подача исходнойводы н воздуха; 3 — камера аэрофлокулятора; 4 и 8 — воздухо- иводораспределительная система; 5 — затопленный водослив; 6 — струенаправляющаяперегородка; 7 — горизонтальный отстойник
ЛИТЕРАТУРА
Алексеев Л. С., Гладков В. А. Улучшениекачества мягких вод. М., Стройиздат, 1994 г.
Алферова Л. А., Нечаев А. П. Замкнутыесистемы водного хозяйства промышленных предприятий, комплексов и районов. М.,1984.
Аюкаев Р. И., Мельцер В. 3. Производствои применение фильтрующих материалов для очистки воды. Л., 1985.
Вейцер Ю. М., Мииц Д. М.Высокомолекулярные флокулянты в процессах очистки воды. М.,1984.
Егоров А. И. Гидравлика напорныхтрубчатых систем в водопроводных очистных сооружениях. М., 1984.
Журба М. Г. Очистки воды на зернистыхфильтрах. Львов, 1980.