Общие положения
Факторы, благоприятствующие флокуляции. Коалесценция коллоидных частиц и гидроксидов металлов возможна только при их контакте. Флокуляция значительно улучшается при медленном перемешивании жидкости. Возможность контакта между частицами возрастает с увеличением их концентрации в воде, что достигается в результате накапливания в жидкости части осадка, сформировавшегося ранее.
Перемешивать очищаемую воду, реагенты и осадок следует достаточно медленно, чтобы не разрушать хлопья или образовавшуюся коллоидную суспензию. Кроме того, весьма важно, чтобы частицы осадка, входящего в контакт с жидкостью, в процессе очистки были в таком же физическом состоянии, как и те частицы, которые образовались в результате добавления в воду реагентов. Поэтому вновь вводимый в отстойник осадок не следует уплотнять, так как он обезвоживается в процессе длительного отстаивания. Обычно используют два вида сооружений для осветления воды в контакте с осадком.
- Осветлители с циркуляцией осадка. В них осадок отделяется от осветляемой воды в зоне отстаивания. Осадок затем возвращают в зону смешения, оборудованную механической («Акселатор», «Турбоциркулятор») или гидравлической («Циркулятор») системой перемешивания. В зону смешения поступает сырой сток, в который добавлены реагенты.
- Осветлители со взвешенным слоем осадка (типа «Пульсатор»). В этих сооружениях осадок не рециркулирует, а сохраняется в форме однородного взвешенного осадка с помощью потока воды, двигающегося снизу вверх. Очень небольшое перемешивание осуществляется при поступлении воды в сооружение.
Отделение осадка. Во взвешенном слое или в зоне рециркуляции осадок находится в состоянии суспензии; он занимает определенный объем, который может изменяться в зависимости от плотности осадка и восходящей скорости потока. При этом не происходит уплотнения осадка.
Осадок отделяется в спокойных зонах отстойника, хотя они занимают только малую часть сооружения. Осадок концентрируется в иловых приямках (они известны еще как концентраторы), откуда он удаляется открытием задвижек или с помощью сифона, контролируемых с помощью программирующего устройства.
Тонкослойное отстаивание. Принцип тонкослойного отстаивания применяется не только в контактных (статических) отстойниках, но и при отстаивании в контакте с осадком, благодаря чему скорость очистки воды увеличивается.
В отстойниках типа RPS с рециркуляцией осадка обычно используют трубчатые блоки; их выбирают с таким расчетом, чтобы они не забивались и работали надежно. Трубчатые блоки располагают в зоне отстаивания, при этом искусственно увеличивается рабочая площадь поверхности.
В осветлителях со взвешенным слоем осадка блоки располагают или в зоне отстаивания («Пульсатор» с полочными или трубчатыми блоками) или в самом взвешенном слое осадка («Суперпульсатор»). В первом случае блоки играют ту же роль, что и в статических отстойниках или в отстойниках с рециркуляцией осадка. Во втором случае блоки проектируют в виде полок с дефлекторами. Они играют двойную роль: во-первых, увеличивают эффективность очистки во взвешенном слое осадка, поддерживая медленное турбулентное движение жидкости в пределах блока и этим заметно уменьшая время, необходимое для флокуляции; во-вторых, они обеспечивают постоянную турбулентность потоков с сохранением между полками взве-
шейного слоя осадка за счет высокой восходящей скорости воды.
Применение. Отстойники, в которых вода отстаивается в контакте с осадком, могут быть применены во всех процессах очистки, в которых используют химические реагенты: при коагуляции коллоидных веществ (осветление), обеспечивании и удалении запаха, осаждении солей щелочно-земельных элементов (удалении карбонатов, умягчении), удалении железа и марганца, а также химической очистке сточных вод.
Отстойники с рециркуляцией осадка
Основная особенность этих отстойников — наличие зоны реакции и зоны осветления. Осадок, собранный со дна зоны осветления, подается в зону реакции. Эти осветлители, в принципе простые по конструкции, тем не менее должны очень тщательно проектироваться: необходимо учитывать не только их общую форму, но и конструктивные особенности самых мелких деталей, так как важно предотвратить выпадение осадка, обеспечить его циркуляцию без излишней турбулентности, а также обеспечить достаточный контакт осадка с водой без дополнительного его перемешивания.
Осветлитель «Циркулятор» оборудован гидравлической системой, обеспечивающей ускорение реакции при систематической циркуляции осадков, образующихся в процессе добавления реагентов к обрабатываемой воде.
Осветлитель довольно простой конструкции может эксплуатироваться в очистных установках средней производительности, где используются отстойники малого диаметра. Подобные осветлители часто применяют для ускорения процесса флокуляции и отстаивания под давлением. Очень удобно и выгодно использовать осветлители типа «Циркулятор» для небольших установок по очистке питьевой воды в сельской местности, когда двойное перекачивание воды вызывает осложнения в эксплуатации.
Обычно осветлители имеют коническое днище, что обеспечивает самопроизвольное сползание осадка к циркуляционному эжектору.
В осветлителях очень большого диаметра, в которых невозможно обеспечить большой уклон дна, для сбора осадка к центру сооружения, предусмотрены вращающиеся скребки, идентичные тем, которые применяются в отстойниках.
Время пребывания осветляемой или умягчаемой воды в «Циркуляторе» колеблется от 45 мин до 2 ч. Восходящая скорость потока не должна превышать при осветлении воды 2 м/ч и при умягчении 5—7м/ч.
Осветлитель «Турбоциркулятор». Рециркуляция ила в осветлителе достигается с помощью осевой турбинки, не разрушающей скоагулированных хлопьев гидроксидов металлов, которые разрушаются при использовании гидравлического эжектора в осветлителе типа «Циркулятор». Это дает возможность использовать «Турбоциркулятор» для осветления и умягчения воды.
Зона реакции, расположенная в центре «Турбоциркулятора», позволяет осуществлять полную коагуляцию, флокуляцию, умягчение и даже окислительные реакции. С помощью непрерывно работающего скребкового механизма осадок сгребается к центру сооружения, откуда он или возвращается в зону осветления или собирается в иловой приямок, откуда после уплотнения периодически удаляется.
Осветлитель «Акселатор» типа NS состоит из центральной зоны, окруженной зоной отстаивания. Эти две зоны сообщаются между собой с помощью отверстий, расположенных вверху осветлителя и у его дна.
С помощью турбинки вода циркулирует из зоны реакции в зону отстаивания. Осадок из зоны отстаивания возвращается в зону реакции. Повышение концентрации осадка в сооружении способствует быстрой флокуляции и образованию более плотного осадка. При необходимости донная мешалка может быстро смешивать поступающую воду, осадок и реагенты. Это предотвращает накопление тяжелых отложений, способных нарушить работу осветлителя.
В «Акселаторе» может быть один или несколько иловых приямков для сбора и удаления избытка уплотненного осадка.
Осветлитель «Акселатор» типа IS — разновидность осветлителя, оборудованного скребками в нижней части сооружения. Выпавший осадок с помощью скребков собирается в иловой приямок, расположенный на уровне дна, откуда и удаляется.
Прямоугольный тонкослойный отстойник типа RPS с полочными блоками, расположенными в зоне отстаивания, по своей конструкции напоминает осветлитель «Турбоциркулятор».
Камера реакции сооружения оборудована осевой импеллерной мешалкой, обеспечивающей рециркуляцию ила через горизонтальный канал, соединяющий нижнюю часть камеры с зоной отстаивания. В данной части камеры реакции расположен иловой приямок. Осадок, собранный с помощью скребков в зоне отстаивания, подается в камеру реакции, откуда или рециркулирует, или после уплотнения удаляется.
Смесь воды и осадка из камеры реакции равномерно распределяется с помощью двух горизонтальных каналов по всей длине зоны отстаивания. Осветленная вода собирается с помощью ряда перфорированных труб, равномерно располагаемых по всей площади сооружения над распределительными каналами.
Если в сооружении обрабатывается большой объем воды, то оно может состоять из двух зон отстаивания, расположенных по обеим сторонам камеры реакции. Небольшие отстойники могут не оборудоваться скребковыми механизмами.
Осветлители со взвешенным слоем осадка
Принцип осветления воды во взвешенном слое. На первый взгляд может показаться, что для определения размеров отстойника достаточно провести в лабораторных условиях измерения скорости следующим способом: поместить осадок в стеклянную трубку и, пропуская через него воду снизу вверх, измерить скорость потока, выше которой осадок начинает выноситься водой. Но, как показывает практика, уже через несколько минут осадок не остается в состоянии суспензии, а начинает накапливаться первоначально у внутренней стенки и через некоторое время образуется компактная масса уплотненного осадка, в котором вода промывает канал. Разумеется, при этих условиях не достигается эффективного контакта между осадком и водой, проходящей через стеклянную трубку.
С другой стороны, если воду пропускать по трубке через определенные промежутки времени, что достигается вводом большого количества воды в течение очень короткого времени, после которого следует сравнительно длительный период покоя, го обнаружим, что масса осадка остается в состоянии суспензии. Весь осадок переносится по направлению вверх в результате быстрой подачи, но в последующий спокойный период оседает с постоянной скоростью, как это происходит в воде, находящейся в состоянии абсолютного покоя. Это основной принцип измерения коэффициента когезии осадка. В результате образуется слой осадка, однородный во всех точках.
Если через взвешенный слой осадка в вертикальном направлении пропускать воду, то обнаружится, что объем, занимаемый осадком, возрастает с увеличением скорости потока. Но это справедливо только в определенном интервале значений, вне которого объем осадка увеличивается настолько, что его частицы будут находиться на таком расстоянии друг от друга, когда сила гравитации недостаточна для поддержания их сцепления. Осадок при этом выносится вверх с водой и взвешенный слой осадка разрушается. Предельная скорость потока устанавливается такая, чтобы она не превышала максимальную, при которой осветлитель может работать. Максимальная скорость зависит от многих факторов: температуры, вида воды и т. д.
Взвешенный слой осадка можно сравнить с витками пружины, которая сжата благодаря силам гравитации, но может быть растянута в большей или меньшей степени под воздействием, оказываемым водой на частицы осадка, составляющие эту «пружину», растяжение «пружины» увеличивается с повышением скорости потока воды. Разрушение взвешенного слоя можно предотвратить выбором приемлемых скоростей потока воды. Сопротивление его, а следовательно, и максимально возможная скорость движения потока воды могут быть увеличены путем увеличения коэффициента когезии во взвешенном слое осадка, в результате добавления в воду таких флокулянтов, как активная кремнекислота или полиэлектролиты. При повышении концентрации ила и обеспечении его хорошего контакта с водой максимальная скорость движения воды может возраста вдвое с одновременным уменьшением турбулентности потока, проходящего через взвешенный слой осадка. Вышеуказанные процессы используются в осветлителе с полочными блоками типа «Суперпульсатор».
Если расположить внутри взвешенного слоя осадка~~ увеличенного в объеме восходящим потоком воды какую-либо емкость без крышки, то можно обнаружить, что ил собирается и уплотняется внутри этой емкости. Это легко объяснимо, так как вода здесь не циркулирует и на осадок не действуют силы, увеличивающие его в объеме. Емкость, таким образом, включает зону низкого давления (когда «пружина» находится в естественном сжатом состоянии), окруженную зоной высокого давления (когда «пружина» растянута трением воды). Поэтому вполне естественно, что поток осадка быстро движется из зоны высокого давления в зону низкого давления. Сосуд служит как бы концентратором осадка, из которого избыток его удаляется.
Осветлитель типа «Пульсатор» (патент Франции № 1115038 и патентуется в других странах) представляет собой конструкцию, разработанную на основании результатов лабораторных и теоретических исследований, изложенных выше. В этом сооружении используется высокая восходящая скорость потока (выше 8 м/ч), зависящая от вида взвешенных веществ.
Осветлитель состоит из плоскодонного резервуара, в основании которого расположены ряды перфорированных труб 8, с помощью которых поступающая вода 1 равномерно распределяется по осветлителю. В верхней части сооружения также установлен ряд перфорированных труб или каналов 2 для равномерного сбора осветленной воды, что предотвращает возникновение неравномерных скоростей в различных частях отстойника.
Существуют различные способы ввода воды через определенные интервалы с помощью донной системы труб, но все они требуют аккумуляции на какой-то период времени определенного объема поступающей воды, а затем как можно более быстрого ввода ее в сооружение. Наиболее эффективный метод — подача поступающей воды в вакуумную камеру 5, из которой воздух в количестве, приблизительно равном половине расхода очищаемой воды, отсасывается вакуумным насосом 6. Вакуумная камера сообщается с донной системой труб осветлителя. В этих условиях уровень поступающей воды в вакуумной камере постепенно повышается. Когда он превысит уровень воды в осветлителе на 0,6—1 м, замыкается контакт электрического реле и быстро открывается задвижка 7, по которой поступает воздух. Под действием атмосферного давления вода, находящаяся в камере, с большой скоростью поступает в осветлитель.
Режим работы камеры следующий: вода из вакуумной камеры поступает в осветлитель на 5—10 с, время наполнения этой камеры 30—40 с.
Воздух удаляется из вакуумной камеры или вентилятором, или электрической воздуходувкой, действующими как вакуумный насос. Задвижка, с помощью которой вакуумная камера соединяется с атмосферой, открывается или закрывается, если вода поступает выше или ниже указанного уровня.
Поперечное сечение водосборника у дна отстойника благоприятствует уменьшению потерь напора. Отверстия во всех трубах, распределяющих воду, расположены так, чтобы в нижней половине отстойника образовался однородный взвешенный слой осадка. Слой совершает возвратно-поступательное движение и может увеличиваться в объеме за счет флокулянтов и примесей, содержащихся в поступающей воде. Увеличение объема взвешенного слоя осадка происходит постепенно. Определенная зона сооружения используется в качестве илового сборника 9 с наклонным дном, в котором собирается и уплотняется избыток осадка. Осадок из сборника периодически удаляется с помощью выпускных труб 3. Применяемое в осветлителе оборудование не имеет системы механического перемешивания, которая может разрушать уже сформировавшиеся хлопья осадка. Благодаря высокой концентрации частиц во взвешенном слое и его буферному действию, изменение величины pH поступающей воды или несовершенность регулировки нагрузки не оказывают неблагоприятного воздействия. В процессе очистки наблюдается постепенное изменение мутности осветляемой воды без какого-либо выноса ила из сооружения.
Принцип работы осветлителя типа «Пульсатор» можно очень легко использовать при переоборудовании уже существующих сооружений, старых фильтров или резервуаров. В результате модернизации этого оборудования его производительность может быть увеличена в 2 и 3 раза. Такая модернизация оборудования произведена на очистной станции производительностью 300 тыс. м3/сут в Буэнос-Айресе, Дурбане и на других станциях.
Осветлитель типа «Пульсатор», оборудованный полочными блоками. Установка в «Пульсаторе» полочных блоков выше взвешенного слоя осадка позволяет улучшить качество осветленной воды при той же восходящей скорости потока по сравнению с результатами очистки в обычном «Пульсаторе» без полочных блоков или увеличить восходящую скорость потока воды. Применяемые полочные или трубчатые блоки изготовляют из пластмассы. Их располагают в осветлителе под углом 60° к горизонтальной плоскости.
Частицы хлопьев, выносимые за пределы взвешенного слоя осадка, осаждаются на. нижней поверхности блоков и аккумулируются. Образовавшаяся тонкая пленка сползает во взвешенный слой осадка.
Осветлитель типа «Суперпульсатор». В нем сочетаются преимущества отстаивания в контакте с осадком, пульсации взвешенного слоя осадка и осаждения в тонком слое. Конструкция сооружения имеет много общего с «Пульсатором», но рабочие характеристики его лучше. Сохранен принцип подачи и распределения воды в основное оборудование.
Смесь коагулированной воды и флокулированного осадка поднимается параллельными потоками вертикально вверх, пересекая зону, расположенную между донными распределительными трубами и наклонными полочными блоками, в которые вода поступает равномерно. Перегородки для уменьшения скорости потока, используемые в «Пульсаторе», в «Суперпульсаторе» не применяются.
Флокулированная вода с помощью распределительной системы равномерно поступает в систему полочных блоков, расположенных под углом 60° к горизонтальной плоскости и перпендикулярно к илосборнику. На нижней стороне каждой полки установлены отражатели, которые поддерживают полку в определенном положении и способствуют образованию медленного вихревого движения воды.
Полки с отражателями во взвешенном слое дают возможность поддерживать вдвое большую концентрацию осадка, чем в «Пульсаторе» при тех же рабочих скоростях. Высокая концентрация осадка во взвешенном слое, достигающая иногда 50% по объему, дает возможность «Суперпульсатору» выполнять функции фильтра загрязнений, что определяет преимущество осветлителей с большой концентрацией взвешенного слоя осадка. Как и в «Пульсаторе», верхняя поверхность взвешенного слоя ограничена переливом в зону сбора осадка, где не действуют силы, вызывающие движение воды вверх, а возврат осветленной воды осуществляется с помощью системы коллекторов. Гибкость эксплуатации этого сооружения позволяет очень быстро запускать его в работу.
Любому предприятию требуется для указания различных объектов информационные таблички. Заказ информационных табличек доступно по ссылке.