Принцип выбора метода очистки воды

Обработка воды с целью сделать её пригодной для питья, хозяйственных целей представляет собой комплекс физических, химических и биологических методов изменения её первоначального состава. Под обработкой воды понимают не только её очистку от ряда нежелательных и вредных примесей, но и улучшение пригодных свойств путём обогащения её недостаточными ингредиентами.

В практике чаще всего применяется следующие методы:

1. Удаление грубодисперсных веществ – путём отстаивания, фильтрования с предварительной коагуляцией или в сочетании этих методов.

2. Коагуляция – удаление грубодисперсной взвеси.

3. Обеззараживание воды – освобождение её от находящихся в ней патогенных микроорганизмов.

4. Стабилизация воды – удаление из воды веществ, вызывающих коррозию металла и бетона.

5. Дегазация воды – удаление растворенных в ней газов.

6. Дезодорация – устранение привкусов и запахов воды.

7. Умягчение и обессоливание воды.

8. Импфирование воды – перевод временной жесткости в постоянную.

9. Опреснение воды, применяемое в тех случаях, когда солевой состав её является сильно повышенным.

10. Корректирование содержания в воде железа, марганца, кремниевой кислоты и фтора.

11. Очистка воды от радиоактивных веществ.

Метод обработки воды выбирают на основе предварительного изучения состава и свойства воды источника, намеченного к использованию. В основу выбора метода обработки воды положено сопоставление качества воды источника водоснабжения с данными ГОСТ 2874-82 или требованиям технологии потребителя.

 

Осаждение грубодисперсных примесей воды.

2а. Теоретические основы процесса осаждения взвеси.

 

Осаждение взвешенных частиц происходит под действием силы тяжести. Все современные конструкции отстойников, применяемые для осветления воды, являются проточными, так как осаждение взвеси в них происходит при непрерывном движении воды от входа к выходу. Поэтому скорости движения воды в отстойнике должны быть малы; они измеряются долями мм/с в вертикальных отстойниках и несколькими мм/с в горизонтальных, тонкослойных и радиальных. При таких малых скоростях поток почти полностью теряет свою так называемую транспортирующую способность, обусловленную турбулентным движением воды.

Осаждение взвеси в потоке, движущемуся с малой скоростью, подчиняется с известным приближением, закону осаждения в неподвижном объёме жидкости.

Явления осаждения зернистой взвеси подчиняется более простым закономерностям, чем неустойчивые взвеси, но эти закономерности, с некоторым допущением, можно использовать и для осаждения неустойчивой взвеси.

Основным законом осаждения зернистой взвеси является линейный закон Стокса:

F3 = 3πμθd (1)

где F3 – сила сопротивления, Н; μ – вязкость жидкости, Н∙с/м²; θ - скорость осаждения частицы, м²/с; d – диаметр частицы, м.

Этот закон определяет величину силы сопротивления, которую испытывает частица при своём движении в жидкости. Сила сопротивления изменяется пропорционально скорости, т.е. по линейному закону.

Закон Стокса, как показывает опыт, справедлив для частиц малого диаметра.

С увеличением размера и скорости осаждения частиц линейный характер нарушается. Это вызвано возникновением турбулентности при обтекании движущейся частицы жидкостью, когда помимо вязкости на движение частицы начинают оказывать влияние инерционные силы.

В более общем виде сила сопротивления при движении частицы в жидкости может быть представлена в формуле, предложенной Ньютоном – Рейлеем:

F3 = ψ3 ρ1 θ²d² (2)

где ψ3 - коэффициент сопротивления, ρ1 - плотность жидкости, кг/м³; d – диаметр частицы, вычисленный как диаметр равновеликого по объёму шара, м. Коэффициент сопротивления ψ3 зависит от числа Рейнольдса:

Re=ρ1θd/μ (3)

Масса частицы в жидкости: m = πd³/6 ∙(ρ2 – ρ1) ∙g (4)

где ρ2 – плотность частицы, кг/м³; g – ускорение свободного падения.

При осаждении частиц в жидкости их движение рассматривается как равномерное,

т. е. сила тяжести, равная массе, и сила сопротивления уравновешены.

Приравнивая силу сопротивления к массе частицы, получим:

πd³/6∙(ρ2–ρ1)∙g=ψ3ρ1θ²d² (5)

откуда ψ3=(ρ2–ρ1)/ρ1∙g∙πd/6θ² (6). По этой формуле вычисляют значение коэффициента сопротивления при осаждении частиц.

Зависимость ψ3 = f' (Re3) (7) устанавливается опытным путём.

Рис. 4.2а.1.

 

 

На рис. 4.2а.1 показаны кривые зависимости коэффициента от числа Рейнольдса, построенные по данным А.П. Зегжда (кривая 1) и Л.И. Седова (кривая 2). Кривые даны в логарифмической анаморфозе.

При малых значениях Рейнольдса (Re3)(область малых частиц и малых скоростей)

зависимость коэффициента сопротивления от числа Рейнольдса выражается прямой линией, направленной под углом 45˚ к осям ординаты. В этой области справедлив линейный закон сопротивления, выражаемый уравнением прямой:

lgψ3 = - lg Re3 + lg A (8)

lg A – ордината прямой при lg Re3 = 0

Следовательно, ψ3 = А/ Re3 (9)

Если установлена зависимость коэффициента сопротивления от числа Рейнольдса для частиц определённого вида, то из формулы (6) можно найти скорость осаждения частиц:

θ = (πd/6ψ3∙g∙(ρ2–ρ1)/ρ1) (10)

Коэффициент ψ3 определяется по экспериментальным данным (рис.4.2а.1)

Для осаждения более крупных частиц формула (6) не пригодна, поскольку для определения ψ3 с помощью экспериментальных графиков нужно знать Re3, которое само зависит от скорости осаждения. Это затруднение можно избежать, вводя безразмерную величину (К)

К = Re3 ψ3 (11)

Рис. 4.2а.2.

 

 

На рис. 4.2а.2 показана графическая зависимость К от Re3 и коэффициента сопротивления (ψ3).

Рис. 4.2а.3.

На рис. 4.2а.3 приведена зависимость количества выпавшей монодисперсной взвеси (Р) от продолжительности осаждения.

Тангенс угла наклона прямой характеризует скорость осаждения: чем круче идёт прямая, тем больше гидравлическая крупность частиц взвеси и скорость осаждения.

График зависимости между относительным количеством выпавшей взвеси и продолжительностью осаждения называется кривой выпадения взвеси.

Кривые выпадения полидисперсных частиц показаны на рис. 4.2а.4.

Рис. 4.2а.4.

2б. Типы отстойников и область их применения.

 

В зависимости от направления движения воды различают три основных типа отстойников: горизонтальные рис. 4.2б.1, радиальные рис. 4.2б.2 и вертикальные.

Рис. 4.2б.1. Рис. 4.2б.2

В отстойниках по высоте различают зону осаждения, зону накопления и уплотнения осадка.

 

Горизонтальные отстойники – представляют собой прямоугольный резервуар, выполненный обычно из железобетона. В условиях нашей страны с продолжительными периодами устойчивых минусовых температур отстойники устраивают в здании. Осветляемая вода движется в направлении, близком к горизонтальному вдоль отстойника. Различают одно-, двухэтажные горизонтальные отстойники. Горизонтальные отстойники в отечественной практике рекомендуется применять при любом качестве обрабатываемой воды, производительностью не менее 30 тыс. м³/сутки.

Радиальный отстойник – круглый в плане железобетонный резервуар, высота которого невелика по сравнению с его диаметром. Вода в отстойнике движется от центра к периферии в радиальном направлении, близком к горизонтальному. Рекомендуется использовать радиальные отстойники при обработке мутных вод и в системах оборотного водоснабжения.

Вертикальный отстойник – обычно круглый в плане резервуар значительной глубины, в котором обрабатываемая вода движется снизу вверх. Выполняют их из железобетона или металла. В отечественном производстве вертикальные отстойники рекомендуется использовать при любом качестве осветлённой воды и суточной производительности до 3000 м³.

Отстойники с малой глубиной осаждения. Среди методов интенсификации процесса осаждения примесей воды одним из наиболее перспективных является отстаивание в тонком слое. Сущность его заключается в ламинаризации потока воды (Re = 60 -80), при которой исключается влияние взвешивающей составляющей.

Разработаны различные конструкции тонкослойных отстойников с использованием пластмасс, стеклопластиков и др. материалов, обеспечивающих лёгкое сползание и удаление осадка с поверхности.

На рис. 4.2б.3 показана одна из отечественных конструкций.

Рис. 4.2б.3.

 

 

Лекция 5. Осветление воды в слое взвешенного осадка.

План:

1. Теоретические основы процесса осветления воды в слое взвешенного осадка.

2. Типы осветлителей и область их применения.

 

1.Теоретические основы процесса осветления воды в слое взвешенного осадка.

 

С.Х. Азерьером, Е.Н. Тетеркиным, В.Т. Турчиновичем обнаружено, что эффект осветления воды резко возрастает при её прохождении через слой ранее образованного осадка. Водоочистные сооружения, предложенные ими, называются осветлители со слоем взвешенного осадка. Их применяют для осветления, обесцвечивания, умягчения, обесфторивания и обескремнивания воды. Они могут успешно работать только при условии предварительной обработки примесей воды коагулянтами и флокулянтами.

Осветлители обеспечивают высокий эффект осветления и имеют более высокую производительность, чем отстойники.

Рис. 5.1.1.

Обрабатываемая вода после смещения с реагентами подводится в осветлитель снизу и равномерно распределяется по его площади. Далее вода движется снизу вверх и проходит через слой взвешенного осадка. Взвешенные в потоке хлопья непрерывно хаотически двигаются, но весь слой в целом неподвижен. Он находится в состоянии динамического равновесия, обусловленного равенством скорости восходящего потока и скорости осаждения хлопьев.

Важно отметить, что средняя скорость осаждения хлопьев во взвешенном слое значительно меньше гидравлической крупности. Это характерно для так называемого стесненного осаждения частиц, на котором основана работа осветлителя.

Процесс осветления имеет физико-химическую природу – коагуляционный процесс прилипания мелких частиц взвеси, поступающих с водой, к сравнительно крупным частицам взвешенного осадка. Такой процесс представляет собой контактную коагуляцию.

При работе осветлителей величина хлопьев взвешенного осадка постоянно меняется. Во время работы избыточный осадок постоянно удаляют.

Общие закономерности стесненного осаждения были установлены Д.М. Минцем, Е.Ф. Кургаевым, В.В. Ашаниным.

Физическая сущность явления стеснённого осаждения заключается в изменении гидродинамических условий обтекания частиц жидкостью при увеличении их концентрации.

Процесс стеснённого осаждения можно уподобить прохождению частицы через пористую среду, т.е. через среду зернистого строения. Тогда коэффициент сопротивления (ψ) и числа Рейнольдса находят по формулам:

(1)

(2)

где Ро – перепад давления в слое зернистого материала, м; mc.о – доля свободного объёма, т.е. отношение объёма пустот в слое к общему его объёму; d – диаметр зёрен, м; L – толщина слоя, м; ρ1 - плотность жидкости, кг/м³; V – скорость фильтрования, м/с; μ – вязкость жидкости, Н∙с/м².

Согласно этому определению объёмная концентрация зёрен в слое:

Cv = 1-mc.o (3)

При движении жидкости через взвешенный в потоке зернистый слой площадью А, сила давления жидкости на слой уравновешивается массой слоя m, которая равна:

m= (ρ2 – ρ1) ∙g (1-mc.o)AL (4)

где ρ2 – плотность материала зёрен, кг/м³; g – ускорение свободного падения; L – высота столба взвешенного слоя, м.

Если падение гидродинамического давления (Р) во взвешенном слое на площадь слоя равно массе РА=m, (5)

то Р= (ρ2 – ρ1) ∙g (1-mc.o)L (6)

Таким образом, падение гидродинамического давления во взвешенном в потоке слое равно массе этого слоя с единичной площадью основания. Подставляя (6) в (1) получим для коэффициента сопротивления при движении жидкости через взвешенный слой:

Ψ= (ρ2 – ρ1)/ ρ1 ∙ g ∙ (mc.о ∙ d)/6V² (7)

На рис. 5.1.2 приведена зависимость ΨRe от fRe.

Рис. 5.1.2.

 

 

Линейная зависимость оказалась справедливой для любой крупности зёрен.