Главные загрязнители воды

Химические загрязнители	Биологические загрязнители	Физические загрязнители
Кислоты, щелочи, со-ли, нефть и нефтепро-дукты, пестициды, диоксины, тяжелые металлы, фенолы, ам-монийный и нит-ритный азот, СПАВ	Вирусы, бактерии, другие болезнетвор-ные организмы, водо-росли, лигнины, дрожжевые и плесневые грибки	Радиоактивные эле-менты, взвешенные твердые частицы, тепло, органолипти-ческие (цвет, запах), шлам, песок, ил, глина

Таблица 2

Приоритетные загрязнители водных экосистем по отраслям промышленности

Отрасль промышленности	преобладающий вид загрязняющих компонентов
Нефтегазодобыча, нефтепереработка	Нефтепродукты, СПАВ, фенолы, аммо-нийные соли, сульфиды
Целлюлозно-бумажный комплекс, лесная про-мышленность	Сульфаты, органические вещества, лигни-ны, смолистые и жирные вещества, азот
Машиностроение, металлообработка, металлургия	Тяжелые металлы, взвешенные вещества, фториды, цианиды, аммонийный азот, нефтепродукты, фенолы, смолы
Химическая промышленность	Фенолы, нефтепродукты, СПАВ, аро-матические углеводороды, неорганика
Горнодобывающая, угольная промышленность	Флотореагенты, неорганика, фенолы, взвешенные вещества
Легкая, текстильная, пи-щевая промышленность	СПАВ, нефтепродукты, органические красители, другие органические вещества

Лекция 2. Физические процессы, используемые

в технологии очистки вод

1. ОТСТАИВАНИЕ [1, 2]

Метод отстаивания применяют для удаления из сточной воды грубодисперсных твердых частиц или частиц органического проис-хождения.

Осаждение происходит под действием силы тяжести. Сточные воды обычно представляют собой полидисперсные гетерогенные агрегатно-неустойчивые системы, которые в силу различных процессов со временем сильно изменяются. Поэтому теоретически описать сложные процессы осаждения достаточно трудно.

В стоячей воде на осаждающуюся частицу действуют силы:

− сила тяжести частицы в воде F;

− сила сопротивления жидкости Ф;

− сила инерции J.

Поэтому уравнение движения осаждающейся частицы в общем виде

F – Ф = J. (1)

Сила тяжести частицы в воде (сила Архимеда) определяется

F = ( – _o)V = ( – _o)g V, (2)

где  и _o,  и _o – удельный вес и плотность частицы и воды, соответственно; V – объем частицы.

Сила сопротивления жидкости Ф зависит от массы, размера и формы частицы, скорости ее оседания и вязкости жидкости

Ф =  _o v²_ос d², (3)

где  – коэффициент сопротивления среды, зависящий от числа Рейнольдса: Re = _o v_ос d /  ; v_ос – скорость оседания частицы; d – эквивалентный диаметр частицы (d_экв.= );  – вязкость жидкости.

Сила инерции равна массе частицы, умноженной на ускорение

. (4)

В итоге имеем уравнение движения частицы в жидкости

( – _o) gV –  _o v²_ос d² = ( – _o) (5)

Через некоторое время скорость осаждения частиц становится постоянной, поэтому = 0.

И уравнение движения частицы принимает вид

(–_o) gV =  _o v²_ос d². (6)

Отсюда

, (7)

скорость осаждения частицы произвольной формы с эквивалентным диаметром d и объемом V =  d³/ 6 равна

. (8)

Для частиц малого размера сила сопротивления среды пропорциональна скорости оседания частицы. На этот случай для определения силы сопротивления среды Стокс предложил формулу в виде: Ф = 3v_осd. Сравнивая обе формулы, получим:

, (9)

но v_ос _о d/ = Re (число Рейнольдса). Следовательно:  = 3/ Re.

Отсюда основная формула для скорости осаждения (гидравли-ческой крупности) частицы в стоячей воде имеет вид известной формулы Стокса [2]

. (10)

Формула Стокса верна при следующих допущениях:

1. частицы должны иметь форму шара, для частиц другой формы вводится понятие «эквивалентного диаметра», равного диаметру шарообразной частицы той же гидравлической крупности;

2. процесс осаждения должен происходить в монодисперсной агрегатно-устойчивой системе с одинаковыми и неменяющимися во времени, по форме и размерам частицами;

3. число Рейнольдса Re < 2.

Для ламинарного, переходного и турбулентного режимов движения жидкости скорость свободного осаждения шарообразных частиц мож-но вычислить по формуле [3]

Re_o = Ar / (18+0,6 ), (11)

где Re_o = v_ос d_о/ – число Рейнольдса; Ar = d³ g (–_о) ²  – число Архимеда; d – диаметр частицы (для нешарообразных частиц принима-ют d_экв.= ; V – объем частицы); _о и  – плотность, соответствен-но, чистой воды и твердых частиц;

Сточная вода имеет более высокую вязкость и плотность, поэтому

_с = _о (1+2,5 С_о), (12)

где С_о – объемная концентрация взвешенных частиц; _с и _о – динамичная вязкость сточной и чистой воды.

_с = ₀ + (1–), (13)

где  – объемная доля жидкой фазы ( = ); V_ж и V_тв – объем жидкой и твердой фаз в сточной воде.

С ростом размера частиц скорость их осаждения увеличивается и ламинарный режим течения нарушается. Для крупных частиц (d >1 мм) скорость осаждения определяют по формуле Риттенгера [4]

v_ос = k · , (14)

где k – коэффициент, зависящий от формы и состояния поверхности частицы (k = 1,2 – 2,3).

При отстаивании воды с высокой концентрацией частиц, вследствие постепенного осаждения, происходит их концентрирование в нижних слоях жидкости. Такой режим называется стесненным осаждением. В этом случае при столкновении частицы могут изменять свою форму, размеры и скорость осаждения. При ламинарном режиме скорость осаждения можно рассчитать с использованием формулы Стокса и поправочного коэффициента R, учитывающего влияние концентрации частиц и свойств cреды [3]

v_ос = d² g( – _о)R /18 _o; R =  _o/ _c. (15)

Для стесненного осаждения хлопьевидных частиц приближенно скорость осаждения можно рассчитать по формуле

. (16)

2. ВСПЛЫВАНИЕ ЛЕГКИХ ЧАСТИЦ [3]

Очистка от всплывающих примесей аналогична осаждению твердых частиц. Различие заключается в том, что всплывающие частицы (частицы нефти, масел, смол, жиров и т. п.) имеют плотность меньше, чем плотность воды. Скорость подъема частиц легкой жидкости зависит от размера частиц, плотности и вязкости среды, т. е. от числа Re = V_всd/_o. В области Re < 0,25 всплытие происходит по закону Стокса

V_вс = d² g( – _л) / 18 _o, (17)

где _л – плотность всплывающей (легкой) частицы;

При всплытии легкая частица претерпевает торможение жидкости. Поэтому с учетом торможения

, (18)

где _л  коэффициент динамической вязкости всплывающей капли жидкости.

Отношение числа всплывших частиц легкой жидкости определенного размера к общему числу частиц легкой жидкости называется эффектом отстаивания . При равномерном распре-делении частиц легкой жидкости в воде он равен

 = V_вс.L/vh, (19)

где L – длина отстойника; v – скорость сточной воды в отстойнике; h – высота слоя жидкости от дна отстойника.

3. ФИЛЬТРОВАНИЕ [3]

Процесс фильтрования представляет собой выделение из жидкой среды тонкодисперсных твердых или жидких веществ, отделение которых отстаиванием затруднено. Разделение проводят при помощи плоских пористых перегородок или объемных пористых перегородок.