Дослідження роботи горизонтальних відстійників
Відстійники служать для затримки нерозчинених органічних забруднень, що перебувають у стічній воді. Ці забруднення випадають на дно відстійника або спливають на поверхню води внаслідок малої швидкості руху стічної води. Відстійники застосовуються як спорудження попереднього очищення стічних вод, а також для затримки біоценозу після апаратів біологічного очищення. Горизонтальний відстійник являє собою прямокутний у плані резервуар довжиною 27 м, шириною 24 м і глибиною 2,2 м, що складається з 4-х секцій (ширина однієї секції 6 м), і обладнаний скребковими механізмами візкового типу, що зрушують осад, що випав, до мулових приямків. З мулових приямків осад відділяється під гідростатичним напором на мулові площадки. Час перебування стічних вод у первинних відстійниках, згідно проекту, становить 1,5 год. Впуск води здійснюється по фронту відстійника через впускні вікна, обладнані щитовими затворами. Для відводу проясненої води в торці відстійника встановлені водозбірні лотки. Далі вода по каналу, що відводить, потрапляє у розподільний пристрій біофільтрів. При обстеженні первинного горизонтального відстійника встановлено, що він досить задовільно виконує своє основне призначення — затримує зважені речовини. Але при цьому виявлений цілий ряд недоліків і не використовуваних можливостей. Виявлено, що має місце нерівномірне надходження стоків у відстійник протягом доби. Спостерігається перевантаження відстійника в ранковий чac. При цьому через підйом рівня води відбувається затоплення прилягаючих ділянок землі. Через недосконалість системи подачі й відводу води з відстійника спостерігається нерівномірний розподіл швидкостей потоку по перетину апарата: у нижніх шарах вода майже не рухається, в той час як верхні шари переміщаються зі швидкістю, значно вище середньої. Ця особливість приводить до того, що у відстійнику слабко протікають біологічні процеси, спрямовані на очищення води. Нижні шари мають вміст розчиненого кисню близько 2—3 мг/дм3, у той час як у верхніх шарах цей показник становить 3—4 мг/дм3. Гідродинамічний режим роботи відстійників залежить від режиму надходження стічних вод у спорудження, що визначається вхідною швидкістю потоку й впливає на процес седиментації зважених речовин, і режиму збору проясненої води, що визначається швидкістю водяного потоку біля зливального лотка, а також від висоти мулового шару [1, 2]. За допомогою найпростіших засобів — лінійки, секундоміра й поплавця на одній із секцій горизонтального відстійника були проведені виміри швидкості поверхневого бігу води. Були зроблені виміри швидкостей на трьох ділянках відстійника: на вході водного потоку в спорудження (0,5 м від вхідного лотка), у середині відстійника й на виході стічної води зі спорудження (0,5 м від зливального лотка). У кожній частині виміри здійснювалися з інтервалом в 1 м по ширині секції. Результати вимірів показані в табл. 2.1. Як видно з табл. 2.1, на вході водного потоку в спорудження швидкість поверхневого плину по центру максимальна й досягає 10,2 мм/с, а в міру наближення до бічних стінок вона зменшується до 1,9 мм/с, а безпосередньо біля стінок наближається до нуля. Аналогічна картина спостерігається й у середній за довжиною частини відстійника. Тут у стінок швид-кість руху води становить 0,3—0,4 мм/с, а по центрі вона збільшується до 7,0 мм/с.
Таблиця 2.1. Швидкість поверхневого бігу води по ширині відстійника на різних ділянках його довжини
На виході із зони відстоювання швидкість поверхневого плину істотно вище, ніж у початковій і середній частинах, і становить у бокових стін 19,2 — 19,5 мм/с, а в центральній частині збільшується до 35,0 мм/с. Така істотна відмінність пояснюється особливістю конструкції зливального лотка й свідчить про нерівномірний рух води по перетину й довжині всієї зони відстоювання. На підставі експериментальних даних побудовані графічні розподіли лінійних швидкостей потоку води по ширині відстійника (рис. 2.1) [3]. Ці побудови наочно демонструють нерівномірність профілів швидкостей у горизонтальному відстійнику. Причому заміряні значення швидкостей потоку значно перевищують середню розрахункову швидкість потоку, обчислену за формулою:
де Q — продуктивність відстійника, м3/год.; h — висота робочої частини відстійника; b — ширина секції; n — число секцій.
Рис. 2.1. Розподіл швидкостей потоку води по ширині відстійника: 1 — вхідна частина, 2 — середня частина; 3 — вихідна частина
Підставимо значення:
Первинний відстійник призначений для затримки зважених часток розміром менш 0,2 мм, тому швидкість руху води не повинна перевищувати 0,01 м/с [4]. На рис. 2.2 показаний розподіл швидкості потоку води по довжині відстійника горизонтального типу на різній глибині, з якого видно, що швидкість потоку води на різних глибинах неоднакова й змінюється по довжині відстійника. Найвища швидкість спостерігається на дзеркальній поверхні відстійника. Зі збільшенням глибини лінійна швидкість потоку води зменшується [5]. Проведення вимірів швидкостей потоку води обмежується глибиною 1,5 м і тому не можна стверджувати, що швидкість потоку води в придоннії границі буде наближатися до нульової відмітки. Тут на швидкість водного потоку буде впливати висока концентрація й щільність зважених речовин [6].
Рис. 2.2. Залежність лінійної швидкості потоку води в горизонтальному відстійнику від його довжини: 1 — на дзеркальній поверхні; 2 — на глибині 0,5 м; 3 — на глибині 1,0 м; 4 — на глибині 1,5 м Значна різниця у швидкостях водного потоку має місце в передній, хвостовій і середній частинах горизонтального відстійника. У вхідній зоні шари рухаються з набагато більшою швидкістю, ніж нижні. Аналогічний профіль швидкостей спостерігається в зоні виходу води з відстійника. Лінійна швидкість потоку води в центральній частині значно нижче, ніж у передній і хвостовій. Таким чином, нерівномірний профіль швидкостей за довжиною, шириною й глибиною відстійника свідчить про нераціональне використання робочого об’єму апарату. Вміст часток суспензій зростає більш інтенсивно в нижніх шарах потоку, ніж у середніх і верхніх, причому середній розмір часток збільшується в середніх і нижніх шарах. Такий розподіл приводить до зменшення висоти падіння основної маси суспензій і часу, необхідного для випадання, а також до збільшення кута траєкторії її руху. Рух води у відстійнику є нерівномірним, тому що швидкість потоку є функцією координат і часу V = f (x, y, t). Особливістю руху води у відстійнику є те, що потік тут обмежений не з усіх боків, а має вільну поверхню, всі крапки якої є під впливом однакового зовнішнього тиску (атмосферного). На положення рівня вільної поверхні впливають сили ваги й інерції. Зв'язок між швидкістю і її тиском описується рівнянням Бернуллі [7]:
де Z — відстань від площини порівняння до центра ваги перетину; Р — тиск у центрі ваги цього перетину; V — середня швидкість у будь—якому перетині потоку; h пот — питома енергія, витрачена на подолання опорів від початкового до розглянутого перетину; Н — повна питома енергія, що є постійної для даного потоку; g — прискорення сили ваги. Проведений раніше експеримент показав, що швидкість руху в межах живого перетину неоднакова, тому рівняння буде мати такий вигляд [8]:
де Оскільки, крім атмосферного тиску ніякого надлишкового тиску рідина не випробовує, то рівняння Бернуллі можна записати в наступному виді:
Вхідний у рівняння Бернуллі коефіцієнт
Зі зростанням числа Re коефіцієнт Глибина відстійника й ухил поверхні постійні, зміні піддаються тільки швидкості потоків. Напишемо рівняння Бернуллі, що зв’язує два перетини, розташовані в зоні нерівномірного руху на незначному друг від друга відстані. При цьому
Після всіх перетворень одержимо рівняння в наступному виді:
При всіх допущеннях рух води у відстійнику носить турбулентний характер. У потоці з розвинутою турбулентністю сили опори визначаються турбулентним перемішуванням; при цьому характерно перемішування мас рідини, що обумовлюють розвиток у потоці поздовжних й вертикальних складових швидкості. Установлено, що вертикальна складова швидкості
Величини спадної й висхідної вертикальної складової швидкості рівні між собою. Потрапивши в зону турбулентного перемішування, частки надалі можуть переміщатися нагору під дією вертикальної складової швидкості потоку, якщо остання більше гідравлічного розміру часток осаду. Вертикальна складова різна для різних крапок потоку, змінюючись внаслідок пульсації швидкості на величину
Рис. 2.3. Схема розосередження застійних зон у первинному горизонтальному відстійнику: 1 — вхідний лоток; 2 — надходження стічних вод на відстоювання; 3 — стінка вхідного лотка; 4 — стічні води на виході з відстійника; 5 — вихідний лоток; 6 — зона інтенсивного руху води; 7 — придонна застійна зона; 8 — умовна границя між зоною інтенсивного руху й застійними зонами; 9 — периферійна застійна зона
Очевидно, що через нестачу кисню в застійних зонах відбувається спухання мулу з наступним його виносом на біофільтри й засміченням реактивних зрошувачів. Загальний обсяг застійних зон у відстійниках горизонтального типу становить 60—70 % обсягу відстійника. У якості базових даних узяті результати аналізів якості стічних вод на біологічній станції першої черги (табл. 2.2).
Таблиця 2.2. Результати аналізів стічних вод біологічного очищення
Як видно, при первинному відстоюванні досягається зниження вмісту амонійного азоту з 15,7 до 11,6 мг/дм3, зважених речовин з 111,6 до 72,0 мг/дм3, зменшення БСК із 110 до 98 мг/дм3. Крім того, трохи зменшується вміст нітритного азоту. Первинне відстоювання призначене для осадження зважених речовин у вихідній воді, що надходить на 7 паралельних біофільтрів. Ефективність роботи біофільтрів різна. Відстійники, незважаючи на деяку перевантаженість у порівнянні із проектом, справляються зі своїм основним призначенням. Розрахунковий час перебування води у відстійнику становить 1,43 години. Однак, по даним [11] середній час перебування води в промислових відстійниках приймається в межах 2 годин. Отже, даний відстійник перевантажений по воді. Необхідно відзначити, що наявність застійних зон знижує щирий час перебування води у відстійнику в 1,5—2 рази. Проведені експерименти й аналіз технічної літератури дозволили охарактеризувати механізм осадження зважених речовин у стічних водах, які пройшли біологічне окислювання. Осадження часток необхідно розглядати як гетерогенно-біологічний процес, у якому поряд з фізичним осадженням зважених часток має місце продовження біоокислювальних реакцій, що супроводжуються перебудовою гетерогенно-колоїдної структури. Процесам седиментації зважених речовин перешкоджає турбулентна складова потоку, що залежить від середньої швидкості потоку води, що освітлюється, й становить 5 % усередненої швидкості водного потоку в басейні відстійника [1]. Розглянута гетерогенна система включає воду з розчиненими в ній солями у вигляді катіонів і аніонів, колоїдні частки розміром 0,1...0,3 мкм і менш, живі мікроорганізми й бактерії. У такій системі повинні мати місце наступні явища. На частку, що перебуває в стані спокою, діє гравітаційна сила, внаслідок чого частка починає хаотичний і безперервний рух долілиць. Осадженню перешкоджає сила опору, обумовлена в'язкістю води й силами інерції. При вивченні кінетики осадження зважених речовин необхідно враховувати змішання дрібних часток щодо великих за рахунок гравітаційних сил. При обтіканні твердої частки молекулами води інерція змушує перемішатися частки в тім же напрямку. Випадання часток в осад у потоці рідини можна охарактеризувати як стиснуте. При стиснутому падінні швидкість випадання часток зменшується й тем більше, чим вище зміст часток, а отже, щільність води [12, 13]. Результати експериментальних досліджень показали, що кінетика процесу осадження зважених речовин залежить від багатьох факторів, основними з яких є концентрація і якість зважених речовин, вміст розчиненого кисню, температура. Математично залежність вмісту зважених речовин від концентрації розчиненого кисню й температури води у вторинних відстійниках може бути описана рівнянням:
Явище коагуляції в стічних водах має важливе значення. В основі процесу лежить злипання часток твердих речовин внаслідок дії адгезійних сил. Немаловажним фактором кінетики осадження зважених речовин у стічних водах є їхня взаємодія з газовими пухирцями, що є присутніми у воді і є продуктами біологічного процесу. Цей так званий флотаційний ефект особливо помітний на виході стічних вод з активним мулом з аеротенку й на виході із вторинних відстійників [14]. Як об'єкт досліджень, як гетерогенна водна система застосовувалася суміш побутових і промислових стічних вод, що пройшли біологічне очищення в аеротенках і біофільтрах очисних споруджень. Якість вихідних проб води показано в табл. 2.3. Показники якості води визначали за стандартними методиками, застосовуваними на практиці. Як видно з табл. 2.3, стічні води після біологічного очищення й відділення активного мулу у вторинних відстійниках характеризуються високим вмістом зважених речовин (вище норми на 44 %), вміст нітритів перевищує норму в 11,75 разів, нітратів — в 3 рази. Результати дослідження кінетики осадження зважених речовин у пробах води з різним початковим вмістом цих речовин представлені в табл. 2.4. Зразки стічних вод відразу ж після відбору із вторинних відстійників досліджували за стандартною методикою із установленням кінетики осадження зважених речовин.
Таблиця 2.3. Якість стічних вод після вторинних відстійників
З табл. 2.4 видно, що за рахунок відстоювання можна домогтися зниження вмісту зважених речовин до прийнятного рівня — 10 мг/дм3 при додатковому часі перебування води у відстійниках приблизно 15 — 40 хвилин. Таке збільшення часу перебування води в промислових відстійниках може бути забезпечене шляхом повної або часткової ліквідації застійних зон [15].
Таблиця 2.4. Кінетика осадження зважених речовин у стічних водах після біологічного очищення
На початковому етапі відстоювання розходження у швидкості руху зважених речовин залежить від їхньої концентрації у вихідній воді. Причому, чим більше початкова концентрація зважених речовин, тим вище швидкість осадження. Однак у міру посвітління швидкості зближаються, і після 30—60 хвилин залишковий вміст зважених речовин у стічних водах стає практично однаковим і майже не мінливим. Для повного подання про процеси, що відбуваються усередині відстійника, були проведені аналізи на вміст розчиненого кисню у воді по довжині горизонтального відстійника на різних глибинах (рис. 2.4). Видно, що вміст розчиненого кисню по ходу руху води зменшується як у верхніх, так і в нижніх шарах. Іншою особливістю рис. 2.4 є те, що вміст розчиненого кисню у воді значно нижче гранично можливого в даних умовах — 9,3 мг/дм3 [11]. Тим часом відомо, що швидкість біологічного окислювання в стічних водах прямопропорційна концентрації розчиненого кисню. Якщо підвищити вміст розчиненого кисню у воді до 5—7 мг/дм3, то швидкість біологічного окислювання у відстійниках може зрости не менш, ніж в 2 рази.
Рис. 2.4. Зміна вмісту розчиненого кисню у воді по довжині горизонтального відстійника на глибині, м: 1 — 0,1; 2 — 1,0; 3 — 1,5 Для повнішого з’ясування про процеси, що відбуваються усередині відстійника, були зроблені аналізи на вміст зважених речовин і розчиненого кисню на глибині 1,0 і й 2,0 м. Дані аналізу представлені в табл. 2.5. Як видно з табл. 2.5, більша частина активного мулу перебуває у зваженому стані, що відповідно спричиняє підвищений винос зважених речовин із вторинного відстійника. Максимальний вміст зважених речовин спостерігається в центральній частині відстійника на глибині 1,0 м і становить 48,0 мг/дм3. Характер зміни вмісту зважених речовин по ширині відстійника аналогічний зміні швидкостей потоку по ширині відстійника на поверхні басейну. Звідси можна зробити висновок, що швидкість потоку впливає на вміст зважених речовин: чим вище швидкість потоку наприкінці відстійника, тим вище винос зважених речовин з очищеними стоками. Тому необхідно максимально знизити швидкість у напрямку до виходу водного потоку зони відстоювання.
Таблиця 2.5. Вміст зважених речовин і розчиненого кисню на різній глибині біля зливального лотка по всій його ширині
Середня концентрація розчиненого кисню в 2,5 рази мен-ше максимально можливої, що негативно позначається на процесі седиментації зважених часток.
|
, (2.1)
.
, (2.2)
, (2.3)
— коефіцієнт нерівномірності, рівний 1,05...1…1,1.
, (2.4)
, що враховує нерівномірність розподілу швидкостей за перетином, залежить від числа Рейнольдса Re або коефіцієнта гідравлічного тертя l і може бути знайдений з вираження:
; 
. Позначимо величину втрати напору, обумовлену гідравлічним опором на шляху бігу води між двома перетинами, через 
.
. (2.6)
за величиною дорівнює деякій частці середньої швидкості V:
. (2.7)
. У зв'язку із цим частки осаду то піднімаються нагору, то опускаються, перебуваючи в безперервному русі. Одночасно вони разом з масою рідини переміщаються в напрямку поступального руху потоку зі швидкістю, майже рівної швидкості потоку. Якщо при рівномірному русі вся позитивна енергія сил ваги витрачається на подолання роботи сил опору, то у двофазних потоках, що складаються з води й твердих зважених речовин, деяка частина цієї енергії, безсумнівно, затрачається на підтримку твердих часток у зваженому стані. Осад, що відклався, створює додаткові умови для нерівномірного розподілу швидкостей потоку. Нерівність осаду, що відклався, може додатково послужити причиною створення і гасіння віхору. У цілому всі ці явища викликають у потоці вторинні, поперечні або зворотні рухи мас рідини, що сприяє утворенню зон застою. У цих випадках разом з потоком переміщаються й зважені речовини, які рухаються з нижніх шарів у верхні. Інтенсивність віхороутворення й рухів потоку в різних напрямках, а також утворення застійних зон є функцією горизонтальної швидкості потоку [8]. Зразкова схема, що показує застійні явища в зонах первинного відстоювання, представлена на рис. 2.3.
. (3.8)
