Физический процесс седиментации ( процесс осаждения осадка ) применяется в очистке воды , где гравитация удаляет взвешенные твердые частицы из воды. [1] Твердые частицы, увлекаемые турбулентностью движущейся воды, могут быть удалены естественным путем путем осаждения в стоячей воде озер и океанов. Отстойники — это пруды, построенные с целью удаления увлекаемых твердых частиц путем осаждения. [2] Осветлители — это резервуары, построенные с механическими средствами для непрерывного удаления твердых частиц, осаждаемых путем осаждения; [3] однако осветление не удаляет растворенные твердые частицы . [4]
Взвешенные твердые частицы (или СВ) — это масса сухих твердых частиц, задержанных фильтром заданной пористости, по отношению к объему пробы воды. Сюда входят частицы размером 10 мкм и более.
Коллоиды — это частицы размером от 1 нм (0,001 мкм) до 1 мкм в зависимости от метода количественного определения. Из-за броуновского движения и электростатических сил, уравновешивающих гравитацию, они вряд ли будут оседать естественным образом.
Предельная скорость осаждения частицы — это ее теоретическая скорость нисходящего движения в чистой и спокойной воде. В теории процесса осаждения частица осядет только в том случае, если:
Удаление взвешенных частиц путем осаждения зависит от размера, дзета-потенциала и удельного веса этих частиц. Взвешенные твердые частицы, удерживаемые на фильтре, могут оставаться во взвешенном состоянии, если их удельный вес аналогичен весу воды, в то время как очень плотные частицы, проходящие через фильтр, могут осаждаться. Осаждаемые твердые частицы измеряются как видимый объем, накопленный на дне конуса Имхоффа после того, как вода отстаивалась в течение одного часа. [5]
Используется теория гравитации, а также вывод из второго закона Ньютона и уравнений Навье–Стокса .
Закон Стокса объясняет связь между скоростью осаждения и диаметром частиц. При определенных условиях скорость осаждения частиц прямо пропорциональна квадрату диаметра частиц и обратно пропорциональна вязкости жидкости. [6]
Скорость осаждения, определяемая как время пребывания, необходимое для осаждения частиц в резервуаре, позволяет рассчитать объем резервуара. Точная конструкция и эксплуатация отстойника имеют большое значение для того, чтобы удерживать количество осадка, поступающего в систему отвода, на минимальном пороговом значении, поддерживая транспортную систему и устойчивость потока для удаления осадка, отводимого из системы. Это достигается путем снижения скорости потока до максимально возможного минимума в течение максимально длительного периода времени. Это осуществимо путем расширения подводящего канала и понижения его пола для снижения скорости потока, что позволяет осадку осаждаться из суспензии под действием силы тяжести. На поведение осаждения более тяжелых частиц также влияет турбулентность. [7]
Хотя осаждение может происходить в резервуарах других форм, удаление накопленных твердых частиц проще всего осуществлять с помощью конвейерных лент в прямоугольных резервуарах или с помощью скребков, вращающихся вокруг центральной оси круглых резервуаров. [8] Отстойники и осветлители должны быть спроектированы на основе скорости осаждения (v s ) наименьшей частицы, которая теоретически должна быть удалена на 100%. Скорость перелива определяется как: [ необходима цитата ]
Во многих странах эта величина называется поверхностной нагрузкой в м 3 /ч на м 2. Скорость перелива часто используется для потока через край (например, водослив) в единице м 3 /ч на м.
Единицей измерения скорости перелива обычно являются метры (или футы) в секунду, скорость. Любая частица со скоростью осаждения ( v s ) больше скорости перелива будет оседать, в то время как другие частицы будут оседать в соотношении v s / v o . Существуют рекомендации по скорости перелива для каждой конструкции, которые в идеале учитывают изменение размера частиц по мере перемещения твердых частиц через операцию:
Однако такие факторы, как скачки потока, сдвиг ветра, размыв и турбулентность, снижают эффективность осаждения. Чтобы компенсировать эти неидеальные условия, рекомендуется удвоить площадь, рассчитанную по предыдущему уравнению. [9] Также важно выровнять распределение потока в каждой точке по поперечному сечению бассейна. Плохие конструкции входов и выходов могут привести к крайне плохим характеристикам потока для осаждения. [ необходима цитата ]
Отстойники и осветлители могут быть спроектированы как длинные прямоугольники (рис. 1.a), которые гидравлически более устойчивы и которыми легче управлять для больших объемов. Круглые осветлители (рис. 1.b) работают как обычный сгуститель (без использования граблей) или как резервуары с восходящим потоком (рис. 1.c). [ необходима цитата ]
Эффективность осаждения не зависит от глубины резервуара. Если скорость движения достаточно низкая, чтобы осевший материал не поднимался повторно со дна резервуара, площадь все равно остается основным параметром при проектировании отстойника или осветлителя, при этом следует следить за тем, чтобы глубина не была слишком маленькой. [ необходима цитата ]
Отстойники и осветлители предназначены для удержания воды, чтобы взвешенные твердые частицы могли осаждаться. Согласно принципам седиментации, подходящие технологии очистки должны выбираться в зависимости от удельного веса, размера и сопротивления сдвигу частиц. В зависимости от размера и плотности частиц, а также физических свойств твердых частиц, существует четыре типа процессов седиментации:
Скорость седиментации в каждом случае контролируется различными факторами. [10]
Беспрепятственное осаждение — это процесс, который удаляет дискретные частицы в очень низкой концентрации без помех от соседних частиц. В общем, если концентрация растворов ниже 500 мг/л общего содержания взвешенных твердых частиц, осаждение будет считаться дискретным. [11] Концентрации общих взвешенных твердых частиц (TSS) в стоках водоводов на западе обычно составляют менее 5 мг/л нетто. Концентрации TSS в стоках автономных отстойников составляют менее 100 мг/л нетто. [12] Частицы сохраняют свой размер и форму во время дискретного осаждения с независимой скоростью. При таких низких концентрациях взвешенных частиц вероятность столкновений частиц очень мала, и, следовательно, скорость флокуляции достаточно мала, чтобы ею можно было пренебречь для большинства расчетов. Таким образом, площадь поверхности отстойника становится основным фактором скорости осаждения. Все отстойники с непрерывным потоком делятся на четыре части: входная зона, зона осаждения, зона ила и выходная зона (рисунок 2).
В зоне входа поток устанавливается в том же прямом направлении. Осаждение происходит в зоне отстаивания, когда вода течет к зоне выхода. Осветленная жидкость затем вытекает из зоны выхода. Зона ила: осажденный будет собираться здесь, и обычно мы предполагаем, что он удаляется из потока воды, как только частицы достигают зоны ила. [9]
В идеальном прямоугольном отстойнике в зоне осаждения критическая частица поступает в верхнюю часть зоны осаждения, и скорость осаждения будет иметь наименьшее значение для достижения зоны ила, а в конце выходной зоны компоненты скорости этой критической частицы представляют собой скорость осаждения в вертикальном направлении (v s ) и в горизонтальном направлении (v h ).
Из рисунка 1 видно время, необходимое для осаждения частицы;
Так как площадь поверхности резервуара равна WL, а v s = Q/WL, то v h = Q/WH, где Q — расход, а W, L, H — ширина, длина и глубина резервуара.
Согласно уравнению 1, это также является основным фактором, который может контролировать производительность отстойника, называемую скоростью перелива. [13]
Уравнение 2 также показывает, что глубина отстойника не зависит от эффективности осаждения, только если скорость движения достаточно мала, чтобы осевшая масса не поднималась снова со дна резервуара.
В горизонтальном отстойнике некоторые частицы могут не следовать диагональной линии на рис. 1, при этом оседая быстрее по мере роста. Таким образом, это говорит о том, что частицы могут расти и развивать более высокую скорость осаждения, если большая глубина с большим временем удержания. Однако вероятность столкновения была бы еще выше, если бы то же самое время удержания было распределено по более длинному, но неглубокому резервуару. Фактически, чтобы избежать гидравлического короткого замыкания, резервуары обычно делают глубиной 3–6 м со временем удержания в несколько часов.
По мере увеличения концентрации частиц в суспензии достигается точка, в которой частицы располагаются настолько близко друг к другу, что они больше не оседают независимо друг от друга, и поля скоростей жидкости, вытесняемой соседними частицами, перекрываются. Также существует чистый восходящий поток жидкости, вытесняемой оседающими частицами. Это приводит к снижению скорости оседания частиц, и этот эффект известен как затрудненное оседание.
Существует распространенный случай затрудненного осаждения. Вся суспензия имеет тенденцию оседать в виде «одеяла» из-за чрезвычайно высокой концентрации частиц. Это известно как зонное осаждение, потому что легко провести различие между несколькими различными зонами, которые разделены разрывами концентрации. Рис. 3 представляет собой типичные испытания колонны периодического осаждения на суспензии, демонстрирующей характеристики зонного осаждения. В верхней части колонны образуется четкий интерфейс, который отделяет осаждающуюся массу ила от осветленной надосадочной жидкости, пока такая суспензия остается в отстойной колонне. По мере осаждения суспензии этот интерфейс будет перемещаться вниз с той же скоростью. В то же время, в нижней части имеется интерфейс между этой осевшей суспензией и взвешенным одеялом. После завершения осаждения суспензии нижний интерфейс будет перемещаться вверх и встречаться с верхним интерфейсом, который перемещается вниз.
Осаждающиеся частицы могут контактировать друг с другом и возникать при приближении к полу отстойников при очень высокой концентрации частиц. Таким образом, дальнейшее осаждение будет происходить только в регулируемой матрице по мере уменьшения скорости осаждения. Это можно проиллюстрировать нижней областью диаграммы зона-осаждение (рисунок 3). В зоне сжатия осевшие твердые частицы сжимаются под действием силы тяжести (веса твердых частиц), так как осевшие твердые частицы сжимаются под весом вышележащих твердых частиц, и вода выдавливается, в то время как пространство становится меньше.
Седиментация при очистке питьевой воды обычно следует за этапом химической коагуляции и флокуляции , что позволяет группировать частицы в хлопья большего размера. Это увеличивает скорость осаждения взвешенных твердых частиц и позволяет оседать коллоидам.
Седиментация использовалась для очистки сточных вод на протяжении тысячелетий. [14]
Первичная очистка сточных вод заключается в удалении плавающих и осаждаемых твердых частиц путем осаждения. [15] Первичные отстойники снижают содержание взвешенных твердых частиц, а также загрязняющих веществ, содержащихся во взвешенных твердых частицах. [16] : 5–9 Из-за большого количества реагента, необходимого для очистки бытовых сточных вод, предварительная химическая коагуляция и флокуляция обычно не используются, а оставшиеся взвешенные твердые частицы уменьшаются на следующих этапах системы. Однако коагуляция и флокуляция могут использоваться для строительства компактной очистной установки (также называемой «пакетной очистной установкой») или для дальнейшей доочистки очищенной воды. [17]
Отстойники, называемые «вторичными отстойниками», удаляют хлопья биологического обрастания, образующиеся при некоторых методах вторичной очистки, включая активированный ил , капельные фильтры и вращающиеся биологические контакторы . [16] : 13