Книги по строительству и ремонту

Водоснабжение

Быт. Хозяйство. Строительство. Техника

§ 87. Осаждение взвеси в воде

При исследовании процесса осаждения взвеси в сооружениях для осветления воды возникают большие трудности, так как это явление крайне сложно. На характер осаждения частиц взвеси влияют их размер и форма, наличие и режим движения осветляемой воды и ее вязкость (изменяющаяся с температурой). Встречаемые в практике мутные воды всегда представляют собой полидисперсную систему, т. е. содержат частицы различных размеров, а также различных форм. Наконец, весьма часто (при коагулировании) приходится иметь дело с осаждением агрегативно-неустойчивой взвеси, частицы которой в процессе осаждения меняют свою структуру и размеры.

Все это крайне затрудняет математическое выражение законов осаждения  взвеси  и  получение  точных  методов  расчета   отстойников.

Рассмотрим некоторые теоретические предпосылки, которые могут быть положены в основу методики расчета отстойников.

Очевидно, что основной величиной, которая нас будет интересовать при проектировании и расчете отстойников, является скорость выпадения взвеси.

Скорость выпадения частицы в стоячей воде при температуре 10° С называют, как известно, гидравлической крупностью частицы. Величина частицы любой формы может быть условно выражена через теоретический (эквивалентный) диаметр. Эквивалентным диаметром называется диаметр такой шарообразной частицы, которая имеет ту же гидравлическую   крупность,   что и данная   частица   произвольной   формы.

Следует отметить, что и в этой области коэффициент сопротивления будет зависеть от формы осаждающихся частиц.

Приведенные выражения для скорости выпадения могут быть практически использованы лишь для случаев монодисперсной взвеси, т. е. когда частицы, замутняющие воду, имеют одинаковые (или весьма мало колеблющиеся) размеры.

Так как обычно при осаждении как естественной, так и коагулированной взвеси приходится иметь дело с полидисперсной взвесью с большим диапазоном размеров частиц, характеристики осаждения такой взвеси получают эмпирическим путем.

Определяя в лаборатории количество р взвешенных веществ (в процентах от количества взвешенных веществ до отстаивания), выпавших из проб исследуемой воды через различные промежутки времени (например, через каждый час), получают кривую выпадения взвеси (V.14).

Обычно кривые выпадения взвеси для воды природных источников обращены выпуклой стороной вверх. Это свидетельствует о замедлении процесса осветления с течением времени, что объясняется неоднородным составом взвеси. Более крупные частицы выпадают быстрее и осаждаются в начале процесса осветления воды. Чем более выгнута кривая выпадения, тем более неоднороден состав взвеси. Для монодисперсной  взвеси эта кривая обратилась бы в прямую линию.

Кривая выпадения взвеси позволяет определить, какой процент взвеси осаждается в течение любого заданного промежутка времени. Она дает возможность также найти процентное содержание различных фракций взвеси с разной гидравлической крупностью частиц.

Кривые выпадения взвеси, полученные на основе специально поставленных экспериментов, позволяют обоснованно подойти к расчету отстойников при их проектировании. С помощью указанных кривых определяют расчетные скорости выпадения взвеси, при которых обеспечивается заданный эффект осветления воды, а также необходимое время пребывания воды в отстойниках.

Экспериментальные исследования, проводимые для получения кривых выпадения взвеси, относятся к технологическому анализу воды, упомянутому ранее.

Перенося результаты опытов по исследованию осаждения взвеси на реальные сооружения, очевидно, следует считать, что скорость выпадения взвеси данной крупности постоянна (если взвесь в процессе выпадения не агломерируется), и, следовательно, время ее осаждения будет пропорционально высоте слоя осветляемой воды. Таким образом, для частиц данной крупности будет иметь место соотношение и т. д.

Для полидисперсной взвеси  (как было показано)  может быть определена скорость выпадения,  соответствующая   заданному   проценту задержания взвеси. С этой целью можно использовать метод, показанный на V.14. Весьма удобно для этой цели строить кривые зависимости и —h/i от р. При этом, чтобы исключить влияние высоты h опытного цилиндра, можно разделить ее на периоды времени ti, для которых опытом был установлен определенный процент выпадения взвеси. Тогда получим величины, имеющие размерность скорости u\ = h/t\y u2 = h(t2 и т. Д., соответствующие каждому данному проценту выпадения взвеси.

Зависимость между процентом выпавшей взвеси и соответствующей ему скоростью и может быть выражена графически (график на V.15, построенный в данном случае для той же воды, для которой построен график на V.14).

Такие графики, составленные на основании предварительных опытов с водой, подлежащей осветлению, используются при проектировании отстойников.

Все сказанное справедливо для полидисперсной, но агрегативно-устойчивой взвеси, т. е. такой взвеси, в которой размеры и форма частиц в процессе осаждения не изменяются. Между тем при коагулировании, широко используемом в современной практике осветления воды, имеет месте процесс агломерации частиц взвеси — их слипание, изменение формы и размеров (укрупнение). Таким образом, в практике приходится весьма часто иметь дело с осаждением агрегативно-неустойчивой взвеси. Для такой взвеси линейная зависимость между величинами h и t уже не будет соблюдаться.

По опытам Академии коммунального хозяйства значение п колеблется в пределах 0,2—0,5 (большее для хорошо сформированных крупных хлопьев).

Согласно упомянутой методике проведения технологического анализа (ГОСТ 2919—45), выпадение взвеси из воды характеризуется осаждаемостью взвеси. За показатель осаждаемости S принимается (по предложению А. А. Кастальского) отношение количества взвеси А (в %), выпадающей со скоростью 1 2 мм/с, к количеству взвеси В, выпадающей со скоростью 0,1 мм/с (в этих пределах лежат величины скоростей выпадения, практически имеющие место в отстойниках), т. е. S — A/B. Так как в этом диапазоне скоростей кривая выпадения взвеси (V.16) может быть принята за прямую, при помощи величин А я В могут быть получены скорости выпадения «, соответствующие требуемому проценту р задержания взвеси отстойником.  

В практике очистки воды осаждение взвеси осуществляется в специальных сооружениях — отстойниках.

Под отстаиванием в строгом смысле слова понимается осаждение взвеси из воды, находящейся в покое. Осуществление такого процесса («периодического отстаивания») в практике очистки воды крайне неудобно, так как требует периодического наполнения и опорожнения отстойных бассейнов. Поэтому применяют так называемое непрерывное отстаивание, при котором осветляемая вода непрерывно проходит с малыми скоростями через отстойники, в которых происходит   осаждение взвеси.

В настоящее время применяют отстойники трех типов, различаемые по направлению движения воды в них: горизонтальные, вертикальные и радиальные.