Типы отстойников очистки сточных вод. Отстойники биологической очистки сточных вод. Элементы горизонтальной конструкции

Отстаивание является наиболее простым и часто применяемым в практике способом выделения из сточных вод грубодисперсных примесей, которые под действием гравитационной силы оседают на дно отстойника или всплывают на его поверхность.

В зависимости от требуемой степени очистки сточных вод отстаива­ние применяется или в целях предварительной их обработки перед очист­кой на других, более сложных сооружениях, или как способ оконча­тельной очистки, если по местным условиям требуется выделить из сточ­ных вод только нерастворенные (осаждающиеся или всплывающие) при­меси.

В зависимости от назначения отстойников в технологической схеме очистной станции они подразделяются на первичные и вторичные. Пер­вичными называются отстойники перед сооружениями для биологичес­кой очистки сточных вод; вторичными - отстойники, устраиваемые для осветления сточных вод, прошедших биологическую очистку.

По режиму работы различают отстойники периодического действия, Или контактные, в которые сточная вода поступает периодически, при­чем отстаивание ее происходит в покое, и отстойники непрерывного дей­ствия, или проточные, в которых отстаивание происходит при медлен­ном движении жидкости. В практике очистки сточных вод осаждение Взвешенных веществ производится чаще всего в проточных отстойниках.

Контактные отстойники применяют для обработки небольших объе­мов сточных вод.

По направлению движения основного потока воды в отстойниках они делятся на два основных типа: горизонтальные и вертикальные ; разно­видностью горизонтальных являются радиальные отстойники. В горизон­тальных отстойниках сточная вода движется горизонтально, в верти­кальных - снизу вверх, а в радиальных - от центра к периферии.

К числу отстойников относят и так называемые осветлители. Одно­временно с отстаиванием в этих сооружениях происходит фильтрация сточных вод через слой взвешенных веществ.

Содержание нерастворенных примесей (взвешенных веществ), вы­деляемых первичными отстойниками, зависит от начального содержания и от характеристики этих примесей (формы и размера их частиц, плот­ности, скорости их осаждения), а также от продолжительности отстаи­вания. Основная масса грубодисперсных взвешенных веществ выпадает в осадок в течение 1,5 ч (см. рис. 4.2). Скорость осаждения и полнота Выделения из воды тонкодисперсных частиц зависят от их способности К агломерации.

Допустимое остаточное содержание взвешенных веществ - вынос из первичных отстойников - устанавливается в зависимости от типа био­логических окислителей для последующей очистки сточных вод. В соот­ветствии с этим принимается продолжительность отстаивания.

Из отстойников перед биофильтрами и аэротенками на полную очист­ку не должно выноситься взвешенных веществ более 150 мг/л. Продол­жительность отстаивания городских сточных вод в этом случае должна быть 1,5 ч.

Выбор типа, конструкции и числа отстойников должен производиться на основе технико-экономического их сравнения с учетом местных ус­ловий.

Вертикальные отстойники применяют обычно при низком уровне грунтовых вод и пропускной способности очистных сооружений до 10 000 м3/сутки. Горизонтальные и радиальные отстойники применяют независимо от уровня грунтовых вод при пропускной способности очист­ных сооружений свыше 15 000-20 000 м3/сутки. Радиальные отстойни­ки с вращающимся распределительным устройством применяют на стан­циях пропускной способностью более 20 000 м3/сутки при исходной кон­центрации взвешенных веществ не более 500 мг/л.

Основными условиями эффективной работы отстойников являются: установление оптимальной гидравлической нагрузки на одно сооруже­ние или секцию (для данных начальной и конечной концентраций сточ­ной воды и природы взвешенных веществ); равномерное распределение сточной воды между отдельными сооружениями (секциями); своевре­менное удаление осадка и всплывающих веществ.

Эффект осаждения зависит от высоты слоя воды, в котором происхо­дит отстаивание.

Глубина отстаивания Я в натурных сооружениях равна 2-4 м. В ла­бораторных условиях кинетика процесса отстаивания сточных вод обыч­но изучается при меньшей высоте слоя воды.

Госкомитетом по науке и технике и техническим советом стран-чле­нов СЭВ принято, что для сравнения результатов исследований, выпол­ненных разными авторами, эксперименты по отстаиванию взвешенных веществ в покое должны проводиться при высоте слоя жидкости H - = 500 мм, принимаемой за эталон.

Для агрегативно-устойчивых частиц принимается простое соотноше­ние, позволяющее пересчитывать время Т, необходимое для получения заданного эффекта очистки в отстойниках, по результатам лаборатор­ных исследований в цилиндрах эталонной высоты при продолжительно­сти T :

TIH ~ tlh При Э - Const,

Где Я - высота воды в отстойнике, м; h- высота воды в цилиндре, м. Для агломерирующих взвешенных веществ, преобладающих в сточ­ных водах, сохраняется пропорциональность продолжительности отстаи­вания высоте слоя, но эта зависимость не прямолинейна. В этом случае расчетная продолжительность отстаивания сточных вод в отстойнике Т глубиной Я может быть определена из продолжительности отстаивания их в лабораторных условиях T при высоте H по соотношению, предложен­ному Академией коммунального хозяйства им. К. Д. Памфилова и Мос­ковским инженерно-строительным институтом им. В. В. Куйбышева, в следующем виде:

Т = t (H /h )n , (4.58)

Где п- показатель степени, отражающий влияние агломерации: для хо­рошо сформированных скоагулированных хлопьев в сточных водах п - 0,5; для сточных вод газоочисток га=0,45; для го­родских сточных вод при концентрации взвешенных веществ до 400 мг/л п= 0,25, с увеличением начальной концентрации п воз­растает: например, при 600 мг/л п=0,3; для шахтных вод /г=0,35; для шерстомойных сточных вод « = 0,19...0,44 в зави­симости от количества жира и ПАВ в сточной воде. Однако не для всех видов сточных вод имеются достаточно полные опытные данные, характеризующие осаждаемость взвешенных частиц.

В тех случаях, когда данные отсутствуют и не могут быть получены по каким-либо причинам экспериментальным путем, отстойники рассчиты­вают по имеющимся данным для близких по составу сточных вод или применяют другие способы расчета (например, по нагрузке сточных вод в м /м2 поверхности отстойника).

Исходными данными при расчете отстойников на любую степень полноты выделения из сточных вод нерастворимых примесей, незави­симо от их вида, является: 1) объем сточных вод и начальная концент­рация в них взвешенных веществ Сь 2) допустимая конечная концент­рация Сг взвешенных веществ в отстоенной воде, принимаемая в соот­ветствии с санитарными нормами или обусловленная технологическими требованиями, как, например, при расчете первичных отстойников перед аэротенками на полную очистку и биофильтрами, когда С2 должна быть 100-150 мг/л; 3) условная гидравлическая крупность и0 частиц, кото­рые требуется выделить из воды; высота столба воды H в лабораторном цилиндре, в котором производится технологический анализ (отстаива­ние) сточной воды; 4) показатель степени п, отражающий влияние аг­ломерации взвешенных частиц при их осаждении.

Необходимый рабочий эффект осветления определяется из выраже­ния

Cl~~Cz юо. (4.59)

Соответственно этому эффекту принимаются наименьшая скорость осаждения (гидравлическая крупность частиц) и0, мм/с (табл. 4.17), или продолжительность отстаивания (см. рис. 4.26), по которым опре­деляются основные размеры первичных отстойников.

Эффект отстаивания сточных вод Э и происходящее при этом уплот­нение осадка влияют на экономичность и устойчивость работы очистных сооружений, особенно при биологической очистке сточных вод.

Увеличение выноса взвешенных частиц из первичных отстойников приводит к увеличению объема избыточного активного ила в аэротенках. Влажность активного ила (99%) значительно превышает влажность осадка (93-95%) из первичных отстойников. Это вызывает необходи­мость увеличения вместимости илоуплотнителей и всех последующих со­оружений для обработки избыточного активного ила.

В целях повышения эффективности работы отстойников, особенно при содержании в сточной воде взвешенных веществ более 300 мг/л, не­обходимо принимать дополнительные меры: а) добавлять к сточным во­дам химические реагенты - коагулянты, способствующие увеличению гидравлической крупности частиц примесей; б) добавлять хорошо оседа­ющие взвешенные вещества, в частности, активный ил, выполняющий роль сорбента и биокоагулянта; в) предварительно аэрировать сточные воды, что способствует флокуляции (хлопьеобразованию и укрупнению) находящихся в сточной воде мельчайших нерастворенных примесей.

Химические реагенты применяют главным образом при очистке про­изводственных сточных вод, биокоагуляцию и флокуляцию - при очист­ке бытовых сточных вод и их смесей с производственными водами.

1 - трубопровод для отвода сырого осадка и опорожнения; 2 и 4 - лотки площадью сечения соот­ветственно 800X900 и 600X900 мм; 3 и 14 - дюкеры для подачи сырой сточной воды соответственно D =700 И D =1000 Мм; 5 -впускные отверстия; 6 -- скребковая тележка; 7 - жиросборный хоток, й = =400 мм; 8 - ребро водослива; 9 - фронтальная тележка; 10 - жиропровод, 5=200 мм 11 - само­течный трубопровод для отвода сырого осадка и жира для опорожнения. 12 -аварийный дюкер площадью сечеиия 1200X1200 мм; 13 - самотечный трубопровод для отвода сырого осадка и опорож­нения, D - 200 мм; /5 -шиберы 400ХЬ00 мм; /б - дюкер для отвода осветленной воды, D =7 00 мм

Стицы uQ пбд действием СИЛЫ Тяжести и скорости горизон­тального движения воды V Вдоль отстойника (рис. 4.28). Траектория движения частицы направлена здесь по равнодей­ствующей этих двух скоростей.

При заданных величинах И, L и V можно найти такое зна­чение скорости осаждения и0, при котором равнодействую­щая пройдет через наиболее удаленную точку дна отстойни­ка г. В отстойнике будут за­держиваться лишь взвешенные частицы, имеющие скорость осаждения которая является наименьшей для данного отстойника. Ее назы­вают охватываемой скоростью, т. е. гидравлической крупностью тех наи-

Боле мелких взвешенных веществ, которые задерживаются отстойником указанной длины. Более мелкие частицы, скорость падения которых меньше и0, будут выноситься с водой.

Эффективность выпадения взвешенных веществ из сточной воды в первичных отстойниках характеризуется данными табл. 4.17.

При проектировании первичных горизонтальных отстойников для бытовых и близких им по составу производственных сточных вод ре­комендуется принимать расчетную глубину отстойной (проточной) части ~3 м (допускается 4 м), расчетную горизонтальную скорость потока V = 5...7 мм/с, длину отстойника L - VH / U 0 (здесь и0 - по табл. 4.17).

В табл> 4.18 даны размеры типовых горизонтальных первичных от­стойников.

Таблица 4.18

Высота борта отстойника над поверхностью воды обычно не превы­шает 0,4 м.

Между проточной и иловой частью отстойника предусматривается нейтральный слой высотой 0,4 м.

Ширина отстойника принимается в зависимости от способа удаления из него осадка, однако с таким расчетом, чтобы число отделений от­стойника было не менее двух. Обычно эта ширина не превышает 9 м. Ширину отстойника целесообразно увязывать с шириной аэротенков (б и 9 м), чтобы иметь возможность объединить эти сооружения в сек­ции.

Имеющиеся унифицированные сборные панели высотой 3,6 и 4,8 м для прямоугольных емкостей позволяют подобрать по глубине проточной части два типоразмера горизонтальных отстойников-3,2 и 4,4 м.

Осадок из отстойников удаляется под гидростатическим давлением и с помощью различных механизмов (скребков, насосов, элеваторов и др.).

Основными преимуществами горизонтальных отстойников являются: малая глубина, хороший эффект очистки, возможность использования од­ного сгребающего устройства для нескольких отделений. К недостаткам их относится необходимость применения большего числа отстойников вследствие ограниченной ширины.

Вертикальный отстойник (рис. 4.29) представляет собой круглый в плане резервуар с коническим днищем.

Сточная вода подводится к центральной трубе и спускается по ней вниз. При выходе из нижней части центральной трубы она меняет на­правление движения и медленно поднимается вверх к сливному желобу. При этом из сточной воды выпадают грубодисперсные примеси, плот­ность которых больше плотности сточной воды. Для лучшего распреде­ления воды по всему сечению отстойника и предотвращения взмучива­ния осадка опускающейся водой центральную трубу делают с растру­бом, ниже которого устанавливают отражательный щит.

Каждая частица нерастворенных примесей, поступившая в отстой­ник, стремится двигаться вместе со слоем воды вверх с той же скоро­стью V, с какой движется вода; в то же время под действием силы тя­жести она стремится вниз со скоростью и0, зависящей от размера и фор­мы частиц, их плотности и вязкости жидкости.

Сточная вода содержит механические примеси различной гидравли­ческой крупности, поэтому при протоке ее в отстойнике с какой-либо по­стоянной скоростью v частицы этих примесей будут занимать самые различные положения. Одни из них (при u0>v) быстро осаждаются на дно отстойника, другие (с U 0 = V ) находятся во взвешенном состоянии, третьи (с u0

Для бытовых сточных вод величину V принимают равной 0,7 мм/с. Продолжительность отстаивания зависит от требуемой степени осветле­ния сточных вод и принимается в пределах от 30 мин (перед полями фильтрации) до 1,5 ч (перед аэротенками и биофильтрами).

Уровень воды в отстойнике определяется гребнем переливного (сбор­ного) желоба, в который поступает отстоенная вода. Отсюда она на­правляется на последующую очистку. Взвешенные вещества, выделив­шиеся из сточной воды, образуют осадок (примерно 0,8 л/сутки по рас­чету на одного жителя), скапливающийся в иловой части отстойника, вместимость которой рассчитывают на двухсуточный объем осадка.

Осадок из вертикальных отстойников удаляют под действием гидро­статического давления через иловую трубу диаметром 200 мм, выпуск которой расположен на 1,5-2 м ниже уровня воды в отстойнике. Влаж­ность осадка 95%.

Вертикальные отстойники имеют преимущества по сравнению с го­ризонтальными; к числу их относятся удобство удаления осадка и мень­шая площадь, занимаемая сооружением. Однако они имеют и ряд недо­статков, из которых можно отметить: а) большую глубину, что повыша­ет стоимость их строительства, особенно при наличии грунтовых вод; б) ограниченную пропускную способность, так как диаметр их не пре­вышает 9 м.

При проектировании вертикальную скорость движения сточной воды

Рис 4 29 Первичный вертикальный отстойник диаметром 9 ч из сборного железобетона 1 -выпуск ила, 2 -выпуск корки, 3 -центральная труба с отражателем, 4 Водосборный ас юб, 5 - отводящий лоток. 6 - подводящий лоток

16-11 241

V принимают равной наименьшей скорости выпадения и0 той части взве­шенных веществ, на содержание которой рассчитывается отстойник; ве­личина и0 останавливается по графику осаждения взвешенных частиц. Расчетная площадь поперечного сечения отстойника равна площади поверхности воды в нем (в плане) за вычетом площади центральной трубы. Рабочей длиной (высотой) отстойника является расстояние от низа центральной трубы до поверхности воды.

Площадь F центральной трубы (или общую площадь всех труб, если имеется несколько отстойников) определяют по максимальному секундному расходу сточной воды Q , м3/с, и скорости в центральной трубе Vi, м/с:

1 - отражательный щит;

2 - раструб; 3 - централь­

Ная труба

Скорость Vu обычно принимаемая равной 0,03 м/с, не должна пре­вышать 0,1 м/с при наличии отражательного щита.

Высота проточной части отстойника или длина центральной его трубы

H = Vt , (4.61)

Но не менее 2,7 м.

Общий объем проточной части всех отстойников (если их несколь­ко), м3,

W = QKt / 24, (4.62)

Где Q- средний суточный расход сточной воды, м3/сутки;

К- коэффициент неравномерности притока сточной воды. Общая рабочая площадь отстойников, м2,

Fx - W / H . (4.63)

Полную площадь (в плане) отстойников определяют как сумму по­лезной их площади Fy и площади F , занимаемой центральной трубой (или центральными трубами):

F = F!--f. (4.64)

Расчет вертикальных отстойников, согласно методу, предложенному проф. С. М. Шифриным, производится следующим образом. По требуе­мому эффекту осветления сточной воды с различными начальными кон­
центрациями в ней взвешенных частиц находят с помощью рис. 4.30 гидравлическую крупность частиц, которые должны быть выделены в проектируемом отстойнике. Затем по найденной величине и0у поль­зуясь рис. 4.31, определяют радиус отстойника г. Среднюю скорость вхо­да сточной воды в отстойную зону ив (скорость в сечении между раст­рубом центральной трубы и отражательным щитом) С. М. Шифрин рекомендует принимать равной 1,2 см/с.

При этом площадь живого сечения представляет собой боковую по­верхность цилиндра, диаметр которого равен диаметру раструба цент­ральной трубы, а высота равна размеру зазора, т. е. 0,25-0,5 м.

Диаметр центральной трубы D определяют по скорости нисходяще­го движения воды в ней, равной 0,03 м/с. Длину трубы, которая должна целиком размещаться в цилиндрической части отстойника, определяют по формуле (4.61).

Диаметр вертикального отстойника не должен превышать его рабо­чую глубину более чем в 3 раза.

Эффект осветления сточной воды в вертикальных отстойниках со­ставляет практически не более 40%, теоретически расчет ведется на эффект осветления 50%.

Число отстойников зависит от принятого конструктивного типа, диа­метра одного отстойника и расчетного расхода сточной воды. Полная строительная высота (глубина) отстойника Ястр определяется как сумма высоты проточной части, нейтрального слоя, иловой части (или камеры) и высоты борта над уровнем воды, принимаемой 0,3-0,4 м.

Высота иловой камеры зависит от ее объема и диаметра отстойни­ка. Расчетную вместимость иловой камеры определяют по объему выпа­дающего осадка и продолжительности пребывания его в камере.

Иловую часть отстойников выполняют конической (для круглых от­стойников) с углом наклона стенок днища 50°, чтобы обеспечить спол­зание осадка. Внизу конуса (или пирамиды) устраивают площадку диаметром 0,4 м.

Во избежание попадания в сток всплывших загрязнений перед сбор­ными лотками (периферийными и радиальными) устанавливают полу­погружные доски (щитки), расположенные на расстоянии 0,3-0,5 м от лотка; их погружают в воду на глубину 0,25-0,3 м от поверхности воды; высота непогруженной в воду части должна быть не менее 0,2-0,3 м.

Основные размеры типовых вертикальных отстойников из сборного железобетона приведены в табл. 4.19.

Таблица 4.19

Вертикальный отстойник новой конструкции с нисходяще-восходя­щим потоком сточной воды представляет собой круглый резервуар с периферийным лотком для сбора осветленной воды. Отличие этого от­стойника от типового заключается в том, что центральная труба замене-

Рис 4 33 Первичный вертикальный отстойник с нисходяще-восходящим потоком

1 - приемная камера 2-подающий лоток (или трубопровод), 3-трубопровод для удаления та вающнх веществ 4 - приемная воронка для удаления плавающих веществ, 5 -зубчатый Водослі"із 6 - отражательный козырек 7 - распределительный лоток 8 - периферийный лоток для сбооа осветленной воды, 9-отводящий трубопровод, 10 - отстойник, //-- кольцевая полупогружная пере городка 12 трубопровод для отвода ила

На не доходящей до дна полупогружной перегородкой, разделяющей площадь отстойника на две равные части, а впускное устройство вы­полнено на внутренней поверхности перегородки по всему периметру в виде переливного зубчатого распределителя с затопленным отража­тельным козырьком (рис. 4.33).

Сточная вода поступает по лотку (или по трубе) в приемную камеру, а затем в лоток, имеющий зубчатый водослив, из которого вода равно­мерно переливается и движется по периметру внутренней части отстой­ника. Отражательный козырек меняет направление движения воды с вертикального на горизонтальное. По мере продвижения от перегородки к центру вода опускается вниз, распределяясь равномерно по всему сечению внутренней нисходящей части отстойника. При движении сточ­ной воды вниз с малыми скоростями поток теряет свою транспортирую­щую способность, благодаря чему происходит осаждение взвешенных частиц. Интенсивное разделение жидкой и твердой фаз происходит на повороте потока. Далее вода движется восходящим потоком, перели­вается через борт сборного лотка и отводится через отводную трубу. Всплывающие вещества скапливаются у воронки и периодически уда­ляются через трубу. Осадок удаляется под гидростатическим давлением по иловой трубе.

Вертикальный отстойник этого типа увеличивает эффект задержания взвешенных веществ до 60-70% или при сохранении эффекта осветле­ния обычного вертикального отстойника увеличивает пропускную спо­собность примерно в 1,5 раза.

В Институте городского хозяйства МКХ УССР разработаны конст­рукции вертикальных отстойников с нисходяще-восходящим потоком для нескольких типоразмеров.

Радиальный отстойник представляет собой круглый в плане ре­зервуар (рис. 4.34). Сточная вода подается в центр отстойника снизу вверх и движется радиально от центра к периферии. Особенностью гид­равлического режима работы радиального отстойника является то, что скорость движения воды изменяется от максимального его значения в центре отстойника до минимального у периферии. Плавающие веще­ства удаляются с поверхности воды в отстойнике подвесным устройст­вом, размещенным на вращающейся ферме, и поступают в приемный бункер или в сборный лоток.

Выпадающий осадок с помощью скребков, укрепленных на подвиж­ной ферме, сдвигается в приямок отстойника. Частота вращения под­вижной фермы 2-3 ч-1; вращение осуществляется с помощью перифе­рийного привода с тележкой на пневмомашине. Осадок удаляется по трубопроводу с помощью плунжерных и центробежных насосов, уста­новленных в расположенной рядом насосной станции. Всплывающие ве­щества отводятся в жиросборник.

Осветленная вода поступает в круговой сборный лоток через один или через оба его борта, являющихся водосливами. В целях обеспечения более надежного выравнивания скорости движения воды на выходе из отстойника водосливы сборных лотков выполняют зубчатыми. Нагрузка на 1 м водослива не превышает 10 л/с.

В СССР радиальные отстойники строят диаметром 18-54 м (табл. 4.20), а на зарубежных очистных станциях - диаметром 6-60 м и более.

Радиальные отстойники применяют в качестве как первичных, так и вторичных. Отношение диаметра отстойника к его глубине у перифе­рийного водосборного лотка принимают от 6 до 12. Отстойники задер­живают до 60% взвешенных веществ.

1 - илоскреб 2 - распределительная чаша 3 - подводящий трубопровод 4 - трубопровод сырого осадка, 5 - жиросборник, 6- насосная станция, 7-отводящий трубопровод

Расчет первичных радиальных отстойников производится на макси­мальный часовой приток по продолжительности отстаивания, принимае­мой для бытовых сточных вод равной 1,5 ч.

Вместимость приямка для сбора осадка в отстойнике определяют по объему осадка, образовавшегося в течение 4 ч. Стенки приямка имеют наклон 60°, что облегчает сползание осадка.

В зависимости от объема выпавшего осадка скребковый механизм работает непрерывно или периодически. В последнем случае он вклю­чается за 1 ч до начала удаления осадка. Процесс удаления автомати­зирован. Влажность осадка равна 95% при самотечном удалении и 93,5% при удалении насосами.

Диаметр иловой трубы определяют расчетом, однако он должен быть не менее 200 мм. Высота бортов отстойника над поверхностью воды в нем обычно равна 0,3.

Преимуществом радиальных отстойников является небольшая глу­бина, что удешевляет их строительство. Круглая в плане форма позво­ляет устанавливать минимальные по толщине стенки, что также снижа­ет стоимость сооружений.

Независимо от производительности очистной станции минимальное число отстойников принимается с таким расчетом, чтобы на первую очередь строительства иметь не менее двух рабочих отстойников. Часто компонуют четыре отстойника в единый блок. Равномерное распределе­ние сточной воды между отстойниками осуществляется с помощью рас­пределительной чаши.

При выборе типоразмеров отстойников учитывается, что более круп­ные отстойники экономичнее по сравнению с малогабаритными.

Для повышения эффекта ОЧИСТКИ При БПКполн СТОЧНОЙ ВОДЫ б0ЛЄЄ 130 мг/л радиальный отстойник может иметь преаэратор, установленный в центральном распределительном устройстве.

Предварительная аэрация с избыточным активным илом городских сточных вод позволяет вывести из их состава при отстаивании соедине­ния хрома, меди, цинка в тонкодисперсном и коллоидном состоянии. Однако преаэрация сточной воды повышает влажность сырого осадка до 94,5% по сравнению с влажностью осадка при обычном отстаивании (93,5%).

Разновидностью радиальных отстойников являются отстойники с пе­риферийной подачей в них сточных вод (рис. 4.35). Основные парамет­ры таких первичных радиальных отстойников представлены в табл. 4.21.

Водораспределительный желоб опоясывает отстойник по окруж­ности и имеет постоянную ширину и постепенно уменьшающуюся от начала к концу желоба глубину. В дне желоба имеются круглые впуск­ные отверстия, расположенные так, что в сочетании с переменной глу­биной желоба, различными диаметрами отверстий и расстоянием меж­ду ними обеспечивается постоянная скорость движения воды в желобе.

Постоянство скорости предупреждает выпадение осадка в распреде­лительном желобе и создает благоприятные условия для транспортиро­вания плавающих веществ в сборник, расположенный в конце желоба. Поступившая из отверстий вода направляется вертикальной кольцевой перегородкой в нижнюю зону отстойника. Скорость нисходящего пото­ка постепенно уменьшается и достигает минимума у кольцевого отра­жателя, направляющего поток в центральную зону отстойника и далее к водоотводящему кольцевому желобу.

Небольшая скорость потока обусловливает начало выпадения взве­шенных веществ уже у выхода из-под кольцевой перегородки. Движе­ние воды происходит по всему живому сечению отстойника, при этом местные завихрения практически отсутствуют. Поступление осветляемой воды в отстойник у его дна обеспечивает кратчайший путь осаждения взвешенных веществ.

Отмеченные особенности гидравлического режима работы таких отстойников обусловливают более высокий эффект задержания

/ - подводящий канал; 2- трубопровод для отвода плавающих веществ; 3- отводящий трубоппо - вод; 4 - затвор с подвижным водосливом для выпуска плавающих веществ из лотка; 5 - струе - направляющие трубки; 6 - распределительный лоток; 7 - полупогружная доска для задержания плавающих веществ; 8 трубопровод для осадка

Взвешенных веществ, чем в обычных радиальных отстойниках с подачей сточной воды из центра. Продолжительность отстаивания в отстойниках с периферийным впуском воды принимается меньше, чем в обычных от­стойниках, при одинаковом эффекте осветления сточных вод.

1 - подача сточной воды; 2- распределительная перегородка, 3 - направление движения воды к сборным лоткам; 4 - илоскребы; 5-отвод осад­ка; 6-выпуск осветленной воды

Радиальный отстойник с вращающимися водораспределительным и водосборным устройствами, предложенный И. В. Скирдовым и раз­работанный Союзводоканалпроектом, представлен на рис. 4.37. Основ­ная масса воды в отстойниках с такими устройствами находится в покое, поэтому осаждение взвешенных веществ в них происходит с такой же скоростью, как и в лабораторных условиях.

М

Подача воды в отстойник и отвод осветленной воды производятся с помощью свободно вращающегося желоба, разделенного продольной перегородкой на две части. С внутренней стороны лоток ограничен пере­городкой, снизу - щелевым днищем и снаружи - распределительной решеткой с вертикальными щелями, снабженной струенаправляющими лопатками.

Щелевое днище выполнено в виде жалюзийной решетки, через попе­речные щели которой проваливаются тяжелые частицы.

Струенаправляющие лопатки имеют обтекаемую форму и поворачи­ваются па любой угол; размещаются они таким образом, чтобы продол­жительность пребывания отдельных струй в отстойнике практически была одинаковой.

Водосборный лоток с затопленным водосливом имеет водонепрони­цаемые стенки и днище. Из лотка вода отсасывается сифоном в отвод­ной наружный желоб. Сифон снабжен регулятором расхода (дроссель­ным клапаном, связанным системой рычагов с поплавком). У днища водосборного лотка расположен направляющий козырек.

Необходимая продолжительность отстаивания t зависит от глубины зоны отстаивания h 0 и скорости осаждения и0 частиц, на задержание ко­торых рассчитывается отстойник, т. е. t = H 0 Ju 0 . Глубина h 0 зависит от конструкции водоприемных устройств; в случае применения лотков с затопленным водосливом она обычно принимается от 0,8 до 1,2 м.

Высоту нейтрального слоя принимают от 0,5 до 0,6 м, глубину слоя осадка Ли - от 0,3 до 0,4 м.

В течение времени t водораспределительный и водосборный лоток должен сделать один оборот. В этом случае им будет собрана отстояв­шаяся вода, объем которой

Q = KnR2h0t (4.65)

Где К- опытный коэффициент использования зоны отстаивания, рав­ный 0,85;

R - радиус отстойника.

Величиной Q характеризуется пропускная способность отстойника.

Гидравлический расчет водораспределительного и водосборного устройства сводится к определению формы (в плане) перегородки меж­ду приемной и распределительной частями лотка, необходимой глубины погружения кромки водосборного водослива, а также высоты перепада между уровнями воды в отстойнике и периферийном отводном желобе, обеспечивающей бесперебойную работу сифона. Форма перегородки в плане не зависит от расчетного расхода сточных вод.

При распределении воды с помощью решетки из равномерно рас­ставленных лопаток криволинейного очертания ширина водораспреде­лительного лотка Ьи м, определяется в зависимости от расстояния I, м, от центра отстойника по уравнению

Bi = n Vr2 - 12, (4.66)

Где п-отношение ширины водораспределительного лотка в его на­чале к радиусу отстойника R; величину п рекомендуется при­нимать равной 0,1-0,12.

Для сбора осветленной воды наиболее целесообразно применение за­топленных водосливов. При коэффициенте затопления 6 = 0,8 и коэффи­циенте расхода т=0,45 глубина погружения определяется по уравне­нию

H 0 = 1,24 (QIR 2 )2/ 3 12/3 , (4.67)

Где Q- пропускная способность отстойника, м3/ч;

R - радиус отстойника, м; /- длина (ширина) водослива, м.

Перепад между уровнем воды в отстойнике и водоотводящем пери­ферийном желобе

Tf>2/is, (4.68)

Где hs - потери напора в сифоне, определяемые по общим формулам гидравлики.

Величина реактивной силы зависит от массы подаваемой в отстойник сточной жидкости и скорости ее вытекания. При практически допускае­мых нагрузках на отстойники она обеспечивает бесперебойное движе­ние логка без применения каких-либо других (кроме реактивных) сил; во многих случаях реактивная сила оказывается достаточной для вра­щения не только собственно лотка, но и скребковой фермы.

Осветлитель с естественной аэрацией представляет собой верти­кальный отстойник с внутренней камерой флокуляции (рис. 4.38). Сточ -

/ Г

Ная вода поступает по лотку в центральную трубу, на конце которой прикреплен отражательный щит. Вследствие разницы уровней воды (0,6 м) в подводящем лотке и осветлителе происходит эжекция воздуха потоком сточных вод, поступающих в осветлитель. В камере флокуля - ции происходит частичное окисление органических веществ и усиленное хлопьеобразование, способствующее интенсификации процесса. Из камеры флокуляции сточная вода направляется в отстойную зону освет­лителя, в которой при прохождении через слой взвешенного осадка за­держиваются мелкодисперсные взвешенные частицы. Осветленная вода через кромку водослива переливается в периферийный лоток и далее в отводящий. Выпавший осадок под гидростатическим напором удаля­ется по трубе в иловый колодец. Плавающие вещества задерживаются внутренней стенкой сборного лотка и по мере накопления сбрасываются в иловый колодец по трубе через кольцевой лоток. В результате эффект очистки стоков в сооружении достигает 75%. Характеристика работы осветлителей приведена в табл. 4.22. Пропускная способность осветли­теля диаметром 9 м при продолжительности пребывания в нем сточной жидкости 1,5 ч - 53,6 л/с, а осветлителя диаметром 6 м - 23,6 л/с. Осветлители компонуются в блок из двух и четырех сооружений.

Тонкослойные отстойники представляют собой открытые и закры­тые резервуары. Как и обычные отстойники, они имеют водораспредели­тельную, отстойную и водосборную зоны, а также зону накопления осад­ка. Отстойная зона полочными секциями или трубчатыми элементами делится на ряд неглубоких слоев (до 15 см). Полочные секции монтиру­ются из плоских или волнистых пластин, удобных в эксплуатации. Труб­чатые секции характеризуются большей жесткостью конструкции, обес­печивающей постоянство размеров по всей длине. Они могут работать с более высокими скоростями, чем полочные секции, но быстрее заили­ваются осадками, труднее поддаются очистке и требуют повышенного расхода материалов.

Уменьшение высоты отстаивания обеспечивает снижение турбулент­ности, характеризуемое Re^500, и вертикальной составляющей пульса­ций потока сточной воды, вследствие чего повышается коэффициент использования объема и уменьшается продолжительность отстаивания (до нескольких минут). Реконструкция обычных отстойников в тонко­слойные позволяет повысить их производительность в 2-4 раза.

Для осаждения взвешенных веществ из воды в тонком слое как у нас в стране, так и за рубежом предложено большое число тонкослойных отстойников различных конструкций. Принципиальные схемы тонкослой­ных отстойников показаны на рис. 4.39. Основные схемы взаимного движе­ния воды и выделенного осадка следующие: перекрестная схема - когда выделенный осадок движется перпендикулярно движению рабочего по­тока жидкости; противоточная схема - выделенный осадок удаляется в направлении, противоположном движению рабочего потока (рис. 4.40);

Прямоточная схема - направление движения осадка совпадает с на­правлением водного потока.

Наиболее рациональной конструкцией тонкослойного отстойника сле­дует считать отстойник с противоточной схемой движения фаз, снабжен­ный пропорциональным распределительным устройством.

Рис 4 39 Трубча­тые секции, встро­енные в радиаль­ный (а) и в гори­зонтальный (б) тонкослойные от­стойники

Эти отстойники следует применять для очистки сточных вод, содер­жащих в основном оседающие примеси. Благодаря движению воды в

Наклонных секциях снизу вверх создаются благоприятные условия для осаждения взвешенных веществ по более короткой тра­ектории.

Осадок непрерывно сползает против дви­жения воды и в виде крупных агломератов осаждается в иловый приямок, из которого периодически удаляется через иловую тру­бу. Всплывшие вещества собираются в па­зухе между секциями и удаляются погружа­ющимся лотком. Плавающие вещества для сокращения объема воды, удаляемой с ни­ми, подгоняются к лотку воздушными стру­ями. Воздух подают перфорированные тру­бы, расположенные по периферии отстой­ника.

Расчет тонкослойного отстойника произ­водится в следующем порядке: 1. Площадь поперечного сечения полочного пространства вычисляет­ся по формуле

(о - Q / V , (4.69)

Где Q-расход сточной воды, м3/ч;

V- скорость потока сточной воды в секциях тонкослойного отстой­ника, м/ч.

Скорость v , м/ч, определяют из условия обеспечения ламинарного ре­жима течения воды в секциях по уравнению

V - 3600 Re %v/, (4.70)

Где Re- число Рейнольдса; должно быть менее 500; %-смоченный периметр секции, м;

©х-площадь поперечного сечения секции, м2; v- кинематическая вязкость, м2/с. Практически скорость движения воды в секциях принимают равной 10 и0, т. е. примерно 5-10 мм/с.

В=:<й/Н. (4.71)

Угол наклона полок равняется 45-60° в зависимости от угла сполза­ния осадка в воде.

3. Необходимую продолжительность отстаивания, ч, определяют из уравнения

Где и0 -гидравлическая крупность частиц, мм/с, осаждение которых обеспечивает требуемый эффект осветления сточной воды. Величину и0 определяют по кинетике осветления сточной воды в по­кое при высоте слоя отстаивания, равной высоте секции Hc в тонкослой­ном отстойнике. Минимальная высота hc должна приниматься с учетом способа удаления выпавшего осадка и необходимости обеспечения не - засоряемости секции, Hc = 50...150 мм.

4. Длину полочного пространства определяют из выражения

L = Ktpv ,

Где К - коэффициент запаса, равный 1,1 -1,5.

Общая строительная длина тонкослойного отстойника складывается из длины, необходимой для установки водораспределительных и водо­сборных устройств, и длины полочного пространства.

5. Объем иловой части отстойника определяют по уравнению

(С0 - Ct ) Q-100

(ioo -pL (4-73)

Где W-объем осадка;

С0- начальная концентрация взвешенных веществ в сточной воде;

Ct - концентрация взвешенных веществ в осветленной воде; Q- расчетный расход сточных вод; Р - влажность осадка, %"» рос - плотность осадка.

Для расчета отстойников сначала определяют их размеры, а затем уточняют значения расчетных величин. Одной из основных величин является средняя расчетная скорость в проточной части отстойника, при­нимаемая в первом приближении для радиальных (в сечении на поло­вине радиуса) и горизонтальных отстойников и = 5...7 мм/с, для от­стойников с вращающимся распределительным устройством и верти­кальных у = 0.

Длину горизонтальных отстойников определяют по формуле

VH

АГ "о

Радиус отстойников вертикальных, радиальных, с вращающимся распре­делительным устройством и с периферийным впуском - по формуле

Где v-средняя расчетная скорость в проточной части отстойника,

Н-глубина проточной части отстойника (от границы нейтрально­го слоя до уровня воды), м; К- коэффициент, зависящий от типа отстойника и конструкции водораспределительных и водосборных устройств; принимает­ся равным для горизонтальных отстойников 0,5, радиальных - 0,45, вертикальных - 0,35, для отстойников с вращающимся распределительным устройством -0,85; и0-скорость осаждения взвешенных частиц в отстойнике (гидрав­лическая крупность), мм/с; Q-расчетный расход сточных вод, м3/ч.

Гидравлическая крупность определяется по формуле

И --------------- і----- - о, (4.76)

0 at (KH /h )n " }

Где a- коэффициент, учитывающий влияние температуры воды на ее вязкость; принимается по табл. 4.23; t-продолжительность отстаивания в цилиндре со слоем воды Л, соответствующая заданному эффекту осветления, с; опреде­ляется экспериментально или принимается приближенно для основных видов взвешенных веществ по табл. 4.24; п-эмпирический коэффициент, зависящий от свойств взвеси, оп­ределяется экспериментально; w-вертикальная составляющая скорости движения воды в отстой­нике, принимается по табл. 4.25.

Таблица 423

Таблица 4.24

Продолжительность отстаивания сточных вод в покое в зависимости от эффекта осветления

Продолжительность отстаивания взвешенных веществ, с, в цилиндре глубиной 500 мм

Значение (KHjh ) N в расчетах первичных отстойников для городских сточных вод может приниматься по табл. 4.26.

После определения L и R для горизонтальных и радиальных отстой­ников уточняется значение и:

Где В - ширина отстойника, м; принимается в пределах 2-5 Я; для радиальных отстойников (в сечении на половине радиуса)

Если уточненное значение значительно отличается от принятого ра­нее (при вычислении w ), величины L и R следует определять повторно с учетом полученного значения V.

Для отстойников с вращающимся распределительным устройством период вращения, ч, распределительного устройства определяется по формуле

T = nR *HK /Q . (4.77)

Объем удаляемого из первичных отстойников осадка определяется в соответствии с эффектом отстаивания сточных вод. Объем иловой ка­меры принимается равным объему выпавшего осадка за период не бо­лее двух суток.

В отдельных случаях при отсутствии достаточных данных, характе­ризующих кинетику осаждения взвешенных веществ, отстойники можно рассчитывать по нагрузке сточной воды на площадь зеркала отстойника Q или по скорости движения v И продолжительности отстаивания t , при­нимаемым по данным эксплуатации отстойников, осветляющих воду аналогичного состава. Для бытовых сточных вод q - 2...3,5 м3/(м2-ч), V - S ...7 мм/с и f=l...l,5 ч.

Гидравлический режим работы отстойников в значительной степе­ни влияет на эффект их работы. Чем совершеннее конструкция отстой* ника, тем выше эффективность задержания взвешенных веществ. Со­вершенство конструкций связано с условиями входа воды в отстойник, т. е. со скоростью входа воды и величиной заглубления кожуха в ради -

17-11

Альном или распределительной перегородки в горизонтальном отстой­нике. Гидравлический режим работы оценивается по коэффициентам объемного использования и полезного действия отстойников.

Коэффициент объемного использования отстойника определяется из­мерением скоростей течения воды по всей глубине отстойной зоны (в не­скольких сечениях) и установлением активной зоны, а коэффициент по­лезного действия - как отношение эффекта осветления в натурном от­стойнике к эффекту осветления на модели (в покое) при равной продолжительности отстаивания.

Эти коэффициенты в той или иной степени учитывают в расчетах. Так, при расчете горизонтальных отстойников [формула (4.74)] вводит­ся коэффициент /(=0,5 при определении их длины, в расчетах радиаль­ного отстойника [формула (4.75)] К ==0,45, а при расчете отстойника конструкции И. В. Скирдова коэффициент объемного использования принимается 0,85. Однако эти значения коэффициентов не описаны в ви­де математической зависимости. С этой целью кафедрой канализации МИСИ им. В. В. Куйбышева были проведены исследования на моделях и в натурном отстойнике. После математической обработки результатов опытов были получены следующие зависимости:

0,76 - 0,05 /і 2 4- 0 ,11 H

1 + 0,00275,вх; (4"78)

/Со. и = 1 - 0,000825 (L/Я)3 -J - 0,02335 (L/Я)2- 0,1755 (ЫН), (4.79)

Где К"ои - коэффициент объемного использования, зависящий от глу­бины погружения распределительного устройства Л=0,25# и скорости входа воды увх (под распределительным устрой­ством vBX принимается в пределах 20-25 мм/с); К"оп - коэффициент объемного использования, зависящий от гео­метрического отношения длины отстойной зоны L или R к глубине Я.

Значение К"ол в уравнении (4.78) справедливо только при L / H - 10. В ином случае коэффициент объемного использования определяется по формуле

АГо. и =*o. H*S. e/*S. H. (4.80)

Где К°я- коэффициент объемного использования отстойника, опреде­ляемый по формуле (4.79) при L ( H -[ Q KnQVl-то же, но при любом значении L/Я, отличном от 10. Значения коэффициентов полезного действия т| находят в зависимо­сти от продолжительности отстаивания T , ч, которое определяется при технологическом анализе (рис. 4.41), /(ои и фактической вязкости сточ­ной воды р по формулам: для бытовых сточных вод

Ц=е »*к<>-*" . (4.81)

Для производственных сточных вод

Т=е VWp2 t <4.82)

Гдер. н, [хм - динамическая вязкость сточной воды соответственно в на­турном отстойнике и при технологическом анализе осветле­ния этих же сточных вод на модели;

Pi> Рз - плотность осадка соответственно бытовых и производствен­ных сточных вод.

3Н = 3МГ1, (4.83)

ГДе ^м - эффект осветления воды на модели (в покое); берется по рис. 4.42 при тех же значениях времени, при которых опре­делялся коэффициент полезного действия, т. е. при t = 0... ...1,5 toc (определяется в сосуде глубиной, равной глубине проектируемого отстойника).

Полученные данные наносят на график (рис. 4.43) и строят кривую зависимости эффекта осветления сточных вод Э от продолжительности отстаивания t для отстойника.

1 - находящейся в состоянии покоя (в подели); 2 - движущейся (в натуре)

По требуемому эффекту очистки сточных вод и графику 9=f {t ) для отстойника находится необходимая продолжительность отстаивания сточной воды в отстойнике tn .

Для горизонтальных отстойников

U ?! = ВН (L - /0), (4,85)

Где R -радиус отстойника, равный L , м;

Н - глубина отстойной зоны, м; следует принимать 1,5-3 м; В - ширина горизонтального отстойника;

10- расстояние от распределительного лотка до полупогружной доски в горизонтальном отстойнике. Определяем расход сточных вод, м3/ч, который должен быть подан на один отстойник:

Qi = WtJtBt (4.86)

Где їн- продолжительность отстаивания сточных вод, принятая по рис. 4.43.

В заключение определяется необходимое число рабочих отстойников:

N = Qo 6ui /Q 1 , (4.87)

Где Фобш-расход сточных вод, поступающих на очистные сооружения, м3/ч.

Для очистки сточных вод от автономной и централизованной канализации, а также в системах водоснабжения используется метод отстаивания. Существуют разные виды отстойников. Каждый из них имеет свои особенности и принцип действия. В нашей статье вы узнаете, что такое горизонтальные, вертикальные, пластинчатые, статические и динамические отстойники. По сути, в любом сооружении для отстаивания сточных воды используется механический метод очистки стоков. В результате этого процесса тяжёлые крупные составляющие оседают на дно, а очищенные и осветлённые воды подвергаются дальнейшей очистке.

Отстойник – это герметичная открытая ёмкость или специальный резервуар, в котором происходит очистка сточных вод механическим путём, то есть в процессе отстаивания под действием сил гравитации тяжёлые примеси и крупные частицы оседают на дно, способствуя очищению и осветлению жидкости.

Существуют следующие типы отстойников:

• вертикальные и горизонтальные;
• статические и динамические;
• пластинчатые и трубчатые;
• радиальные;
• песколовки.

Схема очистки сточных вод предусматривает, что в зависимости от плотности составляющих стоков происходит всплывание на поверхность дисперсионных частиц и оседание на дно тяжёлых элементов. При этом крупные частицы могут укрупняться, образуя плотный осадок.

В принципе такая схема очищения работает как фильтр грубой очистки, поэтому методика используется повсеместно, а именно в работе централизованных канализационных и водопроводных сетей, на ГЭС, в ирригационных сооружениях, в системе гидроузлов, для очищения хозяйственно-бытовых стоков и после выполнения биологической очистки нечистот.

Первичные отстойники используются в системе автономной канализации частного дома или дачи (в септиках, фильтрационных колодцах, на станциях глубокой очистки). Чтобы понять, как сделать первичный отстойник, необходимо разбираться в классификации по разным признакам. Так, по направлению движения стоков все отстойники делятся на горизонтальные, вертикальные и радиальные.

Горизонтальные отстойники

Чаще всего на станциях очистки, производительность которых составляет 15-50 тыс. кубов в день, используются горизонтальные разновидности этих сооружений. Такие конструкции позволяют удалять до 60 процентов взвешенных примесей.

Чтобы сделать такую конструкцию, понадобится прямоугольная железобетонная ёмкость, разделённая на несколько камер. При этом длина сооружения доходит до 48 м, его глубина равна 4 м, а высота водяного столба составляет 2-2,5 м.

Для попадания сточных вод в сооружение предусмотрены специальные отверстия в торце конструкции. После очищения жидкость вытекает через сливное отверстие с обратной стороны.

Схема работы любого отстойника подразумевает образование осадка. Для его удаления горизонтальный отстойник оборудован специальным скребковым приспособлением. Оно работает за счёт ременной и цепной передачи. Такие скребки функционируют так же, как фильтр, поскольку они могут двигаться не только по дну, но и по поверхности воды, собирая в специальный жёлоб всплывшие примеси. Такой фильтр позволяет произвести дополнительное очищение сточных вод.

Однако горизонтальная схема имеет несколько существенных недостатков:

• Чтобы сделать такую конструкцию, придётся потратить немало денег.
• Скребковый фильтр имеет небольшой срок службы.
• В конструкции есть такие участки, на которых даже скребковый фильтр не может удалить осадок.

Вертикальные конструкции

Не меньшей популярностью пользуются вертикальные отстойники. Чтобы сделать такое сооружение, необходимо изготовить цилиндрическую ёмкость с конусным днищем. Такие конструкции чаще всего используются на станциях водоочистки в качестве первичного отстойника. Также они подходят для удаления из воды взвешенных примесей после процесса коагуляции.

Важно: вертикальные отстойники могут удалить до 40 процентов примесей.

В данном типе фильтра вода растекается по всей поверхности, попадая в сооружение по трубе, находящейся в верхней части. Сбор осадка осуществляется в конусовидном днище, а осветлённая жидкость под действием восходящих потоков поднимается в верхнюю часть сооружения. Здесь находится круговой слив. Через него очищенная вода попадает в сборный лоток.

Вертикальные отстойники имеют специальную перегородку, установленную перед сливом. Такая схема позволяет собирать не выпавшие в осадок примеси на этой перегородке. Для удаления осадка в коническом дне сделан специальный бункер. Благодаря этому вертикальный осветлитель не нуждается в скребковом фильтре.

Преимущества вертикальных отстойников:

• простота установки и дальнейшего обслуживания;
• возможность выполнения большого слива воды в верхней части.

Единственный недостаток связан с затруднениями при извлечении осадка.

Радиальные фильтры

Радиальные отстойники являются разновидностью вертикального сооружения. Они отличаются меньшей высотой, которая составляет всего 10-15 см, и увеличенным диаметром, который может быть в пределах 16-60 м. Иногда диаметр конструкции может доходить до 100 м.

Радиальные сооружения предназначены для осветления сильно мутной воды. Кроме этого, такой осветлитель используется для очистки сточных вод от промышленных предприятий.

Подача воды в радиальные конструкции осуществляется по трубам, расположенным в центральной части. Вверху радиальные отстойники имеют кольцевой слив для удаления очищенной воды. Для извлечения выпавшего осадка применяется скребковый фильтр.

Важно: такие конструкции обычно используются на очистных сооружениях с производительностью не более 20 тыс. кубов в сутки. Они позволяют удалять до половины примесей из сточных вод.

Статические и динамические фильтры

По способу наполнения ёмкости стоками отстойники делятся на статические и динамические. В первом типе сооружений процесс отстаивания сточных вод начинается только после заполнения резервуара стоками. Во вторых конструкция процессы очистки (отстаивания) идут параллельно с заполнением резервуара и откачкой осадка. Горизонтальные и вертикальные отстойники относятся к динамической разновидности этих сооружений. Движение сточных вод в них происходит постоянно.

Схема статического отстойника используется для удаления из воды нефтепродуктов и нефтяных примесей. Это стальные или железобетонные ёмкости, которые также могут выполнять функции резервуаров для сбора стоков перед их транспортировкой для дальнейшей очистки.

Важно: в таких конструкциях удаление осадка происходит благодаря использованию перфорированных труб.

Чтобы уменьшить сроки отстаивания воды в конструкциях динамического типа, разработаны специальные устройства, которые позволяют потоку воды двигаться под разным углом. В итоге слой воды уменьшается, а скорость выпадения осадка увеличивается. Поскольку данная процедура повторяется неоднократно, эффективность отстойника увеличивается.

С использованием этой технологии выполнены тонкослойные отстойники, которые в свою очередь делятся на трубчатые и пластинчатые.

Пластинчатые и трубчатые конструкции

Отстойники трубчатого типа выполнены из пластиковой трубы, которая расположена под определённым углом. Диаметр трубы обычно находится в пределах 2,5-5 см. Длина зависит от степени загрязнения вод и скорости их движения. Обычно используется метровая труба. Угол наклона трубы находится в пределах 10-60 градусов:

• если уклон трубы небольшой, то сооружение работает периодически. То есть через неё поочерёдно проходят потоки сточных вод и обычная вода для удаления выпавшего осадка;
• при большом уклоне трубы сточные воды движутся постоянно. Промывание трубы не требуется, поскольку осадок удаляется под собственным весом, сползая вниз.

Важно: эффективность трубчатого отстойника довольно высокая и составляет 85 %. Она зависит от протяжённости и диаметра трубы.

Для повышения производительности трубчатого сооружения вместо пластиковой трубы используются целые блоки, которые состоят из множества трубок. Длина блока составляет 3 м, его ширина равна 0,75 м, а высота – 0,5 м.

Пластинчатый отстойник отличается от трубчатого сооружения тем, что в нём вместо труб применяются специальные пластины, расположенные параллельно. Между ними движутся стоки.

Главные преимущества тонкослойных конструкций состоят в следующем:

• расходы на монтаж значительно ниже, чем у других видов подобных сооружений;
• значительная скорость очищения стоков;
• компактные размеры.

Среди недостатков стоит перечислить:

• необходимость выполнения предварительной очистки стоков от крупных примесей, а также взвешенных частиц;
• конструкция может быть повреждена, если в составе сточных вод будут присутствовать нефтепродукты.

Песколовки

В этом сооружении стоки очищаются от крупных частиц, размер которых не менее 250 мкм. По сути, это первичные отстойники, ведь если из любых стоков предварительно не убрать песок, то дальнейшая очистка будет затруднена из-за того, что песок станет забивать очистные сооружения. Принцип работы песколовки основан на воздействии на скорость движения крупных частиц в общем потоке.

В песколовках используется несколько способов очищения:

1. Горизонтальное движение потока с прямолинейным направлением.
2. Горизонтальное движение потока с круговым направлением.
3. Вертикальное движение потока.
4. Поступательно-вращательное течение.

Для наглядного рассмотрения процесса осаждения твердой частицы в форме шара обозначим ее диаметр как d, ее плотность - ρ т, а плотность жидкости, в которую она погружена - ρ ж. В этом случае существует обязательное условие, которое будет выглядеть как ρ т >ρ ж.

Когда частицу вводят в жидкость с начальной скоростью движения, равной нулю, она начинает двигаться ускоренно, а соотношение сил, действующих на нее, можно описать следующим уравнением:

T = A-R = J, (a)

Теперь следует расписать значение каждой компоненты уравнения:

1. T = πd³/6 · ρ T g - сила тяжести, которая равна массе частицы.
2. A = πd³/6 · ρ ж g - сила выталкивания, равная массе объема жидкости, вытесненной частицей согласно закону Архимеда.
3. R = φ · πd²/4 · W² ос /2 · ρ ж - сила сопротивления, которая имеет прямое отношение к поперечному сечению частицы F = πd²/4.
4. J = m·dW ос /dτ - сила инерции (где m - масса частицы, ϕ - коэффициент сопротивления, W ос скорость осаждения частицы).
5. Τ - компонент время.

С увеличением скорости растет и сила сопротивления, стремящаяся уменьшить ускорение частицы. По истечении некоторого промежутка времени ускорение становится равным нулю.

Если величина скорости осаждения постоянна, то силы, действующие на частицу, будут представлены в виде следующей формулы:

T-A-R = 0; (б)

Из последующего рассмотрения вполне можно исключить отрезок времени движения частицы с ускорением (достаточная точность для технических расчетов позволяет это сделать), по той причине, что начальный период времени, за которое она достигает скорости осаждения, слишком мал в соотношении со всей длительностью процесса осаждения.

Учитывая данное обстоятельство, уравнение (б) можно представить более подробно:

π(d³/6)·ρ T g - π(d³/6)·ρ ж g - φ(πd²/4)·(W² ос /2)·ρ ж = 0 (в)

Из этого уравнения можно вывести скорость осаждения:

W ос = √ / (3ρ ж φ)  (г)

Выделяется три режима осаждения - турбулентный, переходный и ламинарный. В каждом из них твердую частицу жидкость обтекает особым образом. Область того или иного режима осаждения определяется параметрами величины, называемой критерий Рейнольдса:

Re = W ос dρ ж /μ ж  (д)

При небольших значениях Re жидкость обтекает частицу максимально плавно и без вихрей в ее кормовой части. Коэффициент сопротивления в этом случае обычно представляют уравнением:

φ = 24/Re (е)

В этом случае сила сопротивления вычисляется результатами сопротивления трения на поверхностях частицы, к тому же, она является пропорциональной первой степени скорости.

Вторая область, переходный режим осаждения частицы, находится в пределах изменений значения критерия Рейнолдса: 1,85 < Re < 500.

Если Re увеличивается, в кормовой части осаждающейся частицы появляется, так называемая, застойная зона, в замкнутом пространстве которой происходит вихревое (циркуляционное) движение. Если значения коэффициента Re не очень значительны, то все вихри весьма устойчивы. Если число Re постоянно растет, то интенсивность вихрей тоже увеличивается. Течение процесса теряет устойчивость, и можно наблюдать, как вихри периодически срываются с поверхности частицы и от них образуется видимый след. В конечном итоге основной долей становится лобовое сопротивление.

Коэффициент в этом случае рассчитывается согласно уравнению:

φ = 18,5/Re 0,6  (ё)

При дальнейшем росте коэффициента Re выше величины 500, величина сопротивления остается почти постоянной и не зависит от значения Re (автомодельная область).

При данном варианте развития событий вихри начинают регулярно отрываться от поверхности кормовой части частицы, и этот режим имеет название турбулентный. Это означает, что в таком случае сила сопротивления пропорциональна скорости во 2-й степени, а сам коэффициент сопротивления определяется лобовым сопротивлением и имеет величину:

φ = 0,44 (ж)

Воспользовавшись одновременно рядом уравнений (г) и (е - ж), появляется возможность определить скорость осаждения с помощью метода последовательных приближений. Для этого сопоставляют предварительное и полученное значения w ос и повторяют расчеты, пока не будет достигнута нужная точность.

Такие расчеты являются весьма трудоемкими и недостаточно удобными, однако этого можно избежать при преобразовании уравнения (г) в критериальное. Для этого берут уравнение (г) и назначают величину ϕ как функцию стальных параметров:

φ = ·[(ρ т -ρ ж)/ρ ж ]· (з)

φRe² = ·[(gd³ρ ж (ρ т -ρ ж))/μ² ж ] (и)

Безразмерная совокупность правой части выражения является критерием Архимеда:

Ar = (gd³ρ ж (ρ т -ρ ж))/μ² ж  (й)

Из уравнения (и) выходит:

Re = 1,15·(Ar/φ) 0,5  (к)

Подставив в полученную формулу значение коэффициента ϕ из выражений (е - ж), выводится критериальное уравнение, с помощью которого и рассчитывается скорость осаждения.

В ламинарном режиме это имеет вид:

Re = Ar/18 (л)

В переходном:

Re = 0,152(Ar) 0,715  (м)

В турбулентном.

Михаил Иванов

Очистка воды методом отстаивания применяется на гидросооружениях, в системах централизованного водоснабжения и канализации. Существует несколько видов отстойников: горизонтальные, вертикальные, статические, динамические и пластинчатые.

Отстойники представляют собой резервуары или открытые емкости, в которых методом отстаивания удаляются из воды механические примеси. В ходе этого процесса частицы дисперсионной фазы в зависимости от плотности вещества либо всплывают на поверхность воды, либо оседают на дно резервуара. Частицы, осевшие на дно, образуют осадок. В ряде случаев осаждение сопровождается укрупнением частиц.
Отстаивание воды является довольно распространенным способом удаления грубодисперсных механических примесей. Этот метод применяется в системах гидроузлов, централизованного водоснабжения и канализации, на ГЭС, ирригационных сооружениях, а также при очистке коммунальных сточных вод и после биологической очистки стоков.
На насосных станциях и ГЭС поступающие воды из открытых источников подвергаются отстаиванию для того, чтобы предотвратить истирание лопастей гидротурбин и частей насосов твердыми примесями размером более 0,25 мм. Целесообразно применение отстойников и в ирригационных системах, чтобы не допустить засорения илом оросительных каналов.
В системах централизованного водоснабжения отстойники применяются на водоочистных станциях для предварительного осветления воды с мутностью более 2 г/л. Отстаиванию подвергаются только те частицы примеси, размеры которых превышают 10-5 см. Частицы размером от 10-7 до 10-5 см, образуя коллоидную микрогетерогенную систему, при отстаивании не оседают из-за уравновешивания сил тяжести и энергии броуновского движения для частиц с малыми массами.
Для удаления коллоидных примесей необходимо вызвать их укрупнение путем слипания или привести к потере устойчивости в результате коагуляции. Традиционно для удаления из воды коллоидных примесей применяют коагулянты, а образовавшиеся в результате этого хлопья удаляют в отстойниках или ином оборудовании. Чтобы отстаивание было полным, скорость течения воды максимально понижают до 0,25–0,5 м/сек. Вторым фактором, влияющим на полноту осаждения, является длительность отстаивания, которая обычно составляет 1,5–2,0 ч.
Классифицируются отстойники по разным признакам, в частности, в зависимости от направления основного потока очищаемой воды. По этому признаку отстойники подразделяются на горизонтальные, вертикальные и радиальные.

Горизонтальные отстойники
Наиболее распространенными являются горизонтальные отстойники, которые применяются на вододоочистных станциях с производительностью 15–50 тыс. м3 в сутки. Как правило, в них удаляется до 60 % взвешенных примесей.
Горизонтальный отстойник представляет собой прямоугольный железобетонный резервуар, состоящий из нескольких отделений. Его длина может достигать 48 м, а ширина обычно бывает в 3–5 раз меньше. Глубина этого сооружения не должна превышать 4 м. Толщина водного слоя, как правило, составляет 2,0–2,5 м. Вода в горизонтальный отстойник поступает через ряд отверстий в торцевой стенке, затем распределяется по всему резервуару и протекает по всей длине отстойника. Вывод очищенной воды осуществляется через водослив у противоположной стороны сооружения.
Для сбора осадка на дне отстойника располагается несколько приямков. Осадок, не попавший в приямок, счищается со дна специальным скребковым устройством. Перемещение скребков вдоль отстойника осуществляется с помощью зубчатой и цепной передачи. При движении по дну скребки собирают осадок, а при перемещении по поверхности воды – всплывшие на ее поверхность примеси, направляя их к специальному желобу. Удаление осадков из приямков может осуществляться путем слива по трубам на дне, подъема по иловым трубам под напором воды и с помощью плунжерного насоса.
Недостатками горизонтальных отстойников являются:

высокая стоимость монтажа;
низкая надежность скребкового механизма;
наличие застойных зон, где осадок не удаляется.

Вертикальные отстойники
Другим распространенным видом являются вертикальные отстойники, которые представляют собой цилиндрические резервуары с коническими днищами. Чаще всего они применяются для первичного отстаивания воды на водоочистных станциях или удаления взвеси после коагулирования.
В вертикальные отстойники вода поступает по трубе сверху в нижнюю часть агрегата и распределяется по всей плоскости поперечного сечения. Осадок собирается в нижней конической части, а очищенная вода восходящим потоком поднимается вверх и переливается через круговой водослив в сборный лоток. Перед сливом располагается специальная перегородка, удаляющая всплывшие примеси.
Осадок в процессе отстаивания собирается в нижней части аппарата и удаляется через специальный бункер. Скребковые механизмы устанавливаются только в отстойниках со значительными количествами осадка. Обычно в вертикальных отстойниках удается удалить до 40 % взвешенных примесей.
Вертикальные отстойники по конструкции и условиям эксплуатации являются более простыми, чем горизонтальные. Их важным достоинством является значительная величина кольцевого водослива в верхней части. Это позволят сильно понизить скорость течения, в результате чего уменьшается вероятность выноса осадков. К недостаткам этого вида аппаратов относится сложность удаления осадка из разгрузочного люка при отсутствии скребкового механизма.
Одной из разновидностей вертикальных аппаратов являются радиальные отстойники. Высота их гораздо меньше – 0,1–0,15 м, а диаметр обычно имеет большой размер – 16–60 м, а в некоторых случаях может достигать 100 м. Радиальные отстойники применяются для осветления очень мутных вод и очистки воды в системах промышленного водопроводного водоснабжения. Вода подается в такие устройства по трубам в центральную часть, а слив производится через круговой водослив в верхней части аппарата. Осевший на дно осадок собирают вращающимися скребками.
Радиальные отстойники применяются на очистных сооружениях с производительностью более 20 тыс. м3 в сутки и обеспечивают удаление 50 % взвешенных веществ.

Биологическая обработка
Особенно важную роль играют отстойники при очистке стоков методами биологической обработки. Специфика этого вида очистки требует, чтобы отстаивание применялось дважды.
Первичные отстойники размещаются перед поступлением сточной воды в биореактор для удаления излишнего количества взвешенных веществ и механических примесей, преимущественно песка. В агрегаты биоочистки должны поступать сточные воды с оптимальной концентрацией 100–120 мг/л, так как при более высокой степени осветления происходит недогрузка биореактора, что вызывает «голодание» активного ила.
В то же время недостаточное осветление сточных вод после первичного отстаивания может привести к повышенному содержанию питательных веществ в стоках, в результате чего произойдет значительный прирост активного ила, что вызовет вторичное загрязнение.
Чтобы обеспечить наиболее полное удаление остатков биомассы, после биологической очистки сточные воды вторично отстаиваются на отстойниках. Обычно для этих целей используют радиальные отстойники, снабженные илососами – устройствами для удаления осадка. Стоки здесь находятся, как правило, в течение 1,5–2 ч. Собранные осадки биомассы удаляются из отстойников и отправляются на дальнейшую переработку.
В ряде случаев при вторичном отстаивании используют двухъярусные отстойники, в которых процессы сбора осадков и их сбраживания происходят в отдельных резервуарах, совмещенных в одном аппарате.

Статические и динамические отстойники
Еще один метод классификации отстойников основан на способе закачки в них воды. В отстойниках периодического действия отстаивание происходит после заполнения. Они относятся к виду статических отстойников. Если же закачка стоков в отстойник и отвод из него осветленных вод происходят постоянно, то такой отстойник относится к аппаратам непрерывного действия – так называемым динамическим отстойникам.
Статические отстойники обычно применяются для очистки сточных вод от примесей нефти и нефтепродуктов. Они представляют собой стальные или железобетонные резервуары, которые работают не только в режиме отстаивания, но и как емкости-накопители или резервуары буферного типа, которые необходимы для равномерной подачи сточных вод на дальнейшую очистку. Через трубопроводы впуска эти сооружения заполняются стоками, которые здесь отстаиваются. Затем всплывшие примеси удаляют и производят слив осветленной воды. Для удаления осадка на дне отстойника размещается дренаж из перфорированных труб.
В отличие от статических отстойников, в динамических происходит непрерывное течение воды. К этой группе относятся вышеупомянутые горизонтальные и вертикальные отстойники.
Кроме того, разработаны аппараты, в которых течение воды осуществляется под различными углами наклона. Такие устройства необходимы для того, чтобы сократить время отстаивания, которое, исходя из законов седиментации, возрастает с увеличением высоты слоя воды. Причем основная доля осадка выпадает в начальный период. При уменьшении слоя воды время отстаивания сокращается, а при многократном повторении процедуры возрастает эффективность очистки.
Это привело к созданию тонкослойных отстойников, которые по своему конструктивному исполнению разделяются на трубчатые и пластинчатые.

Трубчатые и пластинчатые отстойники
Рабочим элементом трубчатого отстойника является труба диаметром 2,5–5 см длиной около 1 м. Длина трубы зависит от степени загрязнения воды и скорости потока. Эти трубы имеют либо небольшой уклон – до 10°, либо более значительный угол наклона – более 60°. Отстойники с малым углом наклона обычно работают в периодическом режиме. Сначала производится осветление воды путем пропускания ее через трубки, а затем – промывка отстойника.
Такие отстойники применяются для очистки воды с небольшим количеством механических примесей. Эффективность их удаления иногда достигает 85 %.
При использовании трубчатых отстойников с большими углами наклона трубок происходит не только стекание осветленной воды, но и сползание осевшего осадка, что позволяет не промывать трубки.
Работа трубчатых отстойников не зависит от диаметра трубок, но в значительной степени зависит от их длины. Трубки для такой очистки обычно изготавливают из пластика, а для агрегатов большой производительности используют специальные блоки. Эти блоки состоят из множества трубок длиной около 3 м, шириной 0,75 м и высотой 0,5 м. Использование таких блоков позволяет составлять отстойники любой производительности.
Аналогичный способ отстаивания реализуется и в пластинчатых отстойниках. Они состоят из ряда параллельных пластин, между которыми течет вода. Движение осветленной воды и образовавшегося осадка в этих устройствах может происходить в одном направлении (такие аппараты называют прямоточными) или в противоположных направлениях (противоточные отстойники).
Недостатками всех видов тонкослойных отстойников является необходимость предварительного удаления из воды примесей с большими размерами частиц, а также частиц, плавающих на поверхности. При использовании тонкослойных отстойников для очистки сточных вод от загрязнений нефтью и нефтепродуктами из стоков предварительно необходимо удалять сгустки примесей, которые могут быстро привести оборудование в негодность.
К достоинствам следует отнести являются увеличение скорости очистки, экономичность вследствие небольшого объема аппарата и невысокие затраты на строительство.

→ Очистка сточных вод

Отстойники

Отстойники

Отстаивание является самым простым, наименее энергоемким и дешевым методом выделения из сточных вод грубодиспергированных примесей с плотностью, отличной от плотности воды. Под действием силы тяжести частицы загрязнений оседают на дно сооружения или всплывают на его поверхность.

Относительная простота отстойных сооружений обусловливает их широкое применение на различных стадиях очистки сточной воды и обработки образующихся осадков. В зависимости от своего назначения и расположения в технологических схемах очистки сточных вод отстойные сооружения подразделяются на следующие: отстойники - первичные, вторичные и третичные (контактные резервуары); илоуплотнители; осадкоуплотнители.

Классификация отстойных сооружений по основным технологическим и конструктивным признакам приведена на рис. 10.15.

Первичные отстойники располагаются в технологической схеме очистки сточных вод непосредственно за песколовками и предназначаются для выделения взвешенных веществ из сточной воды, что при достигаемом эффекте осветления 40-60% приводит также к снижению величины БПК в осветленной сточной воде на 20-40% от исходного значения (см. рис. 10.18).

Во избежание повышенного прироста избыточного активного ила в аэротенках и биопленки в биофильтрах остаточная концентрация взвешенных веществ в осветленной сточной воде после первичных отстойников не должна превышать 100-150 мг/л, что в зависимости от исходной начальной концентрации взвешенных веществ в сточной воде, составляющей 200-500 мг/л, обусловливает выбор наиболее рациональной технологии первичного осветления и требуемой продолжительности отстаивания. Технологическая роль других отстойных сооружений рассматривается ниже в соответствующих разделах курса.

Закономерности процесса первичного осветления сточных вод. Разнообразные условия формирования городских сточных вод как смеси хозяйственно-бытовых и различных видов производственных стоков обусловливают широкий диапазон изменения дисперсности содержащихся в них взвешенных веществ, их адгезионных свойств и, как следствие, способности их к осаждению.

Одиночное осаждение частиц возможно лишь в монодисперсной, агрегативно-устойчивой системе, когда частицы имеют одинаковые размеры и при осаждении не меняют своей формы и размеров. Однако взвешенные вещества, содержащиеся в городских сточных водах, имеющие преимущественно органическое происхождение, представляют собой полидисперсную агрегативно-неустойчивую систему с большим диапазоном изменения размеров частиц, обладающих хорошими адгезионными свойствами, что обусловливает их агломерацию при взаимных столкновениях в процессе осаждения (седиментации), что изменяет форму, размеры, плотность и скорость осаждения частиц полидисперсного состава.

Различают агломерацию частиц в условиях перикинетической (или диффузионной) коагуляции и ортокинетической (или гравитационной) флокуляции.

Рис. 10.15 Классификация отстойных сооружений

Перикинетическая коагуляция имеет место при снижении потенциала частиц в коллоидных системах, в которых размеры агрегирующихся частиц не превышают 0,1 мкм.

Однако в сточных водах основную массовую концентрацию взвешенных веществ составляют грубодиспергированные частицы с размером 1 – 1000 мкм, для которых определяющей является гравитационная или ор-токинетическая флокуляция, обусловленная столкновением частиц различного диаметра вследствие разности скоростей их осаждения.

Показатели степени в выражении (10.19), отражающие количественное влияние каждого из параметров на кинетику гравитационного осветления сточной воды, могут быть определены лишь экспериментально для соответствующих условий седиментации взвеси, что затрудняет использование этой формулы.

В практике проектирования и эксплуатации первичных отстойников широкое распространение получило использование зависимостей эффекта осветления сточной воды от продолжительности ее отстаивания.

Обобщение результатов исследований, выполненных за последние 20 лет кафедрой водоотведения на Люблинской станции комплексной очистки воды (Москва), показало, что отсутствует удовлетворительная корреляция между содержанием оседающих веществ и концентрацией взвешенных веществ в поступающей сточной воде (рис. 10.16). Максимальное содержание оседающих веществ (кривая la) и минимальное содержание оседающих веществ (кривая 16) в сточной воде существенно отличаются друг от друга, особенно при малых начальных концентрациях взвешенных веществ. Кривые 2 и 3 (по рекомендациям ныне действующего и предшествующего СНиПа) удовлетворительно соответствуют средним значениям. Объективно существующему широкому диапазону изменения содержания оседающих веществ соответствует широкая гамма кривых кинетики осветления сточных вод, отражающая многообразие встречающихся седиментационных свойств взвешенных веществ (рис. 10.17).

Рис. 10.16. Зависимость содержания оседающих веществ от начальной концентрации взвешенных веществ:
1а и 16 – максимальные и минимальные значения соответственно; 2 – по СНиП 2.04.03-85; 3 – по СНиП П-32-74

Рис. 10.17 Зависимость эффекта осветления сточных вод от продолжительности отстаивания (в цилиндрах hzet =1,0 м)

Для правильного проектирования отстойников целесообразно экспериментальное определение кривых кинетики осветления реальных сточных вод данной станции аэрации или их близкого аналога. Методика экспериментального определения кинетики осветления сточных вод в покое разработана В. И. Калицуном.

Кинетику эффективности осветления сточных вод определяют путем технологического моделирования отстаивания воды в покое в лабораторных цилиндрах высотой 0,5 и 1,0 м.

Для городских сточных вод п = 0,2-0,4. Показатели а в формуле (10.21) и п в формуле (10.22) определяются экспериментально по результатам технологического моделирования. При отсутствии экспериментальных данных можно воспользоваться рекомендуемыми СНиПом расчетными параметрами, приведенными в табл. 10.7.

Основным условием расчета первичных отстойников является обеспечение задержания в них агломераций взвеси, гидравлическая крупность которых не меньше расчетной условной гидравлической крупности. При расчете отстойников следует учитывать особенности гидродинамического режима движения в них воды, которые зависят от типа применяемого сооружения и определяются в основном условиями входа осветляемой воды в зону осветления, а также условиями сбора осветленной воды и выгрузки образующегося осадка.

Таким образом, в действующих первичных отстойниках условия флокуляции и осаждения взвешенных веществ в потоке движущейся сточной воды существенно отличаются от условий отстаивания в покое. Как следствие, достигаемый в производственных условиях эффект снижения концентрации взвешенных веществ не превышает 50-60%, что бывает существенно ниже содержания оседающих веществ в исходной сточной воде, достигающего 60-80°.

Рис. 10.18. Зависимость эффекта снижения концентрации взвешенных веществ (кривая 1) и БПК5 (кривая 2) от продолжительности осветления более медленно вследствие неблагоприятного

На рис. 10.18 приведены эксплуатационные данные работы первичных отстойников, которые показывают эффективность осветления сточной воды по изъятию взвешенных веществ и снижению БПК в диапазоне продолжительностей отстаивания 1,5-4 ч. Процесс первичного осветления в действующих отстойниках идет менее эффективно и совокупного воздействия фактических гидродинамических условий на ход флокуляции и седиментации взвеси.

В действующих отстойниках гидродинамическая характеристика потока осветляемой воды определяется типом и конструкцией отстойного сооружения, скоростями и направлением впуска сточной воды в зону отстаивания (рис. 10.20), нагрузкой сточных вод на поверхность отстойника и нагрузкой собираемой осветленной воды на единицу длины водослива (рис. 10.21).

Горизонтальные отстойники представляют собой прямоугольные в плане резервуары, разделенные продольными перегородками на несколько отделений, в которых поток осветляемой воды, распределяемый по ширине сооружения с помощью лотка с впускными отверстиями, движется горизонтально в направлении водослива сборного канала, расположенного с противоположного торца отстойника (рис. 10.22).

Рис. 10.19. Зависимость эффекта первичного осветления от градиента скорости при предварительном перемешивании сточной воды:
1,2 – воздушное и механическое перемешивание

Величина Kse, может определяться непосредственным методом, путем замера скоростей движения воды в отстойнике с помощью термоанемометра (прибора для определения малых скоростей движения воды), или рассчитываться на основе фактической продолжительности пребывания воды Цакт в отстойнике, определенной методом трассирования.

Рис. 10.20. Зависимость эффекта осветления воды в отстойнике от скорости входа в него потока осветляемой воды

Рис. 10.21. Зависимость эффекта осветления воды от гидравлической нагрузки на погонный метр сборного водослива

Выпадающий по длине отстойника осадок перемещается скребком в расположенные на входе в сооружение иловые приямки, откуда под гидростатическим напором выгружается в самотечный трубопровод с последующим его отводом на перекачивающую насосную станцию. Всплывающие нефтемасляные и жировые вещества собираются в конце сооружения в жиросборный лоток, из которого также самотеком отводятся на перекачку.

Достоинствами горизонтальных отстойников являются их относительно высокий коэффициент использования объема и достигаемый эффект осветления воды по взвешенным веществам - 50-60%; возможность их компактного расположения и блокирования с аэротенками.

Использование в типовых проектах сооружений унифицированной ширины 6 и 9 м стеновых панелей позволяет проектировать горизонтальные отстойники с шириной, равной ширине аэротенков, и объединять эти сооружения в секции.

Рис. 10.22. Горизонтальный отстойник:
1 – подводящий лоток; 2 – впускные отверстия; 3 – скребковая тележка; 4 – жиросборный лоток; 5 – водосборный водослив; 6 – трубопровод выпуска осадка и опорожнения; 7 – отстойная зона; 8 – осадочный бункер

Недостатком горизонтальных отстойников является неудовлетворительная надежность работы используемых в них механизмов для сгребания осадка тележечного или цепного типа, особенно в зимний период. Кроме того, горизонтальные отстойники как прямоугольные сооружения при прочих равных условиях имеют более высокий (на 30-40%) расход железобетона на единицу строительного объема, чем радиальные отстойники. Цилиндрическая форма последних позволяет использовать предварительно напряженную высокопрочную арматуру, в результате чего уменьшаются требуемая толщина стеновых панелей и удельный расход железобетона.

В практике проектирования горизонтальные первичные отстойники широко используются в очистных сооружениях пропускной способностью 15-100 тыс. м3/сут.
Вертикальные отстойники представляют собой круглые в плане резервуары с коническим днищем, в которых поток осветляемой воды движется в вертикальном направлении. В зависимости от типа впускного устройства вертикальные отстойники подразделяются на следующие: с центральным впуском воды; с нисходяще-восходящим движением воды; с периферийным впуском воды.

В вертикальных отстойниках с центральным впуском сточная вода подводится лотком к центральной раструбной трубе, опускаясь по которой вниз, осветляемая вода отражается от конусного отражательного щита и поступает в зону осветления (рис. 10.23). В восходящем потоке осветляемой воды происходит флокуляция частиц взвеси, и образующиеся агломерации взвеси, гидравлическая крупность которых ц0 превосходит скорость восходящего вертикального потока vBepT, выпадают в осадок. Более мелкая взвесь, для которой и0

Осветленная вода собирается периферийным сборным лотком, высота гребня водослива которого определяет уровень воды в отстойнике. Всплывающие вещества жирового состава собираются в центре отстойника кольцевым лотком, из которого отводятся трубопроводом в самотечную иловую сеть.
Выпадающий осадок накапливается в иловой конусной части отстойника, из которой удаляется под гидростатическим напором 1,5-2,0 м через иловую трубу в самотечную иловую сеть. Объем иловой части рассчитывается на двухсуточный объем образующегося осадка. Влажность выгружаемого осадка составляет 95%.

Достоинствами вертикальных первичных отстойников являются простота их конструкции и удобство в эксплуатации; недостатками - большая глубина сооружений, что ограничивает их максимальный диаметр -9 м, а также невысокая эффективность осветления воды (обычно не превышающая 40%> по снятию взвешенных веществ).

Исследования СМ. Шифрина показали, что в вертикальных первичных отстойниках с центральным впуском образуются обширные вихревые зоны в центральной части сооружения и в районе водосборных лотков, что существенно снижает их коэффициент объемного использования и достигаемый эффект осветления.

Рис. 10.23. Первичный вертикальный отстойник из сборного железобетона:
1 – иловая труба для выпуска осадка; 2 – жиропровод для выпуска всплывающих веществ; 3 – центральная впускная труба с отражателем; 4 – сборный лоток осветленной воды; 5 – отводящий лоток; 6 – подводящий лоток

Более совершенными с технологической точки зрения являются вертикальные отстойники с нисходяще-восходящим потоком осветляемой воды (рис. 10.24). В отстойнике этого типа зона осветления разделена полупогружной перегородкой на две равные по площади зеркала воды части.

Сточная вода поступает в центральную часть по лотку или трубопроводу и через зубчатый водослив отражательным козырьком распределяется по площади зоны осветления, где происходит нисходящее движение потока осветляемой воды, обеспечивающее лучшее совпадение направлений векторов движения потока воды и выпадения агломерирующейся взвеси, чем в типовых вертикальных отстойниках с центральной распределительной трубой.

Рис. 10.24. Первичный вертикальный отстойник с нисходяще-восходящим потоком:
1 – приемная камера; 2 – подающий трубопровод; 3, 4 – трубопровод и воронка соответственно для удаления плавающих веществ; 5 – зубчатый распределительный водослив; 6 – отражательный козырек; 7 – распределительный лоток; 8 ~ периферийный сборный лоток осветленной воды; 9 – отводящий трубопровод; № – кольцевая зона восходящего движения; 11 – кольцевая перегородка; 12 – трубопровод для выпуска осадка

Основная масса взвешенных веществ успевает выпасть в осадок до поступления потока осветляемой воды в кольцевую зону восходящего движения, где происходит доосветление воды, которая собирается периферийным сборным лотком. Коэффициент использования объема в этих отстойниках^ повышается до 0,65, и эффективность осветления воды по снижению концентрации взвешенных веществ достигает 60-65%.

Осадок под действием гидростатического давления выгружается через центральный илопровод. Всплывающие вещества удаляются из центральной части через приемную воронку и самотечный трубопровод.

НИИВодгео разработал вертикальные отстойники с периферийным впуском воды и сбором осветленной воды в центральной зоне, технологические показатели которых (коэффициент объемного использования и эффективность осветления) аналогичны таким показателям отстойников с нисходяще-восходящим движением воды.

Разновидностью вертикальных отстойников являются квадратные в плане (12×12 и 14×14 м) четырех бункерные отстойники с центральным впуском воды и сбором осветленной воды периферийным лотком.

Простота конструкции вертикальных отстойников обусловила их широкое применение на очистных сооружениях средней пропускной способностью 2,0-15,0 тыс. м3/сут.

Радиальные отстойники представляют собой круглые в плане резервуары, в которых сточная вода подается в центр отстойника и движется радиально от центра к периферии (рис. 10.25). Скорость движения осветляемой воды изменяется от максимальных значений в центре до минимальных на периферии радиального отстойника.

Рис. 10.25. Первичные радиальные отстойники:
1 – илоскреб; 2 – распределительная камера; 3 – подводящий трубопровод; 4 – трубопровод выгрузки осадка; 5 – жиросборник; б – насосная станция перекачки осадка; 7- трубопровод отвода осветленной воды; 8 – жиропровод

Взвешенные вещества, выпадающие в осадок из движущегося потока осветляемой воды, перемещаются в иловый приямок скребками, размещенными на вращающейся ферме. На этой же ферме расположено подвесное устройство, сгребающее всплывающие на поверхность вещества к жиросборнику, из которого они отводятся на перекачку. Частота вращения фермы с илоскребами составляет 2-3 ч-1 , привод фермы периферийный с тележкой на пневмоходу. Осадок удаляется с помощью плунжерных и центробежных насосов, что обеспечивает снижение его влажности до 93,0 -93,5%. Радиальные первичные отстойники обеспечивают задержание 50-55% взвешенных веществ.

Разработанные типовые проекты радиальных отстойников диаметром 18-50 м позволяют использовать их на очистных сооружениях практически любой пропускной способности, начиная с 20 тыс.м3 в сут.

Круглая в плане форма радиальных отстойников позволяет уменьшать необходимую толщину стеновых панелей за счет применения высокопрочной предварительно напряженной арматуры, что сокращает их удельную материалоемкость. Вращающаяся ферма обеспечивает простоту эксплуатации радиальных отстойников.

Указанные достоинства радиальных отстойников обусловили их широкое распространение на очистных сооружениях. Вместе с тем для радиальных отстойников с центральным впуском характерны повышенные градиенты скорости в центральной части, приводящие к уменьшению их коэффициента объемного использования и эффективности осветления.

Обобщенный метод технологического расчета первичных отстойников заключается в выборе типа и необходимого числа типовых сооружений, обеспечивающих требуемый эффект осветления.

Рис. 10.26 Зависимость п от начальной концентрации взвешенных веществ (при Э=50%)

Интенсификация первичного осветления сточных вод. В получивших распространение первичных отстойниках задерживается обычно 40-50% взвешенных веществ, содержащихся в сточных водах. Вместе с тем при начальной концентрации взвешенных веществ не менее 300-400 мг/л, характерной для режимов экономного водопотребления, необходимый эффект первичного осветления может достигать 70-75%. В противном случае неизбежен повышенный прирост избыточного активного ила, имеющего больший фактический объем и меньшую влагоотдачу при последующем обезвоживании. В условиях формирования многокомпонентных городских сточных вод очень часто также образуется тонкодисперсная взвесь, в которой содержание оседающих веществ не превышает 30-50% (см. рис. 10.17). В указанных выше случаях для обеспечения требуемой эффективности первичного осветления необходимо интенсифицировать процесс осаждения взвешенных веществ.

Обширные исследования, проведенные за последние годы в нашей стране и за рубежом, позволили разработать и испытать различные методы интенсификации процессов отстаивания сточных вод и уплотнения образующихся осадков (рис. 10.27). Однако из известных методов интенсификации первичного отстаивания наибольшее распространение для очистки городских сточных вод получили методы, связанные с использованием биофлокулирующих свойств избыточного активного ила и биопленки, имеющих в своем составе внеклеточные биополимеры, обусловливающие пространственное структурирование и биофлокуляцию клеточных образований.

Концентрация основных категорий биополимеров - полисахаридов, протеинов, РНК и ДНК достигает максимума в фазе эндогенной респирации микроорганизмов. Образующиеся экзогенные биополимеры обеспечивают формирование и прикрепление биопленки, объединение свободноплавающих микроорганизмов в клоны и хлопки, которые при уменьшении градиента скорости способны агрегироваться в крупные быс-трооседающие хлопья активного ила размером в несколько миллиметров.

Функциональные группы, содержащиеся в биополимерах, могут в среде, близкой к нейтральной, проявлять свойства ионов или быть неионо-генными, обеспечивая образование мостиковых связей как между собой, так и с другими частицами минерального или органического происхождения, т.е. выполняют роль флокулянтов.

Таким образом, избыточный активный ил и биопленка представляют собой естественные биофлокулирующие добавки, образующиеся в процессе биологической очистки сточных вод. Использование их биофлокулирующих свойств целесообразно в качестве одного из самых экономичных методов физико-химического воздействия на формирование агломераций мелкодисперсной взвеси в процессе ее седиментации (осаждения).

Рис. 10.27. Методы интенсификации работы отстойников и илоуплотнителей

Биофлокуляция была успешно реализована во встроенных в вертикальные отстойники камерах флокуляции, использующих как избыточный активный ил, так и биопленку. Эффективность первичного осветления воды после ее 20-минутной обработки в камере биофлокуляции повышалась до 65-75% по взвешенным веществам и 4045% по снижению БПК. Однако механический перенос полученных в вертикальных отстойниках результатов на запроектированные и построенные отдельно стоящие преаэраторы сточных вод с активным илом, а также встроенные конструкции в радиальные и горизонтальные отстойники не позволил получить в них аналогичные результаты.

Обширные исследования, проведенные кафедрой водоотведения МГСУ в области изучения закономерностей процессов седиментации и гидродинамических условий ее реализации, позволили разработать и оптимизировать технологию первичного осветления сточных вод с использованием избыточного ила как биофлокулянта, которая обеспечивает повышение содержания оседающих веществ в любой сточной воде до 85-90%» и снижение БПК в осветленной воде на 40-50%). Возможная конструктивная схема реализации этой технологии в радиальном первичном отстойнике приведена на рис. 10.28.

Размещенная в центральной части радиального отстойника зона биофлокуляции позволяет обеспечить при 20-минутном пребывании сточной воды эффективный контакт между частицами мелкодисперсной взвеси и активного ила.

Рис. 10.28. Схема радиального отстойника с камерой биофлокуляции (а) и распределения градиентов скорости до (кривая 1) и после реконструкции
(кривая 2) (6):
1 – подвод сточной воды и активного ила; 2 – распределительная камера; 3 – зона биофлокуляции; 4 – дырчатые аэраторы; 5 – полупогружная перегородка; б – затопленные перегородки; 7 – низкоградиентная мешалка; 8 – защитный зонт; 9 – сборный водослив; 10 – тонкослойные блоки перекрестной схемы

Имеющийся гидродинамический потенциал входящего потока (кривая а на рис. 10.28) дополняется устройством аэратора в виде дырчатых труб, что в совокупности обеспечивает в зоне биофлокуляции необходимый градиент скорости перемешивания 50-60 с1 (кривая 1).

Из зоны биофлокуляции сточная вода проходит под перегородкой зоны воздухоотделения, где отделяются прилипшие пузырьки воздуха, способные в дальнейшем ухудшить условия седиментации.

В зоне осветления отстойника процесс седиментации стимулируется низкоградиентным перемешиванием, которое при G = 1-2 с“1 обеспечивает оптимальные условия для осаждения взвешенных веществ и уплотнения образующегося осадка. Расположенные на периферии отстойника тонкослойные блоки перекрестной схемы осаждения осветляют воду на завершающей стадии, перед ее поступлением в сборный лоток.

Многолетняя эксплуатация первичного отстойника, модифицированного по данной технологической схеме, показала его высокую эффективность как по задержанию взвешенных веществ - 60-80% (рис. 10.29), так и по снижению БПК в осветленной воде на 40-70% по сравнению с исходной. Однако тонкослойные блоки весьма материалоёмки.

Рис. 10.29. Зависимость эффекта осветления от начальной концентрации взвешенных веществ

При оптимальных добавках активного ила 160-200 мг/ л, соответствующих приросту избыточного активного ила, эффективность осветления по взвешенным веществам составляла 75-80%, при этом влажность смеси осадка и избыточного ила, выгружаемого из отстойника, составляла 96,0-96,5% (рис. 10.30). Снижение БПК в осветляемой воде практически не опускалось ниже 40% за весь период наблюдения, оставаясь в основном в пределах 50-70% (рис. 10.31). Существенный разброс опытных данных объясняется производственными условиями эксплуатации сооружений, колебаниями состава и концентрации поступающих загрязнений.

Рис. 10.30. Влияние дозы добавки активного ила на эффект осветления (Э) и влажность выгружаемого осадка (W)

Рис. 10.31. Корреляция между эффективностью осветления по взвешенным веществам и снижением БПК5

Наряду с использованием биофлокулирующих свойств избыточного активного ила интенсификация работы первичных отстойников возможна также за счет применения непрерывной откачки выпадающего осадка с его последующим уплотнением в отдельном осадкоуплотнителе. Преимущества данной технологии заключаются в поддержании практически нулевого (не более высоты скребков) слоя осадка на днище отстойника и повышения тем самым эффекта осветления воды. Кроме того, быстрое удаление выпадающего осадка, особенно при условии тщательной «зачистки» всего днища скребками, позволяет избегать так называемого залеживания осадка с его последующим анаэробным распадом и попаданием в осветляемую воду труд-ноосадимых продуктов разложения.
Аналогичное отрицательное воздействие на процесс первичного осветления оказывает широко применяемая в технологических схемах станций аэрации рециркуляция в первичные отстойники сливной воды после уплотнителей сброженного осадка из метантенков. Продукты анаэробного распада, отмытые из сброженного осадка для улучшения его влагоотдачи, обладают крайне низкой способностью как к осаждению, так и к всплы-ванию, что приводит к образованию неоседающих затопленных линз тонкодисперсной взвеси и ее повышенному выносу из первичных отстойников.

Рис. 10.32. Схема приемного бункера:
1 – бункер; 2 – пандус; 3 – борт; 4 – скребок; 5 – удаляемый шлам; 6 – труба для выпуска шлама из бункера

Кроме выделения оседающих веществ, в первичных отстойниках задерживаются также всплывающие вещества, представляющие собой в основном различные виды нефтепродуктов. Так по результатам производственных испытаний, проведенных на КСА, эффективность снижения концентрации нефтепродуктов в сточной воде после первичного отстаивания составляет около 50%. Однако всплывающие вещества вместе с осадком направляются на сбраживание в метантен-ки, где нефтепродукты практически не распадаются, а лишь эмульгируются, создавая дополнительные трудности при последующей обработке осадка и рецикле сливной воды. Поэтому с технологической точки зрения заслуживает внимания опыт рециркуляции задержанных в первичных отстойниках плавающих веществ в поток сточных вод перед мелкопрозорчатыми решетками, которые имеют практически постоянно подслой отбросов на своих стержнях, который эффективно задерживает плавающие вещества. В последующем, вместе с отбросами, задержанные на них плавающие вещества отправляются на захоронение и выводятся тем самым из технологического цикла.

В последние годы достигнут также прогресс в совершенствовании конструкций устройств для удаления плавающих веществ с поверхности радиальных отстойников, наиболее распространенных на станциях аэрации. Качающиеся приемные бункеры, затапливаемые при прохождении над ними фермы скребка и собирающие таким образом плавающие вещества, вместе со значительным количеством воды обеспечивали влажность удаляемой смеси порядка 97%. На КСА была разработана и успешно испытана в производственных условиях конструкция приемного бункера, борта которого постоянно находятся выше уровня воды в первичном отстойнике (рис 10.32). Плавающие вещества, подгребаемые к бункеру скребком, попадают в него через наклонный пандус, на котором происходит обезвоживание удаляемой массы. Для обеспечения самотечной выгрузки задержанных загрязнений они могут дозировано разбавляться водой. Конечная влажность выгружаемой с поверхности массы загрязнения не превышает 92%.