CC BY
32
Алешин Виктор Сергеевич
Alyoshin Victor Sergeevich Кафедра водоснабжения и водоотведения Department of Water Supply and Sanitation Профессор /Рrofessor Кандидат технических наук
Алешин Александр Викторович
Alyoshin Alexander Viktorovich Кафедра водоснабжения и водоотведения Department of Water Supply and Sanitation
Доцент/Lecturer Кандидат технических наук
Лунина Татьяна Андреевна
Lunina Tatyana Andreevna Кафедра водоснабжения и водоотведения Department of Water Supply and Sanitation
Студент/The student E-Mail: elena_tomashuk@mail.ru
Водоснабжение и водоотведение
Безреагентная очистка низкотемпературных вод регулируемого Эшкаконского водохранилища
Reagentlesslow temperature cleaning water reservoir controlled Eshkakonskogo
Аннотация: Исследован и математически описан механизм осаждения взвешенных частиц в регулируемом водохранилище. Сделан вывод о возможности использования водохранилища как предварительного отстойника, позволяющий избежать дальнейшей реагентной обработки.
The Abstract: Investigated and mathematically describe the mechanism of deposition of suspended particles in a controlled reservoir. The conclusion about the use of the reservoir as a preliminary sedimentation tank, avoiding further reagent treatment.
Ключевые слова: Водоисточник, водохранилище, мутность, скорость осаждения частиц, безреагентная обработка.
Keywords: Water source, a reservoir, turbidity, particle deposition rate, chemical-free treatment.
***
В связи с ростом в стране потребностей в высококачественной питьевой воде, достаточно высоких цен на реагенты предпочтительным является безреагентный способ обработки [2].
Сложность этого метода состоит в необходимости исследования механизмов формирования взвешенных частиц, как в русле реки, так и в регулируемом водохранилище. Подобные исследования представляют собой весьма сложный процесс, обусловленный рядом факторов:
1. Неравномерность движения воды в водохранилище, как по длине, так и по глубине, вследствие турбулентности потока и изменчивости профиля русла в водохранилище;
2. Влияние донных течений;
3. Неоднородность составов взвешенных наносов по крупности;
4. Влияние восходящих и нисходящих потоков и плотности воды в водохранилище.
Вследствие вышеперечисленных факторов взвешенные вещества распределяются в потоке воды водохранилища неравномерно. Наибольшие отклонения от средней мутности наблюдаются у берегов, у поверхности воды и у дна. Мутность увеличивается от поверхности ко дну за счет фракций взвешенных веществ, как малых, так и крупных.
На распределение и устойчивость взвешенных частиц в воде оказывают влияние многие факторы: тепловое движение, диффузия, вязкость, силы тяжести, размеры частиц и удельный вес, электрокинетические силы отталкивания и силы межмолекулярного притяжения, константы Г амакера и Архимедовы силы.
Частицы дисперсной фазы испытывают удары молекул дисперсионной среды, находящихся в непрерывном и хаотическом тепловом движении. Мелкие частицы перемещаются в различных направлениях, в то время как более крупные, обладая большей массой, способствующей компенсации ударов с разных сторон, совершают лишь небольшие колебательные движения со скоростью доли миллиметра в секунду. Частицы диаметром более 5 мкм практически не подвержены броуновскому движению.
Под влиянием теплового движения происходит самопроизвольное выравнивание концентрации частиц по объему растворителя - их диффузия.
Коэффициент диффузии сферических частиц определяется из уравнения Энштейна, применяемого для практических расчетов:
D = — (1)
N 6т|лг
где Б - коэффициент диффузии; Я - газовая постоянная; Т - абсолютная температура; N - число Авогадро; п - динамическая вязкость; г - радиус частиц.
Для молекул и ионов неорганических веществ в водной среде величина Б равна приблизительно 1 х 10_5 см2 /сек, а для коллоидных частиц она ниже на 2-4 порядка. Скорость диффузии макромолекул высокомолекулярных веществ при одинаковых условиях близка к скорости диффузии коллоидных частиц.
Течение дисперсных систем отличается от течения истинных растворов, поскольку в дисперсных системах наблюдается ранняя турбулизация потока при меньших, чем для истинных растворов, числах Рейнольдса. Частицы дисперсной фазы также сужают пространство, занято жидкостью, и увеличивают градиент скорости в поперечном сечении потока, поэтому вязкость дисперсной фазы всегда выше вязкости среды. Вязкость разбавленного коллоидного раствора описывается уравнением Энштейна:
где п - вязкость дисперсной среды, Со - объемная концентрация дисперсной фазы.
Уравнение (2) справедливо для случая, когда частицы шарообразны и не взаимодействуют друг с другом. Объемная концентрация частиц, покрытых гидратным слоем толщиной Ьг, вычисляется по уравнению:
V = Vo(1 + 2,5 С0)
(2)
(3)
Главный редактор - д.э.н., профессор К.А. Кирсанов тел. для справок: +7 (925) 853-04-57 (с 1100 - до 1800) Опубликовать статью в журнале - http://publ.naukovedenie.ru
(4)
где А и В - коэффициенты, зависящие от степени ассиметрии частиц.
Вязкость золей, содержащих заряженные частицы, зависит от степени дисперсности частиц и величины их заряда и может быть определена из соотношения:
где Х1 - удельная электропроводность, Е - диэлектрическая постоянная, ^-электрокинетический потенциал двойного электрического поля.
Вязкость растворов высокомолекулярных веществ (ВМВ) выше вязкости коллоидных растворов той же концентрации, что объясняется способностью макромолекул к образованию ассоциатов. С молекулярным весом (МВ) полимера вязкость связана соотношением:
где К - коэффициент, постоянный для раствора данного ВМВ в данном растворителе, а - коэффициент, зависящий от формы и гибкости макромолекул.
Существует два типа устойчивости дисперсных систем: агрегативная и кинетическая.
Под агрегативной устойчивостью понимается способность системы сохранять степень дисперсности своих частиц, что объясняется наличием вокруг частиц двойного электрического слоя ионов и сольватных оболочек.
Под кинетической устойчивостью понимается способность частиц противостоять действию силы тяжести.
Каждая частица дисперсной фазы подвержена действию двух противоположных сил: сил тяжести, вызывающих седиментацию, и сил диффузии, им препятствующим. Соотношение сил тяжести и диффузии зависит от степени дисперсности частиц: чем крупнее частицы, тем меньше они подвержены броуновскому движению и тем интенсивнее седиментируют.
Суспензии, в которых диффузия отсутствует, являются кинетически неустойчивыми системами: их частицы осаждаются в течение сравнительно небольшого отрезка времени. К абсолютным кинетически устойчивым системам относятся истинные растворы. Коллоидные растворы составляют промежуточный тип систем. В этих растворах в результате взаимодействия между силами тяжести и диффузии устанавливается равновесие, характеризующееся постепенным уменьшением концентрации частиц в направлении снизу вверх. Чем меньше частицы, тем медленнее они опускаются под действием силы тяжести и тем больший период времени требуется для установления равновесия. Кроме того, установлению равновесия мешают колебания температуры в системе, толчки и сотрясения, поэтому практически все золи обнаруживают одинаковую концентрацию дисперсной фазы по высоте слоя [1].
Растворы ВМВ обладают высокой кинетической устойчивостью, что связано с малой плотностью растворенного вещества.
Для скорости осаждения сферических частиц, не подверженных тепловому движению, применимо уравнение Стокса:
(5)
V = К [МВ]а
(6)
(7)
где g - ускорение силы тяжести, рТ - рВ - плотность вещества дисперсной фазы и дисперсионной среды соответсвенно, ё - диаметр частиц.
Если осаждающиеся частицы многокомпонентны, то величина рТ определяется с учетом плотности и относительного объема каждого компонента. С увеличением температуры от 5 до 200С вязкость воды уменьшается вдвое, а плотность - лишь на 2 %. Таким образом, повышение температуры способствует седиментации частиц, не подверженных тепловому движению. Если вещество легче воды, величина рТ - рВ имеет отрицательный знак, и вместо осаждения будет происходить всплывание частиц.
Формула Стокса справедлива для идеальных систем. Истинная скорость осаждения (и) всегда отличается от расчетной (И) вследствие теплового движения частиц, их неправильной формы и гидратации, объединения их в агрегаты. В зависимости от объемной концентрации частиц и их агрегатов (С0) изменяется соотношение между истиной и расчетной скоростями осаждения:
и/ = )(1 - Со)2 (8)
где п=5.
Влияние на устойчивость взвешенных веществ в воде оказывает наличие электрокинетических сил взаимного отталкивания частиц.
Причем, чем больше величина дзета-потенциала частиц взвеси в воде, тем с большей силой эти частицы отталкиваются друг от друга, а, следовательно, больше устойчивость этих частиц в воде.
Для исследования характера влияния концентрации взвеси в воде на электрокинетическую подвижность и дзета - потенциал частиц этой взвеси были проведены эксперименты на незамутненной воде, по качеству близкой к воде Эшкаконского водохранилища. На основании полученных опытных данных были построены графические зависимости величины дзета-потенциала от концентраций взвешенных частиц в воде: М = { (£> (рис1).
Кривые имеют классический характер, т. е. с увеличением концентрации взвеси в воде на одинаковые величины во всех случаях дзета-потенциал частиц этой взвеси также изменяется приблизительно на равные величины. Таким образом, можно выразить единую зависимость электрокинетического показателя мутности от концентрации взвеси.
Исследования показали, что с увеличением концентрации взвешенных веществ наблюдается интенсивное возрастание величины дзета-потенциала.
Рис. 1. График зависимости £ от концентрации взвешенных веществ в воде с различным минералогическим составом
Изменение температуры в пределах 1-20 С0 практически не влияет на дзета -потенциал частиц бетонита и каолинита в дистиллированной воде.
Влияние рН среды на величину дзета-потенциала не всегда носит однозначный характер. Так при обработке глинистых суспензий щелочью происходит сначала повышение, а затем снижение дзета-потенциала частиц вплоть до перезарядки. Повышение потенциала объясняется, вероятно, замещением противоионов А13+ диффузного слоя на катион щелочи и
3+
увеличение толщины слоя. Когда же катионов А1 остается мало, они уже не препятствуют вхождению катионов щелочных металлов в адсорбционный слой: толщина диффузного слоя уменьшается, и величина дзета-потенциала падает.
Существенное влияние на дзета-потенциал минетальных коллоидов оказывает присутствие в воде ПАВ, ВМВ и активного хлора.
С точки зрения теории, если рассматривать зависимость Эм = { (М) (рис.2), то для вод из различных поверхностных источников, а также для проб из одного и того же источника, исследуемых в различные периоды года, эти кривые должны отличаться друг от друга. Однако, расхождения для различных вод источников настолько малы, что можно пользоваться единой кривой зависимости М = { (Мэ).
Рис. 2. График зависимости электрокинетического потенциала от концентрации взвеси в воде
Выводы:
1. В естественных условиях без применения специальных технологий и различных реагентов, происходит самопроизвольное осаждение частиц взвеси, отстаивание и естественное осветление воды при определенных гидрологических условиях;
2. Регулируемое водохранилище можно использовать как естественный огромный отстойник, в котором, при соблюдении правильных режимов эксплуатации водохранилища, может быть достигнут требуемый уровень осветления природой воды, не требующей последующей реагентной обработки, за исключением обеззараживания.
3. На основании экспериментальных исследований низкотемпературной воды Эшкаконского водохранилища можно рекомендовать ее безреагентную очистку в течение семи-восьми месяцев в весеннее-летний и, иногда, в осенний период, что даст экономию электроэнергии и реагентов при эксплуатации очистных сооружений Эшкаконского водопровода.
Главный редактор - д.э.н., профессор К.А. Кирсанов тел. для справок: +7 (925) 853-04-57 (с 1100 - до 1800) Опубликовать статью в журнале - http://publ.naukovedenie.ru
ЛИТЕРАТУРА
1. Бутко Д.А., Михайлов В.А., Рахнин С.А. О влиянии гидродинамического режима смешения и перемешивания воды с реагентами на эффективность осветления ее в отстойниках//Материалы международной научно - практической конференции «Строительство-2012», Ростов-на-Дону.: РГСУ, 2012;
2.Турянский И.П., Сапрыкин Д.В. Исследование эффективности очистки питьевой воды//Материалы международной научно-практической конференции «Строительство -2008», Ростов-на-Дону.: РГСУ, 2008.
Рецензент: Марочкин Алексей Алексеевич, доцент, кандидат технических наук, ООО «Акватрат»,г.Ростов-на-Дону.
