CC BY
101
УДК 628/161
ТОНКОСЛОЙНОЕ ОТСТАИВАНИЕ В СОВРЕМЕННЫХ ТЕХНОЛОГИЯХ ВОДОПОДГОТОВКИ
Р.А. Ковалев, Н.Н. Корнеева, Б.Ф. Сальников, Д.О. Лифанов
В горнорудной промышленности применение полимерных модулей в технологической схеме подготовки питьевой и технической воды позволяет значительно интенсифицировать процесс осаждения и выделения из воды механических и коллоидных примесей за счет увеличения контактной поверхности, повысить эффект осветления, сократить время отстаивания. Также в процессе очистки требуются меньшие дозы реагентов и решается проблема неэффективно организованного процесса коагуляции.
Ключевые слова: тонкослойные отстойники, качество воды, коагуляция.
Введение. Для предприятий горнорудной промышленности крайне важно обладать технологиями подготовки питьевой и технической воды, обработки карьерных и шахтных вод. Данные задачи решают рудники по разработке месторождений черных и цветных, редкоземельных и благородных металлов, алмазосодержащих руд, горно-химического и иного сырья.
Вода имеет важное значение для добычи всех видов полезных ископаемых. В некоторых районах длительные дождевые осадки могут привести к загрязнению поверхностных водных объектов кислотными стоками от рудничных водоотливов, отвалов и хвостохранилищ карьеров. В регионах с сухим климатом при добыче и переработке различных руд расходуются большие объемы водных ресурсов, и такая деятельность повышает требования к системе водоподготовки, снижению затрат реагентов и энергосбережению.
Вода на горных предприятиях. При добыче и переработке полезных ископаемых водопотребление обусловлено хозяйственно-бытовыми и коммунальными нуждами, производственными и техническими, а также пожаротушением. Основными компонентами системы водоснабжения являются водозаборные сооружения, насосные станции, станции очистки и подготовки воды.
В соответствии с видами водопотребления системы водоснабжения разделяются на хозяйственно-питьевые, технические и противопожарные. Они могут быть как раздельными, так и совмещенными, по способу подачи воды — самотечными, с механической подачей и зонными, а по способу ее использования — прямоточными, оборотными, с повторным использованием.
В прямоточных системах вся забираемая вода задействована на производстве однократно, после чего направляется на очистку. В оборотных системах предусматривается многократное использование воды без
сброса ее в природные водные объекты, но каждый цикл использования должен предусматривать при необходимости очистку (кондиционирование). Для компенсации безвозвратных потерь производится постоянная или периодическая подпитка систем оборотного водоснабжения.
В зависимости от происхождения сточные воды разделяются на производственные, хозяйственно-бытовые и атмосферные.
Производственные воды подразделяются на загрязненные (минеральными, органическими и минеральными + органическими примесями) и нормативно чистые.
Используемые на горных предприятиях водные ресурсы, попутно извлекаемые при добыче полезного ископаемого, разделяются на шахтные, карьерные и дренажные, которые составляют по разным оценкам около 90 % всех сточных вод горных предприятий. Состав шахтных и карьерных вод изменяется в широком диапазоне в зависимости от горногеологических, гидрологических и технологических условий.
По значению рН (водородного показателя, являющегося отрицательным десятичным логарифмом концентрации водородных ионов, т.е. рН = -^[Н+]) шахтные, карьерные и дренажные воды делят на нейтральные (рН = 6,5...8,5); кислые (рН <6,5) и щелочные (рН>8,5).
По степени минерализации различают пресные (содержание сухого остатка до 1 г/л), слабосолоноватые (1...3 г/л), солоноватые (3...5 г/л), сильно солоноватые (5...10 г/л), соленые (10...25 г/л), сильно соленые (25.. .50 г/л) воды, а также рассолы — более 50 г/л.
Чем выше минерализация шахтных, карьерных и дренажных вод, тем выше их жесткость, которая колеблется от 5 до 30 мг * экв/л.
Содержание взвешенных веществ в шахтных и карьерных водах колеблется от 10...30 до 500...600 мг/л и выше.
Атмосферные сточные воды разделяются на талые и дождевые. Качественные характеристики указывают на то, что талые воды загрязняются сильнее, чем дождевые. Различия по составу и свойствам данной воды необходимо учитывать при решении вопросов водоподготовки и водоо-очистки [8].
Процессы осаждения взвеси. В соответствии с требованиями нормативных документов [1] для подготовки воды питьевого качества используют в основном двухступенчатые схемы очистки. И во многих схемах на первой ступени проектируют сооружения отстаивания (отстойники, осветлители со слоев взвешенного осадка и другие). Как правило, это отстойники, от эффективной их работы зависит качественная работа последующих сооружений второй ступени (фильтров), а также сооружений по уплотнению и обезвоживанию осадков. Очищаемая вода движется по отстойникам с определенной скоростью, а взвешенные вещества осаждаются на дно под действием силы тяжести. Конструктивно отстойники делятся на: горизонтальные, вертикальные, радиальные, тонкослойные.
В настоящее время для интенсификации работы уже имеющихся сооружений отстаивания все чаще применяют блоки тонкослойного отстаивания. [2]
Целью работы являлось проведение исследований характеристик работы сооружений водоподготовки с оборудованием, оснащенным полимерными модулями «СОТЕЛ» и без них, выявить влияние применения данных модулей на экономию реагентов в процессе очистки.
В сооружениях тонкослойного осветления осаждение взвеси протекает в малом слое воды, образуемом устройством наклонных элементов (угол наклона 600), обеспечивающих быстрое выделение взвеси и ее сползание по наклонной поверхности элементов в зону хлопьеобразования и осадкоуплотнения. Уменьшение высоты потока снижает удельную нагрузку на площадь отстаивания, что влечет сокращение количества движения жидкости, переносимой частицами, повышает стабильность его гидродинамической структуры. Стабилизация течения возможна в случае, если энергия движения частиц воды будет преобладать над силой тяжести.
Поскольку турбулентность повышает транспортирующую способность потока, режим течение в отстойнике должен быть ламинарным, т. е. число Рейнольдса не должно превышать Re <500 [3].
Существуют три схемы работы отстойника тонкослойного: проти-воточная, прямоточная и перекрестная. При противоточной схеме осадок движется против движения основного потока; при прямоточной — направления движения этих двух потоков совпадают; при перекрестной схеме осадок движется поперек направления движения основного потока.
На основе современных достижений, а также результатов экспериментальных исследований в области очистки воды сделана попытка объяснить изменения в водной среде плотности твердой частицы и ее геометрических размеров, входящих в одно из основных уравнений гидродинамики осаждения - уравнения Стокса. Все это позволяет внести существенные дополнения в теорию отстаивания и более обоснованно подходить к выбору конструкций и условий эксплуатации осадочных бассейнов. Можно выделить два основных направления в области совершенствования конструкций отстойников: повышение устойчивости потока и отстаивание в тонком слое. Первое направление связано с совершенствованием традиционных конструкций осадочных бассейнов: снабжением их устройствами для отвода с поверхности осветленной воды, равномерного сброса осадка, установкой промежуточных дырчатых перегородок. Такая модернизация позволяет всего лишь до 1,5 раза повысить производительность отстойников. Второе направление - создание принципиально новой конструкции тонкослойных отстойников [7].
Конструкции и расчет тонкослойных отстойников. Как заявляет производитель, модули "СОТЕЛ" эффективно задерживают и осаждают грубодисперсные и тонкодисперсные примеси.
Разработанная конструкция полимерных модулей "СОТЕЛ" из материала ПФХ позволяет создавать благоприятные условия для осаждения взвешенных веществ по более короткой траектории сравнительно с традиционными отстойниками (рис. 1). Полимерные модули устанавливаются на несущие конструкции в сооружениях для отстаивания. Возможно кассетное исполнение полимерных модулей [2].
Технические характеристики полимерных модулей:
Материал изготовления ПВХ
Толщина профиля, мм 1,5
Угол наклона листов, градусов 60
Шаг между профилями, мм 45/107
Размер ячейки, мм 135/205
Длина, мм До 2000
Рис. 1. Системы тонкослойного отслаивания «СОТЕЛ.»
В последнее время все шире применяются тонкослойные отстойники. Их разделительная способность, особенно при выделении тонкодисперсных примесей, во много раз выше разделительной способности горизонтальных, вертикальных и радиальных отстойников. Габариты тонкослойных отстойников по сравнению с другими типами осадочных бассейнов значительно меньше и исчисляются несколькими метрами, что позволяет размещать их в закрытых помещениях [9].
Применение принципа тонкослойного отстаивания перспективно при реконструкции действующих отстойников различного типа с целью увеличения их производительности. Это является наиболее экономичным, а в ряде случаев единственным решением, учитывая стеснённые условия действующих очистных станций и, как правило, отсутствие вблизи них свободных земельных площадей. При этом реконструкция может быть осуществлена в кротчайший срок, так как переустройство этих сооружений
в тонкослойные отстойники не требует длительных и сложных строительно-монтажных работ, а сводится к установке заранее изготовленных блоков тонкослойных элементов в отстойной зоне. [4]
В качестве примера рассмотрим условия, при которых требуется повысить нагрузку на действующий горизонтальный отстойник. Размеры отстойника: длина 12 м, ширина 2, глубина отстойной зоны 3 м. Отстойник предназначен для задержания взвеси воды средней мутности, обрабатываемые коагулянтом, эффект очистки 80 %.
Согласно СП 31.13330.2012 нагрузка на горизонтальный отстойник
ф _ К „ • 3,6 • и
,м
/ час
а
об
где Гг.0. - площадь горизонтального отстойника в плане, м ; и0 - скорость выпадения взвеси, согласно [5] и0 = 0,5 мм/с; аоб - коэффициент объёмного использования отстойника, принимаемый равный 1,3,
_ 24• 3,6• 0,5 -
1,3
33,23м / час
Вдоль отстойника устанавливаем полимерные модули «СОТЕЛ» (рис. 2) Угол наклона 600, ширина 2 м. Полная высота полимерных модулей с учетом размещения в верхней части трубопровода для отвода осветленной воды 1 м.
1 2 0 0 0
уw^лл/w^ллллллллллллл^
Камера хлопье-образобания
О ///////////////////// 1111
Рис. 2. Горизонтальный отстойник, оборудованный полимерными
модулями «СОТЕЛ.»
Длина полимерных модулей «СОТЕЛ» вдоль отстойника Ь _ Ьго- И • 300 _ 12 - 0,58 _ 11,42м.
2
Площадь живого сечения ячейки «СОТЕЛ» составляет 0,005839 м , тогда по предварительной схеме количество ячеек составит
N _ Ь ^ _ 11,42 2 _ 3911штук / 0,005839 "
Площадь живого сечения всех ячеек
/ _ 3911 • 0,005839 _ 22,84м2. Из уравнения по условию обеспечения ламинарного режима течения жидкости максимально допустимая скорость движения воды
к = Кекр ■ 1000, мм / с
тах 4 ^ ^
где Яекр - число Ренольдса, [1]; ц - коэффициент вязкости в зависимости
0 2 от температуры воды, согласно [6] при 1 = 20 С, ц = 0,000001007 м/с; Я -
гидравлический радиус ячейки «СОТЕЛ»
500 ■ 0,000001007 ,^
Ктах =-^--1000 = 8,02мм / с
тах 4 ■ 0,0157
Средняя скорость потока
уср = 802 = 4,72мм / с ср 1,7
Расчетная производительность одной ячейки при ее площади живо-
2
го сечения Г = 0,005839 м , принятой скорости Vср = 4,72 мм/с и коэффици енте использования объёма ячейки К8ег = 0,5:
Яяч = / ■ К, ■ = 0,00584 ■ 4,72 ■ 0,5 = 0,01378м3 / час.
ср
Нагрузка на весь отстойник
^ = дт ■ N = 0,01378 ■ 3911 = 53,89м3 / час .
Таким образом, нагрузка на отстойник повысилась в 1,62 раза. Следовательно, время отстаивания и строительный объём сократятся в 1,62 раза.
Таблица 1
Сравнительная характеристика работы отстойников
№ Наименование Горизонтальный отстойник Горизонтальный, с полимерными модулями "СОТЕЛ"
1 Производительность, м3/час 33,23 53,89
2 Время отстаивания, с - Уменьшится в 1,62 раза
3 Строительный объём - Уменьшится в 1,62 раза
Полимерные модули «СОТЕЛ» позволяют значительно интенсифицировать процесс осаждения, на 25.30 % повысить эффект осветления, сократить время отстаивания до 20 минут, и как следствие на 30 % уменьшить площадь застройки. К преимуществам также стоит отнести устойчивость их работы при значительных колебаниях расходов, поступающих на очистку воды, изменениях ее температуры и концентрации загрязнений.
Процессы коагуляции, хлопьеобразования, дозы реагентов. Экономия применяемых реагентов определяется минимально достаточным количеством для эффективного процесса очистки воды. От количества
применяемых реагентов на прямую зависит качество протекания технологического процесса обработки воды коагулянтами - солями многовалентных металлов. Под коагуляцией следует понимать физико-химический процесс агломерации мельчайших коллоидных и диспергированных частиц под действием сил молекулярного притяжения. В результате коагулирования устраняются цветность и мутность воды, может снижаться интенсивность привкусов и запахов. Эффект коагулирования обусловлен воздействием коагулянта на нерастворенные примеси (коллоидные и гру-бодисперсные частицы) от которых зависит в основном мутность и цветность воды.
При добавлении в воду коагулянта, например, сульфата алюминия, происходит диссоциация реагента с последующим гидролизом металла:
АЬ^Ь ^ 2А13+ + 3Б043-; А13+ + 3Н2О ^ А1(ОН) 3| + 3Н+.
Образующийся гидроксид алюминия является коллоидом, малорастворимым веществом, который в нейтральной и слабокислой среде приобретает небольшой положительный заряд в результате адсорбции ионов Н+
3+
и А1 .В щелочной среде гидроксид заряжен отрицательно в результате адсорбции ионов А102-. Коллоиды А1(0Н)3 коагулируются, образуя микрохлопья. Данный кратковременный процесс происходит в смесителях, и этим заканчивается первая фаза коагуляции. Во второй фазе, которая в свободном объёме воды может длиться до 60 минут, происходит коагуляция микрохлопьев. При этом микрохлопья адсорбируют на свою поверхность загрязняющие воду коллоидные частицы и могут сами адсорбироваться на поверхность грубодисперсных примесей (взвешенных веществ). Процесс происходит в камерах хлопьеобразования в условиях умеренного перемешивания воды и заканчивается образованием крупных хлопьев [5].
Для эффективного коагулирования необходимо образование нерастворимых, электрически минимально заряженных гидроксидов и микрохлопьев коагулянта, из которых при коагулировании в свободном объёме воды в свою очередь должны образовываться твердые и крупные хлопья. Гидроксид алюминия является малорастворимым при рН = 5...7, причем оптимальное значение рН, при котором целесообразно провести коагуиро-вание, зависит от свойств исходной воды. С повышением температуры воды растворимость гидроксидов коагулянта уменьшается, и коагуляция происходит более эффективно. При низкой температуре воды и при 7 < рН < 5 растворимость соединений алюминия высока и часть попадает в водопроводную сеть. При повышении температуры и изменения рН происходит осаждения алюминия в виде слоя, что уменьшает пропускную способность трубопроводов и ухудшает качество воды. Надо учесть, что алюминий является токсичным веществом, допустимое содержание его в питьевой воде должно быть не более 0,5 мг/л [5].
По вышеописанной схеме процесс коагулирования протекает в свободном объёме воды. Другой вид коагулирования основывается на контактной коагуляции. Этот процесс, где вторая фаза коагуляции происходит посредством взаимодействия микрохлопьев и контактной массы - взвешенного слоя осадка или слоя зернистого материала. Контактная коагуляция предполагает малый интервал времени между вводом коагулянта и его поступлением в слой контактной массы. Для этого коагулянт подают в обрабатываемую воду непосредственно перед сооружением водоподготовки. При контактной коагуляции процесс мало зависит от щелочности, температуры и рН воды, при это согласно [1] уменьшается расход коагулянта.
Для нормального прохождения коагуляции требуется подача оптимальной дозы коагулянта. Доза коагулянта зависит в основном от концентрации нерастворенных примесей и их свойств (прежде всего от крупности и плотности). Необходимая доза тем больше, чем выше концентрация примесей и чем больше в примесях доминируют мелкие низкоплотные частицы. Оптимальная доза коагулянта определяется экспериментально.
Так как в полимерных модулях «СОТЕЛ» волновой (лавинообразный) характер сползания осадка (рис. 3), то высота канала должна быть несколько больше максимальной толщины осадка, которая в створе вальца у неструктурированных осадков достигает 6 мм, а структурированных в 2,5 - 3 раза больше. Так как при движении воды гидравлический напор невелик, он оказывается недостаточным для разрушения вальца осадка. В дальнейшем часть воды протекает через слой образующегося вальца.
Такая модель течения жидкости позволяет допустить в полимерных модулях режим контактной коагуляции (через слой взвешенного осадка). Однако окончательные выводы можно сделать, проведя лабораторные исследования для различных исходных данных.
К выявленным проблемам подавляющего большинства водоподго-товительных станций можно отнести неэффективно организованный процесс коагуляции, связанный с множеством причин: неоптимальные дозы реагентов, плохое смешение реагентов, неверная последовательность вве-
Рис. 3. Полимерный модуль «СОТЕЛ». 1 - максимальная толщина осадка (валец)
дения реагентов, некачественные реагенты, низкая температура воды, неоптимальные гидравлические условия в сооружениях хлопьеобразования, отсутствие автоматизированных систем управления процессами, ошибки и/или некомпетентность персонала и т.д. Перечисленные факторы неизбежно приводят к неудовлетворительному хлопьеобразованию с получением в объёме потока неплотных мелких хлопков коагулированных примесей с малой гидравлической крупностью [10].
Посредством применения полимерных модулей «СОТЕЛ», с обоснованным гидравлическим радиусом ячейки и средней скоростью потока, возможно решение проблем в сооружениях тонкослойного осветления при осаждении взвеси подавляющего большинства водоподготовительных станций.
Выводы. Технологии подготовки питьевой и технической воды, а также обработки карьерных и шахтных вод имеют тенденцию к развитию всех стадий данного процесса. В процессе водоподготовки при обеспечении ламинарного режима течения жидкости расчетная производительность одной ячейки при ее площади живого сечения f = 0,005839 м и коэффициенте использования объёма ячейки Kset = 0,5 увеличится ввиду сокращения времени отстаивания.
Применение в технологической схеме полимерных модулей «СОТЕЛ» позволяет значительно интенсифицировать процесс осаждения и выделения из воды механических и коллоидных примесей за счет увеличения контактной поверхности, повысить на 25.30 % эффект осветления, сократить время отстаивания до 20 минут и, как следствие, на 30 % уменьшить площадь застройки. Также в процессе очистки требуются меньшие дозы реагентов и, как следствие, решается проблема неэффективно организованного процесса коагуляции.
Список литературы
1. СП 31.13330.2012 Водоснабжение. Наружные сети и сооружения.
2. Литература научно-производственной фирмы «ЭТЕК ЛТД» http://etek.ru.
3. Демура М. В. Проектирование тонкослойных отстойников. Киев: Буд1вельник, 1981. 52 с.
4. Лифанов Д.О., Корнеева Н.Н. Применение тонкослойного отстаивания в технике очистки воды// Сб. науч. тр. 8-й Междунар. науч.-практич. конф. молодых ученых и студентов «Опыт прошлого - взгляд в будущее». Тула: Изд-во ТулГУ, 2018. С. 331-334.
5. Николадзе Г. И. Технология очистки природных вод: учеб. для вузов. М.: Высшая школа, 1987.
6. Курганов А. М., Федоров Н. Ф. Гидравлические расчеты систем водоснабжения и водоотведения: справочник / под общ. ред. А. М. Курганова. 3-е изд., перераб. и доп. Л.: Стройиздат, 1986. 440 с.
7. Ковалев Р.А., Денисова В.Е. Использование региональных допустимых концентраций как способ решения проблемы экологического нормирования // Сб. науч. тр. 15-й Междунар. конф. по проблемам горной промышленности, строительства и энергетики. БНТУ. Минск, 2019. Т. 1. С. 328-331.
8. Ковалев Р.А., Киреева А.С. К вопросу о мембранных технологиях и необходимости их внедрения в существующую систему очистки природных вод // Сб. науч. тр. 15-й Междунар. конф. по проблемам горной промышленности, строительства и энергетики. БНТУ. Минск, 2019. Т. 1. С.352-356.
9. Корнеева Н.Н., Лифанов Д.О. Применение тонкослойного отстаивания в технике очистки воды// Сб. науч. тр. 8-й Междунар. науч.-практич. конф. молодых ученых и студентов "Опыт прошлого - взгляд в будущее". Тула. 2018. С.331-334.
10. Белоусов Р.О., Корнеева Н.Н., Ковалев Р.А. Очистка природных вод. Основные сооружения.: справ. пособие Ч. 1 Тула: Изд-во ТулГУ, 2020. 122 с.
Ковалев Роман Анатольевич, д-р техн. наук, проф., директор института, kovalevdekan@mail. ru, Россия, Тула, Тульский государственный университет,
Корнеева Наталья Николаевна, канд. техн. наук, доц., korneevanataliya1974@mail.ru, Россия, Тула, Тульский государственный университет,
Сальников Борис Федорович, канд. техн. наук, доц., kovalevdekan@mail.ru, Россия, Тула, Тульский государственный университет,
Лифанов Денис Олегович, инженер-технолог, lifanov. denis95@mail. ru, Россия, Тула, ООО «НПФ ЭТЕКЛТД»
THIN-LAYER SETTLING IN MODERN WATER TREATMENT TECHNOLOGIES R.A. Kovalev, N.N. Korneeva, B.F. Salnikov, D.O. Lifanov
The use of polymer modules in the technological scheme can significantly intensify the process of precipitation and separation of mechanical and colloidal impurities from water by increasing the contact surface, increasing the lightening effect, and reducing the settling time. Also, in the process of cleaning, smaller doses of reagents are required and the problem of not effectively organized coagulation process is solved.
Key words: thin-layer settling tanks, water quality, coagulation.
Kovalev Roman Anatolyevich, doctor of technical sciences, professor, director, kovalevdek-an@,mail. ru, Russia, Tula, Tula State University,
Korneeva Natalia Nikolaevna, candidate of technical sciences, docent, korneevanataliya1974@mail.ru, Russia, Tula, Tula State University,
Сальников Борис Федорович, candidate of technical sciences, docent, kovalevdekan@mail. ru, Russia, Tula, Tula State University,
Lifanov Denis Olegovich, engineer-technologist, lifanov. denis95@mail. ru, Russia, Tula, LLC «NPFETEKLTD»
Reference
1. SP 31.13330.2012 water Supply. Outdoor networks and structures.
2. Literature of the research and production company "ETEK LTD" http://etek.ru.
3. Demura M. V. Design of thin-layer settling tanks. Kiev: Budivelnik, 1981. 52 p.
4. Lifanov D. O., Korneeva N. N. Application of thin-layer sedimentation in water purification technology// SB. nauch. Tr. 8-ya mezhdunar. scientific and practical conference of young scientists and students "Experience of the past-a look into the future". Tula: Tulsu Publishing House, 2018. Pp. 331-334.
5. Nikoladze G. I. Technology of natural water treatment: textbook. for higher education Institutions, Moscow: Higher school, 1987.
6. Kurganov a.m., Fedorov N. F. Hydraulic calculations of water supply and sanitation systems: Handbook / ed. 3rd ed., reprint. and add. L.: stroizdat. Leningrad, 1986, 440 p.
7. Kovalev R. A., Denisova V. E. Use of regional permissible concentrations as a way to solve the problem of environmental regulation // SB. nauch. Tr. 15-th international conference on problems of mining, construction and energy. BNTU. Minsk. 2019. Vol. 1. Pp. 328-331.
8. Kovalev R. A., Kireeva A. S. On the issue of membrane technologies and the need for their implementation in the existing system of natural water treatment // SB. nauch. Tr. 15-th international conference on problems of mining, construction and energy. BNTU. Minsk. 2019. Vol. 1. P. 352-356.
9. Korneeva N. N., Lifanov D. O. Application of thin-layer sedimentation in water treatment technology // SB. nauch. Tr. 8-ya mezhdunar. scientific and practical conference of young scientists and students "Experience of the past-a look into the future". Tula. 2018. Pp. 331-334.
10. Belousov R. O., Korneeva N. N., Kovalev R. A. Cleaning of natural waters. Main structures. Part 1 / Reference. stipend. Tula: Tulsu Publishing house, 2020. 122 p.
