CC BY
62
УДК 544.77.052.5
Сапожников Сергей Юрьевич Sergey Sapozhnikov
ОЦЕНКА ЭФФЕКТИВНОСТИ ФЛОКУЛЯЦИИ ВЗВЕШЕННЫХ ГЛИНИСТЫХ ЧАСТИЦ В СТОЧНЫХ И ОБОРОТНЫХ ВОДАХ ПРИ РЕГУЛИРОВАНИИ ВЕЛИЧИНЫ ГРАДИЕНТА СКОРОСТИ МАССОПОТОКА
EFFICIENCY ESTIMATION OF WEIGHTED CLAY PARTICLES FLOCCULATION IN SEWAGE AND CIRCULATING WATERS AT SIZE REGULATION OF WEIGHT STREAM SPEED’S GRADIENT
Изложены современные теоретические представления и мировой практический опыт в области флокуляции взвешенных глинистых частиц. В проточной воде изучено влияние конструктивных параметров смесителя-хлопьеобразователя на градиент скорости. Получены зависимости скорости осаждения флокул и прозрачности осветленного слива от градиента скорости. Показано, что эффективность флокуляции взвешенных глинистых частиц возрастает при градиенте скорости в пределах значений 70 ... 90 с1
Елючевые слова: флокуляция, коагуляция, взвешенные частицы, градиент скорости, перемешивание, скорость флокуляции
In this work modern theoretical conceptions and world practical experience in the area of flocculation the weighted clay particles are described. Running water influence of design parameters of the mixer-flocculation on gradient of speed are presented. The dependences of speed of the floes’ deposition and transparency-clarified plum from gradient of speed are suggested. The efficiency of flocculation of the weighted clay particles increases at gradient of speed within values from 70...90 s -1
Key words: flocculation, coagulation, weighted particles, gradient of speed, stirring, flocculation’s speed
Работа выполнена под руководством д-ра техн. наук, профессора, заслуженного деятеля науки РФ В.П. Мязина
По мнению большинства исследователей, главными факторами, влияющими на эффективность флокуляции взвешенных частиц в воде, являются количество активных центров на поверхности частиц, адсорбирующих реагенты; величина и знак электрокинетического потенциала поверхности минерала; длина и форма макромолекул флокулянта; содержание твердого в суспензии; значение pH среды флокуляции; дисперсность частиц суспензии; условия смешения реагентов с обрабатываемым потоком [1;2].
В работе [3] утверждается, что теоретические основы коагуляции и флокуляции глинистых шламов разделяющих сред должны базироваться на механизме перемешивания и дестабилизации илисто-глинистых частиц в турбулентном потоке, в работе [4]
— процесс смешения коагулянта с водой в смесителе должен проходить очень быстро (он имеет решающее значение для последующих стадий коагуляции), а в работе [5] утверждается, что перемешивание является мощным фактором коагуляции. Однако относительно продолжительности перемешивания и времени пребывания воды в смесителе до сих пор нет единого мнения. Рекомендуемое время перемешивания [6; 7] изменяется от нескольких секунд до семи
минут. При этом время пребывания воды в смесителе обосновывается с позиций образования прочных хлопьев [6]. По другим рекомендациям [8] аэрирование воды следует производить через определенное время (10...20 с). После введения коагулянта продолжительность аэрирования должна соответствовать времени пребывания воды в смесителе (до 2 мин).
и =— =-12пр-0-К/ т (И ф
где р — безразмерный параметр;
ОКф3 — коэффициент турбулентной диффузии;
0 — отношение сферы действия межмо-лекулярных сил к размеру частиц;
п — число взвешенных частиц в транспортирующем массопотоке.
Предполагаемая скорость градиентной коагуляции иг определяется по уравнению Кемпа и Штейна [9]:
и = “Г- = Кг • а3 • Оп2, част/с, (2)
г 61
где Кг — коэффициент коагуляции; а = 0(г1 + г2); (3)
где г: иг2 — радиусы частиц, м;
0 — градиент скорости, с"1;
,(«■■>; (4)
где W — энергия, затрачиваемая на перемешивание, Дж;
П — динамическая вязкость, Па с;
У — объем, в котором происходит перемешивание, м3;
1 — время перемешивания, с.
Хадсон [10] модифицировал уравнение Кемпа следующим образом: чсе
= е
(5)
где М0 — количество частиц в воде до коагуляции;
^ — количество нескоагулированнных частиц через период времени I;
П — коэффициент эффективности столкновений;
С — объемная концентрация хлопьев, г/л.
Таким образом, у исследователей единого мнения о продолжительности смешения примесей транспортирующих сточных и оборотных вод с полиэлектролитами не существует.
Теоретически скорость флокуляции ит частиц в турбулентном потоке определяется уравнением [5]:
• ф • 0 • (1 — 0)п2, част/с,
(1)
Харрис преобразовал формулу Хадсона и предложил следующее уравнение эффективности процесса хлопьеобразования [11] при следующих допущениях:
— коагуляция выражается в образовании первичных частиц (микрохлопьев), которые имеют однородное распределение по размеру;
— с увеличением времени коагуляции частиц преобладают условия гетерогенной системы
К0 Ба3в^а
1п-° =
N
п
(6)
где Б — экспериментально определяемая переменная, являющаяся функцией распределения частиц по размеру;
С — объемная концентрация хлопьев, г/л;
а — отношение радиуса столкновений частицы к ее действительному радиусу.
Соучек и Шинделаж [12] предложили использовать уравнение градиентной коагуляции к турбулентному режиму, заменив постоянный градиент скорости на среднеквадратичное его значение:
^=
II
W
(7)
гдеД/ в — среднеквадратичное значение в отличие от мгновенного значения О и среднего абсолютного значения в ;
W — общий расход энергии на перемешивание, Дж;
У — объем камеры, м3;
I — периодхлопьеобразования, с.
После преобразования уравнение градиентной коагуляции к турбулентному режиму (6) выглядиттак:
N =
И - к 3 IС04&?
' ^ , (част.), (8)
где Ц — характеризует гидродинамические условия, т.е. распределение градиента скорости по объему (зависит от формы мешалки и сосуда);
к2 — коэффициент, зависящий от формы частиц;
к3 — характеризует распределение фракций в полидисперсной системе.
Изменение концентрации частиц в камере хлопьеобразования обусловлено двумя противоположными процессами — агрегацией первичных частиц, мелких хлопьев в крупные и последующим их разрушением.
При выводе уравнения скорости изменения концентрации первичных частиц в камере хлопьеобразования Аргаманом и Кауфманом использованы константы агрегации (КА)и разрушения хлопьев (Кв), зависящие от химических свойств суспензии и гидродинамических характеристик турбулентности потока в нескольких технологических камерах.
Для I камер из т отделений их уравнение выглядит следующим образом:
N.
1 + КАв
і
т
N.
і 1 + Квв2
.(9)
і=1
т
Для учета особенности гидродинамики массопотока на эффективность флокуляции взвешенных частиц Аргаман и Кауфман провели физико-химическое моделирование процесса на проточной установке.
При определении КА и Кв рекомендовано выполнять следующие условия:
— модельные исследования должны быть проведены на воде с реагентами, используемыми на очистных сооружениях;
— для достоверной оценки необходимо стремиться к воспроизведению гидравли-
ческого режима в производственной камере хлопьеобразования.
Анализ теоретических основ флокуляции и коагуляции взвешенных частиц вод, в том числе с использованием процесса физико-химического моделирования, показал, что у исследователей не существует единого мнения о режимах флокуляции и показателях, используемых для оценки эффективности этого процесса.
При оценке эффективности флокуляции частиц обычно используют косвенные показатели, например, скорость осаждения частиц и степень осветления воды после отстаивания.
В качестве оценочного показателя эффективности флокуляции ряд ученых [2; 13] использует интегральный критерий, включающий несколько показателей, одним из которых является эквивалентный диаметр флокул. На наш взгляд, размер флокулы не в полной мере отражает эффективность процесса флокуляции, поскольку на скорость осаждения сформированных агрегатов оказывает влияние не только размер, но и плотность, или пористость самого агрегата.
По нашему мнению, интенсивность перемешивания, или число столкновений частиц с макромолекулой в единицу времени является определяющим критерием эффективности флокуляции. С этой целью нами предлагается проводить оценку величины градиента скорости массопотока при его перемешивании с реагентом. Для этого разработана специальная методика оценки флокуляции частиц, основанная на модели истечения жидкости через большое не-затопленное отверстие в горизонтальном дне открытого сосуда [14]. Устройство для моделирования процесса флокуляции представлено на рис. 1. Принятые допущения при физико-химическом моделировании процесса:
— истечение жидкости происходит при постоянном напоре;
— радиус отверстий в перегородках внутри сосуда изменяется, но всегда остается больше чем десятая часть напора;
— давление на входе в сосуд равно дав-
лению на выходе и атмосферному;
— расстояние между перегородками одинаковое по всей длине сосуда;
— расход жидкости Q величина постоянная и равна:
§ = ,
(10)
где Q — расход жидкости, л/с;
р — динамическая вязкость жидкости, кг/мс;
ю — площадь отверстия, м2;
§ — ускорение свободного падения, м/с2; Н — напор, м.
Перегородки
Массопоток взвешенных частиц с реагентом
Рис. 1. Смеситель-хлопьеобразовательдляфизико-химического моделирования процесса флокуляции
Средняя скорость определяется следующим образом:
д
V = — , м/с.
Ю
к =
1
ю
2
її 2 £
, м,
(13)
(11) где ю1 — площадь отверстия,
М'
2.
Потери напора (Ь) при внезапном расширении равны скоростному напору, соответствующему потерянной скорости при
прохождении через отверстие V — V2 )•
к =
2
V
1у
2 £
м,
(12)
где у1 — начальная скорость, м/с; у2 — конечная скорость, м/с.
С учетом неразрывности потока —
V! (Ох = V2 потерн напора предлагается
определять по формуле
ю2 — площадь сечения трубы, м2.
В нашем случае общая потеря напора равна Ьо0щ=Ь т, где т — количество перегородок.
Выражая скорость движения жидкости через расход, получим
V = цюЮ2&Н = цф&М .М/с. (14)
Ю
Подставив значение скорости в формулу общей потери напора, находим:
Кбщ = т
ю,
ю
2 У
м.
(15)
2
1
После преобразования получим
Кбщ = тл2 н
г \ 1
м.
(16)
V 2 У
Значение градиента скорости О, отражающего эффективность перемешивания, находим:
в =
Лу
Аі
£Рк
2Ьл
Я
(17)
где Ь — длина трубы, м;
И — радиус трубы, м; р — плотность суспензии, кг/м3.
После замены величины Ь и соответствующих сокращений получим / Л
в =
грЯтлН
2Ь
1
ю
(18)
2 У
С учетом равенства площади отверстия и площади сечения трубы получим
в =
гртлИ
2Ь
Я
Япг
2
(19)
V У
После замены величины напора Н на сумму напоров между перегородками урав-
2
Я - — Я
(20)
нение для нахождения градиента скорости будет выглядеть следующим образом:
в = — &рцт 21
2Ь \
где § — ускорение свободного падения, 9,8
м/с2;
р — плотность суспензии, 1100кг/м3; р — динамическая вязкость суспензии, 1,5 кг/м с;
1 — расстояние между перегородками, м; Ь — длина трубы, 0,6 м.
Величины В, г, т и 1 являются переменными.
С использованием предложенного критерия в дальнейшем оценивалась эффективность флокуляции взвешенных частиц по скорости осаждения сформированных флокул и чистоте осветленного слива.
Экспериментально полученные зависимости скорости осаждения флокул от градиента скорости и прозрачности слива от градиента скорости представлены на рис. 2,3, из которых следует, что максимум скорости осаждения частиц наблюдается при градиенте, равном 75...85 с"1.
ч
в
!=
О
С
С
Е-
С
С
&
о
я
и
я
с
ч
*
£
ЕЕ
И
м
с
о
а
о
о
«
с
Градиент скорости, с"1
Рис. 2. Графикзависимости скорости осаждения флокул отградиента скорости при количестве перегородок:
а—16;б —10; в — 6
м
а
ч
с
с
X
X
с
4 н с X
ZJ
с
Е-
С
Щ
5
6 со С & С
100
80
a
60
40 у
6
-/ в
20 /- -/ -
0
0 20 40 60 80 100
Градиент скорости, с"1
Рис. 3. Графикзависимости прозрачности осветленного слива от градиента скорости при количестве перегородок:
а — 16;б—10;в — 6
Поэтому для эффективной флокуляции взвешенных частиц в транспортирующем
потоке необходимо поддерживать градиент скорости в пределах значений 70...90С"1.
Литература
1. Небера В.П. Флокуляция минеральных суспензий. — М.: Недра, 1983. — 288 с.
2. Борц М.А., Гуиало Ю.П. Обезвоживание хвостов флотации угольных шламов. — М.: Недра, 1972. — С. 144.
3. Мязин В.П. Физико-химические методы интенсификации процессов первичной переработки и водоподготовки при переработке труднообогатимых золотосодержащих песков: дис. ... д-ра. техн. наук 25.00.13. — Чита, 1987. — 478 с.
4. Матвеев А.А., Волкова В.М. Повышение эффективности очистки промышленных стоков приразработкероссыпей. — М.: Недра, 1981. — 136 с.
5. Левич В.Г. Физико-химическаягидродинамика. — М.: Физматгиз, 1959.
6. Tolman, L.S. Water Conditioning by Flocculation // J. AWWA. - 1942.-V. 34. - 404 p.
7. Haney P.D. Principles of Flocculation Related to Water Treatment // Proceedings of American Society of Civil Engineers: Hydraulics div. — 1956. — 82: HY 4. — 1036 p.
8. Рекомендации по технологии обработки речных вод с применением аэрирования на водо-проводныхочистныхсооружениях. — М.: ВОДГЕО, 1975.
9. Camp T.R. Flocculation and Flocculation Basins // Proceedings of American Society of Civil Engineers. — 1953. — 283 p.
10. Hudson H.E. Physical Aspects of Flocculation // J. AWWA. - 1965. -№7.- P. 885-892.
11. Harris H.S., Kaufman W.J., Krone R.B. Orthokinetic Flocculation in Water Purification // J. SED, ASCE. - 1966. - V. 92. № SA-6. - P. 95.
12. Souser J., Sindelar J. The use of a Dimensionless Criction in the Characterization of Flocculation // Praha-Podbaba, Vyzkumnyustavvodohospodarskyprace astudie, sesit 119, — 1967. — 102 p.
13. Мязин В.П. Повышение эффективности переработки глинистых золотосодержащих песков: учеб. пособ. — Чита: ЧитПИ, 1995. — 108 с.
14. Сапожников С.Ю. Повышение эффективности флокуляции взвешенныхглинистыхчас-тиц, накапливаемых в технологической воде при оборотном водоснабжении драг: дис. ... канд. техн. наук 25.00.13. — Чита, 2006. — 115 с.
Коротко об авторе________________________________________________Briefly about the author
Сапожников С.Ю., канд, техн. наук, Читинский S. Sapozhnikov, Candidate of Technical Sciences,
государственныйуниверситет (ЧитГУ) Chita State University
Научные интересы: экология горного производс- Scientific interests: ecology of mining during produc-тва при добыче и переработке минерального сырья tion and processing of mineral raw materials
