Седиментация (очистка воды)

Физический процесс седиментации ( акт осаждения осадка ) находит применение в очистке воды , при котором сила тяжести удаляет взвешенные твердые частицы из воды. ^{[ 1 ]} Твердые частицы, увлекаемые турбулентностью движущейся воды, могут быть удалены естественным путем путем осаждения в стоячей воде озер и океанов. Отстойники — это пруды, построенные с целью удаления унесенных твердых частиц путем осаждения. ^{[ 2 ]} Осветлители представляют собой резервуары с механическими средствами для непрерывного удаления твердых частиц, осаждающихся в результате осаждения; ^{[ 3 ]} однако осветление не удаляет растворенные твердые вещества . ^{[ 4 ]}

Основы

Взвешенные вещества (или SS) — это масса сухих веществ, удерживаемых фильтром заданной пористости , отнесенная к объему пробы воды. Сюда входят частицы размером 10 мкм и более.

Коллоиды представляют собой частицы размером от 1 нм (0,001 мкм) до 1 мкм в зависимости от метода количественного определения. Из-за броуновского движения и электростатических сил, уравновешивающих гравитацию, они вряд ли стабилизируются естественным путем.

Предельная скорость осаждения частицы — это ее теоретическая скорость опускания в чистой и стоячей воде. В теории процесса осаждения частица оседает только в том случае, если:

В вертикально восходящем потоке скорость восходящей воды ниже предельной скорости седиментации.
При продольном течении отношение длины резервуара к высоте резервуара больше, чем отношение скорости воды к предельной скорости седиментации.

Удаление взвешенных частиц путем седиментации зависит от размера, зета-потенциала и удельного веса этих частиц. Взвешенные твердые частицы, задержанные на фильтре, могут оставаться во взвешенном состоянии, если их удельный вес аналогичен воде, тогда как очень плотные частицы, проходящие через фильтр, могут оседать. Осаждаемые твердые вещества измеряются как видимый объем, накопленный на дне конуса Имгоффа после того, как вода отстоялась в течение одного часа. ^{[ 5 ]}

Используется теория гравитации, а также вывод из второго закона Ньютона и уравнений Навье-Стокса .

Закон Стокса объясняет взаимосвязь между скоростью осаждения и диаметром частиц. В определенных условиях скорость осаждения частиц прямо пропорциональна квадрату диаметра частиц и обратно пропорциональна вязкости жидкости. ^{[ 6 ]}

Скорость осаждения, определяемая как время пребывания частиц в резервуаре, позволяет рассчитать объем резервуара. Точная конструкция и эксплуатация отстойника имеют большое значение для поддержания минимального порога количества осадков, поступающих в отводную систему, путем поддержания транспортной системы и стабильности потока для удаления отложений, отводимых из системы. Это достигается за счет снижения скорости потока до минимально возможного уровня в течение максимально длительного периода времени. Это возможно за счет расширения подходного канала и понижения его дна, чтобы уменьшить скорость потока, что позволит отложениям оседать из взвеси под действием силы тяжести. Турбулентность также влияет на осаждение более тяжелых частиц. ^{[ 7 ]}

Дизайны

Рисунок 1. Различные конструкции отстойников

Хотя осаждение может происходить в резервуарах другой формы, удаление скопившихся твердых частиц проще всего производить с помощью конвейерных лент в прямоугольных резервуарах или с помощью скребков, вращающихся вокруг центральной оси круглых резервуаров. ^{[ 8 ]} Отстойники и отстойники должны проектироваться с учетом скорости осаждения (v _s ) мельчайших частиц, которые теоретически удаляются на 100%. Скорость переполнения определяется как: ^{[ нужна ссылка ]}

Скорость перелива (v _o ) = расход воды (Q (м ³/с)) /(Площадь поверхности отстойника (A(м ²))

Во многих странах эта величина называется поверхностной нагрузкой в м. ³/ч на м ². Скорость перелива часто используется для обозначения потока через край (например, плотину) в единицах измерения м. ³/ч на м.

Единицей скорости перелива обычно являются метры (или футы) в секунду, то есть скорость. Любая частица со скоростью осаждения ( v _s ), превышающей скорость перелива, будет оседать, в то время как другие частицы будут оседать в соотношении v _s / v _o . Существуют рекомендации по скоростям перелива для каждой конструкции, которые идеально учитывают изменение размера частиц по мере продвижения твердых частиц в ходе операции:

Зоны покоя: 9,4 мм (0,031 фута) в секунду
Полнопоточные бассейны: 4,0 мм (0,013 фута) в секунду.
Автономные бассейны: 0,46 мм (0,0015 футов) в секунду. ^{[ 9 ]}

Однако такие факторы, как скачки потока, сдвиг ветра, размыв и турбулентность, снижают эффективность осаждения. Чтобы компенсировать эти далеко не идеальные условия, рекомендуется удвоить площадь, рассчитанную по предыдущему уравнению. ^{[ 9 ]} Также важно выровнять распределение стока в каждой точке сечения бассейна. Плохая конструкция впускных и выпускных отверстий может привести к крайне плохим характеристикам потока для осаждения. ^{[ нужна ссылка ]}

Отстойники и отстойники могут быть выполнены в виде длинных прямоугольников (рис. 1.а), которые гидравлически более стабильны и ими легче управлять при больших объемах. Круглые отстойники (рис. 1.б) работают как обычный сгуститель (без использования граблей) или как резервуары с восходящим потоком (рис. 1.в). ^{[ нужна ссылка ]}

Эффективность осаждения не зависит от глубины резервуара. Если скорость движения достаточно мала, чтобы осажденный материал не снова суспендировался со дна резервуара, площадь по-прежнему остается основным параметром при проектировании отстойника или отстойника, при этом необходимо следить за тем, чтобы глубина не была слишком маленькой. ^{[ нужна ссылка ]}

Оценка основных характеристик процесса

Отстойники и осветлители предназначены для удержания воды, чтобы взвешенные твердые частицы могли оседать. Согласно принципам седиментации, подходящие технологии очистки следует выбирать в зависимости от удельного веса, размера и сопротивления сдвигу частиц. В зависимости от размера и плотности частиц, а также физических свойств твердых тел различают четыре типа процессов седиментации:

Тип 1 – Разбавленный, нефлокулянтный , свободноосаждающийся (каждая частица оседает независимо).
Тип 2 – Разбавленный, хлопьевидный (частицы могут флокулировать при оседании).
Тип 3 – Концентрированные суспензии, зональное осаждение, затрудненное осаждение (сгущение осадка).
Тип 4 – Суспензии концентрированные, компрессионные (сгущение осадка).

Различные факторы контролируют скорость седиментации в каждом из них. ^{[ 10 ]}

Осаждение дискретных частиц

Рисунок 2. Четыре функциональные зоны отстойника непрерывного действия.

Беспрепятственное осаждение — это процесс, который удаляет дискретные частицы в очень низкой концентрации без вмешательства со стороны близлежащих частиц. В общем, если концентрация растворов ниже 500 мг/л общего количества взвешенных веществ, седиментация считается дискретной. ^{[ 11 ]} Концентрация общего количества взвешенных веществ (TSS) в сточных водах каналов на западе обычно составляет менее 5 мг/л нетто. Концентрация TSS в сточных водах автономного отстойника составляет менее 100 мг/л нетто. ^{[ 12 ]} Частицы сохраняют свой размер и форму во время дискретного осаждения с независимой скоростью. При таких низких концентрациях взвешенных частиц вероятность столкновения частиц очень мала и, следовательно, скорость флокуляции достаточно мала, чтобы ею можно было пренебречь в большинстве расчетов. Таким образом, площадь поверхности отстойника становится основным фактором скорости седиментации. Все отстойники непрерывного действия разделены на четыре части: входную зону, зону осаждения, зону ила и зону выхода (рис. 2).

Во входной зоне поток устанавливается в том же прямом направлении. Седиментация происходит в зоне осаждения по мере движения воды к выходной зоне. Осветленная жидкость затем вытекает из выпускной зоны. Зона ила: здесь будет собираться осадок, и обычно мы предполагаем, что он удаляется из потока воды, как только частицы достигают зоны ила. ^{[ 9 ]}

В идеальном прямоугольном отстойнике в зоне осаждения критическая частица попадает в верхнюю часть зоны осаждения, и скорость осаждения будет наименьшей величиной, необходимой для достижения зоны осадка, а в конце зоны выхода составляющая скорости этой критической частицы являются скорости осаждения в вертикальном направлении (v _s ) и в горизонтальном направлении (v _h ).

На рисунке 1 указано время, необходимое частице для осаждения;

t _o =H/v _h =L/v _с (3)

Поскольку площадь поверхности резервуара равна WL, а v _s = Q/WL, v _h = Q/WH, где Q — скорость потока, а W, L, H — ширина, длина, глубина резервуара.

Согласно уравнению 1, это также основной фактор, который может контролировать производительность отстойника, который называется скоростью перелива. ^{[ 13 ]}

уравнение 2 также показывает, что глубина отстойника не зависит от эффективности седиментации, только если скорость движения достаточно мала, чтобы гарантировать, что осевшая масса не будет снова взвешена со дна резервуара.

Осаждение хлопьевидных частиц

В горизонтальном отстойнике некоторые частицы могут не следовать диагональной линии на рис. 1, но по мере роста оседать быстрее. Это говорит о том, что частицы могут расти и развивать более высокую скорость осаждения при большей глубине и более длительном времени удерживания. Однако вероятность столкновения была бы еще выше, если бы то же время удерживания было распределено по более длинному и мелкому резервуару. Фактически, чтобы избежать гидравлического короткого замыкания, резервуары обычно делают глубиной 3–6 м со временем выдержки несколько часов.

Поведение при стабилизации зоны

По мере увеличения концентрации частиц в суспензии достигается точка, в которой частицы оказываются настолько близко друг к другу, что они больше не оседают независимо друг от друга, и поля скоростей жидкости, вытесняемой соседними частицами, перекрываются. Существует также чистый восходящий поток жидкости, вытесняемый оседающими частицами. Это приводит к снижению скорости осаждения частиц, и этот эффект известен как затрудненное осаждение.

Существует распространенный случай затрудненного урегулирования. вся суспензия имеет тенденцию осаждаться как «одеяло» из-за чрезвычайно высокой концентрации частиц. Это известно как зональное осаждение, поскольку легко отличить несколько разных зон, разделенных разрывами концентрации. На рис. 3 представлены типичные испытания периодической колонны-отстойника на суспензии, демонстрирующей характеристики зонного осаждения. В верхней части колонны будет образована четкая граница раздела для отделения массы оседающего ила от осветленного супернатанта, при этом такая суспензия будет оставаться в отстойной колонне. Когда подвеска стабилизируется, этот интерфейс будет двигаться вниз с той же скоростью. В то же время вблизи дна между этой осевшей подвеской и подвешенным одеялом имеется граница раздела. После завершения стабилизации приостановки нижний интерфейс переместится вверх и встретится с верхним интерфейсом, который движется вниз.

Компрессионное урегулирование

Рисунок 3: Типичное испытание колонны периодического осаждения суспензии, демонстрирующей характеристики зонного осаждения.

Частицы осадка могут контактировать друг с другом и возникать при приближении к дну отстойников при очень высокой концентрации частиц. Таким образом, дальнейшее осаждение будет происходить только в корректирующей матрице по мере уменьшения скорости седиментации. Это можно проиллюстрировать нижней частью диаграммы зональной стабилизации (рис. 3). В зоне сжатия осевшие твердые частицы сжимаются под действием силы тяжести (веса твердых частиц), так как осевшие твердые частицы сжимаются под весом вышележащих твердых частиц, а вода выдавливается, а пространство становится меньше.

Приложения

Очистка питьевой воды

Седиментация при очистке питьевой воды обычно следует за этапом химической коагуляции и флокуляции , что позволяет группировать частицы в хлопья большего размера. Это увеличивает скорость осаждения взвешенных веществ и позволяет осаждаться коллоидам.

Очистка сточных вод

Седиментация использовалась для очистки сточных вод на протяжении тысячелетий. ^{[ 14 ]}

Первичная очистка сточных вод заключается в удалении плавающих и осаждающихся твердых частиц путем осаждения. ^{[ 15 ]} Первичные осветлители снижают содержание взвешенных веществ, а также загрязняющих веществ, включенных во взвешенные вещества. ^{[ 16 ]}^: 5–9 Из-за большого количества реагента, необходимого для очистки бытовых сточных вод, предварительная химическая коагуляция и флокуляция обычно не используются, а оставшиеся взвешенные вещества уменьшаются на следующих стадиях системы. Однако коагуляцию и флокуляцию можно использовать для построения компактной очистной установки (также называемой «пакетной очистной станцией») или для дальнейшей очистки очищенной воды. ^{[ 17 ]}

Отстойники, называемые «вторичными осветлителями», удаляют хлопья биологического роста, образующиеся при некоторых методах вторичной очистки , включая активный ил , капельные фильтры и вращающиеся биологические контакторы . ^{[ 16 ]}^: 13

См. также

Ссылки

^ Омелия, К. (1998). «Коагуляция и осаждение в озерах, водохранилищах и водоочистных сооружениях». Водные науки и технологии . 37 (2): 129. дои : 10.1016/S0273-1223(98)00018-3 .
^ Голдман, Стивен Дж., Джексон, Кэтрин и Бурштынски, Тарас А. Справочник по контролю за эрозией и отложениями. МакГроу-Хилл (1986). ISBN 0-07-023655-0 . стр. 8.2, 8.12.
^ Хаммер, Марк Дж. Технология воды и сточных вод. Джон Уайли и сыновья (1975). ISBN 0-471-34726-4 . стр. 223–225.
^ Рейнзель, М., Apex Engineering. «Промышленная очистка воды от неорганических загрязнений: процессы физической очистки» « Вода онлайн»; По состоянию на 15 октября 2018 г.
^ Фрэнсон, Мэри Энн. Стандартные методы исследования воды и сточных вод. 14-е изд. (1975) APHA, AWWA и WPCF. ISBN 0-87553-078-8 . стр. 89–98
^ Beatop (Zhuhai) Instruments Ltd., Чжухай, Китай. «Технология и применение измерения размера частиц седиментации». Архивировано 29 октября 2013 г. на Wayback Machine, по состоянию на 13 октября 2013 г.
^ Боэриу, П., Рулвинк, Дж. А., Симанджунтак, Т. Д., «Рассмотрение процесса седиментации в отстойнике». Дж. Гидрол. Гидромехан. 2009, стр. 16-25.
^ Меткалф и Эдди. Канализационная инженерия. МакГроу-Хилл (1972). стр. 449–453.
^ Jump up to: ^а ^б ^с Западный региональный центр аквакультуры Вашингтонского университета. Сиэтл, Вашингтон (2001). «Проектирование отстойника». Публикация WRAC № 106.
^ Министерство окружающей среды, земель и парков Британской Колумбии. (1997): Руководство по оценке конструкции, размера и эксплуатации отстойников, используемых в горнодобывающей промышленности; Отделение по предотвращению загрязнения.
^ Департамент планирования и местного самоуправления, Аделаида, Австралия (2010). «Городской дизайн, чувствительный к воде». Техническое руководство для региона Большой Аделаиды. Правительство Южной Австралии, Аделаида.
^ Совет по канализации и водоснабжению Нового Орлеана, Луизиана (2013). «Процесс очистки воды на заводе в Кэрроллтоне». По состоянию на 14 октября 2013 г.
^ «Проектирование отстойника». Конспекты лекций из программы Waste & Wastewater Engineering 2006, Национальная программа по расширенному технологическому обучению, Ченнаи, Индия. По состоянию на 14 октября 2013 г.
^ Чатзакис, МК, Лиринцис, А.Г., Мара, Д.Д. и Ангелакис, АН (2006). «Отстойники сквозь века». Материалы 1-го Международного симпозиума IWA по технологиям водоснабжения и водоотведения в древних цивилизациях, Ираклион, Греция, 28–30 октября 2006 г., стр. 757–762.
^ Steel, EW и МакГи, Теренс Дж. Водоснабжение и канализация. (5-е изд.) МакГроу-Хилл (1979). ISBN 0-07-060929-2 . стр. 469–475
^ Jump up to: ^а ^б Агентство по охране окружающей среды США (EPA). Вашингтон, округ Колумбия (2004). «Грунтовка для муниципальных систем очистки сточных вод». Номер документа. ЭПА 832-Р-04-001.
^ Агентство по охране окружающей среды. Вашингтон, округ Колумбия (2000). «Упаковочные заводы». Информационный бюллетень по технологиям очистки сточных вод. Номер документа. EPA 832-F-00-016.

Библиография

Вебер, Уолтер Дж. Младший. Физико-химические процессы контроля качества воды. Джон Уайли и сыновья (1972). ISBN 0-471-92435-0 .

[j1-1] Омелия, К. (1998). «Коагуляция и осаждение в озерах, водохранилищах и водоочистных сооружениях». Водные науки и технологии . 37 (2): 129. дои : 10.1016/S0273-1223(98)00018-3 .

[b1-2] Голдман, Стивен Дж., Джексон, Кэтрин и Бурштынски, Тарас А. Справочник по контролю за эрозией и отложениями. МакГроу-Хилл (1986). ISBN 0-07-023655-0 . стр. 8.2, 8.12.

[b2-3] Хаммер, Марк Дж. Технология воды и сточных вод. Джон Уайли и сыновья (1975). ISBN 0-471-34726-4 . стр. 223–225.

[b3-4] Рейнзель, М., Apex Engineering. «Промышленная очистка воды от неорганических загрязнений: процессы физической очистки» « Вода онлайн»; По состоянию на 15 октября 2018 г.

[Franson-5] Фрэнсон, Мэри Энн. Стандартные методы исследования воды и сточных вод. 14-е изд. (1975) APHA, AWWA и WPCF. ISBN 0-87553-078-8 . стр. 89–98

[seven-6] Beatop (Zhuhai) Instruments Ltd., Чжухай, Китай. «Технология и применение измерения размера частиц седиментации». Архивировано 29 октября 2013 г. на Wayback Machine, по состоянию на 13 октября 2013 г.

[eight-7] Боэриу, П., Рулвинк, Дж. А., Симанджунтак, Т. Д., «Рассмотрение процесса седиментации в отстойнике». Дж. Гидрол. Гидромехан. 2009, стр. 16-25.

[Metcalf-8] Меткалф и Эдди. Канализационная инженерия. МакГроу-Хилл (1972). стр. 449–453.

[two-9] Jump up to: ^а ^б ^с Западный региональный центр аквакультуры Вашингтонского университета. Сиэтл, Вашингтон (2001). «Проектирование отстойника». Публикация WRAC № 106.

[seventeen-10] Министерство окружающей среды, земель и парков Британской Колумбии. (1997): Руководство по оценке конструкции, размера и эксплуатации отстойников, используемых в горнодобывающей промышленности; Отделение по предотвращению загрязнения.

[eighteen-11] Департамент планирования и местного самоуправления, Аделаида, Австралия (2010). «Городской дизайн, чувствительный к воде». Техническое руководство для региона Большой Аделаиды. Правительство Южной Австралии, Аделаида.

[nineteen-12] Совет по канализации и водоснабжению Нового Орлеана, Луизиана (2013). «Процесс очистки воды на заводе в Кэрроллтоне». По состоянию на 14 октября 2013 г.

[twenty-13] «Проектирование отстойника». Конспекты лекций из программы Waste & Wastewater Engineering 2006, Национальная программа по расширенному технологическому обучению, Ченнаи, Индия. По состоянию на 14 октября 2013 г.

[14] Чатзакис, МК, Лиринцис, А.Г., Мара, Д.Д. и Ангелакис, АН (2006). «Отстойники сквозь века». Материалы 1-го Международного симпозиума IWA по технологиям водоснабжения и водоотведения в древних цивилизациях, Ираклион, Греция, 28–30 октября 2006 г., стр. 757–762.

[Steel-15] Steel, EW и МакГи, Теренс Дж. Водоснабжение и канализация. (5-е изд.) МакГроу-Хилл (1979). ISBN 0-07-060929-2 . стр. 469–475

[EPA_Primer-16] Jump up to: ^а ^б Агентство по охране окружающей среды США (EPA). Вашингтон, округ Колумбия (2004). «Грунтовка для муниципальных систем очистки сточных вод». Номер документа. ЭПА 832-Р-04-001.

[EPA_Package-17] Агентство по охране окружающей среды. Вашингтон, округ Колумбия (2000). «Упаковочные заводы». Информационный бюллетень по технологиям очистки сточных вод. Номер документа. EPA 832-F-00-016.

[ 1 ]

[ 2 ]

[ 3 ]

[ 4 ]

[ 5 ]

[ 6 ]

[ 7 ]

[ 8 ]

[ 9 ]

[ 10 ]

[ 11 ]

[ 12 ]

[ 13 ]

[ 14 ]

[ 15 ]

[ 16 ]

[ 17 ]

v т и Процессы разделения
Процессы	Поглощение Кислотно-щелочная экстракция Адсорбция Хроматография Поперечная фильтрация Кристаллизация Циклоническая сепарация Декантация Диализ Флотация растворенным воздухом Дистилляция Сушка Электрохроматография Электрофильтрация Добыча Фильтрация Флокуляция Пенная флотация Гравитационное разделение выщелачивание Жидкостно-жидкостная экстракция Электроэкстракция Микрофильтрация Осмос Осадки Рекристаллизация Обратный осмос Седиментация Твердофазная экстракция Сублимация Ультрафильтрация
Устройства	Сепаратор нефти и воды API Ленточный фильтр Центрифуга Фильтр глубины Электрофильтр Испаритель Фильтр-пресс Фракционирующая колонна Фильтрат Миксер-отстойник Белковый скиммер Быстрый песочный фильтр Роторный вакуумно-барабанный фильтр Скруббер Вращающийся конус Все еще Сублимационный аппарат Вакуумный керамический фильтр
Многофазный системы	Водная двухфазная система Азеотроп эвтектический
Концепции	Работа агрегата

v т и Сточные воды
Источники и виды	Кислотный дренаж шахт Балластная вода Ванная комната Блэкуотер (уголь) Блэкуотер (отходы) Продувка котла Рассол Комбинированная канализация Градирня Охлаждающая вода Фекальный осадок серая вода Проникновение/приток Промышленные сточные воды Ионный обмен Фильтрат Навоз Производство бумаги Пластовая вода Обратный поток Обратный осмос Сантехническая канализация Септаж Сточные воды Осадок сточных вод Туалет Городской сток
Показатели качества	Адсорбируемые органические галогениды Биохимическая потребность в кислороде Химическая потребность в кислороде Колиформный индекс Насыщение кислородом Тяжелые металлы рН Соленость Температура Общее количество растворенных твердых веществ Всего взвешенных веществ Мутность Надзор за сточными водами
Варианты лечения	Активный ил Газированная лагуна Очистка сельскохозяйственных сточных вод Сепаратор нефти и воды API Угольная фильтрация Хлорирование Осветлитель Построенные водно-болотные угодья Децентрализованная система сточных вод Расширенная аэрация Факультативная лагуна Управление фекальным осадком Фильтрация Танк Имхоффа Очистка промышленных сточных вод Ионный обмен Мембранный биореактор Обратный осмос Вращающийся биологический контактор Вторичное лечение Седиментация Септик Отстойник Очистка осадка сточных вод Очистка сточных вод Канализационная добыча Стабилизационный пруд Капельный фильтр Ультрафиолетовое бактерицидное облучение УАСБ Вермифильтр Станция очистки сточных вод
Варианты утилизации	Комбинированная канализация Испарительный пруд Пополнение подземных вод Инфильтрационный бассейн Нагнетательная скважина Орошение Морской сброс Морской водосток Восстановленная вода Сантехническая канализация Поле септика Канализационная ферма Ливневая канализация Поверхностный сток Вакуумная канализация
Категория: Канализация