2015-06-10
2784
Пример 4.1. Определить размеры вертикального смесителя при следующих исходных данных: расход сточных вод Q = = 200 м3/ч; продолжительность пребывания сточных вод в смесителе t см = 2 мин.
Решение. Принимаем смеситель круглой формы в плане (см. рис. 4.3) с углом конусности конической части 
= 40o и скоростью восходящего потока в цилиндрической части смесителя υ ц = 90 м/ч.
Определим площадь поперечного сечения цилиндрической части смесителя F ц , м2, и ее диаметр D ц , м:
;
.
Диаметр входного отверстия смесителя принимаем равным диаметру подводящего трубопровода d п, который назначают исходя из скорости движения сточной жидкости υ п = 1…1,2 м/с; при υ п = 1,1 м/с, d п = 253 мм.
Рассчитываем высоту конической части смесителя h к , м, при угле конусности = 40о и ее вместимость V к , м3:
;
Определив полную вместимость смесителя, м3:
V см = Qt см /60 = 200 · 2/60 = 6,7,
находим объем цилиндрической части смесителя V ц , м3, и ее высоту h ц , м:
V ц = V см – V к = 6,7 – 1,67 = 5,03;
h ц = V ц / F ц = 5,03/2,2 = 2,28.
Общая высота смесителя, м:
Н см = h к + h ц = 1,95 + 2,28 = 4,23.
Сбор воды производится в верхней части при скорости движения воды через отверстия υ отв = 1 м/с.
Определим число отверстий n отв при диаметре отверстия d отв = 80 мм:
,
где F отв и f отв – площади соответственно всех и одного отверстий, м2.
Расстояния между отверстиями (по осям), м:
l отв = π D ц / n отв = 3,14 · 1,67/11 = 0,475.
Скорость движения воды в периферийном лотке υ л = = 0,5…0,8 м/с, а уклон дна лотка i = 0,02.
Пример 4.2. Рассчитать водоворотную камеру хлопьеобразования, совмещенную с вертикальным отстойником при следующих исходных данных: расход сточных вод Q = 13000 м3/сут; максимальный расход q мах = 810 м3/ч; средний расход q cp = 540 м3/ч.
Решение. Принимаем число водоворотных камер хлопьеобразования, совмещенных с вертикальными отстойниками, n к.х = 4 (рис. 4.34) и определяем площадь, м2:
f к.х = q мах t к.х /(60 Н к.х n к.х) = 810 · 7,5/(60 · 3,6 · 4) = 7,03,
где t k.x = 5…10 мин – продолжительность пребывания сточных вод в камере; Н к.х = 3,6…4 м – высота камеры.
Далее вычисляем диаметр одной камеры, м:
.
| Рис. 4.34. Водоворотная камера хлопьеобразования, совмещенная с вертикальным отстойником: 1 – подача сточных вод; 2 – выпускные сопла; 3 – встроенная водоворотная камера хлопьеобразования; 4 – успокоительные решетки; 5 – зона осаждения отстойника; 6 – выпуск обработанных сточных вод; 7 – осадочная зона; 8 – выпуск осадка |  |
Воду в камеру подают с помощью неподвижного сегнерова колеса, выполненного в виде двух изогнутых отрезков трубы. Выпускают воду из сопла тангенциально по отношению к поверхности стенки камеры. Сопло размещается на расстоянии 0,2 d к.x = 0,2 ∙ 3 = 0,6 м от стенки камеры на глубине 0,5 м от поверхности воды. Диаметр сопла, м:
,
где 
– максимальный расход сточных вод на одно сопло, м3/с; μ = 0,908 – коэффициент расхода для конически сходящегося насадка с углом конусности β = 25о; υ с – скорость выхода воды их сопла, м/с (принимается равной 2-3 м/с).
Диаметр подводящего трубопровода рассчитываем из условия скорости движения сточной воды υ п = 0,8…1 м/с. В нижней части камеры хлопьеобразования устанавливаем успокоительную решетку для гашения вращательного движения воды.
Вместимость зоны осаждения отстойника при продолжительности пребывания обрабатываемой сточной воды в зоне осаждения t oc = 1 ч, м3:
.
Высоту зоны осаждения принимаем равной, м: Н ос = Н к.х + + 0,5 = 3,6 + 0,5 = 4,1. Диаметр отстойника, м:
.
Принимаем четыре вертикальных отстойника диаметром 9 м каждый со встроенными водоворотными камерами хлопьеобразования диаметром 3 м.
Пример 4.3. Рассчитать осветлитель коридорного типа с вертикальным осадкоуплотнителем при следующих исходных данных: расход производственных сточных вод, поступающих на осветлитель, Q = 1500 м3/ч; сточные воды обрабатываются сульфатом алюминия и полиакриламидом; концентрация взвешенных веществ в сточной воде, поступающей в осветлитель, С н = 2000 г/м3, концентрация взвешенных веществ после осветления С к = 10 г/м3.
Решение. Определяем расход сточных вод, выходящих из осветлителя, м3/ч:
,
где С шл – концентрация взвешенных веществ в шламе осадкоуплотнителя после уплотнения в течение времени между продувками осветлителя (не менее 3-6 ч), г/м3 (определяется по табл. 4.14); при С н = 2000 г/м3 и t упл = 4 ч значение С шл = 31000 г/м3.
Таблица 4.14
Параметры для расчета осветлителей со взвешенным слоем осадка
| С н , г/м3 | uрасч , м/ч | Сшл , г/м3, при t упл , ч | K p | ||
| 100-400 400-1000 1000-2500 | 2,8-3,6 3,6-4,0 4,0-4,3 | 0,75-0,7 0,7-0,65 0,65-0,6 |
Площадь осветлителей, м2:
,
где F з.о и F упл – соответственно площадь зоны осветления и осадкоуплотнителя, м2; υ расч – расчетная скорость восходящего потока сточной воды в зоне осветления, м/ч (определяется по табл. 3.15); φ = 1,15…1,2 – коэффициент подсоса осветленной воды в осадкоуплотнитель; K р – коэффициент распределения воды между зоной осветления воды и осадкоуплотнителем (определяется по табл. 3.14).
Поскольку площадь одного осветлителя не должна превышать 100-150 м2, принимаем четыре осветлителя, каждый площадью 
= 96 м2 (в том числе площадь зоны осветления 
= = 60 м2, а площадь осадкоуплотнителя 
= 36 м2).
Ширина каждого коридора осветлителя А осв = 3 м, ширина осадкоуплотнителя А упл = 3,6 м (рис. 4.35). Длину коридоров принимаем равной 10 м. Высота слоя h 1, где наблюдается превышение расчетной скорости восходящего потока, обычно равна 0,5…1 м; рекомендуемая высота слоя взвешенного осадка h 2 = = 2…2,5 м; высота слоя осветления h 3 = 1,5…2 м.
 | Рис. 4.35. Осветлитель коридорного типа с вертикальным осадкоуплотнителем: 1 – подача сточных вод; 2 – дырчатые водораспределительные трубы; 3 – зона взвешенного осадка; 4 – зона осветления; 5 – сборные желоба; 6 – отвод осветленной сточной воды; 7 – осадкоприемные окна с защитными козырьками; 8 – осадкоуплотнитель; 9 – дырчатые трубы, отводящие осветленную сточную воду; 10 – дырчатые осадкоотводящие трубы; 11 – отвод уплотненного осадка |
В данном случае h 1 = 1 м; h 2 = 2,5 м и h 3 = 2 м. Тогда общая высота осветлителя, м:
Н осв = h 1 + h 2 + h 3 = 1 + 2,5 + 2 = 5,5.
Площадь осадкоприемных окон в одном осветлителе, м2:
,
где υ ок – скорость движения сточной воды с осадком в осадкоприемных окнах (обычно принимается 36-54 м/ч).
Высота окон h ок = 0,3 м. Тогда общая их длина с каждой стороны осадкоуплотнителя, м:
.
Устраиваем с каждой стороны осадкоуплотнителя по горизонтали 10 окон для приема избыточного осадка размером каждое 0,3×0,66 м. Нижняя кромка осадкоприемных окон располагается на высоте h 4 = 1,5…1,75 м выше перехода стенок осветлителя из наклонных в вертикальные. Принимаем h 4 = 1,75 м.
Определим вместимость зоны уплотнения осадка V упл , м3 (части объема осадкоуплотнителя, которая расположена на 0,5 м ниже кромки осадкоприемных окон). По конструктивным размерам объем зоны уплотнения одного осветлителя V упл = 99 м3.
;
.
Условие соблюдается, следовательно, осветлитель подобран правильно.
Пример 4.4. Определить эффект очистки сточных вод на одно-, двух- и четырехступенчатой сорбционной установке при следующих исходных данных: расход сточных вод Q = 15 м3/ч; адсорбционная константа распределения сорбата между сорбентом и раствором K адс = 8000; начальная концентрация сорбата в растворе С н = 0,35 кг/м3; доза сорбента С с = 1,3 кг/м3.
Решение. Определим расход сорбента при одноступенчатой сорбционной очистке, кг/ч:
т 1 = С с Q = 1,3 · 15 = 19,5.
Рассчитаем концентрацию сорбата в сточных водах после одноступенчатой сорбционной очистки, мг/л:
= 31.
Расход сорбента на каждой ступени при двухступенчатой и четырехступенчатой очистке, кг/ч:
т 2 = т 1 / п = 19,5/2 = 9,75;
т 4 = т 1 / п = 19,5/4 = 4,88,
где n – число ступеней в сорбционной установке.
Концентрации сорбата С 2 и С 4 соответственно после двух- и четырехступенчатой очистки составят, мг/л:
= 0,0091 = 9,1;
0,0021 =2,1.
Определим эффект очистки сточных вод соответственно на одно-, двух- и четырехступенчатой сорбционной установке, %:
Э1 = (С н – С 1)100/ С н = (350 – 31)100/350 = 91,1;
Э2 = (С н – С 2)100/ С н = (350 – 9,1)100/350 = 97,4;
Э4 = (С н – С 4)100/ С н = (350 – 2,1)100/350 = 99,4.
Пример 4.5. Определить продолжительность защитного действия фильтра при очистке фенолсодержащих сточных вод и количество задерживаемого фенола при следующих исходных данных: начальная концентрация фенола в сточной воде С н = = 3500 мг/л; скорость фильтрации υ = 2,2 м/ч; коэффициент защитного действия фильтра K з.д = 22,5; потеря времени защитного действия τ = 6,5 ч; динамическая активность сорбента (активированный уголь) а д = 175 кг/м3.
Решение. Принимаем насыпные фильтры высотой Н = 1 м, площадь фильтрации F = 4 м2 и эмпирической константой h = = 0,3. Тогда продолжительность защитного действия фильтра, ч:
t з.д = K з.д Н – τ = 22,5 · 1 – 6,5 = 16.
Количество фенола, сорбируемого фильтром за этот период, кг:
M = (H – h) Fa д = (1 – 0,3) 4 ∙ 175 = 490.
Пример 4.6. Рассчитать пневматическую флотационную установку при следующих исходных данных: расход сточных вод Q = 400 м3/ч; время флотации t ф = 15 мин; коэффициент аэрации K аэр = 0,25.
Решение. Вместимость флотатора, м3:
V ф = Q t ф /[60(1 – K аэр)] = 400 ∙ 15/[60(1 – 0,25)] = 133,3.
Рабочая глубина флотатора Н ф = 3 м; тогда его площадь, м2:
F ф = V ф / Н ф = 133,3/3 = 44,4.
Принимаем интенсивность аэрации I = 20 м3/(м2 ∙ ч), тогда требуемый расход воздуха, м3/ч:
Q в = IF ф = 20 ∙ 44,4 = 888.
Принимаем два флотатора шириной В ф = 3 м и длиной l ф = = 7,5 м каждый.
По дну флотаторов поперек секций располагаем воздухораспределительные трубы на расстоянии l тр = 0,25 м друг от друга; общее число труб в каждом флотаторе:
n тр = l ф / l тр = 7,5/0,25 = 30.
Определим общее число сопел n с, приняв скорость выхода струи воды из них υ с = 100 м/с, а диаметр отверстия сопла d с = 1 мм, т.е. площадь отверстия каждого сопла f с = 0,000000785 м2:
n с = Q в /(3600 f с υ с) = 888/(3600 ∙ 0,000000785 ∙ 100) = 3142.
Число сопел на каждой воздухораспределительной трубе 
и расстояние между ними l с находим по формулам, м:
.
Рабочее давление перед соплами принимаем равным 0,5 МПа.
Пример 4.7. Рассчитать импеллерную флотационную установку для предварительной очистки сточных вод меховой фабрики, содержащих поверхностно-активные вещества и жиры, при расходе сточных вод Q = 2700 м3/сут.
Решение. Флотационные камеры принимаем квадратными в плане со стороной квадрата l = 6 d и (d и = 0,2…0,75 м – диаметр импеллера). Принимаем d и = 0,5 м, тогда l = 6 ∙ 0,5 = 3 м. Рабочая вместимость камеры
V ф = h ф · l 2,
где h ф – рабочая высота флотационной камеры (обычно 1,5…3 м);
h ф = Н ст /ρф.ж,
где ρф.ж – плотность флотируемой жидкости (водно-воздушной смеси), ρф.ж = 0,67ρж, т/м3; Н ст – статический уровень сточной воды в камере (до флотации), м:
.
Здесь φ = 0,2…0,3 – коэффициент напора; υ и – окружная скорость вращения импеллера, равная 12-15 м/с.
Тогда высота камеры, м:
h ф = 1,8/(0,67 ∙ 1) = 2,7;
вместимость камеры, м3:
V ф = 2,7 ∙ 32 = 24,3.
Число флотационных камер:
где t ф = 20…30 мин – продолжительность флотации; K аэр= 0,35 – коэффициент аэрации.
Принимаем импеллерную флотационную установку, состоящую из трех флотационных камер.
Пример 4.8. Рассчитать ионообменную установку для обезвреживания сточных вод гальванического цеха после их предварительной механической очистки при следующих исходных данных: расход сточных вод Q = 1200 м3/сут; поступление сточных вод на установку равномерное; ионный состав сточных вод приведен в табл. 4.15.
Решение. В качестве первой ступени ионообменной установки принимаем Н-катионитовые фильтры, загруженные сильнокислотным катионитом КУ-2.
Объем катионита определяется по формуле
V к = K с.н Q пол Σ [ K ]/(n фц Е раб.к ),
где K с.н = 1,1…1,35 – коэффициент для учета расхода воды на собственные нужды установки; Q пол – полезный расход обезвреженной сточной воды, м3/сут; n фц – число фильтроциклов в 1 сут.; Е раб.к – рабочая обменная емкость катионита, моль/м3:
Е раб.к = K э.р K обм Е пол.к – 0,5 q Σ [ K ].
Здесь K э.рег – коэффициент эффективности регенерации при удельных расходах H2SO4 , г/моль поглощенных катионитов, 50; 100; 150; 200 (равен соответственно 0,68; 0,85; 0,91; 0,93); K обм = = 0,8…0,9 – коэффициент для учета снижения обменной емкости катионита; Е пол.к – полная обменная емкость катионита, равная для КУ-2 – 800 моль/м3; q – удельный расход осветленной воды на отмывку 1 м3 Н-катионита, равен 4-6 м3/м3.
Таблица 4.15
Состав сточных вод гальванического цеха
| Ионы | Содержание вещества, г/м3 | Расход вещества, г/м3 | Содержание вещества, моль/м3 |
Катионы: Cr6+ Zn2+ Cu2+ Ni2+ ∑[ K ] Анионы: CN- Cl-  ∑[ A ] | 8,67 32,68 31,77 29,36 - 35,46 48,03 - | 13,84 0,46 0,38 3,07 17,75 3,46 4,51 9,78 17,75 |
Тогда рабочая обменная емкость катионита, моль/м3:
Е раб.к = 0,91 ∙ 0,85 ∙ 800 – 0,5 ∙ 5 ∙ 17,75 = 574,4;
объем катионита, м3:
V к = (1,25 ∙ 1200 ∙ 17,75)/(2 ∙ 574,4) = 23,2.
Принимая высоту загрузки Н к = 2,5 м, определим общую площадь катионитовых фильтров F к , м2:
F к = V к / Н к = 23,2/2,5 = 9,3.
Принимаем три рабочих катионитовых фильтра и один резервный диаметром D к = 2 м, тогда общая площадь фильтров составит 9,4 м2.
Скорость фильтрования воды через катионитовые фильтры, м/ч:
к = Q /(24 ∙ F к) = 1200/(24 ∙ 9,4) = 5,3.
В качестве второй ступени ионообменной установки принимаем анионитовые фильтры со слабоосновным анионитом АН-18.
Расчетную скорость фильтрования определяем по формуле
,
где Н а – высота загрузки анионитового фильтра, принимаемая равной 2,5 м; [ A ] – содержание анионов сильных кислот в сточной воде, ммоль/м3, в нашем случае 4,51 + 9,78 = 14,29 ммоль/м3; Е раб.а – рабочая обменная емкость анионитов (для АН-18 равна 1000); Т – продолжительность работы каждого фильтра между регенерациями, ч:
Т = 24/ n рег – t 1 – t 2 – t 3 = 24/2 – 0,25 – 1,5 – 3 = 7,25.
Здесь n рег = 2…3 – число регенераций, сут; t 1 = 0,25 ч – продолжительность взрыхления анионита; t 2 = 1,5 ч – продолжительность пропускания через анионит регенерационного раствора щелочи; t 3 = 3 ч – продолжительность отмывки анионита после регенерации.
Тогда скорость фильтрования, м/ч:
.
Общая площадь анионитовых фильтров, м2:
F а = Q /(n рег Tυ а) = 1200/(2 ∙ 7,25 ∙ 16,2) = 5,1.
Принимаем два рабочих анионитовых фильтра и один резервный диаметром D а = 2 м. Тогда общая площадь рабочих фильтров составит 6,28 м2, а фактическая скорость фильтрации, м/ч:
υ факт. а = Q /(n рег TF а) = 1200/(2 ∙ 7,25 ∙ 6,28) = 13,2.
Регенерацию катионитов предусматриваем 8 %-м раствором серной кислоты, а анионитов – 5 %-м раствором щелочи.
Вопросы для самоконтроля
1. Сущность процесса флотации и области ее применения.
2. Какие способы флотации применяются при очистке производственных сточных вод?
3. Приведите конструкции сатураторов.
4. Нарисуйте и расскажите о работе флотатора «Аэрофлот».
5. Нарисуйте и расскажите о работе эрлифтного флотатора.
6. Нарисуйте и расскажите о работе флотатора с импеллером.
7. Нарисуйте и расскажите о работе флотатора с пористыми пластинами и перфорированной трубой.
8. Нарисуйте и расскажите о работе химической флотации.
9. Нарисуйте и расскажите о работе электрофлотатора.
10. Приведите расчет импеллерного флотатора.
11. Приведите расчет электрофлотатора.
12. Раскройте сущность процесса жидкостной экстракции.
13. Что такое коэффициент распределения?
14. Назовите требования, предъявляемые к экстрагентам.
15. Покажите порядок расчета ящичного экстрактора.
16. Покажите устройство и раскройте принцип действия эктсракторов с мешалками.
17. Покажите устройство и раскройте принцип действия колонных эктсракторов.
18. Покажите условия подачи в колонные экстракторы экстрагента.
19. Назовите марки и основные технические характеристики активных углей для очистки сточных вод.
20. Нарисуйте и расскажите об изотерме адсорбции.
21. Приведите классификацию адсорберов по применению.
22. Нарисуйте и расскажите о принципах работы адсорберов.
23. Нарисуйте и расскажите о динамике работы плотного слоя адсорбента.
24. Назовите исходные данные для работы адсорберов.
25. Приведите расчет адсорбера с плотной загрузкой.
26. Приведите основные требования при проектировании адсорберов с псевдосжиженным слоем активного угля.
27. Приведите расчет гидравлического сопротивления плотного слоя адсорбента.
28. Приведите расчет гидравлического сопротивления псевдоожиженного слоя адсорбента.
29. Сформулируйте основы ионного обмена.
30. Назовите и дайте основные технические характеристики катионитов и анионитов.
31. Приведите конструкции и расскажите о работе ионообменных аппаратов.
32. Нарисуйте и расскажите о работе ионообменной установки периодического действия.
33. Нарисуйте и расскажите о работе колонн ионообменной очистки.
34. Назовите области применения физико-химического метода очистки производственных сточных вод.
35. Объясните физико-химическую сущность коагуляции.
36. Объясните физико-химическую сущность флокуляции.
37. Назовите применяемые в очистке сточных вод коагулянты и флокулянты.
38. Назовите и нарисуйте основные смесители для коагуляции.
39. Назовите и нарисуйте основные камеры хлопьеобразования.
40. Назовите и напишите параметр моделирования смесителей и камер хлопьеобразования.
41. Назовите критерий моделирования процесса хлопьеобразования.
42. Объясните сущность электрокоагуляции.
