Очистка сточных вод в гидроциклонах

[30] Правила экологической безопасности судов внутреннего и смешанного плавания / Российский Речной Регистр. - М.: «Марин Инжиниринг Сервис», 1995. - 52 с.

[31] Системы бытового водоснабжения судов внутреннего и смешанного плавания. Правила и нормы проектирования: РТМ 212.0140-85. - Ввел. 01.06.86. - Горький: ГИИВТ, 1985.-48 с.

[32] Соколов Е.Я., Зингер И.М. Струйные аппараты. - М.: Энергия, 1989. - 350 с.

[33] Суда внутреннего и смешанного (река-море) плавания. Санитарные правила и нормы: Сан-ПиН 2.5.2-703-98. - М.: Минздрав России, 1998. - 144 с.

[34] Уаддн Р., Шефф П. Загрязнение воздуха в жилых и общественных зданиях. -М.: Стройиздат, 1987. -160 с.

[35] Этан В,Л. Основы проектирования комплекса систем водоснабжения судов внутреннего и смешанного плавания; Автореф. дисс. докт. техн. наук. - Л., 1985. - 44 с.

[36] Этин В.Л. Теория работы судовых озонаторных станций. - В кн.: Надежность и эффективность судовых систем. - Горький: ГИИВТ, 1981. - вып. 184. - с. 3-25.

[37] Этин В.Л., Курников А.С., Худяков Л.А. Экспериментальные исследования параметров и коэффициентов процесса кондиционирования воды озоном. - В кн.: Надежность и эффективность судовых систем. - Горький: ГИИВТ, 1981. - вып. 184. - с. 25-50.

[38] Эгин В.Л., Шмаков В.И., Курников А.С. Предупреждение коррозии и биологического загрязнения трубопроводов судовых снстем/ЛДБНТИ Минречфлота РСФСР, вып. 6. - М., 1984. — 42 с.

DEVELOPMENT OF A TECHNIQUE OF DESIGNING OF A COMPLEX OF SYSTEMS OF MAINTENANCE HABITABILITY AND INCREASE OF ECOLOGICAL SAFETY OF SHIPS ON THE BASIS OF THE ACTIVATED OXIDIZING TECHNOLOGIES

A. S. Kurttikov

}l has shown, that the application of uniform processes of water and gas processing has en~ abled to unite a number of ship systems in a uniform complex. A basic flow chart of a complex of ship systems by using activated oxidizing technologies is given and its design technique has been developed. An algorithm of calculating the systems included in the complex is specified.

УДК 629.12.061:628.1

А, С Курников, д. т. и., профессор.

А. В. Распопов, аспирант, ВГАВТ.

603600, Нижний Новгород, ул. Нестерова, 5.

; ОЧИСТКА СТОЧНЫХ ВОД В ГИДРОЦИКЛОНАХ

Рассмотрены основные типы гидроциклонов. Приведены схема и принцип действия напорного гидроциклона. Указаны возможные режимы работы данных аппаратов. Предложена схема обработки сточных вод с использованием напорного гидроциклона. Выполнен расчет гидроциклона для судовой станции очистки и обеззараживания сточных вод.

В большинстве случаев сточные воды (СВ) содержат грубодиспергированные примеси, поэтому в составе очистных станций почти всегда предусматриваются сооружения для механической очистки СВ. На современных очистных станциях грубо-

диспергированные примеси выделяются преимущественно в отстойниках. Однако они имеют два существенных недостатка [1]:

- стоимость изготовления и монтажа отстойников составляет 30...50 % от общих капитальных затрат,

- продолжительность пребывания воды в отстойниках достигает нескольких часов, поэтому для обработки больших масс воды необходимы крупные аппараты (до 40 % общего объема очистных сооружений).

Более простыми и перспективными аппаратами для механической очистки СВ от взвешенных веществ (ВВ), отличающимися от отстойников высокой пропускной способностью, являются гидроциклоны, классифицирующиеся следующим образом [2]:

1. Напорные гидроциклоны - единичные и батарейные (мультигидроциклоны);

2. Открытые (безнапорные) гидроциклоны - одноярусные и многоярусные;

3. Турбоциклоны.

Гидроциклоны находят применение во многих отраслях промышленности и в технологических процессах очистки воды [1,3]: в качестве классификаторов частиц твердой фазы СВ, для отмывки песка от органических веществ, уплотнения и обезвоживания осадков, в целях удаления из твердой фазы частиц минерального или органического происхождения.

Интенсивное внедрение гидроциклонов обуславливается рядом существенных преимуществ, которыми обладают эти аппараты перед отстойниками, сгустителями, сепараторами и классификаторами гравитационного типа [2]:

- высокая удельная производительность по обрабатываемой суспензии;

- сравнительно низкие затраты на строительство и изготовление установок;

- высокое качество целевых продуктов процесса разделения;

- возможность создания компактных автоматизированных установок с широким диапазоном регулирования качественных и количественных показателей процесса разделения;

- отсутствие движущихся частей.

Открытые гидроциклоны применяют для выделения всплывающих и оседающих грубодиспергированных примесей гидравлической хрупностио (скоростью осаждения в спокойной воде) свыше 0,2 мм/с и скоагулированной взвеси. Напорные гидроциклоны могут использоваться для выделения из СВ трубодиспергированных примесей главным образом минерального происхождения, предварительного осветления мутных речных вод, в оборотных системах водоснабжения. Открытые гидроциклоны более производительны, но их эффект осветления меньше. В гидроциклонах обеспечивается отделение песка и минеральных частиц диаметром более 0,1.. .0,15 мм, плотностью 1,2 г/см3 и более. Воды, содержащие частицы диаметром менее 0,1 мм, подаются обычно на рециркуляцию в технологический процесс. Данный тип аппаратов достаточно эффективен для очистки СВ, способных к самокоагуляции либо коагулирующих под действием реагентов.

Широкое распространение получили напорные гидроциклоиы ввиду больших технологических возможностей: компактность, простота устройства и отсутствие движущихся частей; высокая объемную производительность; большая скорость и высокая эффективность разделения суспензий; простота обслуживания; быстрота пуска и выключения из работы; возможность разнообразного использования, особенно в условиях действующих предприятий, без затрат дополнительных площадей; соблюдение санитарных условий труда; непродолжительность процесса и возможность автоматизации [4].

Придавая объему воды вращательное движение, на ее примеси будут действовать центробежные силы, величина которых в тысячу раз может превосходить силу тяжести. Следовательно, в поле центробежных сил частицы будут передвигаться со скоростью, значительно большей, чем скорость осаждения этих частиц в отстойниках. Данный принцип лежит в основе использования гидроциклонов, применяемых в водопод-готовке для удаления из воды грубодиспергированных примесей перед основными очистными сооружениями при очистке высокомутных вод. Гидроциклоны относятся к сооружениям гравитационно-отстойного типа с вращательным движением в рабочей зоне. В процессе вращения потока происходит агломерация взвешенных частиц и увеличение их гидравлической крупности.

Наибольшее распространение получил конический гидроциклон (рис. 1).

Рис. 1. Принципиальная схема движения потоков жидкости в гидроцинлоне:

1 - питающий патрубок, 2 - цилиндрическая часть, 3 - коническая часть. 4 - шламовое отверстие.

5 - сливной патрубок, 6 - нисходящий поток, 7 - восходящий поток

Этот аппарат состоит из цилиндрической 2 и конической 3 частей. Вращение жидкости в циклоне вызывается впуском исходной воды через тангенциальный патрубок 1, расположенный вверху цилиндрической части. Коническая часть циклона оканчивается шламовой насадкой 4, через которую отводится выделенный из обрабатываемой суспензии осадок. Осветленная жидкость вытекает через сливной патрубок 5, расположенный по оси циклона на его верхней крышке. Патрубок заглублен в корпус циклона на высоту, равную его цилиндрической части. Рабочая струя, войдя в цилиндрическую часть 2 из впускного патрубка 1, приобретает вращательное движение и, двигаясь по винтовой спирали возле стенок аппарата, направляется в его коническую часть 3. В конической части 3 основной поток поворачивается к центральной оси.

При этом небольшое количество воды с выделенным и движущимся в пристенной зоне осадком - нисходящий поток 6 удаляется через шламовую насадку 4. Осветленный поток 7 в центральной зоне, двигаясь по цилиндрической спирали, направляется к сливной насадке 5 и удаляется из аппарата.

При работе гидроциклона вследствие разрежения, вызванного вращательным движением в центральной части аппарата, через разгрузочные отверстия засасывается воздух. Вместе с воздухом, выделяющимся из обрабатываемой воды, он образует воздушный столб, располагающийся по оси гидроциклона. Воздушный столб является внутрен-

ней границей восходящего потока, поэтому его размеры и форма оказывают влияние на работу аппарата. В ряде случаев воздушный столб может в какой-то мере характеризовать режим работы гидроциклона.

В обычном гидроциклоне, работающем при свободном изливе, т. е. без противодавления, воздушный столб имеет форму усеченного конуса с большим основанием у шламовой насадки. С увеличением количества воды, подаваемой на гидроциклон, т. е. с увеличением давления на входе при неизменных размерах подающей, сливной и шламовой насадок, размеры и форма воздушного столба практически не изменяются

В зависимости от требуемого эффекта очистки СВ обработка в напорных гидроциклонах может осуществляться в одну, две или три стадии путем последовательного соединения аппаратов. При выборе конструкций напорного гидроциклона учитываются такие данные, как: требуемая эффективность разделения СВ; абразивные свойства твердой фазы; химическая агрессивность жидкой фазы; предельное давление перед аппаратом и требуемое давление в сливном трубопроводе; гранулометрический состав и плотность частиц твердой фазы; механическая прочность частиц твердой фазы суспензии; производительность установки.

Различают две модификации конструкции напорных гидроциклонов: с монолитными и съемными элементами рабочей камеры. Аппараты первой модификации изготавливаются из нержавеющей стали, полиэтилена и полиуретана, второй модификации - из нержавеющей стали или стали марки СтЗ (с покрытием внутренней поверхности износостойкой эмалью).

Поскольку при эксплуатации гидроциклонов серьезной проблемой является абразивное воздействие минеральных примесей на внутреннюю поверхность сооружения, напорные гидроциклоны выпускают трех разновидностей - литые нефутерованные, футерованные каменным литьем (К) или шлакоситаллом (Р).

В зависимости от особенностей решаемых технологических задач могут применяться двух- и многопродуктовые напорные гидроциклоны. В последнем случае аппараты имеют несколько сливных трубопроводов, отводящих целевые продукты из различных зон восходящего вихревого потока. Такие конструкции применяются при разделении многофазных сред. Гидроциклоны малых диаметров могут объединяться в батареи и блоки (мультициклоны), имеющие единые питающие, сливные и шламовые камеры, что позволяет при обеспечении требуемого эффекта очистки и производительности добиться максимальной компактности установки.

В зависимости от расположения гидроциклона в технологическом процессе и схемы их обвязки могут иметь место четыре гидродинамических режима работы:

- при свободном истечении верхнего и нижнего продуктов в атмосферу:

р =р =р •

1 ех 1 ш 1 а»

где Рех, Рш, Ра - соответственно давления на выходе из сливного и шламового патрубков и атмосферное давление, МПа;

- при наличии противодавления со стороны сливного патрубка и свободном истечении шлама:

р >р р =р•

1 «Г 1 Ф 1 шя Г ег>

- при противодавлении со стороны шламового патрубка и свободном истечении слива:

р =Я Я >р•

* ех 1 ф 1 шл * а 9

- при противодавлении со стороны сливного и шламового патрубков:

Р >Р Р >Р

1 сх1 а> 1 шя 1 а•

В судовых условиях в составе станции очистки и обеззараживания сточных вод (ООСВ) могут применяться конические напорные гидроциклоны, работающие при наличии противодавления со стороны сливного патрубка и свободном истечении шлама. Технологическая схема обработки СВ в станции ООСВ включает следующие технологические процессы:

- механическая очистка в накопительной цистерне;

- механическая очистка в напорном гидроциклоне;

- физико-химическая обработка СВ способом напорной флотации с использованием озоно-воздушной смеси;

- обеззараживание СВ дезинфектантом - озоном;

- финишная обработка СВ на сорбционном фильтре.

Расчет гидроциклона выполняется по работам [3, 5].

Исходные данные для расчета:

С„- начальная концентрация взвешенных веществ, мг/дм3;

Ск - конечная концентрация взвешенных веществ, мг/дм3;

Э - эффект очистки, %;

рт~ удельный вес механических загрязнений, г/см3;

А--- удельный вес жидкости, г/см3;

ц - динамическая вязкость, МПа-с.

По кривой кинетики отстаивания [3] (рис. 2) по заданному эффекту очистки Э определяется охватывающая гидравлическая крупность Vмм/с:

А

где И - высота слоя отстаивания, мм; / - время отстаивания, с.

Э,% ЮО

80

60

40

20

0

0 5 10 15 20 25 30

І,МИН

Рис. 2. Кинетика отстаивания сточных вод

Г

Затем по графику с учетом эффекта очистки определяется время 1гр и далее граничная гидравлическая крупность 1!гр задерживаемых частиц, мм/с:

По формуле Стокса рассчитывается граничный диаметр задерживаемых при заданном эффекте частиц, мкм:

После определения граничной крупности по источнику [3] подбирается напорный гидроциклон, который может выделить частицы этой крупности с диаметром цилиндрической части £>(„. и по этой же таблице в соответствии с рекомендуемыми соотношениями: диаметр питающего патрубка с1еп =(0,12...0,4)0Лс, диаметр сливного патрубка с!а = (1,0...2,0)<4,, диаметр шламового патрубка = (0,2... 1,0)^№ высота цилиндрической части Н,, = (2,0.. .4,0)Д,С, угол конусности а = 5-15°.

Назначаем следующие размеры основных рабочих узлов:

Высота конической части Нк, мм, определяется по формуле:

В соответствии с рекомендациями [2] давление на входе в напорный гидроциклон

- Реп принимается 0,15.. 0,4 МПа. Далее по эмпирическому уравнению определяется граничная крупность разделения, мкм:

8гр=2,7-103-

где А*-, (іст (і„, (іш. Нц, Нк даны в см: и - в МПас; Рс„ - в МПа; рт рж - г/см3.

6

-Ъ

ш

У

~~7[(. <}щ

Рис. 3. Схема напорного гидроциклона

В случае если рассчитанная крупность 8ер будет больше крупности, которая соответствует требуемому эффекту очистки, определенной по формуле (3), то подбор гид-роцикпона необходимо повторить, изменяя его конструктивные размеры и давление на входе.

Производительность аппарата Qm, дм3/с определяем по формуле:

<2" = 1,03 • Я*/’053 • <С28 • О4”' 0МЗ' Я,0'015 • а0,025 • Рея°-Ш,

где Лшл, Нц даны в см; а - в град; Рт - в МПа.

Потери воды с выделяемым осадком - дш для гидроциклонов диаметром меньше 0,1 м составляют (0,07... 0,08)2*,:

Яш* = 0.075 •&.,

Используя приведенные уравнения (1...8) авторами был произведен расчет гидроциклона производительностью 1,2 м3/ч для судовой станции ООСВ со следующими конс1руктивными параметрами:

А,с= 0,04 м, Нт = 0,006 м, = 0,012 м, = 0,004 м, Нц = 0,08 м, Я* = 0,458 м, а = 5°. Список литературы

[1] Скирдов И.В., Пономарев В.Г. Очистка сточных вод в гидроциклонах, - М.: Стройнз-дат,1975,- 176 с.

[2] Найденко В.В. Применение математических методов и ЭВМ для оптимизации и управления процессами разделения суспензий в гидроци клонах. - Горький: Волго-Вятское кн. изд-во, 1976.

- 287 с.

[3] Проектирование сооружений для очистки сточных вод: Справочное пособие к СНиП. - М.: Стройиздат, 1990. - 190 с.

[4] Водоотводящие системы промышленных предприятий. / С.В. Яковлев, Я.А. Карелин, Ю.М. Ласков, Ю.В. Воронов: Под. ред. С.В Яковлева- М.: Стройиздат, 1990.-511 с.

[5] СНиП 2.04.03-85. Канализация. Наружные сети и сооружения - М.: ЦИТП Госстроя СССР, 1986.- 74 с.

CLEARING OF WASTE WATER IN HYDROCYCLONES A, S. Kumikov, A. V. Raspopov

Basic types of hydrocyclones are considered. A flow chart and the principle of operation of a pressure head hydrocyclone are given. The possible modes of operation of the devices are specified. The circu it of processing waste water using a pressure head hydrocyclone has been offered. The computation of a hydrocyclone for ship station ofclearing and desinfection of waste water has been carried out.

УДК 629.12.061:628.1

А. В. Распопов, аспирант, ВГАВТ.

603600, Нижний Новгород, ул. Нестерова, 5.

ПОВЫШЕНИЕ ЭФФЕКТИВНОСТИ РАБОТЫ СУДОВЫХ СТАНЦИЙ ОЧИСТКИ И ОБЕЗЗАРАЖИВАНИЯ

СТОЧНЫХ ВОД

Предложена модернизация существующей технологии очистки судовых сточных вод: механическая очистка на фильтре грубой очистки, физико-механическая обработка напорной флотацией, финишная очистка на зернистом фильтре, обеззараживание озоном. Приведена технологическая схема доочистки сточных вод, позволяющая использовать их в "открытых ’’ оборотных системах. что обеспечивает возможность повторного использования очищенных сточных вод в технических целях. Это позволит резко сократить сброс сточных вод.