Теоретические основы защиты гидросферы Общее кол-во природной

Теоретические основы защиты гидросферы

Общее кол-во природной воды – 1386 млн. км 3, пресной воды – 35 млн. км 3, (2, 5%) Объем потребления пресной воды в мире до 3900 млрд. м 3/год. Около половины этого количества потребляется безвозвратно, а другая половина превращается в сточные воды.

Классификация вод По степени минерализованности (в г/л) ü пресные (с содержанием солей <1) ü солоноватые (1 – 10) ü соленые (10 - 50) ü рассолы (>50) Пресные воды • малой минерал-сти (до 200 мг/л) • средней минерал-сти (200 - 500 мг/л) • повышенной минерал-сти (500 - 1000 мг/л). По преобладающему аниону • гидрокарбонатные • сульфатные • хлоридные

Жесткость природных вод обусловлена присутствием в них солей кальция и магния и выражается концентрацией ионов Са 2+ и Mg 2+ в ммоль экв/л. Жесткость - общая, карбонатная, некарбонатная. Общая жесткость представляет сумму двух жесткостей: карбонатной (гидрокарбонаты кальция и магния), и некарбонатной (сульфиты, хлориды, нитраты кальция и магния).

Применение воды в промышленности сырье растворитель хладоагент экстрагент источник энергии для транспортирования сырья и материалов

Применение воды в промышленности сырье хладоагент растворитель экстрагент источник энергии для транспортирования сырья и материалов

Воду в промышленности подразделяют на 1) охлаждающую, 2) энергетическую, 3) технологическую. 1) Охлаждающая – для охлаждения ж. и г/о продуктов в теплообменниках (65 – 80%). Вода не соприкасается с материальными потоками и не загрязняется, а лишь нагревается. 2) Энергетическая вода потребляется для получения пара и нагревания оборудования, помещений, продуктов.

3) Технологическую воду подразделяют на а) средообразующую, б) промывающую и в) реакционную. а) средообразующая – для р-ния и обр-ния пульп, при обогащении и переработке руд, гидротранспорте продуктов и отходов пр-ва; б) промывающая – для промывки г/о (абс-ция), ж. (экстракция) и тв. продуктов и изделий; в) реакционная – в составе реагентов, при отгонке и в других процессах. Технологическая вода непосредственно контактирует со средой и загрязняется.

Сточная вода – это вода, бывшая в бытовом, производственном или с/х употреблении, а также прошедшая через загрязненную территорию. В зав-сти от условий обр-ния сточные воды делятся на 1) бытовые или хозяйственно-фекальные (БСВ), 2) атмосферные (АСВ) 3) промышленные (ПСВ).

Хозяйственно-бытовые воды – это стоки душевых, прачечных, столовых, туалетов, от мытья полов и др. Примеси ≈ 58% органических веществ и 42% минеральных. Атмосферные воды образуются в рез-те выпадения атмосферных осадков и стекающие с территорий предприятий. Они загрязняются органическими и минеральными веществами. Промышленные сточные воды – это жидкие отходы, к-рые возникают при добыче и переработке орг. и неорганического сырья.

Всемирной орг-цией здравоохранения (ВОЗ) рекомендована следующая классификация химических загрязнителей воды. 1) биологически нестойкие орг. соединения; 2) малотоксичные неорганические соли; 3) нефтепродукты; 4) биогенные соединения; 5) в-ва со специфич. токсичными св-вами, в т. ч. тяж. металлы, биологически жесткие неразлагающиеся орг. синтетические соединения.

Классификация примесей по Кульскому по их фазово-дисперсному состоянию: а) гетерогенные системы: I. - взвеси, размер частиц 10 -1 мкм (суспензии, эмульсии, микроорганизмы и пр. ); II. - коллоидные растворы, размер ч-ц 10 -1 -10 -2 мкм (золи и р-ры ВМС). б) гомогенные системы: III. - молекулярные р-ры, размер ч-ц 10 -2 - 10 -3 мкм (газы, растворимые в воде, орг. в-ва); IV. - ионные растворы, размер ч-ц 10 -3 мкм (соли, основания, кислоты).

Св-ва ст. вод отличаются от св-в чистой воды. У них более высокая плотность и вязкость. Ср. плотность суспензий и эмульсий опр-ся объёмным соотношением фаз ρс = ρд· + ρ0(1 - ), где ρс, ρд - плотность ст. воды и д. ф; ρ0 - плотность чистой воды; - объёмная доля дисперсной фазы. Вязкость суспензии зависит от объёмн. концции тв. фазы и при ≤ 10% опр-ся по зав-сти μс = μ 0(1 + 2, 5 ), где μ 0 - динам. вязкость чистой воды, Па·с.

Сточная вода Очистка от растворимых примесей Очистка от нерастворимых примесей Методы очистки от грубодисперсных примесей Отстаивание Процеживание и фильтрация Флотация Осветление во взвешенном осадке Центробежное фильтрование и отстаивание Методы очистки от мелкодисперсных примесей Коагуляция Флокуляция Электрокоагуляция Электрофлотация Методы устранения и уничтожения нераст. и раст. примесей Устранение Закачка в скважины Захоронение Закачка в глубины морей Термическое уничтожение Методы очистки от минеральных примесей Дистилляция Методы очистки от органических примесей Регенератив ные Методы очистки от газов Деструктивные Обратный осмос Электродиализ Заморажи -вание Реагентные Отдувка Ректификация Жидкофазн. окисления Нагрев Адсорбция Ионный обмен Биохимические Парофазн. окисления Экстракция Обратный осмос и ультрафильтрация Окисления Радиац. окисления Электрохим. окисл. Реагентные

Сточная вода Очистка от растворимых примесей Очистка от нераств. примесей Методы очистки от грубодисп. при -месей Отстаивание Процеж-е и фильт-ция Флотация Осветление во взвеш. осадке Ц/б фильт-е и отстаи-е Методы очистки от мелкодисп. при -месей Коаг-ция Флок-ция Эл. коагция Эл. фло тация Методы устр-ния и унич-ния н/р. и раст. примесей Устр-ние Закач в скваж Захоронение Закач в глуб морей Терм. уничние Методы очистки от минер. примесей Дистилция Ион. обмен Обратн. осмос Эл. диа лиз Замора ж-ние Реагент ные Методы очистки от орг. примесей Регенер-е Деструкт-е Экстрция Биохимкие Ректифция Жидкофа з ок-ние Адсор-я Парофаз н. ок-ние Обр. осмос и ультрафильт-я Методы очистки от газов Ок-ние Радиац. ок-ние Эл. -хим. окисл. Отдувка Нагрев Реаген тные

Механические Химические Методы обработки сточных вод Физикохимические Физические Биохимические

Гидромеханические методы очистки Для удаления из сточных вод взвешенных ч-ц используют § процеживание § отстаивание гравитационное и § фильтрование центробежное Гидромеханические процессы бывают периодические и непрерывные. Выбор метода зависит от размера частиц примесей, физ-хим. св-в и конц-ции взвешенных чц, расхода ст. вод и необходимой степени очистки.

Процеживание проводят с целью извлечения из сточных вод наиболее крупных примесей перед более тонкой очисткой. Воды пропускают через решётки (15 до 20 мм) и сита (0, 3 -0, 8 мм), крые устанавливают перед отстойниками. Осаждение отстаиванием – разделение жидких неоднородных систем путём выделения из жидкой фазы твёрдых или жидких взвешенных частиц под действием силы тяжести или центробежной силы. Различают гравитационное отстаивание и осадительное центрифугирование.

Отстаивание гравитационное примесей из ст. вод Осаждение отстаиванием происходит под действием силы тяжести. Для проведения процесса используют песколовки, отстойники и осветлители. В осветлителях одновременно с отстаиванием происходит фильтрация сточных вод через слой взвешенных частиц. Основным параметром, на основании к-рого рассчитывают размеры отстойной аппаратуры, явл-ся скорость осаждения взвешенных ч-ц в непроточной воде при постоянной температуре.

законы осаждения в неподвижном объеме жидкости где dч – диаметр частиц ρч – плотность твердой частицы, кг/м 3. ρс – плотность сточной воды, кг/м 3 ζ – коэффициент сопротивления водной среды при G > A – осаждение, при G<A - всплывание G – A = R – равномерное осаждение

В ламинарном режиме осаждения при ζ = 24/Rеч получим формулу Стокса при Rеч < 10 -4 dч ≈ λ. расчеты показывают, что при , а наблюдается их хаотическое броуновское движение. В действ-сти <10 мкм.

Пример 1. Найти верхний предел (т. е. наибольший диаметр частиц) применимости формулы Стокса к частицам кварца плотностью 2650 кг/м 3, осаждающимся в воде при 200 С. Решение. Формула Стокса строго применима при Re<0, 2 и Ar<3, 6. Поэтому наибольшая частица кварца, осаждение которой может быть рассчитано по формуле Стокса, должна иметь диаметр:

М, % 60 40 20 0 1 2 3 t, ч Кинетика осаждения полидисперсных частиц.

Скорость стёсненного осаждения частиц одинакового размера при ламинарном режиме по формуле Стокса с поправочным коэффициентом R = (1 – φ)µ 0/µс), к-рый учитывает влияние концции взвешенных ч-ц и реологические свойства системы (вязкость сист. µс):

Расчёт отстойников. В = 3… 6 м Н =1. 5… 4 м wос w Gст >15000 м 3/сут. эфф > 60% L = 12… 48 м В прямоуг. отстойник с размерами L, H, B поступает на разделение неоднородная смесь с линейной скоростью w. Рабочий объём отстойника: V = L⋅H⋅B = Vτ⋅τ0, где Vτ – секундная произв-сть отстойника, м 3/с; τ0 – ср. продолжительность отстаивания частиц, с. τ0= H/wос, где w 0 - средняя скорость отстаивания ч-ц. Удельная производительность отстойника: Vτ = L⋅B⋅wос, где L⋅B = F – площадь отстаивания Если задана произв-сть отстойника Vτ, то площадь пов-сти отстаив-я: F = Vτ / wос. в инж. расчетах расчетно-теор. значение поверхности отстойника увеличивают на 30 -35%.

Танк-отстойник первичной очистки

Радиальный отстойник

Горизонтальный отстойник

Центробежное осаждение примесей из ст. вод Скорость разделения неоднородных систем в поле ц/б сил выше по сравнению со скоростью разделения этих систем в поле силы тяжести. В общ. случае ц/б сила Рц (Н) равна где m – масса вращ-ся ч-цы, кг; G – вес ч-цы, Н; v 0 – окруж. скорость вращ, м/с; r – радиус вращ, м. Окружная скорость вращения равна v 0 = ω·r = 2π·n·r/60, где ω – угловая скорость n – число оборотов в минуту. вращения, рад/с;

Сопоставляя эти равенства, найдем Отношение ц/б ускорения v 02/r к ускорению силы тяжести g называют фактором разделения: Фактор разделения является важной хар-кой гидроциклонов и центрифуг, т. к. , при пр. равных усл-ях, разделяющее действие при осадительном центрифугировании возрастает пропорционально величине Кр.

Из-за сложности центрифугирования произвсть ц/б машин оценивают путем моделирования по индексу произв-сти Σц ≈ F·Кр, где F ≈ площадь боковой пов-сти ротора. Физ. смысл Σц (по аналогии с осаждением в отстойниках) - в том, что произв-сть центрифуг также пропорциональна площади рабочей пов-сти F, однако за счёт ц/б поля ув-ся на фактор Кр. Σц для машин каждого типа опр-ся своим ур-нием. Моделирование осуществляется при геом. подобии роторов и идентичности определяющих критериев процесса.

Индекс производительности зависит от режима осаждения частиц: • в переходном режиме Σ = F • KP 0, 715; • в турбулентном режиме Σ = F • Kp 0, 5. Произв-сть отстойных центрифуг снижается по сравнению с теоретической вследствие отставания скорости вращения жидкости от скорости вращения ротора, неравномерности течения жидкости вдоль ротора, образование вихревых зон, увлекающих осажденные частицы.

Очищенная вода Сточная вода С - суспензия, Ф - фугат (фильтрат), О - осадок Осадок шлам Рис. Напорный гидроциклон Рис. Центрифуга осадительная

Скорость движения ч-цы в жидкости под действием ц/б силы зависит от её диаметра dч, разности плотностей фаз Δρ, вязкости µс и плотности ρс сточной воды и от ускорения ц/б поля J: vц = k 0, 385·dчm·ρc(m-2)/3·Δρ(m+1)/3·J(m+1)/3/ µc(2 m-1)/3. k и m зависят от гидродинамического режима. Для ламинарного режима при числе Рейнольдса Reч = wос dч ρл/ µо =1, 6; m = 2; к = 1, 7 • 10 -4. Для переходного режима при Reч = 16… 420; m = 1, 2; k = 2, 49 • 10 -3. Для турбулентного режима Reч > 420; m = 5, 36; k = 0, 5. Кроме физ. св-в жидкости на эфф-сть работы гидроциклонов влияют констр. параметры: диаметр аппарата, соотношение входного и сливных патрубков.

ФИЛЬТРОВАНИЕ Фильтрование применяют для очистки воды от тонкодисперсных примесей с малой их конц-цией. Его используют как на начальной стадии очистки, так и после некоторых методов физикохимической или биологической очистки. Движущей силой фильтрования является разность давлений до и после фильтрующей перегородки. Процесс сопровождается значительными затратами энергии. Используют 2 типа фильтров: Ø с сетчатыми эл-тами (микрофильтры и сетки) Ø с фильтрующим зернистым слоем. Вулканические шлаки и горелые породы, кварцевый песок, антрацит, керамзит

Механизм процесса фильтрования включает: Ø механическое процеживание, Ø гравитационное осаждение, Ø инерционное захватывание, Ø химическую и физическую адсорбцию, Ø адгезию, Ø коагуляционное осаждение, Ø биологическое выращивание.

Процесс фильтрования состоит из трёх стадий: 1) перенос ч-ц к пов-сти фильтрующего слоя; 2) прикрепление к поверхности; 3) отрыв от поверхности. По хар-ру мех-зма задержания взвеш-х ч-ц различают два вида фильтрования: 1) ф-ние через плёнку (осадок) загрязнений, образ-ся на пов-сти фильт. слоя (медл. ф-ры); 2) ф-ние без обр-ния плёнки загрязнений (скоростные ф-ры).

Важными хар-ками пористой среды явл-ся: 1. Порозность ε (доля своб. объёма, т. е. отношение объема своб. прост-ва м. ч-цами к объёму, занятому слоем V) зависит от структуры пористой среды и связана как с размером зёрен, так и с их формой и укладкой. ε+ V = 1, откуда ε = 1 – V. При ε = 0 – сплошное тело, пор нет. При ε = 1 – max пористое тело, стенок нет→ 0. При засыпке шарами ε = 0. 4. 2. Удельная поверхность слоя (пов-сть всех зёрен слоя в его единице объёма) опр-ся не только порозностью, но и пористостью и формой отд. зерен.

Коэф-нт формы существенно влияет на ёмкость слоя и коэф-нт гидравл. сопротивления. Уд. об. пов-сть а (м 2/м 3) пористого (зернистого) слоя вычисляют по формуле: a = 6(1 – ε)Ф/dэ, где Ф – коэф-нт формы зёрен слоя; dэ – эквивалентный диаметр зёрен слоя, м. Для округлых частиц Ф меняется от Ф = 1 (для правильных шаров) до Ф = 0, 806 (для правильных кубов). Для цилиндр. ч-ц Ф меняется в зав-сти от отношения высоты цилиндра hц к его диаметру dц. ех, Ф = 0, 69 при hц/dц = 5; Ф = 0, 32 при hц/dц = 0, 05.

Продолжительность работы фильтра до "проскока" частиц в фильтрат – это время защитного действия tз. где l - толщина фильтрующего слоя; dч - размер частиц фильтрующего слоя; k и s 0 - константы, зависящие от конц-ции взвеш. в-в в исх. и осветленной сточной воде. Vф - скорость фильтрования

На основе внутренней задачи гидродинамики (движение внутри каналов, образуемых пустотами и порами между эл-тами слоя), предложено выражение - аналог ур-ния для опр-ния потери давления на трение в трубопроводах: ΔPc = λ·H a·ρ0·w 02/(8ε 3), (6. 36) где λ – общий коэф-нт сопротивления, отражающий влияние сопротивления трения и местных сопротивлений, возникающих при движении жидкости (газа) по каналам слоя и обтекании отд. элементов слоя; Н – высота слоя, м; a – уд. пов-сть, т. е. пов-сть ч-ц материала в единице объема занятого слоем, м 2/м 3; ρ0 – плотность жидкости или газа; w 0 – фиктивная (приведённая) скорость жидкости или газа, рассчитываемая как отношение об. расхода движущейся среды ко всей площади поперечного сечения слоя, м/с; ε – порозность слоя.

Значение λ находят по уравнению λ = 133/Re + 2, 34. (6. 37) Критерий Рейнольдса определяют по формуле Re = 4 w 0 ρ0/(aµ 0), (6. 38) где µ 0 – динамическая вязкость жидкости или газа. Если а неизвестно, то исходя из внешней задачи гидродинамики при обтекании эл-нтов слоя, получается: ΔPc = 3λ·H (1 – ε) w 20 ρ0/(4 ε 3 dч Ф), (6. 39) где dч – диаметр ч-ц шар. формы; для ч-ц неправ. формы dч = dэ – диаметр эквив-ного шара, с тем же объемом, как и ч-ца, м; Ф – фактор (коэф-нт) формы ч-цы, Ф = Fш/Fч (Fш – пов-сть шара с тем же об-ом, что и ч-ца с пов-стью Fч). Кр-й Рейнольдса в этом случае рассч-ют по формуле Re = 2/3 [Ф/(1 – ε)]Re 0, (6. 40) где Reo = wo dч ρo/µo.

Механические методы очистки сточных вод. Фильтрование, отстаивание. Общие кинетические закономерности осаждения и фильтрования дисперсной фазы. Центрифугирование. Всплывание. Физико-химические методы очистки сточных вод. Коагуляция и флокуляция загрязнений. Природные и синтетические флокулянты. Механизм флокулирования. Флотация. Сущность процесса. Адсорбция. Промышленные сорбенты, применяемые для очистки сточных вод. Ионообменная очистка сточных вод. Физическая сущность процесса. Природные и синтетические иониты. Экстракция. Обратный осмос, микро- и ультрафильтрации. Физико-химические основы процессов. Экстрагенты. Методы регенерации экстрагентов. Мембраны для микро- и ультрафильтрации и обратного осмоса. Селективность и проницаемость мембран. Влияние давления, температуры и свойств воды на процесс разделения.