Problémy usazováku nakloněných trubek: Mechanická analýza kapalin, špatné rozdělení toku, resuspenze kalu a jak to opravit

Sedimentační separace jako jednotkový provoz se již dlouho používá při řízení úpravy vody a je poměrně praktickou technologií úpravy vody. Pro zlepšení sedimentačního separačního efektu se často během používání instalují do usazovací zóny nakloněné desky nebo skloněné trubky, takže může být aplikován princip mělké vrstvy s využitím velké plochy a vysoké separační účinnosti. Problémy, které se objevují během aplikace, však jen zřídka přitahují pozornost. Tento článek se zaměřuje na analýzu klíčových problémů, které se objevují během aplikace, a navrhuje odpovídající řešení pro referenci.

1. PROBLÉMY, KTERÉ SE VYSKYTUJÍ PŘI APLIKACI NAKLONĚNÝCH ULOŽOVAČŮ TRUBEK

Pokud není distribuce vody na vstupu do usazováku s nakloněnou trubkou stejnoměrná, dojde k vážné turbulenci v pohybu kapaliny v blízkosti vstupu. To způsobuje extrémně vysokou místní rychlost proudění na vstupu, což způsobí, že kal dříve usazený na nakloněných trubkách opět stoupá.

Vnitřní situace usazováku nakloněných trubek během normálního provozu je znázorněna na obrázku 1.

Z obrázku 1 je vidět, že proud vody a proud kalu mají každý své vlastní cesty. Pokud normální provoz pokračuje po dlouhou dobu, pohyb toku kalu je v zásadě blízký dynamické rovnováze:

v této době je účinnost odstraňování SS z odpadní vody dobrá.

Pokud však distribuce proudění na vstupu není dostatečně rovnoměrná, rychlost proudění na některých vstupech trubek se příliš zvýší, což způsobí silné turbulence a zhoršení kvality odtoku.

2. ANALÝZA PROBLÉMU MECHANIKA KAPALINY

Během celého nepříznivého procesu bude tekutina vykazovat situaci znázorněnou na obrázku 2.

Důvody výše uvedeného jevu jsou analyzovány z následujících hledisek.

2.1 Hydraulický rozbor nepříznivého stavu

Ve skutečnosti může být proudění vody a kalu směrem nahoru a dolů v nakloněných trubkách považováno za přibližný jev fluidizace. Předpokládejme, že v je povrchová rychlost vody skrz trubky, u₁ je skutečná rychlost vody procházející částicemi kalu a ε je podíl dutin (vrstvy částic kalu). Potom u₁=v/ε, jak je znázorněno na obrázku 3.

Pokud je prázdný podíl suspendovaných pevných látek malý, skutečná rychlost vody skrz vrstvu částic je relativně vysoká. Pokud je rychlost usazování částic známá jako pevná hodnota u_soubor, podle teorie různých stupňů fluidizace, kdy skutečná rychlost vody vrstvou částic u₁=u_souborfluidní stav je ve fázi s pevným ložem se stabilním podílem dutin ε. Když u₁ > u_souborpůvodní pórovitost ε je porušena, což způsobí zvýšení pórovitosti. U nakloněných trubkových usazováků to znamená, že částice stoupají, což snižuje účinnost separace.

2.2 Analýza různých rychlostí usazování resuspendovaných kalových částic v různých stavech

Částice resuspendovaného kalu existují ve formě ① jednotlivých částic a ② shluků částic různých velikostí (s prázdným podílem ε'). Podle vzorce rychlosti usazování pro jednotlivé částice v oblasti Stokesova zákona:

Pro rychlost usazování shluků částic podle empirického vztahu Steinoura:

kde:

v_t,skupina- rychlost usazování shluků částic, m/s;

t - doba usazování, s;

g - gravitační zrychlení, m/s²;

ρ_s, ρ_L- hustota částic a kapaliny, kg/m³;

D_p- průměr částice, m;

μ - dynamický viskozitní koeficient, kg/(m·s);

ε - prázdný zlomek.

Protože 0 < ε² < 1 a 0 < 10^-1.82(1-ε)< 1, z toho vyplývá, že ε²·10^-1.82(1-ε)< 1, tedy v_t,skupina< v_t.

Podle sedimentační teorie a výše uvedeného důkazu je po resuspendování méně pravděpodobné, že se shluky částic usadí, tj. jsou snadněji unášeny proudem vody, což snižuje účinnost sedimentace.

2.3 Průtokové charakteristiky v nepříznivém stavu

Když nastane nepříznivá situace znázorněná na obrázku 2, při pohledu dolů na vodní hladinu osadníka se rozložení proudění objeví jako na obrázku 4.

Jak ukazuje obrázek 4, na vodní hladině se objevují tři zóny: ① relativně klidná zóna, ② přechodová zóna a ③ zóna silné turbulence. V zóně silné turbulence se může ve vážných případech vodní hladina dokonce vyboulit do malých zakřivených oblouků. Koncentrace SS je zde extrémně vysoká, téměř stejná jako přítok.

2.4 Výsledky testu na místě po korekci na základě výše uvedené analýzy

V určitém projektu čištění odpadních vod byl kvůli výše uvedenému problému odtok spíše zakalený. Po hydraulické analýze a inženýrských opravách, aby bylo rozdělení vody stejnoměrné, se fenomén vloček v odtoku již neobjevil. Výsledky testu jsou uvedeny v tabulce 1.

Tabulka 1 Výsledky testu CHSKcr odpadních vod z určitého závodu

Z tabulky 1 je vidět, že po korekci a rovnoměrné distribuci vody dosáhla rychlost odstraňování CHSKcr poměrně vysoké úrovně.

3. NĚKOLIK BODŮ, KTERÉ JE NUTNÉ ZPOZORNIT U NAKLONĚNÝCH TRUBEK

3.1 Analýza různých částic

U různých částic, jako je sedimentace písku, vločková sedimentace tiskařských a barvicích odpadních vod a sedimentace uhelné kaše, existují kvůli rozdílům v hustotě částic, tvaru a podílu dutin rozdíly v sedimentaci. Částice písku mají poměrně vysokou hustotu a malou velikost, takže se rychle usazují. Vločky z odpadních vod z tisku a barvení mají relativně nízkou hustotu, blízkou vodě, velký tvar a vysoký podíl dutin, takže se usazují pomalu. Mezi nimi spadá uhelná kaše. Proto je pro sedimentaci písku vliv kolísání proudění relativně malý, zatímco pro tisk a barvení odpadních vod je vliv kolísání proudění poměrně velký. Různé částice mají tedy různé požadavky na distribuci proudění. Pro tisk a barvení odpadních vod musí být rozdělení toku na vstupu relativně rovnoměrné.

3.2 Usazováky se šikmými trubkami vyžadují rovnoměrnější rozdělení vody

Protože jsou v usazovací nádrži umístěny šikmé trubky (typicky 35 mm, 50 mm v průměru), když hydraulické rozdělení pod trubkami není rovnoměrné, v důsledku ν=Q/A se rychlost proudění v některých trubkách příliš zvýší, což způsobí nárůst vloček, což má za následek ještě horší kvalitu odtoku než bez trubek. Proto by distribuce vody v nakloněných trubkových usazovácích měla být rovnoměrnější než v běžných sedimentačních nádržích.

3.3 Směr instalace nakloněných trubek by měl být opačný než směr přítoku

Proces vstupu vody do usazováku ze vstupního potrubí zahrnuje náhlé zvětšení průtokového průřezu. Proto proud prochází krátkou změnou. Aby se zabránilo této změně, měl by být směr instalace nakloněných trubek opačný než směr přítoku. To může zmírnit dopad náhlé změny proudění na sedimentační účinnost vloček.