3.2.2. Влияние активированного раствора коагулянта на изменение сил сцепления контактной среды

В технологии очистки воды большое значение имеют физические свойства и параметры взвеси контактной среды: силы взаимного притяжения и сцепления взвеси, объемная и массовая концентрация, плотность, гидравлическая крупность частиц.

Взвесь контактной среды состоит из частиц разного размера. При отстаивании взвеси с малой объемной концентрацией, более крупные частицы оседают значительно быстрее мелких, в результате чего во взвешенном, еще не осевшем слое остается меньше крупных и значительно больше мелких частиц. Концентрация взвеси в не осевшем слое уменьшается.

При большой объемной концентрации расстояния между частицами становятся минимальными, и взвесь начинается осаждаться как единое целое, без разделения на мелкую и крупную взвесь. Оседающая взвесь имеет четко очерченную верхнюю границу и определенную константу концентрации в неосевшем слое. Крупная взвесь, увлекая за собой более мелкую, способствует усреднению скорости осаждения в целом.

При исследовании механизма действия контактной среды необходимо обратить внимание на силы сцепления между частицами взвеси. В результате молекулярного взаимодействия происходит агрегация частиц и задержание на них удаляемых из вод примесей с формированием контактной среды. При этом на границе соприкосновения поверхностных слоев частиц происходит сцепление (адгезия), которое измеряется силой отрыва на единицу площади контакта. Непосредственное измерение может не дать надежных и точных результатов, т.к. отрыв может происходить не по плоскости сил адгезии и поверхность раздела может исчезнуть. К тому же работа адгезии зависит от скорости отрыва и рассеивания энергии вследствие остаточных деформаций.

Для количественной оценки молекулярного взаимодействия, под влиянием которого происходит сближение частиц и последующее их слипание используют метод, в основе которого лежит наблюдение за кинетикой понижения верхней границы слоя взвеси при ее отстаивании и уплотнении в приборе, приведенном на рис. 3.7 [68].

1 - шкала 5 - тангенциальный отросток

2 - отросток для выхода воды 6 - шланг для отбора пробы воды

3 - зажимы 7 - шланг для заполнения прибора чистой водой

4 - стеклянный цилиндр 8 - шланг для выпуска осадка

Исследования были выполнены на модельной воде со следующими качественными показателями: -    сухой остаток, мг/дм - 24406;

- БПКполн, мгО/л - 120;

- ХПК, мг/дм3 - 1020;

- взвешенные вещества, мг/дм - 209,8;

- рН - 7,9;

- азот, мг/дм3 - 157,8;

- нитраты, мг/дм3 - 104,9;

- сульфаты - 1942 мг/дм3;

- температура - 120С.

Опыт проводили в приборе с диаметром 50 мм, высотой цилиндрической части 500 мм. При проведении экспериментов прибор наполняли по шлангу 7 иссле­дуемой водой, обработанной раствором коагулянта (обычным и активированным раствором), вытесняя находящуюся в приборе чистую воду. Модельная вода об­рабатывалась 10% раствором сульфата алюминия в количестве 45 мг/дм (считая на безводный продукт). Для регулирования скорости движения воды в приборе использовали зажим 3 на шланге, через который вытесняется вода, что дало воз­можность избежать дробления хлопьев взвеси на пути движения к прибору. В на­чале отбора пробы первые ее порции выпускались через шланг 8. Далее проводи­лись наблюдения за понижением границы слоя по имеющейся на стенке прибора шкале, с помощью которой фиксируют положение границы до момента ее стабили­зации. По условиям опытов принято, что через 36 минут после начала уплотнения взвеси происходит оседание частиц с гидравлической крупностью 0,2 мм/с. Затем, после смыва осадка из входного конуса, выпускали осевшую на него взвесь в колбу. Величину объемной концентрации можно определить по отношению конечных и начальных значений высоты или объема слоя взвеси в приборе:

С = ^, (3.1)

Н 0

где Н- конечная высота слоя взвеси Н0- начальная высота слоя взвеси, см.

Адгезия и обусловленные ею силы сцепления в значительной мере определяют эффективность действия контактной среды и основные физические параметры образующей ее взвеси.

При исследовании механизма биологической очистки сточных вод с помощью биодисков необходимо обратить внимание на силы сцепления между контактной средой и биодисками; таким образом, к числу основных факторов, влияющих на эффект очистки сточных вод на биодисках, можно отнести силы сцепления контактной среды, которые измеряются силой отрыва на единицу площади контакта.

Явление адгезии и возникшие в результате нее силы сцепления определяют в большей степени эффективность действия контактной среды и физические свойства взвеси. Исследование уплотнения слоя взвеси предоставляет возможность использования результатов наблюдений для определения величины сил сцепления.

В частности, исследование влияния раствора коагулянта (в том числе и активированного) на силы сцепления представляет особый интерес, так как не­посредственно влияет на эффективность очистки на биодисках при биологической очистке дренажных вод, которая является одной из ступеней в предложенной технологической схеме очистки. В виду того, что основной элемент - диски -находится в постоянном движении, очень важным является обеспечение хорошего сцепления органических загрязнений с биопленкой, находящейся в прикрепленном состоянии. Биомодули, создавая обширную поверхность, обеспечивают гидро­динамические условия, при которых отторгнутая биопленка продолжает работать, находясь во взвешенном состоянии. По мере увеличения толщины биопленки нижние слои ее отмирают, а верхние смываются с поверхности вращающихся дисков, и поэтому обеспечение высокой степени сцепления является важной задачей. Результаты опытов приведены в таблице 3.9. Анализ полученных результатов показывает: увеличение объемной концентрации более 25% снижает равномерность распределения потока при том, что отдельные участки осадка перестают пропускать воду. Малые же величины объемной концентрации не способствуют накоплению и структурообразованию контактной среды. При проведении исследований было установлено, что образование структуры происходит при объемных концентрациях 3,5-4,5%.

Таблица 3.9 - Изменение объемной концентрации частиц контактной среды при активации раствора коагулянта сульфата алюминия

 

 

 

 

 

 

Параметры активации

Весовая концентрация, СВ,

мг/дм3

Объемная концентрация,

С0,% мг/дм3

Изменение объемной концентрации, %

Прим.

Напряженность, кА/м

Содержание анодно-раст. железа, мг/дм

тіп

тах

тіп

тах

тіп

тах

Темпера тура

сточной воды 120С

0

0

669

5857

3,5

19,1

150

10,2

858

6532

4,0

23,5

14,3

23,3

325

13,5

939

7936

4,5

26,8

28,6

49,7

650

16,1

831

5182

4,1

16,6

17,1

—13,1

825

17,9

723

5506

3,7

17,8

2,8

—6,8

1025

20,3

615

5830

3,6

18,6

2,86

—2,62

Примечания

•   при С0>17% осадок начинал двигаться всей массой; • начало структурообразования при С0=3,5-4,5%;

• объемный вес 70=175 г/см3.

Кинетика изменения высоты слоя осадка приведена на графике (рис. 3.8), который имеет три основных этапа осаждения коагулируемой взвеси. Процесс осаждения контактной среды протекает достаточно неравномерно и можно выделить три основных этапа осаждения: в начале опыта граница слоя контактной среды понижается с постоянной скоростью, затем скорость постепенно уменьшается. При стабилизации границы слоя скорость постепенно уменьшается доходя до нуля (рис. 3.3). Процессы отстаивания изображены на рис. 3.8.

♦ - Обычный раствор коагулянта

• - Активированный раствор коагулянта

На первом этапе частицы, за исключением нижней части слоя, состоящего, в основном, из осевшей части, сохраняют свои индивидуальные очертания и находят­ся в состоянии циркуляции, т.о. происходит стесненное осаждение взвеси, при этом при использовании активированного раствора коагулянта процесс протекает более интенсивно.

К началу второго этапа процессу отстаивания сопутствует прекращение циркуляции частиц и образование сплошной пространственной структуры. На этом этапе понижение верхней границы слоя связано с постепенным вытеснением воды из пор между частицами до момента, когда плотность структурированной системы приближается к плотности составляющих ее хлопьев. При достижении этой плотности положение верхней границы слоя стабилизируется (3 этап на рис. 3.8). Далее, когда давление, возникаемое под действием силы тяжести, становится боль­ше давления слоя осадка, происходит нарушение прочности каркаса хлопьев взвеси и наблюдается дальнейшее понижение границы слоя, связанное с уменьшением объема и увеличением плотности самих частиц в результате вытеснения воды из ячеек структуры.

Поделив разность между начальной и конечной высотой слоя на П этапе его отстаивания на длительность этого процесса, получаем среднюю скорость пониже­ния верхней границы слоя взвеси Уер при различных величинах исходной высоты слоя Н и давления р. Как показали исследования, скорость Уер с увеличением давления р растет.

Вышеизложенное согласуется с теорией осаждения Е.Ф. Кургаева [68]. При этом согласно данной теории зависимость скорости уплотнения слоя осадка от давления выглядит следующим образом:

Уср = Ар + В. (3.2)

Если бы уплотнение было обусловлено лишь давлением р, т.е.. силой тяжести слоя, то существовала бы зависимость Уср = Ар; наличие величины В указывает

на то, что уплотнение структурированной системы происходит под действием не только силы тяжести (давление р), но и силы молекулярного взаимодействия (адгезии). Согласно выражению 3.2, искомая сила характеризуется величиной Ар -

скоростью уплотнения слоя при давлении силы тяжести = 0, т.е.. в присутствии только сил взаимного притяжения частиц

Где А-коэффициент, учитывающий влияние давления и силу тяжести слоя.

Данная зависимость может быть представлена в виде графика (рис. 3.9):

106т

р, мг/см2

Рис. 3.9 - Скорость уплотнения хлопьевидной взвеси

Таким образом, скорость уплотнения слоя контактной взвеси зависит не только от силы его тяжести, но и от действия сил сцепления между частицами взвеси. Скорость, обусловленная этими силами, равна величине В, при этом уплотнение слоя происходит с определенной скоростью даже в условияхр=о, т.е.. при наличии только сил сцепления. Визуальные наблюдения подтверждают, что структура осевшего слоя взвеси однородна по всей высоте и даже у поверхности слоя, где давление силы тяжести весьма незначительное.

Следовательно, зная величину В, можно определить силу сцепления рсцет, выраженную в виде давления, эквивалентного такой силе тяжести, которая вызывает скорость уплотнения, равную В.

Поделив разность между начальной и конечной высотой слоя в начале и в конце 2 этапа уплотнения на длительность этого процесса, получим среднюю скорость уплотнения. Для уточненного расчета Уср необходимо произвести построение зависимости Уу1Ш=1(т) с последующим определением Уср по следующему выражению:

Уср =—*— \Уупп Лт, (3.3) где Хь т2 - начало и конец 2 этапа уплотнения взвеси.

Полученные в результате расчетов данные наносятся на график в виде зависимости ^р=ц(р). Затем определяется величина В, абсцисса точки с ординатой 2В дает величину сил сцепления рсцепл, мг/см .

Зная величину рсцепл, С0, СВ, определяем величину сил сцепления, которая приходится на единицу веса твердого вещества, образующего каркас хлопьев взвеси, - коэффициент адгезии [68]:

С

Кадг = рсцеп^~:°, мг/см2. (3.4)

СВ

Исходя из данных, полученных в результате выполненных исследований при использовании активированного раствора коагулянта средняя скорость уплотнения контактной среды выше, чем при применении обычного раствора коагулянта, что позволяет сделать вывод об увеличении сил сцепления частиц контактной среды. Это очень важно при работе биодисковых фильтров, к тому же происходит упрочнение хлопьев взвешенного осадка, улучшение его осаждаемости; последнее важно при работе первичного и вторичного отстойников.

Изменение сил сцепления частиц контактной среды при активации раствора сульфата алюминия приведено в таблице 3.10.

Влияние параметров активации раствора коагулянта на качество очистки дре­нажных вод по БПК5, взвешенным веществам и фосфатам приведено в табл. 3.11. Величины доверительного интервала при проведении исследований по влиянию параметров активации на качество очистки дренажных вод приведены в таблице

3.12.

Для наглядности данные таблицы 3.11 приведены в виде графика на рис. 3.10, а изменение эффективности очистки в зависимости от параметров активации - на рис. 3.11.

Установлено: при использовании активированного раствора сульфата алюминия происходит увеличение сил сцепления контактной среды, что влечет за собой интенсификацию процессов очистки воды, повышению эффективности процесса и способствует снижению доз коагулянта при реагентной предподготовке фильтрата.

Таблица 3.10 - Изменение сил сцепления частиц контактной среды при активации раствора сульфата алюминия

 

 

 

Параметры активации

Величина сил сцепления, мг/см

Величина доверительного интервала, а (у=0,95, п=4)

Увеличение сил сцеп., %

Коэффициен т адгезии, Кадг, мг/см

Напряженност ь магнитного поля, кА/м

Содержание анодно-растворенного

железа, мг/дм3

Среднее значение

Результаты отдельных определений

0

0

0,0067

0,0063 0,0065 0,0068 0,0072

0,00645<а<0,00702

-

2,3

150

10,2

0,0077

0,0073 0,0075 0,0079 0,0081

0,00749<а<0,00795

15,1

2,86

325

13,5

0,00820

0,0077 0,0080 0,0083 0,0088

0,00776<а<0,00848

19,6

2,89

650

16,1

0,0090

0,0084 0,0087 0,0092 0,0095

0,00896<а<0,0093

28,5

3,1

825

17,9

0,0094

0,0091 0,0092 0,0095 0,0099

0,00917<а<0,00983

29,8

3,2

1025

20,3

0,0095

0,0092 0,0093 0,0096 0,001

0,00928<а<0,00989

30,3

3,27

Таблица 3.11 - Влияние параметров активации раствора коагулянта на качество очистки дренажных вод по БПК5, взвешенным веществам и фосфатам

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Параметры активации

БПК5

Взвешенные вещества

Фосфаты

Напряжен­ность

Содержание анодно-

растворенног о железа, мг/дм3

Эффектив­ность

Результато тдельных

Среднее

Эффектив­ность

Результаты отдельных

Среднее

Эффектив­ность

Результаты отдельных

Среднее

магнитного поля, кА/м

очистки,

%

определе­ний

значение

очистки,

%

определе­ний

значение

очистки,

%

определе­ний

значение

 

 

 

24,9

 

 

21,8

 

 

9,1

 

 

 

 

25,0

25,2

 

22,2

22,3

 

9,4

9,6

 

 

 

25,2

 

22,5

 

9,7

 

 

 

25,7

 

 

22,7

 

 

10,2

 

125

 

 

21,2

 

 

18,06

 

 

7,85

 

 

9,8

14,6

21,4

21,5

17,2

18,26

18,46

16,1

7,95

8,05

 

21,6

18,66

8,15

 

 

 

21,8

 

 

18,86

 

 

8,25

 

 

 

 

19,45

 

 

16,52

 

 

7,01

 

270

14,2

21,2

19,65

19,85

24,1

16,72

16,92

22,8

7,21

7,41

20,05

17,12

7,61

 

 

 

20,25

 

 

17,32

 

 

7,81

 

 

 

 

17,16

 

 

15,52

 

 

6,86

 

680

17,1

30,3

17,36

17,56

28,6

15,72

15,92

25,4

7,06

7,16

17,76

16,12

7,26

 

 

 

17,96

 

 

16,32

 

 

7,40

 

 

 

 

15,37

 

 

14,18

 

 

6,74

 

850

18,2

37,4

15,67

15,77

34,6

14,38

14,58

26,6

6,94

7,04

15,87

14,78

7,14

 

 

 

16,17

 

 

14,98

 

 

7,34

 

 

 

 

15,10

 

36,3

13,80

 

 

6,69

 

1075

21,3

38,9

15,20

15,40

 

14,10

14,20

27,1

6,89

6,99

15,50

 

14,30

7,09

 

 

 

15,80

 

 

14,50

 

 

7,29

 

Величина доверительного

интервала, а (7=0,95, п=4)

з X рэ -С

Таблица 3.12 - Величины доверительного интервала при проведении исследований по влиянию параметров активации на качество очистки дренажных вод

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Качественный показатель

Параметры активации

Эффективность очистки, %

Величина доверительного интервала

Примечание

Напряженность магнитного поля Содержание анодно-растворенного железа

Среднее значение

Эффективность очистки, %

БПК5

25,2

-

24,95<а<26,15

1. Напряженность магнитного поля,

кА/м / Содержание анодно-растворен-ного железа, мг/дм3

125

9,8

21,5

14,6

20,91<а<21,88

270 14,2

19,85

21,2

19,15<а<20,10

2. Величина доверительного интервала, а (7=0,95, п=4)

680 17,1

17,56

30,3

17,11<а<18,33

850 18,2

15,77

37,4

15,14<а<16,12

 

1075 21,3

15,40

38,9

15,05<а<16,02

 

Взвешенные вещества

22,3

-

21,95<а<22,43

 

125

9,8

18,46

17,2

17,83<а<19,12

 

270 14,2

16,92

24,1

15,35<а<17,54

 

680 17,1

15,92

28,6

15,01<а<16,73

 

850 18,2

14,58

34,6

14,01<а<15,52

 

Продолжение табл. 3.12

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Качественный показатель

Параметры активации

Эффективность очистки, %

Величина доверительного интервала

Примечание

Напряженность магнитного поля Содержание анодно-растворенного

железа

Среднее значение

Эффективность очистки, %

Фосфаты

1075 21,3

14,20

36,3

13,92<а<15,12

 

9,6

-

9,15<а<9,92

 

125

9,8

8,05

16,1

7,73<а<8,43

 

270 14,2

7,41

22,8

6,88<а<7,91

 

680 17,1

7,16

25,4

6,83<а<7,66

 

850 18,2

7,04

26,6

6,33<а<7,63

 

1075 21,3

6,99

27,1

6,11<а<7,55

 

Содержание анодно-растворенного железа, мг/дм3

Рис. 3.l0 - Влияние параметров активации раствора коагулянта на качество очистки дренажных вод по БПК5

взвешенным веществам и фосфатам


 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

чи

40 35 30 25 20 15 10 5 0

 

БПК5 ;

 

 

 

 

 

 

 

37,4

--; -

 

 

взвешенн

34,6

іьіе Е

36,3

зещ

ества;

 

 

30,3

і-

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Фосфаты ;

 

 

 

 

 

 

24

,1

 

 

 

 

 

 

25,4

26,6

27,1

 

 

Ґ

,2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

г2

 

 

 

 

14,6

 

 

 

 

 

 

 

17,2

 

 

 

 

 

 

 

16,1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

0

 

 

 

 

 

 

 

0

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Нап

ряженность,

кА/м

о

 

о

г-

О

оо

о

оо

1075

 

о

5

0

г-

0

оо

0

оо

1075

 

о

5

0

г-

0

оо

0

оо

1075

Содержание анодно-растворенного железа, мг/дм3

о

оо

 

 

оо

 

 

о

оо аГ

 

1,

оо

,1

 

о

оо

 

1,

оо

,1

Рис. 3.11 - Изменение эффективности очистки в зависимости от параметров активации.