Лабораторная работа 10 ОБЕЗВОЖИВАНИЕ И УПЛОТНЕНИЕ

Лабораторная работа 10
ОБЕЗВОЖИВАНИЕ И УПЛОТНЕНИЕ ОСАДКОВ
СТОЧНЫХ ВОД
Цель работы: изучение свойств осадков сточных вод, освоение
методов исследования процессов обезвоживания и уплотнения осадков сточных вод.
Задание. 1. Определить плотность, вязкость и индекс центрифугирования осадка.
2. Определить удельное сопротивление осадка для нескольких
вариантов реагентной обработки.
1. Oбщие положения
Традиционные физико-химические и биологические методы очистки производственных и хозяйственно-бытовых сточных вод приводят к образованию значительного количества отходов  осадков
сточных вод с достаточно низким содержанием сухих веществ  от
0,5 до 7–8%. Поэтому практически все методы переработки, использования или захоронения осадков в качестве одной из основных операций включают обезвоживание. Вследствие сложного состава, характеризующегося содержанием большого количества растворенных
органических и неорганических соединений, лиофильных коллоидных и грубодисперсных частиц, удаление избыточной влаги представляет собой достаточно сложную проблему.
Обезвоживание осадков на вакуум-фильтрах, центрифугах и
фильтр-прессах практически невозможно проводить без предварительного химического кондиционирования. Наиболее эффективными
кондиционирующими веществами для обработки осадков являются
неорганические коагулянты (хлорид железа, соли алюминия, известь)
и высокомолекулярные, диссоциирующие в водном растворе с образованием поликатиона полимеры  катионные полиэлектролиты. Выбор веществ для кондиционирования осадков определяется как свойствами осадка, так и типом используемого оборудования. Учитывая
большое разнообразие осадков, в каждом случае необходима проверка эффективности реагентной обработки применительно к конкретному осадку, выбор оптимального расхода. Последнее особенно важно, так как избыточное количество не только ведет к расточительству
и увеличению расходов, но часто вызывает ухудшение обезвожива115
ния. Для получения информации об эффективности реагентной обработки осадков перед обезвоживанием необходимо установить, как
влияет эта обработка на те свойства, которые определяют водоотдающую способность и лежат в основе выбора конкретного оборудования для обезвоживания и транспортировки осадков.
2. Свойства осадков
2.1. Седиментационные свойства осадков
Седиментационные свойства осадков характеризуют способность
отдавать воду, уплотняться под действием силы тяжести или центробежной силы и определяют возможность использования в процессах
обезвоживания различных типов отстойников и центрифуг. Седиментационные свойства осадков сточных вод характеризуются плотностью твердой фазы и ее дисперсным составом.
Следует отметить, что определение дисперсного состава и плотности твердой фазы осадков сопровождается существенными погрешностями. В процессе анализа разрушаются непрочные связи, соединяющие отдельные частицы в агрегаты, что ведет к ошибкам при
измерениях.
Достаточно простой представляется оценка седиментационных
свойств осадков по комплексу d2, определяемому по седиментационным кривым. С некоторым допущением можно определить, используя формулу Стокса,
(99)
d2 = 18 ·  · hp / g ·  ,
где   разность плотностей дисперсной фазы и дисперсионной среды, кг/м3;
d  диаметр частиц, м;
  динамическая вязкость осадка, Па·с;
hp  путь прохождения частиц, м;
  время оседания частиц, с.
Анализ проводят путем определения мутности системы для одной или нескольких глубин осаждения через определенные интервалы времени.
Приведенные соотношения справедливы лишь для слабоконцентрированных разбавленных суспензий, когда можно рассматривать
свободное осаждение отдельных частиц, что соответствует вязкости
суспензии около 10 Па·с. При выполнении указанных условий анализ
116
гранулометрического состава дисперсной фазы можно проводить
также с использованием торсионных весов.
Седиментационные свойства осадков можно оценить по индексу
центрифугирования i (см3/г) и индексу центробежного осаждения iцо:
(100)
i  (Vк / V0) · С ,
где Vк и V0  объем уплотненного и исходного осадка, см3;
С  концентрация исходного осадка, г/см3.
Индекс центрифугирования определяют при времени центрифугирования 2 мин и факторе разделения  = 6000.
iцо = а / h ,
(101)
где а  тангенс угла наклона прямой, построенной в координатах h  1/;
h  высота слоя фугата, полученная за время  .
Седиментационные свойства активного ила характеризуются
иловым индексом, который определяется как объем ила, уплотненного в цилиндре в течение 30 мин, отнесенный к 1 г сухого вещества.
Чем ниже иловый индекс, тем эффективнее уплотнение осадка в отстойниках, центрифугах и сепараторах. Перед определением илового
индекса исходный активный ил целесообразно разбавлять до концентрации 1 г/л.
2.2. Вязкость осадков
Существенное влияние на седиментационные свойства осадков
оказывает их вязкость, которая в определенной мере характеризует
степень взаимодействия частиц дисперсной фазы. Осадки относятся к
аномально вязким неньютоновским жидкостям.
Наиболее простым и легко воспроизводимым методом оценки
динамической вязкости осадков является метод с использованием падающего груза.
При этом определение проводят в цилиндре заданной высоты и
диаметра. Груз должен иметь плотность выше плотности осадка в
1,52,0 раза. Размеры груза должны быть меньше диаметра цилиндра
на 1520%.
2.3. Фильтруемость осадков
Достаточно полно характеризует фильтруемость осадков удельное сопротивление фильтрации.
117
Удельное сопротивление осадка является обобщенным показателем его фильтруемости и представляет собой сопротивление единицы
массы твердой фазы, отлагающейся на единице площади фильтра при
фильтровании под постоянным перепадом давлений, отнесенное к
вязкости жидкости.
Среднее удельное сопротивление осадка рассчитывают по формуле
(102)
r  b · 2· P · F2 / ( · C) ,
где b  параметр, зависящий от условий опыта, с/м2;
F  площадь фильтрующей поверхности, м2;
  вязкость фильтрата, Па·с;
С  концентрация осадка, кг/м3;
Р  перепад давлений при котором идет фильтрование, Па.
Параметр b определяют по экспериментальным данным из соотношения
(103)
b =   V2 ,
где   продолжительность фильтрации, с;
V  объем образующегося фильтрата, м3.
Указанная формула получена из уравнения Козени  Кармана
при допущениях, что r, , С, р = const, a сопротивление фильтровальной перегородки мало по сравнению с сопротивлением осадка.
3. Описание лабораторной установки и методика выполнения
работы
3.1. Определение вязкости, плотности и концентрации осадка
Динамическую вязкость осадков оценивают на установке, представляющей собой цилиндр высотой 300 мм, диаметром 39 мм и объемом 250 см3. Для определения вязкости фиксируют время, за которое груз, помещенный в осадок, достигнет дна сосуда.
Опыт повторяют не менее трех раз. Осадок перед определением
должен быть однородным, не расслаиваться. Груз должен быть полностью погружен в осадок.
Расчет вязкости производят по формуле
(104)
 = К ·  ·H · (1  2) · (а – b) / b ,
где К  конструктивный коэффициент, который определяют на дистиллированной воде (вязкость и плотность в зависимости от тем118
пературы опыта приведена в приложении 1);
Н  высота (м) и  время (с) падения груза;
1 и 2  плотности груза и жидкости (осадка), кг/м3;
a и b  радиус цилиндра и цилиндрического груза, м.
Плотность осадка определяют с помощью пикнометра объемом
50 см3. Для этого в предварительно взвешенный вместе с пробкой
пикнометр с помощью стеклянной трубки помещают осадок до метки. Пикнометр с осадком взвешивают на аналитических весах с точностью до 0,0001 г.
Определение проводят с использованием трех пикнометров. За
результат принимают среднее значение.
Зная влажность осадка, определяют его концентрацию (кг/м3):
(105)
С = [(100  Wи) / 100] ·,
где Wи  влажность исходного осадка, %;
  его плотность, кг/м3.
3.2. Определение индекса центрифугирования
Индекс центрифугирования характеризует способность осадка
седиментировать, уплотняться в поле центробежной силы и может
служить основой для выбора режима центрифугирования.
Центрифугирование осадка проводят на центрифуге ОС-6. Для
определения индекса центрифугирования в пробирки емкостью
2550 см3 помещают точно по 1530 см3 осадка.
Пробирки (четное число) симметрично располагают в роторе.
Крышка ротора закрывается, гайка ротора заворачивается до отказа.
Затем закрывается крышка центрифуги. После указанных операций
центрифуга подключается к сети. После нажатия кнопки «СЕТЬ»
включаются световые индикаторы «СЕТЬ» и «СТОП». Ручкой
«МИНУТЫ» устанавливается требуемое время центрифугирования
(2 мин).
Затем нажимают кнопку «ЧАСЫ». Устанавливают ручкой
«ОБОРОТЫ» требуемое число оборотов (3000) и нажимают кнопку
«ПУСК». При этом включаются световые индикаторы «ПУСК»,
«ЧАСЫ» и гаснет световой индикатор «СТОП».
После полной остановки ротора открывается крышка центрифуги, снимается крышка ротора и вынимаются пробирки. Для каждой
пробирки определяется объем уплотненного осадка (кека) и по формуле (100) рассчитывается индекс центрифугирования.
119
3.3. Определение удельного сопротивления осадка
Из фильтровальной ткани вырезают круг по диаметру воронки 1
(рис. 29). Помещают ткань в воронку и смачивают, наливая несколько см3 чистой воды. Затем путем кратковременного пуска водоструйного вакуум-насоса 6 ее просушивают, кран 3 при этом находится в
положении I (как показано на рис 29). Осадок, предназначенный для
анализа, тщательно перемешивают, отбирают 100 см3 в мерный цилиндр. Кран 3 закрывают (положение III). Включают вакуум-насос и,
дождавшись установившегося значения вакуума (0,080,1 МПа), заполняют воронку осадком и переводят кран 3 в положение I. При
этом происходит частичное падение вакуума, который затем устанавливается на постоянной величине (0,060,09 МПа). Включают секундомер и записывают начальный объем фильтрата в цилиндре – V0.
I
II
Вода
5
1
6
3
7
4
2
Вода
Рис. 29. Установка для определения удельного сопротивления осадка:
1 – воронка Бюхнера; 2 – мерный цилиндр; 3 – трехходовой кран; 4 – ресивер; 5 – вакуумметр; 6 – водоструйный вакуум-насос; 7 – кран регулирования подачи воды
В течение опыта фиксируют время через каждые 5 см3 объема
фильтрата, накапливающегося в мерном цилиндре 2. Результаты замеров записывают в таблицу 24. Опыт длится не более 1520 мин. С
прекращением пребывания фильтрата или с появлением трещин в
осадке выключают секундомер, обязательно переключают кран 3 в
положение II и только после этого отключают вакуум-насос, прекра120
33
тив подачу воды краном 7. Аккуратно извлекают фильтр с осадком из
воронки и взвешивают с противовесом в один увлажненный фильтр.
Рассчитывают конечную влажность осадка после обезвоживания.
Удельное сопротивление осадка рассчитывают по формуле (102).
Параметр b определяют по графику, построенному в координатах
/V  V. В этом случае представляет собой тангенс угла наклона прямолинейного участка графика к оси абсцисс.
Таблица 24
Результаты фильтрования осадка
, с
0
Объем фильтрата
V ', см3
V0
V = V ' – V0
 V

V'
Эксперимент по определению удельного сопротивления осадка
повторяют несколько раз с различными реагентами (l2(SO4)3, FeCl3,
Са(ОН)2, полиэлектролиты) и по полученным результатам выбирают
лучший реагент для кондиционирования. Опытные и расчетные данные заносят в табл. 25.
Таблица 25
Результаты определение характеристик осадка
Характеристика исходного осадка
Доза
КонкоагуИндекс
Плот- ценУдельное лянта,
ВязВлажцентриность, трасопротив- % сухого
кость, фугироность,
ция,
ление, r0, вещества
,
Wи, %
, Па·с вания, i,
С,
м/кг (см/г) осадка
кг/м3
3
см /г
кг/м3
ВлажУдельное
ность
сопротивпосле
ление после
обезвокоагуляции,
живаr, м/кг
ния, Wк,
(см/г)
%
Вопросы для самоконтроля
1. Источники образования осадков и их характеристика.
2. Характеристики осадков сточных вод, используемые при выборе оборудования для уплотнения и обезвоживания осадков.
3. Способы кондиционирования осадков перед обезвоживанием.
4. Обезвоживание осадков на фильтрах и центрифугах.
121