Д.т.н. Гришин Б. М., к.т.н. Салмин С.М., Антонова Е.А., Самсонова А.В.

Пензенский государственный университет архитектуры и строительства, Россия

О кинетике процесса коагуляции примесей воды на крупнозернистой контактной загрузке

Контактная коагуляция является весьма широко применяемым технологическим процессом при очистке природных вод поверхностных источников.

Осуществлять контактную коагуляцию с высокими скоростями движения воды в турбулентном режиме фильтрования возможно при использовании в смесительных устройствах контактных камер с крупнозернистой загрузкой (d > 5-7 мм), обладающей низким гидравлическим сопротивлением [1]. При турбулентном фильтровании обработанной коагулянтом загрязнённой воды сопротивление контактной крупнозернистой загрузки вначале растёт, а потом стабилизируется и в дальнейшем не изменяется, что соответствует состоянию предельной насыщенности порового пространства загрузки отложениями (осадком). При фильтровании природной воды, обработанной коагулянтом, через грубозернистую контактную массу в условиях предельного насыщения порового пространства загрязнениями (осадком) концентрация С₁ микрохлопьев в воде, поступающей на слой контактной загрузки, равна концентрации С₂ хлопьев на выходе из него (рис.1). При попадании микрохлопьев в поровое пространство крупнозернистой загрузки происходит их прилипание к зернам загрузки с образованием адсорбционного слоя. Одновременно происходит процесс отрыва более крупных хлопьев от адсорбционного слоя осадка, их перенос в нижележащие слои загрузки и в дальнейшем вынос из контактной камеры.

Между параметрами микрохлопьев, входящих в слой контактной массы и хлопьев, выходящих из него, существует соотношение (рис. 1)

Рис. 1. Схема контактной камеры с крупнозернистой загрузкой:

1 – корпус камеры; 2 – крупнозернистая загрузка (контактная масса); 3, 4 – подача и отвод коагулируемой воды

, (1) где ρ₁, n₁ и ρ₂, n₂ – соответственно плотности и численные концентрации микрохлопьев в воде, поступающей на зернистый слой и хлопьев, образующихся после контактной коагуляции; d_mf – диаметр микрохлопьев в коагулированной воде до начала процесса контактной коагуляции; d_f – диаметр хлопьев, находящихся в воде на выходе из контактного слоя; α_f – коэффициент, характеризующий степень уплотнения микрохлопьев, .

Перепишем уравнение (1) в виде

. (2)

Е.Д. Бабенков на основании анализа уравнений кинетики коагуляции вывел соотношение для определения среднего диаметра образующихся хлопьев [2]

, (3)

где k₁ – константа, характеризующая отношение интенсивности прилипания и отрыва микрохлопьев; G – градиент скорости перемешивания; n_l – осреднённое количество первичных частиц гидролиза коагулянта в микрохлопьях скоагулированной взвеси, влияющее на крупность агрегата; Ф – объемное содержание твёрдой фазы в агрегатах скоагулированной взвеси.

В соответствии с (3) можно записать приблизительное соотношение

. (4)

Подставляя (4) в (2) получим

. (5)

В работе [2] даётся зависимость Ф=f(G), удовлетворительно соответствующая уравнению

Ф=, (6)

где β_f – константа; x – показатель степени, изменяющийся от 0,49 до 0,67 при увеличении градиента скорости.

Выражение для скоростного градиента записывается следующим образом [3]

(7)

где υ– скорость фильтрования, м/с; m – пористость фильтрующего слоя загрязнённого осадком; i– гидравлический уклон в загрузке; ν – кинематическая вязкость.

Подставляя значения Ф, G из (6), (7) в (5) получим при x=0,5

. (8)

Анализ формулы (8) показывает, что при увеличении скорости фильтрования и гидравлического сопротивления загрузки интенсивность укрупнения хлопьев снижается, поэтому верхний предел υ при контактной коагуляции должен быть ограничен для каждого конкретного случая по результатам экспериментальных данных.

Полученные математические зависимости, позволяют оценить влияние различных факторов на степень укрупнения микрохлопьев в контактной камере.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Гришин, Б.М. Закономерности изменения гидравлического сопротивления крупнозернистой контактной загрузки при фильтровании водной суспензии [Текст] / Б.М. Гришин, С.Ю. Андреев, С.М. Салмин // Региональная архитектура и строительство. – 2013, №1.

2. Бабенков, Е.Д. Влияние степени дисперсности примесей на физические параметры коагулированной взвеси [Текст] / Е.Д. Бабенков // Химия и технология воды. – 1983, т.5, №1.

3. Салмин, С.М. Коагуляция примесей природных вод с использованием крупнозернистой контактной загрузки. Дисс. канд. техн. наук [Текст] / С.М. Салмин. – Пенза: ПГУАС, 2015.