مشکلات ته نشین کننده لوله شیبدار: تجزیه و تحلیل مکانیک سیالات توزیع نادرست جریان، تعلیق مجدد لجن، و نحوه رفع آن

جداسازی رسوب، به عنوان یک عملیات واحد، از دیرباز در کنترل تصفیه آب مورد استفاده قرار گرفته است و یک فناوری تصفیه آب نسبتا کاربردی است. برای بهبود اثر جداسازی رسوب، صفحات شیبدار یا لوله های شیبدار اغلب در حین استفاده در منطقه ته نشینی نصب می شوند، به طوری که می توان از اصل لایه کم عمق استفاده کرد و از مساحت بزرگ و راندمان جداسازی بالا استفاده کرد. با این حال، مشکلاتی که در حین استفاده ایجاد می شود به ندرت توجه را به خود جلب کرده است. این مقاله بر تجزیه و تحلیل مشکلات کلیدی که در طول کاربرد ظاهر می شوند تمرکز می کند و راه حل های مربوطه را برای مرجع پیشنهاد می کند.

1. مشکلات رخ داده در طول استفاده از ته نشین کننده های لوله شیبدار

اگر توزیع آب در ورودی ته نشین کننده لوله شیبدار یکنواخت نباشد، تلاطم جدی در حرکت مایع در نزدیکی ورودی رخ می دهد. این باعث می شود که سرعت جریان موضعی بسیار بالایی در ورودی ایجاد شود و لجنی که قبلاً روی لوله های شیبدار رسوب کرده بود دوباره بالا بیاید.

وضعیت داخلی یک ته نشین کننده لوله شیبدار در طول عملیات عادی در شکل 1 نشان داده شده است.

از شکل 1 می توان دریافت که جریان آب و جریان لجن هر کدام مسیرهای مخصوص به خود را دارند. اگر عملیات عادی برای مدت طولانی ادامه یابد، حرکت جریان لجن اساساً نزدیک به تعادل دینامیکی است:

در این زمان راندمان حذف SS از فاضلاب خوب است.

با این حال، اگر توزیع جریان در ورودی به اندازه کافی یکنواخت نباشد، سرعت جریان در برخی از ورودی‌های لوله بسیار زیاد می‌شود و باعث آشفتگی شدید و بدتر شدن کیفیت پساب می‌شود.

2. تجزیه و تحلیل مکانیک سیالات مسئله

در طول کل فرآیند نامطلوب، سیال وضعیت نشان داده شده در شکل 2 را نشان می دهد.

دلایل پدیده فوق از جنبه های زیر تحلیل می شود.

2.1 تجزیه و تحلیل هیدرولیک از وضعیت نامطلوب

در واقع، جریان رو به بالا و پایین آب و لجن در لوله های شیبدار را می توان به عنوان یک پدیده سیال شدن تقریبی در نظر گرفت. فرض کنید v سرعت سطحی آب از طریق لوله ها، u1 سرعت واقعی آب از طریق ذرات لجن، و ε کسری خالی (لایه ذرات لجن) است. سپس u1=v/ε، همانطور که در شکل 3 نشان داده شده است.

اگر کسر خالی از جامدات معلق کوچک باشد، سرعت واقعی آب از طریق لایه ذرات نسبتاً زیاد است. اگر سرعت ته نشینی ذرات به عنوان مقدار ثابت u شناخته شود_مجموعهطبق تئوری مراحل مختلف سیال شدن، زمانی که سرعت واقعی آب از طریق لایه ذرات u1=u_مجموعه، حالت سیال در یک مرحله بستر ثابت با کسر فضای خالی ε است. وقتی u₁ > u_مجموعه، کسر خالی اولیه ε شکسته شده و باعث افزایش کسر خالی می شود. برای یک ته نشین کننده لوله شیبدار، این بدان معنی است که ذرات بالا می روند و کارایی جداسازی را کاهش می دهند.

2.2 تجزیه و تحلیل سرعت های مختلف ته نشینی ذرات لجن معلق مجدد در حالت های مختلف

ذرات لجن معلق مجدد به شکل ① ذرات منفرد و ② خوشه های ذرات با اندازه های مختلف (با کسر خالی ε') وجود دارند. با توجه به فرمول سرعت ته نشینی برای ذرات منفرد در ناحیه قانون استوکس:

برای سرعت ته نشینی خوشه های ذرات، با توجه به رابطه تجربی Steinour:

کجا:

v_{تی، گروه}- سرعت ته نشینی خوشه های ذرات، m/s.

t - زمان ته نشین شدن، s.

g - شتاب گرانشی، m/s²؛

ρ_s, ρ_L- چگالی ذرات و مایع، کیلوگرم بر متر مکعب؛

D_p- قطر ذرات، متر؛

μ - ضریب ویسکوزیته دینامیکی، کیلوگرم / (m·s)؛

ε - کسر خالی.

از آنجایی که 0 < ε² < 1 و 0 < 10^-1.82(1-ε)< 1، نتیجه می شود که ε²·10^-1.82(1-ε)< 1، از این رو v_{تی، گروه}< v_t.

با توجه به تئوری ته نشینی و اثبات فوق، خوشه های ذرات پس از معلق شدن مجدد، کمتر ته نشین می شوند، یعنی به راحتی توسط جریان آب منتقل می شوند و بازده ته نشینی را کاهش می دهند.

2.3 ویژگی های جریان در حالت نامطلوب

هنگامی که وضعیت نامطلوب نشان داده شده در شکل 2 رخ می دهد، با نگاه کردن به سطح آب ته نشین کننده، توزیع جریان مانند شکل 4 ظاهر می شود.

همانطور که در شکل 4 نشان داده شده است، سه ناحیه روی سطح آب ظاهر می شود: ① یک منطقه نسبتا آرام، ② یک منطقه انتقال، و ③ یک منطقه تلاطم شدید. در منطقه تلاطم شدید، در موارد جدی، سطح آب حتی ممکن است به قوس های منحنی کوچک برآمده شود. غلظت SS در اینجا بسیار بالا است، تقریباً مشابه با نفوذ.

2.4 نتایج آزمایش در محل پس از اصلاح بر اساس تجزیه و تحلیل فوق

در یک پروژه تصفیه فاضلاب خاص، به دلیل مشکل فوق، پساب نسبتاً کدر بود. پس از تجزیه و تحلیل هیدرولیکی و اصلاح مهندسی برای یکنواخت کردن توزیع آب، پدیده افزایش لخته‌ها دیگر در پساب ظاهر نشد. نتایج آزمون در جدول 1 نشان داده شده است.

جدول 1 نتایج آزمایش CODcr فاضلاب یک کارخانه خاص

از جدول 1 می توان دریافت که پس از اصلاح و توزیع یکنواخت آب، میزان حذف CODcr به سطح نسبتاً بالایی رسید.

3. چند نکته قابل توجه برای ته نشین کننده های لوله شیبدار

3.1 تجزیه و تحلیل ذرات مختلف

برای ذرات مختلف مانند رسوب ماسه، رسوب لخته فاضلاب چاپ و رنگرزی و ته نشینی دوغاب زغال سنگ، به دلیل تفاوت در چگالی ذرات، شکل و کسر خالی، تفاوت هایی در ته نشینی وجود دارد. ذرات شن چگالی نسبتاً زیاد و اندازه کوچکی دارند، بنابراین به سرعت ته نشین می شوند. لخته های حاصل از فاضلاب چاپ و رنگرزی دارای چگالی نسبتا کم، نزدیک به آب، شکل بزرگ و کسر خالی زیاد هستند، بنابراین به آرامی ته نشین می شوند. دوغاب زغال سنگ بین این دو قرار می گیرد. بنابراین، برای رسوب شن، تاثیر نوسانات جریان نسبتا کم است، در حالی که برای چاپ و رنگرزی فاضلاب، تاثیر نوسانات جریان نسبتا زیاد است. بنابراین، ذرات مختلف نیازهای متفاوتی برای توزیع جریان دارند. برای چاپ و رنگرزی فاضلاب، توزیع جریان در ورودی باید نسبتاً یکنواخت باشد.

3.2 ته نشین کننده های لوله شیب دار نیاز به توزیع یکنواخت آب دارند

از آنجایی که لوله های شیب دار (معمولاً 35 میلی متر با قطر 50 میلی متر) در ته نشین قرار می گیرند، هنگامی که توزیع هیدرولیک زیر لوله ها یکنواخت نیست، به دلیل ν=Q/A، سرعت جریان در برخی از لوله ها بسیار زیاد می شود و باعث افزایش لخته ها می شود و در نتیجه کیفیت پساب حتی بدتر از آن بدون لوله می شود. بنابراین، توزیع آب در ته نشین های لوله شیبدار باید یکنواخت تر از مخازن رسوب گذاری معمولی باشد.

3.3 جهت نصب لوله های شیبدار باید مخالف جهت ورودی باشد

فرآیند ورود آب به ته نشین از لوله ورودی شامل بزرگ شدن ناگهانی مقطع جریان است. بنابراین، جریان دستخوش تغییر مختصری می شود. برای جلوگیری از این تغییر، جهت نصب لوله های شیبدار باید خلاف جهت ورودی باشد. این می تواند تأثیر تغییر ناگهانی جریان را بر راندمان ته نشینی لخته ها کاهش دهد.