Problemi del sedimentatore a tubo inclinato: analisi meccanica dei fluidi della cattiva distribuzione del flusso, risospensione dei fanghi e come risolverli

La separazione della sedimentazione, come operazione unitaria, è stata a lungo utilizzata nel controllo del trattamento dell'acqua ed è una tecnologia di trattamento dell'acqua relativamente pratica. Per migliorare l'effetto di separazione della sedimentazione, durante l'uso vengono spesso installati piastre inclinate o tubi inclinati nella zona di sedimentazione, in modo da poter applicare il principio dello strato superficiale, sfruttando l'ampia area e l'elevata efficienza di separazione. Tuttavia, i problemi che sorgono durante l'applicazione raramente hanno attirato l'attenzione. Questo documento si concentra sull'analisi dei problemi chiave che emergono durante l'applicazione e propone soluzioni corrispondenti come riferimento.

1. PROBLEMI CHE SI VERIFICANO DURANTE L'APPLICAZIONE DEI SEDI A TUBO INCLINATO

Se la distribuzione dell'acqua all'ingresso del sedimentatore a tubo inclinato non è uniforme, si verificheranno gravi turbolenze nel movimento del liquido vicino all'ingresso. Ciò provoca una velocità di flusso locale molto elevata in ingresso, facendo risalire i fanghi precedentemente depositati sui tubi inclinati.

La situazione interna di un sedimentatore a tubo inclinato durante il normale funzionamento è mostrata nella Figura 1.

Dalla Figura 1 si può vedere che il flusso dell'acqua e il flusso dei fanghi hanno ciascuno il proprio percorso. Se il funzionamento normale si protrae per lungo tempo, il movimento del flusso dei fanghi è sostanzialmente vicino all'equilibrio dinamico:

in questo momento l'efficienza di rimozione degli SS delle acque reflue è buona.

Tuttavia, se la distribuzione del flusso all'ingresso non è sufficientemente uniforme, la velocità del flusso in alcuni ingressi del tubo diventa troppo elevata, causando gravi turbolenze e il deterioramento della qualità dell'effluente.

2. ANALISI FLUIDO MECCANICA DEL PROBLEMA

Durante l'intero processo sfavorevole, il fluido mostrerà la situazione mostrata nella Figura 2.

Le ragioni del fenomeno sopra descritto vengono analizzate dai seguenti aspetti.

2.1 Analisi idraulica della situazione sfavorevole

Infatti il ​​flusso ascendente e discendente dell'acqua e dei fanghi nei tubi inclinati può essere considerato un fenomeno approssimativo di fluidificazione. Supponiamo che v sia la velocità superficiale dell'acqua attraverso i tubi, u₁ sia la velocità effettiva dell'acqua attraverso le particelle di fango e ε sia la frazione di vuoto (dello strato di particelle di fango). Quindi u₁=v/ε, come mostrato nella Figura 3.

Se la frazione di vuoti dei solidi sospesi è piccola, la velocità effettiva dell'acqua attraverso lo strato di particelle è relativamente elevata. Se la velocità di sedimentazione delle particelle è nota come valore fisso u_impostato, secondo la teoria dei vari stadi di fluidificazione, quando la velocità effettiva dell'acqua attraverso lo strato di particelle u₁=u_impostato, lo stato fluidizzato è in uno stadio di letto fisso con una frazione di vuoti stabile ε. Quando u₁ > u_impostato, la frazione di vuoti originaria ε viene rotta, provocando un aumento della frazione di vuoti. Per un sedimentatore a tubo inclinato, ciò significa che le particelle salgono, riducendo l'efficienza di separazione.

2.2 Analisi delle diverse velocità di sedimentazione delle particelle di fango risospese in vari stati

Le particelle di fango risospese si presentano sotto forma di ① singole particelle e ② cluster di particelle di diverse dimensioni (con frazione di vuoti ε'). Secondo la formula della velocità di sedimentazione per le singole particelle nella regione della legge di Stokes:

Per la velocità di sedimentazione dei cluster di particelle, secondo la relazione empirica di Steinour:

Dove:

v_t,gruppo- velocità di sedimentazione dei cluster di particelle, m/s;

t - tempo di assestamento, s;

g - accelerazione gravitazionale, m/s²;

ρ_s, ρ_L- densità di particelle e liquido, kg/m³;

D_p- diametro delle particelle, m;

μ - coefficiente di viscosità dinamica, kg/(m·s);

ε - frazione vuota.

Poiché 0 < ε² < 1 e 0 < 10^-1.82(1-ε)< 1, ne consegue che ε²·10^-1.82(1-ε)< 1, quindi v_t,gruppo< v_t.

Secondo la teoria della sedimentazione e le prove di cui sopra, dopo essere stati risospesi, gli ammassi di particelle hanno meno probabilità di depositarsi, cioè vengono trasportati più facilmente dal flusso d'acqua, riducendo l'efficienza della sedimentazione.

2.3 Caratteristiche del flusso in stato sfavorevole

Quando si verifica la situazione sfavorevole mostrata in Figura 2, guardando la superficie dell'acqua del sedimentatore, la distribuzione del flusso appare come in Figura 4.

Come mostrato nella Figura 4, sulla superficie dell'acqua compaiono tre zone: ① una zona relativamente calma, ② una zona di transizione e ③ una zona di forte turbolenza. Nella zona di forte turbolenza, nei casi più gravi, la superficie dell'acqua può anche gonfiarsi in piccoli archi curvi. La concentrazione di SS qui è estremamente alta, quasi uguale a quella dell'influente.

2.4 Risultati dei test in-luogo dopo la correzione basata sull'analisi di cui sopra

In un certo progetto di trattamento delle acque reflue, a causa del problema sopra menzionato, l'effluente era piuttosto torbido. Dopo analisi idrauliche e correzioni impiantistiche per uniformare la distribuzione dell'acqua, nell'effluente non si è più manifestato il fenomeno della risalita dei fiocchi. I risultati dei test sono mostrati nella Tabella 1.

Tabella 1 Risultati del test CODcr delle acque reflue di un determinato impianto

Dalla Tabella 1 si può vedere che dopo la correzione e la distribuzione uniforme dell'acqua, il tasso di rimozione del CODcr ha raggiunto un livello relativamente elevato.

3. ALCUNI PUNTI DA OSSERVARE SUI SEDI A TUBO INCLINATO

3.1 Analisi di diverse particelle

Per particelle diverse, come la sedimentazione della sabbia, la sedimentazione dei fiocchi delle acque reflue di stampa e tintura e la sedimentazione dei liquami di carbone, a causa delle differenze nella densità delle particelle, nella forma e nella frazione di vuoti, esistono differenze nella sedimentazione. Le particelle di sabbia hanno una densità relativamente elevata e dimensioni ridotte, quindi si depositano rapidamente. I fiocchi provenienti dalle acque reflue di stampa e tintura hanno una densità relativamente bassa, vicina a quella dell'acqua, una forma grande e un'elevata frazione di vuoti, quindi si depositano lentamente. Il liquame di carbone cade tra i due. Pertanto, per la sedimentazione della sabbia, l'influenza delle fluttuazioni di flusso è relativamente piccola, mentre per le acque reflue di stampa e tintura, l'influenza delle fluttuazioni di flusso è relativamente grande. Pertanto, particelle diverse hanno requisiti diversi per la distribuzione del flusso. Per le acque reflue di stampa e tintura, la distribuzione del flusso all'ingresso deve essere relativamente uniforme.

3.2 I sedimentatori a tubo inclinato richiedono una distribuzione dell'acqua più uniforme

Poiché i tubi inclinati (tipicamente 35 mm, 50 mm di diametro) vengono posizionati nel sedimentatore, quando la distribuzione idraulica sotto i tubi non è uniforme, a causa di ν=Q/A, la velocità del flusso diventa troppo elevata in alcuni tubi, causando l'innalzamento dei fiocchi, con conseguente qualità dell'effluente addirittura peggiore di quella senza tubi. Pertanto, la distribuzione dell'acqua nei sedimentatori a tubi inclinati dovrebbe essere più uniforme rispetto alle normali vasche di sedimentazione.

3.3 La direzione di installazione dei tubi inclinati deve essere opposta alla direzione di afflusso

Il processo in cui l'acqua entra nel sedimentatore dal tubo di ingresso comporta un improvviso allargamento della sezione trasversale del flusso-. Pertanto il flusso subisce una breve variazione. Per evitare questo cambiamento, la direzione di installazione dei tubi inclinati dovrebbe essere opposta alla direzione di afflusso. Ciò può mitigare l'impatto dell'improvviso cambiamento di flusso sull'efficienza di sedimentazione dei fiocchi.