ته‌نشینی

1-شرح فرآیند

ذرات معلق یکی از مهمترین آلاینده های انواع فاضلاب ها هستند که یکی از بهترین روش های حذف آنها استفاده از فرآیند ته نشینی است. فرآیند ته نشینی یک فرآیند فیزیکی است که طی آن ذرات معلقی که دارای چگالی بیشتری نسبت به آب هستند، تحت اثر نیروی جاذبه به سمت پایین سقوط کرده و از جریان فاضلاب حذف می شوند. سقوط ذرات و تجمع آنها در کف باعث زلال شدن فاضلاب شده که به همین علت گاهی به این فرآیند ((زلال سازی)) نیز گفته می شود.
در تصفیه فاضلاب از فرآیند ته نشینی برای جداسازی انواع دانه ها، ذرات معلق، لخته های میکروبی، تغلیظ لجن و لخته های ناشی از ترسیب شیمیایی استفاده می شود. به علت سادگی مکانیزم عملکرد، فرآیند ته نشینی یک فرآیند کم هزینه برای جداسازی انواع ذرات معلق و لخته ها است. از این رو در سیستم های تصفیه فاضلاب معمولاً یکی از واحدهای اولیه در خط تصفیه واحد ته نشینی است. به کمک فرآیند ته نشینی می توان بخشی از آلاینده های معلق فاضلاب را با هزینه بسیارکمی نسبت به سایر روش ها حذف نمود.

 

2- روابط حاکم بر فرآیند ته نشینی

     هنگامی که یک ذره در داخل یک سیال قرار می گیرد، دو نیروی اصلی بر ذره وارد می شود. نیروی اول ناشی از جاذبه زمین است که ذره را به سمت پایین می کشد. اما نیروی دوم ناشی از گرانروی (لزجیت) سیال است که در مقابل حرکت رو به پایین ذره مقاومت می کند. در واقع یک ذره هنگامی ته نشین می شود که نیروی جاذبه زمین بیش از نیروهای اینرسی و گرانروی سیال باشد.
اگر یک ذره معلق مجزا را در فاضلاب در نظر بگیریم، جاذبه زمین متناسب با جرم آن ذره نیرویی را به ذره وارد کرده و آن را به سمت پایین می کشد. مقدار این نیرو را می توان با استفاده از رابطه زیر بدست آورد.


FG=(ρpw )gVp

که در رابطه فوق:
FG: نیروی جاذبه برحسب (kg.m/s2)
ρp: چگالی ذره برحسب (kg/m3)
ρw: چگالی آب برحسب (kg/m3)
g: شتاب ثقل برحسب (m/s2)
Vp: حجم ذره برحسب (m3)

 

     بنابراین همانطور که در معادله بالا ملاحظه می شود، مقدار نیروی جاذبه به چگالی و حجم ذره بستگی دارد. از سوی دیگر مقدار نیروی اصطکاکی ناشی از گرانروی سیال را می توان از طریق معادله ذیل محاسبه نمود.


Fd=(Cd × Ap ×  ρw × Vp2)/2


که در رابطه فوق:
Fd: نیروی اصطکاکی ناشی از گرانروی سیال (kg.m/s2)
Cd: ضریب درگ (ایستایی)
Ap: سطح مقطع ذره در راستای جریان برحسب (m2)
νp: سرعت ته نشینی ذره برحسب (m/s)

     همزمان با اعمال نیروی جاذبه بر ذره، ذره شروع به حرکت به سمت پایین کرده و سرعت سقوط آن افزایش می یابد. این افزایش سرعت تا زمانی ادامه می یابد که مقدار نیروی جاذبه با مقدار نیروی اصطکاکی ناشی از گرانروی سیال برابر شود. در این حالت ذره به سرعت نهایی خود رسیده و با سرعت ثابت به سمت پایین حرکت کرده و ته نشین می شود. بنابراین با مساوی قراردادن این دو نیرو و با فرض کروی شکل بودن ذره رابطه نیوتن بصورت ذیل حاصل خواهد شد.

 

υp=√(4g/(3 Cd ) ((ρpw)/ρw ) ) dp


که در رابطه فوق

dp: قطر ذره برحسب (m) است.

     چنانچه در رابطه نیوتن ملاحظه می شود، سرعت ته نشینی ذره به ضریب درگ (Cd) بستگی دارد. مقدار این ضریب خود تابعی از عدد رینولدز و شکل ذره است. اگر مقدار عدد رینولدز کمتر از یک باشد (ذرات کوچک و سرعت کم) برای محاسبه ضریب درگ می توان از رابطه ذیل استفاده کرد.

Cd=24/NRe


که در این رابطه NRe مقدار عدد رینولدز است. از طرفی مقدار عدد رینولدز را می توان از رابطه ذیل محاسبه کرد.

NRe=(υ.d.ρ)/μ



     که در این رابطه μ گرانروی دینامیکی سیال است. با قراردادن این رابطه در رابطه نیوتن، رابطه ذیل بدست می آید که به آن قانون استوکس می گویند.

 

υp=(ρpw)/(18 μ) g dp2



3- طراحی واحدهای ته نشینی

نوع لجن
جدول راهنمای پارامترهای اساسی در طراحی واحدهای ته نشینی
ردیف پارامتر واحد نوع لجن
بدون لجن برگشتی
با لجن برگشتی
1  زمان ماند ساعت 1.5-2.5
1.5-2.5
2 نرخ بار سطحی در دبی متوسط m3/m2.hr 30-50
24-32
در دبی حداکثر
80-120
48-70
3 نرخ بار سرریز ساعت 125-500
125-500

با استفاده از قانون استوکس، واحدهای ته نشینی برای جداسازی تمامی ذراتی که دارای سرعت ته نشینی برابر با بیشتر از υp هستند، طراحی می شوند. براین اساس سطح لازم برای واحد ته نشینی از رابطه ذیل بدست می آید.


A=Q/υp


که در این رابطه:
A: سطح مقطع حوض ته نشینی برحسب متر
Q: دبی برحسب مترمکعب بر ساعت
υp    : سرعت ته¬نشینی (بارسطحی) برحسب  متر بر ساعت

     در طراحی تصفیه خانه های فاضلاب مقدار بار سطحی را در مخازن ته نشینی اولیه معمولاً 1.35 – 1 متر بر ساعت و مقدار زمان ماند را 2.5-1.5 ساعت در نظر می گیرند.


4- انواع ته نشینی


ته نشینی مجزا

     اگر یک ذره در حین ته نشینی با دیگر ذرات برخورد نداشته و اندازه و یا چگالی آن تغییر نکند به آن ته نشینی مجزا می گویند. در این حالت سرعت ته نشینی همواره ثابت بوده و ذره یک خط مستقیم را در حین فرآیند ته نشینی طی خواهد نمود.

ته نشینی مجزا یک حالت ایده آل از فرآیند ته نشینی است چراکه در واقعیت معمولاً ذرات در حین سقوط به یکدیگر چسبیده و تشکیل ذرات و لخته های بزرگتری را می دهند.

 

ته نشینی لخته ای

ته نشینی لخته ای زمانی روی می دهد ذرات حین ته نشینی به هم چسبیده و بدین علت سرعت ته نشینی ذرات افزایش می یابد. همزمان با ته نشینی با چسبیدن ذرات دیگر و ایجاد ذرات درشت تر، سرعت ته نشینی هم افزایش یافته و بدین علت مسیر ته نشینی ذره بصورت منحنی وار خواهد بود.
در ته نشینی مجزا راندمان حذف فقط به نرخ بارسطحی بستگی دارد ولی در ته نشینی لخته ای راندمان حذف هم به نرخ بارسطحی و هم به زمان ماند وابسته است. افزایش زمان ماند باعث تشکیل لخته های بزرگتر و درنتیجه ته نشینی بهتر ذرات معلق خواهد شد.
از آنجا که آنالیز ریاضی فرآیند ته نشینی لخته ای امکانپذیر نیست لذا انجام مطالعات آزمایشگاهی به منظور بدست آوردن پارامترهای مورد نیاز طراحی فرآیند ضروری است.

 

ته نشینی ناحیه ای

در شرایطی که غلظت موادمعلق و لخته ها بیش از 500 میلیگرم در لیتر باشد، ته نشینی بصورت یک ناحیه از ذرات به هم چسبیده انجام می شود. این شرایط معمولا در کف مخازن ته نشینی ثانویه و در زلال سازهای ترسیب شیمیایی اتفاق می افتد و در نتیجه آن یک حد فاصل مشخصی بین لخته ها و آب بوجود می آید.
در منطقه ته نشینی ناحیه ای به علت افزایش جرم حجمی و لزجیت ناحیه اطراف ذرات، سرعت ته نشینی کاهش می یابد.

 

ته نشینی تراکمی

زمانیکه غلظت جامدات بسیار زیاد شود، در عمل فرآیند ته نشینی تنها در نتیجه تراکم ذرات و خروج آب از میان آنها اتفاق می افتد. ته نشینی تراکمی معمولاً در لایه های زیرین مخازن ته نشینی اتفاق افتاده و هرچه عمق این مخازن بیشتر باشد، تراکم بیشتری در جامدات و لخته ها بوجود خواهد آمد.