В сточных водах содержится значительное количество нераство-ренных минеральных примесей (песка, шлака, боя стекла и др.). При совместном выделении минеральных и органических примесей в отстойниках затрудняется удаление осадка и уменьшается его текучесть. При этом могут происходить разделение осадка на тяжелую (песок с большой плотностью) и легкую (органическую с небольшим удельным весом) части и накопление песка в отстойниках. Для удаления такого осадка требуются усиленные скребки. Осадок, содержащий песок, плохо транспортируется по трубопроводам, особенно самотечным. Песок накапливается и в метантенках, выводя из работы полезные объемы, предназначенные для сбраживания органических осадков. Производительность метантенков снижается, а выгрузка песка из них сопряжена с большими трудностями. Возможны затруднения в работе и последующих сооружений в случае попадания в них песка. Поэтому в составе очистных сооружений за решетками проектируются специальные сооружения, называемые песколовками. Они предназначены для выделения из сточных вод нерастворенных минеральных примесей (песка, шлака, боя стекла и др.). Выделение песка в них происходит под действием силы тяжести.

По направлению движения воды песколовки подразделяются на горизонтальные, вертикальные и с вращательным движением жидкости; последние на тангенциальные и аэрируемые.

Горизонтальные песколовки представляют собой удлиненные в плане сооружения с прямоугольным поперечным сечением (рис. 10.7). Другими важнейшими элементами песколовок являются: входная часть песколовки, представляющая собой канал, ширина которого равна ширине самой песколовки; выходная часть, представляющая собой канал, ширина которого сужена от ширины песколовки до ширины отводящего канала; бункер для сбора осадка, обычно располагаемый в начале песколовки под днищем. Возможно устройство бункера и над песколовкой.

Рис. 10.7. Схема горизонтальной песколовки (продольный разрез):
1 – цепной скребковый механизм; 2 – гидроэлеватор

Песколовки имеют следующее оборудование: механизм для перемещения осадка в бункер, гидроэлеваторы и насосы для удаления осадка из песколовки и транспорта его к месту обезвоживания или другой обработки. Механизмы применяются двух типов: цепные или тележечные. Цепные механизмы состоят из двух бесконечных цепей, расположенных по краям песколовки, с закрепленными на них скребками. У днища скребки перемещаются в сторону бункера (против направления течения воды), перемещая при этом осадок. Цепи и скребки над песколовкой перемещаются в ее конец (по течению воды). Механизмы тележечного типа состоят из тележки, перемещаемой над песколовкой по двум рельсам или монорельсу вперед и назад, на которой подвешивается скребок. При возвратном движении скребок поднимается. Механизмы для перемещения осадка сложны и ненадежны, так как эксплуатируются над водой во влажной среде. Некоторые их конструкции имеют подвижные элементы под водой.

Осадок в бункеры может перемещаться с помощью гидромеханических систем. Они представляют собой уложенные по днищу в лотках смывные трубопроводы со спрысками, сориентированными в сторону бункеров для сбора осадка. В этом случае бункеры выполняются в виде круглых тангенциальных песколовок. Схема песколовки с гидромеханической системой представлена на рис. 10.8. При подаче воды в гидромеханическую систему и истечении воды из спрысков осадок у днища разжижается (псевдоожижается), а затем смывается в сторону бункера. Взмучивание осадка не происходит, напротив, идет подсос к днищу верхних слоев осадка и последующий смыв их в бункер.

Рис. 10.8. Схема горизонтальной песколовки с гидромеханической системой удаления осадка:
1 – проточная часть песколовки; 2 – песковой лоток; 3 – смывной трубопровод; 4 – перегородка; 5 – песковой бункер

Стремление к упрощению выгрузки осадка из песколовок привело к созданию горизонтальной песколовки с круговым движением воды (рис. 10.9). Проточная часть песколовки в поперечном сечении имеет в верхней части прямоугольную форму, а в основании — треугольную со щелью внизу. Весь улавливаемый осадок проваливается через щель в осадочную часть, имеющую коническую форму. Для выгрузки осадка достаточно установки гидроэлеватора.

Рис. 10.9. Горизонтальная песколовка с круговым движением воды:
1 – гидроэлеватор; 2 – трубопровод для отвода всплывающих примесей; 3 – желоб; 4 – затворы; 5 – подводящий лоток; 6 – пульпопровод; 7 – трубопровод рабочей жидкости; 8 – камера переключения; 9 – устройство для сбора всплывающих примесей; 10 – отводящий лоток; 11 – полупогружные щиты

Рис. 10.10. Вертикальная песколовка с вращательным движением сточной воды:
1 – подводящий канал; 2 – сборный кольцевой лоток; 3 – ввод воды в рабочуюзону; 4 – отводной канал

Вертикальные песколовки успешно эксплуатируют на ряде очистных станций. На КСА построены вертикальные песколовки с вращательным движением жидкости (рис. 10.10). Они имеют цилиндрическую форму, а подвод воды — по касательной с двух сторон в основании. Конусная часть служит для сбора выпавшего осадка. Сбор и отвод воды осуществляют кольцевым лотком. При вертикальном движении воды вверх песок осаждается вниз. Следовательно, скорость восходящего потока жидкости должна быть меньше гидравлической крупности песчинок улавливаемого песка, т.е. v < Uo.

Вертикальные песколовки удобны для накопления больших объемов осадка. Их целесообразно применять в полураздельных системах и на станциях очистки поверхностных вод.

Тангенциальные песколовки имеют круглую форму в плане и касательный подвод воды к ним и обеспечивают в песколовках вращательное движение (на периферии вода движется вниз, а в центре — вверх). Оно способствует поддержанию в потоке органических примесей. При этом скорость вращательного движения невелика и не препятствует выпадению песка в осадок.

На рис. 10.11 представлена тангенциальная песколовка с вихревой водяной воронкой. В ней интенсифицируется вращательное движение жидкости, что способствует улавливанию песка с минимальным содержанием органических включений.

Рис. 10.11. Тангенциальная песколовка с вихревой водяной воронкой:
1 – осадочная часть; 2 – подвижный боковой водослив; 3 – телескопическая труба; 4 – рабочая часть; 5 – заглушка; 6 – шнек; 7 – отверстие для сбора органики; 8 – электропривод; 9 – отводящий лоток; 10 – подающий лоток

Аэрируемые песколовки имеют удлиненную форму в плане и прямоугольное, полигональное или близкое к эллиптическому поперечное сечение. На рис. 10.12 представлена аэрируемая песколовка с трапецеидальным поперечным сечением. Важнейшие элементы песколовок: входная и выходная части, бункер для сброса осадка и песковой лоток. Последний расположен вдоль одной из продольных стенок сооружения. Днище песколовки в поперечном сечении имеет уклон в сторону лотка. Вдоль одной из стенок на глубине 2/3 от общей гидравлической глубины расположен аэратор, выполненный из дырчатых труб. Песколовка оборудована гидромеханической системой удаления (смыва) осадка в бункер, которая представляет собой смывной трубопровод со спрысками, уложенный по днищу песково-го лотка. Для удаления осадка можно применять и скребковые механизмы.

Рис. 10.12 Аэрируемая песколовка с гидромеханической системой удаления осадка:
а, 6 – продольный и поперечный разрез соответственно; 1 – трубопровод подачи промывной воды; 2 – песковой лоток; 3 – спрыски; 4 – аэратор; 5 – воздуховод; 6 – гидроэлеватор

Особенность аэрируемых песколовок заключается в том, что поток очищаемой воды непрерывно аэрируется. Благодаря расположению аэратора вдоль одной из стенок сооружения и над Песковым лотком поток приобретает вращательное движение с перемещением его у днища от одной стенки к другой и к песковому лотку. Вращательное движение обеспечивает и концентрацию осадка в песковом лотке, расположенном с одной стороны сооружения. При интенсивности аэрации 3-5 м3/(м2ч) скорость движения воды на периферии потока равна около 0,3 м/с. Продольная скорость движения воды принимается равной 0,02-0,10 м/с. Суммирование поступательного и вращательного движений приводит к винтовому движению. Максимальная скорость его на периферии потока равна сумме двух векторов скоростей поступательного и вращательного движений и лишь незначительно превышает скорость вращательного движения – 0,3 м/с, так как она значительно больше поступательной. Даже значительное изменение расхода и поступательной скорости приводит к весьма незначительному изменению максимальной скорости винтового движения, так как вращательная скорость практически не изменяется, значительно и всегда превышает скорость поступательного движения. Таким образом, в аэрируемых песколовках скорость движения воды остается практически постоянной при значительных изменениях расхода. Это в свою очередь обеспечивает поддержание в потоке во взвешенном состоянии органических включений.

Аэрируемые песколовки одновременно могут использоваться для Улавливания всплывающих загрязнений (жиров, нефтепродуктов и др.).

При этом целесообразно вдоль всей песколовки пристраивать специальное отделение для выделения и накопления на поверхности воды всплывающих загрязнений (рис. 10.13). Оно отделяется от пескоулавливающего отделения полупогруженной решетчатой перегородкой. В этом отделении из практически спокойного потока эффективно отделяются всплывающие загрязнения, а всплывшие не удаляются на последующие сооружения. Для их удаления отделение оборудуется периодически затопляемым бункером и отводящим трубопроводом. Аэрируемые песколовки можно использовать и как преаэраторы.

Рис. 10.13. Поперечный разрез аэрируемой песколовки с насосом для удаления осадка из пескового лотка:
1 – зона улавливания песка; 2 – щелевидная перегородка; 3 – зона улавливания жира и нефтепродуктов; 4 – подача воздуха; 5 – откачка песка насосом из пескового лотка; б – лоток отвода песковой пульпы; 7 – трубопровод отвода жира

Однако, несмотря на значительное разнообразие типов и применяемых конструкций песколовок, проблема полного выделения песка из сточных вод далека от приемлемого разрешения. Во многом это объясняется неудовлетворительной работой решеток и проскоком песка на крупных органических примесях через песколовки, которые традиционно рассчитывались и на задержание песка крупностью 0,2-0,25 мм и на предотвращение выпадения в них органики (оптимальной считалась скорость горизонтального движения сточной воды около 0,3 м/с и время пребывания 30-60 сек). Результатом подобного технологического решения являлось неизбежное выпадение песка с органическими примесями в первичных отстойниках.

По многолетним результатам эксплуатации считается, что для нормальной работы сооружений содержание песка в осадке первичных отстойников не должно превышать 3-6%, хотя фактическое содержание по данным эксплуатации в 1,5-2 раза больше. Последнее обстоятельство может быть объяснено, с одной стороны, неудовлетворительной работой песколовок, с другой – изменившимся качественным составом песка и его количеством. Общее количество песка определялось как сумма масс песка, задержанных песколовками и отстойниками. При таком подходе оказалось возможным одновременно оценить эффективность работы различных типов песколовок, имеющихся на московских станциях (на примере КСА) по относительной величине количества задержанного песка к количеству поступившего на сооружение, а не по объему задержанного песка, как это делается в практике технологического контроля работы песколовок. Поскольку для оценки работы песколовок важно содержание минеральной части в осадке песколовок, при анализе учитывался и этот показатель. Обобщенные данные анализа представлены в табл. 10.4.

Из таблицы следует, что содержание песка в сточной воде изменяется от 11,5 до 56,3 г/м3. Эта величина существенно больше того, что было зафиксировано на Кожуховской С А в 40-х годах – 2-42 г/м3. Следует отметить большое содержание в песке (<0,25 мм) фракций, превышающее в отдельных случаях 70%. Увеличение содержания мелкого песка объясняется инфильтрацией в канализационную сеть грунтовых вод и поступлениях через неплотности в люках колодцев части поверхностного стока при участившихся подтоплениях улиц во время ливней и зимних оттепелей, а также песка от снеготаялок. Это подтверждает необходимость более полного извлечения песка из сточных вод, вплоть до фракций 0,05-0,1 мм.

Очевидно, что при расчете песколовок на задержание песка крупностью 0,05-0,1 мм, в них неизбежно также задержание легкоосадимой органики, имеющей аналогичную гидравлическую крупность. Поэтому выгружаемый из песколовок осадок следует дополнительно обрабатывать для разделения его минеральной и органической составляющих.

Представление о работе песколовок также дает табл. 10.5, в которой представлены данные о содержании и фракционном составе песка в осадке первичных отстойников, т.е. песка, не задержанного песколовками.

Полученные эксплутационные данные показывают наименьшую эффективность работы аэрируемых песколовок. Это следует как из данных по содержанию песка в осадке, так и по содержанию песка фракций 0,09-0,25 мм, и может быть объяснено несовершенством конструкции данных песколовок и неадекватностью режима их работы конкретным условиям осаждения песка.

В песколовках стенки Песковых бункеров выполняют под углом 60° к горизонту для обеспечения сползания осадка при его откачке, которая осуществляется гидроэлеваторами (КПД = 0,15-0,2) или Песковыми насосами (КПД = 0,7).

Сложность эксплуатации горизонтальных и аэрируемых песколовок заключается в необходимости выгрузки осадка из сооружений не реже 1 раза за 8-12 ч. Бункеры для накопления осадка обычно располагаются в начале сооружений, где выпадает его наибольшее количество. Для перемещения осадка к бункеру со всей длины сооружения могут применяться скребковые механизмы. Осадок, состоящий в основном из песка, уплотняется на днищах сооружений. Для его перемещения требуются большие усилия. Скребковые механизмы, удовлетворяющие этим требованиям, должны работать под водой и надежность их невелика.
Перспективным методом перемещения осадка к бункерам является применение гидромеханических систем. Они состоят из нескольких (в горизонтальных песколовках) или одного (в аэрируемых песколовках) смывных трубопроводов, оборудованных спрысками, сориентированными в сторону бункера.

Система смыва работает следующим образом. Вода, излившаяся из спрысков в толщу осадка, начинает фильтроваться по пути наименьшего сопротивления — вверх. При определенной скорости осадок расширяется и становится весьма подвижным. На уровне спрысков (у днища) он легко смывается, на смену ему спускаются верхние слои. Таким образом, осадок не взрыхляется, а наоборот, подсасывается сверху и смывается в сторону бункера.

Откачка осадка из бункеров производится гидроэлеваторами, насосами и реже эрлифтами. Предварительно осадок в бункерах взмучивается. Для этого в них прокладываются трубопроводы, оборудованные соплами, направленными в основание бункеров. По ним подается вода на взмучивание. Выгрузка осадка производится не реже 1 раз в сут. Обычно выгрузка производится 1 раз в смену (через 7-8 ч).

В песколовках возможна откачка осадка непосредственно из пескового лотка Песковым насосом, установленным на подвижной платформе (рис. 10.13).

Рис. 10.14. Схема узла по обработке осадка из песколовок:
1 – песколовка; 2 – гидроэлеватор; 3 – пескопромыватель; 4 – возврат воды; 5 – промывная вода; 6 – воздух; 7 – осадок в барабанный сепаратор; 8 – барабанный сепаратор; 9 – промывная вода; 10 – органика из сепаратора; 11 – бункер для органики; 12 – песок; 13 – фильтрат; 14 – пропарочная камера для дезинфекции; 15 – ленточный вакуум-фильтр; 16 – обезвоженный песок

Выгружаемый из песколовок осадок, содержащий значительное количество органики, является опасным с санитарной точки зрения и требует специальной обработки. В частности, при отмывке на гидроциклонах с углом конусности 30-40°, содержание песка в осадке повышается до 95-97%. Новая технологическая схема обработки осадка, разработанная на кафедре водоотведения МГСУ, включает промывку осадка восходящим потоком воды и последующее разделение песка и органических включений на барабанном сетчатом сепараторе с одновременной промывкой осадка водой (рис. 10.14). На Люберецкой станции аэрации обработка осадка на гидроциклонах дополняется его промывкой на шнековых классификаторах.

Возможно для отмывки и обезвоживания песка применять специальные бункеры, приспособленные для последующей погрузки песка в автотранспорт. Такие бункеры могут выполняться по типу тангенциальных песколовок. На практике чаще используют песковые площадки.