2994

На правах рукописи

СКРЯБИН Александр Юрьевич

РАЗРАБОТКА ТЕХНОЛОГИИ ОБЕЗВОЖИВАНИЯ ВОДОПРОВОДНЫХ ОСАДКОВ, ОБРАЗОВАННЫХ ПРИ ОСВЕТЛЕНИИ ВОДЫ

С ПРИМЕНЕНИЕМ ФЛОКУЛЯНТА ВПК-402

Специальность: 05.23.04 -"Водоснабжение, канализация, строительные системы охраны водных ресурсов"

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени

кандидата технических наук

Санкт-Петербург 2004

Работа выполнена на кафедре «Водоснабжение и водоотведение» Ростов-

ского государственного строительного университета (РГСУ)

Научный руководитель: кандидат технических наук, профессор, ЛЫСОВ Владимир Афанасьевич

Официальные оппоненты: доктор технических паук, профессор, Курганов Анатолий Матвеевич кандидат технических наук, доцент, Черников Николай Андреевич

Ведущая организация: Государственное унитарное предприятие Ростовский НИИ Академии коммунального хозяйства им.Памфилова.

Защита диссертации состоится "16" марта 2004г. в 13 часов 30 минут на заседании диссертационного совета Д 212.223.06 при Санкт-Петербургском государственном архитектурно-строительном университете по адресу: 190005, СанктПетербург, ул. 2-я Красноармейская, д.4, ауд.206 факс.(812) 316-58-72

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Санкт-Петербургского государственного архитектурно-строительного университета

Отзывы на автореферат в двух экземплярах, заверенные печатью предприятия, просим направлять ученому секретарю диссертационного совета.

3

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы исследований. Современные методы обработки природных вод для их использования в питьевых и промышленных целях характеризуются большими объемами и разнообразием реагентов, количеством не утилизированных осадков и высокими удельными сбросами загрязнений в окружающую среду. Это создает серьезную проблему эксплуатирующим организациям в связи с ужесточением требований природоохранных органов к сооружениям по очистке воды и резко возрастающими размерами платы за сбросы.

Своевременная обработка больших количеств осадка, образующегося при очистке природных вод в условиях дефицита земельных участков для его естественною накопления или подсушки при соблюдении природоохранных норм, является одной из наиболее актуальных проблем в водном комплексе. Успешное решение ее требует изучения состава и свойств различных осадков. поиска возможности их регулирования с целью нахождения оптимальных параметров для различных технологических схем.

Правильный выбор метода обезвоживания должен основываться на свойствах конкретного осадка с учетом их сезонных изменений и техникоэкономического обоснования.

В последние годы на водопроводных очистных сооружениях России, в том числе и в Ростове-на-Дону, широко применяется высокомолекулярный катионный флокулянт ВПК-402. Однако физические, химические, реологические

исанитарные характеристики осадков, полученных при его применении, изучены недостаточно. Обезвоживание таких осадков ведется по технологии, принятой для минеральных коагулянтов. При размещении осадков в окружающей среде (шламонакопители, площадки, водоемы) не отработаны технологические

исанитарные аспекты.

Настоящая работа посвящена разработке, обоснованию технологии и конструкций процесса уплотнения и обезвоживания осадка полученного при осветлении донской воды с применением флокулянта BITK-402 на базе физикохимических, геологических и биологических его свойств.

Работа выполнялась в рамках госбюджетной темы «Совершенствование процессов очистки природных и сточных вод Южного региона с учетом эколо-

гических требований» (№ государственной регистрации 01.9.40001739), в рамках Государственной программы «Архитектура и строительство» и «Программы развития водопроводно-канализационного хозяйства города Ростова-на- Дону на 2001-2005 годы»

Цель диссертационной работы: разработка высокоэффективной ресурсосберегающей технологии процесса и конструкции для уплотнения и обезвоживания осадка, образующегося при осветлении природных вод с применением ВПК-402.

Поставленные цели достигались решением следующих задач:

описания процесса уплотнения осадка, образовавшегося при осветлении природных вод с применением флокулянта ВПК-402, в сгустителях на базе изучения его физико-химических, реологических и биологических показателей;

определения экономически выгодной конструктивной схемы уплотнения осадка и методики ее расчета;

установки основных технологических параметров и предложение методики их регулирования в процессе уплотнения осадка;

экспериментально-теоретического определения возможности интенсификации процесса уплотнения осадка с помощью магнитного поля и медленного перемешивания;

определения санитарно-гигиенических показателей этого осадка и изменения их характеристик во времени;

экологической и экономической оценки предлагаемого метода уплотнения осадка.

Научная новизна диссертационной работы:

теоретически и экспериментально обоснован процесс уплотнения водопроводного осадка с применением электромагнитного поля и медленного перемешивания;

разработана математическая интерпретация процесса уплотнения осадка в сгустителях;

получены зависимости, отражающие характер разделения суспензии (сбросных вод) на декантированную воду и осадок в условиях обработки воды высокомолекулярным флокулянтом ВПK-402;

разработана методика расчета сгустителя осадка, обеспечивающего степень его уплотнения, при которой возможно дальнейшее обезвоживание;

получены данные о микробиологическом загрязнении осадка в зависимости от времени его накопления в отстойных сооружениях.

Практическая значимость работы:

предложены технология и устройства для уплотнения и обезвоживания осадка, полученного при осветлении природных вод с применением ВПК-402;

установлены основные технологические параметры, являющиеся исходными при определении размеров и регулировании режима работы сгустителя осадка;

разработана конструкция сгустителя с механическим перемешиванием осадка и гидравлическим приводом;

определены физико-химические, реологические и бактериологические свойства осадка, образующегося в водопроводных отстойных сооружениях; получен патент РФ на конструкцию механического смесителя с гидравлическим приводом, положенного в основу конструкции сгустителя

осадка №2149052.

Реализация результатов работы - на основании результатов исследований МУП ПО «Водоканал)» и СК «Гипрокоммунводоканап» г.Ростова-на- Дону выданы и приняты к производству рекомендации на способ уплотнения осадка в сгустителях и обезвоживания в центрипреесах на очистных сооружениях Центрального и Александровского водопроводов г.Ростова-на-Дону.

Личный вклад автора состоит:

в выдвижении и обосновании проблемы уплотнения и обезвоживания водопроводного осадка с помощью магнитного поля и медленного перемешивания; в проведении соответствующих исследований, анализе полученных результатов, формировании выводов, разработке конструкции, практических ре-

комендаций и их эколого-экономическом обосновании.

Достоверность научных положений, выводов и рекомендаций обеспечена применением апробированных методик исследований и стандартных методик определения физико-химических свойств осадка и способа его уплотнения, выполнением математической обработки с помощью компьютерной про-

6

граммы Statistica 5.5 по подтверждению полученных зависимостей на полупрошвопственной и производственной установке с расхождением экспериментальных данных, не превышающих ошибку измерения.

На защиту выносятся:

аналитический обзор методов уплотнения и обезвоживания осадков, полученных при осветлении природных вод;

-результаты лабораторных и опытно-промышленных исследований по определению физико-химических и реологических показателей осадка и влияния на них магнитного поля и медленного перемешивания;

-результаты экспериментальных исследовании микробиологического состава осадков при различном времени и режимах их хранения;

теоретические и экспериментальные исследования параметров разделения суспензии на фазы:

-методики расчета сгустителя и выбора механизма для сгущения

осадка с учетом способа удаления осадка из отстойных сооружений; - технико-экономическая и экологическая оценка эффективности ис-

пользования разработанных технологических и конструктивных решений. Апробация работы и публикации. Материалы диссертационной рабо-

ты докладывались на ежегодных международных научно-практических конференциях, семинарах РГСУ и РГЭА с 1996 по 2003 год в г.Ростове-на-Дону. По материалам диссертации опубликовано 23 научные работы и получен патент РФ №2149052.

Объем и структура диссертации. Диссертация состоит из введения, пяти глав, общих выводов и 4 приложений. Общий объем диссертации составляет 168 страниц машинописного текста, включая 47 рисунков, 22 таблицы, 4 приложения на 17 страницах. Список использованной литературы включает 17 1 наименование.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении дана краткая характеристика современного состояния вопроса, связанного со сбросом водопроводных осадков в составе промывных вод в открытые водоемы, обоснована актуальность выбранной темы.

В первой главе дан анализ отечественных и зарубежных литературных источников, характеризующих современное состояние вопроса, посвященного обработке осадков, полученных при осветлении природных вод. При этом про-

составе катионный флокулянт ВПК-402, автором диссертационной работы не обнаружено, что затрудняет определение основных параметров, влияюших на процесс, а также выбор соответствующих аппаратов обезвоживания таких осадков.

На основании анализа были сформулированы задачи исследования. Вторая глава посвящена экспериментально-теоретическому обоснова-

нию метода уплотнения осадка в уплотнителях. В работе профессора Е.Ф.Кургаева и доцента Л.И.Нечаевой рассматривались три области разделения сбросных шламовых вод на воду и осадок при гравитационном уплотнении.

Проведенные нами исследования по уплотнению осадка, содержащего ВПК-402, показали, что третью область уплотнения в данной работе можно Heрассматривать, так как такой осадок не желательно по бактериологическим характеристикам сбрасывать в открытые шламонакопители. Поэтому нами рассматривались две области уплотнения.

Продолжительность первой области характеризуется как область стесненного осаждения разбавленной массы осадка.

Для вычисления скорости стесненного осаждения можно использовать выражение, применяемое часто в практике:

U с m = U o c . ε 2 . 1 0 - 1 , 8 2 ( 1 - ε ) п р и ε > 0 . 7 , ( ! )

где Uсm -скорость стесненного осаждения частиц, мм/c;

UOC— скорость осаждения частиц в свободном объеме, мм/с;

ε — доля свободного объема или пористость, выражает объем свободного пространства между частицами в единице объема, зажатого слоем.

Однако учитывая, что увеличение сопротивления среды связано в данном случае динамическим воздействием на нее всей массы осаждающихся частиц, которое приводит к возникновению восходящего потока среды, а также возрас-

8

танием вязкости среды, принимаем в основу определения скорости стесненного осаждения частиц выражение

(2)

безразмерный комплекс, представляющий собой модифицированный критерий Рейнольдса, выраженный через фиктивную скорость жидкости U0 и размер частиц слоя осадка (d — диаметр шара, имеющий тот же объем, что и частица)

Подставляя значение Re и Аr в (2), получим:

(3)

Преобразуя (3) и учитывая, что в нашем случае

где V— общий объем разбавленного (сбрасываемого) осадка, м3; С— весовая концентрация взвеси в общей массе осадка, кг/м3; у— объемный вес массы осадка, кг/м3.

Значение с можно принимать равным доле воды в объеме осадка, в нашем случае ε= 0,93-0,99 тогда:

Из (4) видно, что на скорость осаждения (уплотнения) частиц осадка значительное влияние оказывает доля воды в объеме осадка, характеризующаяся его влажностью.

Вторая область уплотнения - зона образования сплошной пространственной структуры, в которой выделяемая вода течет вверх через вяжущее вещество плотных частиц и через каналы в нем. Поэтому данный процесс уплотнения рассматривался как поток или фильтрование жидкости через деформирующуюся, разделенную пористую хлопьевидную среду по аналогии с механикой грунтов, где используется теория порового давления. Она основана на предположении, что в первый момент нагрузка от верхнего слоя воспринимается только водой, заключенной в порах грунта, при этом давление воспринимают только отдельные частицы, но не скелет грунта.

В дальнейшем по мере уплотнения фунта и отхода из него воды поровое давление постепенно уменьшается и на момент достижения грунтом пористости - влажности, эквивалентной нагрузке, поровое давление снижается до нуля. В это время приложенная к грунту нагрузка будет полностью восприниматься его скелетом и процесс уплотнения грунта прекратится, осуществляется процесс фильтрования.

Аналогичные процессы наблюдаются при формировании и уплотнении осадков водопроводных очистных сооружений с влажностью примерно 88-:-95%. Выделяемый объём воды, рассматриваемый как параллельно-струйное ламинарное движение воды в пористой среде, будет пропорционален гидравлическому уклону, времени и площади поперечного сечения среды т. е.:

где Vв-объем выделенной воды (профильтрованной) из слоя осадка, м3; F- площадь поперечного сечения грунта (осадка) в емкости, а в нашем случае площадь опытной установки, м2 ; к- коэффициент водопроницаемости, или фильтрации; t- время уплотнения (наблюдения), с; i- гидравлический уклон или градиент, равный отношению потерь напора к длине пути фильтрации

или ( Н2 - Н1 ) потери напора в грунте, где Н2 - напор в нижней точке уплотняемого грунта, м; Н1 - в верхней точке, м.

При изучении скорости уплотнения грунтов напор создается внешней на-

грузкой, которая и обусловливает выдавливание (фильтрацию) воды из пор

грунта (осадка).

В нашем случае (рекомендации Е.Ф. Кургаева ):

Н1=Р1= 0,6 h1c1; H2 = Р2 = 0,6 h2c2 ,

где h1 и h2 - толщина слоя осадка соответственно в верхнем и нижнем слое, м; с1 и c2 - средняя концентрация осадка в емкости при небольшой толщине слоя, кг/м3.

В данном случае концентрацию можно принять одинаковой по высоте установки, тогда потери напора в слое будут пропорциональны Р2 - Р1 или h2 - h1 = h.

Исходя из вышеизложенного, гидравлический уклон или градиент напора с достаточной точностью для опытных установок можно принять равным i=h/L, т.е. близким к единице. В плотных глинах градиент фильтрации также принимается как i=H/L,

где H - действующий напор, м; L - толщина грунта, м.

Тогда коэффициент фильтрации из (5) можно выразить: K= VB/F. t. i,

Для определения коэффициента фильтрации (характеризующего скорость фильтрации в порах осадка (Uф = к i)) во 2-й области нами были проведены наблюдения за влагоотдачей водопроводного осадка, содержащего ВПК-402, взятого непосредственно из отстойников и подвергшегося уплотнению в различных условиях (рис.1): гравитационном уплотнении (2); гравитационном уплотнении осадка обработанного магнитным нолем (1); гравитационном уплотнении с медленным перемешиванием осадка, прошедшего через магнитное поле ( 3 ) ;гравитационномуплотнении,смедленнымперемешиваниемвлабораторной установке (4); гравитационном уплотнении с медленным перемешиванием в полупроизводственнойустановке (5). Методика отбора проб и залива его в емкости приведены ниже.