5084

РАБОТА ВЫПОЛНЕНА В ГОСУДАРСТВЕННОМ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОМ УЧРЕЖДЕНИИ ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ «НИЖЕГОРОДСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ АРХИТЕКТУРНО-СГРОИТЕЛЬНЫЙ УНИВЕРСИТЕТ»

Научный руководитель

кандидат технических наук, профессор

Горбачев Евгений Алексеевич

Официальные оппоненты:

доктор технических наук, доцент Щербаков Владимир Иванович, кандидат технических наук, доцент Катраева Инна Валентиновна

Ведущая организация:

ОАО «Нижегородский сан техпроект»

Защита состоится «29» мая 2007 г. в «/3» часов на заседании диссертаци­ онного совета Д 212.162.02 при ГОУ ВПО «Нижегородский государственный архитектурно-строительный университет» по адресу: 603950, г. Нижний Новго­ род, ул. Ильинская, 65, корпус 5, аудитория 202.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ГОУ ВПО «Нижегород­ ский государственный архитектурно-строительный университет».

Автореферат разослан «26 » апреля 2007 г.

3

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность проблемы. Охрана окружающей среды и рациональное ис­ пользование природных ресурсов - одна из актуальных проблем современно­ сти. Взаимосвязь «вода - здоровье человека» - один из главнейших приорите­ тов природоохранной деятельности. Снижение уровня загрязнений водных эко­ систем и ликвидация их источников признается Всемирной организацией здра­ воохранения (ВОЗ) главной стратегической задачей охраны здоровья населе­ ния.

Очистные сооружения канализации крупных городов, как правило, выпол­ нены по типовым проектам с традиционной технологией обработки осадков, предусматривающей их сбраживание и обезвоживание на иловых картах. Ос­ новная масса загрязнений, выделяемых в процессе очистки сточных вод на го­ родских очистных сооружениях (ГОС), накапливается на их территории (на иловых полях, в шламонакопителях, на полигонах, в отвалах и т.д.). При хране­ нии осадков имеют место сбросы и смывы их в водоемы.

Общий объем осадков, выделяемых в процессе очистки сточных вод на ГОС в городах России, колеблется в широких диапазонах и обычно составляет 0,5-1,5 % от объема сточных вод. Например, на ГОС г. Н. Новгорода объем осадков составляет ~ 4000 м3 в сутки. Из них: сброженного осадка после метантенков - 0,44 %, влажностью 97,8 %; после первичных отстойников - 0,1 %, влажностью 93,8 %; после вторичных отстойников - 0,91 %, влажностью 99,37 %; уплотненного избыточного активного ила - 0,33 %, влажностью 97,5 %.

Более 80 % осадков в РФ подсушиваются на иловых полях - низкоэффек­ тивных, экологически опасных сооружениях, требующих к тому же отчуждения значительных земельных участков. Низкая эффективность, отсутствие свобод­ ных земель, использование маломеханизированных процессов уборки и транс­ портирования осадков вызывают необходимость замены иловых площадок на высокопроизводительные механические системы обезвоживания.

4

Обработка осадков, образующихся на ГОС, является одной из наиболее ак­ туальных задач в области обеспечения экологической безопасности городов, в последние годы она выдвигается в число наиболее трудных, дорогостоящих и наименее разработанных проблем в области очистки сточных вод.

Научно-исследовательская работа выполнялась в период с 1999 по 2005 год в соответствии с федеральной целевой программой (ФЦП) «Оздоровление эко­ логической обстановки на реке Волге и ее притоках, восстановление и предот­ вращение деградации природных комплексов Волжского бассейна», Програм­ мой «Возрождение Волги» и законом Российской Федерации «Об охране окру­ жающей природной среды».

Целью диссертационной работы является совершенствование сущест­ вующих и исследование новых технологически целесообразных, высокоэффек­ тивных, экологически безопасных приемов и технологий обработки осадков сточных вод (ОСВ), обладающих высоким уровнем надежности, гибкости и ав­ томатизации.

Для реализации цели поставлены и решены следующие задачи:

1.Выполнена оценка существующих технологий систем обезвоживания осадков.

2.Проведены исследования по интенсификации гравитационного уплотне­ ния осадков с использованием высокоэффективных реагентов.

3.Установлены закономерности механического обезвоживания осадков с учетом расчетной зависимости процесса фильтр-прессования от основных тех­ нологических факторов (давления, вида и дозы реагента, продолжительности процесса и др.).

4.Изучено влияние магнитной обработки на обезвоживание ОСВ.

5.Разработаны математические модели станции и ее подсистем.

6.Обоснованы и решены математические задачи оптимизации технологи­ ческих параметров системы обезвоживания ОСВ.

7.Предложены математические и структурные модели иерархических сис­ тем при различных технико-экономических условиях работы.

5

Научная новизна работы заключается:

-в комплексном проведении исследований по интенсификации гравитаци­ онного процесса уплотнения осадков с использованием высокоэффективных реагентов и омагничивания;

-в установлении закономерностей механического процесса обезвоживания осадков в зависимости от технологических факторов;

-в проведении экспериментальных и производственных исследований но­ вых технологических приемов и схем обработки осадков;

-в получении графоаналитических зависимостей, описывающих процессы обработки осадков;

-в математической постановке и решении задач оптимизации технологиче­ ских параметров.

Практическая значимость и реализация работы. В результате исследо­ ваний уплотнения избыточного активного ила отечественными реагентами наиболее эффективными оказались суперфосфат и «Окшара», при применении которых влажность уплотненного осадка составляет ~ 91 %. Низкотемператур­ ный нагрев уплотненного ила (~ 50-70 С) позволил сократить продолжитель­ ность уплотнения ила до 2 ч при одновременном снижении дозы реагентов.

Внедрение механического обезвоживания осадка позволило снизить на­ грузку на иловые поля и обеспечить их эксплуатацию без превышения регла­ ментированной удельной нагрузки (0,9 м3/м2 в год). При механическом обезво­ живании осадка исключается длительность его просушки на иловых полях (~3-5 лет), что является важным природоохранным фактором.

На НСА был смонтирован блок из двух ленточных фильтр-прессов фирмы «Andritz» (Австрия). Производительность одного фильтр-пресса до 35,5 м3/ч сброженного ила при непрерывной работе.

Годовой экономический эффект от внедрения механического обезвожива­ ния составил 1,5 млн рублей в ценах 2006 года.

6

Апробация работы и публикации. Основные положения диссертацион­ ной работы докладывались и обсуждались на 5 всероссийских и международ­ ных конференциях в г.г. Нижний Новгород, Пенза в 1999-2006 гг.

По материалам диссертации имеется 19 публикаций (12 статей, 4 тезиса докладов, три отчета, в т.ч. две статьи в изданиях, входящих в перечень ВАК РФ).

Методы исследований. В диссертации проводились теоретические и экс­ периментальные исследования, включающие работу с моделями и натурными установками.

Достоверность полученных результатов оценена с помощью современ­ ных математических методов обработки результатов. Экспериментальные дан­ ные, полученные на моделях, соответствуют результатам на промышленных установках.

На защиту выносятся:

-результаты комплексных исследований оценки эффективности работы существующих технологий очистки сточных вод и обработки осадков;

-результаты экспериментально-теоретических исследований с обоснова­ нием экономической целесообразности и технической возможности работы станции по новым технологиям;

-математический подход к построению моделей, основанный на пассив­ ном сборе информации при предварительно известных интервалах изменения отдельных факторов;

-математические модели отдельных подсистем станции аэрации;

-математическая модель процесса обезвоживания осадка.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, 6 глав, ос­ новных выводов, списка литературы и приложений. Общий объем работы 204 страницы машинописного текста, включая 65 рисунков, 53 таблицы, библио­ графический список из 173 наименований и три приложения.

Автор выражает особую благодарность за научную, консультативную и практическую помощь профессорам В.В. Найденко и Л.Н. Губанову.

7

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность проблемы, сформулированы цель и задачи, отмечена научная новизна и практическая значимость работы.

В первой главе дан литературный обзор, в котором рассматривается со­ временное состояние обработки, обезвреживания и утилизации осадков сточ­ ных вод ГОС. Отмечен вклад в развитие технологий обработки и утилизации осадков российских и зарубежных ученых.

Проанализированы состав и свойства осадков, методы обезвоживания осадков (гравитационные, механические, термические, реагентные и биохими­ ческие), направленные на подготовку последних к дальнейшему использова­ нию или хранению, а также возможные направления утилизации осадков и их депонирования. По результатам анализа литературных данных сформулирова­ ны выводы и намечены задачи исследований.

Во второй главе рассмотрена технологическая схема очистки сточных вод на НСА с краткой характеристикой систем механической, биологической очи­ стки стоков и обработки осадков. Отмечено, что способы обработки осадков сточных вод, используемые на станции, до настоящего времени имеют ряд не­ достатков как с экономической, так и с технологической точек зрения.

Третья глава посвящена интенсификации процесса гравитационного уп­ лотнения осадков сточных вод на НСА. На первом этапе исследования прово­ дились с избыточным активным илом, образующимся при биохимической очи­ стке сточных вод на станции. В качестве реагентов использовались: сернокис­ лое и хлорное железо, известь, серная кислота, аммофос, суперфосфат, «Окшара». «Окшара» - отход производства уксусной кислоты и уксуснокальциевого порошка. Она представляет собой порошок темно-серого цвета, содержащий до 80 % CaS04 (гипса), до 4 % уксуснокислого кальция, до 12 % серной кислоты и примесей уксусной кислоты. В фракционном составе имеют преобладание час­ тицы размером менее 1 мм (63-72 %).

8

Для определения технологической и экономической целесообразности применения железосодержащих коагулянтов при интенсификации процесса уп­ лотнения активного ила проведены исследования по изучению кинетики его уплотнения. Результаты этого цикла исследований приведены в виде графиче­ ских зависимостей, представленных на рис. 1.

Рис.1. Изменение влажности и рН уплотненного ила в зависимости от дозы реагента:

1-рН ила, обработанного Fe Сl3; 2-рН ила, обработанного Fe2 (SO4)3; 3-влажность ила, обра­ ботанного Fe2 (SO4)3; 4-влажностъ ила, обработанного Fe CI3; 5-влажность ила в контроле. Продолжительность уплотнения: в опыте-4 ч; в контроле-9 ч

Анализ графических зависимостей показывает, что применение железосо­ держащих коагулянтов при дозах от 5 до 25 % от сухого вещества ила неэффек­ тивно. Данный цикл исследований указывает на необходимость дополнитель­ ного утяжеления хлопьев ила. Предположение подтверждается эксперимен­ тальными данными, полученными при подкислении ила. Подкисление ила сер­ ной кислотой незначительно снижает влажность уплотненной части. Однако при этом наблюдается увеличение начальной скорости разделения жидкой и твердой фаз по мере снижения рН. Наиболее высокая скорость уплотнения дос­ тигается при рН~2,0, что, по-видимому, объясняется более интенсивным выде­ лением свободной воды. Уплотненный ил после обработки имеет удельное со­ противление в 1,5 раза выше, чем исходный (необработанный).

Исследовалась также возможность применения извести при гравитацион­ ном уплотнении ила. Эксперименты свидетельствуют о том, что обработка ила

10

Анализ экспериментальных данных показывает, что оптимальными дозами для «Окшары» и суперфосфата являются 25 г/л, что отвечает соотношению 5 г реагента к 1кг сухого ила. Равнозначные результаты по остаточной влажности и различие в начальных скоростях уплотнения свидетельствуют о более предпоч­ тительном использовании «Окшары».

Влияние низкотемпературного нагрева ила на скорость его уплотнения и его характеристики изучались с использованием реагентов - «Окшара» и су­ перфосфат. Цикл исследований показал, что низкотемпературный нагрев по­ зволяет существенно увеличить скорость уплотнения. При дозировках 5 и 15 г/л она увеличивается в 1,5-1,8 раза. Это позволяет сократить продолжитель­ ность уплотнения до 1,5-2 ч, что является крайне необходимым для производ­ ственных условий, т.к. имеется возможность в сокращении объема уплотнителя в 5-6 раз (рис.3-4).

V, мл

Рис.3. Кинетика уплотненного ила, нагретого до 70°С в присутствии суперфосфата в дозах:

1- 5 г/л; 2-15 г/л; 3-25 г/л; 4-35 г/л; 5-45 г/л

Сравнивая конечные влажности, можно отметить некоторое преимущест­ во «Окшары», для которой при температуре 50-70 С получены одинаковые ре­ зультаты. В то же время при использовании суперфосфата только при 70° С удалось получить одинаковую влажность. Нагрев до 50 С не дает хорошего ре-