Содержание к диссертации
Введение
1. Состояние вопроса и задачи исследований 11
1.1. Анализ отечественной и зарубежной литературы 11
1.2. Анализ конструктивных решений сооружений накопления и осветления промывных вод 29
1.3. Выводы и задачи исследований 35
2. Определение оптимальных условий введения промывных вод в основной поток реагентного осветления природных вод 37
2.1. Влияние промывных (сбросных) вод фильтров на окружающую среду 37
2.2. Изучение режима работы объектов исследования 38
2.2.1. Характеристика источника водоснабжения и состав сооружений объектов исследования 38
2.2.2. Изучение промывки скорых фильтров на объектах исследования 45
2.3. Определение качественных показателей воды после промывки скорых фильтров 51
2.4. Изменение качества промывных вод без применения дополнительных реагентов 62
2.4.1. Изучение изменения качества промывной воды отстаиваемой без дополнительного внешнего воздействия 62
2.4.2. Изучение гидродинамического режима движения жидкости в коллекторах промывной воды очистных сооружений водопровода г. Ростова-на-Дону 67
2.4.3. Осветление промывных вод скорых фильтров с учетом существующих и рекомендуемых параметров гидродинамического перемешивания 70
2.5. Изменение качества промывных вод скорых фильтров с использованием дополнительного реагента ..76
2.5.1. Выбор реагента для осветления промывных вод фильтров 76
2.5.2. Изучение динамики осветления промывных вод обработанных коагулянтом с учетом гидродинамических режимов сооружений... 78
2.5.3. Выбор оптимальной дозы коагулянта оксихлорида алюминия (ОХА) 81
2.6. Микробиологические показатели осветленной промывной воды.82
2.7. Изучение влияния промывных вод добавляемых в основной поток обрабатываемой воды на эффективность очистки 84
2.8. Изучение физико-химических свойств осадка, образованного при осветлении промывных вод скорых фильтров 86
ВЫВОДЫ 88
3. Экспериментально-теоретическое описание процесса осветления промывной воды скорых фильтров и ее оборота 90
3.1. Анализ методов определения седиментационных свойств взвешенных веществ 90
3.2. Выбор метода расчета сооружения для отстаивания промывных вод скорых фильтров 99
3.3. Математическая обработка результатов осветления промывных вод скорых фильтров без применения дополнительных реагентов. 104
3.3.1. Математическая обработка результатов осветления промывных вод скорых фильтров отстаиваемой без дополнительного внешнего воздействия 104
3.3.2. Математическая обработка опытных данных полученных при осветлении промывных вод при различных параметрах перемешивания 108
3.4. Математическая обработка результатов осветления промывных вод скорых фильтров с применения дополнительных реагентов. 112
3.4.1. Динамика осветление промывных вод в течение времени при различных параметрах перемешивания 112
3.4.2. Опредление оптимальной дозы применяемого реагента 115
3.5. Расчет количества промывной воды добавляемой в основной поток и качества получаемой смеси 117
ВЫВОДЫ 119
4. Разработка конструктивных решений повторного использования промывных вод скорых фильтров 121
4.1. Конструкция для отстаивания промывных вод 121
4.2. Методика расчета предлагаемой конструкции отстойника-усреднителя 124
4.3. Полупроизводственная установка по отстаиванию промывной воды 127
4.4. Экономическая целесообразность применения механического смесителя с гидравлическим приводом 131
4.5. Методика расчета механического смесителя с гидравлическим движителем 132
4.6. Предлагаемая схема обработки промывных вод для подачи их повторно в основной поток 136
4.6.1. Схемы возврата промывной воды скорых фильтров 136
4.6.2. Реконструкция существующей схемы возврата промывной воды скорых фильтров для Ростовского-на-Дону водопровода 140
ВЫВОДЫ 142
5. Технологическая и эколого-экономическая оценка эффективности применения повторного использования промывных вод скорых фильтров 143
ВЫВОДЫ 149
ОБЩИЕ ВЫВОДЫ 151
- Анализ отечественной и зарубежной литературы
- Характеристика источника водоснабжения и состав сооружений объектов исследования
- Анализ методов определения седиментационных свойств взвешенных веществ
Введение к работе
Бурный рост в течение XX века систем централизованного водоснабжения городов, населенных пунктов и промышленных предприятий внес специфический вклад в воздействие на окружающую среду. Поэтому анализ причин, механизма и разработка технических решений по предотвращению и минимизации воздействия отдельных элементов и системы водоснабжения в целом на биосферу является актуальной проблемой.
Одним из постоянных источников концентрированного загрязнения поверхностных водоемов являются сбрасываемые без обработки осадки, образующиеся в отстойниках, осветлителях и фильтрах станций водоочистки, по существу представляющие жидкие отходы. Находящиеся в их составе взвешенные вещества и компоненты технологических материалов, а также бактериальные загрязнения, попадая в водоем, увеличивают мутность воды, сокращают доступ света в глубину, и, как следствие, снижают интенсивность фотосинтеза, что в свою очередь приводит к уменьшению сообщества, способствующего процессам самоочищения. Осаждение взвешенных веществ, сбрасываемых вместе с осадками, приводит к увеличению береговой эрозии и переформированию дна водоема. При размещении жидких отходов на шламовых полях происходит подтопление территорий, безвозвратно теряется вода, которая может быть использована как вторичный ресурс для увеличения производительности водоочистной станции.
Для обработки исходной воды до качества, соответствующего требованиям СанПиН 2.1.4.559 - 96 [91] и других нормативных и технологических документов применяются различные приемы и методы:
безреагентное осветление (фильтрование на медленных, крупнозернистых и намывных фильтрах, гидроциклоны и др.);
реагентное осветление с использование коагулянтов и
флокулянтов (активированной кремнекислоты [23,16,4,5],
полиакриламида [8,23,5], закрепителя устойчивого - 2 [69],
Тимаксола-П [88], высокомолекулярного полиэлектролита
катионного ВПК-402 [130,85];
применения смешенных коагулянтов [34,142,65];
использование отработанных осадков в качестве интенсификатора
процесса осветления воды [21,22,4,39];
искусственное замутнение воды (глиной, сульфатом бария и т.д.)
[16,5,39];
аэрирование воды [4] и др.
Применение перечисленных методов улучшения процессов
коагуляции в большинстве случаев оказывает отрицательное воздействие на окружающую среду посредством образования промывных вод от сооружений очистки воды.
Наибольшее количество этих вод образуется при промывке фильтров. Предусмотренные СНиПом [91] указания по повторному их использованию в практике находят редкое применение, а большинство построенных для этих целей сооружения, по нашим данным, функционируют не достаточно эффективно или по различным причинам вообще не работают.
Для решения этой проблемы необходимы дополнительные изучения свойств сбрасываемых промывных вод и усовершение конструкций сооружений, обеспечивающих эффективное и экономически целесообразное использование промывных вод в обороте.
Настоящая работа посвящена разработке, исследованию и внедрению новых технологических и конструктивных решений для процесса повторного использования промывных вод водопроводных фильтров в общей схеме очистки воды.
Работа выполнялась в рамках Госбюджетной темы "Совершенствование процессов очистки природных и сточных вод южного региона с учетом экологических требований" (№ Государственной регистрации 01.9.40001739), в рамках Государственной программы "Архитектура и строительство" и "Программы развития водопроводно-канализационного хозяйства г. Ростова-на-Дону на 2001-2005 г.".
Целью диссертационной работы является создание
высокоэффективной ресурсосберегающей схемы повторного использования промывных вод скорых водопроводных фильтров.
Научная новизна диссертационной работы заключается в следующем:
научно обоснована и экспериментально подтверждена ресурсосберегающая, природоохранная и технологическая целесообразность повторного использования промывных вод скорых фильтров;
теоретически обоснованы и экспериментально подтверждены качественные и количественные параметры предварительно обработанной промывной воды, возвращаемой на повторное использование;
получены зависимости, отражающие характер разделения промывных вод на осадок и декантированную воду в условиях обработки основного потока воды высокомолекулярным флокулянтом ВПК-402;
разработана методика расчета сооружений, обеспечивающих подготовку промывных вод для повторного использования, в условиях применения различных режимов промывки фильтров;
получены данные о микробиологическом загрязнении промывных вод фильтров, в зависимости от технологии осветления исходной воды на водоочистной станции.
Практическая значимость работы:
предложены технология и сооружения для обработки промывных
вод фильтров, в зависимости от качества исходной и промывной
вод;
разработаны рекомендации по реконструкции сооружений
повторного использования промывных вод фильтров на очистных
сооружениях водопровода проектной производительностью
320000 м3/сут;
предложены способы обработки промывных вод с целью снижения их микробиологической загрязненности; определены физико-химические свойства осадка, образующегося при разделении суспензии промывных вод;
получены 2 патента РФ на конструкции отстойника-усреднителя и механического смесителя, входящие в состав комплекса обработки промывных вод фильтров. На защиту выносятся:
аналитический обзор по применению сооружений повторного использования промывных вод в практике водопроводных станций;
теоретические и экспериментальные исследования качества промывной воды скорых фильтров водопроводных очистных сооружений, использующих в технологическом процессе различные реагенты;
теоретические и экспериментальные исследования параметров разделения промывных вод на фазы в зависимости от их качества и способа обработки;
результаты экспериментальных исследований микробиологического состава и способов обработки промывной воды с целью снижения ее бактериальной загрязненности;
методики расчета сооружений для обработки промывных вод фильтров с учетом периодичности и продолжительности промывки, качества обрабатываемой воды;
конструкция блока сооружений обработки промывных вод, включающая механический смеситель и отстойник-усреднитель;
результаты эколого-экономического обоснования внедрения технологии повторного использования промывных вод фильтров.
Анализ отечественной и зарубежной литературы
Анализ литературы показывает, что к настоящему времени накоплено большое количество информации о схемах, сооружениях и способах повторного использования промывных вод скорых фильтров. Особенно актуальной эта проблема стала с введением в действие СанПиН 2.1.4.559-96 [92] "Питьевая вода. Гигиенические требования к качеству воды централизованных систем питьевого водоснабжения". По мнению проф. В.Л. Драгинского одна из основных проблем, требующих решения, для выполнения требований СанПиН 2.1.4.559-96 [92] является отсутствие практически на всех водоочистных станциях обработки осадка и очистки промывных вод, которые зачастую сбрасываются в водоисточник, вызывая его дополнительное загрязнения [120].
СНиПом 2.04.02-84 [91] предусмотрено отстаивание промывных вод фильтровальных сооружений на станциях осветления и обезжелезивания воды. Осветленную воду надлежит равномерно перекачивать в трубопроводы перед смесителем или в смесители, также допускается использование осветленной воды для промывки контактных осветлителей. На станциях осветления воды отстаиванием с последующим фильтрованием и на станциях реагентного умягчения промывные воды следует равномерно перекачивать перед смесителями или в смесители с отстаиванием или без него в зависимости от качества воды (п. 6.199). В технологических схемах обработки промывных вод и осадка надлежит предусматривать следующие основные сооружения: резервуары, отстойники, сгустители, накопители или площадки замораживания и подсушивания осадка. Проектирование сооружений необходимо производить в соответствии с приложением 9 СНиП 2.04.02-84 [91]. Количество резервуаров надлежит принимать не менее двух. Объем каждого резервуара следует определять по графику поступления и равномерной перекачки промывной воды, принимая не менее объема воды от одной промывки фильтра. Насосы и трубопроводы перекачки промывной воды должны проверяться на работу фильтров при форсированном режиме. Продолжительность отстаивания промывных вод надлежит принимать для станций безреагентного обезжелезивания воды - 4 ч, для станций осветления воды и реагентного обезжелезивания -2 ч. (при применении полиакриламида дозой 0,08 - 0,16 мг/л продолжительность отстаивания вод следует снижать до 1 ч.). При определении объема зоны накопления осадка в отстойниках влажность осадка следует принимать 99 % для станций осветления воды и реагентного обезжелезивания и 96,5 %- для станций безреагентного обезжелезивания. Общую продолжительность накопления осадка при многократном периодическом наполнении отстойников надлежит принимать не менее 8 ч.
В справочнике проектировщика [11] описаны сооружения для повторного использования промывных вод фильтров, представляющие собой два резервуара для аккумулирования промывной воды с объемом рассчитанным на прием воды от промывки одного фильтра, песколовки, устраиваемой как отдельно стоящей, так и непосредственно в объеме резервуаров и насосов для перекачки промывной воды из резервуаров на повторное использование.
Лубочниковым Н.Т. в период с 1959 по 1962 года были выполнены исследования на водопроводных очистных станциях г.г. Кизела, Уфы и Свердловска [8,9] основной задачей которых являлась разработка режима эксплуатации оборотного цикла, выбор вида и доз реагентов, при которых очищенная промывная вода могла быть использована для промывки контактных осветлителей. В работе [9] рассматриваются три схемы повторного использования промывных вод скорых фильтров:
1. Промывная вода без какой-либо очистки возвращается в головной узел станции.
2. Промывная вода частично очищается на специальных сооружениях и возвращается в головной узел станции.
3. Промывная вода подвергается тщательной очистке, а затем снова используется для целей промывки.
Для первой схемы при равномерной подаче воды в голову сооружений предложены следующие уравнения:
Характеристика источника водоснабжения и состав сооружений объектов исследования
Эта очередь по расчетной скорости фильтрования рассчитана на осветление 54000 - 65000 м /сут, но фактическая производительность не превышает 40000 м /сут в связи с плохим эффектом осветления воды в отстойниках. Коммуникации на сооружениях позволяют перепускать воду между очередями, как до отстойников, так и после них, перед фильтрами.
Проектом реконструкции Центральных сооружений было предусмотрено строительство сооружений повторного использования промывных вод по типовому проекту 901-3-94, однако по ряду причин сооружения не были построены, и в настоящее время сброс промывных вод производится по системе промканализации в ручей Безымянный. В результате сброса промывных вод в течение долгого времени произошло значительное уменьшение глубины, а в ряде мест и образование островков вниз по течению ручья.
Расчетная производительность Центральных очистных сооружений составляет примерно 180000 м /сут, что соответствует времени пребывания воды в отстойниках 3,5 часа и средней скорости фильтрования 5,7 м/ч. В настоящее время в связи с уменьшением водопотребления промышленными предприятиями производительность значительно меньше и составляет около Ранее на станции применялся коагулянт - сернокислый алюминий и, в периоды повышенной мутности, флокулянт ПАА, а со второй половины 1994 года в качестве единственного реагента применяется высокомолекулярный полиэлектролит катионный ВПК-402. Ввод ВПК-402 производиться во всасывающие линии насосов на станции подкачки "Кизбалка", расположенной примерно в 3000 м от площадки очистных сооружений. На сооружениях производится только первичное и вторичное хлорирование обрабатываемой воды.
В настоящее время в обрабатываемую воду на насосной станции 1ш подъема производится ввод ВПК-402 (приблизительно 3000 м от очистной станции), непосредственно на станции поступающую воду только хлорируют. Построенные сооружения повторного использования по ряду причин не эксплуатируются, а вода после промывки фильтров сбрасывается в балку Кизетеринка с последующим поступлением в реку Дон.
Из приведенного выше материала видно, что очистные станции Ростовского-на-Дону водопровода введены в эксплуатацию достаточно давно, поэтому для достоверного представления об их работе необходимо уточнить некоторые параметры.
На обеих площадках очистных сооружений реализована двухступенчатая схема очистки природных поверхностных вод. Данная схема предусматривает осветление в горизонтальных отстойниках с встроенными камерами хлопьеобразования различной конструкции и фильтрование на скорых фильтрах. Изменение мутности воды по ступеням очистки, при применении в качестве основного реагента коагулянта сернокислого алюминия, представлено на рис. 7. Анализ журналов работы очистных сооружений за несколько лет показал, что качество воды, поступающей на фильтры, изменяется в широких пределах (от 15,0 до 3,75 мг/дм для Центральных ОС, от 21,50 до 6,50 мг/дм для БОС-1 и от 26,0 до 2,75 мг/дм для БОС-2 Александровских ОС). Дозы сернокислого алюминия зависели от качества обрабатываемой воды и по данным [95] в 1993 году находились в пределах от 10,2 до 38,5 мг/дм .
Анализ методов определения седиментационных свойств взвешенных веществ
Выбор оптимального технологического режима осветления промывных вод должен основываться на получении максимального эффекта при минимальных затратах на реализацию процесса. Осветление производится в сооружениях отстойного типа, конструктивные параметры которых определяются продолжительностью процесса седиментации взвешенных частиц, функционально связанного с их плотностью, размерами, а, следовательно, и гидравлической крупностью.
Природные коллоиды и продукты гидролиза коагулянта сравнительно велики и не совершают поступательного броуновского движения, достаточно быстро оседают, поэтому можно произвести фракционирование суспензии. Седиментационный анализ, как правило, проводят с помощью торсионных весов, оценивая кинетику осветления жидкости по массе накопившегося в чашечке весов осадка за определенные промежутки времени при известной глубине погружения чашечки под уровень жидкости. По результатам анализа строят кривую седиментации в осях - масса накопленного осадка - время фиксации массы. Использование седиментационных весов для определения вида кривой является кропотливой задачей, так как весы требуют тщательной настройки и при исследовании суспензий, содержащих флотирующие частицы, происходит их накопление под чашечкой, что вносит большую ошибку в показания весов. С целью недопущения ошибок из-за выше перечисленных факторов для построения кривых кинетики осаждения взвеси предлагается использование модифицированного фотоэлектроколориметри-ческого метода. Метод заключается в измерении остаточной концентрации взвешенных частиц суспензии по истечении определенных промежутков времени. Исходные данные получены в результате проведения пробного коагулирования в стеклянных цилиндрах, после чего производится пересчет результатов по остаточной концентрации взвешенных частиц в массу осадка (мг) и определяется его относительная масса (%). В этом случае график строят в осях - относительная масса осадка - время определения концентрации взвешенных частиц.
Обработка результатов седиментационного анализа (седиментационной кривой) в настоящее время производится двумя способами: графическим и аналитическими.
Графический способ является широко распространенным, так как основное его достоинство простота. Для расчета основных характеристик взвеси необходимо провести касательные к кривой седиментации в заданные моменты времени. Однако этот способ имеет ряд существенных недостатков:
1. построение кривой седиментации по полученным значениям относительной массы осадка в известной мере субъективно;
2. проведение касательных к кривой седиментации требует опыта и также достаточно субъективно, особенно при обработке пологой части кривой;
3. графический метод не дает возможности получить количественные показатели, необходимые для решения теоретических и многих практических задач.
Аналитические методы позволяют математически описать кривую седиментации и рассчитать необходимые показатели осаждающейся взвеси. Наибольшее распространение получили метод Н.Н. Цурюпы и метод Н.Я. Авдеева [33,70].
Н.Я. Авдеевым [33] установлено, что процесс накопления осадка дисперсной фазы малоконцентрированных суспензий можно выразить аппроксимирующим асимптотическим уравнением
