автореферат диссертации по строительству, 05.23.04, диссертация на тему:Доочистка городских сточных вод на радиальных фильтрах

Условные обозначения

ВВЕДЕНИЕ.

ГЛАВА I. ВОПРОСЫ ДООЧИСТКИ ГОРОДСКИХ СТОЧНЫХ ВОД

1.1. Доочистка сточных вод методом фильтрования.

1.2. Анализ конструкций зернистых фильтров доочистки. II

1.3. Общая оценка работы фильтров доочистки

1.4. Цель и задачи исследований.

ГЛАВА П. ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ДООЧИСТКИ ГОРОДСКИХ

СТОЧНЫХ ВОД -НА' РАДИАЛЬНЫХ ФИЛЬТРАХ

2.1. Схема и математическая модель радиальных фильтров

2.2. Состав и свойства загрязнений в очищаемой воде.

2.3. Кинетика радиального фильтрования

2.4. Теоретическая оценка фильтрующих материалов.

2.5. Гидравлика радиального фильтра

2.6. Промывка радиального фильтра

Выводы.

ГЛАВА Ш. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ПРОЦЕССА

РАДИАЛЬНОГО ФИЛЬТРОВАНИЯ В ЛАБОРАТОРНЫХ

УСЛОВИЯХ

3.1. Опытная установка и методика исследования фильтрующих материалов

3.2. Технологическая оценка фильтрующих материалов.

3.3. Опытная установка и методика исследования гидродинамики . радиального фильтра.

3.4. Исследование гидродинамики фильтра.

3.5. Опытная установка, методика технологического моделирования и расчета радиального фильтра

3.6. Технологическое моделирование

3.7. Расчет конструктивных и технологических параметров радиального фильтра

3.8. Биохимические процессы в загрузке фильтра.

Выводы.

ГЛАВА 1У'. ИССЛЕДОВАНИЕ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ПАРАМЕТРОВ РАБОТЫ РАДИАЛЬНЫХ ФИЛЬТРОВ В ПРОИЗВОДСТВЕННЫХ УСЛОВИЯХ

4.1. Полупроизводственная установка радиального фильтра.

4.2. Гидродинамика радиального фильтра. . ИЗ

4.3. Эффективность процесса доочистки

4.4. Кинетика накопления осадка в фильтрующей загрузке

4.5. Промывка радиального фильтра

4.6. Исследование опытно-производственного радиального фильтра.

Выводы.

ГЛАВА У. РАЗРАБОТКА МЕТОДИКИ РАСЧЕТА РАДИАЛЬНЫХ

ФИЛЬТРОВ И ИХ ПРИМЕНЕНИЕ В СХЕМЕ ДООЧИСТКИ ГОРОДСКИХ сточных вод

5.1. Методика расчета и конструкция . радиальных фильтров.

5.2. Схемы доочистки сточных вод с радиальными фильтрами.

5.3. Применение радиальных фильтров для доочистки городских сточных вод

5.4. Обоснование целесообразности и экономической эффективности применения радиальных фильтров

Выводы.

Рост городов, концентрация и развитие промышленного производства приводят не только к росту водопотребления, но и к прогрессирующему загрязнению водоемов и подземных вод, которые служат источниками водоснабжения. Повышение загрязнения источников водоснабжения приводит в свою очередь к повышению капитальных вложений и эксплуатационных затрат в системы водоснабжения. Кроме того, исключаются из использования побережья водоемов, как зоны отдыха, наносится урон рыбному хозяйству. Поэтому исследования, направленные на повышение степени очистки промышленных и бытовых сточных вод, являются актуальными и экономически оправданными.

Для очистки городских сточных вод от загрязнений не удаляемых на сооружениях полной биологической очистки применяется и$ доочистка различными методами. Наиболее распространен метод доочистки биологически очищенных сточных вод на фильтрах с зернистой-загрузкой.

Существующие фильтры доочистки городских сточных вод имеют малую производительность в расчете на единицу занимаемой производственной площади, что увеличивает капитальные затраты и затрудняет устройство фильтров на сталциях аэрации при отсутствии свободных площадей. Регенерация фильтрующих загрузок фильтров традиционных конструкций требует значительных расходов промывной воды и соответственно электроэнергии, что удорожает их эксплуатацию.

Целью работы является разработка, исследование и внедрение в производство экономичного фильтра новой конструкции (радиального), позволяющего повысить производительность фильтров доочистки сточных вод и сократить расход промывной воды.

В ходе исследований использовались аналитические методы исследования доочистки сточных вод, натурные наблюдения, физическое и математическое моделирование и обработка материалов исследований методом наименьших квадратов.

Научная новизна работы состоит:

- в разработке конструкции радиального фильтра для доочистки городских сточных вод (в сравнении с существующими конструкциями фильтров);

- в теоретическом и экспериментальном исследовании радиальных фильтров (в лабораторных, полупроизводственных и производственных условиях);

- в исследовании нового фильтрующего материала из горелых пород (в сравнении с кварцевой-песчаной и гранитной-щебеночной загрузками);

- в исследовании биохимических процессов в зернистой загрузке из горелых пород;

- в разработке рекомендаций для расчета радиальных фильтров при проектировании и режима эксплуатации для действующих радиальных фильтров.

Практическая ценность выполненных исследований заключается в разработке и внедрении в практику проектирования, строительства и эксплуатации фильтра новой конструкции (радиального) для доочистки городских сточных вод. На радиальном фильтре увеличивается производительность, отнесенная к единице занимаемой производственной площади и сокращается расход промывной воды по сравнению с кварцевыми и щебеночными фильтрами за счет применения большей вертикальной, боковой фильтрующей поверхности и более грязеемкой загрузки из горелых пород. Использование радиальных фильтров на станциях различной производительности дает экономию приведенных затрат на 40-50% по сравнению с фильтрами традиционных конструкций.

Результаты исследований использованы Сибирским отделением

Союзводоканалпроект" при выполнении проекта доочистки сточных вод на радиальных фильтрах.г. Ленинска-Куэнецкого и Восточно-Сибирским отделением - г. Ачинска. Общая производительность станций 95 тыс. м3/суткя. Комплексы доочистки находятся в стадии строительства. На Красноярских городских очистных сооружениях действует один фильтр производительностью 12 тыс. м3/сутки. Суммарный экономический эффект от внедрения фильтров составляет 329 тыс. руб. в год (прил. 1Х-Х1).

Материалы, изложенные в диссертационной работе докладывались и обсуждались на научно-технической конференции НИСИ им. В.В. Куйбышева (г. Новосибирск, 1979 г.); Краевой научно-технической конференции молодых ученых и специалистов по проблеме "Повышение эффективности строительства в крае" (г. Красноярск, 1979 г.); Краевой научно-технической конференции, посвященной 70-летию красноярского водопровода (Красноярск, 1983 г.), на заседании кафедры "Канализация" МИСИ им. В.В. Куйбышева (г. Москва, 1983 г.).

По материалам диссертации опубликовано 9 статей (прил. ХП). Диссертация состоит из введения, 5 глав, основных выводов, списка использованной литературы и приложений. На защиту выносятся:

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ

1. Частные условия общей оптимизации фильтров доочистки городских сточных вод с учетом энтропийного показателя их эффективности обуславливают необходимость применения фильтров с радиальным фильтрованием и новых фильтрующих материалов.

2. Разработанная модель радиального фильтра отражает микродинамику процесса фильтрования, кинетику биохимического массообмена, гидравлику и физический массообмен в фильтре.

3. В результате проведенных исследований разработан более экономичный фильтр новой конструкции (радиальный), позволяющий повысить производительность фильтров доочистки городских сточных вод и сократить расход промывной воды.

4. Фильтрующий материал из горелых пород обладает высокими технологическими свойствами. Применение горелой породы для загрузки фильтров доочистки позволяет увеличить рабочие скорости фильтрования в 1,8 и 1,3 раза по сравнению с кварцевой-песчаной и гранитной-щебеночной загрузками соответственно.

5. Конструктивные параметры радиального фильтра:

- диаметр радиального фильтра - 5-10 м;

- общая высота фильтра -5м;

- высота слоя фильтрующей загрузки - 3 м;

- толщина слоя загрузки - 1,35 м;

- крупность зерен загрузки из горелой породы 1-2 мм, сСэнб. = 1,3 мм.

6. Боковая рабочая скорость фильтрования на радиальном фильтре на входе в фильтрующую загрузку составляет 20 м/ч при среднем содержании взвеси в исходной воде равном 20 мг/л, условии обеспечения содержания взвеси в фильтрате не более 3 мг/л и минимальной восьмичасовой продолжительности фильтроцикла.

7. Рабочая скорость фильтрования на радиальном фильтре в 1,8 и 1,3 раза выше скоростей фильтрования на кварцевом и гранитно-щебеночном фильтрах соответственно за счет применения фильтрующего материала из горелой породы.

8. Производительность, отнесенная к I л/? занимаемой радиальным фильтром производственной площади в 1,4-3,4 раза выше производительности скорых щебеночных и кварцевых фильтров. Из этого числа:

- увеличение производительности в 1,1-1,9 раз в зависимости от диаметра фильтра обеспечивается за счет применения боковой вертикальной поверхности фильтрования;

- увеличение производительности в 1,3и1,8 раза достигается за счет повышения скорости фильтрования с применением горелых пород в качестве фильтрующего материала вместо гранитного щебня и кварцевого песка соответственно;

9. Эффект доочистки стоков на радиальных фильтрах составляет: по взвешенным веществам - 75-95%; по БПКд,^^ -75-85%; по ХПК - 30-45% и зависит от качества исходной воды. В процессе фильтрования происходит снижение содержания растворенного кислорода в фильтрате на 15-25%.

10. Процессы биохимического окисления растворенной органики в зернистом слое загрузки фильтра характеризуются константами Ку= 0,05-0,11 сут"-^ и аналогичны процессам в обычных биоокислителях при низких значениях ВПК.

11. Снижение ВПК в загрузке радиального фильтра в результате физико-химических и биологических процессов составляет 5-25% от общего снижения ВПК в зависимости от продолжительности фильтрования.

12. Промывку фильтрующей загрузки рекомендуется проводить в 3 стадии с применением сжатого воздуха:

- продувка воздухом с интенсивностью 20 л/(с м^) в течение 5 минут;

- совместная водовоздушная промывка с интенсивноетяш подачи воды и воздуха 5 л/(с л?) и 20 л/(с м^) соответственно в течение 10 минут;

- промывка водой с интенсивностью 12 л/(с в течение 5 минут.

13. На радиальном фильтре достигается снижение расхода промывной воды:

- в 2,5-3,3 раза по сравнению с кварцевыми фильтрами;

- в 1,8-2,4 раза по сравнению с гранитными-щебеночными фильтрами в зависимости от диаметра за счет сокращения площади промывки и увеличения грязеемкости загрузки с применением фильтрующего материала из горелых пород.

14. Разработанная методика расчета радиальных фильтров позволяет определять его конструктивные, гидравлические и технологические параметры.

15. Применение радиальных фильтров для доочистки городских сточных вод на станциях различной производительности • дает экономию в показателях приведенных затрат на доочистку I м3 стоков в сутки на 51 и 38% по сравнению с кварцевыми и гранитно-щебеночными фильтрами соответственно .

16. Суммарный годовой экономический эффект от внедрения радиальных фильтров на 3 очистных станциях составляет 329 тыс. рублей, в том числе 41 тыс. рублей по действующему опытно-промышленному фильтру.

1. Альтовский М.Е. Расчет дебита по откачкам из одиночных колодцев. - М.: Гостеоиздат, 1940. - 124 с.2» Барский A.A./, Плаксин И.Н. Критерии оптимизации разделительных процессов. М.: Наука, 1967. - 120 с.

2. Бородавченко И.П. Современное состояние и задачи по охране поверхностных и подземных вод от загрязнения. В кн.: Докл. Всесогоз. конф. по охране поверхностных и подземных вод от загрязнений. Таллин, сентябрь, 1967. -М., 1967, с.31-36 .

3. Брагинский Л.И., Евилевич М.А., Бегачев В.М. Моделирование аэрационных сооружений для очистки воды.- Л.: Химия, 1980. 144 с.

4. Брынько Ю.В. Исследование закономерностей осветления биологически очищенных сточных вод на скорых фильтрах. Автореф. Дис. канд. техн. наук.- М., 1971.- 14 с.

5. Быков С.И. Доочистка сточных вод на микрофильтрах.- Городское хозяйство Москвы, 1966, № 10,с>15-18 .

6. Вазилин В.А., Васильев В.Б. Математическое моделирование процессов биологической очистки сточных вод активным илом. M.s Наука, 1979. - 119 с.

7. Войтов Е.Л., Пчелкин А.Г. Биохимические процессы в загрузке зернистых фильтров доочистки городских сточных вод. Деп. ЦБНТИ Мин. жилкомхоза РСФСР. Указатель неопубликованных и ведомственных материалов. М., 1981, № 4.

8. Войтов Е.Л., Фоминых A.M. Расчет радиальных фильтров для доочистки биологически очищенных сточных вод: Тез. докл. к краевой науч. техн. конф. молодых ученых и спец. Повышение эфф. строит, в крае, Красноярск, 1979, с. 78-83.

9. Григорьев В.М. Зарубежный опыт искусственного пополнения запасов подземных вод. В кн.: Труды института ВОДГЕО. М., 1964, вып. 3, с. 18-24.

10. Доочистка сточных вод Саларской станции аэрации г. Ташкента на каркасно-засыпных фильтрах. М., изд. ЦИНИСа Госстроя СССР, 1976, серия 1У, вып. ХП.

11. Драгинский В.Л., Гриневич Е.В. Применение микрофильтров для очистки сточных вод. М., изд. ГОСИНТИ, ПБГ, 1975, № 46-75.

12. Дробленый шунгизит фильтрующий материал для контактных осветлителей / Драхман Е.Е., Тарасов A.B., Новикова Н.В. и др. - Водоснабжение и санитарная техника, 1977, ^ 6, с. 27-29.

13. Иванюшин Г. И. Исследование работы песчаных фильтров при доочистке сточных вод. Автореф. Дис. . канд. техн. наук. М., 1971. - 16 с.

14. Иванюшин Г.И., Чуфистова О.С. Доочистка сточных вод прошедших полную биологическую очистку, на песчаных фильтрах. В кн.: Методы охраны водных ресурсов от загрязнений, М., 1965, с. 52-61.

15. Кравцова Н.В., Худенко Б.М. Индустриальные способы доочистки промышленных сточных вод перед выпуском их в водоемы. Тр. Совещания по очистке сточных вод. ВНИИ ВОДГЕО, 1967, с. 31-44.

16. Кравцова Н.В., Худенко Б.М. Методы доочистки промышленных сточных вод перед выпуском их в водоемы. В кн.: Тез. докл. на Всесоюзной конференции по охране водоемов, Таллин, 1967, вып. 4, с. 84-86.

17. Кравцова H.B.» Худенко Б.M., Шляпников Л.Л. Доочистка сточных вод, прошедших полную биологическую очистку, перед спуском их в водоем. Сб. научных трудов Белорусского политехнического института, № I, Строительство, 1967, с. 15-17.

18. Кравцова Н.В. Изменение величины НЖшлн при фильтрации биологически очищенных сточных вод. В кн.: Очистка сточных вод. - М.: Труды института ВОДГЕО, статьи молодых специалистов, 1967, с. 23-26.

19. Яковлев C.B., Карелин Я.А., Куков А.И., Колобанов С.К. Канализация. М.: Стройиздат, 1975. - 632 с.

20. Кафаров В.В., Випаров А.Ю., Гордеев Л.С. Моделирование биохимических реакторов. М.: Лесная промышленность, 1979. - 342 с.

21. Кафаров В.В., Дорохов И.Н. Системный анализ процессов химической технологии. Основы стратегии. М.: Наука, 1976. - 500 с.

22. Корн Г., Корн Т. Справочник по математике для.научных работников и инженеров. М.: Наука, 1970. - 720 с.

23. Курганов A.M., Федоров Н.Ф. Справочник по гидравлическим расчетам систем водоснабжения и канализации. Изд. 2-е, перераб.и доп. Л.: Стройиздат, Ленинградское отд-ние, 1978. - 424 с.

24. Лукиных H.A., Липман Б.Л., Криштул В.П. Методы доочист-ки сточных вод. Изд. 2-е, перераб. и доп. M.sСтройиздат, 1978. - 156 с.

25. Минц Д.М. Теоретические основы технологии очистки во-• ды. M.s Стройиздат, 1964. - 156 с.

26. Мотыгина Н.К. Доочистка сточных вод после аэротенков в условиях Сибири: Автореф. Дис. . канд. техн. наук. -Хабаровск, 1970. 25 с.

27. Карелин Я.А., Куков Д.Д., Журов В.Н., Репин Б.Н. Очистка производственных сточных вод в аэротенках. М.: Стройиздат, 1973. - 223 с.

28. Яковлев C.B., Карелин Я.А., Ласков Ю.М., Воронцов Ю.В. Очистка производственных сточных вод.- М.: Стройиздат, 1979. 360 с.

29. Полевский А.Н. Комплексное использование свойств и технологии переработки горелых пород: Автореф. Дис. . канд. техн. наук. Новосибирск, 1969. - 28 с.

30. Полубаринова-Кочина П.А. Теория движения грунтовых вод.--М.: Наука, 1977. 664 с.

31. Ракитин Е.Г. Исследование процессов глубокой очистки сточных вод методом фильтрования: Автореф. Дис. . канд. техн. наук. M., 1974. - 24 с.

32. Рекомендации по применению фильтрационных методов в технологической схеме доочистки сточных вод. М.: Отдел научно-техн. информации АКХ, 1973. - 8 с.

33. Рекомендации по применению пластмассовых щелевых колпачков с хвостовиком (тип B-I) в дренажных устройствах фильтров. M.s ВОДГЕО, 1973. - 18 с.

34. Синельников В.Е. Механизм самоочищения водоемов. М.: Стройиздат, 1980. - 254 с.

35. СНИП П-31-74 Ч. П. Гл. 2. Канализация. Наружные сети и сооружения. м.: Стройиздат, 1975. - 88 с.

36. СНИП П-31-74 Ч. П. Гл. 31. Водоснабжение. Наружные сети и сооружения. М.: Стройиздат, 1976. - 144 с.

37. Сулла М.Б., Фихтман С.А. Применение энтропийного показателя для оценки эффективности сгустительных устройств.-Водоснабжение и санитарная техника, 1972, № II, с. II-I3.

38. Справочник проектировщика. Канализация населенных мест и промышленных предприятий / Под общ. ред. В.Н. Самохина. М.: Стройиздат, 1981. - 430 с.

39. Технические указания на проектирование, строительство и эксплуатацию водоочистных фильтров с водовоздушной промывкой и системой низкого отвода промывной воды. М.: Отдел научно-техн. информации АКХ, 1972. - 14 с.

40. Фоминых A.M. Интенсификация процессов очистки природных и сточных вод. В кн.: Доклады Всесоюзной научно-техн. конференции: Повышение технической и экономической эффективности работы водопроводно-канализационных сооружений. Новосибирск, 1968? - с. 4-95.

41. Фоминых A.M. Разработка и обоснование рациональных технологических схем очистки воды.в групповых сельскохозяйственных водопроводах: Автореф. Дис. . докт. техн. наук. Новочеркасск, 1975. - 49 с.

42. Фоминых A.M. К вопросу о теории очистки воды фильтрованием и технологическом моделировании фильтрующих загрузок. Изв. вузов. Строительство и архитектура, 1979,1. II, с.98-103.

43. Фоминых A.M. К вопросу выбора и предварительной оценки фильтрующего материала. Изв. вузов. Строительство и архитектура, 1973, № II, с. 104-106.

44. Фоминых A.M., Санников Б.JI. Электрокинетические свойства поверхности нового фильтрующего материала. Коллоидный журнал, АН СССР, 1972, т. 34, вып. 3, с. 474-476.

45. Фоминых A.M., Войтов Е.Л. Доочистка биологически очищенных городских сточных вод на радиальных фильтрах. Изв. вузов. Строительство и архитектура, 1974, .№9, с. II2-II7.

46. Фоминых A.M., Войтов Е.Л. Доочистка биологически очищенных городских сточных вод на скорых фильтрах. В сб.: Прикладная гидромеханика и теплофизика (вопросы расчета и эксплуатации санитарно-технических объектов). - Красноярск, 1974, с. I36-I4I,

47. Фоминых A.M., Войтов Е.Л. Доочистка биологически очищенных сточных вод фильтрованием на радиальных фильтрах. -Водоснабжение и санитарная техника, 1977, № 7, с. 8-10.

48. Форхгеймер Ф. Гидравлика:/ Пер. с нем. и под ред. A.A. Черкасова. М.-Л.: ОНТИ, 1935. - 615 с.

49. Хабиров P.C. Доочистка биологически очищенных сточных вод на каркасно-засыпных фильтрах: Автореф. Дис. . канд. техн. наук. М., 1981. - 25 с.

50. Хапаева Н.К. Исследования возможности применения горелой терриконовой породы Кузнецкого бассейна в качестве фильтрационного и дезактивирующего материала. Химия твердого топлива, 1973, № 6, с. 86-88.

51. Чугаев P.P. Гидравлика. Изд. 4-е, доп. и перераб.- Л.: Энергоиздат. Лениград. отд-ние, 1982. 672 с.

52. Шабатько B.K. Исследование механической очистки и до-очистки городских сточных вод на фильтрах с плавающей пенополистироловой загрузкой: Автореф. дис. . канд. техн. наук. Одесса, 1973. - 23 с.

53. Яковлев C.B., Воронов Ю.В. Биологические фильтры. -М.: Стройиздат, 1975. 135 с.

54. Яковлев C.B., Ванин В.В* Глубокая очистка от органических веществ и обессоливание сточных вод в США. Водоснабжение и санитарная техника, 1972, të II, с. 5-7.ei. dnan.band litttatLon olí dLvtori.- Watez Waóíe

55. Саъпгап RC\-J. Soc. Скет.Згъ<±.,190Ъ, V,52JA/36p¿80-á88.

56. Cv&o Pcxzt 2 ; Secortdccz-г/рВосп. i e££¿uen.± poélóh-in.g,~ Wcxtez. cltlcL Seusage Wov.-ÍLJs,±968y.60, S/i ¿95 -¿98.

57. Сибр На/гзе.п. £P Gcc tended CLczoction- e$£uení poEiôfiinç ¿y rn.Loc.ed-media f¿é¿z.aé¿Dn.r- Wcct&^- and

58. Holding J. C. ¿ С u¿> ¿on о/г реерэ&ъ. êy dP¿yeódcL@e U.A. JfLttt-OL'z.i/ ÍT-e-CLime/LÍ pr.oceôôQô ^oz. ôeurage uioz/£â Wo-teт. Po ¿¿и tío п. CorLÍfz.o¿;¿9Sr?, v. 66; p.z&o-4o¿.i. Hutíiy S. fTLunicLp. 1954, V.5i, л/ 334ö~46.

59. С. 6. Piedla г у Je ¿dage tteadmend г PuêEic Wozkj96Z, 1/93, A/a,p.8l-Q5.73. ¡TlcLÍu^crÍLOn- pandó.- Watez /leóeccL¿A, ±972. ^ 4.6,»?, p9-lí.

60. Playear. (2.S., ¿iranó P.C., P) uñó com. Se H.¡4. R-Q.ce.rii deueßopm.ent on ¿Pe T.apícL ôand

61. Reitet- at dCuíorL-Wa.te.2, Po££uííon- Condzoê, ¿96?, V. 66, А/4, p. so9 -0¿3.75. f\Pico£.¿ M P. f/um.vú tcLn-k-рэе.ъ^ог.т.а.п.се.

62. Р/i-CZOóí^CLrLlriQ CLfLCl ÓCLÍLCi f¿£.¿^0ctí0n.-JoL/tnaEand P-coceeding cf ¿Pe. ÍPnúíítute ^ot Sezxrage Purification,-¿965,pozí 3,^0. ¿.Гз-2.7S.

63. Jpêgut. a n ¿.rarest ¿gation tnto ¿ez.tiaz¿/ tzea.tm.esd pz-oceszLl êtj r.apioL fi£¿zat¿on~ Wa-tez fL&¿eacp~- ¿97 1, V.5,^3, p. §î-85.

64. Jc/ioSanopPoa^s èt- ¿P¿ Et talion. ¿ecAnlgueó Lru te.zíia.zz/ ízeotmant .„Jouzna-E Vs/atez PoEEation ContzoE 7e detection-"¿970, V.42.?v4, р.604~6±0.