автореферат диссертации по строительству, 05.23.04, диссертация на тему:Глубокая очистка сточных вод на зернистых фильтрах

г\ и

МОСКОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ СТРОИТЕЛЬНЫЙ УНИВЕРСИТЕТ

На правах рукописи

ДАЙ МУХАМГЩ

ГЛУБОКАЯ ОЧИСТКА СТОЧНЫХ ВОД НА ЗЕРНИСШХ ФИЛЬТРАХ

Специальность 05.23.04 - Водоснабжение, канализация,

строительные системы охраны водных ресурсов

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Москва - 1994

Работа выполнена в Московском Государственном строительном университете.

Научный руководитель Официальные оппоненты

Защита состоится

- кандидат технических наук, профессор В.И.КАЛИЦУН

- доктор технических наук, профессор СКИРДОВ И.В.

- кандидат технических наук, доцент ЧШН В.А.

Ведущая организация

./V. 0£

- ЩИИЭД инженерного оборудования

1994 г. в " час.

на заседании специализированного совета К 053.11.08 в Московском Государственном строительном университете по адресу: 129337, Москва, Ярославское шоссе, д. 26, ауд. 210.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке МГСУ.

Яросим Вас принять участие в защите и направить Ваш отзыв в 2-х экз.по адресу: 129337, Москва, Ярославское шоссе, д. 26, МГСУ, Ученый совет.

Автореферат разослан Ь 5 1994 г. й 12Я-,

Ученый секретарь специализированного совета, кандидат технических наук,

доцент В.А.ОРЛОВ

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность. С увеличением количества загрязнений, поступающих в водоемы, ужесточаются санитарные и рыбохозяйствешше требования, предъявляемые к качеству воды в них.

Возлагать большие надежды на процессы самоочищения водоемов уяе нельзя. Практически повсюду исчерпаны разбавляющая и самоочищающая способности водоемов. Поэтому значительно повысились требования к показателям качества очищенных сточных вод. В первую очередь эти требования относятся к взвешенным веществам, концентрация которых должна быть на уровне 3,0 мг/л.

Для глубокой очистки биологически очищенных сточных вод от взвешенных веществ широкое распространение получили фильтры с зернистой загрузкой. Наиболее приемлемыми фильтрами для глубокой очистки сточных вод являются фильтры, обладающие большой грязеемкостью. Это обеспечивается при условии фильтрования воды в направлении убывающего размера зерен загрузки. К числу таких фильтров относятся фильтры с восходящим потоком воды, кар-касно-засыпные, двухслойные и др. Некоторые из них обладают теми или иными недостатками; другие не обеспечивают заданных эффектов очистки воды или ненадежны. Новые требования к качеству очищенных сточных вод выдвигают новые требования к конструкции фильтров с зернистой загрузкой и эффективности осветления воды.

Палью диссертационной роботы является совершенствование перспективной конструкции фильтра и определение оптимальных параметров работы его, при которых обеспечиваются совремешше требования к качеству очищенных сточных вод.

Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:

- на основании глубокого анализа большого многообразия известных конструкций фильтров определить наиболее перспективные;

- базируясь на теоретическом анализе принципов работы фильтров наметить пути совершенствования выбранной конструкции;

- на вновь созданной экспериментальной установке провести исследования новых вариантов фильтров;

- на основании обобщения результатов исследований уточнить конструкцию фильтра для последующего применения и определить оптимальные параметры ее работы и достигаемый эффект осветления воды.

Научная новизна работы заключается в следующем:

- получены экспериментальные зависимости эффективности осветления воды и прироста потерь напора от толщины слоя загрузки и продолжительности работы при различных скоростях фильтрации

и содержании взвешенных веществ в исходной воде для однослойного поочаного фильтра и трех вариантов двухслойных фильтров (с верхней крупнозернистой загрузкой из керамзита);

- получена приближенная зависимость для определения продолжительности работы двухслойных фильтров до момента исчерпания располагаемого напора в зависимости от скорости фильтрации и содержания взвешенных веществ в исходной воде.

Практическое значение работы заключается в следующем:

- разработан оптимальный вариент двухслойного фильтра с верхней крупнозернистой загрузкой из керамзита, отличающийся тем, что загрузка из керамзита укладывается послойно о размером зерен, убывающим в направлении движения воды (сверху-вниз), а нижний песчаный слой выполняется из песка мелких фракций;

- установлены оптимальные параметры работы предложенного варианта двухслойного фильтра.

Объем и структура работы. Диссертация состоит из введения, 4 глав, общих выводов и содержит стр., в том числе стр. машинописного текста и 75 наименований литературы.

Но защиту выносятся следующие основные положения диссерта-

щш:

- обзор известных конструкций фильтров, результаты их исследования и технологический анализ, выбор перспективной конструкции для дальнейшего совершенствования;

- теоретический анализ факторов, влияющих на эффективность осветления воды, и выбор размеров загрузки (диаметра зерен и высот слоев);

- результаты экспериментальных исследований однослойного песчаного и трех вариантов двухслойных фильтров по эффективности осветления воды и приросту потерь напора от различных влияющих факторов;

- обобщение результатов исследований к полученные выводы по выбору конструкции фильтра для опытно-промышленного внедрения.

СОДЕРМНИЕ РАБОТЫ

Во введении обосновывается актуальность выбранной темы диссертационной работы, формулируются цель и задачи исследований, изложены научная новизна и практическая значимость работы.

В первой главе освещены достижения и проблемы глубокой очистки сточных вод, описаны различные конструкции фильтров, результаты гас исследований и эксплуатации.

Фильтрование воды через зернистые материалы обеспечивает высокую комплексную доочистку сточных вод. Во многих случаях отот метод оказывается просто и реально осуществимым к экономически наиболее целесообразным.

Первая станция глубокой очистки сточных вод была построена в Англии. Скорые песчаные фильтры с загрузкой песком об = О,85...1,67 мм высотой 1,0 м при скорости фильтрации 5...10 м/ч обеспечивали в очищенной воде содержание взвеаешшх веществ 3...5 мг/л н ВПК - 5...7 мг/л.

В России первые исследования были выполнены Г.И.Иваншп-ным на Люблинской станции аэрации г.Москвы. В производственных условиях он испытал фильтр с восходящи потоком воды, двухслойный фильтр с верхней антрацитовой загрузкой и обычный скорый фильтр с нисходящим потоком воды. Все фильтры обеспечивали высокую эффективность осветления воды. На загрузке песчаных фильтров образовывалась пленка, что приводило к сокращению времени их работы. Наиболее устойчивы в работе фильтры с восходящим потоком воды. Промывка фильтров происходит успешно - отмывка загрязнений завершается через 4...5 мин.

Последующие исследования Брынько Ю.Р. и др. позволили уточнить параметры работы скорых фильтров.

Стремление избегать образования пленки на загрузке привело к рекомендации устройства крупнозернистых загрузок (Ганин Б.А., Мотыгкна Н.К. и др.). Однако такие фильтры обладают невысокой эффективностью.

Применение двух- и многослойных фильтров улучшает пара-

метры их работы. Однако им тоже присущи недостатки - истираются частицы загрузки и происходит смещение слоя фильтрующих материалов.

Привлекшие внимание фильтры с восходящим потоком воды, также обладают недостатками - происходит обрастание дренажной распределительной системы и заметный проскок взвесей при возрастании потерь напора в загрузке фильтров.

Взвешенные вещества, содержащиеся в биологически очищенной воде, обладают специфическими свойствами. Стремление учесть это привело к рождению новых конструкций фильтров.

Инженер Быков С.И. разработал фильтры с подвижной загрузкой.

Оригинальной модификацией многослойных фильтров являются каркасно-засшные фильтры (КЗФ). Они обладают высокой эффективностью осветления воды и большой грязеемкостью. Однако им присущ и один существенный недостаток - пористость нижнего фильтрующего слоя составляет .менее 20%.

МосводоканалНИИпроектом предложена новая модификация двухслойного фильтра. Нижний слой загрузки выполняется из песка, а верхний - покоящийся на решетке - из крупнозернистого керамзита или из крупных плавающих гранул. В последнем случае верхний слой должен удерживаться сверху решеткой. Промывка загрузок происходит при расширении и проникновении нижнего слоя в поры верхнего слоя. Лабораторные и полупроизводетвенныэ испытания показали» что при скорости фильтрации 15...20 м/ч они обеспечивают осветление воды до 2,5...3,0 мг/л.

Верхний слой исследованных фильтров тлел неоднородную загрузку диаметром 20...40 мм, что сникало пористость ее. Новая модификация двухслойного фильтра открыта для совершенствования и является наиболее перспективной.

Процесс фильтрации биологически очищенных вод имеет много особенностей. Однако предшествующие исследования подтверждают обоснованность применения теории проф.Д.М.Минца и к процессу фильтрации при глубокой очистке сточных вод.

Во второй главе изложен анализ факторов, влияющих на эффективность осветления воды и пути совершенствования конструкции двухслойных фильтров»

Суммарная поверхность однородных зерен равна:

Ш

с1-

где сС: - диаметр зерен загрузки; пь - пористость загрузки.

Таким образом, поверхность зерен загрузки обратно пропорционально их диаметру. В тоже время пористость не зависит от диаметра. Пористость однородных загрузок равна 40...50$.

Эффективность осветления воды обычно обусловлена заклиниванием частиц между гранулами загрузки и зависит от пористости. Она также обусловлена прилипанием частиц к гранулам загрузки под действием молекулярных сил и зависит от поверхности зерен загрузки. _

Очевидно, что при прочих равных условиях наибольшей эффективностью обладают мелкозернистые загрузки.

Взвешенные вещества, содержащиеся в воде, полидисперсны. Наличие дане незначительного количества более крупных частиц взвесей может приводить к калъматации верхних слоев загрузки и прекращению работы фильтра. В целях исключения явления каль-матации загрузки и сохранения высокой эффективности осветления воды на фильтре при очистке воды от полндисперсных взвесей загрузка фильтров должна быть послойной из гранул разного диаметра и чтобы каждый слой обеспечивал оптимальные условия улавливания частиц определенной крупности (с высокой эффективностью и без кальматации).

Загрузка верхнего слоя керамзита в двухслойном фильтре должна быть послойной с размерами гранул убывающими в направлении движения воды.

При наличии хорошего буфера в виде верхнего крупнозернистого слоя нижний песчаный слой может быть из мелких фракций.

Из изложенного вытекают пути интенсификации работы двухслойных фильтров, которые заключаются в следующем:

- уменьшении диаметра зерен нижнего песчаного слоя загрузки;

- послойной загрузки верхнего слоя загрузки с размером зерен, убывающими в направлении движения осветляемой воды;

- уменьшении размера зерен верхнего слоя загрузки при условии сохранения послойности загрузки.

Новая оат:мальная конструкция, фильтра представляется в слотцгйщом виде: нижний песчаный слой высотой 0,6 м состоит из пескз 0,8...1,2 мм, а верхний - из трех слоев керамзита общей высотой 0,8 м с гранулами (сверху-вниз) 35...40 мм; 20...30 мм к 10...20 мм.

Исследования изложенных выше путей интенсификации фильтров предполагается выполнить поэтапно.

В третьей главе описаны экспериментальная установка, методика исследования и обобщение шытов.

Экспериментальная установка состояла из бака для иловой смеси, бака для приготовления исследуемой сточной воды, напорного бака, двух моделей фильтров и бачков-регуляторов напора. Модели фильтров были выполнены из оргстекла диаметром 200 мм и общей высотой 260 см. Основание модели - коническое. В основа-нии'цглицдрической части были расположены дренажи (решетка), которые служили опорой для песчаных слоев. Под дренажем были • размещены перфорированные трубки кольцевой формы для отвода фильтрата н подачи промывной воды. Подача воды на фильтр производилась через штуцера над загрузкой фильтров. Важную роль выполнял напорный бак. Он обеспечивал подачу воды на модели фильтров под постоянным напором, который обеспечивался за счет непрерывного перелива воды через водосливную стенку (за счет поддержания в баке постоянного уровня). Расход очищенной и промывной воды измерялся объемным способом.

Модели фильтров по высоте имели штуцера, через которые отбирались пробы очищаемой воды. Они также были связаны шлангами с пьезометрами для определения потерь напора.

Установка обеспечивала возможность промывки фильтров водой и воздухом (водо-воздушная промывка).

Скорость фильтрации на фильтрах вычислялась по формуле:

у- --(2)

где - расход очищаемой воды; сь^ - диаметр фильтра.

Концентрация взвешенных веществ в воде, подаваемой на очистку- Сс и в осветленной воде-С определялась путем фильтрации воды через бумажные фильтры и взвешивания их в сухом состоянии. В части опытов концентрация взвешенных веществ определена колориметрическим методом (при концентрации менее 5 мг/л)

Исследования различных вариантов двухслойна фильтров выполнены при различных скоростях фильтрации - от 9 до 22 м/ч и концентрации взвешенных веществ от 10 до 60 мг/л.

По итогам каждого опыта строились графики зависимости % - <+(Н} при разных продолжительностях опыта г ; -<£(—) при"разннх высотах загрузки фильтра -И ; л п, =(н) ° при разных г , гдед К - потеря напора и à k - 4- (éJ

В четвертой главе изложены результаты исследований и анализ их.

Исследовано три варианта двухслойного фильтра:

- 1-ый вариант (I-ДФ) имел верхний слой загрузки из керамзита диаметром 20...40 мм, высотой 0,8 м и нижний слой - из.песка диаметром 0,8...1,2 мм, высотой 0,6 м;

- 2-ой вариант (2-ДФ) гаел верхний слой загрузки из керамзита, уложенного в три слоя из гранул разного диаметра (сверху-вниз): 30...40 мм; 20...30 мм и 10...20 мм(общей высотой 0,8 м, и нижний слой из песка диаметром 0,8...1,2 мм, высотой 0,6 м;

- 3-ий вариант (3-ДФ) имел верхний слой загрузки из керамзита, уложенного в три слоя из гранул разного диаметра (сверху-вниз): 22...30 мм; 15...22 мм и 10...15 мм общей высотой 0,8 м, и нияний слой из песка диаметром 0,8...1,2 да, высотой 0,6 м.

Параллельно с фильтром I-ДФ исследовался фильтр с загрузкой песком диаметром 0,8...1,2 мм и высотой 0,6 м с подачей воды сверху-вниз.

По результатам исследований построены графики зависимости

На первом этапе исследовались песчаный фильтр и фильтр 1-Д5 при скорости фильтрации Т = 9 и 22,0 £м/ч. Часть графиков исследований представлена на рис.1 и рис. 2. Из графиков следует, что по мере движения воды через толщу загрузки концентрация взвешенных веществ непрерывно уменьшается, но степень уменьшения при прохождении разных слоев различна.

После прохождения верхнего слоя из керамзита содержание взвешенных веществ уменьшается на 60...170$. Очевидно, что это происходит за счет икьятия из воды крупных частиц взвешенных веществ. При прохождении верхней толщи песчаной загрузки высо-

t ;

и

а)

0.0

8 0.2

сз «о

о.ч

о; о

5

0,6

а § 0.0

0,2

0,к

0.6

1 1Г= 9.0 н/ч С-25.0 -50.0 п ,А л

V

О Л /У; м

1 У /

г 7 +4= ■0.25ч

V Д-4 = 2.0 ч

щ

0.2

ом

о.е

о.в

Ю

^ 00 §3

«О

534 м й-0.2

-г- «

3.

§

ь-

0,4

0.6

« и /

II У И ' п/ Я ' С -.25.0-50.0 пг/п + 0.25 ч

• / 1 / 1 / о-Ч=1.0ч Д-i=2.0 м

С/с

0.2 0,4

0.6

0,8

{0

Рис. I. Графики зависимости С/сд- :

а) - для фильтра 1-ДФ; б) - для песчаного

фильтра

Рис. 2. Графики зависимости: а) С/Со - $ЧН)- для ".вухслой-ного фильтра 2-ДО; = - для однослойного

(П) и двухслойного (I.) фильтра 1-Д6

той 15...20 см очистка воды существенно интенсифицируется. В этой толще вода осветляется на 20...30$. После прохождения оставшейся толш песка высотой около 40 см вода осветляется в среднем всего лишь на -8..ЛС#. Абсолютное содержание взвешенных веществ в воде после очистки не превышает 2 мг/л. Интенсивность очистки воды в пределах всей продолжительности опыта и по всей толще загрузки оставалась практически неизменной. В исследованном диапазоне зависимости эффективности осветления воды от скорости фильтрации не обнаружено.

Практически равномерно и сравнительно незначительно увеличились потери напора с течением времени и по толщине слоев загрузки (рис. 26). Через 2,5 ч. работы фильтров при 'У = 9 м/ч обшио потери напора составили около 0,5 м, а при У = 22 м/с -

1.4 м (располагаемый напор равнялся 2,5 м).

Высокая эффективность осветления воды была и в песчаном однослойном фильтре. Однако в нем основная масса взвесей улавливалась в верхней толще загрузки высотой 20 см, где эффективность осветления воды достигала 80.. -95/2.

В однослойном фильтре сравнительно быстро росли потери напора (рис. 26). Располагаемый напор 2,5 м был исчерпан через

2.5 часа (при V = 22 м/ч).

Проведенные опыты позволили получить приближенную формулу . для определения времени, в течении которого в двухслойном фильтре будет исчерпываться располагаемый напор.

Грязеемкость однослойного песчаного фильтра до момента ио-черпания напора равна:

.ЗГсСф Со.п.Ь* С„:—^-Т (3)

где % , - скорость фильтрации и время, в течение которого был исчерпан располагаемый напор; Ссп - концентрация взвешенных веществ в исходной воде.

По. формуле аналогичной фородле (3) монет быть определена грязеемкость нижнегр песчаного слоя в двухслойном фильтре до момента исчерпания располагаемого напора. Но для этого в формулу (3) вместо Са следует подставить величину С0 где Э - эффект осветления воды в верхнем крупнозернистом слое. Таким образом для песчаного слоя двухслойного фильтра грязеемкость будет равна:

При условии равенства грязеемкости песчаных слоев в однослойном и двухслойном фильтрах, т.е. при условии

ОЙ*

(5)

Значения продолжительности работы двухслойного фильтра до момента исчерпания располагаемого напора, вычисленные по формуле (5), приведены в таблице.

Таблица

Значения величин

Н

'Скорость, ,м/ч. Величина "{я , ч. при Со<$ , мг/л

10 15 20 25

10 15 20 68 45 34 45.5 30,2 22.6 34 , 22,6 17 27,2 18 13,6

Полученные результаты следует признать удовлетворяющими требованиям практики.

Есть основание предполагать, что время защитного действия двухслойного фильтра будет всегда больше времени исчерпания располагаемого напора, так как в процессе опытов всегда созфа-нялась очищающая способность.песчаного слоя за счет нишей толпщ песчаного слоя высотой 40 см. ■

На втором этапе исследовался двухслойный фильтр 2-ДФ, имевший верхний слой из керамзита, уложенного в три слоя из разных,гранул с размерами уменьшающимися 'книзу. Скорость фильтрации также равнялась 9,0 и 22,0 м/ч. Часть графиков исследований представлена на рис. 2. Характер полученных зависимостей эффективности осветления воды и роста потерь напора от различных влияющих факторов был аналогичен тем, которые были

получены для фильтра 1-ДФ. В верхнем крупнозернистом слое задерживалось 60.. .7С$ всех взвесей, а в верхней толще песчаного слоя - около 20%. ¡Эффективность осветления воды практически не зависела от продолжительности работы фильтра и концентрации взвешенных веществ в исходной воде.

Общая эффективность осветления воды была высока.

Прирост потерь напора при прочих равных условиях в фильтре 2-ДО был меньше. Потеря напора равная I м достигла через 2,0 ч, а в фильтре 1-ДФ - через 1,5 ч.

На третьем этапе исследовался двухслойный фильтр 3-ДО. Полученные на нем результаты оказались практически равными тал, которые получены на фильтре 2-Д5. Однако на фильтре 3-ДФ после промывки чаще и больше задерживалось песка в 1фугшозернистой загрузке верхнего слоя. Подача после промывки только воздуха в течение I мин. обеспечивала возвращение песка в нижнее исходное положение.

Оптимальной конструкцией является вариант фильтра-2-ДФ с поэтапной загрузкой верхнего слоя. При возможных концентрациях взвешенных веществ в воде оптимальная скорость фильтрации в нем равна около 10 м/ч. При форсированном режиме - допустимая скорость 20...22 м/ч,

ОСНОЕШЕ ВЫВОДЫ

1. Широко применяемые в водопроводной практике фильтры при глубокой очистке сточных вод' оказываются ненадежными.

Из новых типов фильтров специально разработанных для глубокой очистки сточных вод привлекают внимание кэркасно-зосш-ные и двухслойные с крупнозернистой загрузкой из керамзита. Последние из них являются наиболее перспективными, так как обладают возможностями для совершенствования.

2. Теоретический анализ параметров загрузок двухслойных фильтров привел к следующим методам интенсификации их работы, которые заключаются в следующем:

- уменьшении диаметра зерен нижнего песчаного слоя загрузки;

- послойной загрузки верхнего олоя загрузки с размером зерен, убывающим в направлении движения осветляемой воды;

- уменьшении размера зерен верхнего слоя загрузки при условии сохранения послойной загрузки.

3. Для однослойного песчаного фильтра и трех вариантов двухслойных фильтров получены графические эмпирические зависимости эффективности осветления воды и прироста потерь напора в зависимости от толщины загрузки и продолжительности работы фильтров при разных скоростях фильтрации и концентрации взвешенных веществ в исходной воде.

4. Однослойный песчаный фильтр обеспечивает высокую эффективность осветления воды - 1...2.5 мг/л. Однако 80...95$ загрязнений улавливается верхней толщей песка, что приводит к быстрому росту потерь напора и исчерпанию располагаемого напора. При 1/ = 22,0 и/ч и СССгу = 45 мг/л располагаемый напор равный 2,5 м был исчерпан через 2,5 часа работы фильтра.

5. Во всех вариантах двухслойны:! фильтров эффективность осветления воды также была высока - до I...2,8 мг/л. В верхнем слое крупнозернистой загрузки улавливалось 60...70$ загрязнений, а в верхней толще 20 см - песчаной загрузки - 20... 30$ загрязнений. Эффективность осветления воды практически не зависит от скорости фильтрации и концентрации взвесей в исход- • ной воде.

6. В исследованных вариантах двухслойных фильтров нижняя толща песка около 40 см сохраняет свой потенциал для очистки воды и накопления загрязнений, что является гарантией большой продолжительности защитного действия фильтров, которая всегда будет превышать время исчерпания располагаемого напора.

7. Получена приближенная зависимость ( 5 ) для определения продолжительности работы двухслойных фильтров до момента исчерпания располагаемого нааорз в зависимости от скорости фильтрации и содержания отведанных веществ в осветляемой воде. При V = 10 м/ч и С0 = 20 иг/л ±п = 34 ч. При V = 20 м/ч и С0 = 15 мг/л = 22,6 ч.

8. Во втором варианте двухслойного фильтра (2-ДФ), потери напора возрастают медленнее, чем в фильтре 1-ДФ. Этот фильтр рекомендуется для последующего опытно-промышленного внедрения.

9. Во всех вариантах двухслойных фильтров при подаче промывной воды расширяющийся песок свободно проникает в верхний крупнозернистый слой загрузки и возвращается в свое прежнее

- 16 -

положение при прекращении подачи воды. Возврат зависающего • песка в фильтре 3-ДФ в прежнее положение легко обеспечивается кратковременной подачей воздуха (I мин.) после промывки.

Подписано в печать 24.05.94 г. Формат С0х84*/16 Печать офсетна

И-37 Объем! п. л. Т.80 Заказ /У7' Бесплатно_

Московский государственный строительный университет. Типография ЫГфУ. 129337, Москва, Ярославское п., 26.