автореферат диссертации по строительству, 05.23.04, диссертация на тему:Интенсификация процессов обработки осадков городских сточных вод с помощью сверхвысокочастотного электромагнитного излучения

На правах рукописи

Землянова Марина Витальевна

ИНТЕНСИФИКАЦИЯ ПРОЦЕССОВ ОБРАБОТКИ ОСАДКОВ ГОРОДСКИХ СТОЧНЫХ ВОД С ПОМОЩЬЮ СВЕРХВЫСОКОЧАСТОТНОГО ЭЛЕКТРОМАГНИТНОГО ИЗЛУЧЕНИЯ

05.23.04 Водоснабжение, канализация, строительные системы охраны водных ресурсов

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

- 2 ПЕН 2015

г. Самара-2015

005561919

Работа выполнена в ФГБОУ ВПО «Тюменский государственный архитек турно-строительный университет» на кафедре «Водоснабжения и водоотведения»

Научный руководитель:

Официальные оппоненты:

Ведущая организация:

кандидат технических наук, доцент, доцент кафедры «Водоснабжения и водоотведения», проректор по ВВРФГБОУ ВПО «Тюменский государственный архитектурно-строительный университет» Вялкова Елена Игоревна доктор технических наук, профессор, профессор кафедры «Охрана окружающей среды» ФГБОУ ВПО «Пермский национальный исследовательский политехнический университет»

Глушанкова Ирина Самуиловна

кандидат технических наук, доцент кафедры «Водоснабжения и водоотведения» ФГБОУ ВПО «Волгоградский государственный архитектурно-строительный университет» Юрьев Юрий Юрьевич ФГБОУ ВПО «Самарский государственный технический университет»

Защита состоится 30 октября 2015 г. в 15 ч. 00 мин. на заседании диссерта ционного совета Д212.213.02 в ФГБОУ ВПО «Самарский государственный архи тектурно-строительный университет» по адресу: 443001, г. Самара, ул. Моло догвардейская, д. 194.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ФГБОУ ВПО «Самар ский государственный архитектурно-строительный университет» по адресу: 443001, г. Самара, ул. Молодогвардейская, д. 194 и на вебсайте ИНр/Луут.зап^ази.ги/

Автореферат разослан « »^^"22^^2015 г.

Ученый секретарь диссертационного совета

к.т.н., доцент

А. А. Михасек

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Аюуальность темы. На канализационных очистных сооружениях городов Российской Федерации ежегодно образуется до 80 млн м3 осадков с влажностью 96-97 %, или 2,5-3 млн тонн по сухому веществу. В подавляющем большинстве регионов РФ в сфере обращения с осадками сточных вод (далее - ОСВ) на сегодняшний день сложилась крайне негативная ситуация, до 90 % образующихся осадков складируется на иловых площадках очистных сооружений. Условия размещения осадков во многих случаях не соответствуют экологическим требованиям и принятым в мире стандартам. Несовершенство существующих технологий по обработке осадков приводит к ухудшению экологического состояния окружающей природной среды. В связи с этим актуальность вопроса применения более эффективных методов обработки ОСВ возрастает с каждым годом.

Целью диссертационной работы является разработка способа интенсификации процессов обработки осадков городских сточных вод с помощью сверхвысокочастотного электромагнитного излучения (далее - СВЧ ЭМИ).

Для реализации данной цели былипоставлены следующие задачи:

1. провести оценку состояния вопроса обработки ОСВ в России. Проанализировать перспективы применения существующих и новых методов обработки осадков;

2. выполнить исследования по применению СВЧ ЭМИ в технологиях обработки осадков городских сточных вод;

3. исследовать влияние СВЧ электромагнитной обработки (далее — СВЧ ЭМО) на свойства осадков и интенсификацию процессов их обработки, установить основные закономерности и провести математическую обработку результатов экспериментов;

4. разработать технологические схемы обработки осадков для канализационных очистных сооружений с использованием СВЧ ЭМИ;

5. провести технико-экономическую оценку эффективности предложенного способа СВЧ ЭМО осадков сточных вод в сравнении с реагентной обработкой и оценить предотвращённый экологический ущерб.

Объект и предмет исследования. Объектом исследования являются осадки городских сточных вод г. Тюмени (смесь первичного осадка и активного ила в пропорции 1:2, избыточный активный ил). Предмет исследования — процессы обработки осадков городских сточных вод.

Методологическая, теоретическая и эмпирическая база исследования. В качестве методологической базы применялись стандартные методы исследований осадков сточных вод, исходных и обработанных СВЧ ЭМИ в ходе лабораторных и полупромышленных испытаний. Теоретической базой исследования явились анализ и обобщение сведений, содержащихся в научно-технической и специальной литературе. Использовался комплекс эмпирических методов: наблюдения, описания, гравиметрические и геометрические измерения, атомно-абсорбционная спектрометрия, планирование эксперимента, статистическая обработка и сравнительный анализ полученных данных. Результаты экспериментов обработаны методами математической статистики с применением современных компьютерных программ. Сходимость опытных и расчётных данных высокая.

Научная новизна.

1. Научно обоснована и экспериментально подтверждена возможность применения безреагентного способа обработки и обезвреживания осадков городских сточных вод с помощью СВЧ ЭМИ.

2. Экспериментально установлено, что обработка осадков городских сточных вод СВЧ ЭМИ улучшает свойства осадков: повышает влагоотдачу, уменьшает влажность, увеличивает зольность, снижает прилипание к поверхностям и заражённость.

3. Установлены закономерности влияния параметров СВЧ ЭМО (мощность и продолжительность) на степень уплотнения осадков, их влажность и зольность. Предложены уравнения регрессии, описывающие процессы влияния параметров СВЧ излучения на интенсификацию уплотнения и свойства ОСВ.

4. Определены кинетические характеристики процесса уплотнения СВЧ-обработанных осадков и предложены оптимальные параметры (мощность и продолжительность) ЭМО осадков на установке электромагнитной обработки осад-

ков проточного типа «Поток ЭМ-1».

5. Экспериментально подтверждена возможность применения опытно-промышленной установки «Поток ЭМ-1» в технологических схемах канализационных очистных станций с целью ЭМО осадков городских сточных вод.

Теоретическая и практическая значимость работы состоит в том, что доказана эффективность применения СВЧ ЭМИ для интенсификации процессов обработки осадков городских сточных вод. Найдены оптимальные режимы процесса ЭМО осадков с целью улучшения их основных свойств. Выявлены основные закономерности изменения свойств осадков в процессе СВЧ ЭМО и получены уравнения влияния параметров обработки (мощность и продолжительность ЭМИ) на свойства осадков сточных вод (степень уплотнения, влажность, зольность), которые отражают эти закономерности.

Практическая ценность заключается в том, что предлагаемый способ обработки и установка «Поток ЭМ-1» могут быть использованы при проектировании новых и реконструкции существующих технологических схем обработки осадков.

Личный вклад автора заключается в проведениианализа научных работ и публикаций, в получении научных результатов, включенных в диссертационную работу, в разработке методик экспериментов, непосредственном личном проведении опытов, обработке, систематизации, анализе полученных результатов, выполнении сравнительных технико-экономических расчётов и оформлении выводов.

На защиту выносятся:

1. результаты экспериментально-теоретических исследований влияния ЭМИ СВЧ-диапазона на степень уплотнения и свойства осадков городских сточных вод, такие как влагоотдача (удельное сопротивление, скорость капиллярного всасывания), влажность, зольность, прилипание к поверхностям и заражённость;

2. уравнения регрессии, описывающие процессы влияния параметров ЭМО (мощность и продолжительность) на степень уплотнения осадков и их свойства (влажность, зольность);

3. технические характеристики опытно-промышленной проточной установки электромагнитной обработки ОСВ «Поток ЭМ-1»;

4. кинетические характеристики процесса уплотнения СВЧ-обработанных осадков. Оптимальные параметры (мощность и продолжительность) ЭМО осадков на установке «Поток ЭМ-1»;

5. показатели оценки технико-экономической и экологической целесообразности применения метода СВЧ ЭМО осадков городских очистных сооружений канализации г. Тюмени в сравнении с реагентным методом.

Достоверность полученных результатов подтверждается экспериментальными исследованиями с реальными осадками сточных вод, сходимостью расчётных и экспериментальных результатов, применением стандартизированных методов измерений и анализа, статистической обработкой результатов.

Апробация работы. Основные материалы диссертации доложены и одобрены на международной научно-практической конференции «Стратегические проекты освоения водных ресурсов в XXI веке: правовые, социально-экономические и экологические аспекты» (г. Тюмень, 2013 г.);на XII, XIII научно-практической конференции молодых учёных, аспирантов и соискателей ТюмГАСУ (г. Тюмень, 2013-2014 гг.); на II Всероссийской научной конференции с международным участием «Водные и экологические проблемы Сибири и Центральной Азии» (г. Барнаул, 2014 г.); на 72-й научно-технической конференции «Актуальные проблемы в строительстве и архитектуре. Образование. Наука. Практика» (г. Самара, 2015 г.).

Реализация работы.В результате работы над диссертацией проведены полупромышленные испытания способа СВЧ ЭМО осадков городских сточных вод на действующих очистных сооружения канализации г. Тюмени; получена справка о внедрении результатов диссертационного исследования, выданная ООО «ИНКО-иК» (г. Тюмень).

Публикации.По теме диссертации опубликовано восемь работ, в том числе две статьи в издании, входящем в перечень рецензируемых научных журналов, рекомендованных ВАК Российской Федерации. Оформлены две заявки на патент на изобретение.

Структура и объём работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав,

заключения, списка литературы. Общий объём работы - 154 страницы машинописного текста, включая 45 рисунков, 52 таблицы, библиографический список из 103 наименований, приложений А-Д.

Во введении кратко изложена актуальность темы диссертации, поставлена цель работы, сформулирована научная новизна результатов, отражена их теоретическая и практическая значимость.

В первой главеобоснована актуальность вопроса эффективной обработки ОСВ, представлена современная ситуация в сфере обращения с жидкими коммунальными отходами в России, охарактеризованы существующие методы и способы обработки и утилизации осадков городских сточных вод. Кратко изложены основные свойства ЭМИ радио- и сверхвысоких частот, действие ЭМИ на водную систему, предложена гипотеза влияния СВЧ ЭМИ на влагоотдающие свойства ОСВ.

В связи с ужесточением экологического законодательства и внедрением технологий высокой степени очистки сточных вод объёмы осадков, образующихся в процессах очистки, многократно возрастают. В России основная масса осадков складируется на иловых площадках и в отвалах. Такие условия их хранения, как правило, приводят к вторичному загрязнению почв, поверхностных и подземных вод.

В подавляющем большинстве регионов Российской Федерации в области обращения с ОСВ на сегодня сложилась крайне негативная ситуация: до 90 % образующихся осадков складируется на иловых площадках очистных сооружений (в том числе в г. Тюмени), лишь около 10 % осадков перерабатывается должным образом.

Используемые сегодня методы обработки ОСВ (уплотнение, обезвоживание, стабилизация, кондиционирование и другие) имеют существенные недостатки: высокие затраты времени и средств на процессы обработки, они являются малоэффективными с точки зрения их накопления, хранения и дальнейшей утилизации. Поэтому важным на сегодня остаётся усовершенствование существующих технологий обработки осадков и разработка новых, выгодных как в экономиче-

ском, так и в экологическом аспектах.

Физические методы обработки и обезвреживания различных видов отходов, включая ОСВ, являются одними из наиболее перспективных в мире,к ним относится и использование электромагнитных полей СВЧ-диапазона.

Магнитное и электромагнитное излучения обладают широким спектром воздействия на различные водные системы: меняется поверхностное натяжение воды, повышается адсорбция и растворение веществ, увеличивается концентрация кислорода, ускоряется кристаллизация, уменьшается степень смачивания водой твёрдых поверхностей, ускоряется коагуляция, изменяются электрохимические процессы. Под влиянием СВЧ-излучений средней и высокой интенсивности наблюдается значительное повышение температуры биологических объектов, возникает антибактерицидное действие микроволн.

Обработка СВЧ ЭМИ осадков городских сточных вод приводит к образованию диссоциированных молекул и свободных радикалов, возникновению электрических зарядов, возникают условия смещения равновесия коллоидных систем, и, как следствие, улучшение влагоотдающих свойств осадков. За счёт объёмного повышения температуры осадка увеличивается испарение влаги, что приводит к уменьшению его объёма. За счёт повышения активности кислорода активизируются окислительные процессы. При этом полезным побочным эффектом является деструкция клетчатки, снижение активности ферментов клетки микроорганизмов, происходит дезинфекция и уничтожение яиц гельминтов, патогенных бактерий.

Во второй главе представлена характеристика объектов и методов исследования, методики исследований.

Городские очистные сооружения канализации (далее — ГОСК) г. Тюмени обеспечивают очистку сточных вод до нормативов, разрешённых для сброса очищенных сточных вод в природные водные объекты. Обработка и утилизация ОСВ осуществляется по малоэффективной и экологически небезопасной технологии — механическое обезвоживание с применением дорогостоящих флокулянтов, хранение на иловых полях и утилизация на полигонах ТБО.

В качестве объекта исследования использовали: 1) смесь сырого осадка и

избыточного ила (соотношение 1:2, влажность - 96,1-^98,3%, зольность -36,8^-36,9 %), 2) избыточный активный ил (влажность - 99,4%, зольность - 29,7%) ГОСК г. Тюмени.

Исследования влияния ЭМИ СВЧ-диапазона на свойства ОСВ проводились в лаборатории очистных сооружений канализации г. Тюмени (ООО «Тюмень Водоканал»),

Для математического описания полученных результатов эксперимента использовались методы регрессионного анализа и статистической обработки данных в программном продукте Мюго5о:ЙЕхсе1.

В третьей главе приведены экспериментальные результаты исследований влияния СВЧ ЭМИ на степень уплотнения и свойства осадков (влагоотдачу, зольность, прилипание к поверхностям и бактериальную заражённость) в условиях порционной обработки (200-500 мл) в СВЧ-печи максимальной мощностью 0,8 кВт. Установлены закономерности влияния параметров СВЧ ЭМО (мощность и продолжительность) на степень уплотнения осадков, их влажность и зольность. Представлены уравнения регрессии, адекватно описывающие процессы влияния параметров СВЧ-излучения на интенсификацию уплотнения и свойства осадков сточных вод.

С целью изучения кинетики уплотнения исходного активного ила и ила, обработанного СВЧ ЭМИ, были получены зависимости для высоты границы раздела фаз (Н) от времени уплотнения (1У), представленные на рисунке 1.

Рисунок 1 - Кинетика уплотнения исходного активного ила и ила, обработанного СВЧ ЭМИ:

А - для исходного активного ила; Б - для активного ила после 5-минутной обработки в СВЧ-печи мощностью 0,8 кВт

В ходе опытов было установлено, что активный ил, обработанный СВЧ ЭМИ, обладает лучшей влагоотдачей и уплотняется интенсивнее в среднем на 33% по сравнению с илом без обработки.

С целью изучения влияния продолжительности СВЧ-обработки (0 и мощности (IV) СВЧ-печи на высоту раздела фаз (Н) при уплотнении смеси сырого осадка и активного ила, пробы смеси осадков помещались в жаропрочной посуде в СВЧ-печь и обрабатывались ЭМИ, а затем уплотнялись до момента видимого разделения фаз. При этом время и мощность СВЧ-излучения варьировались согласно двухфакторному плану эксперимента (7= 1^5минут; N=0,48-Ю,8кВт). В ходе математической обработки результатов эксперимента получено уравнение (1), адекватно описывающее зависимость #„,=/(/,А^ для смеси осадков.

#си = 5,239 -1,46-1 +1,22- N-0,312-/- Ы+ 0,203-I2 -1,693- И2 (1)

Подобный эксперимент проводился для активного ила, получено уравнение, адекватно описывающее зависимость//,,=/(?,ТУ) для активного ила в натуральном масштабе, которое имеет вид:

Ни = 13,745 -1,335 - / -15,469- N + 0,521 • Г • N+9,928- Ы2 (2)

В ходе опытов и математической обработки результатов было установлено, что СВЧ ЭМИ оказывает значительное влияние на процесс уплотнения смеси осадков. Для достижения максимального уплотнения смеси осадков, когда высота слоя осадка достигает 1,7 см, необходима обработка СВЧ ЭМИ мощностью 0,8 кВт в течение 3,8^1,5 минут. Для достижения максимального уплотнения активного ила, когда высота слоя уплотненного ила достигает 5,4 см, необходима обработка СВЧ ЭМИ мощностью 0,48 0,8 кВт в течение 5 минут. В результате анализа уравнений (1) и (2) установлено, что с увеличением параметров продолжительности и мощности СВЧ-обработки осадков высота границы раздела фаз при уплотнении понижается, т.е. степень уплотнения возрастает.

Оценка воздействия СВЧ ЭМИ на влагоотдачу осадков (время капиллярного всасывания, удельное сопротивление') производилась на примере смеси сырого осадка и активного ила.

1 2 3 4 5

Номер опыта

Рисунок 2 - Сравнительные гистограммы времени капиллярного всасывания осадков: ряд

1 - время капиллярного всасывания исходной смеси осадков; ряд 2 - время капиллярного всасывания смеси после СВЧ ЭМО 1=5 мин; N=0,9 кВт: ряд 3 - время капиллярного всасывания смеси осадков после СВЧ ЭМО 1=10 мин; N=0,9 кВт В ходе опытов было установлено, что при ЭМО осадков мощностью 0,8 кВт в течение 5 минут время капиллярного всасывания осадков уменьшается в среднем в 1,2 раза в сравнении с необработанным ЭМИ осадком. При более длительной обработке (10 минут) - увеличивается в среднем в 2,4 раза (рисунок 2). Это объяснятся тем, что при более длительной обработке смеси осадков в результате испарения происходит их сгущение. Оптимальное время СВЧ ЭМО - 5 минут.

В ходе экспериментов установлено, что СВЧ ЭМО сточных вод значительно снижает удельное сопротивление фильтрации (г) осадков: /-исходных осадков -37,15Т010 г/см3, госадков после СВЧ ЭМО -6,93-Ю10 г/см3 (рисунок 3).

40

Исходные осадки Осадки после СВЧ ЭМО Осадки с флокулянтом

Рисунок 3 - Сравнительные гистограммыудельного сопротивления осадков

Сравнение полученных значений удельного сопротивления фильтрации при обработке осадков флокулянтом «Zetag 8165» и СВЧ ЭМО показало, что эффективность предлагаемого способа ЭМО осадков не на много хуже существующего метода реагентной обработки - госадков после СВЧ ЭМО -6,93-10ю г/см3,госадков при обработке флокулянтом -4,54-Ю10 г/см3.

В результате анализа влияния продолжительности СВЧ ЭМО на объём и влажность смеси осадков сточных вод получены зависимости, представленные на рисунках 4 и 5.

200

190----1—4-

\ у = 0,5051х2 - 14,867х + 200,65

180 ♦Х ♦ r2 = 0>91

\170 Х\ ♦ I 160

§■150

I 140

г 1зо ♦ .....

с ♦........♦

120 - -

110

100

2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 Время обработки, мин

Рисунок 4 - Зависимость изменения объёма неуплотнённого осадка от времени обработки СВЧ ЭМО

Уравнение регрессии, описывающее зависимость изменения объёма осадка (F) от времени СВЧ ЭМО (/), полученное на основании результатов эксперимента, имеет вид:

V = 0,505- /2 -14,867- /+200,65 (3)

Уравнение, адекватно описывающее зависимость изменения влажности (W') от времени СВЧ ЭМО (t), при постоянной мощности (0,8 кВт) следующее:

W = 96,085- е"0-004' (4)

В ходе опытов и математической обработки результатов было установлено влияние продолжительности СВЧ-обработки на объём и влажность смеси сырого осадка и активного ила. При времени ЭМО от 1 до 9 минут эффективность сни-

У = 0,5051х2- 14,86 7х + 200,65

R2 = 0,91

\ ♦

4 ►

Т ч __ *

жения объёма пробы осадка 10-35 %, при обработке от 3 до 9 минут эффективность снижения влажности 1,5—4,16 %.

При более длительной ЭМО значения объёма и влажности изменяются незначительно. При максимальном времени обработки (12 минут) объём пробы смеси осадков в результате испарения снижается на 37,5 %, влажность — на 4,93 %.

95,5 95 £ 94,5

ГО

5 94

ГО

ё 93,5 л

Ь 93

0

1 92,5

га

5 92 91,5 91

<

0,96 39

к2

\ < ►

■

<

>

5 6 7 8 9 10 11 12 13 Время обработки, мин

Рисунок 5 —Зависимость влажности неуплотнённого осадка от времени обработки СВЧ ЭМИ

В результате анализа влияния продолжительности СВЧ ЭМО на зольность смеси ОСВ получена зависимость, представленная на рисунке 6.

Время обработки, мин

Рисунок 6

— Зависимость влажности неуплотнённой смеси осадков от времени обработки СВЧ ЭМИ

Полученное уравнение, адекватно описывающее зависимость изменения зольности (3) от времени СВЧ ЭМО (/) при постоянной мощности (0,8 кВт), следующее:

3 = 0,0833-12-0,0611-г + 36,931 (5)

Установлено, что с увеличением продолжительности СВЧ-обработки зольность осадков растёт: при максимальном времени (5,5 минут) обработки СВЧ ЭМИ эффективность увеличения зольности смеси осадков составляет 6,1 %.

Отмечается также влияние СВЧ-обработки на прилипание осадков к гладким поверхностям и заражённость: в результате 5-минутной обработки смеси осадков по визуальному наблюдению прилипание к поверхностям значительно снижается, при этом по заключению испытательного лабораторного центра ФБУЗ «Центр гигиены и эпидемиологии в Тюменской области»патогенные микроорганизмы в осадке после СВЧ-обработки не обнаружены. Другим положительным побочным эффектом является отсутствие загнивания осадков в течение длительного времени.

С целью изучения влияния СВЧ ЭМИ на содержание в осадках примесей тяжёлых металлов пробы после СВЧ ЭМО направлялись на исследование в испытательную лабораторию ФГБУ ГСАС «Тюменская». На основании полученных лабораторных данных были построены сравнительные гистограммы содержания примесей тяжёлых металлов в осветлённой воде (рисунок 7).

0,25

т гл

§ I

5 0,2

5 £

£ о?

I |0,15 1)

£ о

г 1 о-1

5 |

I &0,05

■ Ряд1 I Ряд2

Мышьяк Никель Ртуть Свинец Цинк Хром 6+

Рисунок 7 —Содержание примесей тяжёлых металлов в осветлённой воде:

ряд I - осветлённая вода без СВЧ ЭМО; ряд 2 - осветлённая вода после СВЧ ЭМО

Установлено, что СВЧ ЭМО осадков сточных вод интенсифицирует переход примесей мышьяка, никеля, ртути, хрома (6+) в осветлённую воду - наблюдается повышение содержания примесей тяжёлых металлов в воде, и, как следствие, количество примесей данных тяжёлых металлов в осадках уменьшается.

В четвёртой главе представлены описание опытно-промышленной проточной установки «Поток ЭМ-1», результаты СВЧ ЭМО осадков сточных вод на установке, технологические схемы обработки осадков.

Принципиальная схема опытно-промышленной проточной установки СВЧ ЭМО осадков «Поток ЭМ-1» показана на рисунке 8 и состоит из: 1 и 2 - СВЧ-печей промышленного производства мощностью 0,9 кВт и 1,0 кВт; 3 - бака исходного осадка объёмом 20 л; 4 - бака обработанного осадка объёмом 30 л; 5, 6, 7 — термометров; 8 — запорной арматуры; 9 - трубопровода подачи осадка Двн=16 мм.

Основные технические характеристики установки «Поток ЭМ-1»: производительность по осадку - 0,04 м3/ч (1,0 м3/сут); суммарная потребляемая мощность установки — 1,9 кВт; мощность ЭМИ - 1,9 кВт; удельная мощность - 47,5 кВт/м3; частота излучения - 2450 Гц; температура осадка -20-80 °С; скорость движения осадков - 0,12-0,015 м/с; влажность исходной смеси осадков - 97^-99,7 %; потери напора - 0,1-0,15 м; плотность потока ЭМИ от 0 до 0,029 Вт/см2.

Предлагаемая установка «Поток ЭМ-1» имеет проточный принцип действия, то есть отсутствует сложное ёмкостное оборудование и облегчается процесс загрузки и выгрузки осадка. При помощи данной установки ЭМО осадков

Рисунок 8—Принципиальная схема установки «Поток ЭМ-1»

можно осуществлять непосредственно на трубопроводе подачи, что значительно упрощает и удешевляет эксплуатацию оборудования. В процессе работы установки измерялась плотность потока остаточного ЭМИ за корпусом СВЧ-печи, которая составляла от 0 до 0,029 Вт/см2. С целью защиты от ЭМИ установка оснащена кожухом из алюминия толщиной 0,4 мм.

Результаты сравнения эффективности методов обработки смеси осадков сточных вод с использованием СВЧ ЭМИ и с применением реагентов (флокулян-та «2е1аа 8165» и негашёной извести) в процессе их уплотнения представлены в таблице 1 и на рисунке 9.

Таблица 1 —Результаты сравнения эффективности методов обработки смеси осадков

Время уплотнения, часы Объёмы уплотнённых осадков, мл

с добавлением флокулянта «Zetag 8165» 3,5 г/кг обработка СВЧ ЭМИ на установке «Поток ЭМ-1» с добавлением извести 2 г/дм3 без обработки

0 1000 1000 1000 1000

0,5 910 845 950 925

1 810 740 910 890

1,5 720 650 890 855

2 670 610 880 835

2,5 650 600 870 815

3 650 600 870 810

В ходе анализа результатов эксперимента было установлено, что эффективность уплотнения осадков, обработанных на установке «Поток ЭМ-1», не хуже, чем у обработанных флокулянтом «Zetag 8165» (степень уплотнения выше на 7,6 %), и значительно лучше, чем обработка негашёной известью (степень уплотнения выше на 25 %). Оптимальное время уплотнения после ЭМО - 2 часа, что в 1,5 раза меньше, чем необходимо для уплотнения необработанного осадка, при этом степень уплотнения выше на 30 %.

В проточных условиях для достижения положительного эффекта возрастает время обработки осадков до 15 минут при максимальной мощности 1,9 кВт.

Рисунок 9 - Сравнительные графики зависимости У=/(1): 1 - без какой-либо обработки; 2-е добавлением негашёной извести в сухом виде дозой 2 г/дм3; 3-е добавлением 0,1%-ного раствора флокулянта с «Zetag 8165» дозой 3,5 г/кг; 4-после 10-минутной обработки на установке «Поток ЭМ-1» при мощности 1,9 кВт Предлагаются три технологические схемы обработки осадков сточных вод с использованием опытно-промышленной установки «Поток ЭМ-1».

1. Для КОС производительностью не более 40 м7сут, с количеством образу ющегосяосада^^ (рисунок 10).

Станция биологической Установка Шламо-

очистки сточных вод до 40 м3/сут «Поток накопитель

ЭМ-1»

Рисунок 10 - Технологическая схема обработки осадков до 1 м3/сут 2. Для КОС производительностью не более 200 м3/сут, с количеством обра-

Рисунок 11 - Технологическая схема обработки осадков до 4 м /сут 3. Для КОС производительностью более 200 м3/сут. (рисунок 12).

с>

Станция биологической очистки сточных вод более 200 м3/сут

Установка

«Поток

ЭМ*»

=>

Механическое обезвоживание осадков, иловые площадки

Рисунок 12 - Технологическая схема обработки осадков более 4 м3/сут

*В случае увеличения производительности станции и количества осадков необходимо сделать модернизацию установки с целью увеличения ее пропускной способности.

В пятой главе выполнены сравнительные технико-экономические расчёты себестоимости обработки и утилизации осадков по существующей схеме на ГОСК г. Тюмени и при внедрении способа безреагентной СВЧ ЭМО и оценка предотвращённого экологического ущерба.

Эффективность обработки и утилизации осадков рассматривается по двум вариантам:

I вариант — механическое обезвоживание с применением флокулянта «Zetag 8165», подсушка на иловых полях, утилизация осадков на полигоне ТБО (существующая схема на ГОСК г. Тюмени);

II вариант - СВЧ ЭМО, механическое обезвоживание, вторичное использование осадков при биологической рекультивации нарушенных земель в промышленной зоне в районе пос. Антипино Тюменского района.

Затраты на обработку и утилизацию осадков по существующей схеме на ГОСК г. Тюмени включают в себя: затраты на электрическую энергию и реагент-ное хозяйство, стоимость текущего ремонта, заработную плату, транспортные расходы, амортизационные отчисления и прочие расходы. Всего эксплуатационные затраты составляют 12 875,3 тыс. руб./год. Себестоимость обработки и утилизации 1 м3 осадков составляет 88,2 тыс. руб./год.

Внедрение метода СВЧ ЭМО осадков позволяет снизить эксплуатационные затраты до 7 335,25 тыс. руб./год и получить себестоимость обработки и утилизации 1 м3 осадков 50,24 тыс. руб./год, что в 1,76 раз меньше себестоимости существующего варианта.

Сравнение элементов структуры эксплуатационных затрат показало, что внедрение метода СВЧ ЭМО осадков позволяет сократить затраты на обработку и утилизацию ОСВ в 1,3 раза и повысить затраты на заработную плату обслуживающего персонала КОС в 1,6 раза (рисунки 13, 14).

Предотвращённый ущерб от сокращения площадей иловых карт составляет 217,36 тыс. рублей.

3,89

Рисунок 13 - Поэлементная структура затрат метода ЭМО осадков:

1 — стоимость электроэнергии, потребляемой при работе КОС и обезвреживании осадка; 2 - заработная плата; 3 - стоимость электроэнергии на метод ЭМО осадков; 4 - стоимость топлива; 5 — амортизационные отчисления; 6 - стоимость текущего ремонта; 7 - прочие затраты

2,22

Рисунок 14- Поэлементная структура затрат существующего метода обработки осадков:

1 - стоимость электроэнергии, потребляемой при работе КОС и обезвреживании осадка; 2 -стоимость флокулянта; 3 - заработная плата; 4 - стоимость топлива; 5 - амортизационные отчисления; 6 - стоимость текущего ремонта; 7 — прочие затраты

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ И РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ

1. Показано, что в большинстве регионов и городов Российской Федерации (за исключением Санкт-Петербурга и Уфы) в области обращения с осадками сточных вод на сегодняшний день сложилась крайне негативная ситуация - до 90 % образующихся жидких коммунальных отходов складируется на иловых площадках очистных сооружений (в том числе в Тюмени), лишь около 10 % осадков перерабатывается. Традиционные методы обработки осадков сточных вод (уплотнение, обезвоживание, стабилизация, кондиционирование и др.) имеют ряд серьёзных недостатков: высокая стоимость и сложность оборудования, высокая энергоёмкость, необходимость применения реагентов и т.д. Поэтому актуальными задачами на сегодня являются усовершенствование существующих методов обработки осадков, разработка новых, экономически оправданных технологий и оборудования. Физические способы обработки осадков - одни из перспективных методов, в частности к ним относится использование СВЧ ЭМИ.

2. Выявлено, что обработка и утилизация ОСВ на ГОСК г. Тюмени осуществляется по малоэффективной и экологически небезопасной технологии — механическое обезвоживание с применением дорогостоящих флокулянтов, хранение на иловых полях, утилизация на полигонах ТБО. Необходимо внедрение комплекса мероприятий, усовершенствующих технологию обработки осадков.

3. В результате экспериментальных исследований установлено:

- СВЧ ЭМО положительно влияет на степень и скорость уплотнения смеси осадков, активный ил уплотняется интенсивнее на 33 %, снижается объём пробы осадков на 37,5 %;

- ЭМО смеси осадков улучшает влагоотдачу: при обработке осадков мощностью излучения 0,8 кВт в течение 5 минут время капиллярного всасывания осадков уменьшается в среднем в 1,2 раза (в сравнении с необработанным ЭМИ осадком); значительно снижается удельное сопротивление фильтрации (г): (г) исходных осадков - 37,15Т010 г/см3, (г) осадков после СВЧ ЭМО - 6,93-Ю10 г/см3;

- при обработке смеси осадков ЭМИ влажность (IV) снижается в среднем на 3,7 %; зольность (3) увеличивается на 6,1 %;

- процессы влияния мощности и времени СВЧ ЭМ обработки осадков сточных вод на степень и скорость их уплотнения, влажность, зольность вполне адекватно описываются полиномиальными моделями 1-го и 2-го порядка;

- СВЧ ЭМО осадков значительно снижает прилипание к поверхностям, отсутствует загниваемость осадков в течение двух суток после обработки, происходит дезинфекция осадков, увеличивается выход примесей тяжёлых металлов в осветлённую воду.

4. Разработана проточная установка СВЧ ЭМО осадков сточных вод «Поток ЭМ-1», позволяющая осуществлять обработку осадков непосредственно на трубопроводе подачи осадков, что значительно упрощает эксплуатацию и удешевляет технологию обработки. При сравнении различных вариантов обработки осадков было установлено, что эффективность уплотнения СВЧ-обработанных на установке «Поток ЭМ-1» осадков выше на 7,6 % по сравнению с осадками, обработанными флокулянтом «7йа§ 8165», и на 25 % лучше, чем обработка негашёной известью. Оптимальное время уплотнения после ЭМО — 2 часа, что в 1,5 раза меньше, чем необходимо для уплотнения необработанного осадка.

5. Предложены три варианта безреагентных технологических схем обработки осадков сточных вод с использованием установок «Поток ЭМ-1».

6. Технико-экономическое сравнение двух вариантов обработки и утилизации осадков сточных вод - существующего сегодня на ГОСК г. Тюмени и предлагаемого метода СВЧ ЭМО осадков - показали, что внедрение способа ЭМО является эффективным природоохранным мероприятием и экономически наиболее выгодным. При этом предотвращённый экологический ущерб равен 217,36 тыс. рублей, себестоимость обработки и утилизации 1 м3 осадков составляет 50,24 тыс. руб./год, что в 1,76 раза меньше, чем при существующей схеме обработки осадков с использованием флокулянтов. Внедрение способа СВЧ ЭМО осадков позволяет сократить затраты на обработку и утилизацию ОСВ в 1,3 раза и повысить затраты на заработную плату обслуживающего персонала ГОСК в 1,6 раза. Предлагаемый способ обработки ОСВ можно считать вариантом импортозамещения дорогостоящих реагентов.

СПИСОК РАБОТ, В КОТОРЫХ ОПУБЛИКОВАНЫ ОСНОВНЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ ДИССЕРТАЦИИ Публикации в рецензируемых научных журналах и изданиях

1. Землянова, М.В. Применение сверхвысокочастотного электромагнитного излучения для обработки и обезвреживания осадков городских сточных вод / М.В. Землянова // Экология и промышленность России. — 2015. — № 4. — С. 47-49.

2. Землянова, М.В. Эффективность применения электромагнитного излучения в технологиях обработки осадков сточных вод / М.В. Землянова, Е.И. Вял-кова // Экология и промышленность России. - 2015. - № 6. - С. 47-49.

Публикации в других научных изданиях

1. Землянова, М.В. Изучение влияния сверхвысокочастотного электромагнитного излучения на свойства осадков сточных вод / М.В. Землянова, Е.И. Вялкова // Сборник докладов международной научно-практической конференции «Стратегические проекты освоения водных ресурсов в XXI веке: правовые, социально-экономические и экологические аспекты». -Тюмень: Изд-во Тюм. гос. архит.-строит. ун-та, 2013. — С. 110-114.

2. Землянова, М.В. К вопросу обработки и утилизации осадков сточных вод / Е.И. Вялкова, М.В. Землянова // Сборник материалов Всероссийской научно-практической конференции «Актуальные проблемы строительства и экологии в Западной Сибири». - Тюмень: ИПЦ «Экспресс». — 2005. - С. 20— 23.

3. Землянова, М.В. К вопросу применения физических методов интенсификации процессов очистки сточных вод и осадков / Е.И. Вялкова, М.В. Земля-нова // Сборник материалов XII научно-практической конференции молодых ученых, аспирантов и соискателей ТюмГАСУ. — 2013. — С. 135-142.

4. Землянова, М.В. Новый способ улучшения водоотдающих свойств осадков сточных вод [Электронный ресурс] / М.В. Землянова // Сборник докладов международной конференции «Обработка и утилизация осадка сточных вод

в коммунальном хозяйстве и промышленности». — 2015. - Режим доступа: https://onedпve.live.com/redir?resid=423D4F47E402C445%212908. - (Дата обращения: 10.05.2015).

5. Землянова, М.В. Обоснование экономической эффективности применения СВЧ электромагнитного излучения в процессах обработки осадков городских сточных вод / М.В. Землянова, Е.И. Вялкова // Сборник материалов XIII научно-практической конференции молодых ученых, аспирантов и соискателей ТюмГАСУ. - 2014. - С. 142-146.

6. Землянова, М.В. Оценка антропогенной нагрузки на водные объекты в бассейне р. Иртыш (на примере Юга Тюменской области) / М.В. Землянова, Е.И. Вялкова // Труды II Всероссийской научной конференции с международным участием «Водные и экологические проблемы Сибири Центральной Азии». - Барнаул, 2014. - С. 144-150.

СПИСОК СОКРАЩЕНИИ

ГОСК

городские очистные сооружения канализации

КОС

канализационные очистные сооружения осадки сточных вод

сверхвысокочастотное электромагнитное излучение сверхвысокочастотная электромагнитная обработка твёрдые бытовые отходы

осв

СВЧ ЭМИ

СВЧ эмо

ТБО

Изд. лицензия № 02884 от 26.09.2000. Подписано в печать 21.07.15. Формат 60x90/16. Печать цифровая. Гарнитура Тайме. Усл. печ. л. 1,44. Тираж 110 экз. Заказ № 862.

РИО ТюмГАСУ, 625001, г. Тюмень, ул. Луначарского, 2