автореферат диссертации по строительству, 05.23.04, диссертация на тему:Исследование местных зернистых материалов Уральского региона с целью их использования в качестве загрузки водоочистных фильтров

ВВЕДЕНИЕ

1. ОБЗОР ЛИТЕРАТУРЫ

1.1. Теоретические основы процесса фильтрования

1.1.1. Дифференциальные уравнения процесса осветления воды

1.1.2. Прирост потери напора при фильтровании суспензии через зернистые слои

1.2. Типы фильтровальных сооружений с зернистой загрузкой

1.2.1. Медленные фильтры

1.2.2. Скорые фильтры

1.3. Требования, предъявляемые к зернистым фильтрующим материалам

1.4. Виды зернистых фильтрующих материалов

1.4.1. Кварцевый песок

1.4.2. Антрацит

1.4.3. Естественные пористые материалы

1.4.4. Искусственные пористые материалы

1.4.5. Отходы производства

1.5. Задачи исследования

2. ОБЪЕКТЫ И МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ

2.1. Характеристика исследуемых материалов

2.2. Методика эксперимента

2.2.1. Моделирование технологического процесса фильтрования

2.2.2. Описание пилотной установки

2.3. Методы анализа и исследования

3. РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВАНИЯ МЕСТНЫХ ЗЕРНИСТЫХ МАТЕРИАЛОВ

3.1. Механические показатели

3.2. Химическая стойкость

3.3. Санитарно-гигиенические показатели

3.4. Радиационно-гигиеническая оценка 98 Выводы

4. ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ ИССЛЕДОВАНИЯ МЕСТНЫХ

ЗЕРНИСТЫХ МАТЕРИАЛОВ

4.1. Данные эксперимента

4.2. Результаты обработки экспериментальных данных 101 Выводы

5. ИССЛЕДОВАНИЕ ПРИРОСТА ПОТЕРИ НАПОРА

В НЕОДНОРОДНЫХ ЗЕРНИСТЫХ СЛОЯХ

5.1. Влияние неполноты гидравлической сортировки фильтрующего материала на интенсивность прироста потери напора в неоднородной загрузке

5.2. Интенсивность прироста потери напора в неоднородных загрузках, выполненных из материалов с высоко развитой поверхностью

5.3. Определение допустимого содержания мелких фракций в загрузках скорых фильтров

6. ОЦЕНКА ТЕХНИКО-ЭКОНОМИЧЕСКОЙ ЦЕЛЕСООБРАЗНОСТИ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ

МЕСТНЫХ ЗЕРНИСТЫХ МАТЕРИАЛОВ

В последние годы в нашей стране вопросам водного хозяйства уделяется крайне мало внимания. В основном это связано с бедственным положением экономики, ухудшением финансирования научных организаций. Кроме того, водное хозяйство — не коммерческая отрасль, что делает ее непривлекательной для частных инвестиций. Сложившаяся ситуация привела к практически полному прекращению какого-либо прогресса в области развития систем водоснабжения, бесконтрольному и нерациональному использованию водных ресурсов, дальнейшему ухудшению экологической обстановки.

Для изменения сложившейся ситуации по заданию министра природных ресурсов в 1998 г. разработан проект концепции государственной политики устойчивого водопользования в Российской Федерации [1].

Согласно проекту, вопросы владения, пользования и распоряжения водными ресурсами относятся к совместному ведению федерации и ее субъектов. Расширение политической самостоятельности территорий-субъектов федерации и децентрализование властных полномочий в сфере водопользования предопределяют необходимость соответствующей корректировки системы и структуры управления водным хозяйством. Таким образом, решение практических задач водоснабжения ложится в первую очередь на субъекты РФ.

Устойчивое водопользование должно характеризоваться балансом взаимоотношений в экономической, социальной и экологической средах жизни общества, балансом между экономическими интересами водопользователей, получающими более конкретное выражение с введением платности водопользования (экономическая сфера), рациональным использованием водных ресурсов (в большей степени это — социальная сфера), воспроизводством и защитой водных ресурсов (экологическая сфера).

В условиях развития экономических и правовых отношений наиболее остро встает вопрос удешевления производства воды для хозяйственно-питьевых нужд с одновременным повышением качества водоочистки и надежности систем водоснабжения. Реализация данных принципов зависит в первую очередь от грамотного решения конкретных научно-практических задач.

При подготовке воды для нужд хозяйственно-питьевого водоснабжения и доочистки сточных вод наиболее широко используются различные типы фильтровальных сооружений с зернистой загрузкой.

Эффективность работы фильтров в первую очередь зависит от вида и состояния фильтрующего материала. На большинстве водопроводов бывшего СССР в качестве загрузочного материала использовался кварцевый песок Волгоградского и Погранского месторождений. Интенсивная разработка этих месторождений привела к их истощению и, как следствие, к снижению качества поставляемого песка и повышению стоимости пригодных для фильтрования фракций.

Вышеуказанные факты, а также высокая стоимость доставки вызвали необходимость поиска альтернативных вариантов.

В настоящее время многие города используют местные зернистые материалы (Москва, Санкт-Петербург, Новосибирск, Екатеринбург, Челябинск и др.). Помимо кварцевого песка используются: отсевы дробления горных пород, керамзит, антрацит, шунгизит, шлаки металлургических предприятий и т.д.

В большинстве случаев местные материалы значительно дешевле Волгоградского песка, и их использование позволяет значительно снизить расходы на доставку, а в некоторых случаях и повысить эффективность работы фильтровальных сооружений.

В последнее время ведется исследование более эффективных сорбционных материалов для очистки природных вод [2 — 10]. Несмотря на очевидные технологические преимущества этих загрузок, использование их на городских водоочистных станциях чаще всего не представляется возможным по экономическим соображениям: стоимость материала в несколько раз превосходит стоимость традиционно используемых загрузок.

Цель и задачи исследования. Целью исследования являлся поиск местных зернистых материалов Уральского региона для загрузки фильтровальных сооружений станций подготовки воды хозяйственно-питьевого назначения и доочистки сточных вод, проведение всего спектра лабораторных исследований наиболее перспективных материалов для получения гигиенических сертификатов, сравнение технологических параметров загрузок на полупромышленных установках и разработка рекомендаций по их использованию. Кроме того, в рамках данной научно-исследовательской работы ставилась задача изучения закономерностей прироста потери напора в неоднородных по гранулометрическому составу загрузках с целью получения пригодной для практических расчетов зависимости интенсивности прироста потери напора (продолжительности фильтроцикла) от гранулометрического состава фильтрующего материала.

Работа выполнялась для предприятия ООО ЭПС "АКВА" в рамках договоров с муниципальным предприятием "Производственное Объединение Водоснабжения и Водоотведения" г. Челябинска. Исследования проводились в технологической лаборатории Сосновской водоочистной станции на природной воде Шершневского водохранилища реки Миасс.

Диссертационная работа является обобщением исследований, выполненных автором по этим договорам.

Научная новизна. Впервые проведены масштабные исследования местных зернистых материалов Уральского региона с целью их использования в скорых фильтрах станций подготовки воды хозяйственно-питьевого назначения и доочистки сточных вод. Исследования всех материалов проведены в сравнении друг с другом и с кварцевым песком Волгоградского месторождения в максимально сопоставимых условиях — на параллельно работающих моделях фильтровальных сооружений при идентичных параметрах ведения фильтрационного процесса.

Впервые проведены целенаправленные исследования по изучению закономерностей прироста потерь напора в неоднородных по гранулометрическому составу загрузках для различных видов фильтрующих материалов. В результате проведенных исследований получена математическая зависимость интенсивности прироста потери напора от гранулометрического состава неоднородной загрузки, которая учитывает вид используемого материала и степень гидравлической сортировки загрузки во время промывок.

Практическая ценность. Результаты исследований использованы для получения гигиенических сертификатов на ряд материалов, для выбора оптимального варианта загрузки фильтровальных сооружений Сосновской водоочистной станции г. Челябинска, скорых фильтров станции обработки производственных сточных вод Уральского автомобильного завода, медленных фильтров станции очистки бытовых сточных вод детского оздоровительного лагеря Челябинского электродного завода.

Установлена математическая связь между гранулометрическим составом и интенсивностью прироста потери напора в скорых фильтрах для различных видов фильтрующих материалов, пригодная для проведения технологических расчетов.

На защиту выносятся: результаты поиска местных зернистых материалов Уральского региона и анализ их пригодности для загрузки фильтровальных сооружений; результаты определения механической прочности, химической стойкости и санитарно-гигиенических показателей наиболее перспективных материалов; результаты сравнительных технологических исследований материалов с достаточной механической прочностью, химической стойкостью и безопасностью в санитарно-гигиеническом отношении; результаты исследований по изучению закономерностей прироста потери напора в неоднородных по гранулометрическому составу загрузках для различных видов фильтрующих материалов; 9 математическая зависимость интенсивности прироста потери напора в неоднородных загрузках от их гранулометрического состава, вида используемого материала и степени гидравлической сортировки загрузки.

1. ОБЗОР ЛИТЕРАТУРЫ

При подготовке воды для коммунального и промышленного водоснабжения в подавляющем большинстве случаев используются зернистые фильтры, основным элементом которых является фильтрующая загрузка. Наряду с зернистыми фильтрами используются сетчатые фильтры, намывные фильтры и фильтры, в которых в качестве фильтрующей среды используются эластичные или жесткие объемные пористые материалы.

Превалирующее распространение зернистых фильтров объясняется простотой регенерации фильтрующего слоя и относительно небольшим давлением, которое требуется для пропуска очищаемой воды через фильтрующую среду. Зернистые фильтры позволяют обеспечить требуемую нормами степень очистки воды при достаточно больших расходах.

Существует несколько теорий очистки малоконцентрированных суспензий фильтрованием, разработанных отечественными и зарубежными специалистами [11 — 15]. Очевидно, что изменение характеристик фильтрующей среды с течением времени связано с накоплением осадка в порах фильтрующей загрузки. Различные исследователи по разному объясняют механизм влияния накапливающегося осадка.

В настоящее время наиболее признанной является теория фильтрования малоконценрированных суспензий, разработанная Д.М. Минцем [11]. Данная теория получила экспериментальное подтверждение и доведена до практического применения. После опубликования теории Д.М. Минца в 60-х годах XX века практически все исследования механизмов фильтрационного процесса опирались на данную теорию [16 — 20]. Далее изложены основные положения теории фильтрования Д.М. Минца.

Выводы.

1. Абсолютные величины параметров фильтрования из опыта в опыт существенно различаются. Поэтому для сопоставимости полученных данных используем значения параметров фильтрования различных фильтрующих материалов по отношению к их значениям для загрузки из кварцевого песка Волгоградского месторождения, представленные в табл. 38.

Продолжительность работы t, ч.

Продолжительность работы t, ч. О

1 — Волгоград ский песок — 2 - - Миасский песок л 2

2 -1"

Cv

2,<

О 4 8 12 16 20 24

Продолжительность работы t, ч.

Рис. 7 График зависимости прироста потери напора от времени

Толщина слоя, м

1.25 1.00 0.75 0.50 0.25

-1— Волгоградский песок (rxj ■2 — Мргяпо/ктгй ттйпптг fVy.l

0.00

О 4 8 12 16 20 24

Продолжительность защитного действия t, ч.

Продолжительность работы t, ч.

114 k Потеря напора, м

С— 1 — Волгоградский песок4"1 -^ - - 2 - - Кварцит Act. ^ '* / <<Г t о* 1

О 2 4 б 8 10 12

Продолжительность работы t, ч.

Рис. 10 График зависимости прироста потери напора от времени

Продолжительность защитного действия t, ч. Рис. 11 График для определения защитного действия фильтрующей загрузки

Продолжительность работы t, ч. о

1 — Волгоградский песок - - 2 - - Кварцит Г.Х.

-2'' 2

2*

-2" 2

О 4 8 12 16 20

Продолжительность работы t, ч.

Рис. 13 График зависимости прироста потери напора от времени

Толщина слоя, м

24

0 4 8 12 16 20 24

Продолжительность защитного действия t, ч.

Продолжительность работы t, ч.

4 8 12 16 20

Продолжительность работы t, ч.

Рис. 16 График зависимости прироста потери напора от времени

Толщина слоя, м

0.00

0 4 8 12 16 20 24

Продолжительность защитного действия t, ч.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ Учитывая» что органолептические и химические показатели воды после

24 часового контакта с кварцитом соответствуют требованиям

ГОСТ 2874-82 "Вода питьевая"» по содержанию радионуклидов кварцит относится к материалам 1 класса (может использоваться без ограничений) г кварцит Балг.ндихинского месторождения Челябинской области можно использовать в качестве загрузочного материала в практике хозяйственно-питьевого водоснабжения.

Зав .отделом коммунальной гигиены Челябинского областного Центра Госсанэпиднадзор^

А.Г.Уральшин

Vv.'?- «Cii-1

КВАРЦЕВАЯ КРУПКА для фильтров химводоочистки