автореферат диссертации по строительству, 05.23.04, диссертация на тему:Масштабные и гидравлические неоднородности в работе водоочистных зернистых фильтров

ПЕТРОЗАВОДСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ, ВОРОНЕЖСКАЯ ГОСУДАРСТВЕННАЯ АРХИТЕКТУРНО-СТРОИТЕЛЬНАЯ АКАДЕМИЯ

МАСШТАБНЫЕ И ГИДРАВЛИЧЕСКИЕ НЕОДНОРОДНОСТИ В РАБОТЕ ВОДООЧИСТНЫХ ЗЕРНИСТЫХ ФИЛЬТРОВ

05,23.04 - Водоснабжение, канализация, строительные системы охраны водных ресурсов

Диссертация

на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научные руководители: - доктор технических наук,

На правах рукописи УДК 628.16.067

Хузин Владимир Юрьевич

профессор Люкаев Р.И. кандидат технических наук, профессор Бабкин В. Ф.

Воронеж -1999

СОДЕРЖАНИЕ

ВВЕДЕНИЕ 4

ГЛАВА 1. АНАЛИЗ УСЛОВИЙ ПРОЕКТИРОВАНИЯ,

СТРОИТЕЛЬСТВА И ЭКСПЛУАТАЦИИ ВОДООЧИСТНЫХ ЗЕРНИСТЫХ ФИЛЬТРОВ И КОНТАКТНЫХ ОСВЕТЛИТЕЛЕЙ 6

1.1. Анализ условий проектирования. Опыт использования технологического моделирования в проектировании 6

1.2. Анализ опыта строительства фильтров. Конструктивные несовершенства и невысокое качество строительства как причина возможных нарушений технологии процесса водоочистки 11

1.3. Анализ причин нарушений технологии процесса водоочистки, возникающих в ходе эксплуатации сооружений

и при наладочных работах 17

ГЛАВА 2 ИССЛЕДОВАНИЕ МАСШТАБНОГО ЭФФЕКТА ПРИ ТЕХНОЛОГИЧЕСКОМ МОДЕЛИРОВАНИИ И ОБОСНОВАНИЕ КОНСТРУКЦИИ МОДЕЛИРУЮЩЕЙ УСТАНОВКИ 22

2.1. Исследование надежности известных методов технологического моделирования 22

2.2. Постановка вопроса, выбор и обоснование методик

и аппаратуры для исследования масштабного эффекта 31

2.3. Исследование пристеночного эффекта как критерия при выборе масштаба установки для технологического моделирования 41

2.4. Исследование параллельной работы пилотной уста-

новки и реального сооружения 50

ГЛАВА 3 ИССЛЕДОВАНИЯ ГИДРАВЛИЧЕСКИХ И МАССО-ОБМЕННЫХ НЕОДНОРОДНОСТЕЙ В МАСШТАБЕ ОДНОЙ СЕКЦИИ ЗЕРНИСТОГО ФИЛЬТРА 74

3 Л. Теоретические исследования распределения потоков

в зернистых фильтрах 74

3.2. Выбор и обоснование методик и аппаратурного оформления для исследования гидравлических неоднородностей 104

3.3. Исследование гидравлических неоднородностей в свободном объеме скорого фильтра в зависимости от его геометрических размеров и конструктивных особенностей 109

3.4. Выбор средств ликвидации гидравлических неоднородностей в скором фильтре 115

ГЛАВА 4 ИССЛЕДОВАНИЕ И ТЕХНИКО-ЭКОНОМИЧЕСКОЕ ОБОСНОВАНИЕ КОНСТРУКЦИИ ПО УСТРАНЕНИЮ ГИДРАВЛИЧЕСКИХ И МАССООБМЕННЫ НЕОДНОРОДНОСТЕЙ 124

4.1. Исследование потоков в свободном объеме реконструированного скорого фильтра 124

4.2. Промышленное испытание реконструированного

скорого фильтра 129

4.3. Технико-экономическое обоснование внедрения диссертационной разработки 131

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ 134

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ 136

ВВЕДЕНИЕ

В условиях реформирования коммунального хозяйства особую роль играют вопросы сокращения трудоемкости, ресурсосбережения и охраны окружающей среды. Решение этих проблем имеет прямое отношение к проектированию, строительству и эксплуатации водоочистных станций коммунальных и промышленных систем водоснабжения.

Эффективность работы сооружений с зернистой фильтрующей загрузкой в значительной мере определяет качество воды, производительность станций и их экономические показатели. Годовой объем фильтруемой воды в промышленности и коммунальном хозяйстве РФ составляет около 30 км 3 с намечающейся тенденцией роста.

Интенсификация процессов фильтрования в последние годы развивалась в основном в направлениях поиска новых фильтрующих материалов с улучшенными показателями пористости, удельной поверхности, применения более эффективных коагулянтов и флокулянтов, мест и режимов их введения, совершенствования методов и режимов регенерации загрузки. При этом вопросу технологического моделирования и связанным с ним проблемам масштабного перехода от пилотных установок к реальным сооружениям уделялось незаслуженно мало внимания. Существующие нормативные документы не дают рекомендаций по прогнозированию работы сооружения на основе результатов исследований полученных на пилотных установках.

Адекватность модели и реального сооружения возможна при выполнении ряда условий, важнейшим из которых является подобие гидродинамических процессов, протекающих в данных сооружениях.

Опыт эксплуатации различных промышленных установок и аппаратов показывает, что расчетная эффективность их работы достигается не всегда, что во многих случаях обусловлено неравномерным подводом потока к рабочему участку аппарата.

В связи с этим актуальным является решение проблемы масштабного перехода от пилотных установок к реальным сооружениям и повышение эффективности работы зернистых фильтров путем устранения гидродинамических неравномерностей при фильтровании.

В соответствии с вышеизложенным была определена цель работы, заключающаяся в повышении надежности расчета производственных фильтров по данным, полученным на моделях и интенсификации процесса фильтрования путем устранения гидравлических неоднородностей в работе зернистых фильтров.

В соответствии с общей целью были поставлены и решены следующие задачи:

• произведено сравнение результатов технологического моделирования, полученных на пилотной установке, с работой реальных сооружений с целью оценки их адекватности;

• исследовано распределение потока очищаемой воды в свободном объеме производственного скорого фильтра с целью оценки равномерности его распределения по площади фильтра;

• разработана конструкция, позволяющая ликвидировать гидравлические неоднородности в его свободном объеме;

• проведены производственные испытания предложенной конструкции и дана экономическая оценка эффективности ее работы.

Научная новизна работы:

• экспериментально подтверждено существование масштабного эффекта при переносе на реальные сооружения результатов испытаний на моделях;

• уточнена методика гидравлического расчета открытых потоков с равномерной раздачей расхода по пути с учетом переменности массы в применении к скорым фильтрам;

• установлено существование и даны количественные оценки гидродинамических и связанных с ними массообменных неоднородностей в свободном объеме скорого зернистого фильтра;

• разработана математическая модель массопереноса с учетом рециркуляции потока в сооружении;

• теоретически и экспериментально обоснованная новая конструкция подвода исходной воды позволяет существенно уменьшить гидравлические неоднородности в свободном объеме фильтра.

На защиту выносятся:

• анализ влияния масштабного эффекта при переходе от моделей фильтров к реальным сооружениям;

• методика уточненного гидравлического расчета открытых потоков с равномерной раздачей расхода в применении к скорым фильтрам;

• математическая модель гидродинамической структуры потока с учетом его рециркуляции в сооружениях;

• конструкция распределительного устройства и методика ее расчета, устраняющая гидравлические неоднородности в свободном объеме скорого фильтра.

Практическая значимость работы. Обоснована необходимость создания на водопроводных очистных станциях технологических лабораторий для отработки процесса очистки на моделях с целью оптимизации работы эксплуатируемых сооружений. Использование предложенного в работе устройства для равномерной подачи воды на скорые фильтры позволит увеличить производительность очистных сооружений.

Апробация работы. Материалы диссертации докладывались на региональных научно-технических конференциях в г.г. Петрозаводск, Ленинград, Воронеж.

Публикации. По теме диссертации опубликовано 4 научные работы.

Объем и структура работы. Диссертация состоит из 4 глав, содержит 139 страниц, включая таблицы, рисунки и список литературы из 62 наименований.

ГЛАВА 1. АНАЛИЗ УСЛОВИЙ ПРОЕКТИРОВАНИЯ, СТРОИТЕЛЬСТВА И ЭКСПЛУАТАЦИИ ВОДООЧИСТНЫХ ЗЕРНИСТЫХ ФИЛЬТРОВ И КОНТАКТНЫХ ОСВЕТЛИТЕЛЕЙ

1.1. Анализ условий проектирования. Опыт использования технологического моделирования в проектировании

Проектирование водоочистных сооружений - это сложный творческий процесс, направленный на получение максимального технического, экономического и социального эффекта при возведении и эксплуатации проектируемого объекта. Сложность этого процесса заключается, с одной стороны, в увязке между собой требований смежных частей проекта (технологической, архитектурной, санитарно-технической, строительной, экономической и т.д.), а с другой, также различных, иногда противоречивых требований норм с учетом экономических и социальных условий, производственных возможностей конкретных строительных организаций. При этом требуется найти оптимальное соотношение этих требований и получить такое сбалансированное решение, которое обеспечивает всесторонний максимальный эффект при минимуме затрат.

Поиск оптимального решения при проектировании объектов водоснабжения затруднен из-за значительного числа сравнительно небольших, но довольно сложных в планировочном и конструктивном отношении насыщенных оборудованием зданий и сооружений. Для решения этой задачи наиболее квалифицированным проектным организациям поручают разработку типовых проектов часто повторяющихся однотипных сооружений. Инициатива выбора типового проекта для конкретного объекта принадлежит техно-

логам. Наилучшим образом будет подобран тот проект, который наиболее близок к требуемым параметрам технологического процесса. Однако во многих случаях такого совпадения достичь невозможно и при привязке проекта приходится выполнять в большем или меньшем объеме его корректировку, т.е. иногда перепланировку и даже изменение габаритов. При этом автору привязки необходимо учитывать реальные природные условия, а также изменения нормативных требований, происшедшие с момента утверждения типового проекта.

Существует ряд издержек, к которым приводит применение типовых проектов. Во-первых, это быстрое их устаревание, даже если в момент разработки они отвечали современному уровню развития науки и техники. Во-вторых, невозможно создать типовые проекты, отвечающие всем технологическим параметрам конкретных реальных условий. Поэтому, как правило, типовые проекты подбираются с некоторыми запасами по вместимости, производительности, площадям и т.п., т.е. возникает «цена типизации». Чтобы эти недостатки свести к минимуму, необходима высокая универсальная квалификация проектировщика, осуществляющего привязку типового проекта.

Однако в типовом проектировании есть возможность снижения отрицательных последствий этих недостатков. Так, учитывая часто меняющееся оборудование, большое разнообразие технологических процессов и невозможность разработки типовых проектов для каждого из вариантов технологии, в последние годы укрепилось мнение, предусматривающее замену комплексной типовой проектной документации самостоятельными типовыми решениями каждой из частей проекта.

Основным нормативным документом для проектирования в нашей стране является СНиП - строительные нормы и правила. Схема и состав водоочистных сооружений определяются качеством воды водоисточника, требованиями к качеству очистки и производительности системы водоснабжения. СНиП 2.04.02.-84 дает рекомендации на этот счет, выделяя в качестве

основных показателей качества воды концентрацию взвешенных веществ, цветность и другие параметры.

Качество проекта строящегося объекта, а также качество и стоимость самого строительства во многом зависят от того, насколько тщательно изучены местные условия возведения и эксплуатации проектируемого объекта. Поэтому до начала основных проектных работ в районе строительства должны проводиться необходимые изыскания. Состав и их объем зависит от вида строительства, а также от степени освоенности и изученности района, размеров объекта и характера местности. Проводимые изыскания подразделяются на инженерные и технико-экономические.

Инженерные изыскания предусматривают комплексное изучение природных условий района строительства с целью получения необходимых исходных данных для разработки технически правильных и экономически оптимальных решений при проектировании строящихся объектов. Инженерные изыскания подразделяются на инженерно-геодезические, инженерно-геологические и инженерно-гидрометеорологические.

Для вновь проектируемых водоочистных сооружений данные о качестве воды берутся из бюллетеней местных гидрометеорологических и гидрохимических служб или на водоочистных станциях, работающих в аналогичных условиях, чего часто бывает недостаточно и приводит к грубым ошибкам в выборе схемы и состава сооружений. В качестве примера неудачного использования таких данных можно привести опыт проектирования станции контактных осветлителей завода синтетического спирта в г.Самара, аналогом для которого была взята хорошо работающая станция контактных осветлителей городского водопровода. Водоисточником для обеих станций являлась река Волга, однако, показатели качества воды в створах водозаборов, находящихся в нескольких десятках километров друг от друга и разделенных рекой Самарка, оказались совершенно различными. В результате на заводских

очистных сооружениях потребовалось проведение ряда дорогостоящих усовершенствований для нормализации их работы в паводковые периоды [ 3 ].

При выборе источника водоснабжения г.Петрозаводска использовали данные многолетних наблюдений за качеством воды в Петрозаводской губе Онежского озера. С учетом того, что цветность воды в контрольных точках не превышала 50-60 градусов, была запроектирована одноступенчатая схема очистки на прямоточных фильтрах. Водозаборные же головки оказались в зоне влияния стока впадающей в губу р. Шуи, воды которой имеют цветность от 100 до 250 град. В результате сооружения оказались неработоспособны.

Во всех случаях проектирования новых водоочистных сооружений необходимы предпроектные технологические изыскания с апробацией на лабораторных установках предварительно выбранных схем очистки, состава и доз реагентов. Примером удачной привязки типового проекта с предварительным технологическим моделированием процесса очистки фильтрованием является проектирование очистных сооружений ВПС-8, ВПС-11 по обез-железиванию воды из подземного горизонта на скорых зернистых фильтрах в г.Воронеже.

Проектной организацией «Гипрокоммунводоканал» г.Москва были учтены рекомендации, касающиеся параметров фильтрования (скорость фильтрования, толщина фильтрующего слоя, продолжительность фильтроцикла и т.д.), полученные в ВИСИ на пилотных установках при обезжелезивании воды из скважин расположенных на месте предполагаемого строительства очистных сооружений. Возведенные в соответствии с проектом очистные сооружения ВПС-8 и ВПС-11 успешно работают в оптимальном режиме обеспечивая высокий эффект очистки. Качество очищенной воды соответствует требованиям ГОСТа.

В большинстве случаев предпроектные изыскания ограничиваются лишь инженерными и технико-экономическими. Результаты же проводимых

технологических исследований обычно ограничиваются определением качества исходной воды и не могут быть эффективно использованы для прогнозирования процесса очистки на скорых фильтрах или контактных осветлителях с зернистой загрузкой, если применение таковых предусматривается проектом.

В состав водоочистных станций обычно входят химическая и бактериологическая лаборатории, но наряду с ними было бы целесообразно включение в их состав технологической лаборатории. Наличие такой лаборатории, моделирующей процесс очистки исходной воды в сооружениях, предусмотренных проектной схемой, позволит не только качественно проводить пуско-наладочные работы, но и оптимизировать работу производственных сооружений в процессе последующей их эксплуатации с учетом изменяющегося качества исходной воды, вида и качества, поступающих на станцию реагентов, требований к качеству очистки. Многолетний опыт работы таких лабораторий, например, на московском, самарском, петрозаводском водопроводах подтверждает это положение [ 3 ].

Одновременно с выбором состава водоочистных сооружений, конструкций фильтров проектная организация определяет вид фильтрующего материала для них. При выборе фильтрующих материалов предпочтение следует отдавать местным, промышленно доступным, с лучшими, чем у кварцевого песка структурными и технологическими показателями.

При этом апробация различных типов фильтрующей загрузки должна проводиться на стадии технологического моделирования с обоснованием выбора фильтрующего материала на основе технико-экономических расчетов. Для этого принимают во внимание такие факторы, как возможность повышения производительности сооруж�