автореферат диссертации по строительству, 05.23.04, диссертация на тему:Очистка маломутных вод, содержащих водоросли

московски'; ордена трудового красного знамьни щшогно-сгроитедькый- ИНСТИТУТ мм. в.в.куйбы1ева

- I' О ~ -> ~ !'

С^О- и и ).

На правах рукописи

бассьом э. ыох.шд

очистка маломутных. вод, содержащих • водоросли

0-5.Р3.04 - Водоснабжение, канализация, строительные системы охрани водных ресурсов

.Автореферат диссертации на сомскяаде ученой степени жавдвдате технических наук

Москва - 1992

Диссертация выполнена в Таджикском политехническом институте.

Няучшй руководитель:

- доцент, хацдздат технических паук Ш.Ш.Шоишв.

Официальные оппоненты:

- доктор чехничоскта наук С.А.,Щуберт;

- профессор, кандидат технических наук Г.И.Николадзе.

Ведущее предприятие:

- институт "МосБодоканалИМпроех^".

Защите диссертации состоимся " __1962 г. в

15-30 •чяооз на заседании специализированного совета К 053.11.08 по з азу те диссертаций, на соискание ученой степени кандидата технических наук е Московском ордена Трудового Красного Знамени инженерно-строительном институте им.Э.В.Куййггшевз во адресу: Косх-ва, Ярославское шоссе, д.26, ШСИ, аудитория й О/к.-.

С диссертацией, ыокно ознакомиться в библиотеке инотичута.

Просим Вас принять участив в защите и направить Ваш отзыв, оеверенныИ печатью, в 2-х экземплярах то адрооу: 122337, Москва, Яросяаскоэ шосое, д.26, ШСИ вм.В.Ь.Хуйбшвэа, Ученый Совет.

» / У"_. 1592 г.

Автореферат разослан

& /У XI' - /А^/'аА ,

Ученый секретарь свегиалязироБаннсго совета кандидат техкгчсских каук, доцент

З.А.Орлсв

ОБШАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. Проблема чистой воды становится все более острой по мере развития научно-технического прогресса. Уже сейчас во многих регионах земного дара наблюдаются большие трудности в обеспечении водопотребления вследствие количес/венного и качественного истощения водных ресурсов.

Подземные вода многих регионов Египта но пригодны для использования в качестве источника водоснабжегтя из-эа высокой минерализации, наличия большого количества солей связанного желега, марганца, а также пестицидов. Все это приводит к сильному удорожанию мероприятий по их подготовке.

Вода р. Нил, яьлгаициеся основным поверхностным источником, качественно изменились после строительства Асуанской плотины в сторону эвтрофикацив за счет массового развития водорослей в течении осего календарного года численность» от 4,0 до 30,0 тыс. кл/мл. Мутность веды не превышает 25 иг/л, цветность до 25 град, температура от 14 до 29°С. Скопление водорослей, главным образом сннезеленых, - одна из причин ухудшения качества питьевой воды п Осложнения водоснабжения. Водоросли забивают лоры песчаного фильтра, их слизь склеивает отдельные зерна, вызывая образование непроницаемой для воды пленки. Цементирование зерен вагрузкн усиливается осаэщенвем аз веды СаСОд и Ид /ОН^, что связано с повышением рН среды из-эа энергичной фотосиктетической деятельности водорослей. Прилезая воде различные запахи и яривкусн, водоросли я их ь-р.таболиты могут иметь токсичное воздействие на человека.

Традиционные технологические схемы водообработки с отстойниками или осветлителям*) со взвешенным слоек и скорыми фильтрами характеризуется низрим эффектом извлечения кз водн фитопланктона.

В сооружениях предочистаи происходит веплывание биомассы в результате биофлотацвд и ее нерегулируемый виноо на фильтры. В втих условиях еооруже&ия прздочистки, как правило, на работают и вся грязевая нагрузка воспринимается фильтрат, продолжительность фкльтроцикла коггорьрс сокращается до 4-5 -часов. Поэтому весьма актуально разработать, исследовать и внедрить технологию наиболее полно отвечающую задаче улучшения качества маломуткшс вод, содержащих водоросли.

Цель диссертационной работы заключалась в разработке указанной технологии и конструкции водоочистного сооружения, позволяющего комплексно реыать задачу осветления, обесцвечивания воды и извлекать из нее водоросли.

Для достижения этой шли было принято:

- изучение технологии очистки воды от фитопланктона;

- определение возможности и эффективности удаления водорослей из еоди методом флотации;

- разработка и изучение технологической схемы извлечения из воды фитопланктона с использованием напорной флотации й последующего фильтрования через зернистую аагрузку;

- создание и исследование работа комбинированного водоочистного сооружения - фдогофильгра дяя осветления, обесцвечивания воды и извлечения из нее водорослей;

- разработка рекомендаций по расчету и проектированию флсто-фильтрационнык установок; , ■

- определение технакс-экоЕомических показателей рекомендуемой технологии водообработхи.

Научная новизна работы заключается в следующем:

- дана качественно-количественная характер«стека основных видов водорослей пресных вод . с позиции их флотируемости и фильт-

руемооти через зернистую загрузку;

- выявлена возможность в эффективность удаления фитопланктона из' воды методом нагорной Лютации и фильтрования;

-дан теоретический анализ и матегатическое описание процесса извлечения из зодц водорослей напорной |дотаиией;

- разработана методика расчета флотофильгра.

Практическая значимость и область применения:

- разработана технология и конструкция водоочистного аппарата - флотсфилътра для кокниционирокания маломутных вод, содержащих водоросли;

- определены и исследовэны основные факторы, влияющие на процесс очистки вода от фитопланктона при использовании напорной флотации и фильтрования черэз зернистую-загрузку;

- получены аналитическая зависимость и уравнения регрессии, включающие'основные факторк, влияющие на процесс напорной (|дота-шш да-л извлечения водорослей яз воды,

- составлена методика для расчета и проектирования флото-фильтров.

Рекомендуемая технология и флотофильтрационнгя установка могут быть использованы при очистке мгломутньк цветных вод, со-дерулвдх водоросли.

На^заиртту выносятся: . - результаты качественио-ксшчестБенных исследований основных видов водорослей теплых гресных вод с позииил их (Ъгстируе-мости и фшьтруемости через зернистую загрузку;

- технология, конструкция и параметры водоочистного аппара-та-Флотозильтра для ковдициоьировашя :/,алоуутных вод, содержащих фитопланктон;

- математическая модель и уравнения регрессии, описывающие

6.

процесс напорной флоташи при ззвлечении водорослей из воды;

- методика расчета в проектирования флотофильтра;

- техндко-экономическая оценка эффективности использования рекомендуемой технологии водообрабэтки.

Объем работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, общих выводов, списка использованной литературы. Работа изложена на 114 страницах машинописного текста, содержит 5 фотографий, 20 рисунков и 19 таблиц. Список использованной литературы включает 80 ¡гаимеяований.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

В отличив от грунтовых поверхностные воды, как и любая экологическая ниша, населены гвдробионитами. Страны тропического и субтропического климата, в частности Египет, при благоприятном световом, термическом и биогенном режиме создают условия для массового развития в поверхностных ьодах организмов фитопланктона.

Изменение качества воды в реках в водоемах под влиянием гидротехнических сооружений происходит не только в Египте, но в во всем мире. При этом изменяется состав фитопланктона, концентрация водорослей, а такке минерализация воды. Массовое развитие и скопление водорослей в значительной степени ухудаают качество питьевой воды и осложняют процесса ее очистки.

Водоросли являются одним из главных источников возникновения в воде запахов и привкусов; повышают затраты на реагенты при Водоподготовке. Имеются сведения о токсичности синезеленых водорослей : до 45% этих Еодорослей содержат яд - теттогокоаш, либо нервотоксикн.

Результаты информационных исследований показывают, что в современной практике для удаления из вода планктона используют

микрофнльтрование /на микроГмльтрах/, поле центробежных сил /центрифуги с фильтрующей подложкой/ и Дотации. По данным Демина И.К., Николадзе Г.И., Илясова Г.А. и др. наиболее перспективным «шляется применение напорной Дотации. Сущность процесса заключается в действии молекулярных сил, способствуй!]¡их слипагам отдельных водорослей с пузырьками тонкодиспергированного в воде воздуха я их всшшвашю на поверхность воды.

Теоретические исследования взаимодействия пузырьков воздуха с водорослями позволили получить аналитическую математическую зависимость, качественно описывающую процесс флотации последних:

э= 1 - -П^фг- I1 - : Л/

где Э - эффект задержания /флотации/;

Л

- количество пузырьков; 1С а - скорость подъема пузырьков; <_/ - вероятность прилипания пузырька к водоросли;

К0 - флотируемая частица; к0 б же ~ по-

верхностное натяжение на границе раздела ижидкость-газ, ^ - угол смачивания/; £ - продолжительность контакта пузырька о водорослью /примесью/; М - количество водорослей в I мл. исходной воды.

Однако, количественное определение э#екта задержания водорослей данной зависимостью сопряжено со значительными сложностями из-за наличия трудноопределяешх величин, таких,как Ад , <э6 , а также невозможностью учета гидродинамических условий, что не лозволя.ет использовать уравнение /I/ для технологических расчетов. В связи с этим возникает необходимость в проведении экспериментальных исследований для определения основных факторов и параметров работы напорно-йдотофильтрационной установки. Исследования проводились на лабораторных моделях флотатора и флотофшгьтра,

при создании которых бми учтены условия геометрического и гидродинамического подобия. Модель флотатора из органического стекла имела диаметр 50 см и высоту 1,8 м,-Концентрацию фитопланктона регулировали добавкой к исходной воде суспензии водорослей хлореллы, сденедесмус и спирулина, выращенных в лабораториях института ботаникп АН Таджикистана.

Экспериментальные исследования проводились на территории Самотечного водопровода г.Душанбе. Исходной служила вода р.Варзоб, осветленная в бассейне суточного регулирования /БСР/, основные показатели которой приведены в табл.1.

Таблица I.

Основные показатели качества исходной воды

' Показатели ! Ед. изм.

пп !

!

БСР /1991 г./

! р.Нил ! 71987 г./ в ! створе г. ! Каира

1. Температура

2. Мутность

3. Цветность

4. рН

5. Жесткость

6. Окисляемость

7. Кальций

8. Магний

9. Концентрация . планктона

10. Железо

11. Сухой остаток

°С мг/л град усл.ед. мг-экв/л мг.О /л мг/л '

кл/мл

мг/л

мг/л

10-22 2,5 - 20 5-35 7,0 - 8,5 1,5 - 2,1 2,1-7,1 20-32 0,9 - 1,4

8440 - 4880 0,16-0,9 115 - 190

14 - 28

4-25

5-25 7,9 - 8,4 2,5 - 4,0 4,1 - 8,0

10 - 28 0,02-0,2

4000-50000 0,11 - 0,43 170 - Э00

Первая серия опытов по напорной флотации была проведена без коагулирования примесей ври условии, что диспергированная вода готовилась из исходной. В результате эффект извлечения водорослей не превышал 6756, а осветления и обесцвечивания воды был около

20%. При коагулировании примесей води аффект задержания водорослей в отдельных опытах достигал 82$, однако о повышением давления насыщения в напорном баке свшо 0,5 МПа наблюдался распад колониальных водорослей на отдельные зслетки, что снижало качество водообработки. Поэтому дальнейшие исследования проводили на дисперсионной воде, приготовленной из осветленной путем насыщения воздухом.

Для установления количественных зависимостей и определения основных технологических факторов процесса, а также для выявления направления воздействия этих факторов при проведении лабораторных исследований был использован метод математического планирования эксперимента. В качестве параметров, определяющих эффективность процесса, были выбраны: эффект удаления водорослей, снигение мутности, цветноси! и окнсляемости воды. Целью исследования было выявление влияния следующих параметров на процесс флотации, продолжительности флотации /¿фЛ количества воды, подвергаемое насыщению /А/, дозы коагулянта /Д/, содержания водорослей в исходной воде

/У/ и давления насыщения /Р/. При этом был реализован дробный

со

факторный эксперимент типа 2 . Матрица планирования и результаты приведены в табл.2.

Для исключения систематических ошибок опыты бшга рондомизи-рованы во времени. Б результате статистического и регрессионного анализа получены уравнения, описывающие процесс удаления водорослей, ьутиости, цветности и снижения окиоляемости.

Уу = 72,71 ♦ 0,89 \ 2- 1,19 Х2+2,Э4 Хд+2,68 Х4+1,95 Х5; /2/

Ум а 61,6 - 1,015 У^ + 6,138 Хд + 3,338 Х5 /3/

Уц = 58,4 - 2,59 Х2 ♦ 3,16 Хд + 4,31 Х& /4/

У0 = 57,82 + 1,73 Х1 - 2,31 Х2 1,84 Ц /5/

Таблица 2.

Матрица планирования л результатов опытов

факторы "[ Эффект удалвшя,

! ~Т ~~Г """!------1----, | |----

! Н_ ! 2 I _ х3___ х4__!____ ! _ _ !___! _ !

1 продолад-Тдаспер-Т доза !концен- ! давление I водо-Т мут- Т цвет- Токисля-

1тельн. !елон. \ коагулЛтрацая 3! нашей« ! росли ! ность ! ность !емость

!флот.мдя ¡вода, %\ мг/д !кл/ыл-10! кг/аг ! !

Основной уровень

вень 15 ¡20 25 27 4

. Интервал варьирования 10 10 15 23 2

. Верхней уровень (+) 25 X 40 50 6

НлтааЙ уро- „

вень. От)'____5_________ 10____4_____2_____________________

Опыты: I - - - - 65,1 51,6 51,7 . 52,9

2 + + - - - 66,4 49,0 51,7 56,2

3 - - + + - 77 68 59,7 62,8

4 + - + - + 75,1 69,8 68,3 62,0

5 - + + - + 73,6 69,3 65,0 56,7

6 + - • - + + 78,4 64,3 . 64,3 63,1-

7 - + - + + 71,6 56,4 53,3 52,0

8 + + + + - 74.5 63,9 53,3 57,4

и .

Полученные уравнения позволяют определить направление воздействия факторов и количественно оценить их влияние, а тяпке могут быть использованы в качестве интерполяционных в пределах изученных величин. Подставляя приведенные значения факторов, получим:

= 62,32 + 0.С8Э • Ь - С,119 А + 0,156 Д + 0,ПбУ*0,98Р;/6> Ум = 48,32 - 0,1815 А + 0,709 Д + 1,669 Р; /7/

Уц = 44,69 - 0,259 А «• 0,221 Д + 2,156 Р; /8/

У0 = 55,76 + 0,179 • £ - 0,231 А + 0,123 Д; /9/

Уравнение /6/ показывает, что увеличение продолжительности флотации, давления насыщения, дозы коагулянта, а также исходного содержания водорослей в пределах изученных величин способствует повышению эффекта удаления водорооъей, а повышения количества дисперсионной воды влияет отрицательно. Повышению эффекта осветления и снижению цкетности способствуют большие дозы коагулянта и давления насыщения, а количество дисперсионной води влияет отрицательно /7,8/, Снижение окисляеыосги в основном зависит от продолжительности Гоготании, давления насыщения и количества дисперсионной воды.

Результаты экспериментов показали, что для получения воды питьевой кондиции ее необходимо после флотации подвергнуть фильтрованию через зернистую загрузку. В целях снижения капитальных затрат и создания более благоприятных уоловий эксплуатации была разработана й изготовлена комбинированная флогофильтрационная установка /рис.1/ из оргстекла диаметром 18,5 см и.высотой 2,85 м.

В процессе проведения исследований на флотофильтрационной" -установке наряду с изучением вышеперечисленных параметров изучались изменения высоты понного слоя в зависимости от продолжительности работы установки, влияние вида водорослей на эсТфект (Глотании <

Рис 1. аш ЭКСПЕРШЕНТАЛЬНОГ ФЛКАШСШОЙ ФИЛЬТРОВАЛЬНОЙ.УСТАНОВКИ

I - смеситель; 2 - насос; 3 - напорный бак: 4 - оадукци--онный клапан; 5 - ротаметр РС-3; € - контактная колонна; 7 - флотатор: 8 - фильтр; 9 - фильтрат; 10 - ротаметр г-С-За; II - манометр; 12 - бак для коагулянта; 13 - дозатор коагулянта; 14 - удаление пены; 15 - пьеэометоы.

и фильтрования, прирост потерь наг.ора, изменение концентрации водорослей по толщине загрузки Фильтра, оптимальная интенсивность и продолжительность промывки фильтра.

Результаты исследований показали, что при продолжительности пребывания воды во Фшотаторе 15-20 мин наблюдается наибольший эффект задержания водорослей /82,

Увеличение количества дисперсионной воды вначале способствует эффекту задержания водорослей, а при ее количестве более '¿0% приводит к резкому снижению выходного параметра /до Ю-15#/.

Доза коагулянта сперва положительно /до 20-25 мг/л/ влияет на эффективность разделения примесей, а свыше 30 мг/л заметного влияния не оказывает. Поэтому рекомендуемая доза - 25 мг/л /по продажному продукту/.

' Давление насыщения положительно влияет на эффект удаления водорослей, его рекомендуется принимать в пределах 0,4-0,5 МПа.

Результаты исследований показам, что наблюдается линейная зависимость эффекта задержания всдорослей от их исходного количества. С целью изучения зависимости работы флотатора от вида во-, доросяей были использованы не только водоросли вида "хлорелла", но и другие, выращенные в Институте ботаники АН Республики Таджикистан: хлорелла обыкновенная, одноклеточная шаровидная

/¿/„_ = 5-7 мкм/, сценедесмуо четырехклеточннй, ценобильная зе-кл

леная /80 Ч 100 шм, ширина клетки - 7 мкм/, спирулина лугового, нитчатая синезеленая - ширина клетки - 6 мкм, длина 300-350 мкм. Наибольшие трудности были связаны с задержанием водорослей типа "хлорелла", где максимальный эффект не превышал

Объем образующейся пени зависит от количества дисперсионной воды /расхода воздуха/, дозы коагулянта, концентрации водорослей и мутности воды. С повышением этих величин объем пены увеличива-

егся. Ьысота пены во ротаторе доходила до 10 ш /6-7 чао. работы установки/,, потеря воды при сбросе пены составляла от 0,6 до 1,2# производительности установка.

Б качестве фильтрующей загрузки флотофильтра рекомендуется дробленый керамзит, гак как поверхность адсорбции в единице объема у него в 2-3 раза больше, чем у кварцевого песка, антрацита и др. В процессе проведения исследований были рассмотрены три типа-керамзитовой загрузки Орджоникидзеабадского керамзитового завода:

- мелкозернистая Я = 0,5-1,2 мм; с£экв = 0,69*ш; /1= 0,7 м;

- среднезернистач ({ = 0,7-1,5 ш; С^ экв = 0,81 км; ¡V = 1,25 и;

- крупнозерю;стая (1-.0,8-2,0 мм; с1 экв = 1Д мм»' Ь = 1.62 м.

Результаты экспериментов показали, что в загрузках мелкой и средней крупности бистро растут потери напора. Поэтому был рекомендован для загрузки фильтра дробленый керамзит С^ = 0,8- 2,0 мл; (£цкь = 1,1 При этом, учитывая характер послойного задержания водорослей, лысоте слоя фильтрующей загрузки может быть ограничена 0,75-0,8 м, а скорость фильтрования 6-7 м/ч. Глубина проникновения водорослей в фильтрующую загрузку зависела от их типа и скорости фильтрования воды. При скорости Фильтрования 7 м/ч и исходном содержании хлореллы 2560 кл/мл концентрация клеток уменьшалась на 43,7$ /при высоте слоя 15 см/ и на 68,7# /на глубине 75 см/. Обобщенный эффект задержания водорослей на фильтре при скорости 6,5 к/ч выглядит таким образом: хлорелла до 93$, сценедесмус до и сшрулик - 100?!.

Несмотря на незначительную мутность и цветность исходной воды наблюдался значительный прирост потери напора. Оказалось, что некоторые виды водорослей не придают воде цветность, не повышают мутность и окисллемость воды, но проникая в толщу слоя уиеличива-

от сопротивление фильтра. Прирост потери капора при скорости фильтрования 5,0 к/ч составляя 10 см/ч; для 7,0 м/ч ~ 13,8 см/ч. Предполагая наибольшую потери непора в загрузке фильтра - 1,2 м -можно рекомендовать продолжительность фильтроцгкла /в зависимос ти от скоростр фильтрования/ от 12 до 14 часов и более.-

При работе фяотофильтра промывка фильтрующей загрузки проводилась в соответствие со СНиПом. Однако рекомендуемая янтаисив-ность промывки 12 ... 15 л/^.м2) расширяет загрузку более, чем на что сопровождается ее выносом. По-видимому такому расширению способствуют микроскопические пузырьки воздуха, находящиеся на поверхности верен загрузки. Промывая фильтр с относительным расширением загрузки 20-45£ до тех пор, пока промывная вода не станет прозрачной /10-12 ыг/л/ я, определив количество промывной воды, был выявлен: режим промывки, при котором объем промывной водь будет наименьшим. Этому режиму соответствует 30^-ное расширение загрузки при лчтензивнос-хи промывки 8-^9 л/(о-м2). Продолжительность промывки 7 шнут. Объем промызной воды составляет от объема фильтрата.

Результаты исследований позволили рекомендовать технологическую схему очистки маломутшх вод, содержащих водоросли, 'состоящую из смесителя,.фяоггофальтра, напорного бака, с реагечтной . обработкой части исходной вода /коагулирование/. Рекомендуемая схема {экономически была сравнена с очистными станциями, работал-щими в северных частях Египта фюселв - 8000 м /сут, Кафьр Эль-шейх г 6000 и^/су», Дяманхур - 10000 м3/сут), а таклю со схемой юкрофвльтр - коктекгнкй осветитель. :

..Технико-экономические расчет показали, что рекомендуемая технологическая схема имеог преимущества а при се применении годовой экономический аффект составят для станции 3000 м^/сут -

- 13,ВЗ тыс.руб.; 6000 м3/оут - 20,17 тыо.руб. и для 10000 м3/су*

- 44,44 тыс.руб.

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ

1. Результаты качестввнир-кодйчествешшх исследований основных видов водорослей теплых пресных водоемов с позиции их флотируемости и фильтруемости через зернистую загрузку показывают, что кондиционирование качоиутных, цзетшх вод, содержащих фитопланктон ьюхет осуществляться »опорной фяотавдей с последующим фильтрованием на скорых фильтрах;

2. Предложена технология, разработана и исследована конструкция и оиределеан параметры работы нового комбинированного водоочистного аппарата - фяояофильтра для обработки цветных, маломутных вод, содержащих водоросли;

3. Выявлены и исследованы основные факторы, влияющие на процесо извлечения из воды годорослей напорной флотацией: продолжительность флотации, расход диспергированной воды и воздуха, давление насыщения, доза коагулянта, содержание водорослей з и<>-ходной воде. ,

4. Получена математическая модель ч уравнения регрессии, описывающие процесс напорной флотации при извлечении ьодорослей из воды;

6. Определены параметры устройства и эксплуатации скорого фильтра с керамзитовой фильтрующей загрузкой;

6. Разработана методика расчета и проектирования фдотофг.льт-

Ра>

7. Для существующих в дели не р.Нил водопроводных очистншс сооружений рекомендуется предочистка воды на мкфоФильтрах, а для нового строительства - флотофилутрн;