автореферат диссертации по строительству, 05.23.04, диссертация на тему:Повышение эффективности процессов аэрации в водных технологиях пневматическими аэраторами из Артикского туфа

На правах рукописи

ПЕТРОСЯН ГАРЕГИН ГАГИКОВИЧ

ПОВЫШЕНИЕ ЭФФЕКТИВНОСТИ ПРОЦЕССОВ АЭРАЦИИ В ВОДНЫХ ТЕХНОЛОГИЯХ ПНЕВМАТИЧЕСКИМИ АЭРАТОРАМИ ИЗ

АРТИКСКОГО ТУФА (на примере Республики Армения)

05.23.04 Водоснабжение, канализация, строительные системы охраны водных

ресурсов

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

005547347

17 ДПР 2014

Волгоград-2014

005547347

Работа выполнена в федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Ростовский государственный строительный университет»

Научный руководитель:

доктор технических наук, профессор Серпокрылов Николай Сергеевич

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор

кандидат технических наук, доцент

Стрелков Александр Кузьмич ФГБОУ ВПО «Самарский государственный архитектурно-строительный университет», заведующий кафедрой «Водоснабжение и водоотведение»

Доскина Эльвира Павловна

ФГБОУ ВПО «Волгоградский государственный архитектурно-строительный университет», профессор кафедры «Водоснабжение и водоотведение»

Ведущая организация: ФГБОУ ВПО «Южно-Российский

государственный политехнический университет (НПИ) имени М.И. Платова»

Защита состоится 19 мая 2014г. в 10-00 часов на заседании диссертационного совета ДМ212.026.05 при ФГБОУ ВПО «Волгоградский государственный архитектурно-строительный университет» по адресу: 400074, г. Волгоград, ул. Академическая, 1 (корп. Б, ауд. 203).

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ФГБОУ ВПО «Волгоградский государственный архитектурно-строительный университет».

Автореферат разослан «2» апреля 2014г.

Ученый секретарь

диссертационного совета Юрьев Юрий Юрьевич

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ Актуальность проблемы. В настоящее время лишь 20% городов и сельских населенных пунктов Республики Армения канализованы, однако из

19 имеющихся в стране очистных станций ни одна не работает. Это следствие Спитакского землетрясения в 1988г., а также энергетического кризиса в начале 90-х годов прошлого столетия. В силу отсутствия более

20 лет системы мониторинга в стране данные об уровне загрязненности вод поверхностных водоемов Армении весьма относительны, но общепризнанно, что основной причиной их загрязнения являются неочищенные или недостаточно очищенные сточные воды. Состояние водных объектов Республики не усугубляется только вследствие возникшего в постсоветский период кризиса промышленной и сельскохозяйственной экономики, а также значительного сокращения объемов потребления воды на хозяйственно-бытовые нужды.

Республики Армения обладает богатыми месторождениями туфа: здесь сосредоточено 85% запасов бывшего СССР, среди которых значительную долю составляет туф Артикского месторождения. В последние 10-15 лет благодаря водостойкости и пористости туфы начали использовать в очистке природных вод (бытовые фильтры на базе фильтровальных элементов из туфа). Известен также положительный опыт применения данных фильтров в пищевой промышленности, в производстве алкогольных и безалкогольных напитков и т. д. Имеется также перспектива расширения ареала использования физических и химических свойств туфа в водоочистных технологиях: в оборотных циклах промышленных предприятий, в практике разделения иловой смеси в аэротенках взамен вторичных отстойников и/или мембранных фильтров и т. п.

Исходя из физико-химических характеристик, можно постулировать использование туфа в качестве аэраторов в водоочистных технологиях, однако на данный момент отсутствуют какие-либо исследования в этой области.

Изложенное определяет актуальность работы и требует проведения как теоретических, так и экспериментальных исследований.

Цель работы. Обоснование, разработка и внедрение нового типа аэраторов из армянского туфа Артикского месторождения для аэрационных систем в водоочистных технологиях.

Для достижения поставленной цели потребовалось решение ряда взаимосвязанных задач:

- определение классификационных признаков и массообменных характеристик армянского туфа Артикского типа в различных условиях эксплуатации (для водопроводной воды и сточных вод);

- сравнительный анализ и ранжирование массообменных характеристик аэраторов из туфа и известных аэраторов;

- приведение массообменных показателей армянского туфа Артикского типа к условиям высокогорья, свойственным для Республики Армения;

- исследование массообменных характеристик аэраторов из туфа в течение 12 месяцев в аэротенке;

- разработка конструктивных решений аэрационной системы с аэраторами из туфа;

- технико-экономическая оценка аэрационных систем на базе армянского туфа Артикского типа.

Основная идея работы состоит в получении массообменных параметров для нового в водоочистной практике аэратора из армянского туфа Артикского типа с целью его внедрения на очистных сооружениях Республики Армения, а также стран СНГ, и сравнении при этом его экономических показателей с используемыми в практике типами аэраторов.

Методы исследований включали аналитическое обобщение известных научных и технических результатов, моделирование изучаемых процессов на испытательных установках, оснащенных контрольно-измерительными приборами; оптические, физико-химические и биохимические методы анализа сточных вод и водопроводной воды лабораторных, полупроизводственных и производственных установок. Обработку экспериментальных данных вели методами математической статистики и корреляционного анализа.

Достоверность обоснована применением классических положений теоретического анализа, моделированием изучаемых процессов, планированием необходимого объема экспериментов; подтверждена удовлетворяющей сходимостью полученных результатов экспериментальных исследований, выполненных в опытно-промышленных и промышленных условиях с расчетными зависимостями в пределах максимальной погрешности Д=±10 % при доверительной вероятности 0,95.

Научная новизна работы:

- впервые установлены массообменные показатели мелкопузырчатых аэраторов из армянского туфа Артикского типа;

- по методике ранжирования получена сравнительная оценка аэраторов из туфа с существующими типами аэрационных систем;

- на базе экспериментальных данных для аэраторов из армянского туфа Артикского типа, определенных в России, получены коэффициенты приведения их массообменных характеристик к условиям высокогорья Республики Армения;

- впервые получены параметры кинетических характеристик процесса биологической очистки сточных вод с аэраторами из армянского туфа Артикского типа.

Практическое значение полученных результатов:

- лабораторные и производственные экспериментальные данные характеризуют высокую массообменную способность аэраторов из туфа Артикского типа, которые рекомендуются для использования в водных технологиях;

- даны рекомендации по учету влияния высотного расположения очистных сооружений на массообменные показатели аэрационных систем аэраторов из армянского туфа при их эксплуатации в Республики Армения;

- разработаны и внедрены конструктивные решения аэраторов из туфа в практику химической очистки сточных вод в двух городах Армении;

- обоснована технико-экономическая целесообразность расширенного

внедрения аэраторов из армянского туфа Артикского типа в практику водоочистных технологий.

Реализация результатов работы:

- рекомендации о внедрении диссертационной работы использованы в пилотных и опытно-промыщленных установках на очистных сооружениях г. Ереван, г. Дилижан, ЗАО "Ереван Джур" в Республики Армения и в проектах ООО "Акватрат" в РФ г. Ростов-на-Дону;

- внедрены в учебном процессе ФГБОУ ВПО «Ростовский государственный строительный университет» (каф. «Водоснабжение и водоотведение») при подготовке бакалавров, магистров и инженеров по специальности 270112 «Водоснабжение и водоотведение».

Связь работы с научными программами, планами, темами: работа выполнялась по направлению министерства образования и науки Российской Федерации № 05-10823, в соответствии с тематическими планами кафедры «Водоснабжение и водоотведение» РГСУ в рамках государственной программы «Архитектура и строительство» по госбюджетной теме № 01.9.40001739 «Совершенствование процессов очистки природных и сточных вод южного региона страны с учетом экологических требований».

На защиту выносятся следующие основные положения:

- теоретическое обоснование и результаты экспериментальных исследований, характеризующие высокую массообменную способность аэраторов из армянского туфа Артикского типа и позволяющие рекомендовать их для использования на очистных сооружениях;

- результаты определения массообменных характеристик армянского туфа Артикского типа в различных условиях эксплуатации (для водопроводной воды и сточных вод);

- сравнительный анализ и ранжирование массообменных характеристик аэраторов из туфа и известных аэраторов;

- учет изменения массообменных показателей аэраторов из армянского туфа применительно к условиям высокогорья Республики Армения;

- результаты исследования массообменных характеристик аэраторов из туфа в течение 12 месяцев в аэротенке;

- конструктивные решения аэрационной системы с аэраторами из туфа;

- технико—экономическая оценка аэрационных систем на базе армянского туфа Артикского типа.

Апробация работы. Основные положения и результаты работы доложены и обсуждены на: Международных научно-практических конференциях института инженерно-экологических систем РГСУ (Ростов-на-Дону, 20122013гг.), Международной научной конференции «Молодые исследователи» (Вологда, 2013г.), Международной научной конференции «Совершенствование систем водоснабжения и водоотведения по очистке природных и сточных вод» (Самара, 2013г.)

Публикации. По результатам работы опубликованы в 11 печатных работ, в том числе 4 - в изданиях, рекомендованных ВАК РФ, 1 - патенте РФ. Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, пяти глав и выводов. Работа изложена на 139 страницах печатного текста, включает в себя 35 рисунков, 32 таблицы и 7 приложений. Список литературы представлен 133 источниками.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснованы актуальность темы, сформулированы цель и задачи исследований, приведены положения научной новизны и практической значимости полученных результатов. Представлены основные положения, выносимые на защиту.

В первой главе диссертации отмечено, что около 50% территории Республики Армения являются высокогорными и расположены на высоте более 2000 метров, что влияет на концентрацию кислорода в атмосфере, а это, в свою очередь, требует учета в определении и расчетах массообменных характеристик кислорода в процессах аэрации.

В силу природных, политических и экономических аспектов в настоящее время ни одна из 19 имеющихся в Республики Армения очистных станций не работает. На реконструкцию или строительство очистных сооружений требуются неподъемные для страны экономические затраты, и выход из кризиса в системе водного хозяйства должен быть поэтапный с разработкой и последовательных внедрением различных методов очистки вод (механических, физико-химических, биологических).

В связи с этим возникает необходимость рассмотреть свойства армянского туфа Артикского типа, как перспективного материала для применения в качестве аэрационных систем, а также сравнения с существующими аэраторы «REHAU Raubioxon Fortex», «Бакор».

Возможность использования туфов в качестве аэраторов обосновывается анализом природной пористости туфов различных месторождений Армении, составляющей 38 - 52%.

Во второй главе диссертации рассмотрены теоретические основы влияния технологических и конструктивных факторов на процесс аэрации. Для пористых аэраторов из природных материалов, рассматриваемых впервые, внесено дополнение в существующую классификацию пневматических аэраторов.

Проанализированы математические зависимости, описывающие массообменные критерии для аэраторов: отечественные (объемный коэффициент массопередачи kv, к. п. д., окислительная способность ОС, эффективность Э) и зарубежные (SOTE, а, F-факторы). Установлено, что зависимости не учитывают влияния высотных отметок расположения объекта аэрации и, соответственно, содержания кислорода в атмосфере, что является важным для условий высокогорной Армении, и требуют корректировки. Для этого, в зависимости от высоты местности над уровнем моря, вводятся поправочные коэффициенты: растворимости кислорода в воде (при 19°С) Со2= -0.00093 Нум + 9.18167, мг/л, (R2 = 0.995), (1)

и приведения растворимости кислорода для значений окислительной мощности, определенных на высоте до 100м

КПр = 0.00015 Нум + 0.97917, (И2 = 0.993). (2)

Рассмотрены принципы кинетики химических реакций, происходящих в

ферментативной среде активного ила. В частности, получено уравнение

Лайнуивера-Берка, исходя из которого, данные полученные в ходе

лабораторных опытов, могут быть применены при расчете и конструировании

аэрационных систем из туфа.

В третьей главе приведены описания методик и установок для

проведения экспериментальных исследований. Массообменные характеристики

аэрационного процесса определяли по методике переменного дефицита

кислорода в лабораторных условиях (рисунок 1) на водопроводной и сточной

воде с использованием аэраторов из туфа различной конструктивной формы и

при изменении расходов воздуха (рисунки 2, 3).

Рисунок 1 - Технологическая схема экспериментальной установки: 1 - воздуходувка; 2 - газовый счетчик; 3 - аэратор из армянского туфа; 4 - стеклянный резервуар 1500x500x500 (И) мм; 5 - кислородомер; 6-7 -вентиль; 8 - распределительный трубопровод

Подача воздуха осуществлялась воздуходувкой с характеристиками: С>возд. макс=130л/мин, давлением Р=19,6кПа и мощностью Ы=160Вт.

а — «дисковый» (с!=0,16м) с одним штуцером подвода воздуха

б — «высокий» — прямоугольный (0,18x0,15x0,035м) с тремя штуцерами

О,

о.

в — «низкий» — прямоугольный (0,18x0,15x0,030м) с одним штуцером

г — «ереванский» — прямоугольный (0,40x0,30x0,024м) с одним штуцером

Рисунок 2 - Схемы аэраторов из армянского туфа Артикского типа различной конструктивной формы

Исследования на реальной сточной воде проводились на пилотной установке на очистных сооружениях производительностью С>=17000м3/сут в г. Дилижан и в г. Ереван (Республика Армения). На сегодняшний день из всех ступеней очистки на ОС работает лишь механическая очистка.

Рисунок 3 - Экспериментальные аэраторы из армянского туфа Артикского типа В лабораторных условиях использовали аэраторы с 1 - 3 штуцерами подвода воздуха (рисунок 2, а,б,в), в опытно-промышленных с 1 штуцером (рисунок 2,г), что позволяло получать картину и тип выделения пузырьков (рисунок 3), а также экспериментально определять потери напора. Промышленный аэратор устанавливался в проточной емкости У=1м3 со сточной жидкостью после песколовки. Эксперимент проводился непрерывно в течение 5 суток с ежедневным отбором круглосуточной пробы. Подача воздуха в аэратор осуществлялась с помощью воздушного компрессора ЯНГМОЕ 800В9233 (2=118л/мин через штуцер, расположенный по центру плиты туфа.

Для оценки поведения массообменных характеристик, выбора точки установки и проверки конструктивных решений в реальных условиях очистки сточных вод на очистных сооружениях г. Ростова н/Д были установлены аэраторы из туфа в первом и втором каналах, в регенераторе и в канале возвратного ила аэротенка. Каждые 2 - 3 месяца аэраторы извлекали из сооружений и по методике переменного дефицита кислорода определяли их массообменные показатели в течение 12 месяцев эксплуатации.

В четвертой главе приведены и обсуждены результаты экспериментального определения технологических параметров аэрационного процесса в лабораторных и производственных условиях: объемный коэффициент массопередачи, окислительная способность, эффективность аэрации, КПД аэраторов из армянского туфа Артикского типа (таблица 1).

Таблица 1 - Массообменные характеристики керамических аэраторов из

армянского туфа Артикского месторождения

Аэратор Расход, л/мин Параметрические показатели аэраторов при расходах воздуха м3/ч и высоте слоя волы 0.45м

куг, ч" КПД, % окислительная способность, кг/ч-м3 эффективное ть аэрации, кг02/(кВт-ч)

"Низкий" 30 2,6 2,6 1,08 2,03

"Высокий" 15 2,06 16,0 0,28 0,52

"Дисковый" 15 1,78 12,1 0,17 0,32

Исследования потерь напора при аэрации по разности сил (подъемной выходящего из аэратора воздуха и тяжести оседающего образца известных массы и площади) показали, что величина их составляет 0.04 - 0.05м.

Массообменный процесс для аэраторов оценен через SOTE, интенсивность аэрации Ja и a-фактор. Данные показатели позволяют оценить эффективность аэрации как для водопроводной воды, так и для иловой смеси, а также сравнить удельные показатели потребности в кислороде для разных аэраторов (таблица 2). Следует отметить, что показатели получены на высотной отметке около 60м над уровнем моря. Полученное массообменные характеристики с учетом высотных поправочных коэффициентов

рекомендуются к использованию в практике проектирования и эксплуатации, а также при сравнительном выборе систем аэрации.

Таблица 2 - Массообменные показатели исследуемых аэраторов в водопроводной воде по международным критериям оценки

Аэратор SOTE Ja, м 3/(м 2-ч) а-ф актор

"Низкий" (S=0,027m2) 0,22 125,51 0,460

"Высокий" (S=0,027M2) 0,11 50,0 0,328

"Дисковый" (S=0,02m2) 0,09 51,92 0,379

Rehau L=0,75m (S=0,15m2) 0,01 20-60 0,486

Бакор, 750 (S=0,14mz) 0,028 7-132 0,273

Исходя из результатов исследовании физико-химических и прочностных свойств установлено, что по химической стойкости аэраторы из туфа могут применяться для обработки вод в слабокислых и нейтральных условиях. Механическая прочность материала туфа, составляет, %: измельчаемость - 3.2; истираемость - 0.3, что соответствует нормативным требованиям по прочности материалов для водных операций.

Сравнивая время насыщения обескислороженной воды (рисунок 4) при расходе воздуха 2,7м3/ч до концентрации кислорода 8мг/л разными типами аэраторов, можно видеть, что показатели процесса из туфа находятся на уровне лучших.

Рисунок 4 - Зависимость времени насыщения обескислороженной воды при расходе воздуха 2,7м3/ч до концентрации кислорода 8мг/л

А по отсутствию поступления жидкости вовнутрь аэратора при отключении подачи воздуха в систему аэрации вместе с аэраторами Рехау являются лучшими (таблица 3).

Таблица 3 - Время насыщения кислородом (с) и поступления воды вовнутрь аэратора при расходе воздуха 2,7м3/ч

Аэратор Время, с Поступление жидкости в систему аэрации

1 .Перфорированная труба 1192 +

2.Сетчатый 898 +

3. Тканевый 1740 +

4. «Экополимер» 760 +

5. ЯАиВЮХОП 314 -

6. Уос1ш епе^е 670 +

7. РОЮТЮЗ - АйБ 780 +

8. Туф (Артикский) 470 -

распределения воздуха с аэраторами из туфа не устраивать водовыпускных стояков, что увеличивает надежность и упрощает условия эксплуатации аэрационных сооружений.

В лабораторных условиях с целью получения расчетных параметров биологической очистки сточных вод с аэраторами из армянского туфа определены удельные нагрузки на активный ил (таблица 4). В качестве органического питания использовался этилацетат (СН3СООС2Н5), имеющий соотношение БПК/ХПК (1,5/1,88) - 0.8, тогда как для метанола БПК/ХПК = 0,98/1,5 = 0,653. Биогенное питание вводили в виде диаммонийфосфата, исходя из соотношения БПКп:М:Р=100:5:1. Контролируемые параметры: концентрации органических веществ (по ХПК и БПК), растворенного кислорода, окислительно — восстановительный потенциал (ОВП).

Таблица 4 - Удельные скорости окисления органических загрязнений в аэротенке с аэраторами из туфов

Нагрузка, г БПК/ м х сут ХПК (мг/г б.в.* ч) БПК (мг/г б.в.* ч)

250-300 7,02 5,62

350-500 16,4 13,1

600 - 750 32,74 26,19

800 - 1000 79,53 63,62

Исследованы два режима аэрации, моделирующие очистку сточных вод в непрерывном круглосуточном режиме аэрации (по типу классического аэротенка) и в прерывистом режиме (по типу БЕЯ-реактора).

Установлена возможность применения данных аэраторов, как в классическом, так и в режиме работы ЗВЯ—реактора (рисунок 5): уровень ОВП в режиме непрерывной и прерывистой аэрации колеблется в пределах с Ях=200—ЗООтУ, что свидетельствует о стабильной окислительной способности биомассы.

Выкл. режим

Выкл. режим

Выкл. режим ^^п р

Тип режима аэрации

О Выкл. режим ЕЭ Вкл. режим П Выкл. режим О Вкл. режим в Выкл. режим □ Вкл. режим

Рисунок 5 - Время потребления и растворения кислорода в режиме прерывистой аэрации

Экспериментальные зависимости, аппроксимирующие процесс растворения и потребления кислорода (рисунок 6 я, б) в режиме непрерывной и прерывистой аэрации, рекомендуются к проектированию, мг/лхмин х г б. в: скорость потребления: V = - 0,63 т + 8,04, (Я2 = 0,997), (3)

скорость растворения: V = 0,76 т - 0,033, (Л2 = 0,996). (4)

а б

Рисунок 6, а, б - Потребление без аэрации (а) и растворение (б) кислорода активным илом в биореакторе с аэратором из туфа

В опытно-промышленных условиях на сточных водах Ереванской станции аэрации были проведены пилотные испытания, выборочные результаты свидетельствуют о довольно высокой эффективности работы аэраторов (таблица 5) в режиме аэрационной очистки сточных вод.

Таблица 5 - Показатели состава сточных вод до и после аэрации на ОСК г. Еревана

№ п/ п Показатели До аэрации После аэрации

Дер 13.09.2012г. 14.09.2012г. 15.09.2012г. 16.09.2012г. 17.09.2012г.

1 ХПК (иг/дм1) 702,0 160,0 240,0 200,0 160,0 120,0 80,0

2 БПК5 (мг/дм3) 284,0 58,88 96,0 56,0 54,4 48,0 40,0

3 Прозрачность (см) 0,4 4,66 1,6 4,8 5,0 5,8 6,1

4 Взвешенные вещества (мг/дм3) (100мл) 317,0 59,4 92,0 73,0 54,0 41,0 37,0

5 Сухой остаток (мг/дм3) (50мл) 680,0 464,6 514,0 486,0 463,0 438,0 422,0

6 Прокаленной остаток (мг/дм3) 423,0 332,0 354,0 340,0 332,0 324,0 310,0

7 1ШН4* (мг/дм3) 8,0 5,38 8,0 8,0 4,0 3,65 3,24

8 Ж)2' (мг/дм3) 0,2 0,106 0,15 0,08 0,09 0,10 0,11

9 N0,- (мг/дм3) 4,1 1,94 2,0 2,4 1,9 1,9 1,5

10 Н28 (мг/дм3) 1,58 0,12 0,14 0,13 0,11 0,10 0,10

11 02 (мг/дм3) 2,7 5,12 4,1 5,0 5,1 5,5 5,9

В частности, показатели по ХПК сократились в среднем в 4 раза, по БПК и взвешенным веществам — почти в 5 раз, по нитритам и нитратам - в 2 раза.

Аналогичные данные получены при опытно-промышленных исследованиях очистки сточных вод до и после аэрации на ОСК (отметка 1345м над у. м.) г. Дилижан, Р. Армения, в 2013г., (рисунок 7, а, б). Полученные результаты свидетельствуют о существенном снижении концентраций по основным показателям загрязнений сточных вод и указывают на целесообразность применения аэраторов из туфа в практике очистки вод аэрацией.

Рисунок7, а, б - Концентрации по основным показателям загрязнений сточных вод до и после аэрации, (ОСК г. Дилижан, Р. Армения)

На данный способ очистки сточных вод аэрацией подана заявка на патент РФ № 2012150898/05. Кроме того, установлено, что количество кислорода, необходимое для окисления загрязнений, возросло по отношению к расчетному по массообменным характеристикам в 1,2 - 1,3 раза, что можно объяснить меньшим содержанием кислорода в воздухе ввиду высотных отметок расположения сооружений.

Анализ данных эксплуатации аэраторов из туфа в разных технологических точках ОСК показал разрушение материала аэраторов в точках крепления штуцеров центрального и бокового подвода воздуха в процессе эксплуатации. Поэтому предложено конструктивное решение (подана заявка на патент на

полезную модель РФ № 2013145997/05) аэратора из армянского туфа Артикского типа для непосредственного использования в сооружениях биологической очистки (рисунок 8).

Рисунок 8 - Конструктивная схема аэратора из армянского туфа Артикского типа:

I - корпус; 2 - трубопровод подвода воздуха; 3 - аэратор керамический из туфа; 4 - кронштейн; 5 - уплотнительная прокладка; 6 - сквозное отверстие в аэраторе; 7 - втулка с резьбой; 8 - опора; 9 - шпилька; 10 - опорное кольцо;

II - прокладка; 12 - гайка; 13 - ребро жесткости

Анализ массообменных показателей в течение 12 месяцев эксплуатации опытных аэраторов из туфа на Ростовской станции аэрации показал отсутствие кольматации пор и сохранения первоначальных характеристик (отклонения +/-10%). Также установлено, что в случае извлечения аэраторов из аэрируемых жидкостей, их надо хранить в «мокрых» условиях.

По результатам сравнительной оценки технологического ранга аэраторов (Смоляниченко, 2010г.) из туфа среди 8 современных типов установлено, что он имеет 3 место после аэраторов "Водные энергии" и "Рехау", как по балльной шкале, так и эквипроцентированию.

В пятой главе произведен расчет аэрационной системы с аэраторами из армянского туфа Артикского типа при реконструкции очистных сооружений в г. Дилижан О=17000м3/сут (Р. Армения). Согласно расчетам при исходных данных (по опросному листу): 1. Размеры коридора аэротенка ЬхВхНраб = 20x6x4, м; 2. Количество коридоров Ыкор=3; 3. Количество секций )Мсек11ИЙ=2; 4. БПК5 на входе 244мг/л; 5. БПКп на входе 244*1,43=348,92мг/л; 6. Сын4=8,5мг/л, для проведения процесса нитрификации в аэротенке потребуется 177 аэраторов, по 15 аэраторов в каждый коридор. Раскладка

аэраторов осуществляется равномерно по площади дна сооружения, в 2 ряда по 8шт.

При стоимости аэраторов из туфа 400 рублей за единицу, суммарная стоимость замены аэрационных элементов составит 885000 драммов (70800 рублей).

Для сравнения для очистных сооружений г. Дилижан рассчитан проект реконструкции аэротенков с применением керамических аэраторов «Бакор». При стоимости аэраторов «Бакор» 1100 рублей за единицу продукции, суммарная стоимость замены аэрационных элементов составит 1223750 драммов (97900 рублей). Тогда экономия от применения аэраторов из туфа составит 338750 драммов (27100 рублей) (в ценах 2013г.).

Затраты на электроэнергию для аэраторов из армянского туфа Артикского типа и для аэраторов «Бакор» в сутки составили 57,41x38=2181,58 драммов (174,53 рублей), за месяц - 67628,98 драммов (5410,32 рублей), за год соответственно - 811547,76 драммов (64923,82 рублей).

Таким образом, по технико-экономическим показателям аэраторы из туфа являются перспективными и конкурентными для использования в системах аэрации в водных технологиях.

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ

1. В существующую классификацию пневматических аэраторов внесен дополнительный пункт — пористые керамические аэраторы из природных туфов.

2. Впервые получены параметрические характеристики аэраторов из туфа Артикского типа по отечественным и зарубежным критериям процесса массопереноса кислорода. На основе ранжирования обоснованы технико-экономические преимущества их внедрения на очистных сооружениях Республики Армения.

3. Показана возможность использования аэраторов из армянского туфа Артикского типа в режимах классической аэрации и реакторов СБР.

4. По механической прочности и химической стойкости туф соответствует требованиям ГОСТ Р51641 - 2000 к материалам для водных операций. Потери напора при аэрации составляют 0.1м вод. столба, а аэрируемая жидкость не поступает вовнутрь аэратора. Опыт эксплуатации в течение 12 месяцев аэраторов из туфа показал отсутствие кольматации пор и сохранения первоначальных характеристик (отклонения +/- 10%). Выявлено отсутствие поступления жидкости вовнутрь аэратора из туфа.

5. Определены кинетические нагрузки и предложены расчетные зависимости аэрационных систем из туфа Артикского типа в аэротенках.

6. Обосновано введение понижающего коэффициента к массообменным параметрам аэраторов из туфа в зависимости от высотных отметок расположения системы аэрации.

7. Разработаны процесс очистки сточных вод с аэраторами из туфа Артикского типа и его конструктивное оформление, внедренные в проектную и производственную практику, имеющие технический приоритет и технико-экономическую эффективность.

Основное содержание работы отражено в следующих публикациях:

Публикации в ведущих рецензируемых научно-технических журналах и изданиях

1. Петросян, Г. Г. Исследование технологических параметров процесса очистки вод с аэраторами из туфа [Электронный ресурс] / Н. С. Серпокрылов, А. С. Смоляниченко, Г. Г. Петросян // Инженерный Вестник Дона. —2013 . — Вып. № 2. - Режим доступа: http://www.ivdon.ru/magazme/archive/n2y2013/1699

2. Петросян, Г. Г. Оценка массообменных характеристик аэраторов из туфа Артикского месторождения Армении [Электронный ресурс] / Н. С. Серпокрылов, А. С. Смоляниченко, Г. Г. Петросян // Науковедение. - 2013.-Вып. № 3 (16). - Режим доступа: http://naukovedenie.ru/PDF/42trgsu313.pdf

3. Петросян, Г. Г. Анализ эффективности керамических аэраторов при очистке сточных вод на базе туфов Армении. [Электронный ресурс] / Н. С. Серпокрылов, А. С. Смоляниченко, Г. Г. Петросян // Науковедение. - 2013. -Вып. № 5 (18). - Режим доступа: http://naukovedenie.ru/PDF/03trgsu513.pdf

4. Петросян, Г. Г. Сравнительная оценка массообменных характеристик аэраторов из армянского туфа на очистных сооружениях в республике Армения [Текст] / Н. С. Серпокрылов, А. С. Смоляниченко, Г. Г. Петросян // Научное обозрение. -2013. -№ 12. - С. 116-120

Патент РФ на изобретение

5. Петросян, Г. Г. Заявка на изобретение RU № 2012150898/05 от 27.11.2012г. «Способ аэрации воды», решение о выдаче патента 09.01.2014г. / Н. С. Серпокрылов, Г. Г. Петросян

Отраслевые издания и материалы конференций

6. Петросян, Г. Г. Фильтрующие элементы для очистки вод на базе туфов Армении [Текст] / Г. Г. Петросян // Строительство-2012: материалы междунар. науч. - практич. конф. - Ростов н/Д.: РГСУ, 2012. - С. 89-91

7. Петросян, Г. Г. Аэраторы из туфа - состояние и перспективы применения в водных технологиях [Текст] / Г. Г. Петросян, А. С. Смоляниченко // Строительство - 2013: материалы междунар. науч. - практич. конф. -Ростов н/Д.: РГСУ, 2013. - С. 82-84

8. Петросян, Г. Г. Сравнительная оценка технологических и экономических показателей природных и искусственных аэраторов [Текст] / Г. Г. Петросян, А. С. Смоляниченко // Строительство-2013: материалы междунар. науч. - практич. конф. - Ростов н/Д.: РГСУ, 2013. - С. 84-86

9. Петросян, Г. Г. Методика бесконтактного определения незаконных хозбытовых подключений к сетям дождевой канализации [Текст] / Н. С. Серпокрылов, Т. М. Мкртчян, Г. Г. Петросян // Строительство-2013: материалы междунар. науч. - практич. конф. - Ростов н/Д.: РГСУ, 2013. - С. 87-89

10. Петросян, Г. Г. Керамические аэраторы на базе туфов Армении [Текст] / Г. Г. Петросян, А. С. Смоляниченко // Международная научная конференция «Молодые исследователи» - регионам / Вологодский государственный технический университет. - 2013. - С. 346-347

11. Петросян, Г. Г. Эффективность керамических аэраторов из Артикского туфа при очистке сточных вод [Текст] / Г. Г.Петросян // «Вестник СГАСУ. Градостроительство и архитектура»: материалы междунар. науч. - практич. конф. - Самара. - 2013. - Вып. 4. - С. 63-64

ПЕТРОСЯН ГА РЕГИН ГАГИКОВИЧ

ПОВЫШЕНИЕ ЭФФЕКТИВНОСТИ ПРОЦЕССОВ АЭРАЦИИ В ВОДНЫХ ТЕХНОЛОГИЯХ ПНЕВМАТИЧЕСКИМИ АЭРАТОРАМИ ИЗ

АРТИКСКОГО ТУФА (на примере Республики Армения)

05.23.04 Водоснабжение, канализация, строительные системы охраны водных ресурсов

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Подписано в печать 17.03.2014г. Тираж 100 экз. Уч. -изд.л. 1,0 Формат 60x84 1/16. Заказ № 42/14 Бумага писчая. Ризограф. Редакциоино-издательский центр Ростовского государственного строительного университета 344022, г. Ростов-на-Дону, ул. Социалистическая, 162

ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ БЮДЖЕТНОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ

УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ «РОСТОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ СТРОИТЕЛЬНЫЙ УНИВЕРСИТЕТ»

На правах рукописи

04201457335

ПЕТРОСЯН ГАРЕГИН ГАГИКОВИЧ

ПОВЫШЕНИЕ ЭФФЕКТИВНОСТИ ПРОЦЕССОВ АЭРАЦИИ В ВОДНЫХ ТЕХНОЛОГИЯХ ПНЕВМАТИЧЕСКИМИ АЭРАТОРАМИ ИЗ

АРТИКСКОГО ТУФА (на примере Республики Армения)

05.23.04 Водоснабжение, канализация, строительные системы охраны водных

ресурсов

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель:

доктор технических наук, профессор

Серпокрылов Николай Сергеевич

Волгоград-2014

Содержание

Введение..............................................................................................................................................................5

1. Анализ существующих систем водоотведения и очистки сточных вод в Республики Армения......................................................................................................12

1.1. Анализ экологической ситуации, влияющей на состояние рек Кура и Араке..............................................................................................................................................................13

1.2. Оценка и анализ состояния и перспектив развития систем водоотведения Республики Армения......................................................................................18

1.2.1. Системы водоотведения хозяйственно-бытовых сточных вод населенных пунктов................................................................................................................................18

1.2.2. Система дождевой канализации....................................................................................21

1.2.3. Очистка хозяйственно-бытовых сточных вод..................................................21

1.2.4. Перспективы развития и реновации систем водоотведения Республики Армения................................................................................................................................22

1.3. Физико-химические свойства туфов Артикского типа..........................................................................................................................................................................29

1.4. Понятие пористости и основные методы ее определения......................................................................................................................................................36

1.5. Техническая характеристика мелкопузырчатых мембранных

аэраторов............................................................................................................................................................38

1.5.1. Мелкопузырчатые мембранные аэраторы (FORTEX, REHAU Raubioxon)........................................................................................................................................................38

1.5.2. Керамические проницаемые аэраторы «Бакор»..........................................39

1.6. Применение армянского туфа Артикского типа в природоохранных

технологиях..................................................................................................43

Выводы по первой главе и уточнение задач исследований..................................................................................................................................................45

2. Теоретические основы факторов, имеющих влияние на процесс аэрации..............................................................................................................................................................47

2.1. Пневматическая система аэрации в очистке сточной жидкости............................................................................... 47

2.2. Критерии оценки массообменных процессов (kv, ОС, Е, SOTE, a, F-факторы)............................................................................................................................................50

2.3. Кинетические процессы, протекающие в ферментативной среде активного ила................................................................................................................................................57

2.4. Теоретическое обоснование влияния географического положения

местности на свойства жидкости..................................................................................................63

Выводы по второй главе..................................................................................................................69

3. Материалы и методы исследований эффективности аэрационного процесса......................................................................................................................................................71

3.1. Методика переменного дефицита кислорода......................................................71

3.2. Описание схемы установки при исследовании массообменных характеристик аэраторов из армянского туфа Артикского типа на водопроводной воде на глубине 0,435м..............................................................................73

3.2.1 Методика определения физико-химических и механических характеристик аэраторов из туфа................................................................................................77

3.2.2 Методика определения потерь напора в аэраторах из туфа..................^

3.3 Методика проведения исследований массообменных характеристик аэраторов из армянского туфа на очистных сооружениях Республики Армения............................................................................................80

3.4 Методика проведения исследований массообменных характеристик аэраторов из армянского туфа на Ростовской станции

аэрации..................................................................................................................................................................83

Выводы по третьей главе....................................................................................................................83

4. Определение технологических параметров аэраторов из туфов .... 85 4.1. Определение коэффициента массопередачи кислорода для аэратора армянского туфа Артикского типа на водопроводной воде на

глубине 0,435м..........................................................................................................................................85

4.2 Проведение сравнительной оценки существующих пневматических аэраторов и аэраторов из армянского туфа..........................................................................................................................................................................90

4.3 Опытно-промышленные исследования применения аэраторов из

туфов....................................................................................................................................................................94

4.3.1 Очистка сточных вод аэрацией после механической очистки............94

4.3.2 Биологическая очистка сточных вод..........................................................................99

4.3.3 Конструктивные решения аэраторов и туфов........................... 103

Выводы по четвертой главе............................................................................................................104

5. Технико-экономическая оценка эффективности применения аэраторов

из туфов при очистке сточных вод..............................................................106

5.1 Экономическая эффективность применения аэраторов из туфа после

механической очистки сточных вод........................................................................106

5.1.1 Расчет аэрационной системы под аэраторы из армянского туфа Артикского типа при реконструкции очистных сооружений в г. Дилижан

(Р. Армения)..........................................................................................................................^^

Выводы по пятой главе............................................................. 111

Общие выводы........................................................................ 112

Литература............................................................................ 113

Приложение 1 ........................................................................ 130

Приложение 2........................................................................ 133

Приложение 3........................................................................

Приложение 4........................................................................ 135

Приложение 5........................................................................ ^^

Приложение 6........................................................................ 137

Приложение 7........................................................................ .

Введение

Основной причиной загрязнения водных объектов в Республики Армения являются неочищенные или недостаточно очищенные сточные воды. Еще в советские годы уровень загрязненности рек Армении был весьма высок, что привело к ухудшению качества вод. В силу отсутствия более 20 лет системы мониторинга данные об уровне загрязненности поверхностных вод Армении весьма поверхностны. Состояние водных объектов не усугубляется только вследствие возникшего в постсоветский период кризиса промышленной и сельскохозяйственной экономики, а также значительному сокращению объемов воды, необходимых для орошения сельскохозяйственных угодий.

Однако вместе с упадком промышленности произошла реструктуризация сектора водного хозяйства, в результате чего из 19 имеющихся в стране очистных станций полноценно ни одна не работает. Это произошло, частично, в результате Спитакского землетрясения в 1988г., а также энергетического кризиса в начале 90-х годов прошлого столетия. Согласно технико-экономическим расчетам, возможно восстановить только 67 очистных станций из 19. И как следствие, в настоящее время канализованы лишь 20% городов и сельских населенных пунктов Армении.

Так как на сегодняшний день Республики Армения не оказывает бюджетного софинансирования коммунального водоснабжения и канализации, т.е. данный сектор находится на самофинансировании, а фактически значительная часть на субсидировании западных компаний (Франция, Германия, Великобритания), восстановление водного хозяйства планируется осуществлять по принципу «минимум затрат — максимум качества».

Республика Армения обладает богатейшими месторождениями полезных ископаемых. К примеру, 85%-ов запасов туфа на территории бывшего СССР сосредоточено в Армении, среди которых значительную долю составляет

армянский туф Артикского происхождения. В России известно Лечинкайское месторождение туфа, расположенное в Кабардино-Балкарской республике. Туфы известны тысячелетия как превосходный многопрофильный строительный материал. Но только в последние 10-15 лет туфы начали использовать и в области очистки вод благодаря водостойкости и пористости. Достаточно широкое распространение за эти годы получили бытовые фильтры на базе фильтровальных элементов, изготовленных из туфа. Возможность полного удаления коллоидов, содержащих тяжелые металлы, повышение вкусовых качеств, минимальные затраты на установку и эксплуатацию обуславливают преимущества использования бытовых фильтров из туфа для доочистки водопроводной воды. Имеется возможность многократной регенерации элементов. Известен также положительный опыт применения данных фильтров в пищевой промышленности, в производстве алкогольных и безалкогольных напитков и т. д. В то же время имеется перспектива расширения ареала использования физических и химических свойств туфа в водоочистных технологиях: в оборотных циклах промышленных предприятий, в практике разделения иловой смеси в аэротенках взамен вторичных отстойников и/или мембранных фильтров, в системах аэрации и т. п. В тех случаях, когда не требуется глубокое выделение загрязнений, например, взвешенных веществ, возможно применение фильтровальных элементов с большими размерами пор для снижения необходимого рабочего давления. Однако данный вид материала можно использовать в очистке вод не только как материал, обладающий фильтрационными свойствами, но и в качестве аэрационной системы. На данный момент отсутствуют какие-либо исследования в области очистки сточных вод для армянского туфа Артикского типа, и, соответственно, с точки зрения внедрения в промышленность туф также не рассматривался.

Исходя из физико-химических характеристик, можно постулировать использование туфа в качестве аэраторов в водоочистных технологиях, однако на данный момент отсутствуют какие-либо исследования в этой области.

На основании приведенных аргументов можно говорить об актуальности данной научно-исследовательской работы по обоснованию нового типа аэрационного материала из туфа, обладающего одновременно и эффективными массообменными свойствами, и подавляющей конкурентоспособностью по сравнению с другими существующими материалами.

Таким образом, определено дальнейшее направление теоретических и экспериментальных исследований в данной диссертационной работе.

Цель работы. Обоснование, разработка и внедрение нового типа аэраторов из армянского туфа Артикского месторождения для аэрационных систем в водоочистных технологиях.

Для достижения поставленной цели потребовалось решение ряда взаимосвязанных задач:

- определение классификационных признаков и массообменных характеристик армянского туфа Артикского типа в различных условиях эксплуатации (для водопроводной воды и сточных вод);

- сравнительный анализ и ранжирование массообменных характеристик аэраторов из туфа и известных аэраторов;

- приведение массообменных показателей армянского туфа Артикского типа к условиям высокогорья, свойственным для Республики Армения;

- исследование массообменных характеристик аэраторов из туфа в течение 12 месяцев в аэротенке;

- разработка конструктивных решений аэрационной системы с аэраторами из туфа;

- технико-экономическая оценка аэрационных систем на базе армянского туфа Артикского типа.

Объект исследования - армянский туф Артикского типа, используемый в качестве аэратора для очистки сточных вод.

Предмет исследований - массообменные характеристики аэраторов из туфа в процессе аэрации.

Основная идея работы состоит в получении массообменных параметров

для нового в водоочистной практике аэратора из армянского туфа Артикского типа с целью его внедрения на очистных сооружениях Республики Армения с учетом географических особенностей РА, а также стран СНГ, и сравнении при этом его экономических показателей с используемыми в практике типами аэраторов.

Методы исследований включали аналитическое обобщение известных научных и технических результатов, моделирование изучаемых процессов на испытательных установках, оснащенных контрольно-измерительными приборами; оптические, физико-химические и биохимические методы анализа сточных вод и водопроводной воды лабораторных, полупроизводственных и производственных установок. Обработку экспериментальных данных вели методами математической статистики и корреляционного анализа.

Достоверность обоснована применением классических положений теоретического анализа, моделированием изучаемых процессов, планированием необходимого объема экспериментов; подтверждена удовлетворяющей сходимостью полученных результатов экспериментальных исследований, выполненных в опытно-промышленных и промышленных условиях с расчетными зависимостями в пределах максимальной погрешности Д=±10 % при доверительной вероятности 0,95. Научная новизна работы:

- впервые установлены массообменные показатели мелкопузырчатых аэраторов из армянского туфа Артикского типа;

- по методике ранжирования получена сравнительная оценка аэраторов из туфа с существующими типами аэрационных систем;

- на базе экспериментальных данных для аэраторов из армянского туфа Артикского типа, определенных в России, получены коэффициенты приведения их массообменных характеристик к условиям высокогорья Республики Армения;

- впервые получены параметры кинетических характеристик процесса биологической очистки сточных вод с аэраторами из армянского туфа

Артикского типа.

Практическое значение полученных результатов:

- лабораторные и производственные экспериментальные данные характеризуют высокую массообменную способность аэраторов из туфа Артикского типа, которые рекомендуются для использования в водных технологиях;

- даны рекомендации по учету влияния высотного расположения очистных сооружений на массообменные показатели аэрационных систем аэраторов из армянского туфа при их эксплуатации в Республики Армения;

- разработаны и внедрены конструктивные решения аэраторов из туфа в практику химической очистки сточных вод в двух городах Армении;

- обоснована технико-экономическая целесообразность расширенного внедрения аэраторов из армянского туфа Артикского типа в практику водоочистных технологий.

Реализация результатов работы:

- рекомендации о внедрении диссертационной работы использованы в пилотных и опытно-промыщленных установках на очистных сооружениях г. Ереван, г. Дилижан, ЗАО "Ереван Джур" в Республики Армения и в проектах ООО "Акватрат" в РФ г. Ростов-на-Дону [Приложение 6];

- внедрены в учебном процессе ФГБОУ ВПО «Ростовский государственный строительный университет» (каф. «Водоснабжение и водоотведение») при подготовке бакалавров, магистров и инженеров по специальности 270112 «Водоснабжение и водоотведение».

Связь работы с научными программами, планами, темами: работа выполнялась по направлению министерства образования и науки Российской Федерации № 05-10823, в соответствии с тематическими планами кафедры «Водоснабжение и водоотведение» РГСУ в рамках государственной программы «Архитектура и строительство» по госбюджетной теме № 01.9.40001739 «Совершенствование процессов очистки природных и сточных вод южного региона страны с учетом экологических требований».

На защиту выносятся следующие основные положения:

- теоретическое обоснование и результаты экспериментальных исследований, характеризующие высокую массообменную способность аэраторов из армянского туфа Артикского типа и позволяющие рекомендовать их для использования на очистных сооружениях;

- результаты определения массообменных характеристик армянского туфа Артикского типа в различных условиях эксплуатации (для водопроводной воды и сточных вод);

- сравнительный анализ и ранжирование массообменных характеристик аэраторов из туфа и известных аэраторов;

- учет изменения массообменных показателей аэраторов из армянского туфа применительно к условиям высокогорья Республики Армения;

- результаты исследования массообменных характеристик аэраторов из туфа в течение 12 ме