автореферат диссертации по химической технологии, 05.17.08, диссертация на тему:Процессы осветления природных и сточных вод в вертикальном отстойнике со спирально-навитой насадкой

На правах рукописи

ДАВЫДОВ ЕВГЕНИЙ ИВАНОВИЧ

ПРОЦЕССЫ ОСВЕТЛЕНИЯ ПРИРОДНЫХ И СТОЧНЫХ ВОД В ВЕРТИКАЛЬНОМ ОТСТОЙНИКЕ СО СПИРАЛЬНО-НАВИТОЙ НАСАДКОЙ

05.17.08 - Процессы и аппараты химических технологий

1 7 НОЯ 2011

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Санкт-Петербург 2011 г.

005000966

Работа выполнена в государственном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Военный инженерно-технический университет»

Научный руководитель -

Заслуженный деятель науки, доктор технических наук,

профессор Лямаев Борис Федорович

Официальные оппоненты -

доктор технических наук,

профессор Доманский Игорь Васильевич

доктор технических наук,

профессор Черников Николай Андреевич

Ведущая организация - Южно - Российский государственный технический университет (Новочеркасский политехнический институт).

Защита диссертации состоится ноября 2011г. в 46 часов в

ауд. S на заседании совета по защите докторских и кандидатских диссертаций Д 212.230.06 при федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Санкт-Петербургский государственный технологический институт (технический университет)»

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке института.

Отзывы на автореферат, заверенные печатью, просим направлять по адресу: 190013, г. Санкт-Петербург, Московский пр., д. 26, Санкт-Петербургский государственный технологический институт (технический университет), Ученый совет: тел. (812)494-93-75, факс (812)712-77-91; Email: dissovet@technolog.edu.ru.

Автореферат разослан » октября 2011 г.

Ученый секретарь

диссертационного совета канд. физ.-мат. наук, доцент

Ю.Г. Чесноков

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. Одной из важнейших экологических и технических проблем является загрязнение водных объектов и рельефов местности загрязняющими веществами, поступающими со сточными водами.

Основная причина сложившегося положения состоит в физическом и моральном износе оборудования очистных сооружений, а также отсутствии высокоэффективных аппаратов и процессов для водоподготовки природных и очистки сточных вод.

При очистке сточных вод отстаивание является одним из основных методов выделения из очищаемой воды взвешенных веществ, а к наиболее распространенному методу водоподготовки относится осветление, которое осуществляется путем отстаивания суспензий в отстойниках.

Широкое распространение получили вертикальные отстойники. Их преимущество - в простоте конструкции и надежности эксплуатации. Недостатком является большие габариты в частности, диаметр (типовые первичные вертикальные отстойники имеют диаметр 4, 6 и 9 м) и общая высота, которая достигает Юм, что значительно удорожает их стоимость. Наряду с этим следует отметить, что несовершенство конструкции, которое способствует низкому эффекту осветления сточных вод (не более 30-40 %), в то время как в горизонтальных и радиальных отстойниках эффективность очистки достигает 50-60 %. Особую значимость приобретает проблема интенсификации работы вертикального отстойника.

Одним из вариантов решения этих задач является создание вертикального отстойника со спирально-навитой насадкой, применение которого позволит повысить эффект очистки воды и уменьшить размеры отстойника. Однако, конструкция и методика расчета подобного отстойника до настоящего времени не разработана.

Таким образом, целью диссертации следует считать разработку принципиально новой конструкции вертикального отстойника со спирально-

навитой насадкой и исследование процесса осветления природных и сточных вод при его применении в водоподготовке и водоотведении.

Объект исследования - вертикальный отстойник со спирально-навитой насадкой.

Методика исследований основана на сочетании теоретических и экспериментальных исследований по изучению осаждения взвешенных веществ в покое и в исследуемом отстойнике. Указанные исследования выполнены в соответствии с основными положениями теории кинетики отстаивания в резервуарах периодического и непрерывного действия, а также на основе общей теории седиментации.

В соответствии с поставленной целью сформулированы следующие основные задачи исследования:

- осуществить анализ известных типов и конструкций отстойников, а также изучить механизм осветления сточных вод в вертикальных отстойниках;

- разработать конструкцию вертикального отстойника со спирально-навитой насадкой и выполнить экспериментальные исследования его работы в лабораторных условиях;

- разработать физико-математическую модель процесса отстаивания частиц суспензии в разработанном отстойнике новой конструкции;

- разработать методику его расчета и дать рекомендации по его проектированию.

Научная новизна работы состоит в следующем:

- в предложенном на основе теоретических и экспериментальных исследований механизме осветления очищаемой жидкости в отстойнике со спирально-навитой насадкой;

- в разработке физико-математической модели процесса осаждения взвеси в предлагаемом отстойнике;

- в получении зависимостей и в создании методики технологического расчета разработанного отстойника, базирующейся на кинематической модели и результатах экспериментальных исследований.

Достоверность результатов работы подтверждается:

- адекватностью полученных экспериментальных данных по работе отстойника со спирально-навитой насадкой с теоретической моделью процесса осаждения взвеси в отстойнике непрерывного действия;

- апробацией методики технологического расчета отстойника со спирально-навитой насадкой при проектировании станций очистки бытовых сточных вод ФГУП 53 ЦПИ МО РФ и ХОЗУ МО РФ в 2007г. и станции водоподготовки ООО НТЦ «Стройнаука - ВИГУ» в 2007г.

Практическая ценность работы. Создана новая конструкция вертикального отстойника - вертикальный отстойник со спирально-навитой насадкой. Разработаны методика и алгоритм расчета вертикального отстойника со спирально-навитой насадкой. Применение, которого позволила снизить капитальные вложения в 1,8 раза при проектировании станции очистки бытовых сточных вод для военного городка № 14 г. Каменск-Шахтинский Ростовской обл. производительностью 500 м3/сут.. Внедрение отстойника со спирально-навитой насадкой в проект станции очистки бытовых сточных вод для в/ч 83240 Раменского р-на Московской обл. производительностью 1500 м3/сут., позволило снизить сметную стоимость на 6 % и сократить продолжительность строительства в 1,5 раза.

Результаты работы использованы:

- при разработке проекта станции очистки бытовых сточных вод для военного городка № 14 г. Каменск-Шахтинский Ростовской обл. производительностью 500 м3/сут.;

- при разработке проекта станций очистки бытовых сточных вод для в/ч 83240 Раменского р-на, Московской обл. производительностью 1500 м3/сут.;

- при разработке проекта станции водоподготовки для линейного отделения «Нагурское» в/ч 9794 расположенной на острове Александра архипелага «Земля Франца-Иосифа» производительностью 1 м3/ч..

Апробация работы и публикации. Основные положения и результаты работы докладывались и обсуждались на 55-, 56- и 57-ой ежегодных научно-

технических конференциях молодых ученых СПбГАСУ «Актуальные проблемы современного строительства» (1997-1999г.), а так же на VI Международной научно-практической конференции «Технологии очистки воды «ТЕХНОВОД - 2011»» (Чебоксары, 2011)

По материалам исследований опубликовано 9 печатных работ, в том числе 2 статьи в журналах, входящих в список ВАК, получены 2 патента на изобретения.

На защиту выносятся:

- новая конструкция и устройство вертикального отстойника со спирально-навитой насадкой;

- результаты экспериментальных и теоретических исследований работы данного отстойника;

- физико-математическая модель процесса осаждения взвеси в разработанном отстойнике;

- методика технологического расчета предложенного отстойника.

Объем и структура диссертации. Диссертация состоит из введения, четырех глав, основных выводов, списка литературы и приложений. Работа изложена на 137 страницах, содержит 18 рисунков и 29 таблиц, 12 страниц приложений. Список литературы включает 108 наименований.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ Во введении раскрывается апуальность проблемы, научная новизна и практическая ценность диссертационной работы, сформулированы основные положения, выносимые на защиту.

В первой главе дается анализ современного состояния вопроса по применению существующих отстойных сооружений. В вертикальных отстойниках подача сточной жидкости осуществляется непрерывно по центральной трубе в нижней части сделан раструб и установлен отражательный щит. Осветляемая вода поднимается в кольцевом пространстве между трубой и стенкой отстойника и собирается на поверхности радиальными желобами.

Осаждение взвешенных веществ в вертикальных отстойниках происходит при восходящем движении обрабатываемой воды. Следовательно, в осадок выпадают частицы, которые имеют скорость осаждения больше восходящей скорости потока. При равенстве этих скоростей частицы будут находиться во взвешенном состоянии, а при скорости осаждения меньшей скорости восходящего потока будут выноситься из отстойника с очищенной водой, таким образом, что бы создать благоприятные условия для выпадения взвеси, необходимо увеличивать объем (размеры) сооружения. Поэтому при расчете отстойников вводят коэффициент объемного использования, который принят для вертикального отстойника равным 0,35.

Исследователями было установлено, что расчетная схема отстойника не отражает физических явлений, имеющих место в действительности. В результате в вертикальном отстойнике создаются неблагоприятные гидродинамические условия для осаждения взвеси, а так же струйное движение жидкости. Все эти факторы снижают эффект очистки.

Для достижения поставленной цели разработана новая конструкция отстойника: вертикальный отстойник со спирально-навитой насадкой.

Конструкция представляет собой резервуар с днищем в виде усеченного конуса и спирально-навитой насадки, вставленной в этот резервуар. На рис. 1 представлена схема вертикального отстойника со спирально-навитой насадкой. Отстойник состоит: из вертикального цилиндрического корпуса 1 и конусного дншца 2. В центре отстойника размещена центральная труба 3, в нижней части которой установлена заглушка 7. В центральной трубе по всей высоте выполнено щелевое отверстие 4, к которому жестко прикреплена спирально-навитая насадка б. Она начинается у центральной трубы и заканчивается у стенки цилиндрического корпуса. Спирально-навитая насадка образует канал, по которому движется очищаемая вода. Высота спирально-навитой насадки равна высоте цилиндрической части отстойника, а ширина канала, образованного стенками спирально-навитой насадки одинакова по всей ее длине. В верхней части на цилиндрическом корпусе 1 установлен трубопровод

5 для отвода очищенной воды, а в нижней конусной части отстойника трубопровод 8 для выпуска осадка.

3 4

1-вертикальный цилиндрический корпус; 2-конусное днище; 3-центральная труба; 4-щелевое отверстие; 5-трубопровод очищенной воды; б-спирально-навитая насадка; 7-заглушка; 8-трубопровод для удаления осадка.

Рабочей гипотезой процесса осветления является принцип работы отстойника. Очищаемая вода подается по центральной трубе, проходит через щелевое отверстие и поступает в относительно не широкий канал спирально-навитой насадки, служащий для прохождения (протока) осветляемой суспензии при ее принятых малых значениях скорости продвижения вдоль канала, что обеспечивает глубокий ламинарный режим течения вязкой суспензии. На основании кинематической модели, которая основана на теории течения жидкости в щели следует, что при таком режиме вертикальные стенки канала обеспечивают значительную долю жидкости, продвигающейся вдоль канала (щели) с малой скоростью, стремящейся к нулевому значению на самой неподвижной стенке. Малая скорость движения вдоль канала означает значительное время пребывания этой части суспензии и, следовательно, -значительное время осаждения крупных частиц в медленно продвигающейся суспензии; за это время крупные частицы успевают достичь дна канала. Таким образом, на увеличение эффекта осветления очищаемой суспензии будет оказывать не только длина канала, но и близость вертикальных стенок.

Это положение подтверждено теоретическими и экспериментальными исследованиями.

Во второй главе описана разработанная физико-математическая модель осаждения примесей в отстойнике со спирально-навитой насадкой.

Необходимо отметить, что среди исследователей и научных работников нет единого подхода к процессу осаждения примесей, содержащихся в сточных водах. Это связано, видимо, с тем, что кинетика седиментации представляет собой сложный физико-химический процесс. Здесь необходимо учитывать многие факторы, которые влияют на эффективность работы отстойников: гидравлическая крупность частиц, концентрация взвеси, гранулометрический состав, режим движения, степень использования объёма сооружения и другие.

Основной величиной, характеризующей механические примеси сточных вод, является минимальная гидравлическая крупность частиц (скорость их осаждения), которые необходимо задержать в отстойнике, чтобы обеспечить требуемый, эффект очистки.

Скорость осаждения взвеси и продолжительность отстаивания, как правило, определяются по графикам кинетики осаждения взвешенных веществ, которые получают в лабораторных условиях путем отстаивания исследуемой суспензии в цилиндрах. Определение в лабораторных условиях расчетных параметров отстойников, обеспечивающих заданный эффект осветления, является задачей технологического моделирования процесса осаждения.

Сложность комплекса физико-механических и гидравлических условий, влияющих на работу отстойников, не позволяет связать все факторы в одно математическое выражение и положить его в основу технологического расчета.

Предлагается упрощенная кинематическая модель непрерывного осаждения в протяженном канале прямоугольной формы, вдоль которого с относительно малой скоростью в ламинарном режиме движется суспензия между вертикальными стенками канала (вертикальной щели). Полагается, что дисперсная фаза состоит из двух различных по характеру осаждения частиц: мелкой фракции не подверженной гравитационному осаждению и имеющей по

всей длине (х) щели неизменную объемную концентрацию т^ы, г/м3; с этой же концентрацией она выходит из щелевого канала. Крупная фракция входит в щелевой канал с равномерной по высоте h и поперечной у координатам канала (рис.2) с массовой концентрацией т0 г/м3 и по мере продвижения вдоль канала все частицы этой относительно крупной фракции осаждаются с постоянной скоростью U, м/с.

Полагается также, что суспензия перемещается вдоль канала со скоростью, соответствующей сформировавшемуся ламинарному параболическому профилю в поперечном направлении: кг(у) = А(5г — у2), (1)

где 6 - полуширина канала; у - текущая поперечная координата, отсчитываемая от вертикальной центральной плоскости симметрии щели (рис.2); А - известный постоянный коэффициент: А = (2)

где АР - потеря давления на трение в канале; L - длина канала; ц - вязкость

Рис. 2. Схема поведения крупной фракции в щелевом потоке жидкости с установившимся параболическим профилем скорости. (Распределение мелких, неоседающих частиц во всех сечениях канала и на любом удалении от плоскости симметрии щели равномерное и неизменное, на рисунке не

показано)

Основной смысл предлагаемой модели состоит в том, что в отличие от мелкой, неоседающей взвеси, распределение которой соответственно базовому предположению о неизменности ее массовой концентрации независимо от координат внутри потока х и у, частицы крупной фракции осаждаются с постоянной скоростью и. Внешняя конфигурация внутреннего объема, равномерно (с концентрацией т0> г/м3) заполненного крупной, осаждающейся фракцией непрерывно изменяется в зависимости от координаты х вдоль канала. Так, верхняя максимальная высота осаждаемого «облака» из крупных частиц:

ь*.тах — н ~ ¿тт- (3)

где Н - высота канала; г,щП - путь осаждения частиц на расстоянии от входа в

канал х: ¿min = U.-^-> (4)

Wmax

*

где--минимальное время прохождения суспензиеи пути х (с крупными

частицами в ней), двигающейся с максимальной скоростью wmax = А52 по плоскости симметрии у = 0. Для перемещающейся вдоль канала при поперечной координате у > 0 путь осаждения л, пройденный верхней частицей увеличивается, поскольку время продвижения этой порцией суспензии, больше ¿min и равен: ¿(х,у) = U • , где - время продвижения суспензии на

дистанцию х, соответствующая w(y) < wmax. Соответственно этим соображениям конфигурация верхней границы объема, еще заполненного равномерно, вследствие постоянства скорости осаждения U = const крупных частиц соответствует соотношению: h,(x,y) = Н — U что следует

учитывать при определении количества выходящих крупных частиц в поперечном сечении при длине канала*.

Аналогичная ситуация имеет место с границей заполненного крупными частицами сечения в горизонтальном направлении (по оси у). Действительно, те частицы, которые очень медленно, продвигаются вдоль канала вблизи его стенки, имеют достаточно времени нахождения (пребывания) в канале и успевают осесть на дно. Поперечная координата границы у. поперечного

сечения, где верхние крупные частицы успеют полностью пройти всю высоту

и х Н

канала Н, определится из условия = в котором левая часть есть время

пребывания (продольного прохождения) частицы в канале длиной х, правая -время прохождения самой верхней частицей высоты Н при постоянной скорости ее осаждения U. Используя известный параболический профиль скорости и решая последнее соотношение относительно поперечной

I Ux

координаты у„ будем иметь: у, = J52 — —. (5)

Естественно, что по мере увеличение координаты х, ширина у, центральной части потока уменьшается и при х. = ^Н52 все крупные частицы, даже те которые вошли в канал при h = Н, успеют осесть на дно.

Оба рассмотренные выше обстоятельства следует учесть при определении общего количества крупных частиц, выходящих из щелевого канала при его длине х.

Рассматривая элементарную площадку dhdy выходного сечения на расстоянии х от входа в канал (рис.2), где по некоторой части входного сечения вблизи дна и плоскости симметрии канала еще имеются и выходят вместе с общим потоком суспензии не успевшие осесть на дно крупные частицы.

Проще всего определить количество неоседающей мелкой взвеси, концентрация которой согласно сделанным выше предположениям остается неизменной. Через элементарное сечение dhdy выходит неоседающих примесей: dzm = Штт • -иг(у) dhdy. (6)

Подставляя сюда параболический профиль скорости суспензии и интегрируя по h от 0 до Я и по у от 0 до S при условии mmini = const, получим:

m = /0" f0 ттыА^б2 -y2)dydh = mminA [s2-S-j)H = 2-AHrnmin8\ (7) Сложнее с пределами интегрирования для выходящих крупных частиц:

М(х) = т0 /0Л-(У) J0y- A(S2 - y2)dydh. (8)

Поскольку верхний предел определенного интеграла по высоте Л. является функцией второй переменной интегрирования (у), то первое интегрирование производится по /г. После вычисления двойного интеграла получим выражение для определения общей объемной массы частиц:

М(х) = • АН \ 83 + та

(9)

или ММ =5 АН]^^3 + тп0 (б2 -~)3 *]. (10)

дя

В зависимости (2) отношение — для щели выразим через формулу

Пуазейля для щелевого канала: = ~г- (11)

I И2 ок

Подставив его в (2) получим выражения для определения известного

20

параметра А через расход очищаемой суспензии (}с: А = (12) Концентрация примесей в осветленной суспензии, выходящей из канала

протяженностью х: (13)

где (¿с - объемный расход суспензии, м3/с.

В третьей главе приведены результаты экспериментальных исследований по осаждению взвеси в отстойнике со спирально-навитой насадкой. На основании полученных опытных данных проведена проверка адекватности разработанной математической модели. Скорость осаждения частиц исследуемой суспензии определялось экспериментально. Для этого была создана экспериментальная установка, основной частью которой являлся лабораторный стеклянный цилиндр с коническим дном.

Для экспериментальных исследований осаждения взвешенных веществ была выбрана суспензия из сапропеля. Исследования процесса осаждения частиц проводились в цилиндре с принятыми в качестве стандартных высотами столба суспензии 1 м и 0,5 м. При проведении опытов, основными технологическими показателями которые необходимо определять были начальная и конечная концентрация взвеси при определенных временах отстаивания.

Последовательность проведения исследований была организована следующим, принятым при исследовании процессов осаждения образом:

1. Предварительно взвешивали на весах необходимое количество сухого сапропеля. Насыпали его в емкость с водопроводной водой и тщательно перемешивали.

2. После перемешивания заливали исследуемую суспензию в стеклянный цилиндр высотой 0,5 м и фиксировали время отстаивания. По истечении 15,30, 45, 60, 75, 90, 105, 120 минут соответственно отбирали пробы с трех точек (верхней, средней и нижней) в цилиндре по 50 мл суспензии для определения конечной концентрации, взвешенных веществ.

Определение начальной концентрации до процесса отстаивания и конечной концентрации взвешенных веществ после указанного времени отстаивания во всех пробах суспензий сводилось к измерению оптической плотности проб. Измерение оптической плотности производилось на фотоэлектрическом колориметре - нефелометре ФЭК-56М. Измерив, значения оптической плотности, далее по градуированному графику определяли концентрацию взвеси в суспензии. Аналогичным образом проводились исследования по изучению кинетики выпадения взвеси при высоте столба жидкости в цилиндре 1,0 м.

Для получения эффективности очистки суспензии в исследуемом

Рис. 3. Схема экспериментальной установки для исследования отстойника со спирально-навитой насадкой

I - отстойник со спирапью-навитой насадкой; II - бак с исследуемой суспензией; III - бак с осветленной суспензией; IV - мешалка; V - насос; 1 - ротаметр; 2,3,4,5 - вентиль; 6 - трубопровод исходной суспензии; 7- трубопровод осветленной суспензии. Точки: А и Б -места отбора проб для определения начальной и конечной концентрации взвешенных веществ.

Примеры результатов экспериментальных исследований приведены на рис.4. На графиках представлены кривые кинетики выпадения взвеси, полученные экспериментально в исследуемом отстойнике и методом вычисления по полученной зависимости (10).

При концентрации взвеси С=500 мг/л При концентрации взвеси С=1025 мг/л

90

80 *70

i 60

¡50

840 6

I30 " 20

10

о

О 10 20 30 40 SO 60 70 80 90 100 110 120 Время отстаивания, мин

При концентрации взвеси С=1650 мг/л

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 120 ■рамопямкицмин

При концентрации взвесиС=2000 мг/л

: • ; ;

___Bisssm значения

¡ ! \ i ;

S ; ¡ ! ; i j

----/ у/ | , ЩОЦрЩЦНтДЛЬНЫ! • /у ' i значения 1 ! 1

у ! . м ! ! : : 1 ;

О 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100110 120

Время отстаияаимя, мми

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 120 Время отстаивания, мин

Рис. 4. Графики кинетики выпадения взвеси В четвертой главе изложена методика и алгоритм расчета вертикального отстойника со спирально-навитой насадкой.

Задаваясь длиной канала, методом подстановки по зависимости (10) находится массовый расход взвеси, а затем по (13) - концентрацию взвеси на

выходе из отстойника, которая является допустимой величиной и зависит от требуемого эффекта осветления: Этр = т°(14) В зависимости (10) коэффициент скорости осаждения взвеси определяется согласно СНиП 2.04.03-85 по известной формуле: [/ = , (15)

где Н - высота цилиндрической части отстойника, м, принимаемая на основе возможных глубин типовых вертикальных отстойников Н = 2,7 — 3,8 м;

- продолжительность отстаивания, сек., соответствующая заданному эффекту осветления и полученная в лабораторном цилиндре в слое определяется по таблице 30 СНиП 2.04.03-85;

/I! - глубина воды при отстаивании в покое (высота слоя воды в лабораторном цилиндре), принимаемая равной 0,5 м;

п2 - показатель степени, зависящий от способности взвешенных веществ к агломерации, принимаемый по черт. 2 СНиП 2.04.03-85.

Ширина канала 6 спирально-навитой насадки отстойника, принимается конструктивно, из условий эксплуатации, должна быть не менее 0,3 м.

Диаметр отстойника со спирально-навитой насадкой: = (16)

Диаметр центральной трубы определяется по формуле: й„Гш = (17)

- расчетный максимальный часовой расход сточных вод, м3/ч;

' скорость движения воды в центральной трубе, принимаемая равной 30 мм/с, как для вертикального отстойника, согласно СНиП 2.04.03-85.

Количество витков спирально-навитой насадки л определяется по формуле: п = ^^ (18)

Для определения технико-экономической эффективности результатов исследования составлены сметы. Смета составлена по программе Бтей \Visard 3.5.10. Смета на вертикальный канализационный отстойник составлена с учетом того, что он выполнен из железобетона. На вертикальный отстойник со спирально-навитой насадкой смета составлена для двух вариантов, первый -

корпус отстойника изготовлен из железобетона, а насадка из металла и второй вариант - отстойник и насадка выполнены из металла (таблица 1).

Конструктивные размеры отстойников и их стоимость Таблица 1

вертикальный канализацион. отстойник отстойник со спирально-навитой насадкой

корпус выполнен из ж/б, насадка из металла корпус и насадка выполнены из металла

Диаметр, м 6 3,5 3,5

Высота цилиндрич. части, м 4,1 3 3

Высота конической части, м 2.8 1,4 1,4

Длина канала насадки, м 18 18

Высота канала насадки, м 3 3

Общая стоимость, руб. (в ценах 2007г.) 501875,52 191834,16 170297,92

В приложениях к работе приведены примеры расчетов вертикального канализационного отстойника и отстойника со спирально-навитой насадкой.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ

1. Разработана новая конструкция вертикального отстойника вертикальный отстойник со спирально-навитой насадкой, защищенная патентами.

2. Разработана математическая модель описывающая процесс осаждения взвеси по длине канала насадки, которая позволяет определить концентрацию взвешенных веществ на выходе из канала.

3. На основании математической модели и результатов экспериментальных исследований разработана методика и алгоритм технологического расчета созданного отстойника.

4. Установлено, что эффекты осветления при отстаивании природных и сточных вод в отстойниках со спирально-навитой насадкой составляют 60-70 %, что значительно выше, чем в обычных вертикальных отстойниках.

5. Показано, что применение отстойника со спирально-навитой насадкой вместо обычного вертикального отстойника при одинаковом эффекте осветления позволяет существенно уменьшить конструктивные размеры, что

обеспечивает сокращение производственных площадей и капитальных затрат на строительство.

Список работ, опубликованных по материалам диссертации:

1. Давыдов Е.И., Лямаев Б.Ф. Исследование и расчет вертикального отстойника со спирально-навитой насадкой // Инженерно-строительный журнал. 2011. № 5(23). - С. 10-15. (из списка ВАК)

2. Давыдов Е.И., Лямаев Б.Ф., Жуков И.В., Казаков A.B. Устройство вертикального отстойника со спирально-навитой насадкой для очистки сточных вод и методика его расчета // Журнал «Естественные и технические науки». 2011. №4.-С. 518-522. (из списка ВАК)

3. Давыдов Е.И., Болдырев В.В. Вертикальный отстойник со спирально-навитой насадкой // Подготовка научно- педагогических и научных кадров. Сборник трудов докторантов и адъюнктов. Вьш. 5. ВИТУ,- СПб.: Изд-во ВИТУ, 2000г. - С. 122-124.

4. Давыдов Е.И., Болдырев В.В. Математическая модель процесса осаждения

// Подготовка научно- педагогических и научных кадров. Сборник трудов докторантов и адъюнктов. Вьш. 5. ВИТУ,- СПб.: Изд-во ВИТУ, 2000г. - С. 124-127.

5. Пат. 2182508 РФ, МПК В 01Д 21/02. Отстойный резервуар /Давыдов Е.И., Болдырев В.В.; заявитель и патентообладатель Воен. инж.-техя. ун-т. - №2000109171/12; заявл. 12.04.00; опубл. 27.12.03, Бюл. № 36. - 7 с.

6. Пет. 2173570 РФ, МПК В 01Д 21/02. Отстойный резервуар /Давыдов Е.И., Болдырев В.В., Кузнецов P.C., Рожков СЛ.; заявитель и патентообладатель Воен. инж.-техн. ун-т. -№2000110824/12; заявл. 26.04.00; опубл. 27.12.03, Бюл. № 36. - 5 с.

7. Давыдов Е.И., Болдырев В.В. Седиментациоино-диффузионная модель процессов осветления природных и сточных вод // Проблемы материально-технического обеспечения ВСК на современном этапе. Сборник статей и докладов. ВИТУ, - СПб.: Изд-во ВИТУ, 2000г. - С. 56-64.

8. Давыдов Е.И., Игнатчик B.C. Теоретические основы отстаивания воды // Научные проблемы специальных, ВС и ФК, обустройства войск и управления производственной деятельностью строительных предприятий МО РФ. Сборник научных трудов НИГ-1. Вьш. 5 том 1. ВИТУ, - СПб.: Изд-во ВИТУ, 2006г. - С. 218-224.

9. Давыдов Е.И., Игнатчик B.C. Методика расчета вертикального отстойника со спирально-навитой насадкой // Сборник научных статей сотрудников ВИТУ, - С-Пб.: Изд-во ВИТУ, 2008г. - С. 116-119.

10. Давыдов Е.И., Лямаев Б.Ф. Устройство вертикального отстойника со спирально-навитой насадкой // Технологии очистки воды «ТЕХНОВОД - 2011». Сб. тр. VI Межд. научн.-практ. конф. -Чебоксары, 2011г. / Юж.-Рос. гос. техн. ун-т. (НПИ). - Новочеркасск: «Лик», 2011. -С.96-97.

11. Давыдов Е.И., Лямаев Б.Ф. Методика расчета вертикального отстойника со спирально-навитой насадкой // Технологии очистки воды «ТЕХНОВОД - 20U». Сб. тр. VI Межд. научн.-практ. конф. -Чебоксары, 2011г. / Юж.-Рос. гос. техн. ун-т. (НПИ). -Новочеркасск: «Лик», 20U. - С. 110-115.

Подписано в печать 26.10.11. Формат 60x84 '/щ. Бумага офсетная. Усл. печ. л. 1,25. Зак. 158.

_Отпечатано на ризографе._

Тип. ВИТИ

ВВЕДЕНИЕ.

ГЛАВА 1. СОВРЕМЕННОЕ СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА И ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЙ.

1.1. Общие сведения о существующих конструкциях отстойников.

1.2. Основные положения по осветлению сточных вод в вертикальных канализационных отстойниках.

1.3. Обзор исследований режимов работы отстойников.

1.4. Осаждения взвешенных веществ в неподвижной жидкости.

1.4.1. Влияние концентрации, размера и формы частиц на скорость их осаждения.

1.4.2. Влияние высоты слоя жидкости на агломерацию частиц с различной физической характеристикой.

1.5. Обзор методов расчета отстойников.

1.6. Выводы по главе.

1.7. Разработка конструкции вертикального отстойника со спирально - навитой насадкой и задачи исследования.

ГЛАВА 2. РАЗРАБОТКА МАТЕМАТИЧЕСКОЙ МОДЕЛИ СЕДИМЕНТАЦИИ В ОТСТОЙНИКЕ СО СПИРАЛЬНО

НАСАДКОЙ.

2.1. Обзор исследований зависимости осветления сточных вод в покое.

2.1.1. Кинетика осаждения взвешенных веществ в покое.

2.2. Теоретические основы отстаивания воды.

2.3. Физико-математическая модель осаждения примесей в отстойнике со спирально-навитой насадкой.

2.4.Выводы по главе.

ГЛАВА 3. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ

ОТСТОЙНИКА СО СПИРАЛЬНО - НАВИТОЙ

НАСАДКОЙ.

3.1. Планирование эксперимента.

3.2. Разработка метода технологического моделирования осветления сточных вод в статических условиях.

3.3. Экспериментальная установка для исследования процессов осаждения взвешенных веществ в покое.

3.3.1. Описание установки. Методика проведения эксперимента и обработка экспериментальных данных.

3.3.2. Последовательность работы на фотоэлектрическом колориметре - нефелометре ФЭК-56М.

3.4. Экспериментальные исследования отстойника со спирально-навитой насадкой.

3.4.1. Описание экспериментальной установки.

3.4.2. Методика проведения экспериментальных исследований в отстойнике со спирально-навитой насадкой.

3.5. Измеряемые параметры и оценка погрешности точности измерений.

3.6. Выводы по главе.

ГЛАВА 4. МЕТОДИКА РАСЧЕТА ОТСТОЙНИКА СО СПИРАЛЬНО - НАВИТОЙ НАСАДКОЙ.

4.1. Методика технологического расчета первичного вертикального канализационного отстойника.

4.1.1. Определение скорости осаждения взвешенных веществ (гидравлической крупности).

4.1.2. Определение конструктивных размеров вертикального канализационного отстойника.

4.2. Методика и алгоритм расчета отстойника со спирально-навитой насадкой.

4.3. Технико-экономические показатели результатов исследования.

4.4. Выводы по главе.

ВЫВОДЫ ПО ДИССЕРТАЦИОННОЙ РАБОТЕ.

Актуальность работы. Одной из важных экологических проблем в населенных пунктах является загрязнение водных объектов и рельефов местности загрязняющими веществами, поступающими со сточными водами.

Причинами сложившегося положения являются физический износ оборудования очистных сооружений и недостаточное финансирование, приводящее к невозможности поддержания имеющихся очистных сооружений в исправном состоянии, с тем, чтобы они обеспечивали очистку сбрасываемых сточных вод до нормативного качества.

В последние годы в России и за рубежом применяются различные методы очистки воды. При очистке сточных вод отстаивание является одним из основных методов выделения из очищаемой воды взвешенных веществ, а к наиболее распространенному методу водоподготовки относится осветление, которое осуществляется путем отстаивания воды в отстойниках.

В практике водоподготовки природных и очистке сточных вод получили распространение вертикальные отстойники. Преимущество этих отстойников в простоте устройства и эксплуатации. Недостатком их является большая глубина, что значительно удорожает их строительную стоимость, и низкий эффект осветления. Обычно он не превышает 30%, в то время как в горизонтальных и радиальных отстойниках эффективность очистки достигает 50-60%.

В связи с этим особую значимость приобретает проблема интенсификации работы сооружений для отстаивания воды и минимизации занимаемых ими площадей.

Одним из вариантов решения этих задач является создание отстойника со спирально-навитой насадкой, применение которого позволит повысить эффект очистки воды и уменьшения глубины отстойника. Однако, конструкция и методика расчета подобного отстойника до настоящего времени не разработана.

Указанное состояние вопроса подтверждает теоретическую и практическую актуальность темы диссертации, направленной на разработку и исследование новой конструкции вертикального отстойника со спирально-навитой насадкой, применение которого позволит уменьшить конструктивные размеры отстойника, затраты на строительство и эксплуатацию.

Целью диссертационной работы является разработка принципиально новой конструкции вертикального отстойника со спирально-навитой насадкой и исследование процесса осветления природных и сточных вод при его применении в водоподготовке и водоотведении.

Объект исследования - вертикальный отстойник со спирально-навитой насадкой.

Методика исследований основана на сочетании теоретических и экспериментальных исследованиях по изучению осаждения взвешенных веществ в покое и в отстойнике со спирально-навитой насадкой. Указанные исследования выполнены на основе положений теории кинетики отстаивания в резервуарах периодического и непрерывного действия, а также на основе общей теории седиментации.

В соответствии с поставленной целью сформулированы следующие основные задачи исследования:

В соответствии с поставленной целью сформулированы следующие основные задачи исследования:

- осуществить анализ известных типов и конструкций отстойников, а также изучить механизм осветления сточных вод в вертикальных отстойниках;

- разработать конструкцию вертикального отстойника со спирально-навитой насадкой и выполнить экспериментальные исследования его работы в лабораторных условиях;

- разработать физико-математическую модель процесса отстаивания частиц суспензии в разработанном отстойнике новой конструкции;

- разработать методику его расчета и дать рекомендации по его проектированию.

Научная новизна работы состоит в следующем:

- в предложенном на основе теоретических и экспериментальных исследований механизме осветления очищаемой жидкости в отстойнике со спирально-навитой насадкой;

- в разработке физико-математической модели процесса осаждения взвеси в предлагаемом отстойнике;

- в получении зависимостей и в создании методики технологического расчета разработанного отстойника, базирующейся на кинематической модели и результатах экспериментальных исследований.

Достоверность результатов работы подтверждается:

- адекватностью полученных экспериментальных данных по работе отстойника со спирально-навитой насадкой с теоретической моделью процесса осаждения взвеси в отстойнике непрерывного действия;

- апробацией методики технологического расчета отстойника со спирально-навитой насадкой при проектировании станций очистки бытовых сточных вод ФГУП 53 ЦПИ МО РФ и ХОЗУ МО РФ в 2007г. и станции водоподготовки ООО НТЦ «Стройнаука - ВИТУ» в 2007г.

Практическая ценность работы. Создана новая конструкция вертикального отстойника - вертикальный отстойник со спирально-навитой насадкой. Разработаны методика, алгоритм и программа для расчета вертикального отстойника со спирально-навитой насадкой. Применение которого позволила снизить капитальные вложения в 1,8 раза при проектировании станции очистки бытовых сточных вод для военного городка №14 г. Каменск-Шахтинский Ростовской обл. производительностью о

500м /сут. Внедрение отстойника со спирально-навитой насадкой в проект станции очистки бытовых сточных вод для в/ч 83240 Раменского р-на Л

Московской обл. производительностью 1500м /сут., позволило снизить сметную стоимость на 6% и сократить продолжительность строительства в 1,5 раза.

Результаты работы использованы:

- при разработке проекта станции очистки бытовых сточных вод для военного городка №14 г. Каменск-Шахтинский Ростовской обл. о производительностью 500м /сут.;

- при разработке проекта станций очистки бытовых сточных вод для в/ч 83240 Раменского р-на, Московской обл. производительностью 1500м /сут.;

- при разработке проекта станции водоподготовки для линейного отделения «Нагурское» в/ч 9794 расположенной на острове Александра архипелага «Земля Франца-Иосифа» производительностью 1м3/ч.

Апробация работы и публикации. Основные положёния и результаты работы докладывались и обсуждались на 55, 56 и 57 ежегодных научно-технических конференциях молодых ученых СПбГАСУ «Актуальные проблемы современного строительства» (1997-1999г.), а так же на VI Международной научно-практической конференции «Технологии очистки воды «ТЕХНОВОД - 2011»» (Чебоксары, 2011).

По материалам исследований опубликовано 9 печатных работ, в том числе 2 статьи в журналах, входящих в список ВАК, получены 2 патента на изобретения.

На защиту выносятся:

- новая конструкция и устройство вертикального отстойника со спирально-навитой насадкой;

- результаты экспериментальных и теоретических исследований работы данного отстойника;

- физико-математическая модель процесса осаждения взвеси в разработанном отстойнике;

- методика технологического расчета предложенного отстойника.