автореферат диссертации по энергетике, 05.14.16, диссертация на тему:Разработка горизонтальных отстойников-накопителей для защиты окружающей среды при строительстве и реконструкции предприятий и агропромышленных комплексов



саратовский государственный

технический университет

На правах рукописи

Задохин Роман Александрович

РАЗРАБОТКА ГОРИЗОНТАЛЬНЫХ ОТСТОЙНИКОВ-

НАКОПИТЕЛЕЙ ДЛЯ ЗАЩИТЫ ОКРУЖАЮЩЕЙ СРЕДЫ ПРИ СТРОИТЕЛЬСТВЕ И РЕКОНСТРУКЦИИ ПРЕДПРИЯТИЙ И АГРОПРОМЫШЛЕННЫХ

КОМПЛЕКСОВ

Специальность 05.14.16 - Технические средства и методы защиты окружающей среды (в области строительства)

Диссертация

на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научные руководители:

Доктор технических наук, профессор

Высоцкий Лев Ильич

Кандидат технических наук, доцент

Илясов Геннадий Александрович

Саратов 1999

РЕФЕРАТ

Технические средства и методы защиты окружающей среды, очистка сточных вод и обезвоживание осадков, горизонтальный отстойник-накопитель с вертикальными фильтрующими кассетами, фильтровальные характеристики суспензии, критическая влажность.

Диссертация изложена на 132 страницах машинописного текста, включая 30 иллюстраций, 20 таблиц, список литературы из 99 наименований литературных источников, в том числе 14 на иностранных языках. Имеет 7 приложений.

Работа посвящена разработке горизонтального отстойника-накопителя, пригодного для охраны окружающей среды от загрязнения сточными водами в условиях строительства и реконструкции предприятий и агропромышленных комплексов.

Предложена новая конструкция горизонтального отстойника-накопителя, исследована его работа. Предложен машинный метод расчета горизонтального отстойника-накопителя.

Приемлемость разработанного метода расчета подтверждена экспериментальными исследованиями, в ходе которых сравнивался расчетный и опытный ход обработки стоков и осадка. Исследовалась работа фильтрующих кассет, предложена методика расчета гидравлических потерь в процессе рабочего цикла. Разработана экспериментальная методика получения исходных данных для разработки горизонтальных отстойников-накопителей.

Применение предложенной конструкции горизонтального отстойника-накопителя и метода его расчета позволит снизить загрязнение поверхностных водоемов и почвы отходами строительства.

Результаты исследования внедрены на «Улешовской нефтебазе» (г. Саратов) и в проектной организации «Саратовводоканалпроект».

ОГЛАВЛЕНИЕ

ВВЕДЕНИЕ........................................................6

1. ОБЗОР ТЕХНИЧЕСКИХ СРЕДСТВ И МЕТОДОВ ЗАЩИТЫ ОКРУЖАЮЩЕЙ СРЕДЫ ПРИ СТРОИТЕЛЬСТВЕ ПРЕДПРИЯТИЙ И АГРОПРОМЫШЛЕННЫХ КОМПЛЕКСОВ..........................9

1.1 Свойства стоков, образующихся при строительстве и реконструкции предприятий и агропромышленных комплексов, и их влияние на окружающую среду................................................9

1.2 Методы и технические средства защиты окружающей среды от загрязнения сточными водами в условиях строительства..................16

1.3 Обработка стоков предприятий и агропромышленных комплексов с использованием горизонтальных отстойников-накопителей............20

1.4 Обзор существующих методов расчета горизонтальных отстойников-накопителей .................................................29

2. РАЗРАБОТКА КОНСТРУКЦИИ ГОРИЗОНТАЛЬНОГО ОТСТОЙНИКА-НАКОПИТЕЛЯ ..........................................33

2.1. Устройство и принцип действия горизонтального отстойника-накопителя..................................................33

2.2. Использование горизонтальных отстойников-накопителей...........39

3. ТЕОРЕТИЧЕСКАЯ МОДЕЛЬ ПРОЦЕССА РАБОТЫ ГОРИЗОНТАЛЬНОГО ОТСТОЙНИКА-НАКОПИТЕЛЯ..........................43

3.1. Физическая модель процесса очистки стоков и обезвоживания осадка в горизонтальном отстойнике-накопителе..........................43

3.2. Математическая модель обезвоживания суспензии в горизонтальном отстойнике-накопителе..........................................45

3.3. Расчет значений фильтровальных характеристик суспензии

в течение технологического цикла...............................51

3.4. Влияние механической деформации на пористость осадка..........57

3.5. Математическая модель фильтрации в фильтрующих кассетах......59

4. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ПРОЦЕССА РАЗДЕЛЕНИЯ В ГОРИЗОНТАЛЬНОМ ОТСТОЙНИКЕ-НАКОПИТЕЛЕ.......64

4.1. Экспериментальная проверка предложенного способа расчета фильтровальных характеристик стоков и осадков..................64

4.1.1. Методика проведения экспериментов............................64

4.1.2. Методика численного эксперимента.............................68

4.1.3. Результаты фильтрования в воронке, их обсуждение и сравнение с расчетными данными.........................................69

4.2. Экспериментальная проверка предложенной теоретической модели работы горизонтального отстойника-накопителя...................79

4.2.1. Методика проведения экспериментов............................79

4.2.2. Методика численного эксперимента.............................82

4.2.3. Результаты экспериментов, их обсуждение и сравнение с расчетными данными.....................................................84

4.3. Исследование свойств фильтрующего материала................. 100

4.3.1. Методика проведения экспериментов.......................... 100

4.3.2. Методика численного эксперимента............................104

4.3.3. Результаты эксперимента, их обсуждение и сравнение с расчетными данными................................................... 105

5. РАЗРАБОТКА МЕТОДА РАСЧЕТА ГОРИЗОНТАЛЬНОГО ОТСТОЙНИКА-НАКОПИТЕЛЯ............................... 109

5.1. Алгоритм расчета горизонтального отстойника-накопителя......... 109

5.2. Пример расчета ГОН и технико-экономическое сравнение

с типовой конструкцией........................................117

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ.............................................122

ЛИТЕРАТУРА.....................................................124

ПРИЛОЖЕНИЕ 1. Обозначения, принятые в программах................133

ПРИЛОЖЕНИЕ 2. Программа моделирования процесса работы

горизонтального отстойника-накопителя............. 137

ПРИЛОЖЕНИЕ 3. Программа моделирования фильтрования в воронке.... 155 ПРИЛОЖЕНИЕ 4. Программа моделирования фильтрования через

фильтрующий материал............................ 159

ПРИЛОЖЕНИЕ 5. Акт внедрения результатов исследования на Улешовской

нефтебазе (г. Саратов).............................. 162

ПРИЛОЖЕНИЕ 6. Акт внедрения результатов исследования в

ООО «Саратовводоканалпроект».....................164

ПРИЛОЖЕНИЕ 7. Описание изобретения 1711744..................... 165

ВВЕДЕНИЕ

Современные нормы проектирования и строительства требуют обязательного проведения мероприятий по охране окружающей среды при строительстве новых и реконструкции действующих промышленных и сельскохозяйственных объектов. Причиной тому служит постоянное ухудшение экологической обстановки и, как следствие, установление более жестких норм на сброс загрязняющих веществ, превышение которых влечет серьезные экономические санкции и отрицательные социальные последствия.

При строительстве основная нагрузка по приему загрязняющих веществ падает на поверхностные водоемы. Причиной этого является сильнозагрязнен-ный поверхностный сток с территории строительных площадок. Так, например, среднее содержание нефтепродуктов в поверхностном стоке с территории стройплощадок 18-40 мг/л, а предельно допустимая концентрация (ПДК) для поверхностного стока в акватории г. Саратова 0,05 мг/л. Положение осложняется тем, что при реконструкции предприятия поверхностный сток дополнительно загрязняется технологическими сточными водами.

Вопрос очистки сточных вод и обработки осадков, образующихся при строительстве и реконструкции предприятий изучен крайне мало.

Большие затраты на реализацию мероприятий по охране окружающей среды в условиях финансового кризиса сказываются на удорожании строительства или реконструкции объектов. Выход из создавшейся ситуации видится только в одном - применении ресурсосберегающих технологий, позволяющих выполнять природоохранные требования, причем сооружения, используемые на стадии строительства, должны не демонтироваться, а легко интегрироваться в систему очистки стоков предприятия по окончании строительства. Эффективность технологии очистки стоков определяет оптимальное соотношение содержания сухого вещества в очищенной воде и влажности осадка (с учетом их дальнейшей утилизации) с затратами на очистку стоков.

Применительно к стокам, образующимся при строительстве предприятий и агропромышленных комплексов, наилучшим соотношением перечисленных параметров обладают горизонтальные отстойники-накопители. Эти отстойники позволяют очищать стоки с эффектом очистки до 90% по взвешенным веществам, до 80% по нефтепродуктам, при этом влажность обезвоженного осадка не превышает 80%. Существующие конструкции горизонтальных отстойников-накопителей, технология их эксплуатации и методы расчета имеют ряд недостатков, что сдерживает их применение в практике защиты окружающей среды в области строительства.

Целью данного исследования является разработка конструкции и метода расчета горизонтальных отстойников-накопителей с учетом характеристик обрабатываемой суспензии и фильтрующего материала, что, в свою очередь, позволит защищать окружающую природную среду, эффективно используя материальные и финансовые ресурсы.

Полученные результаты исследований позволили разработать основы организации природоохранных мероприятий с применением горизонтального отстойника-накопителя новой конструкции. Применение отстойника-накопителя позволит снизить затраты энергии на очистку стоков, получать фильтрат с эффектом очистки по сухому веществу до 90% при влажности осадка не более 80%.

Теоретические исследования работы горизонтальных отстойников-накопителей позволили определить основные закономерности его работы, что послужило основой для разработки метода и программы расчета.

Предложен алгоритм расчета отстойника и методика исследования свойств обрабатываемой суспензии, осадка и фильтрующего материала. Использование алгоритма расчета позволяет эффективно и гибко приспосабливаться к конкретным условиям строительства и производства.

Результаты исследования могут быть использованы проектно-конструкторскими организациями при разработке технологических линий очи-

стки стоков и обезвоживания осадков в практике охраны окружающей среды в области промышленного и сельскохозяйственного строительства, а также в коммунальном хозяйстве.

Результаты исследований докладывались и обсуждались на III региональной студенческой конференции «Экология, природопользование, охрана окружающей среды», Пенза, 1996 г.; на I международном конгрессе «Вода: экология и технология», Москва, 1996 г.; на международной конференции «Проблемы транспортного строительства и транспорта», Саратов, 1997 г.; на III международном конгрессе «Вода: экология и технология», Москва, 1998 г.; на всероссийской научно-практической конференции «Возрождение Волги -проблемы и пути решения», Саратов, 1998 г.; на научно-технических конференциях Саратовского государственного технического университета ежегодно с 1994 по 1998 г. По теме диссертации опубликовано 8 научных работ и получено авторское свидетельство.

1. ОБЗОР ТЕХНИЧЕСКИХ СРЕДСТВ И МЕТОДОВ ЗАЩИТЫ ОКРУЖАЮЩЕЙ СРЕДЫ ПРИ СТРОИТЕЛЬСТВЕ ПРЕДПРИЯТИЙ И АГРОПРОМЫШЛЕННЫХ КОМПЛЕКСОВ

1.1. Свойства стоков, образующихся при строительстве и реконструкции предприятий и агропромышленных комплексов, и их влияние на окружающую среду

При строительстве и реконструкции предприятий и агропромышленных комплексов окружающая природная среда испытывает значительную нагрузку, вызванную, главным образом, выносом загрязняющих веществ с поверхностным стоком и технологическими сточными водами. Среднее содержание взвеси в поверхностных стоках благоустроенных микрорайонов составляет 1,4-1,5 г/л, а при наличии строительных площадок содержание взвеси возрастает до 6 г/л [50]. Характеристика поверхностного стока с территории строительных площадок приведена в табл. 1.1, где приведены также предельно допустимые концентрации загрязняющих веществ в сточных водах перед сбросом их в Волгоградское водохранилище в акватории г. Саратова.

Таблица 1.1

Характеристика сточных вод с территории строительных площадок [30,50]

Показатели Концентрации, мг/л Вынос, кг за год с 1 га пдк, мг/л

Взвешенные вещества 3000-15000 3500 18000 0,25

БПКШЛН 40-120 140-200 3

Нефтепродукты 18-40 60-100 0,05

Азот общий 2-4 4-6 <10

Фосфор 0,5-1 1-1,5 0,15

Минеральные соли 300-500 400-600 —

Коли-титр 0,1-0,0004 —

Влияние на окружающую среду стока с территории строительных площадок мало изучено, но его можно оценить косвенно по влиянию селитебных

поверхностных стоков, которое изучено в большей мере [96,97,98,99]. Зарубежные исследователи показали, что 36% загрязнений, поступающих в реку В. Пассаик (США), выносится с дождевыми стоками [89]. По данным [50] число бактерий группы кишечной палочки после выпадения дождей увеличивается в 10 раз. Очевидно, что сброс стоков, образующихся при строительстве предприятий и агропромышленных комплексов без очистки не допустим.

Существенной особенностью поверхностного стока является резкая неравномерность распределения концентраций загрязнений в стоке по ходу дождя (рис. 1.1) [50].

звесь, мг/л; ВПК, мг/л 14000 _ 140г

12000

120

10000 - 100

8000 _ 80

6000 _ 60

4000 _ 40

2000 _ 20

|\ У1

и// /

| у

\ иг

1\ т—---—

ВПК 5

взвеиенные вещества

20

40

60

Бремя, мин.

Рис. 1.1. Динамика изменения концентраций загрязнений по БПК и взвешенным веществам: 1 - при средней интенсивности дождя 23,3 л/(с-га); 2 -при средней интенсивности дождя 2,6 л/(с-га).

Анализ приведенных на рис. 1.1 данных показывает, что сток при дожде малой интенсивности отличается меньшим темпом снижения концентрации и более концентрирован. Большая часть годовых осадков выпадает с дождями

малой и средней интенсивности, поэтому в [50] сделан вывод, что большая часть загрязнений поступает с осадками средней интенсивности.

Это позволяет утверждать, что для эффективной очистки поверхностных стоков большее значение имеет качество очистки, а не наращивание производительности очистных сооружений за счет их объема с целью перехватить весь сток в дождь высокой интенсивности.

Строительство и реконструкцию агропромышленных комплексов проводят, как правило, по очередям, поэтому поверхностный сток отводится совместно с технологическими стоками, что подвергает окружающую среду значительной опасности (см. табл. 1.2 и табл. 1.3)

Таблица 1.2

Характеристика ливневых стоков агропромышленных предприятий [33]

Характеристика бассейна стока Содержание взвешенных веществ, мг/л БПК, мг/л

Выгульные площадки крупного рогатого 2000-3000 1000-1500

скота и свинеи.

Внутрифермские дороги с твердым покры- 250-400 50-80

тием

Открытые стоянки автомашин и другой 800-1200 160-200

сельскохозяйственной техники

Крыши зданий 75-120 25-40

Таблица 1.3

Характеристика стоков свиноводческих комплексов [15]

Показатель Способ удаления стоков

Самосплав Самосплав с частичным гидросмывом Гидросмыв

Взвешенные вещества, мг/л 30936 26143 17900

ХПК, мг/л 1988 1893 917

БПК5, мг/л 1043 8991 368г

Азот аммонийный, мг/л 1101 647 805

Число микроорганизмов, млн./л 23,3 5,0 13,5

Яйца гельминтов в 1 л 8,8 90,4 11,9

Такие стоки подлежат обязательной очистке и обеззараживанию [33]. Стоки агропромышленных предприятий и комплексов являются удобрением только при соблюдении норм безопасного внесения в почву (см. таблицу 1.4).

Таблица 1.4

Число животных (в условных головах) на 1 га пашни при дождевании животноводческими стоками при различных нормах по азоту [58]

Вид животных Соотношение сельскохозяйственных культур (зерновые : пропашные : травы) в севообороте %

60:20:20 40:20:40 20:20:60 0:0:100

200 кг Ы/га 300 кг Ы/га 400 кг И/га 500 кг Шга

Коровы 2,0 3,0 4,0 5,0

Телята 2,5 3,5 4,5 5,5

Молодняк КРС 2,0 3,0 4,0 5,0

КРС на откорме 2,0 3,0 4,0 5,0

Племенные свиньи 2,5 3,5 4,5 5,5

Свиньи на откорме 2,5 3,5 4,5 5,5

Примечан и е. За одну условную голову принято поголовье, имеющее общую массу 500 кг.

При разработке мероприятий по охране окружающей среды приходится принимать во внимание и дополнительные условия в виде пригодности почв для орошения стоками (см. таблицу 1.5). На практике размещать отходы производства без ущерба для окружающей среды или увеличения стоимости перевозок не удается.

Полив сельскохозяйственных угодий сточными водами комплексов экономичен в радиусе 1,5-2 км [15], но даже при средних нормах внесения биогенных веществ для молочно-товарной фермы на 1200 голов требуется 490 га сельхозугодий [4,9], отвечающих требованиям, приведенным в табл. 1.5. Полив неразведенными стоками приводит к загрязнению почвенного покрова, поэтому рекомендуется разбавлять стоки водой в соотношении 1:10 [15].

Таблица 1.5

Критерии пригодности почвы для орошения навозными стоками [4]

Критерий пригодности почв

Степень Диапазон

Степень пригодности почв Коэффициент фильтрации, мм/ч естественной дренированное™, мм/сут. Поверхностный сток Затапливаемость доступной влаги в 1,5 метровом слое почвы, мм

Пригодные 10...250 200 Нет Не затапливается 300

Ограниченно Кратковременное

пригодные 250...500 20...200 Средний затопление во вневегетацион-ный период 300...75

Непригодные Силь- Затапливается в

>500 20 ный вегетационный <75

период

Еще один аспект влияния стоков агропромышленных комплексов на окружающую среду - загрязнение почвы болезнетворными микроогрганизмами и яйцами