автореферат диссертации по строительству, 05.23.04, диссертация на тему:Разработка метода оценки физико-химических и гидродинамических параметров процесса извлечения взвеси при осветлении воды на скорых фильтрах

Введение.

Глава 1. Литературный обзор. Основные закономерности процесса фильтрования и методы их описания.

§1.1. Технологические и физико-химические основы процесса фильтрования.

§1.1.1. Краткая характеристика процесса фильтрования малоконцентрированных суспензий на зернистых фильтрах.

§1.1.2. Гидродинамические и физико-химические факторы процесса фильтрования.

§1.2. Основные методы описания процесса осветления воды.

Глава 2. Экспериментальные исследования процесса насыщения зернистой загрузки.

§2.1. Описание экспериментально^

§2.2. Характеристика зернистой загрузки фильтра.

§2.3. Характеристики использованных суспензий.

§2.4. Методика проведения эксперимента.

§2.5. Результаты экспериментов, их анализ и обсуждение.

Глава 3. Оценка влияния основных физико-химических факторов процесса фильтрования.

§3.1. Оценка гидродинамической составляющей энергии потока.

§3.2. Оценка молекулярно-кинетической составляющей энергии частиц суспензии (энтропийной составляющей).

§3.3. Оценка электрокинетической составляющей энергии взаимодействия частиц взвеси и загрузки.

§3.4. Оценка поверхностной составляющей энергии взаимодействия.

§3.5. Анализ и обсуждение полученных результатов

Глава 4. Математическая модель кольматации зернистой загрузки скорого фильтра.

§4.1. Математическая модель локальной кольматации зернистой загрузки.

§4.2. Математическая модель кольматации зернистой загрузки скорого фильтра в одномерном случае.

§4.3. Оценка значений константы равновесия полислойной адгезии.

§4.4. Оценка коэффициента турбулентной диффузии.

§4.5. Анализ эволюции системы при изменении основных внутренних параметров процесса фильтрования.

§4.5.1. Анализ отклика системы на увеличение константы равновесия адгезии В.

§4.5.2. Анализ отклика системы на уменьшение константы равновесия адгезии В.

§4.5.3. Анализ отклика системы на увеличение коэффициента турбулентной диффузии D.

§4.5.4. Анализ отклика системы на уменьшение коэффициента турбулентной диффузии D.

§4.6. Анализ эволюции системы при изменении скорости фильтрования.

§4.6.1. Анализ отклика системы на увеличение скорости фильтрования.

§4.6.2. Анализ отклика системы на уменьшение скорости фильтрования.

Выводы.

Диссертация посвящена экспериментальному и теоретическому исследованию факторов, определяющих процесс осветления воды от взвеси на зернистых фильтрах, работающих со скоростями, характерными для режима скорого фильтрования.

Актуальность работы.

Зернистые осветлительные фильтры являются одними из самых важных сооружений на очистных водопроводных станциях, их задачей является наиболее полное устранение мутности и цветности, а также удаление взвешенных веществ, образующихся в ходе протекания других процессов водоочистки (обез-железивания, умягчения и др.).

Для описания работы зернистых фильтров предложено множество математических моделей как отечественными (Д. М. Минц, Ю. М. Шехтман, Е. В. Венецианов, М. Г. Журба и др.) так и зарубежными авторами (Т. Ивасаки, Дж. Айвес, С. Мацкрле и др.). В ходе исследований был выявлен физический смысл явления, оценены на качественном уровне основные факторы, влияющие на процесс фильтрования, предложены методы технологического моделирования, разработаны новые конструкции фильтров и т. д. Однако применение математических моделей процесса для практических расчетов ограничено, как правило, лишь теми областями состава воды и взвеси, на основании которых они были получены. Поэтому для применения основных расчетных зависимостей в практике проектирования приходится прибегать к технологическому моделированию. Вследствие этого необходимо решение вопроса практической применимости той или иной математической модели в конкретных условиях при разнообразном физико-химическом составе воды и взвеси в водоисточнике.

Цель работы.

Целью работы является разработка методики учета на количественном уровне влияния отдельных физико-химических и гидродинамических факторов процесса фильтрования с использованием энергетических показателей; разработка методики оценки суммарного влияния этих показателей; исследование отклика системы на их изменение.

Научная новизна.

В работе разработана методика оценки значений основных энергетических составляющих процесса фильтрования воды на скорых фильтрах. Построена математическая модель процесса, позволяющая оценивать влияние всей совокупности этих факторов на ход процесса осветления воды.

Практическая ценность.

Предложена методика определения основных параметров процесса фильтрования без проведения предварительного технологического моделирования, позволяющая оценивать мутность фильтрата и насыщение зернистой загрузки в ходе осветления воды на скорых фильтрах. Показано, что данная методика может быть распространена на режим медленного фильтрования.

На защиту выносится.

Обзор современных взглядов на процесс осветления воды в скорых фильтрах. Методика проведения экспериментов и результаты по послойному насыщению фильтрующей загрузки. Методика оценки энергетических параметров процесса фильтрования. Математическая модель, учитывающая суммарное влияние этих параметров на основе уравнений турбулентной диффузии и поли-слойной адгезии.

Апробация работы.

Результаты диссертационной работы докладывались на Межвузовском семинаре студентов и аспирантов в МГП «Мосводоканал» в 1998 году, научно-технических конференциях Московского Государственного Университета При-родообустройства в 1999 - 2000 годах и на научно-технической конференции Московского Государственного Горного Университета в 1999 году.

Публикации.

По результатам исследований опубликованы 4 статьи. 5

Структура и объем диссертации.

Диссертация состоит из введения, четырех глав, выводов, списка цитированной литературы и приложений. Диссертация изложена на 222 страницах. Объем диссертации включает 137 страниц машинописного текста, 121 рисунок, 19 таблиц, выводы, список цитированной литературы (66 наименований) и 3 приложения.

186 Выводы

1. Оценка физико-химических и гидродинамических параметров процесса извлечения взвеси при осветлении воды на скорых фильтрах может быть проведена с помощью отдельных составляющих полной энергии частил, взвеси, находящихся в поровом пространстве фильтрующей загрузки. В качестве таких энергетических составляющих выделены гидродинамическая, молекулярно-кинетическая, электрокинетическая и поверхностная. Образованию осадка способствуют поверхностная и электрокинетическая составляющие (в случае противоположных знаков зарядов взвеси и загрузки), диспергированию осадка способствуют гидродинамическая, молекулярно-кинетическая и электрокинетическая составляющие (в случае одинаковых знаков зарядов взвеси и загрузки).

2. Оценка энергетических составляющих показала, что наибольшее значение в пересчете на 1 моль частиц взвеси имеет гидродинамическая энергия потока. Поверхностная, электрокинетическая и молекулярно-кинетическая составляющие соответственно меньше гидродинамической примерно на 3, 4 и 8 порядков.

3. Показано, что непосредственно на диспергирование осадка идет малая часть гидродинамической энергии потока (примерно 10"5), локализуемая в слое Прандтля.

4. Построена математическая модель процесса захвата и удержания взвеси зернистой загрузкой скорого фильтра на основе уравнения турбулентной диффузии и уравнения изотермы полислойной адгезии. С помощью математической модели проанализировано суммарное влияние отдельных энергетических составляющих процесса фильтрования.

5. На математической модели исследованы параметры фильтрационной системы, определяющие ход процесса извлечения взвеси при осветлении воды и характер заиления фильтрующей загрузки: константа полислойной адгезии В и коэффициент турбулентной диффузии D.

187

6. Проанализирован отклик системы на изменение константы равновесия полислойной адгезии В. Показано, что увеличение значений В ведет к увеличению концентрации осадка, изменению режима работы фильтра с ростом концентрации осадка сверху вниз; снижение значений В, наоборот, - к уменьшению концентрации осадка и интенсивному выносу загрязнений из фильтра.

7. Проанализирован отклик системы на изменение коэффициента турбулентной диффузии D. Показано, что увеличение значений D приводит к расширению и медленному продвижению концентрационного фронта; снижение значений D - к сжатию и быстрому продвижению фронта вглубь загрузки.

8. Математическая модель, включающая энергетические составляющие процесса захвата и удержания взвеси, описывает влияние изменения скорости фильтрования: на изменение характера заиления загрузки; при высокой скорости фильтрования снижается концентрация осадка в загрузке, наблюдается сжатие и интенсивное перемещение концентрационного фронта; при низкой скорости фильтрования повышается поглощающая способность загрузки, наблюдается расширение фронта и уменьшение скорости его продвижения.

1. Гидродинамические и физико-химические свойства горных пород. Под ред. ВеригинаН. Н. М., Недра, 1977.-272 с.

2. Минц Д. М. Теоретические основы технологии очистки воды. М.: Стройиздат, 1964. - 156 с.

3. Акжаев Р. И., Мельцер В. 3. Производство и применение фильтрующих материалов для очистки воды. Л.: Стройиздат, Ленинградское отделение, 1985. - 120 с.

4. Гончарук В. В., Дешко И. И., Герасименко Н. Г. и др. Коагуляция, флокуляция, флотация и фильтрование в технологии водоподготовки// Химия и технология воды. -1998, т. 20, №1, с. 19 28.

5. Шкроб М. С. Современные методы водоподготовки и обработки котловой воды. М.: Госэнергоиздат, 1947. - 172 с.

6. Лапшин М. И., Строганов С. Н. Химия и микробиология питьевых и сточных вод. М.: Госстройиздат, 1938. - 316 с.

7. Шехтман Ю. М. Фильтрация малоконцентрированных суспензий. М., Изд-во АН СССР, 1961. - 212 с.

8. Ives К. J. Progress in Filtration//AWWA, 1964, v. 56, №9. с. 1225 - 1232.

9. Mackrle V. The theory of rapid filtration. International Supply Congress, Barselona, 1966.

10. Мацкрле В. Исследование влияния прилипания в пористой среде. -Прага: АН ЧССР, 1961. 189 с.

11. Мельцер В. 3. Исследование гидравлического сопротивления водоочистных зернистых фильтров в процессе кольматации// Дисс. на соискание канд. техн. наук. -М.: АКХ, 1971.-155 с.

12. Криштул В. П. Исследование задерживающей способности кварцевых фильтров на городских водопроводах// Дисс. на соискание канд. техн. наук. -М.: АКХ, 1951. 193 с.

13. Аэров М. Э., Тодес О. М. Гидравлические и тепловые основы работы аппаратов со стационарным и кипящим зернистым слоем. Л.: Химия, 1968.-512 с.

14. Lerk С. F. Some aspects of the deferrisation of groundwater, thesis, Technical University, Netherlands, 1965.

15. Mackrle V., Dracka O., Svee J. Hydrodinamics of the disposal of low level liquid radioactive wastes in soil. Institute of Hydrodinamics Chechoslovak Academy of Sciences, Praha, 1965.

16. Минц Д. M. Применение метода технологического моделирования к расчету потери напора при фильтровании суспензий. Сборник науч. Трудов АКХ, вып. 30, Водоснабжение №4, 1964. с. 74 - 83.

17. Минц Д. М. Фильтрация малоконцентрированных водных суспензий через зернистые слои. Науч. Труды АКХ, вып. 2 3, 1951. - с. 3 -12.

18. Мишх Д. М. Кинетика фильтрации малокондентрированньтк суспензий на водоочистных фильтрах. Доклады АН СССР, т. 78, №2, 1951. с. 315 -318.

19. Журба М. Г. Применение теории фильтрования в инженерных расчетах// Водоснабжение и санитарная техника. 1993, №7. - с. 2 - 6.

20. Журба М. Г. Очистка воды на зернистых фильтрах. Львов: Изд-во при Львовском Университете, 1980. - 200 с.

21. Amirtharajah A. Some Theoretical and Conceptual Views of Filtration// AWWA. 1988, v. 80, № 12. - c. 36 - 46.

22. Веницианов E. В., Рубинштейн P. H. Динамика сорбции из жидких сред. -М.: Наука, 1983.-237 с.

23. Вейцер Ю. И., Минц Д. М. Высокомолекулярные флокулянты в процессах очистки природных и сточных вод. М.: Стройиздат, 1984. -201 с.

24. Бабенков Е. Д. Роль структурообразования в процессе фильтрационного осветления воды// Химия, и технология воды, 1982, т. 4, №1. - с. 35 - 39.

25. Вейцер Ю. И., Колобова 3. А., Сафонова Г. М. Влияние знака электрического заряда загрузки и взвешенных веществ на процесс фильтрования^ Научные труды АКХ им. К. Д. Памфилова. - М.: ОНТИ АКХ, 1974.-с. 32-42.

26. Бабенков Е. Д. Очистка воды коагулянтами. М.: Наука, 1977. - 356 с.

27. Виноградова О. И. Гидродинамическое взаимодействие гидрофобного и гидрофильного тел// Коллоидный журнал. — 1994, т. 56, №1, с. 39-44.

28. Кульский Л. А., Строкач П. П. Технология очистки природных вод. -Киев: Вища школа. Головное изд-во, 1981. 328 с.

29. Николадзе Г. И., Минц Д. М., А. А. Кастальский. Подготовка воды для питьевого и промышленного водоснабжения. М.: Высшая школа, 1984. -368 с.

30. Табиш М. Н. Формирование вторичной пористой структуры в зернистой загрузке при очистке мутных вод фильтрованием// Дисс. на соискание канд. техн. наук. М.: МГУП, 1998.- 156 с.

31. Алексеенко В. А., Скворцов Н. Г., Веницианов Е. В. Экспериментальное исследование фильтрационного осветления модельных суспензий с помощью радиометрического метода// Журнал прикладной химии. -1975, т. 48, вып. 5. с. 54 - 65.

32. Foess G. W., Borchadt J. A. Electrokinetic phenomena in the filtration of suspensions// AWWA. 1969, v. 61, № 7. - c. 333 - 338.

33. Миги Кайгиро. Япон. Патент кл. 72С340,1, №6266, РЖХ 54, 324П, 1969.

34. Клячко В. А., Рукавишников Г. А. Увеличение грязеемкости скорых фильтров//Водоснабжение и санитарная техника, 1968, №4. с. 16- 18.

35. Мацкрле С. Л. Исследование процессов адгезии взвешенных веществ в зернистом фильтре применительно к процессам очистки воды// Дисс. на соискание канд. техн. наук. (перевод), 1956. - 95 с.

36. Ярощевская Н, В., Андриевская М. Д., Сотскова Т. 3. Анализ влияния различных факторов на эффективность работы водоочистных фильтров// Химия и технология воды, 1993, т. 15, №4. с. 294 - 303.

37. Демчик И. И., Орлов В. О., Веницианов Е. В. Расчет параметров фильтров с плавающей загрузкой// Химия и технология воды, 1994, т. 16, №2. с. 115-118.

38. Эпштейн С. И. Математическая модель процесса фильтрования с учетом отрыва частиц// Журнал прикладной химии, 1993, т. 66, вып. 7. с. 1547 -1552.

39. Аюкаев Р. И., Грабовский П. А., Ларкина Г. М. Пути интенсификации фильтровальных сооружений// Химия и технология воды, 1991, т. 13, №11. -с. 1041 -1047.

40. Iwasaki Т. Some Notes он Sand Filtration// AWWA, 1937, v. 29. № 10. с. 1591 -1602.

41. Adin A., Rebhun M. Component of Deep-Bed Filtration Mathematical Model. Proc. Sym. on Water Filtration. European Federation of Chem, Engrg., Antwerp, Belgium, 1982.

42. Шехтман Ю. M. Фильтрация малоконцентрированных смесей жидкости со взвешенными твердыми частицами//Дисс. на соискание докт. техн. наук. М.: Институт механики АН СССР, 1952. - 282 с.

43. Ives J. К. New concept in filtration// Water and Water Eng., 1961. №. 7 - №. 9.

44. Mohanka S. S. Theory of Multylayer filtration// J. of Sanit. Eng. Div., 1969 -v. 95, № 6. c. 1079-1094.

45. Stein P. C. A Study of Theory of rapid filtration through sand. Thesis presented to MIT, at Cambridge, Mass., in 1940, in partial fulfillment of the requirements for the degree of Doctor of Science.

46. Maroudas A. Clarification of Suspensions: A study of Particle Deposition in granular filter media. Thesis presented to Univ. of London, England, 1961, in fulfillment of the requirements for degree of Doctor of Philosophy.

47. Mackrle V., Mackrle S. Adhesion in Filters// Transaction, ASCE, 1962, v. 127, Part 1П c. 269.

48. Ling J. T. A study of filtration through uniform sand filters// Proc. Paper № 751, ASCE, 1955, v. 81. - July.

49. Stanly D. R. Sand filtration studied with radiotracers// Proc. Paper №592, ASCE, 1955, v. 81.-January.

50. Yao К. M. et al Water and Wastewaster Filtration; Cincepts and Applications// Envir. Sci. & Technol., 1971, v. 5, №11, c. 1105 -1112.

51. Фоминых A. M. Теоретические основы глубокого разделения суспензий путем формирования структурированного осадка// Изв. ВУЗов. Строительство и архитектура, 1982, №7. с. 110-113.

52. Фоминых А. М. Математическая модель очистки воды фильтрованием и ее практическое применение// Водные ресурсы, 1980, №3. с. 194 - 199.

53. Кленов В. Б. Некоторые проблемы, связанные с расчетом фильтров. -Ташкент: Изв. АН УзССР, Серия технических наук, 1960, т. 5, с. 55 62.

54. Deb A. Theory of sand filtration// J. of the Sanitary Engineering Division, 1969, №3. -c. 399-422.

55. Лукашев E. А. Теоретические и экспериментальные исследования процессов электромембранной и адсорбционной технологий в применении к опреснению и очистке природных вод// Дисс. на соискание докт. техн. наук. -М.: РХТУ им. Менделеева, 1996. -421 с.

56. Крючков Ю. Н. Определение параметров пористой структуры и проницаемости пористых материалов// Теоретически основы химической технологии, 1998, т. 32, №5. с. 515 - 523.

57. Муллахметов P. X., Рыбников Н. Н. К развитию модели фильтрационного течения в рамках концепции эффективного диаметра// Инженерно-физический журнал, 1995, т. 68, №4. с. 559 — 563.

58. Thomas М. G., Amirthrajah A., Karr P. R. Effect of pacticle detachment in granular-media filtration// AWWA, 1992, v. 84, №2. c. 66 - 76.

59. Чудновский С. M. Применение элктрокинетических показателей в технологии осветления природных и сточных вод// Дисс. на соискание канд. техн. наук. Новочеркасск: НИМИ, 1978. - 153 с.

60. Payatakes А. С., Chi Tien, Turian R. M. A new model for granular porous media Part 1. Model Formulation, AIChE J., 1973a, v. 19, №1. - c. 58 - 67.

61. Chi Tien, Turian M. Raffy, Pendse H. Simulation of the dynamic behavior of deep bed filters// AIChE J., 1979, v. 25, №3. c. 385 - 395.

62. Фрог Б. H., Левченко А. П. Водоподготовка. М.: Издательство МГУ, 1996.-с. 680.

63. Щукин Е. Д., Ребиндер П. А. Образование новых поеврхностей при деформировании и разрушении твердого тела в поверхностно-активной среде// Коллоидный журнал, 1958, т. 20, №5. с. 645 - 654.

64. СНиП 2. 04. 02 84. Водоснабжение. Наружные сети и сооружения. - М.: Стройиздат, 1985. - 131 с.

65. Фридрихсберг Д, А. Курс коллоидной химии, С.-П.; Химия, 1995. - 400 с.

66. Щукин Е. Д., Перцов А. В., Амелина Е. А. Коллоидная химия. М.: Высшая школа, 1992. - 414 с.