автореферат диссертации по строительству, 05.23.04, диссертация на тему:Совершенствование систем очистки поверхностного стока предприятий первой группы на примере автотранспортных предприятий

На правах рукописи

ФЕЛЬДШТЕЙН ЕВГЕНИЙ ГРИГОРЬЕВИЧ

Совершенствование систем очистки поверхностного стока предприятий первой группы на примере автотранспортных предприятий

05.23.04 Водоснабжение, канализация, строительные системы охраны водных ресурсов

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Волгоград - 2014

005550618

Работа выполнена в федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Волгоградский государственный технический университет»

Научный руководитель доктор технических наук, профессор

Официальные оппоненты:

Желтобрюхов Федорович

Владимир

Кнм Аркадии Николаевич

доктор технических наук, профессор кафедры

«Водопользование и экология» ФГБОУ ВПО «Санкт-Петербургский государственный архитектурно-строительный университет»

Доскина Эльвира Павловна

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

ФГБОУ ВПО «Южно-Российский государственный политехнический университет (НПИ) имени М.И. Платова»

Защита состоится 16 июня 2014 г. в 13-00 час. на заседании диссертационного совета ДМ212.026.05 в ФГБОУ ВПО «Волгоградский государственный архитектурно-строительный университет» по адресу: 400074, г. Волгоград, ул. Академическая, 1, ауд. Б-203.

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

Ведущая организация

Автореферат разослан йо апреля 2014 г.

Ученый секретарь диссертационного совета

Юрьев Юрий Юрьевич

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность. Наиболее эффективным способом уменьшения степени отрицательного воздействия поверхностных сточных вод на экологическое и санитарное состояние природных водоемов является строительство сооружений, обеспечивающих очистку до нормативных показателей наиболее загрязненной части, а, в некоторых случаях, всего объема организованного стока. Особенно актуальной проблема создания современных систем очистки поверхностного стока является для объектов автотранспорта, количество которых в населенных пунктах в зависимости от их размеров колеблется от десятка до тысяч единиц. Самые малые объекты имеют площадь водосбора порядка 0,1 га, площадь водосбора наиболее крупных объектов автотранспорта может достигать 10 га.

На сегодняшний день существует несколько вариантов создания систем очистки поверхностного стока, отводимого с территорий площадок предприятий первой группы, к которым относятся также объекты автотранспорта. Эти варианты в основном копируют зарубежные системы очистки поверхностного стока и не учитывают специфику работы и эксплуатации отечественных систем сбора и отведения поверхностного стока.

Одно из наиболее часто применяемых проектных решений при устройстве систем ливневой канализации предусматривает размещение подземных установок заводского изготовления непосредственно на коллекторах, транспортирующих дождевые, талые и поливомоечные воды. Однако при проектировании очистных сооружений поверхностного стока с территорий площадок объектов автотранспорта во внимание принимается главным образом наличие и концентрация в стоке только двух компонентов - взвешенных веществ и нефтепродуктов. В то же время не учитывается их фазово-дисперсное состояние, степень стабильности дисперсной фазы, возможность периодического поступления в поверхностный сток таких загрязняющих веществ как тяжелые металлы, ПАВ и различных других минеральных и органических токсичных соединений, а также не всегда учитывается изменение состава стока в широких пределах не только в разные периоды выпадения осадков, но и в течение одного дождя или в сутки снеготаяния.

При очистке поверхностного стока наибольшее распространение получили безреагентное и реагентное отстаивание, реагентное и безреагентное фильтрование через зернистые материалы, а также адсорбция на различных активированных углях. Однако фильтрующая загрузка требует периодической замены, что обусловливает необходимость значительных усилий и расходов. Применяемые загрузки фильтров промываются неэффективно, что приводит к большому потреблению электроэнергии и воды на собственные нужды (30-35% объема воды от производительности фильтра). Дозирование больших объемов химических реагентов обусловливает вторичное загрязнение окружающей среды

избытком не вступивших в реакцию реагентов. Наличие крупных складов регентов требует больших площадей и налаженного процесса транспортировки. Кроме того, сами реагенты имеют достаточно короткий срок годности (2-3 года).

Поэтому исследования, направленные на совершенствование систем очистки поверхностного стока объектов автотранспорта, разработку технологии и очистного оборудования, режимы и параметры работы которого изменяются в зависимости от качества поверхностного стока, являются актуальными.

Работа выполнялась в соответствии с тематическим планом научно-исследовательских работ ФГБОУ ВПО Волгоградского государственного технического университета.

Цель работы — снижение негативного воздействия на состояние природных водных объектов посредством совершенствования систем очистки поверхностных стоков автотранспортных предприятий.

Для достижения поставленной цели в работе решались следующие задачи:

- анализ качественно-количественных характеристик поверхностных сточных вод предприятий отрасли;

- анализ процессов и технологических схем очистки поверхностных стоков;

- анализ конструктивного исполнения оборудования и сооружений для очистки поверхностных стоков автотранспортных предприятий;

- проведение исследований по оценке закономерностей седиментации основных загрязняющих компонентов, содержащихся в поверхностных сточных водах предприятий автотранспорта;

- разработка технологической схемы очистки поверхностного стока автотранспортных предприятий;

экспериментальные исследования кинетики отстаивания поверхностных стоков без перемешивания и с перемешиванием;

- экспериментальные исследования по оценке эффективности очистки отстоянного поверхностного стока с применением электрохимической коагуляции;

- экспериментальные исследования по оценке затрат электроэнергии при проведении электрохимической коагуляции;

- исследование работы картриджей-дозаторов;

- проведение исследований по очистке поверхностного стока от растворенных нефтепродуктов;

- разработка конструктивно-аппаратурного оформления предложенной технологической схемы очистки поверхностных сточных вод автотранспортных предприятий;

- разработка методик расчета отдельных конструктивных элементов предложенной системы очистки поверхностного стока, а также технических

рекомендаций по проектированию сооружений для очистки ливневых и талых вод.

Основная идея работы состоит в разработке технологической схемы очистки поверхностного стока, предусматривающей совместное использование элекгрокоагуляции и химической коагуляции.

Методы исследования включали: аналитическое обобщение известных научных и технических результатов, экспериментальные исследования, обработку экспериментальных данных методами математической статистики.

Достоверность научных положений, выводов и рекомендаций обоснована применением классических положений теоретического анализа, планированием необходимого объема экспериментов, подтверждена удовлетворяющей требуемым критериям сходимостью полученных результатов экспериментальных исследований с результатами других авторов.

Научная новизна работы:

- на основе анализа фазово-дисперсного состояния, механических, физических и химических свойств удаляемых из сточных вод компонентов разработаны методологические основы применения электрохимической коагуляции при очистке поверхностных стоков;

- на основании результатов экспериментальных исследований выявлены значения режимных параметров (материал электродной системы, расстояние между электродами, удельная плотность тока, тип и концентрация вводимого коагулянта, условия образования стока), при которых обеспечивается наиболее высокое качество очищенной воды;

экспериментально определено влияние дозы металлов растворяющихся анодов на эффективность очистки дождевого и талого стоков при применении электрокоагуляции, а также влияние дополнительной дозы химического коагулянта на степень очистки талого стока в случае использования комплексного процесса, включающего электрокоагуляцию и химическую коагуляцию;

- экспериментально установлены зависимости, позволяющие оценить затраты электроэнергии при проведении электрохимической коагуляции с учетом основных режимных параметров работы системы очистки стоков;

экспериментально получены данные, характеризующие в зависимости от продолжительности дозирования, материала мембраны в картридже-дозаторе и глубины его погружения при введении коагулянта в сухом виде или в виде раствора;

- на основании результатов исследований установлены значения средней удельной производительности картриджей-дозаторов в зависимости от количества слоев мембраны и глубины их погружения.

Практическое значение работы:

- предложена технологическая схема очистки поверхностного стока автотранспортных предприятий с применением электрохимической коагуляции;

- усовершенствована методика седиментационного анализа сточных

вод;

- выполнено конструктивно-аппаратурное оформление разработанной технологической схемы очистки поверхностного стока в виде блочно-модульного водоочистного комплекса БМВК «УКОС-Д» («УКОС-ДП» для подземной установки);

- предложены методики расчета отдельных отдельных конструктивных элементов предложенной системы очистки поверхностного стока;

- разработаны технические рекомендации по проектированию сооружений для очистки ливневых и талых вод на базе блочно-модульного водоочистного комплекса «УКОС-Д»;

предложены технические решения по повышению производительности и сохранению эффективности установок электрохимической очистки сточных вод, новизна которых подтверждена патентами РФ на изобретение №2186037 от 27.07.2002 и № 2317949 от 27.02.2008.

Реализация результатов работы:

- БМВК «УКОС-Д» внедрены более, чем на 100 предприятиях, в том числе: на КС Береговая (ОАО "ГАЗПРОМ", проект "Голубой поток");в депо «Американские мосты», г. Санкт-Петербург; на станции Гатчина; на Ейск-Порт-Виста; на ОАО "Роснефть", ОАО "Транснефть". Трансойл Терминал; в ОАО "Карелия-ДСП"; на механическом заводе в г. Луцке (Украина); на металлургическом холдинге УЪХ (Словакия) и т.д.

На защиту выносятся:

- разработанные на основе анализа фазово-дисперсного состояния, механических, физических и химических свойств удаляемых из сточных вод компонентов методологические основы применения электрохимической коагуляции при очистке поверхностных стоков;

выявленные на основании результатов экспериментальных исследований значения режимных параметров (материал электродной системы, расстояние между электродами, удельная плотность тока, тип и концентрация вводимого коагулянта, условия образования стока), при которых обеспечивается наиболее высокое качество очищенной воды;

- результаты экспериментального определения влияния дозы металлов растворяющихся анодов на эффективность очистки дождевого и талого стоков при применении электрокоагуляции, а также влияния дополнительной дозы химического коагулянта на степень очистки талого стока в случае использования комплексного процесса, включающего электрокоагуляцию и химическую коагуляцию;

- экспериментально установленные зависимости, позволяющие оценить затраты электроэнергии при проведении электрохимической

коагуляции с учетом основных режимных параметров работы системы очистки стоков;

- полученные экспериментально данные, характеризующие в зависимости от продолжительности дозирования, материала мембраны в картридже-дозаторе и глубины его погружения при введении коагулянта в сухом виде или в виде раствора;*

- установленные значения средней удельной производительности ■картриджей-дозаторов в зависимости от количества слоев мембраны и глубины их погружения.

Апробация. Основные положения и результаты работы докладывались и получили одобрение на: Scandinavian Technical Fair (Стокгольм, Швеция, 2006 г.); научно-техническом форуме Евроросс (Берлин, Германия, 2013 г.); семинаре ОАО "РЖД" «Техносферная безопасность» (г. Санкт-Петербург,

2008 г.); информационно-технических семинарах по технологии очистки природных и сточных вод (Росприроднадзор, г.Волгоград, 2009; ТИП РФ, г.Белград, 2011); сетевом совещании экологов ОАО "РЖД" (г. Красноярск,

2009 г.); ТЭБТРАНС 2010 (ОАО "РЖД", г.Санкт-Петербург, 2010 г.); ТЭБТРАНС 2012 (ПГУПС, г. Санкт-Петербург, 2012 г. ); научно-практической конференции «Проблемы охраны производственной и окружающей среды» (г. Волгоград, 2012 г.); ежегодных научно-технических конференциях профессорско-преподавательского состава ФГБОУ ВПО Волгоградского государственного технического университета ( 2013 г.), ФГБОУ ВПО Волгоградского государственного архитектурно-строительного университета (2012 г., 2013 г.).

Публикации. Основные результаты исследований по теме диссертации опубликованы в 11 работах, в том числе в 5 статьях, опубликованных в изданиях, рекомендуемых ВАК РФ, 2 патентах РФ, книге.

Объем и структура работы. Диссертация состоит из введения, четырех разделов, заключения, библиографического списка и приложений. Общий объем работы: 191 страница, в том числе: 152 страницы - основной текст, содержащий 36 таблиц на 47 страницах, 49 рисунков на 38 страницах; список литературы из 160 наименований на 15 страницах; 5 приложений на 24 страницах.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы, сформулированы цель, задачи и основная идея работы, ее научная новизна и практическая значимость, приведены сведения об апробации и практическом внедрении результатов проведенных исследований.

Первая глава посвящена аналиигческому обзору и выбору направления исследований.

Характерными загрязняющими компонентами поверхностного стока с территории предприятий первой группы, в том числе и предприятий автотранспорта, являются механические примеси разной степени дисперсности минерального и органического состава, нерастворенные и растворенные нефтепродукты, растворенные органические соединения естественного происхождения, а также ионные примеси, представленные, главным образом, хорошо растворимыми минеральными солями.

Как показали результаты обследования более 20 предприятий в различных регионах, в реальных условиях концентрации загрязняющих веществ в поверхностном стоке объектов автотранспорта существенно отличаются от нормативных значений. Так, концентрация взвешенных веществ в дождевом стоке составила 60-5400 мг/л. В поливомоечиых водах она в некоторых случаях превышала 10000 мг/л, а в талом стоке находилась в пределах 380-7200 мг/л и зависела от эффективности уборки территории от снега и частоты его вывоза, а также от вида и количества применяемых антигололедных средств.

Весомый вклад в решение проблем сбора, отведения и очистки поверхностного стока в разные годы внесли отечественные ученые и специалисты П.Ф. Горбачев, H.H. Белов, Г.Г. Шигорин, М.В. Молоков,

A.И. Шнееров, Н.К. Чижов, A.A. Сурин, Б.О. Ботук, Г.Л. Зак, Л.Т. Абрамов^

B.C. Дикаревский, A.M. Курганов, А.П. Нечаев, H.A. Лукиных, М.И. Алексеев, В.Н.Шифрин, В.Н. Швецов, Н.С. Серпокрылов, В Г. Пономарев, М.Г. Журба, Л.В. Гандурина, Ж.М. Говорова и многие другие.

Проведенный анализ показал, что для поверхностного стока, отводимого с площадок предприятий 1-ой группы, в том числе объектов автотранспорта, в настоящее время на практике применяется достаточно ограниченное количество процессов очистки. При этом рекомендуются, главным образом, технологии механической, физико-химической и, в отдельных случаях, биологической очистки. Несмотря на сравнительно небольшое число возможных вариантов, выбор наилучшей доступной технологии очистки поверхностного стока во многих случаях производится без учета конкретных условий его формирования, состава, фазово-дисперсного состояния и концентрации загрязняющих веществ в стоке. Кроме того, до сих пор не в полной мере при разработке схем очистки поверхностного стока учитывается технологическое назначение отдельных процессов, что снижает эффективность, надежность и стабильность функционирования очистных сооружений, а также увеличивает трудоемкость их эксплуатации.

Все технологические схемы очистки поверхностного стока предусматривают последовательное извлечение вначале грубодисперсных механических частиц и нефтепродуктов, затем этих же веществ, находящихся в высокодисперсном и ультрадисперсном состоянии, и на последней стадии очистки - растворенных нефтепродуктов. Реагентная обработка очищаемого стока при этом в большинстве случаев производится

на стадии извлечения высокодисперсных и ультрадисперсных загрязняющих компонентов.

Вторая глава посвящена теоретическим и экспериментальным исследованиям закономерностей седиментации загрязняющих компонентов поверхностного стока автотранспортных предприятий.

Для определения размеров грубодисперсных частиц широко используется седиментационный анализ, как наиболее приемлемый для сточных вод различных категорий, т.к. позволяет установить распределение частиц и по размерам, и по скорости осаждения. В практических расчетах для определения скорости осаждения частиц используются несколько безразмерных критериев (Кирпичева, Лященко, Келегана и т.д.), однако наибольшее применение имеет критерий Архимеда. Поскольку известны предельные значения Ат для ламинарного и промежуточного режимов осаждения, то можно определить соответствующие этому значению критерия предельные размеры частиц для частиц с плотностью большей и меньшей плотности воды по выражениям (1) и (2) соответственно (табл. 1)

О.

= Ч Аг>1' (1) О = 'I Аг"2 (2)

\15Ро(А-Ро) 3 Л|ЯРо(РО-Р,) 4

Так как присутствующие в поверхностном стоке частицы имеют разную плотность и могут образовывать конгломераты с включением газовых пузырьков, для оценки способности таких образований всплывать (Ф < 1), осаждаться (Ф > 1), или находиться во взвешенном состоянии (Ф = 1), предложен безразмерный параметр Ф (3, 4), который после обработки данных седиментационного анализа может быть использован для расчета зоны осаждения аккумулирующей емкости

ф = £° = Ро(1+л'г +кз) = Ро = р0(1+Кг+К6)

Ра Р«и + (Р^/Р«)^ ** ' Ра Р«[1+(Р«,/Р„Ж5]

к2 = ^с/^ос; К3 = ^ /Рос; К5 = %С/УВС; Кб = КП/7ВС.

При проведении экспериментальных исследований кинетики отстаивания поверхностных стоков автотранспортных предприятий оценивались степень остаточной загрязненности поверхностного стока, эффект осаждения взвешенных веществ и эффект всплывания нефтепродуктов в зависимости от продолжительности отстаивания. В качестве примера на рис. 1 приведены графические зависимости, характеризующие степень остаточной загрязненности дождевого стока Е(т) взвешенными веществами от времени отстаивания, температуры стока и начальной концентрации загрязняющих компонентов. Аналогичные зависимости получены для талого стока, а также для степени остаточной загрязненности дождевого и талого стока нефтепродуктами.

Исследования влияния перемешивания на кинетику отстаивания поверхностного стока проводились в цилиндрических сосудах, в нижней части которых были установлены диспергаторы воздуха. Анализ полученных результатов показал, что эффект очистки поверхностного стока от взвешенных веществ отстаиванием при предварительном перемешивании

Таблица 1 - Предельные эквивалентные диаметры и скорости частиц в ламинарном и

промежуточном режимах движения

Режим осаждения Плотность частиц, г/cмJ

3,0 2,0 1,5 1,10,9 1,050,95 1,020,98 1,010,99

Эквивалентный ско диаметр частиц, мм/ рость осаждения частиц, мм/с

Ламинарный, шарообразные частицы Аг =36 0.085 7,8 0.12 7,8 0.17 7,9 0.32 5,6 0.41 4,6 0.56 3,4 0.71 2,1

Ламинарный, частицы произвольной формы Аг =36 /о при ф = 0,8 при ф - 0,6 при ф = 0,4 при ф = 0,2 0.038 1,5 0,054 1,5 0,077 1,5 0,14 0,92 0.19 0,79 0.25 0,54 0,32 0,45

0,037 1,2 0.052 1,2 0,073 1,2 0.14 0.85 0,18 0,71 0.24 0,5 0.31 0,39

0,034 0,75 0,048 0,75 0,068 0,75 0.13 0,55 0.16 0,42 0.22 0,32 0.28 0,26

0.03 0,39 0,042 0,38 0.06 0,39 0,11 0,26 0,14 0,21 0^2 0,17 0,25 0,14

Переходный Аг =83000 и. 196,1 М 185,4 12. 162,6 4^2 107,8 5^4 87,6 1Л 65,6 М 52,2

Е,%

Рис. 1. Изменение остаточной загрязненности дождевого стока взвешенными веществами: 1 - при С0 = 568 мг/л и t = 14°С; 2 - при С0 = 2322 мг/л и f = 19°С; 3 - при С0 = 697 мг/л и t = 21°С; 4 - при С0 = 178 мг/л и £ = 18°С; 5 -при С0 = 224 мг/л и е = 16°С; 6 - при С0 = 325 мг/л и £ = 21°С

изменяется незначительно, что свидетельствует о практическом отсутствии укрупнения частиц. В то же время эффект очистки стока от нефтепродуктов, как при отстаивании дождевого стока, так и талого стока, в отстоянных после перемешивания пробах существенно повышается, что является следствием протекающего при перемешивании процесса коалесценции эмульгированных частиц.

Третья глава посвящена экспериментальным исследованиям по определению режимных параметров работы элементов разработанной технологической схемы очистки поверхностного стока автотранспортных предприятий. Предложенная система (рис. 2) состоит из очистных блоков различного технологического назначения. Грубодисперсные примеси -взвешенные частицы неорганического и органического происхождения и грубоэмульгированные нефтепродукты - извлекаются в блоке аккумулирования и отстаивания. Высокодисперсные и ультрадисперсные твердые частицы, тонкоэмульгированные нефтепродукты извлекаются в блоке, в котором предусмотрена электрохимическая и химическая коагуляция нерастворенных частиц с последующей очисткой в пенополистирольном фильтре с зоной взвешенного слоя осадка. Растворенные нефтепродукты и другие органические соединения извлекаются в блоке доочистки, представляющем собой безнапорный адсорбционный фильтр, загруженный активированным углем с большим объемом макропор, что способствует процессу его биологической регенерации.

На первом этапе исследований предусматривалось изучение эффективности очистки отстоянного поверхностного стока электрохимической коагуляцией с использованием алюминиевых, стальных и комбинированных электродных систем с последующим фильтрованием очищаемого стока. Принципиальная схема лабораторного стенда приведена на рис. 3. В лабораторном электрокоагуляторе объемом 400 мл применялись электродные системы, состоящие из трех пластинчатых электродов, каждый из которых имел ширину 50 мм и рабочую высоту 100 мм. Расстояние между электродами было принято равным 5 мм. Исследования проводились с использованием электродных систем, все электроды которых (аноды и катод) выполнены из листового алюминия марки А5М (система Al) или из листовой стали марки Ст. 3 (система Fe), а также комбинированной системы, в которой один анод и катод выполнены из листового алюминия и один анод из листовой стали (система Al-Fe) (рис. 4). Отстоянный сток, который обрабатывался в лабораторном электрокоагуляторе, а также профильтрованные пробы анализировались по показателю мутности и содержанию эмульгированных нефтепродуктов. При применении в лабораторном электрокоагуляторе стальных электродов или комбинированной электродной системы профильтрованные пробы анализировались также на содержание остаточного железа. В результате исследований по очистке отстоянного поверхностного стока

электрокоагуляцией были установлены наименьшие дозы металла электродов, при которых обеспечивается наиболее высокое качество очищенной воды (табл. 2).

Рис. 2. Технологическая схема очистки поверхностного стока с территорий площадок автотранспортных предприятий.

1 - решетка; 2 - песколовка; 3 - аккумулирующая емкость с зоной отстаивания; 4 - насос подачи отстоянного стока в электрокоагулятор; 5 - электрокоагулятор; с алюминиевой системой электродов; 6 - выпрямитель; 7 - расходный бак коагулянта с насосом-дозатором или картридж-дозатор; 8 - камера флокуляции; 9 - пенополистирольный фильтр с зоной взвешенного осадка; 10 -адсорбционный фильтр; 11 - аппарат для УФ обеззараживания очищенной воды; 12 - водомерный узел; 13 - песковый насос; 14 -контейнер для песка; 15 -шламовый насос; 16 - уплотнитель осадка; 17 - насос подачи осадка на обезвоживание; 18 - установка для обезвоживания осадка; 19 - скиммер; 20 - бак нефтепродуктов

Рис. 3. Принципиальная схема лабораторного стенда для проведения исследований с использованием биполярного подключения электродной системы.

1 -электродная система; 2 - лабораторный электрокоагулятор; 3 -выпрямитель тока типа ВС-2; 4 - регулятор подаваемого тока; 5 -амперметр; 6 - вольтметр

б

Рис. 4. Общий вид исследуемых электродных систем: а - алюминиевые электроды; б - стальные электроды

Таблица 2 - Результаты исследований по очистке отстоянного поверхностного

стока при применении электрокоагуляции

Наименование показателя

Значение показателя при дозе вводимого при электрокоагуляции металла.

мг/л

Дождевой сток. Материал электродов - ал! Температура стот 0 1 5 1 10 | 15 | 20 | 25 оминий. Плотность тока 25 А/м2 са 19°С

Мутность, мг/л 68,6 8,5 2,7 1,8 1 8 1 9

Эмульгированные нефтепродукты, мг/л 24,8 6,4 0,9 0,5 0.5 07

Дождевой сток. Материал электродов - алюминий. Плотность тока 30 А Температура стока 21°С ^м2

Мутность, мг/л 42,8 9,6 2,4 1,6 1 8 1 6

Эмульгированные нефтепродукты, мг/л 12,5 4,3 1,1 0,4 0.6 07

Талый сток. Материал электродов - алюминий. Плотность тока 25 А'мг Температура стока 8°С

Мутность, мг/л 76,7 5,3 5,7 5,8 2,3 ? 4

Эмульгированные нефтепродукты, мг/л 35,8 8,3 3,4 2,9 1,8 1,7

I алый сток. Материал электродов - алюминий. Плотность тока 30 А/м2

Температура стока 10°С

Мутность, мг/л 94,9 8,3 4,4 4,8 1,9 7?

Эмульгированные нефтепродукты, мг/л 59,3 6,6 7,3 3,2 ? 1

Дождевой сток. Материал электродов - сталь. Плотность тока 25 А/м Температура стока 17°С 1

Мутность, мг/л 38,4 6,7 6,8 3,2 1,9 ? 1

Эмульгированные нефтепродукты, мг/л 8,3 6,7 3,4 3,6 0.7 0,6

Дождевой сток. Материал электродов - сталь. Плотность тока 30 А/м" Температура стока 19°С

Мутность, мг/л 57,8 5,6 7,7 4.7 1,8 1,9

Эмульгированные нефтепродукты, мг/л 22,7 8,3 6,8 5,6 0,8 0.9

Талый сток. Материал электродов - сталь. Плотность тока 25 А/м2 Температура стока 10°С

Мутность, мг/л 68,3 9,5 8,7 7,6 39 4 7

Эмульгированные нефтепродукты, мг/л 75,3 6,8 7,8 4,4 2,2 1.7

Анализ результатов исследований показал, что степень извлечения высокодисперсных и ультрадисперсных частиц, а также тонкоэмульгированных нефтепродуктов возрастает с увеличением дозы вводимого металла. При этом наиболее рациональная доза металла электродов зависит от вида поверхностного стока и материала применяющихся анодов. Так, при очистке дождевого стока с использованием алюминиевой электродной системы такая доза алюминия находится в диапазоне 10-15 мг/л. Для талого стока эта доза увеличивается до 20 мг/л, что связано с более низкой его температурой. При применении для электрокоагуляции стальной электродной системы наиболее рациональная доза вводимого железа превышает значение, полученное для алюминиевых электродов, и находится в пределах 20-25 мг/л в случае очистки дождевого стока и превышает 25 мг/л для талого стока.

В табл. 3 приведены результаты исследований по очистке отстоянного поверхностного стока после его обработки в электрокоагуляторе с комбинированной системой электродов. Анализ полученных результатов показал, что при использовании комбинированной системы электродов качество очищенной воды по показателям мутности и концентрации эмульгированных нефтепродуктов повышается. Кроме того, при этом необходимая доза по алюминию снижается до 7,5-10 мг/л и концентрация остаточного алюминия в очищенной воде не превышает ОД мг/л.

Таблица 3 - Результаты исследований по очистке отстоянного поверхностного стока при его обработке в электрокоагуляторе с комбинированной системой электродов

Наименование показателя Значение показателя при дозе вводимого при электрокоагуляции алюминия+железа, мг/л

0+0 | 2,5+7,7 | 5+15,5 | 7,5+23,2 | 10+30,9 [ 12,5+38,6

Дождевой сток. Плотность тока 25 А/м^ Температура стока 19иС

Мутность, мг/л 59,3 10,5 3,4 1,5 1,6 1,6

Эмульгированные нефтепродукты, мг/л 28,3 8,1 1,9 0,3 0,5 0,6

Дождевой сток. Плотность тока 30 А/м^ Температура стока 22°С

Мутность, мг/л 54,5 9,6 2,9 1,3 1,5 1,4

Эмульгированные нефтепродукты, мг/л 20,7 3,4 1,2 0,2 0,4 0,3

Талый сток. Плотность тока 25 А/м2 Температура стока 7иС

Мутность, мг/л 83,0 12,8 4,7 5,2 2,7 1,9

Эмульгированные нефтепродукты, мг/л 43,8 6,3 4,4 3,1 2,8 1,2

Талый сток. Плотность тока 30 А/м^ Температура стока 10иС

Мутность, мг/л 77,5 6,9 3,5 2,8 1,8 1,7

Эмульгированные нефтепродукты, мг/л 34,7 4,6 5,3 2,2 1,2 1,1

Так как для очистки талого стока требуется повышение дозы вводимого металла более чем в 2 раза, а период снеготаяния составляет примерно 10-20 дней в году, то целесообразно использовать в этот период процесс электрокоагуляции одновременно с химической коагуляцией. На втором этапе исследований по очистке поверхностного стока от высокодисперсных и ультрадисперсных частиц предусматривалось дополнительное дозирование в пробу раствора коагулянта, в качестве которого применялись сернокислый алюминий и хлорное железо. В табл. 4 приведены результаты исследований по очистке отстоянного талого стока после его обработки в электрокоагуляторе с одновременным дозированием коагулянта. Полученные данные свидетельствуют о том, что совместное применение электрокоагуляции и химической коагуляции для очистки талого стока позволяет получить очищенную воду с показателями такими же, как при очистке дождевого стока. Наилучшее качество очищенной воды обеспечивается при электрокоагуляции с использованием алюминиевых электродов в сочетании с химической коагуляцией хлорным железом. В этом случае в очищенном стоке концентрации остаточного алюминия и железа не превышают нормативных требований.

Таблица 4 - Результаты исследований по очистке отстоянного поверхностного

стока при применении электрокоагуляции и химической коагуляции

Доза коагулянта по металлу, мг/л

Наименование 0 5 10 15 20 25

показателя Значение показателя

Талый сток. Материал электродов - алюминий. Плотность тока 25 А/м "Доза

по алюминию 10 мг/л. Коагулянт - А17(504)з. Температура стока 9°С

Мутность, мг/л 88,3 9,4 6,7 4,8 1,9 1,9

Эмульгированные нефтепродукты, мг/л 54,7 12,3 6,9 2,5 0,6 0,7

Талый сток. Материал электродов - алюминий. Плотность тока 25 А/м2 Доза

по алюминию 10 мг/л. Коагулянт - РеСЬ. Температура стока 9иС

Мутность, мг/л 72,8 11,6 7,4 2,6 1,2 1,4

Эмульгированные нефтепродукты, мг/л 35,5 8,7 7,1 1,4 0,5 0,6

Талый сток. Материал электродов - сталь. Плотность тока 25 А/мг Доза по

железу 20 мг/л. Коагулянт - А12(504)1. Температура стока 10°С

Мутность, мг/л 78,3 9,8 7,7 . 1,8 1,9 1,7

Эмульгированные нефтепродукты, мг/л 45,3 6,3 6,4 1,9 0,8 0,7

Талый сток. Материал электродов - сталь. Плотность тока 25 А/м* Доза по

железу 20 мг/л. Коагулянт - ИеСЬ. Температура стока 8°С

Мутность, мг/л 91,7 8,7 5,4 2,8 2,1 2,2

Эмульгированные нефтепродукты, мг/л 39,4 9,6 8,3 2,2 2,2- 2,1

Важнейшим показателем, характеризующим процесс электрокоагуляции, является расход электроэнергии на очистку. Этот расход зависит от многих факторов, основными из которых являются плотность тока на электродах, расстояние между электродами, химический состав очищаемого стока и концентрация электролитов в нем. При расчете

расхода электроэнергии на процесс электрокоагуляции удобно использовать такую техническую характеристику как полезный удельный расход электроэнергии на электрохимическое растворение 1 г материала анодов.

При проведении исследований в случае монополярного подключения электродов был реализован полный факторный эксперимент типа Зк. В качестве определяющих факторов были выбраны: с - концентрация анионов в растворе, мг/л; г - плотность тока, А/м2; Ь - расстояние между электродами, мм. На рис. 5 представлены графические зависимости вида Рудп ~ [(-Са> I) при Ь = 5 мм. Аналогичные зависимости получены при Ъ = 10 мм и Ь = 15 мм.

Рис. 5. Зависимость удельного расхода электроэнергии от плотности тока при расстоянии между электродами 5 мм:

для алюминиевых электродов при концентрации хлоридов: 1 - 50 мг/л; 2-100 мг/л; 3 - 200 мг/л; 6 - 500 мг/л; 7- 1000 мг/л соответственно; для стальных электродов при концентрации хлоридов: 4-50 мг/л; 5 - 100 мг/л; 8 - 200 мг/л; 9 - 500 мг/л; 10 -1000 мг/л соответственно

При обработке экспериментальных данных получены уравнения регрессии, имеющие вид:

- для стальных электродов

Руд„ = -3394,32 + 0,1са(са ~ 1262,2) - 126,12Ь(Ь - 17,9232) + + 0,25г + 4,85£>ссг (5)

- для алюминиевых электродов

Руоп = 6,0893 + 0,000013г2 + 0,00002са + 0,28261Ь + 0,0005 Ьса (6)

Кроме хлоридов в поверхностном стоке содержатся также сульфаты. Поэтому экспериментально определялась степень влияния концентрации сульфатов на изменение величины удельного расхода электроэнергии. Так как при применении алюминиевых электродов в растворах сульфатов происходила их быстрая пассивация, то исследования проведены в растворах бинарного состава, включающего сульфаты и хлориды в равных концентрациях. Результаты экспериментальных исследований при расстоянии между электродами 5 мм представлены на рис. 6. Аналогичные зависимости получены при ¿>=10мми6=15 мм.

Рис. 6. Зависимость удельного расхода электроэнергии от плотности тока при расстоянии между электродами 5 мм:

для алюминиевых электродов при концентрации сульфатов и хлоридов: 1 - 25+25 мг/л; 2 - 50+50 мг/л; 3 - 100+100 мг/л; 6 -250+250 мг/л; 8 - 500+500 мг/л;

для стальных электродов при концентрации сульфатов: 4-50 мг/л; 5 - 100 мг/л; 7 - 200 мг/л; 9 - 500 мг/л; 10- 1000 мг/л

Уравнения регрессии в этом случае имеют вид:

- для алюминиевых электродов

Рудп = 1,3789 + 0,000121(1 + 5403,33) + 0,00003ссш^(ссг5О4 +

+ 1283,33)+ 0,3708Ь(Ь - 5,637) - 0,0007гссш)- - 0,0016;Ь + + 0,0106Ьссг5О4

- для стальных электродов

Рудп = -5,2421 + 0,00021(1 + 1314) - 0,00001с5ОДс5О^ - 1310) + + 0,01595Ь(Ь - 3,5611) - 0,0002£с5О4 + 0,00151Ь - 0,0003Ьс5О.

Анализ полученных результатов показывает, что полезный удельный расход электроэнергии для алюминиевых и стальных электродов независимо от расстояния между ними при наличии в стоке сульфатов существенно увеличивается по сравнению с хлоридсодержащим стоком, особенно при малых концентрациях сульфатов. Обязательным условием применения электрокоагуляции с алюминиевыми электродами в системе очистки поверхностного стока является наличие в нем хлоридов. Это условие практически всегда выполняется при очистке как дождевого, так и талого стока.

Для объектов с площадью водосбора меньше 1 га наиболее простым способом обработки стока коагулянтом является его введение при помощи картриджей-дозаторов. В качестве каркаса для картриджа-дозатора использовалась перфорированная полипропиленовая труба диаметром 50 мм со спиральной навивкой из нейлонового шнура. Высота корпуса картриджа-дозатора составляла 400 мм, полезная емкость - 600 мл (рис. 7). Коагулянт в картриджах-дозаторах использовался либо в сухом виде, либо в виде раствора.

Экспериментальные исследования параметров работы картриджей-дозаторов проводились в проточном и непроточном режимах. Результаты исследований на проточной модели (рис. 8), показывают, что при использовании коагулянта в растворенном виде наиболее равномерное дозирование достигается только в случае керамических мембран. При использовании тканевых мембран интенсивность дозирования коагулянта может регулироваться выбором материала ткани, а также количества ее слоев. Тканевые картриджи-дозаторы следует заполнять сухим

Рис. 7.

Картридж-дозатор: а - каркас картриджа-дозатора; б - картридж-дозатор в собранном виде; в - картридж-дозатор с эрлифтом

коагулянтом, так как в этом случае дозирование происходит более равномерно по сравнению с коагулянтом в растворенном виде.

Рис. 8. Зависимости концентрации железа в воде от продолжительности работы картриджа-дозатора: 1, 2 - с мембраной из двухслойного бельтинга при использовании коагулянта в растворенном виде при расходе 10 и 15 л/ч соответственно; 3-е мембраной из трехслойного бельтинга с использованием сухого коагулянта при расходе 15 л/ч; 4-е мембраной из трехслойного бельтинга при использовании коагулянта в растворенном виде при расходе 15 л/ч; 5-е мембраной из однослойного хлорина при использовании коагулянта в растворенном виде при расходе 15 л/ч; 6-е мембраной из двухслойного хлорина при использовании сухого коагулянта при расходе 15 л/ч; 7,8 - с мембраной из керамики при использовании коагулянта в растворенном виде при расходе Юл/ч

Исследовались также картриджи-дозаторы, в которых осуществлялось перемешивание эрлифтом для интенсификации растворения сухого коагулянта. Из полученных данных следует, что применение эрлифта в картридже-дозаторе позволяет существенно увеличить его производительность. Совместное использование высокопористой мембраны из некрашеного брезента и эрлифта обеспечивает рост производительности дозатора более чем в 50 раз по сравнению с мембраной из плотного бельтинга. В этом случае диаметр картриджа-дозатора для очистной установки производительностью 1,0 м3/ч составляет 100 мм. По результатам исследований по адсорбционной доочистке поверхностного стока на активированном угле марки БАУ-А крупностью 1-3 мм от нефтепродуктов и органических веществ установлено, что определяющее влияние на качество очищенной воды оказывает не скорость фильтрования и высота слоя адсорбента отдельно, а условное время контакта стока с адсорбентом, учитывающее оба эти параметра. Наилучшие результаты достигаются при условном времени контакта более 30-60 мин. при высоте

сорбента 1-2 м, принимаемой из условия обеспечения самотечного режима работы системы очистки.

Рис. 9. Зависимости концентрации трехвалентного железа в экспериментальной непроточной установке от продолжительности дозирования хлорного железа картриджем-дозатором: 1-3 - с использованием двухслойной мембраны из бельтинга при глубине погружения картриджа-дозатора 50, 100, 200 мм соответственно; 4, 5 - с использованием однослойной мембраны из бельтинга при глубине погружения картриджа-дозатора 50, 100 мм соответственно

В четвертой главе приводятся данные о практической реализации результатов проведенных исследований.

Разработанная технологическая схема очистки поверхностного стока реализована в двух модификациях - УКОС-Д для крупных производственных объектов (надземное размещение) и УКОС-ДП подземного размещения для объектов обслуживания транспорта и сферы услуг - для применения которых в практике проектирования систем водоотведения разработаны технические рекомендации.

На основе результатов исследований по кинетике отстаивания сточных вод усовершенствована методика седиментационного анализа и предложена методика расчета аккумулирующей емкости с пирамидальным (коническим днищем). Кроме того, разработаны методики расчета других конструктивных элементов - электрокоагулятора, картриджа-дозатора, адсорбционного фильтра, фильтра с плавающей загрузкой. Для повышения производительности и сохранения эффективности установок очистки поверхностного стока в течение срока эксплуатации предложены технические решения, новизна которых подтверждена патентами РФ на изобретение. Предотвращенный экологический ущерб от загрязнения водных объектов, рассчитанный для условий г. Санкт-Петербурга, составляет 1021 руб. на 1 м3 очищаемой воды.

Заключение

В диссертационной работе дано решение актуальной задачи, относящейся к разработке методов очистки сточных вод, технологической

схемы и конструкции используемых с этой целью установок и аппаратов. На основании проведенных теоретических и экспериментальных исследований можно сделать следующие основные выводы по работе:

1. По результатам проведенного анализа выявлено, что характерными загрязняющими компонентами поверхностного стока с территории автотранспортных предприятий являются механические примеси разной степени дисперсности минерального и органического состава, нерастворенные и растворенные нефтепродукты, растворенные органические соединения естественного происхождения, а также ионные примеси, представленные, главным образом, хорошо растворимыми минеральными солями. При очистке поверхностного стока наибольшее распространение получили безреагентное и реагентное отстаивание, реагентное и безреагентное фильтрование через зернистые материалы, а также адсорбция на различных активированных углях.

2. При очистке сточных вод для седиментационного анализа характерны некоторые особенности, связанные с полидисперсностью частиц, их различной плотностью и формой. Поэтому для расчета крупности содержащихся в сточных водах фракций не может бьггь использована формула Стокса для шарообразных частиц, традиционно применяемая при обработке экспериментальных данных по седиментации. Показано, что значительная часть взвеси, имеющей произвольную форму, осаждается в переходном гидравлическом режиме, при котором крупность частиц рассчитывается по формуле Аллена. Предложена усовершенствованная методика обработки экспериментальных данных, позволяющая получить распределение взвеси по гидравлической крупности, т.е. по показателю, который не требует предварительного определения плотности и формы частиц и их конгломератов.

3. Разработана технологическая схема очистки поверхностных сточных вод, предусматривающая применение электрохимической коагуляции, и реализованная в блочно-модульых водоочистных комплексах «УКОС-Д» и «УКОС-ДП», которые эксплуатируются более, чем на 100 предприятиях, в том числе: на КС Береговая (ОАО "ГАЗПРОМ", проект "Голубой поток"); в депо «Американские мосты», г. Санкт-Петербург; на станции Гатчина; на Ейск-Порт-Виста; на ОАО "Роснефть", ОАО 'Транснефть". Трансойл Терминал; в ОАО "Карелия-ДСП"; на механическом заводе в г. Луцке (Украина); на металлургическом холдинге 'VSZ (Словакия) и т.д.

4. Экспериментально установлено, что при очистке дождевого стока доза алюминия, обеспечивающая наивысшую степень очистки, в случае использования алюминиевой электродной системы составляет 10-15 мг/л, для талого стока - 20 мг/л. При применении стальной электродной системы аналогичная доза железа находится в пределах 20-25 мг/л для дождевого стока и превышает 25 мг/л для талого. При использовании для электрокоагуляции комбинированной системы электродов качество очищенной воды по показателям мутности и концентрации

эмульгированных нефтепродуктов повьппаетея по сравнению с показателями, полученными для электродных систем из алюминиевого или стального проката. Кроме того, установлено, что при этом необходимая доза по алюминию снижается до 7,5-10 мг/л, и концентрация остаточного алюминия в очищенной воде не превышает 0,1 мг/л даже в случае очистки талого стока.

5. Результаты проведенных исследований показали, что совместное применение электрокоагуляции и химической коагуляции для очистки талого стока позволяет получить очищенную воду с такими же показателями, как при очистке дождевого стока. Наилучшее качество очищенной воды обеспечивается при электрокоагуляции с использованием алюминиевых электродов в сочетании с химической коагуляцией хлорным железом. В этом случае в очищенном стоке концентрации остаточного алюминия и железа не превышают нормативных требований.

6. По результатам экспериментальных исследований установлено, что полезный удельный расход электроэнергии на электрохимическое растворение 1 г материала анодов уменьшается при повышении солесодержания в поверхностном стоке, снижении плотности тока и сокращения расстояния между электродами. Для растворения 1 г алюминиевых анодов по сравнению с растворением 1 г стальных электродов требуется в 2-3 раза увеличить расход электроэнергии. Вместе с тем, из-за более высокой (примерно в 2,0-2,5 раза) дозы железа, необходимой для очистки поверхностного стока, расходы электроэнергии на 1 м3 очищаемой воды, будут примерно одинаковыми в обоих случаях.

При обработке результатов экспериментальных исследований получены уравнения регрессии, характеризующие изменение величины полезного удельного расхода электроэнергии в зависимости от материала электродной системы, расстояния между электродами и солесодержания.

Для расчета электрокоагуляторов в предложенной системе очистки поверхностного стока рекомендуемая плотность тока составляет 25-30 А/м2, расстояние между электродами - 5 мм.

7. На объектах автотранспорта, имеющих площадь водосбора меньше 1 га, для обработки стока коагулянтом в период таяния снега могут применяться картриджи-дозаторы, заполненные хлорным железом. Как установлено в результате проведенных экспериментальных исследований, для обеспечения необходимой производительности картриджа-дозатора следует применять высокопористые тканевые мембраны, осуществлять постоянное или периодическое перемешивание его содержимого эрлифтом, производить периодическое добавление новых порций сухого коагулянта, и также увеличивать глубину погружения дозатора под уровень воды в очистном устройстве.

8. Разработаны технические рекомендации по проектированию сооружений для очистки ливневых и талых вод на базе блочно-модульного водоочистного комплекса «УКОС-Д», а также технические решения по

повышению производительности и сохранению эффективности установок электрохимической очистки сточных вод, новизна которых подтверждена патентами РФ на изобретение.

9. Предотвращенный экономический ущерб от загрязнения водной среды в расчете на 1 м3/ч очищаемой воды составляет 1021 руб.

Основное содержание работы отражено в следующих публикациях:

Работы, опубликованные в рецензируемых научных мсурналах и изданиях:

1. Проблемы загрязнения гидросферы продуктами, используемыми для водоподготовки и очистки сточных вод [Текст] / Е. Г. Фельдштейн [и др.] // Биосфера. - 2012. - Т. 4, № 2. - С. 167-176. (10/3 с)

2. Фельдштейн, Е. Г. Проблемы очистки поверхностного стока [Текст] / В. Ф. Желтобрюхов, Е. Г. Фельдщтейн // Вестн. Волгогр. гос. архитектур,-строит. ун-та. Сер.: Стр-во и архитектура. - 2013. - Вып. 30 (49). - С 206-211. (6/3 с)

3. Фельдштейн, Е. Г. О методах очистки поверхностных стоков автотранспортных предприятий [Электронный ресурс] / В. Ф. Желтобрюхов, Е. Г. Фельдштейн // Инженерный вестник Дона. - 2013. -№ 4. - Режим доступа: http://ivdon.ru/magazine/archive/nly2009/250 (доступ свободный). - Загл. с экрана. (7/3,5 с)

Патенты:

4. Пат. 2186037 Российская Федерация, МПК СО 2Е 1/463. Устройство для очистки сточных вод [Текст] / Фельдштейн Е. Г. [и др.] ; патентообладатель Общество с ограниченной ответственностью Научно-инженерный центр «ПОТЕНЦИАЛ-2». - № 20011006504 ; заявл. 02.03.01 ; опубл. 27.07.02, Бюл. № 21. (9/3 с)

5. Пат. 2317949 Российская Федерация, МПК С02 Б 1/463. Устройство для очистки сточных вод [Текст] / Фельдштейн Е. Г. [и др.] ; патентообладатель Общество с ограниченной ответственностью Научно-инженерный центр «ПОТЕНЦИАЛ-2». - № 20061005662/15 ; заявл. 15.02.06 ; опубл. 10.09.07, Бюл. № 6. (7/2 с)

Отраслевые издания и материалы конференций:

6. Проблемы водоснабжения и охраны гидросферы от загрязнения в связи с опытом Научно-инженерного центра «ПОТЕНЦИАЛ-2» в их решении [Текст] / Е. Г. Фельдштейн [и др.] // Биосфера. - 2010. - Т. 2, № 2. - Ч. 1 : Водоснабжение. - С. 214-230. (17/6 с)

7. Некоторые аспекты водоснабжения и охраны гидросферы от загрязнения (по опыту Научно-инженерного центра «ПОТЕНЦИАЛ-2») [Текст] / Е. Г. Фельдштейн [и др.] // Биосфера. - 2010. - Т. 2, № 3. - Ч. 2 : Охрана гидросферы от загрязнения. - С. 336-374. (39/13 с)

8. Опыт проектирования очистных сооружений японского автоконцерна в Санкт-Петербурге [Текст] / Е. Г. Фельдштейн [и др.] // Экология производства. - 2006. - № 11. - С. 39^13. (5/2 с)

9. Применение напорной флотации для очистки природных и сточных вод [Текст] / Е. Г. Фельдштейн [и др.] // Экология производства. - 2008. - № 12. - С. 51-54. (4/1 с)

10. Применение напорной флотации для очистки природных и сточных вод [Текст] / Е. Г. Фельдштейн [и др.] // Экология производства. - 2009. -№1.-С. 60-65. (6/2 с)

11. Гигиена и санитария. Библиография журнала (1932-2005 гг.). Содержание. Значение. Перспективы [Текст]: в 2 т. / Е. Г. Фельдштейн [и др.]. - Санкт Петербург : Изд-во Сергея Ходова. - 2009. - Т. 1 (848/141 с); 2010. - Т. 2 (552/92 с)

Фельдштейн Евгений Григорьевич

Совершенствование систем очистки поверхностного стока предприятий первой группы на примере автотранспортных предприятий

05.23.04 Водоснабжение, канализация, строительные системы охраны водных ресурсов

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Подписано в печать 14.04.2014 г. Формат 60x84/16 Бумага офсетная. Гарнитура Times New Roman. Печать трафаретная. Усл. печ. л. 1. Уч.-изд. л. 1,0. Тираж 100 экз. Заказ № 46

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Волгоградский государственный архитектурно-строительный университет» Отдел оперативной полиграфии 400074 г. Волгоград, ул. Академическая, 1

Федеральное государственное образовательное учреждение

высшего профессионального образования Волгоградский государственный технический университет

На б ^кописи

04201 459338

С"

Фельдштейн Евгений Григорьевич

Совершенствование систем очистки поверхностного стока предприятий первой группы на примере автотранспортных предприятий

05.23.04 Водоснабжение, канализация, строительные системы охраны водных ресурсов

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель доктор технических наук, профессор Желтобрюхов Владимир Федорович

Волгоград - 2014

Содержание

Стр.

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

ГЛАВА 1. АНАЛИТИЧЕСКИЙ ОБЗОР И ВЫБОР

НАПРАВЛЕНИЯ ИССЛЕДОВАНИЙ................ 12

1Л. Оценка качественно-количественных характеристик поверхностных сточных вод автотранспортных предприятий..........................................................................12

1.2. Анализ процессов и технологических схем очистки поверхностных стоков..........................................................26

1.3. Анализ конструктивного исполнения оборудования и сооружений для очистки поверхностных стоков автотранспортных предприятий........................................41

1.4. Обоснование и выбор направления исследований...... 42

1.5. Выводы по первой главе........................... 47

ГЛАВА 2. ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ И ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ

ИССЛЕДОВАНИЯ ЗАКОНОМЕРНОСТЕЙ СЕДИМЕНТАЦИИ ЗАГРЯЗНЯЮЩИХ КОМПОНЕНТОВ ПОВЕРХНОСТНОГО СТОКА АВТОТРАНСПОРТНЫХ ПРЕДПРИЯТИЙ........... 49

2.1. Теоретическая оценка особенностей седиментации взвешенных веществ и грубоэмульгированных нефтепродуктов....................................................................49

2.2. Экспериментальные исследования кинетики отстаивания поверхностных стоков автотранспортных предприятий........................................................................61

2.2.1. Методика проведения экспериментальных исследований........................................................................61

2.2.2. Анализ экспериментальных данных..................................64

2.3. Выводы по второй главе......................................................71

ГЛАВА 3. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ПО

ОПРЕДЕЛЕНИЮ РЕЖИМОВ И ПАРАМЕТРОВ РАБОТЫ ПРЕДЛОЖЕННОЙ СИСТЕМЫ ОЧИСТКИ

ПОВЕРХНОСТНОГО СТОКА...................... 73,

3.1. Разработка технологической схемы очистки поверхностного стока автотранспортных предприятий. 73

3.2. .Экспериментальные исследования по оценке эффективности очистки отстоянного поверхностного

стока с применением электрохимической коагуляции. 78

3.2.1. Методика проведения экспериментальных исследований........................................................................78

3.2.2. Результаты исследований и их анализ................ 82

3.3. Экспериментальные исследования по оценке затрат электроэнергии................................... 87

3.3.1. Методика проведения экспериментальных исследований........................................................................87

3.3.2. Обработка и анализ результатов исследований........ 91

3.4. Исследование работы картриджей-дозаторов.......... 102

3.4.1. Методика проведения экспериментальных исследований.................................... 102

3.4.2. Анализ результатов экспериментальных исследований................................... 108

3.5. Исследования по очистке поверхностного стока от растворенных нефтепродуктов...................... 115

3.6. Выводы по третьей главе........................... 119

ГЛАВА 4. ПРАКТИЧЕСКАЯ РЕАЛИЗАЦИЯ РЕЗУЛЬТАТОВ

ИССЛЕДОВАНИЙ............................... 121

4.1. Совершенствование методики седиментационного анализа сточных вод.............................. 121

4.2. Разработка методик расчета отдельных конструктивных элементов......................... 128

4.3. Разработка технических решений по повышению производительности и сохранению эффективности установок электрохимической очистки сточных вод. . . 143

4.4. Разработка аппаратурно-конструктивного оформления разработанной технологии очистки поверхностного

стока........................................... 146

4.5. Оценка величины предотвращенного ущерба от загрязнения водной среды..................................................148

4.6. Выводы по четвертой главе................................................149

Заключение............................................................................150

Библиографический список................................................153

Приложения..........................................................................168

Приложение А. Условные обозначения..............................169

Приложение Б........................................................................171

Приложение В. Варианты установки БМВК «УКОС-Д»

и«УКОС-ДП»....................................................................172

Приложение Г. Технические рекомендации по проектированию сооружений для очистки ливневых и талых вод на базе блочно-модульного водоочистного

комплекса „УКОС-Д"..........................................................177

Приложение Д. Документация............................................185

Введение

Актуальность. Наиболее эффективным способом уменьшения степени отрицательного воздействия поверхностных сточных вод на экологическое и санитарное состояние природных водоемов является строительство сооружений,* обеспечивающих очистку до нормативных показателей наиболее загрязненной части, а, в некоторых случаях, всего объема организованного стока. Особенно актуальной проблема создания современных систем очистки поверхностного стока является для объектов автотранспорта, количество которых в населенных пунктах в зависимости от их размеров колеблется от десятка до тысяч единиц. Самые малые объекты имеют площадь водосбора порядка 0,1 га, площадь водосбора наиболее крупных объектов автотранспорта может достигать 10 га.

На сегодняшний день существует несколько вариантов создания систем очистки поверхностного стока, отводимого с территорий площадок предприятий первой группы, к которым относятся также объекты автотранспорта. Эти варианты в основном копируют зарубежные системы очистки поверхностного стока и не учитывают специфику работы и эксплуатации отечественных систем сбора и отведения поверхностного стока.

Одно из наиболее часто применяемых проектных решений при устройстве систем ливневой канализации предусматривает размещение подземных установок заводского изготовления непосредственно на коллекторах, транспортирующих дождевые, талые и поливомоечные воды. Однако при проектировании очистных сооружений поверхностного стока с территорий площадок объектов автотранспорта во внимание принимается главным образом наличие и концентрация в стоке только двух компонентов - взвешенных веществ и нефтепродуктов. В то же время не учитывается их фазово-дисперсное состояние, степень стабильности дисперсной фазы, возможность периодического поступления в поверхностный сток таких загрязняющих веществ как тяжелые металлы, ПАВ и различных других минеральных и органических токсичных соединений, а также не всегда учитывается изменение состава стока в широких пределах не только в разные периоды выпадения осадков, но и в течение одного дождя или в сутки снеготаяния.

При очистке поверхностного стока наибольшее распространение получили безреагентное и реагентное отстаивание, реагентное и безреагентное фильтрование через зернистые материалы, а также адсорбция на различных активированных углях. Однако фильтрующая загрузка требует периодической замены, что обусловливает необходимость значительных усилий и расходов. Применяемые загрузки фильтров промываются неэффективно, что приводит к большому потреблению электроэнергии и воды на собственные нужды (30-35% объема воды от производительности фильтра). Дозирование больших объемов химических реагентов обусловливает вторичное загрязнение окружающей среды избытком не вступивших в реакцию реагентов. Наличие крупных складов регентов требует больших площадей и налаженного процесса транспортировки. Кроме того, сами реагенты имеют достаточно короткий срок годности (2-3 года).

Поэтому исследования, направленные на совершенствование систем очистки поверхностного стока объектов автотранспорта, разработку технологии и очистного оборудования, режимы и параметры работы которого изменяются в зависимости от качества поверхностного стока, являются актуальными.

Работа выполнялась в соответствии с тематическим планом научно-исследовательских работ ФГБОУ ВПО Волгоградского государственного технического университета.

Цель работы - снижение негативного воздействия на состояние природных водных объектов посредством совершенствования систем очистки поверхностных стоков автотранспортных^ предприятий.

Для достижения поставленной цели в работе решались следующие задачи:

- анализ качественно-количественных характеристик поверхностных сточных вод предприятий отрасли;

- анализ процессов и технологических схем очистки поверхностных стоков;

- анализ конструктивного исполнения оборудования и сооружений для очистки поверхностных стоков автотранспортных предприятий;

- проведение исследований по. оценке закономерностей седиментации основных загрязняющих компонентов, содержащихся в поверхностных сточных водах предприятий автотранспорта;

- разработка технологической схемы очистки поверхностного стока автотранспортных предприятий;

экспериментальные исследования кинетики отстаивания поверхностных стоков без перемешивания и с перемешиванием;

- экспериментальные исследования по оценке эффективности очистки отстоянного поверхностного стока с применением электрохимической коагуляции;

- экспериментальные исследования по оценке затрат электроэнергии при проведении электрохимической коагуляции;

- исследование работы картриджей-дозаторов;

- проведение исследований по очистке поверхностного стока от растворенных нефтепродуктов;

- разработка конструктивно-аппаратурного оформления предложенной технологической схемы очистки поверхностных сточных вод автотранспортных предприятий;

- разработка методик расчета отдельных конструктивных элементов предложенной системы очистки поверхностного стока, а также технических рекомендаций по проектированию сооружений для очистки ливневых и талых вод.

Основная идея работы состоит в разработке технологической схемы очистки поверхностного стока, предусматривающей совместное использование электрокоагуляции и химической коагуляции.

Методы исследования включали: аналитическое обобщение известных научных и технических результатов, экспериментальные исследования, обработку экспериментальных данных методами математической статистики.

Достоверность научных положений, выводов и рекомендаций обоснована применением классических положений теоретического анализа, планированием необходимого объема экспериментов, подтверждена удовлетворяющей требуемым критериям сходимостью полученных

результатов экспериментальных исследований с результатами других авторов.

Научная новизна работы:

- на основе анализа фазово-дисперсного состояния, механических, физических и химических свойств удаляемых из сточных вод компонентов разработаны методологические основы применения электрохимической коагуляции при очистке поверхностных стоков;

- на основании результатов экспериментальных исследований выявлены значения режимных параметров (материал электродной системы, расстояние между электродами, удельная плотность тока, тип и концентрация вводимого коагулянта, условия образования стока), при которых обеспечивается наиболее высокое качество очищенной воды;

экспериментально определено влияние дозы металлов растворяющихся анодов на эффективность очистки дождевого и талого стоков при применении электрокоагуляции, а также влияние дополнительной дозы химического коагулянта на степень очистки талого стока в случае использования комплексного процесса, включающего электрокоагуляцию и химическую коагуляцию;

- экспериментально установлены зависимости, позволяющие оценить затраты электроэнергии при проведении электрохимической коагуляции с учетом основных режимных параметров работы системы очистки стоков;

- по результатам экспериментальных исследований получены данные, характеризующие остаточное содержание железа в очищенной воде в зависимости от продолжительности дозирования, материала мембраны в картридже-дозаторе и глубины его погружения при введении коагулянта в сухом виде или в виде раствора;

- на основании результатов исследований установлены значения средней удельной производительности картриджей-дозаторов в зависимости от количества слоев мембраны и глубины их погружения.

Практическое значение работы:

- предложена технологическая схема очистки поверхностного стока автотранспортных предприятий с применением электрохимической коагуляции;

- усовершенствована методика седиментационного анализа сточных

вод;

- выполнено конструктивно-аппаратурное оформление разработанной технологической схемы очистки поверхностного стока в виде блочно-модульного водоочистного комплекса БМВК «УКОС-Д» («УКОС-ДП» для подземной установки);

предложены методики расчета отдельных отдельных конструктивных элементов предложенной системы очистки поверхностного стока;

- разработаны технические рекомендации по проектированию сооружений для очистки ливневых и талых вод на базе блочно-модульного водоочистного комплекса «УКОС-Д»;

предложены технические решения по повышению производительности и сохранению эффективности установок

электрохимической очистки сточных вод, новизна которых подтверждена патентами РФ на изобретение №2186037 от 27.07.2002 и № 2317949 от 27.02.2008.

Реализация результатов работы:

- БМВК «УКОС-Д» внедрены более, чем на 100 предприятиях, в том числе: на КС Береговая (ОАО "ГАЗПРОМ", проект "Голубой поток");в депо «Американские мосты», г. Санкт-Петербург; на станции Гатчина; на Ейск-Порт-Виста; на ОАО "Роснефть", ОАО "Транснефть". Трансойл Терминал; в ОАО "Карелия-ДСП"; на механическом заводе в г. Луцке (Украина); на металлургическом холдинге VSZ (Словакия) и т.д.

На защиту выносятся:

- разработанные на основе анализа фазово-дисперсного состояния, механических, физических и химических свойств удаляемых из сточных вод компонентов методологические основы применения электрохимической коагуляции при очистке поверхностных стоков;

выявленные на основании результатов экспериментальных исследований значения режимных параметров (материал электродной системы, расстояние между электродами, удельная плотность тока, тип и концентрация вводимого коагулянта, условия образования стока), при которых обеспечивается наиболее высокое качество очищенной воды;

- результаты экспериментального определения влияния дозы металлов растворяющихся анодов на эффективность очистки дождевого и талого стоков при применении электрокоагуляции, а также влияния дополнительной дозы химического коагулянта на степень очистки талого стока в случае использования комплексного процесса, включающего электрокоагуляцию и химическую коагуляцию;

- экспериментально установленные зависимости, позволяющие оценить затраты электроэнергии при проведении электрохимической коагуляции с учетом основных режимных параметров работы системы очистки стоков;

- полученные экспериментально данные, характеризующие остаточное содержание железа в очищенной воде в зависимости от продолжительности дозирования, материала мембраны в картридже-дозаторе и глубины его погружения при введении коагулянта в сухом виде или в виде раствора;

- установленные значения средней удельной производительности картриджей-дозаторов в зависимости от количества слоев мембраны и глубины их погружения.

Апробация. Основные положения и результаты работы докладывались и получили одобрение на: Scandinavian Technical Fair (Стокгольм, Швеция, 2006 г.); научно-техническом форуме Евроросс (Берлин, Германия, 2013 г.); семинаре ОАО "РЖД" «Техносферная безопасность» (г. Санкт-Петербург, 2008 г.); информационно-технических семинарах по технологии очистки природных и сточных вод (Росприроднадзор, г.Волгоград, 2009; Т1111 РФ, г.Белград, 2011); сетевом совещании экологов ОАО "РЖД" (г. Красноярск, 2009 г.); ТЭБТРАНС 2010 (ОАО "РЖД", г.Санкт-Петербург, 2010 г.); ТЭБТРАНС 2012 (ПГУПС, г. Санкт-Петербург, 2012 г. ); научно-практической конференции «Проблемы охраны производственной и окружающей среды» (г. Волгоград, 2012 г.); ежегодных научно-технических конференциях профессорско-преподавательского состава ФГБОУ ВПО Волгоградского государственного технического университета ( 2013 г.), ФГБОУ ВПО Волгоградского государственного архитектурно-строительного университета (2012 г., 2013 г.).

Публикации. Основные результаты исследований по теме диссертации опубликованы в 11 работах, в том числе в 5 статьях, опубликованных в изданиях, рекомендуемых ВАК РФ, 2 патентах РФ, книге.

Объем и структура работы. Диссертация состоит из введения, четырех разделов, заключения, библиографического списка и приложений. Общий объем работы: 191 страница, в том числе: 152 страницы - основной текст, содержащий 36 таблиц на 47 страницах, 49 рисунков на 38 страницах; список литературы из 160 наименований на 15 страницах; 5