автореферат диссертации по строительству, 05.23.04, диссертация на тему:Совершенствование водного хозяйства крупного промышленного центра с учетом экологических факторов

. TT дну M

"■■ : ". -,.r " — r.,Ns

; - ГОРлл

«

________

3

Самарская государственная архитектурно-строительная академия

На правах рукописи

Стрелков Александр Кузьмич

Совершенствование водного хозяйства крупного промышленного центра с учетом экологических факторов (на примере Самарского региона)

05.23.04 - водоснабжение, канализация, строительные системы охраны водных ресурсов

Диссертация на соискание ученой степени доктора технических наук

Самара -1999

Введение Глава Г

1.1. 1.2.

Глава 2. 2.1.

2.2.

2.3.

2.4. Глава 3.

3.1.

3.1.1.

3.1.2.

3.1.3.

3.1.4.

3.1.5.

СОДЕРЖАНИЕ

Анализ развития и путей совершенствования водного хозяйства промышленных центров Самарского региона. 10

Анализ состояния и перспектив развития промышленного производства, жилищно-коммунального хозяйства промышленных центров Самарского региона с учетом их водообеспечения. 10

Анализ существующих схем водообеспечения основных промышленных городов в Самарском регионе с учетом перспективного развития до 2000-2005гг. 25

Выводы 58

Динамика изменений водной среды в бассейне Средней Волги (в Самарском регионе). 60

Динамика состояния водной среды региона в сложившихся условиях изменений окружающей природной среды. 60 Исследование изменений водопотребления и водоотведения промышленных центров региона в 68 рамках современного их развития. Анализ работы сооружений по очистке сточных вод промышленных центров и цели их дальнейшего совершенствования. 81 Цели и задачи исследований по совершенствованию водного хозяйства промышленных центров. 90 Совершенствование водного хозяйства промыш- 94 ленных комплексов.

Анализ путей и методов снижения стоимости и повышения качества водоподготовки для крупных 94

промышленных комплексов

Подготовка природных вод. 94

Подготовка очищенных сточных вод. 101

Исследования качества поверхностных сточных вод и состояние дождевой сети города Самары. 106

Физико-химическая очистка стоков баз отдыха. 116

Исследования состава и условий образования сточных вод спиртового завода и технология их

очистки.

118

3.1.6.

3.1.7. 3.2.

3.3.

3.3.1.

3.3.2.

3.4. Глава 4.

4.1.

4.2.

4.3.

4.4. Глава 5.

5.1.

5.2.

5.3.

Глубокая очистка бытовых сточных вод.

Очистка сточных вод маслосырозаводов.

Обработка осадка природных и сточных вод. Интенсификация биотермической обработки осадков сточных вод

Оценка эффективности рациональных схем подготовки воды для крупных промкомплексов. Анализ и классификация существующих схем очистки и доочистки сточных вод с целью использования их в оборотном и производственном водоснабжении. Исследования и опыт эксплуатации сооружений по доочистке промстоков ВАЗа

Выводы и рекомендации

Интенсификация и снижение водоподготовки промкомплексов.

стоимости

Способы повышения производительности зернистых Фильтров.

Одноступенчатые схемы очистки природных и доочистки сточных вод.

Двух- и многоступенчатые схемы очистки природных и доочистки сточных вод.

Выводы и рекомендации.

Теоретические основы и разработка методов расчета и оптимизации фильтрующих сооружений водоочистки

Физические основы процесса осветления воды при фильтровании.

Параметры технологического моделирования фильтрующей загрузки.

Исследования свойств фильтрующих материалов для фильтров.

125

131

132

146

146 151 157

158

158

159 162 179

182

182

188

198

5.4.

Регенерация фильтрующих материалов.

204

5.4.1. Гидродинамические характеристики зернистого слоя

из дробленого керамзита. 209

5.4.2. Особенности промывки загрузки фильтров. 218

5.5. Дренаж большого сопротивления с щелевым покрытием 222

5. б. Изменение технологических показателей загрузки

водоочистных фильтров. 227

5.7. Исследования фильтров с керамзитовой загрузкой

для доочистки сточных вод. 232

5.8. Оптимизация зернистых фильтров 240

Глава 6. Очистка специфичеческих промышленных сточных

вод. 248

6.1. Анализ методов очистки промышленных сточных

вод. 248

6.2. Повторное использование условно чистых сточных 252 вод (на примере ВАЗ).

6.3. Очистка сточных вод шпалопропиточного завода. 259

Глава 7. Технико-экономическая и экологическая эффективность систем водообеспечения крупных промышленных комлексов. 265

7.1. Природоохранные и хозяйственные требования к

водным ресурсам. 265

7.2. Экономический анализ эффективности технических решений по защите водотоков от загрязнения. 266

7.3. Взаимосвязь экологии и экономики. 274

7.4. Математическая модель по оптимизации размещения сбросов сточных вод в водоток. 277

7.5. Выводы по главе 7. 280

Общие выводы. 281

Библиографический список 283 Приложения:

1. Список объектов внедрения разработок автора 295

2. Акты внедрения 299

ВВЕДЕНИЕ

Структурные изменения экономического базиса государства, которые происходят вследствие проводимых с 1991 г. в России политических и экономических реформ, не только оказывают влияние на все стороны состояния и развития народного хозяйства, изменение окружающей природной среды (экологические факторы), на условия социально-экономического развития общества и среды обитания населения, но и вызывают целый комплекс производственно-управленческих, экологических, экономических, правовых, социально-гигиенических, медико-санитарных, научно-технических и других проблем, мероприятий и задач, от которых в сложившихся современных условиях зависит возможность устойчивого развития народного хозяйства страны при одновременном обеспечении его экологической и санитарно-гигиенической безопасности в условиях каждого конкретного региона городов, районов и в Российской Федерации (РФ) в целом.

Учитывая взаимосвязь всех этих проблем, условий и мероприятий в рамках взаимодействия окружающей природной среды и общества в процессе современного развития государства, к мероприятиям, которые влияют на изменения состояния и развития народнохозяйственных комплексов регионов и градопромышленных агломераций и среды обитания населения, в полной мере относятся современные вопросы совершенствования жилищно-коммунального и водного хозяйства промышленных центров, которые должны производиться с учетом конкретных условий и особенностей, сложившихся в экологических, санитарно-гигиенических условиях и других проблемах и факторах. Понимая необходимость этого учета, в настоящей работе в качестве одного из главных принято исходное положение о том, что подобный комплексный подход к совершенствованию водного хозяйства достаточно достоверно можно проиллюстрировать на анализе фактической динамики изменений состояния и возможного развития народного хозяйства в Самарской области и ее характерных городах, зонах и населённых пунктах, которые происходят в реальных условиях окружающей природной среды и среды обитания населения. Это исходное положение обосновывается и тем, что состояние и совершенствование проблем водного хозяйства Самарской области, ее городов и зон является характерным для РФ. По своему физико-географическому положению, развитию, роли и месту в народном хозяйстве, фактическому состоянию народнохозяйственного комплекса, по образовавшимся к настоящему времени социально-экономическим условиям и задачам и прочего [18,19,24,25,28,34,86,87,96,97,98,150] как сама Самарская область, так и её города и населенные пункты (Самара, Тольятти, Сызрань, Жигулевск, Чапаевск, Кинель, Похвистнево и др.) являются типичными для федерации индустриально-аграрными субъектами, градопромышленными

агломерациями, промышленио-развитыми городами и населёнными пунктами разного уровня, находящимися в экологически напряженных современных условиях, сложившихся как для Волжского бассейна, так и для других регионов России.

Ввиду вышесказанного, в главах 1 и 2 настоящей работы рассмотрены проблемы, факторы и особенности возможной оптимизации водного хозяйства городов и промышленных центров Самарской области, в других главах работы определены направления и пути возможного совершенствования их водного хозяйства.

Основными характеристиками диссертационной работы являются: Актуальность проблемы

Охрана окружающей среды и рациональное использование природных ресурсов в настоящее время - одна из актуальных проблем современности. Промышленные предприятия и городское хозяйство являются потребителями больших объемов и источниками образования сточных вод, загрязняющих окружающую среду. В настоящее время в связи со значительным загрязнением окружающей среды положение Самарского промышленного региона находится в экологически напряженном состоянии.

Приоритетными направлениями в решении проблемы охраны водных ресурсов является сокращение сбросов сточных вод в водоемы и повышение качества очистки.

Сокращение сбросов сточных вод связано с сокращением водопотребления, переходом на оборотные, замкнутые или бессточные системы водоснабжения на промышленных предприятиях. Для снижения темпов роста водопотребления в коммунальном хозяйстве необходимо исследовать причины и закономерности наблюдаемых тенденций водопользования, проводить анализ и давать оценку по всему многообразию влияющих факторов. Экономия материальных ресурсов, в том числе и водных, приводит к снижению издержек производства, более рациональному потреблению сырья, снижению стоимости выпускаемой продукции.

Для реализации второго направления федеральной целевой программы "Социально-экологическая реабилитация территории Самарской области и охраны здоровья ее населения" предусматривается строительство 43 новых и реконструкция такого же количества существующих очистных сооружений. Строительство и реконструкция должны выполняться с учетом достижений научно-технического прогресса и использованием новейших технологий, материалов и оборудования для очистки природных и сточных вод. Как правило, неотъемлемой частью водоочистных станций являются фильтровальные сооружения. Они позволяют надежно очищать воду до требований стандарта, обладают высокой надежностью, простотой в эксплуатации, обеспечивающей возможность механизации и автоматизации и, как следствие, высокой эффективностью очистки. Наиболее широкое применение получили фильтры с зернистой загрузкой, в качестве которой чаще всего использовался кварцевый песок. Однако истощение основных месторождений песка, пригодного для использования при очистке воды, а также сложность его

транспортировки послужили толчком к поиску новых фильтрующих материалов, более доступных и более эффективных.

Целью работы явилось научное обоснование, разработка, исследование и внедрение рациональных схем и состава сооружений водоподготовки природных и сточных вод, которые будут способствовать решению проблем создания экологически чистых производств и устойчивого развития региона при максимальном сбережении природных ресурсов.

Научная новизна состоит:

В комплексном подходе к обоснованию, разработке и внедрению в рамках региона эффективных технологических схем и сооружений по очистке природных и сточных вод с учетом динамики изменения состояния водной среды, тендеций изменения и характера антропогенной нагрузки, выбора приоритетов по минимизации экологической нагрузки на водные объекты.

В развитии теории фильтрации, включая математическое описание процессов в зернистой загрузке в условиях изменения ее размеров и формы в период эксплуатации.

В предложенных методах интенсификации и снижения стоимости водоочистки для промкомплексов Самарского региона, включая технологические схемы для очистки специфических промышленных стоков и обработки осадков.

В усовершенствовании математической модели оптимизации размещения сбросов сточных вод в водотоки.

В методике оценки технико-экономической и экологической эффективности систем водообеспечения крупных промышленных комплексов.

Обоснованность и достоверность научных положений, выводов и рекомендаций

Научные разработки построены на результатах анализа многочисленных технологических экспериментах в лаборатории, на производственных установках и в промышленных условиях. В работе для решения конкретных задач использовались современные физические и химические методы исследования.

Практическая значимость работы

По результатам выполненных исследований сформулированы принципы совершенствования водного хозяйства, разработаны и внедрены на 26 объектах новые технологические процессы и сооружения по очистке природных и сточных вод, включая дождевой сток ( на ВАЗе, спиртовом заводе, масложирзаводе, КОС п. Солнечная Поляна и др.)

Водоочистные станции с фильтрующей загрузкой из керамзита используются в индивидуальных и типовых проектах во многих ведомствах.

Испытания промышленных фильтров ряда конструкций с загрузкой из керамзита показали высокую их эффективность. Производительность фильтров за счет применения керамзита, как правило, повышается в 1,2-2,0 раза при сохранении высокого качества очистки; при этом упрощается обеспечение вновь построенных и действующих сооружений местной фильтрующей загрузкой.

В настоящее время только на водоочистных станциях в коммунальном и промышленном водоснабжении при очистке природных и оборотных промышленных вод работают фильтры с керамзитовой загрузкой общей площадью около 3000м2 и суточной производительностью 730000м3. Экономический эффект от внедрения разработок автора составил по приведенным затратам 3,2 млн.руб в год (в ценах 1984г.).

Личный вклад автора

Автором выполнены теоретические обобщения литературных данных и результатов собственных и выполненных под своим руководством исследований процессов очистки воды фильтрованием. На основании полученных результатов разработаны новые технологические схемы очистки воды и конструкции очистных сооружений с использованием фильтров с керамзитовой загрузкой. Диссертант участвовал во внедрении разработанных сооружений на многочисленных объектах. Под научным руководством и непосредственном участии автора выполнялись авторский надзор и работы по пуску в эксплуатацию и наладке разработанных конструкций и схем очистки сточных вод. Работы выполнялись на кафедре водоснабжения и водоотведения Самарской государственной архитектурно-строительной академии. В исследованиях и обсуждении результатов принимали участие сотрудники кафедры: Мартенсен

B.Н., Шандалов С.М., Быкова П.Г., Смородин А.П., Шувалов М.В., Степанов

C.B., Дремина Э.В. и др.

Автор приносит благодарность за научные консультации при подготовке работы д.т.н., проф. Алексееву М.И., а также за полезные советы д.т.н., проф.Аюкаеву Р.И.

Апробация работы

Основные результаты работы докладывались и были одобрены на научно-технических конференциях, проводившихся в различные годы в Москве, Минске, Новочеркасске, Одессе, Риге, Петрозаводске и других городах. За последние годы были сделаны доклады на Всероссийской научно-практической конференции "Экологические проблемы рационального использования и охраны водных ресурсов" , проходившей в Самаре в 1996г, на областных ежегодных научно-технических конференциях "Исследования в области архитектуры и строительства", проводимых в Самаре в 1992-1997 гг., на международной научно-практической конференции "Питьевая и сточная вода: проблемы очистки и использования", проходившей в Пензе в 1997 г., на Всероссийской научно-практической конференции "Самарская область на пороге XXI века: стратегия социально-экономического развития", проводимой в Самаре в 1997 г.

Глава 1. АНАЛИЗ РАЗВИТИЯ И ПУТЕЙ СОВЕРШЕНСТВОВАНИЯ ВОДНОГО ХОЗЯЙСТВА ПРОМЫШЛЕННЫХ

ЦЕНТРОВ САМАРСКОГО РЕГИОНА

1.1. Анализ состояния и перспектив развития промышленного производства, жилищно-коммунального хозяйства промышленных центров Самарского региона с учетом их водообеспечения

Для анализа состояния и возможного развития элементов промышленного производства жилищно-коммунального хозяйства и других отраслей, влияющих на решение водных проблем промышленных центров Самарской области, приняты следующие исходные моменты:

1. Для проводимого анализа и рассматриваемых путей возможного развития элементов народного хозяйства промышленных центров используются местные (см. перечень) материалы и данные, которые разбиваются условно на следующие этапы:

- 1986-1990 (1991) гг. - период начала политико-экономического реформирования единого планового народнохозяйственного комплекса СССР ;

- 1991-1995 (1996) гг. - период трансформационного спада экономики и адаптации народного хозяйства страны к рыночным производственным и финансово-экономическим требованиям, ориентированным на мировой опыт функционирования промышленного развития стран;

- 1996-(2000)2005 гг. - период долгосрочного развития области и РФ, ориентированный на стратегию, установленную Федеральным законом: "О государственном прогнозировании и программах социально-экономического развития РФ" [31], а применительно к Самарской области, с ориен�