автореферат диссертации по строительству, 05.23.04, диссертация на тему:Технология очистки воды фильтрованием методом направленного структурообразования осадка

На правах рукописи

Фоминых Владимир Александрович

ТЕХНОЛОГИЯ ОЧИСТКИ ВОДЫ ФИЛЬТРОВАНИЕМ МЕТОДОМ НАПРАВЛЕННОГО СТРУКТУРООБРАЗОВАНИЯ ОСАДКА

Специальность 05 23 04- Водоснабжение, канализация строительные системы охраны водных ресурсов

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени доктора технических наук

Новосибирск - 2004

Диссертация выполнена на кафедре водоснабжения и водоотведения Новосибирского государственного архитектурно - строительного университета (Сибстрин)

Официальные оппоненты:

Доктор технических наук, профессор

Бочкарев Г. Р.

Доктор технических наук, профессор

Вдовин Ю. И.

Доктор технических наук, профессор

Турутин Б. Ф.

Ведущая организация - Институт Гидродинамики СО РАН

Защита диссертации состоится 26 октября 2004 года, в ^ часов на заседании диссертационного совета Д 212. 171. 03 при Новосибирском государственном архитектурно - строительном университет (Сибстрин) по адресу: 630008, г. Новосибирск, ул. Ленинградская, 113.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Новосибирского государственного архитектурно-строительного университета (Сибстрин)

Автореферат разослан сентября 2004 г.

Ученый секретарь диссертационного совета канд. техн. наук, доцент

2005-4 12501

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность проблемы. Общей проблемой технологии физико-химической очистки природных и сточных вод является необходимость дальнейшего усовершенствования процессов очистки как в теоретическом, так и в практическом инженерном отношении.

Для решения этой проблемы требуется обеспечить теоретическую связь отраслевой технологической науки с принципами и положениями фундаментальных наук, в первую очередь физической и коллоидной химии.

Любая технология как наука о производстве и как совокупность опытов производства, только тогда может считаться современной, когда решает вопросы эффективности и качества при условии охраны окружающей среды.

В настоящее время применительно к технологии очистки воды понятие «эффективность» в инженерной практике практически не применяется, а критерий эффективности не сформулирован даже на стадии постановки задачи. Для выбора и обоснования эффективности решения обычно применяется метод технико-экономического сравнения вариантов, что не гарантирует объективной оценки, т.к. данный метод не отражает в своей основе физико-химической и инженерно-технологической сущности сравниваемых технических решений, не говоря уже о том, что технико-экономические расчеты по существующей методике допускают достаточно субъективный подход.

Автором предложено в качестве критерия эффективности технологии фильтрования принимать прочность на сдвиг осадка, образующегося в межзерновом пространстве фильтрующей загрузки. Этот критерий зависит от целого комплекса физико-химических и технологических факторов, конструкции фильтровальных сооружений, а при прочих равных условиях - от типа применяемых реагентов: флокулянтов, коагулянтов и конкретной технологии реагентной обработки воды.

Таким образом, проблему эффективности технологии фильтрования можно решать по двум взаимосвязанным направлениям: повышение прочности осадка в объеме фильтрующей загрузки и совершенствование конструкции самой фильтрующей загрузки, в первую очередь, за счет применения фильтрующего материала с более совершенной геометрической структурой зерен и оптимизации фракционного состава фильтрующей загрузки.

Решение проблемы в первом направлении должно базироваться на теоретических основах технологии, сформированных на более глубоком применении понятий и представлений коллоидной и физической химии, физикохимии дисперсных систем. Решение по второму направлению определяется путем дальнейших разработок по теории фильтрования и технологическому моделированию, с учетом современных требований к технологии очистки природных и сточных вод.

Целью работы является дальнейшее развитие теоретических положений технологии очистки воды фильтрованием, включая методику технологического моделирования, и создание технологии фильтрования с направленным структуро-образованием осадка; определение и формулировка критерия эффективности тех-

нологии и обеспечение возможности критериальной оценки работы фильтровальных сооружений.

Задачи исследований:

1. На основе представлений физической и коллоидной химии, физикохимии дисперсных систем провести физико-химический анализ процессов реагентной технологии очистки воды, дать теоретическую оценку существующих технологий и определить направления по повышению их эффективности;

2. Установить основные физико-химические факторы, определяющие процесс структурообразования осадка при очистке воды и влияние этого процесса на эффективность современной технологии водоочистки; путем технологического моделирования изучить процесс формирования осадка в зернистой загрузке водоочистных фильтров, создать физико-химическую модель этого процесса и разработать механизм направленного структурообразования осадка с целью получения требуемого технологического эффекта;

3. Усовершенствовать методику технологического моделирования проф. A.M. Фоминых с учетом влияния параметров процесса фильтрования на определение требуемой высоты фильтрующей загрузки. По усовершенствованной методике провести технологическое моделирование и оптимизацию процесса фильтрования для скорых фильтров и контактных осветлителей;

4. Усовершенствовать, с учетом принятого критерия эффективности технологии фильтрования, рекомендуемую существующими нормативами конструкцию контактных осветлителей;

5. На базе выполненных исследований разработать комплекс инженерных технологий по очистке углесодержащих, нефтесодержащих и других типов сточных вод;

6. Разработать методику технико-экономической оценки эффективности технологии очистки воды фильтрованием.

Основные научные положения, защищаемые автором:

1. Критерий эффективности технологии очистки воды фильтрованием;

2. Метод направленного структурообразования как теоретическую и инженерную основу нового направления в технологии очистки воды фильтрованием;

3. Теоретические положения и инженерные рекомендации по определению высоты зернистой загрузки фильтровальных сооружений;

4. Усовершенствованная методика технологического моделирования и оптимизации процесса очистки воды фильтрованием;

5. Принципы конструирования загрузки контактного осветлителя, учитывающие влияние прочности осадка и диаметра зерен фильтрующей загрузки;

6. Технология «блок-фильтрования» как инженерная реализация метода направленного структурообразования, представленная комплексом инженерных технологий очистки сточных вод, в т.ч. углесодержащих, нефтесодержащих, автомоечных, ливневых и ряда других;

7. Методика технико-экономического обоснования и сравнения вариантов, основанная на применении показателя прочности осадка - интегрального крите-

рия, объективно и количественно, на физико-химической и технологической основе, отражающего эффективность принимаемых решений и соответствующих экономических показателей.

Достоверность научных положений обеспечивается: обоснованностью расчетных моделей, использующих соответствующие положения физической химии, коллоидной химии, гидравлики зернистых материалов и базирующихся на физических моделях и гипотезах, являющихся дальнейшим развитием апробированных моделей;

достаточной степенью совпадения результатов теоретических расчетов автора по определению основных технологических параметров процесса фильтрования с экспериментальными данными и результатами производственных испытаний и эксплуатации сооружений;

достаточным объемом экспериментальных данных, полученных путем технологического моделирования процесса фильтрования с учетом влияния высоты фильтрующей загрузки на показатели и параметры процесса;

Научная новизна работы:

1. Разработано новое направление в технологии очистки воды - фильтрование методом направленного структурообразования осадка и даны его теоретические и инженерные основы;

2. Предложена новая физическая модель технологии очистки воды фильтрованием, в основу которой положены принципы образования и формирования структуры осадка в межзерновом пространстве фильтрующей загрузки и влияние параметров данной структуры на процесс фильтрования;

3. Предложено и обосновано новое понятие «коэффициент потери структурной прочности осадка К» и составлено уравнение снижения структурной прочности осадка в процессе фильтрования;

4. Для расчета коэффициента К предложена полуэмпирическая формула, связывающая в единый комплекс диаметр зерен, скорость фильтрования и толщину слоя фильтрующей загрузки;.теоретически получена формула для определения требуемой толщины фильтрующей загрузки при установленной величине начальной структурной прочности осадка, что позволяет производить расчет и оптимизацию процесса фильтрования;

5. Усовершенствована методика технологического моделирования процесса очистки воды фильтрованием, введен определяющий параметр моделирования -начальная прочность осадка, учтено влияние высоты фильтрующей загрузки на процесс;

6. Обоснованы принцип работы крупнозернистых фильтрующих слоев и необходимость их преобладающего состава в конструкции фильтрующей загрузки контактных осветлителей;

7. Впервые в отраслевой науке в качестве основного критерия эффективности технологии очистки воды фильтрованием предложено принимать структурную прочность осадка, что позволяет придать эффективности технологии количественное выражение;

8. Разработана расчетная методика технико-экономического обоснования эффективности работы фильтровальных сооружений (проектируемых и действующих).

Практическая ценность работы:

1. Предложенный метод направленного структурообразования осадка обеспечивает повышение эффективности технологии очистки воды фильтрованием и расширяет ее возможности;

2. Представленное физико-химическое обоснование технологической эффективности современных флокулянтов в процессах очистки воды обеспечивает более целенаправленное и оптимальное применение этих флокулянтов, что повышает качество очистки, снижает затраты и расширяет область их рационального использования;

3. Разработанная методика расчета процесса фильтрования, включая определение требуемой высоты фильтрующей загрузки, позволяет получать оптимальные значения скорости фильтрования и грязеемкости фильтра, повышать производительность фильтровальных сооружений путем реконструкции;

4. Установленные принципы и правила конструирования фильтрующей загрузки контактных осветлителей, с учетом прочности осадка, крупности зерен загрузки, а также необходимой (требуемой) высоты фильтрующего слоя позволяют разрабатывать усовершенствованную конструкцию контактного осветлителя, повысить грязеемкость загрузки и расширить возможности его применения;

5. Инженерная реализация метода направленного структурообразования осадка обеспечила разработку комплекса инженерных технологий по глубокой очистке углесодержащих, нефтесодержащих, ливневых, автомоечных и ряда других типов сточных вод. Эти технологии дают высокую (требуемую) степень очистки воды и обладают целым комплексом технологических, экономических, эксплуатационных, экологических преимуществ;

6. Разработанная на основе полученного критерия оценки эффективности технологии очистки воды фильтрованием методика технико-экономического обоснования как проектируемых, так и действующих фильтровальных сооружений, позволяет достаточно объективно оценить и выбрать наиболее эффективный вариант их работы.

Апробация работы.

Основные положения диссертации доложены и одобрены на научно-технических конференциях Новосибирского государственного архитектурно-строительного университета (НГАСУ), 1971-2002 г.г.; Всесоюзной научно-технической конференции «Охрана водных ресурсов от загрязнения и их рациональное использование в народном хозяйстве», Ровно, 1972 г.; научно-технической конференции «Проектирование, наладка и эксплуатация водопро-водно-канализационных сооружений в Сибирских условиях», Новосибирск, 1972 г.; Всесоюзной научно-технической конференции «Повышение эффективности природоохранных работ в угольной промышленности», Пермь, 1986 г.; юбилейном экологическом семинаре «Социально-экономические и технические про-

блемы экологии Сибирского региона», Новосибирск, 2000 г.; научно-технической конференции «Водоснабжение на рубеже столетий», Уфа, 2001 г.;

научных семинарах Института неорганической химии СО РАН, Новосибирск, 2000 г., 2002 г.; специализированном научном семинаре Нижегородского государственного архитектурно-строительного университета, Нижний Новгород, 2003 г.

Публикации по теме диссертации. Опубликовано 43 работы, в том числе в центральных журналах 40. Получено авторское свидетельство № 1720 684 СССР

Структура и объем работы. Диссертация содержит введение, 5 глав, заключение, список литературы, приложение. Общий объем работы 236 с, в том числе основной текст 223 с, включая 28 рисунков, 34 таблицы, список литературы (106 наименований) — 9 с, приложение — 4 с.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Глава первая рассматривает существующие теоретические основы технологии физико-химической очистки воды, за которые, главным образом, принимается процесс коагуляции. При этом утверждается, что при обработке воды коагулянтами частицы лишаются заряда и, тем самым, коагулируют. Но при обработке воды гидролизующимися коагулянтами обычно не учитывается достаточно сложный характер связи между концентрацией примесей и дозой коагулянта, что объясняется возникновением новой дисперсной фазы - гидроксидных осадков, являющихся адсорбентами. К тому же, величина электрокинетического потенциала дисперсных примесей в природных водах может быть ниже критической (~30 мВ), что не позволяет по этому показателю в полной мере характеризовать степень их агрегативной устойчивости.

Нет единой точки зрения и по вопросу определения оптимальной дозы коагулянта. Рядом зарубежных исследователей (Блейк, Пакхам, США) установлено, что ход процесса коагуляции (коагулирование) слабо связан с зарядом частиц, ионной силой раствора и практически целиком определяется скоростью образования продуктов гидролиза коагулянта, которые обволакивают частицы взвеси и, объединяясь, образуют агрегаты, способные к осаждению.

Из существующих представлений по механизму коагуляции можно сделать вывод о том, что электрокинетический потенциал следует рассматривать как некоторую среднестатистическую величину, отражающую лишь приблизительно фактическую плотность зарядов. По данным ряда зарубежных исследователей при использовании гидролизующихся коагулянтов доля химической энергии в акте стабилизации может быть больше, чем электрокинетической.

Все это позволяет считать, что снижение электрокинетического потенциала не может быть принято как единственный определяющий критерий коагуляции. Поэтому применение теории ДЛФО в технологии очистки воды требует, с одной стороны, более глубокого понимания представлений этой теории, с другой стороны - более полного учета специфики данной технологии.

Особое влияние на эффективность технологии очистки воды оказывает процесс структурообразования осадка, имеющий свои отличия от коагуляции. Задача технологии очистки воды заключается не только в агрегации частиц взвеси, в том

числе и при фильтровании, но ив способности образующегося осадка оказывать сопротивление гидродинамическому воздействию потока воды. Поэтому здесь должны быть отражены физико-химические процессы фазообразования и струк-турообразования, большой вклад э исследование которых (на современном этапе) внесли профессора Н.Б. Урьев, А.Ф. Полак, В.В. Бабков и ряд других. Полученные ими результаты (в соответствующих разделах физикохимии дисперсных систем и материалов), как и достижения в целом по данному научному направлению использовались автором при разработке теоретических моделей процесса фильтрования.

В технологии очистки воды фильтрованием современный этап исследований берет свое начало с разработанной в середине 50-х годов профессором Д.М. Минцем теории фильтрования и методики технологического моделирования. Предложенный им комплексный научный подход: теоретические положения - технологическое моделирование как научная база эксперимента — инженерный расчет и оптимизация процесса фильтрования реализовался в конкретную научную методологию отраслевой технологической науки. В дальнейшем работы Е.Ф. Кургае-ва, Е.Д. Бабенкова, Е.В. Веницианова, М.М. Сенявина, М.Г. Журбы, С.А. Шуберта, Р.И. Аюкаева, В.З. Мельцера и ряда других способствовали существенному развитию теоретических основ технологии очистки воды фильтрованием.

В середине 70-х годов профессор A.M. Фоминых, разработал, с использованием научной методологии Д.М. Минца, новые, принципиально отличные от существующих, теорию фильтрования и методику технологического моделирования, более полно учитывающие реальную физическую картину процесса.

Основным уравнением теории фильтрования A.M. Фоминых является уравнение равновесия фильтрационного потока

pgim,lr=a)T, (1)

где - гидравлический уклон; - предельная пористость; - плотность воды;

- ускорение свободного падения; - удельная поверхность зерен фильтрующего слоя; - величина касательных напряжений.

При равенстве , где - прочность осадка на сдвиг, получена равновесная математическая модель, характеризующая условия моделирования и расчета процесса фильтрования. Из представленного уравнения равновесия аналитическим путем был получен критерий подобия В - основа технологического моделирования и расчета процесса фильтрования

в _ ЖШ'ац (2)

где V- скорость фильтрования, м/с; а - коэффициент формы зерна; ц - динамический коэффициент вязкости, Па с; ^пр - предельные касательные напряжения, Па; d - диаметр зерен, м.

Впервые технологическое моделирование по методике A.M. Фоминых производится на трех последовательно соединенных коротких колонках, моделирующих работу каждого характерного фильтрующего слоя, что позволяет изучать

работу каждого отдельного слоя в условиях работы всей загрузки в целом и при эгом непосредственно получить основной показатель работы фильтрующего слоя - его грязеемкость на момент прекращения работы фильтра, т.е. при достижении слоем величины предельных касательных напряжений.

Теория фильтрования A.M. Фоминых отличается от теории Д.М. Минца, как по физической, так и по математической моделям. В качестве определяющей функции в модели A.M. Фоминых принимается прочность осадка на сдвиг ст., значения которой получаются через предельные касательные напряжения. При моделировании параметры процесса, в частности грязеемкость по слоям загрузки, устанавливается прямым определением - весовым способом. Все это создает более объективные условия для исследования и оценки процесса фильтрования. Но данная теория нуждается в дальнейшем развитии. Так, при оптимизации процесса принимаются различные значения V и d, что вызывает соответствующие изменения высоты фильтрующих слоев и всей загрузки в целом, а при этом также изменяются в слоях загрузки и предельные касательные напряжения, но теория в настоящий момент всего этого не учитывает.

Для дальнейшего развития теорем ческой модели и методики технологического моделирования процесса фильтрования требуется решить следующие задачи:

1. Определение требуемой высоты фильтрующей загрузки как одного из важнейших параметров технологии фильтрования;

2. Разработка методики пересчета предельных касательных напряжений для различных значений V и d при оптимизации процесса фильтрования;

3. Учет влияния параметров процесса на определение требуемой высоты фильтрующей загрузки при оптимизации процесса фильтрования.

Во второй главе рассматриваются физико-химические основы реагентной технологии очистки воды, с последующей разработкой физико-химических моделей метода направленного структурообразования осадка.

Существующие физико-химические основы реагентной технологии получены путем формального применения критерия коагуляции (по теории ДЛФО), что не вполне обоснованно, т.к. сама по себе агрегация дисперсий не может объяснить весь сложный и достаточно разнородный комплекс физико-химических явлений технологии очистки воды и, тем более, не позволяет однозначно и объективно оценить эффективность данной технологии.

Примером может служить формирование коагуляционных структур осадка, который образуется при обработке суспензии гидролизующимися коагулянтами. При этом образуются тончайшие прослойки воды между частицами. Такие прослойки противодействуют дальнейшему сближению частиц, что вызывает слабое их сцепление. В следствии этого коагуляционная структура обладает низкой прочностью. Гидрофобные золи подвергаются сильной лиофилизации, что требует дегидратирующих агентов, а коагуляция гидрозолей может происходить только во втором потенциальном минимуме с образованием рыхлых структурированных агрегатов.

Взаимодействие дисперсий с водой является основным фактором их устойчивости. В лиофильных и лиофилизированных системах явной связи между величиной электрокинетического потенциала и устойчивостью нет.

Таким образом, следует выделить два фактора агрегативной устойчивости: электрокинетический барьер и адсорбционно-гидратный барьер, который и доминирует в лиофильных и лиофилизированных системах.

Образование дисперсных систем конденсационным методом, когда в результате гидролиза раствора коагулянта получается дисперсная система, позволяющая адсорбировать примеси воды, происходит как в результате пересыщения раствора коагулянта, так и при влиянии факторов физико-химического воздействия (температура). Возникновение частиц новой дисперсной фазы по сравнению с исходной маточной средой по Гиббсу-Фольмеру требует совершения работы, которая зависит от степени метастабильности исходной маточной фазы и обратно пропорциональна квадрату пересыщения. Поэтому для самопроизвольного возникновения новой фазы в гомогенных условиях свободного объема воды требуется существенное пересыщение раствора, что, естественно, вызывает повышенный расход коагулянта. При применении коагулянта сернокислого алюминия адсорбционная способность образующегося осадка гидроксида алюминия используется не более, чем на 50...60%. Кроме того, в гомогенных условиях свободного объема воды формируются трехмерные зародыши, работа образования которых значительно больше, чем требуется для образования двумерных зародышей в гетерогенных условиях зернистой фильтрующей загрузки, где частицы гидроксидов прилипают к подложке осадка, сформированного в застойных зонах зернистого слоя. Указанный процесс формирования двумерных зародышей в зернистом слое, получивший название «контактная коагуляция», происходит аналогично процессу кристаллизации.

Конденсационный метод образования коагулирующих дисперсных систем имеет следующие существенные недостатки: перерасход реагента - коагулянта, низкую степень использования адсорбционной способности гидроксидов, малую интенсивность образования зародышей при низких температурах воды, невысокую прочность образующегося осадка.

При диспергационном методе образования дисперсных систем путем помола твердых веществ (активного угля и каменного угля) и применении реагентов по-лиакриламида или сернокислого алюминия значительно улучшается структура и повышается прочность осадка. Это создает предпосылки для разработки новой технологии очистки различных типов сточных вод прямоточным фильтрованием, а также технологических направлений, позволяющих повысить качество подготовки питьевой воды.

В технологии очистки воды определяющую роль играет такой фактор, как способность осадка сопротивляться деформациям в результате внешних воздействий, что позволяет использовать термин «структурно-механический фактор осадка». Так как при очистке движение потока воды одновременно сопровождается образованием осадка, то данный структурно-механический фактор является инте-

тральной характеристикой технологии, объединяя и связывая физико-химические и гидродинамические процессы.

При обработке воды коагулянтами или другими реагентами в воде образуются коагуляционные структуры со сравнительно слабыми по силе взаимодействия контактами между частицами. По мере увеличения концентрации твердой фазы в осадке достигается критический уровень, соответствующий началу образования пространственной структурной сетки. Эта концентрация называется первой критической концентрацией структурообразования -

Такие малопрочные структуры образуются при обработке воды сернокислым алюминием в свободном объеме.

По мере повышения концентрации дисперсной фазы прочность структурированной дисперсной системы возрастает как вследствие увеличения числа контактов между частицами в единице объема, так и в результате роста прочности контактов.

Современные теоретические положения физикохимии дисперсных систем (Н.Б. Урьев) предполагают пропорциональность прочности структуры произведению числа контактов между частицами на прочность каждого контакта. Это означает, что прочность такой структуры есть результат аддитивного сложения сил сцепления в контактах в предположении, что прочность контактов между частицами меньше прочности самих частиц.

Графическая зависимость Рт от фс выражается кривой с двумя близкими к линейным участками, первый из которых характеризуется относительно малым ростом Рт с увеличением (р>., а второй - весьма резким ростом Рт с увеличением (рисунок 1).

Наличие пространственной структуры, образованной сцеплением частиц дисперсных фаз между собой, позволяет определить критический размер частиц (по порядку величины) из условия соизмеримости сил сцепления между ними в структурной сетке и их массой, пока и поскольку сетка существует, и частицы удерживаются ею. Это предполагает, что концентрация дисперсной фазы соответствует тому минимуму , при котором структура может возникнуть (в порах фильтра обычно хлопья задерживаться не будут до тех пор, пока не образуется сплошная структурная сетка).

При подготовке питьевой воды и физико-химической очистке сточных вод структурирование осадка осуществляется путем введения коагулянтов и флоку-лянтов. В процессе доочистки биологически очищенных сточных вод фильтрованием осадок структурируется вследствие жизнедеятельности бактерий. В бескоа-гуляционной подготовке питьевой воды образование структурированного осадка зависит от вещественного и фракционного состава взвеси и стимулируется жизнедеятельностью микроорганизмов.

Свойства структурированного осадка определяются природой (видом) образующихся между частицами контактов, дисперсностью и геометрией частиц дисперсных фаз и их концентрацией в воде. Методы эффективного регулирования этих свойств должны быть основаны на сочетании регулирования силы (и энер-

гии) взаимодействия в контактах между частицами внешних гидромеханических воздействий на дисперсную систему.

Рисунок 1. Зависимость прочности дисперсной структуры Рт от объемной концентрации твердых фаз (рс

В любом случае, проблема структурообразования осадка решается за счет формирования коагуляционных контактов частиц, загрязняющих воду. В одном случае это достигается за счет образования гидроксидов металлов путем конденсационного образования дисперсных систем, а в другом - за счет гидрофобизации поверхности загрязняющих воду дисперсий в результате хемосорбции катионных флокулянтов или, как в разработанной автором технологии очистки воды фильтрованием, за счет введения присадки гидрофобных угольных суспензий непосредственно перед фильтром.

Таким образом, представленные условия и факторы образования и формирования структуры осадка позволяют при рассмотрении процесса очистки воды фильтрованием использовать понятие коллоидно-фазового перехода, что определяет возможность применения данного теоретического направления для разработки технологии очистки воды фильтрованием методом направленного структуро-образования осадка.

Заслуживает особого внимания процесс образования коагуляционных контактов в дисперсных системах, когда агрегация коллоидных частиц происходит вследствие коагуляции и флокуляции. В зависимости от характера сил, обусловливающих сцепление частиц, контакты между частицами подразделяются на коа-гуляционные и фазовые. В коагуляционных контактах взаимодействие частиц осуществляется через жидкие прослойки дисперсионной среды или непосредственно через точечные контакты в ближнем потенциальном минимуме. В фазовых контактах сцепление обусловлено близкодействующими силами когезии. Таким образом, более правильно будет говорить не о коагуляции и флокуляции, а об образовании коагуляционных контактов между частицами, поскольку коагуляция (дальняя агрегация) определяется фиксацией этих контактов во вторичном потен-

циальном минимуме вследствие действия сил притяжения на больших расстояниях. В гомогенных условиях образуются локальные трехмерные структуры осадка; в гетерогенных - сплошные периодические структуры. При обработке воды кати-онным флокулянтом происходит гидрофобизация частиц вследствие хемосорб-ции, что обеспечивает возможности для возникновения коагуляционных контактов. Одним из направлений повышения эффективности технологии подготовки питьевой воды является химическая модификация поверхности частиц, загрязняющих воду. Основной проблемой в технологии очистки следует считать струк-турообразование осадка и его прочность и связанный с этим весь комплекс физико-химических и технологических процессов. Определяющим фактором будет вид применяемых реагентов и присадок (термин и понятие автора). Особый интерес в отношении структурообразования представляет применение современных анионных и катионных флокулянтов. Применение полиакриламида (ПАА) существенно повышает структурную прочность осадка. Катионные флокулянты помимо прочего повышают силу сцепления частиц вследствие гидрофобизации их поверхности.

При совместном применении ПА/ и катионного флокулянта на первом этапе происходит физическая адсорбция больших (длинных) молекул ПАА на поверхности дисперсных частиц, что создает трудности для дальнейшего проникновения макромолекул ПАА в образовавшиеся агрегаты осадка, но не препятствует проникновению сравнительно малых молекул катионных флокулянтов, которые дополнительно повышают прочность осадка. Такой механизм действия флокулянтов подтверждается проведенными нами опытами по обработке речной воды ПАА совместно с катионным флокулянтом ВКП-402 при фильтровании. Отсюда следует, что представленное физико-химическое обоснование процессов структурообразо-вания и эффективности применения современных флокулянтов в технологии очистки воды позволяют значительно интенсифицировать процессы очистки и определить направления в развитии технологии.

Третья глава посвящена проблемам технологии очистки воды фильтрованием. В качестве основного определяющего критерия эффективности технологии очистки рекомендуется принять прочность образующегося осадка, что впервые позволяет дать количественную однозначную и объективную оценку эффективности данной технологии. Вторым определяющим критерием является геометрическая структура фильтрующего материала. Совокупность этих критериев позволяет оптимизировать процесс фильтрования.

Физическая модель процесса фильтрования на контактных осветлителях при конденсационном методе образования дисперсных систем следующая: в контактных осветлителях формирование осадка происходит в два этапа: первый этап -начальное формирование осадка в застойных зонах загрузки; второй — дальнейшее образование осадка на поверхности уже ранее сформировавшегося осадка, выполняющего в данном случае роль подложки (рисунок 2). Образование зародышей новой фазы — гидроксидных частиц интенсифицируется быстрым ростом концентрации осадка, вследствие ограниченного объема застойных зон, что при-

водит на первом этапе к формированию периодических коллоидных структур (ПКС), выполняющих роль подложки. При очистке воды по такой модели фильтрования оказывается возможным применять пониженные дозы коагулянта.

3 3

Рисунок 2. Схема накопления осадка в зернистой загрузке фильтра 1 — трехмерная структура осадка в застойных зонах загрузки фильтра; 2 - двумерная структура осадка в зоне движения воды; 3 - фильтрационный поток; 4 - зерна загрузки.

На втором этапе образование зародышей происходит на подложке; при этом образующиеся зародыши будут закрепляться на этой подложке прежде, чем потеряют устойчивость. Таким образом, на поверхности подложки происходит процесс, имеющий режим кинетики, характерный для кристаллизации. В загрузке контактных осветлителей осадок накапливается послойно, и, по мере накопления осадка в межзерновом пространстве возрастают касательные напряжения. При достижении равенства касательных напряжений и величины прочности осадка происходит разрушение осадка в виде среза верхней его части. Срезанный осадок, представляющий собой отдельные агрегаты, поступает в фильтрационный поток и задерживается в последующих слоях загрузки, что резко ухудшает структуру осадка в этих слоях, т.к. при этом происходит превращение двумерной структуры в трехмерную, обладающую более низкой прочностью.

Данная модель рассматривает процесс фильтрования при коагуляции в результате конденсационного образования дисперсных систем из раствора, но в воде присутствуют и другие дисперсные системы, обуславливающие мутность и цветность, следовательно формируется общая структура осадка, стимулируемая гидроксидами.

Итак, в первом (по ходу движения воды) слое загрузки контактных осветлителей процесс фильтрования протекает более интенсивно и практически не зависит от крупности зерен слоя (~ до 20 мм). Такие слои обладают повышенной гря-зеемкостью вследствие высокой прочности первичного осадка и возникающими в нем низкими касательными напряжениями, характерными для крупнозернистых слоев. Необоснованно считается, в т.ч. и в действующих нормативных документах, что в контактных осветлителях нижние крупнозернистые слои выполняют

только конструктивную роль (поддерживающие слои), а основную фильтрующую роль - верхние мелкозернистые слои. Проведенные нами опыты на фильтровальном стенде, состоящем из трех последовательно соединенных коротких колонок (конструкция A.M. Фоминых) показали, что грязеемкость этих мелкозернистых слоев невысокая.

Величина работы образования зародышей на подложке, формирующейся в загрузке на вогнутой стенке в местах контакта зерен фильтрующего материала меньше, чем на плоской стенке. Если поверхность контакта содержит расщелину, т.е. оказывается сильно вогнутой, то, по Фольмеру, работа образования зародыша может оказаться равной нулю (в местах контакта зерен).

Физическая модель фильтрования на скорых фильтрах следующая. Процесс формирования осадка в скорых фильтрах ухудшается вследствие поступления в загрузку частиц осадка, уже сформировавшегося в свободном объеме отстойников. Но в целом этот процесс сохраняет стабильность ввиду того, что происходит контактная коагуляция. Так, на первом этапе в застойных зонах загрузки скорых фильтров происходит коллоидно-фазовый переход от свободной к связанной кри-сталло-гидратной системе. На втором этапе формирование осадка происходит на поверхности ранее образовавшегося в застойных зонах загрузки осадка (на подложке).

Таким образом, в фильтрующей загрузке (как скорых фильтров, так и контактных осветлителей) равномерное распределение осадка по поверхности зерен исключается. В скорых фильтрах структура осадка может меняться от рыхлой трехмерной до плотной двухмерной. Поэтому для частичного упорядочения структуры осадка в скорых фильтрах, необходимо перед фильтрами дополнительно обрабатывать воду реагентами и присадками.

На основании представленных физических моделей разработана расчетная модель процесса очистки воды фильтрованием. Как установлено, накопление осадка по высоте загрузки происходит неравномерно (по ходу движения воды), что может быть объяснено потерей структурной прочности осадка и послужить основанием для разработки математической модели процесса. В качестве исходного расчетного параметра принята начальная прочность осадка в первом, по ходу движения воды, слое загрузки.

Потери структурной прочности осадка выражаются уравнением

Д сг,=К,сг0, (3)

где - начальная прочность осадка, Па; - потери структурной прочности осадка на глубине х; К, - коэффициент снижения структурной прочности осадка на глубине х.

Тогда, х структурная прочность осадка и

Окончание фильтроцикла наступает при К = 1 или

Следовательно, критерием определения параметров процесса фильтрования следует считать уравнение (5). Коэффициент Кх зависит от значения х, скорости фильтрования V, диаметра зерен загрузки d и может быть определен опытным путем. В качестве метода определения Кх используем технологическое моделирование по существующей методике, для заданной высоты загрузки и ее параметрах, скорости фильтрования, диаметра зерен по расчетным фильтрующим слоям. При моделировании, на основании полученных значений предельного гидравлического уклона определяется предельная пористость и предельные касательные напряжения т,ф. Через тпр в первой колонке (по ходу движения воды) устанавливается начальная прочность осадка ст0 = . Отсюда

По результатам технологического моделирования, проводимого при различных значениях начальной прочности осадка о0 и х, V, d установлена зависимость для определения К. Коэффициент К зависит от глубины сечения загрузки х, скорости фильтрования V, диаметра зерен d, динамического коэффициента вязкости воды ц, плотности воды р:

В основу разработки аналитического выражения коэффициента К положено следующее:

1. Аналитическое выражение должно быть в виде безразмерного критериального комплекса, поскольку, в том числе, К есть безразмерная величина и по физическому смыслу. Данный критериальный комплекс составляется из величин (7), представленных в критериальной форме. Использование этих величин и форма их представления определяются из анализа механизма процесса фильтрования. Так, прочность осадка фильтрующей загрузки будет (при прочих равных условиях) определяться:

конструктивными параметрами загрузки - диаметром зерен d и толщиной слоя х. Автором предложено влияние этих двух переменных хи с1 выражать в виде параметрического критерия

гидродинамическим воздействием потока, т.е. скоростью фильтрования V в сочетании с диаметром зерен с1, что определяется критериальным комплексом -

числом Яе для фильтрационного потока, т.е. Яе = ^ ^, где со - удельная поверхность.

Таким образом, группировка величин (7) в виде К=/(х/с1, Яе) отражает физический механизм процесса фильтрования, принятый в качестве основы для вывода количественных зависимостей.

2. Структура данного критериального комплекса представляется степенной формулой, а показатели степени определяются эмпирическим путем.

Отсюда полуэмпирическая формула для определения коэффициента К имеет следующий общий вид:

к

и (не

(8)

где А - числовая константа, зависящая от режима движения воды.

Учитывая, что при определении коэффициента К удельная поверхность изменяется сравнительно незначительно и совокупное влияние величин аз, А, р, ц (расчетный период - паводок) можно выразить размерной константой N то, произведя алгебраические преобразования, получим полуэмпирическую формулу:

Ы" ■ х'

К = ————, (9)

у -с1'г"

По результатам технологического моделирования автором для определения указанного критериального комплекса К предложена более удобная расчетная формула следующего вида:

х14

К = -

(10)

у 0 14^1* >

где х, м; V, м/ч; мм.

Здесь влияние размерной константы N учтено при назначении показателей степеней для х, V,

Но расчетная зависимость (10) получена при условии фильтрования через однородную загрузку или неоднородную, но имеющую относительно невысокую степень неоднородности. В такой загрузке влияние диаметра зерен проявляется однозначно по всей высоте загрузки. В инженерных технологиях фильтрования, как правило, применяется неоднородная загрузка. И чем выше степень неоднородности, тем сильнее проявляется неоднозначное влияние диаметра, особенно в нижележащих (по ходу движения) воды слоях загрузки. Для неоднородной загрузки, исходя из физических условий процесса фильтрования, предложено для определения коэффициента К применять параметрический критерий в виде , где - относительная переменная величина, представленная в

виде отношения текущего значения с1, к значению, заданному по условию, т.е. ф). Таким значением, заданным по условию, будет, с1а=1,0 мм. Тогда для неоднородных загрузок, сохраняя приведенные выше рассуждения, для расчета коэффициента К можно получить следующую полуэмпирическую формулу:

(11)

На основании многочисленных опытов предложена расчетная формула, в которой влияние размерной константы N и масштабов единиц измерения учтено при назначении показателей степеней для х, V, аI:

хы

К =

¥01<10

(12)

Для слоя с мелкозернистой загрузкой (третий слой для контактных осветлителей; первый слой для скорых фильтров) в формулу (11) вводится поправочный коэффициенту:

где: dmm - средний диаметр слоя с минимальным размером зерен; dLp - средний диаметр зерен для всей загрузки.

На основании полученной расчетной модели решается задача по определению требуемой высоты загрузки при различных значениях V и d.

Высота загрузки х определяется из условия, что в формуле (10) принимается К= 1. Тогда получается

x = V,Jl[ (13)

Из физических соображений следует ввести коэффициент условий фильтрования (3, учитывающий свойства примесей, тип применяемого реагента: коагулянт, флокулянт, совместно коагулянт и флокулянт и т.д. По опытным данным, Р= 1,01... 1,1. При применении различных фильтрующих материалов вводится коэффициент 4а , где а — коэффициент формы зерна. Тогда полный вид формулы для определения высоты фильтрующей загрузки:

x = (14)

Для практических расчетов обычно бывает достаточно применять формулу (13).

Таблица 1. Сравнительные данные по определению высоты фильтрующей загрузки (фильтрующий материал - кварцевый песок)

№ п\п Параметры процесса фильтрования и конструкции загрузки Высота загрузки х, м

диаметр зерен всей загрузки, мм скорость фильтрования, м/ч По рекомендациям СНиП По формуле автора (13)

d' d" dcp

1. 0,5 1,2 0,71 5,5 0,80 0,80

2. 0,7 1,6 0,97 7,0 1,40 1,17

3. 0,8 2,0 1,14 9,0 1,90 1,44

4. - - 1,25 10,0 - 1,96

5. - - 1,50 15,0 - 2,05

В таблице 1 представлены данные по сравнению формулы (13) с рекомендациями СНиП 2.04.02-84. - 1977. (далее СНиП). В указанном СНиП представлены только диаметры зерен мм: 0,71; 0,97; 1,14.

Из таблицы 1 видно, что при с/ср=0,71 мм и V=5,5 м/ч, высота загрузки, определенная по формуле автора, совпадает с рекомендациями СНиП, а при больших значениях крупности загрузки и скорости фильтрования - меньше на 17,5%, чем по СНиП.

При проведении технологических расчетов и оценке существующих рекомендаций был введен коэффициент <р = ^-, где ;сз - высота загрузки, мм; dз -

среднии диаметр зерен загрузки, мм, представляющий конструктивный параметр загрузки.

Результаты расчетов по указанному параметру (р представлены в таблице 2. Таблица 2. Оценка конструкций фильтрующих загрузок по параметру (р

№ и/и Диаметр зерен всей загрузки, мм Высота загрузки и ее параметр

По рекомендациям СНиП По формуле автора

х, мм <Р х, мм <Р

1. 0,71 750 1064 1020 1446

2. 0,97 1400 1443 1290 1329

3. 1,14 1900 1666 1500 1315

Из данных таблицы 2 видно, что параметр <р=х!с1 отличается значительным разбросом, но при расчетах загрузки по формуле автора разброс параметра <р значительно ниже. На рисунке 3 представлена зависимость высоты загрузки (слоя) от параметрического комплекса V"с/" ^ . где ц - вязкость; р - плотность воды.

Рисунок 3. Зависимость высоты загрузки от диаметра зерен и скорости фильтрования - комплекс ; 1 - по формуле автора; 2 - по СНиП.

Высота неоднородной загрузки (загрузка скорых фильтров и контактных осветлителей) х определяется из условия, что в формуле (12) принимается К=1. Тогда получается:

Для практических расчетов и при технологическом моделировании указанная формула принимается в виде:

х = уош,с/оы (15)

Существующая методика моделирования не учитывает влияния высоты слоя загрузки, что вызывает определенные погрешности при оптимизации процесса

фильтрования, так как при изменении Vи d изменяется и высота загрузки. Недоучет влияния высоты загрузки вносит также погрешности при определении потерь структурной прочности осадка и величины предельных касательных напряжений. Поэтому необходимо дальнейшее развитие существующей методики, для чего технологическое моделирование предлагается проводить в два этапа: первый этап - в основном по существующей методике, с определением начальной прочности осадка по формуле (6), и построением кривой п^В). Отличие от существующей методики на первом этапе состоит в том, что моделирование предлагается проводить с высотой загрузки, рассчитанной по формуле (15) и разделенной на три равные части по колонкам (рисунок 4).

Рисунок 4. Схема опытной установки для технологического моделирования скорых фильтров: 1 - исходная вода; 2 -дозирующий насадок; 3 - перелив; 4,5,6 -короткие модели фильтров, 7 - штуцера для присоединения пьезометров; 8 -штуцер для подачи промывной воды

Второй этап технологического моделирования проводится с целью оптимизации процесса фильтрования, при котором обеспечивается максимальная грязе-емкость загрузки, Сг, для чего результаты 1-ю этапа моделирования используются для расчета процесса фильтрования при различных принятых значениях скорости фильтрования, диаметра зерен загрузки и полученном на 1-м этапе значении начальной прочности осадка.

Оптимизационные расчеты проводятся в следующем порядке:

1. Для заданных значений Vи с1ср определяется общая высота загрузки и разбивается на три равных слоя;

2. Для каждого слоя рассчитываются: по формуле (12) коэффициент потерь структурной прочности осадка и по формуле (4) потери структурной прочности Да,;

3. Для каждого слоя определяется

4. На основании принятых значений Vи d определяется критерий подобия В (2); по критерию подобия определяется т^ по существующей формуле

и затем Ит11,=та-т1Т, где тц - начальная прочность загрузки;

5. По формуле С,=Р(Дт'д:'соПрП) производится расчет грязеемкости каждого слоя и общей грязеемкости всей загрузки. Удельная поверхность зерен слоя в

предельном состоянии . Показатель степени п при удельной по-

верхности определяется по кривой зависимости п^В). Данная зависимость получается следующим образом: на 1-м этапе моделирования (существующая методика) для каждого 1-го слоя (колонки) прямым замером определяем грязеемкость Сг|=Р(Дт,"Х|'Ш,п), что позволяет вычислить со" и, соответственно, показатель степени п. Далее, имея для каждого слоя ранее полученное значение В„ по трем точкам (В,; п,) строим кривую зависимости п=^(В), которая для всех возможных значений В определяет величину п (в условиях принятой технологии фильтрования);

6. По формуле Козени-Кармана рассчитываются потери напора по слоям и для всей загрузки в целом.

Таким образом, появляется возможность определить оптимальные значения Vи d и взаимосвязанную с этими значениями допустимую высоту загрузки.

Разработанная методика технологического моделирования и оптимизации процесса фильтрования позволяет установить оптимальную начальную прочность осадка со и подобрать оптимальный состав реагентов.

Принципиальным усовершенствованием существующей методики моделирования следует считать учет влияния высоты загрузки (слоя) x:, при изменении V и d, что позволяет осуществлять оптимизацию процесса на основе начальной прочности осадка - критерия эффективности технологии фильтрования.

Оптимизация процесса представляет собой комплекс таких задач, решение которых позволяет определить следующие оптимальные параметры и показатели: начальная прочность осадка, гранулометрический состав загрузки (по слоям), производительность фильтровальных сооружений.

Экспериментальная проверка разработанной методики проводилась в натурных условиях водопроводных очистных сооружений г. Кемерово, на воде р.Томи, в период паводка 1997 года. Вода, подаваемая после отстойников, непосредственно перед поступлением на опытный скорый фильтр (рисунок 4) дополнительно обрабатывалась сернокислым алюминием дозой 5 мг/дм3, суспензией порошкового активного угля дозой 5 мг/дм и полиакриламидом дозой 0,2 мг/дм3. Скорость фильтрования V=15 м/ч; вязкость воды ц=0,0013 Пах; фильтрующий материал -дробленые горелые породы.

Результаты опытов, проведенных по существующей методике технологического моделирования (1-й этап моделирования) представлены в таблице 3.

Таблица 3. Моделирование (по существующей методике) процесса фильтрования по схеме «скорый фильтр» (1-й этап моделирования). Кемеровский водопровод, паводок 1997 года. Скорость фильтрования 15 м/ч.

N слоя а, мм ш0 а В тпр > Па т„р Дшпр 0)„р ¡» 1пр п кг/м" Высота, м

1. 1,0 0,51 1,7 0,26 1,05 0,39 0,12 10200 0,53 1,75 0,22 0,66 0,63

2. 1,5 0,53 1,8 0,45 0,44 0,45 0,05 3940 0,11 0,47 0,20 0,22 0,76

3. 2,0 0,54 1,9 0,5 0,30 0,50 0,04 2850 0,07 0,19 0,18 0,12 0,76

График для определения показателя степени «п» представлен на рисунке 5.

0,1------

0 ---

0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5

В

Рисунок 5. Зависимость показателя степени "п" от В

Результаты расчетов по оптимизации процесса фильтрования на скорых фильтрах на основании данных 1-го этапа моделирования при скорости фильтрования 15 м/ч и различном гранулометрическом составе загрузки представлены в таблице 4.

Таблица 4. Расчеты по оптимизации процесса фильтрования на скорых фильтрах по данным 1-го этапа моделирования

N Состав за- ¿ср, Общая вы- Грязеем- Продолжи- Предельные кпд,

ц/П грузки по мм сота за- кость, Сг, тельность потери напора, %

слоям грузки, м кг/м2 цикла, ч. м.

1. 1,0: 1,5: 2,0 1,5 1,90 1,00 7,0 1,50 88

2. 1,5: 2,0: 2,5 2,0 2,29 2,20 9,7 1,58 90

3. 2,0: 2,5: 3,0 2,5 2,64 2,26 14,4 1,54 96

Расчет КПД был выполнен исходя из условий применения водовоздушной промывки фильтров (технология промывки «Фреза»). При этом простой фильтра составляет 0,4 часа.

Результаты расчетов по технологическому моделированию скорых фильтров для различных загрузок представлены на рисунке 6.

Ьср.мм 4

О -

0 12 3 4

С,, кг/м2

Рисунок 6. Результаты расчетов для различных загрузок: 1 - по существующей методике; 2 — по разработанной методике. Варианты по диаметру зерен: 1,0: 1,5: 2,0 (<1^=1,5 мм); 1,5: 2,0: 2,5 (<1^=2,0 мм); 2,0: 2,5: 3,0 (<1ср=2,5мм).

Данные по таблице 4 и рисунку 6 показывают, что с увеличением крупности зерен повышается эффективность работы скорых фильтров, но это требует одновременного увеличения высоты загрузки. Из проведенных опытов следует, что увеличение крупности зерен загрузки и скорости фильтрования, при соответствующем повышении начальной прочности осадка, не приводит к снижению качества подготовки питьевой воды. Действующее в настоящее время производство фильтрующего материала из горелых пород обеспечивает поставку крупнозернистого фильтрующего материала заданной крупности.

Технологическое моделирование на Кемеровском водопроводе проводилось по трем сериям, в каждой из которых изменялись: прочность осадка, скорость фильтрования, гранулометрический состав загрузки. Прочность осадка регулировалась применением реагентов, вводимых перед фильтрами: коагулянт, ПАА, активный уголь, флокулянт Кемфлок. Результаты опытов даны на рисунке 7.

о -,---,-,-

О 0,5 1 1,5 2 2,5 3

о„П»

Рисунок 7. Зависимость скорости фильтрования от начальной структурной прочности осадка (фильтрование по схеме «скорый фильтр»)

Представленные данные показывают, что основным критерием эффективности работы скорых фильтров является прочность осадка на сдвиг, которая определяется, в том числе, технологией химической обработки воды.

Исследования процессов фильтрования на контактных осветлителях позволили усовершенствовать конструкцию фильтрующей загрузки этих сооружений. Из опыта многолетней производственной эксплуатации следует, что контактные осветлители работают недостаточно надежно, особенно во время паводка. Одной из причин этого является нерациональная конструкция загрузки, состоящая, в основном, из мелкозернистых фракций, а проведенными исследованиями установлено, что основное количество осадка задерживается нижними крупнозернистыми слоями загрузки.

На основании результатов моделирования, полученной теоретической модели и принятого критерия эффективности технологии фильтрования, усовершенствована конструкция контактного осветлителя, параметры которого представлены в таблице 5.

Таблица 5. Параметры рекомендуемой конструкции загрузки контактных осветлителей

№ Крупность зе- Средний Высота слоя загрузки, м

п/п рен в слоях диаметр зе- Скорость фильтрования, м/ч

загрузки, мм рен в слоях, 4,0; 5,0; 6,0;

мм а0=1,ОПа ао=1,5 Па о0=2,0 Па

1. 32...16 поддерживающие слои общей высотой 0,5

2. 16...8 м

3. 8... 4 5,3 0,85 0,88 0,90

4. 4... 2 2,6 0,85 0,88 0,90

5. 2...1,5 1,4 0,85 0,88 0,90

6. - - Полная высота загрузки 3,1. ..3,3м

Начальная прочность осадка на сдвиг, Па, принимается в период паводка при температуре воды ~ 3°С. Максимальная исходная мутность воды 200 мг/л. Промывка водовоздушная по технологии «Фреза».

Технологическое моделирование процесса фильтрования на усовершенствованной конструкции контактного осветлителя проводилось в натурных условиях Кемеровского водопровода. Результаты моделирования представлены на рисунке 8, из которых следует, что повышение начальной структурной прочности осадка позволяет увеличить скорость фильтрования с 4 до 6 м/ч.

Наличие по ходу движения воды мощных крупнозернистых слоев в загрузке контактных осветлителей значительно увеличивает их грязеемкость вследствие формирования более прочного осадка и меньших касательных напряжений (гря-зеемкость скорых фильтров и контактных осветлителей соотносится как 1 : 10). Технология очистки «контактный осветлитель» компактна, экономичная (особенно по капитальным вложениям), но требует высокого уровня эксплуатации и дальнейшего научно-инженерного развития.

Рисунок 8. Зависимость скорости фильтрования от начальной структурной

прочности осадка (фильтрование по схеме «контактный осветлитель»)

Глава 4 содержит результаты исследований по направленному структурооб-разованию осадка и разработке инженерной технологии очистки сточных вод -технологии «блок-фильтрования» (термин автора), в которой взаимосвязаны конструкция фильтрующей загрузки и технологический процесс фильтрования.

Технология «блок-фильтрования» позволяет фильтру (зернистому слою), как технически монолитному блоку, выполнять функции микрокомплекса очистных сооружений при обеспечении требуемого качества очистки воды.

Первым примером технологической реализации метода направленного структурообразования осадка была разработанная автором технология глубокой очистки высокомутных шахтных вод фильтрованием с применением флокулянта ПАА, которая была внедрена в широком масштабе более чем на десятке шахт Кузбасса (Абашевская, Бунгурская, Зенковская, им. Димитрова, Новая, Октябрьская, Сигнал и ряда других), с обеспечением экономического и экологического эффекта.

Дальнейшие исследования в этом направлении привели к разработке технологии очистки не только шахтных вод, но и других углесодержащих стоков различных отраслей промышленности. Была создана базовая технология очистки уг-лесодержащих сточных вод (для различных производств) основанная на формировании в межзерновом пространстве загрузки направленной структуры осадка, при обеспечении оптимальных условий процесса фильтрования. Для этого при технологическом моделировании подбираются оптимальные значения V и d ив зависимости от принятых значений этих параметров определяется высота фильтрующей загрузки.

Результаты расчетов по оптимизации процессов фильтрования представлены в таблице 6.

Разработанная методика технологического моделирования позволила оптимизировать процесс фильтрования, что повысило грязеемкость загрузки в несколько раз при сохранении высокого качества очистки воды.

Таблица 6. Результаты расчетов по оптимизации процесса фильтрования сточных вод углеподачи ТЭЦ (У=11 м/ч; 1„ = 18ч.)

N л, мм Высота слоя, м Да, Па с„

сл оя геом. привел. т0 а К В т„р Дт„р <Опр п Па кг/м 2

1. 6,0 0,94 0,94 0,45 1,72 0,112 0,16 0.026 0,16 0,29 1532 0,83 1,24 139

2. 3,0 0,94 1,88 0,46 1,72 0,560 0,78 0.105 0,28 0,18 2497 0,75 0,65 62

3. 2,0 0,94 2,82 0,52 1,72 0,850 1,19 0,430 0,48 0,04 2652 0,58 0,22 3

Для таких отраслей производства, образующих углесодержащие стоки, как-то: угольные ТЭЦ, углепогрузочные порты (морские и речные), угольные склады и прочие аналогичные производства, указанная технология прошла экспериментальную проверку в производственных условиях и разработана техническая документация на стадии «рабочий проект» (углепогрузочный порт Ванино) и «технический проект» (для угольных ТЭЦ и котельных).

Углубление и расширение данной области исследований привело к созданию нового направления в технологии очистки сточных вод, в котором направленное структурообразование осадка и связанные с этим физико-химические процессы очистки воды осуществляются с использованием диспергационного метода образования коллоидных систем. Это позволило разработать комплекс инженерных технологий «блок-фильтрования» для очистки следующих видов сточных вод: нефтесодержащих — по всей номенклатуре стоков нефтедобывающих, транспортирующих, нефтеперерабатывающих предприятий; автомоечных и стоков железнодорожного транспорта; технологических стоков пивоварения; поверхностного стока промплощадок различных отраслей промышленности; морского и речного транспорта и ряда других производств.

Принципиальные основы разработанной технологии состоят в обработке сточных вод суспензией тонкомолотого каменного угля и раствором флокулянта ПАА, с последующим фильтрованием в направлении снизу вверх через зернистую загрузку водоочистного фильтра. Для проектирования конкретных очистных сооружений применяется разработанная методика технологического моделирования.

Данная методика моделирования позволяет более точно определять параметры доочистки биологически очищенных сточных вод фильтрованием. Существующая технология доочистки рекомендует фильтрование стоков через крупнозернистый щебень фракции 10...3 мм ^э0=5,5 мм) с высотой загрузки 1,2 м при скорости фильтрования 16 м/ч. По предложенной автором формуле высота такой загрузки х=3,9 м, что превышает рекомендуемую высоту загрузки в 3,9/1,2=3,28 раза. Если принять для загрузки dcp=3,0 мм, а скорость фильтрования 12 м/ч, то х=2,9 м, а это уже допустимо для практического применения.

Технологическое моделирование процессов очистки сточных вод показало, что полученные при моделировании параметры соответствуют аналогичным параметрам, полученным при моделировании процессов очистки природных вод. Это в определенной степени подтверждает обоснованность теоретической модели

26

разрабатываемой технологии и методики технологического моделирования. Таким образом, под блок-фильтрованием понимается такой технически монолитный водоочистной фильтро-блок, в котором раздельные процессы очистки воды (как разнородные, так и однородные, но многоступенчатые) технологически реализуются в интегральной форме в виде единого водоочистного комплекса.

Базовый модуль очистных сооружений инженерной технологии «блок-фильтрования» в виде принципиальной технологической схемы представлен на рисунке 9. Данный модуль работает следующим образом: исходная сточная вода поступает в отстойник-нефтеловушку-регулятор, в котором происходит прием, регулирование расхода, отстаивание с выделением минеральной взвеси и свободных нефтепродуктов. Из отстойников вода подается в блок фильтрования с введением в обрабатываемую воду угольной суспензии и полиакриламида (в данном конкретном варианте). Очищенная вода обеззараживается (вариант) и подается потребителю или на сброс. Регенерация фильтров осуществляется по специально разработанной технологии промывки «Фреза», с использованием промывной воды в замкнутом цикле, для чего предусмотрен блок промывных отстойников. Данная технология может применяться в широком диапазоне расхода сточных вод и состава загрязнений и предусматривает утилизацию осадка.

Основные показатели блока фильтров - определяющей стадии процесса очистки по базовому модулю технологии очистки - представлены в таблице 7.

Таблица 7. Основные показатели блока фильтров

№ Наименование показателя Ед.изм. Значение показателя

1. Производительность (единичная) м'/ч 8,0

2. Площадь фильтра 1,0

3. Исходная концентрация загрязнений, посту-

пающих на фильтр:

3.1. По взвешенным веществам мг/дм до 300...500

3.2. По нефтепродуктам . мг/дм3 до 200...300

4. Тип фильтра: открытый, безнапорный - -

5. Фильтрующая загрузка: зернистый, дробленый - фракц. состав - по

материал (щебень, горелые породы и т.д.) данным разработчи-

6. Общая высота фильтрующего слоя м 2,7

7. Продолжительность фильтроцикла час 30,0

8. Промывная вода для фильтра (в обороте) м3 6,5

9. Концентрации примесей в фильтрате:

9.1. По взвешенным веществам мг/дм3 2...3,0

9.2. По нефтепродуктам мг/дм 0,1 (и менее)

Данная технология обладает комплексом технологических, экологических и технико-экономических преимуществ. Рекомендуется перед стадией рабочего проектирования провести технологические испытания (технологическое модели

Рисунок 9 Технологическая схема очистки сточных вол (технология "блок - фильтрования", базовый модуль)

рование) для подтверждения принятых параметров и оптимизации процесса фильтрования.

Глава 5 содержит разработанную методику технико-экономической оценки эффективности технологии очистки воды фильтрованием.

Существующий метод технико-экономической оценки вариантов не имеет экономической взаимосвязи с техническими и технологическими решениями и, по существу, действующая методика технико-экономического сравнения носит характер формального (сметного) расчета, не опирающегося на физико-химические основы сравниваемых (оцениваемых) технологических процессов. Единственно, что отражает в какой-то степени связь технологии и экономики очистных сооружений, является качество очищенной воды. Но критерий качества определяет только общий уровень требований к технологии и не позволяет дать оценку эффективности самих процессов (именно с технико-экономической точки зрения), что на практике приводит к перерасходу капитальных вложений и эксплуатационных затрат.

Автором предложено производить технико-экономическую оценку на основе критериев эффективности технологии и разработана соответствующая методика сравнения вариантов, в которой применяется методика технологического моделирования, без проведения опытов. По принятым значениям скорости фильтрования V и диаметра зерен загрузки d рассчитывается общая высота загрузки, с разбивкой ее на три равных по высоте слоя. Далее определяются для каждого слоя: потери структурной прочности осадка и предельные касательные напряжения; критерий подобия В; предельная пористость и насыщенность; предельный гидравлический уклон. Оптимизация процесса фильтрования проводится путем последовательного увеличения значений V, d, о<). При обеспечении максимально возможной прочности осадка (для конкретного варианта) принимается соответствующее значение максимальной скорости фильтрования. Это дает основания и обеспечивает условия для объективной оценки эффективности данной технологии (варианта) и последующего технико-экономического расчета.

Для дальнейшего обоснования указанной методики по оптимизации процесса фильтрования (на стадии технико-экономических расчетов) разработаны аналитические зависимости по определению оптимального диаметра зерен фильтрующей загрузки. За основу этих расчетов приняты: критерий подобия В (2) и критерий

удельной объемной грязеемкости где Д - диаметр зерен фильтрую-

щего слоя; - единичная высота слоя;

Условия экстремума функции удельной грязеемкости в дифференциальной форме:

При решении этого уравнения и проведении соответствующих преобразований получены формулы:

для горелых пород

для кварцевого песка

(16)

(17)

Полученные (совместно с Кузнецовым Л.К.) формулы (16) и (17) используются для сравнения с результатами технологического моделирования, где средний диаметр зерен кварцевого песка составил 1,14 мм, а по формуле (17) оптимальный диаметр зерен:

336,15 • 8 / 36(Х) • IД 6 • 0.0016

Д2

1,0

- = 0,00138.4 = Р8лш.

При принятых исходных условиях моделирования действующие СНиП рекомендуют эквивалентный диаметр зерен 1...1,2 мм. Отсюда видно, что результаты теоретических расчетов незначительно отличаются от результатов технологического моделирования.

При преобразовании формулы (17) следующим образом:

Дт,

Д",

= 336,15 Усс(! , получается V ■

336.15 • ац

С увеличением Д'Х возрастает V, и производительность фильтровальных сооружений при прочих равных условиях будет зависеть от прочности осадка на сдвиг. Следовательно, показатель прочности осадка может быть принят в качестве критерия эффективности технологии фильтрования.

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ

1. Разработано новое научное направление — технология очистки природных и сточных вод фильтрованием методом направленного структурообразования осадка, реализованное в виде инженерной технологии блок-фильтрования.

2. Разработан критерий эффективности технологии очистки воды фильтрованием - структурная прочность осадка, позволяющий дать количественную оценку эффективности, что имеет теоретическое и практическое значение, обеспечивающее возможности объективного выбора и повышения уровня данной технологии.

3. Разработана физическая модель процесса очистки воды фильтрованием, имеющая, в зависимости от конкретных физико-химических условий процесса, различные варианты, определяемые физико-химической характеристикой приме-

няемого реагента и методом образования дисперсных коллоидных структур при очистке воды.

Показано, что наиболее прочный осадок образуется при условии формирования двумерных структур, что принимается как физико-химическая основа совершенствования технологии фильтрования и разработки в ней новых направлений.

4. Установлен механизм потерь структурной прочности осадка по высоте загрузки и получена формула для определения коэффициента потерь прочности осадка в зависимости от скорости фильтрования, диаметра зерен, глубины фильтрующего слоя, позволяющая рассчитать потери прочности по высоте загрузки.

5. Разработана теоретическая модель процесса фильтрования с учетом влияния высоты загрузки фильтровальных сооружений и получена формула для определения этой высоты, что позволило усовершенствовать методику технологического моделирования и проводить оптимизацию процесса фильтрования, учитывая влияние параметров Vи d на высоту фильтрующей нагрузки и ход процесса.

6. Предложено усовершенствовать конструкцию контактных осветлителей за счет введения в загрузку крупнозернистых фильтрующих слоев, что обеспечивает повышение начальной прочности осадка, увеличение скорости фильтрования и расширение области применения контактных осветлителей.

7. Разработана новая технология очистки углесодержащих сточных вод(шахтные воды, стоки угольных ТЭЦ и углепогрузочных портов) фильтрованием, а также комплекс инженерных технологий для очистки нефтесодержащих сточных вод различных отраслей нефтяной и нефтеперерабатывающей промышленности; автомоечных и других транспортных стоков, включая морской и речной флот; поверхностного стока промплощадок различных отраслей промышленности.

8. Разработаны основные принципы технико-экономического сравнения вариантов на основе критерия эффективности технологии фильтрования, с определением требуемых параметров процесса фильтрования расчетным путем по принятой начальной прочности осадка и предложена методика технико-экономического обоснования эффективности работы фильтровальных сооружений.

Основные положения диссертации опубликованы в следующих работах:

1. Фоминых В.А. Исследования флокулянтов при осветлении воды/ В.А. Фоминых, О.Г. Гириков // Изв. вузов. Строительство и архитектура. - 1970. - №7. -С.140-143.

2. Фоминых В.А. Технологические схемы очистки шахтных вод от взвешенных веществ / В. А. Фоминых // Изв. вузов. Строительство и архитектура. -1972. -№8.-с.106-110.

3. Фоминых В.А. Новый метод очистки шахтных вод от взвешенных веществ / В.А. Фоминых // Межвузовский сборник «Новые методы и типы сооруже-

ний для очистки бытовых и производственных сточных вод. - Л.: изд-во ЛИСИ,

1972.-№1.-с.40-49.

4. Фоминых В.А. Новый метод очистки шахтных вод / В.А. Фоминых // Проектирование и реконструкция угольных сооружений. М: ЦНИЭИуголь. - 1973. -№3.-с.27-29.

5. Фоминых В.А. Осадок, образующийся при очистке шахтных вод и его складирование / В.А. Фоминых // Изв. вузов. Строительство и архитектура. —

1973.-№9.-с. 108-112.

6. Фоминых В.А. Новый способ осветления шахтных вод угольной промышленности / ВА. Фоминых, Ю.И. Трещев // Водные ресурсы. - 1975. -№2.-с.162-165.

7. Фоминых В.А. Технологическое моделирование и расчет фильтрующих загрузок при осветлении шахтных вод фильтрованием / В.А. Фоминых, A.M. Фоминых // Изв. вузов. Строительство и архитектура. - 1975. - №10. - с. 110-114.

8. Фоминых A.M. Опыт эксплуатации и перспективы применения фильтрующего материала из горелых пород / А.М. Фоминых, В.А. Фоминых, В.И. Мя-кишев, Н.Д. Артеменюк // Изв. вузов. Строительство и архитектура. - 1976. - №12, с. 124-127.

9. Фоминых A.M. Использование горелых пород террикоников для очистки сточных вод / A.M. Фоминых, Ж.А. Широнин, Ю.И. Трещев, В.А. Фоминых // Реферативная информация/ Использование отходов для приготовления строительных материалов. — М.: изд-во ВНИИЗСМ, 1977. - вып.З

Ю.Фоминых А.М., Фоминых В.А. К вопросу очистки воды фильтрованием// Изв. вузов. Строительство и архитектура. -1984. - №8. - с. 112-115.

П.Фоминых A.M. Комбинированный метод подготовки питьевой воды / A.M. Фоминых, В.А. Фоминых // Изв. вузов. Строительство и архитектура. — 1986. -№2.-с.97-99.

12.Фоминых А.М. Выбор критерия оптимальности и режима работы скорых фильтров / A.M. Фоминых, В.А. Фоминых, Л.К. Кузнецов // Изв. вузов. Строительство и архитектура. -1987. -№3. - с.91-94.

1 З.Фоминых А.М. Теоретическое обобщение и перспективы развития процесса очистки воды фильтрованием / A.M. Фоминых, В.А. Фоминых // Изв. вузов. Строительство и архитектура. -1987. - №12. - с.85-89.

14.Фоминых A.M. Технология подготовки питьевой и промышленной воды / A.M. Фоминых, В.А. Фоминых // Изв. вузов. Строительство и архитектура. — 1988. - №2.-с. 106-109.

15.Фоминых A.M. Технология очистки сточных вод и вод оборотных систем водоснабжения от взвешенных веществ и нефтепродуктов / A.M. Фоминых, В.А. Фоминых // Изв. вузов. Строительство и архитектура. - 1988. - №5. - с.92-95.

16.Фоминых A.M. Определение оптимального диаметра зерен фильтрующей загрузки фильтровальных сооружений / A.M. Фоминых, В.А. Фоминых // Изв. вузов. Строительство и архитектура. - 1988. - №12. - с.91-93.

17.Фоминых A.M. Очистка шахтных вод от взвешенных веществ / A.M. Фоминых, В.А. Фоминых, Ю.Л. Сколубович // Химия и технология воды. - 1989. -№12.-с.1116-Ш8.

18.Фоминых A.M. Недостатки технологии подготовки питьевой воды и перспективы ее развития / A.M. Фоминых, В.А. Фоминых // Изв. вузов. Строительство и архитектура. - 1990. - №10. - с.95-100.

19.Фоминых A.M. Проблемы очистки ливневых вод / A.M. Фоминых, Е.Л. Войтов, Ю.Л. Сколубович, В.А. Фоминых // Изв. вузов. Строительство и архитектура. - 1990. - № 12. - с.75-77.

20.Фоминых A.M. Теоретическая оценка фильтрующих материалов / A.M. Фоминых, В.А. Фоминых // Изв. вузов. Строительство и архитектура. - 1991. -№7.-с.98-101.

21.Фоминых A.M. Технологическое моделирование и расчет радиальных фильтров на оптимальный режим работы / A.M. Фоминых, Е.Л. Войтов, Ю.Л. Сколубович, В.А. Фоминых // Изв. вузов. Строительство и архитектура. - 1991. -№11.-сЛ 12-117.

22.Фоминых A.M. К вопросу определения предельного гидравлического уклона / A.M. Фоминых, В.А. Фоминых, Л.И. Кантор // Изв. вузов. Строительство и архитектура. - 1992. - №1. -с.92-94.

23.Фоминых A.M. К вопросу о существующей теории устойчивости и коагуляции / A.M. Фоминых, В.А. Фоминых // Изв. вузов. Строительство и архитектура. - 1992. - №3. - с. 100-102.

24.Фоминых A.M. Преимущества очистки природных и сточных вод фильтрованием / A.M. Фоминых, В.А. Фоминых // Изв. вузов. Строительство и архитектура. - 1992. - №7-8. - с.97-100.

25.Фоминых A.M. Физико-химические и технологические проблемы в технологии очистки природных и сточных вод / A.M. Фоминых, В.А. Фоминых // Изв. вузов. Строительство и архитектура. - 1992. - №11-12. - с.89-91.

26.Фоминых A.M. Применение теории фильтрования в инженерных расчетах / A.M. Фоминых, В.А. Фоминых // Водоснабжение и санитарная техника. - 1995. -№1.-с. 19-20.

27.Фоминых A.M. К вопросу о коагуляции и контактной коагуляции / A.M. Фоминых, В.А. Фоминых // Изв. вузов. Строительство. - 1996. - №12. - с.83-86.

28.Фоминых A.M. Технологическое моделирование процесса умягчения воды фильтрованием в условиях ламинарного и турбулентного движения воды / A.M. Фоминых, О.В. Быковский, В.А. Фоминых // Изв. вузов. Строительство. -1997.-№6.-с.106-110.

29.Фоминых A.M. К вопросу о качестве питьевой воды и технологии ее подготовки / A.M. Фоминых, В.А. Фоминых // Изв. вузов. Строительство. - 1997. -№9.-с. 131-134.

30.Фоминых A.M. Использование строительного щебня в качестве фильтрующего материала при очистке вод фильтрованием / A.M. Фоминых, О.В. Быковский, А.В. Моргунов, В.А. Фоминых // Изв. вузов. Строительство. - 1997. -№12.-с.82-84.

31.Фоминых A.M. К вопросу о применении теории фильтрования в инженерных расчетах / A.M. Фоминых, В.А. Фоминых // Изв. вузов. Строительство. -1998. - №7. - с.88-92.

32.Фоминых A.M. Структурообразование осадка - основная проблема в технологии очистки природных и сточных вод / A.M. Фоминых, В.А. Фоминых // Изв. вузов. Строительство. - 1998. - №9. - с.77-82.

33.Фоминых A.M. Разделение концентрированных углесодержащих суспензий фильтрованием / A.M. Фоминых, В.А. Фоминых // Изв. вузов. Строительство. - 1999. - №2-3. - с.106-108.

34.Фоминых A.M. Теоретическое обоснование процесса разделения концентрированных суспензий прямоточным фильтрованием без предварительной очистки воды отстаиванием / A.M. Фоминых, В.А. Фоминых // Изв. вузов. Строительство. -1999.- №9. -с.77-81.

35.Фоминых A.M. Определение гидравлических и геометрических параметров при разделении суспензией фильтрованием через зернистые материалы / A.M. Фоминых, ВА. Фоминых, А.В. Моргунов // Изв. вузов. Строительство. - 1999. -№10.-с.72-75.

36.Фоминых A.M. Критерии современной физико-химической технологии очистки природных и сточных вод / A.M. Фоминых, В.А. Фоминых // Изв. вузов. Строительство. - 2000. - №1. - с.73-75.

37.Фоминых A.M. Очистка сточных вод углеподачи ТЭЦ / A.M. Фоминых, В.А. Фоминых, А.В. Моргунов // Изв. вузов. Строительство. - 2000. - №5. - с.70-73.

38.Фоминых A.M. О процессах физико-химической технологии очистки воды и их теоретической оценке / A.M. Фоминых, В.А. Фоминых // Изв. вузов. Строительство. - 2000. - №6. - с.96-99.

39.Фоминых ВА. Расчет зернистых водоочистных фильтров в технологии подготовки питьевой воды / В.А. Фоминых // Изв. вузов. Строительство. - 2002. -№1-2.-с.88-92.

40.Фоминых В.А. Технологическое моделирование процесса очистки воды фильтрованием с учетом влияния высоты слоя фильтрующей загрузки / В.А. Фоминых // Изв. вузов. Строительство. - 2002. - №7. - с.82-85.

41.А.С.1720 684 СССР. Фильтр для очистки жидкостей от нерастворимых примесей / A.M. Фоминых, В.А. Фоминых - Опубл. В Б.И. № 11, 1992, МКИ В 01

Новосибирский государственный архитектурно-

строительный университет 630008,Но восибирск,ул.Ленинградская,113

Отпечатано мастерской оперативной полиграфии НГАСУ заказ 3л0 тираж 1С0.2С0Д.

U / 5 32

РНБ Русский фонд

2005-4 12501