автореферат диссертации по строительству, 05.23.04, диссертация на тему:Тонкослойные отстойники для интенсификации очистки природных и сточных вод

м-

ПЕТЕРБУРГСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ ПУТЕЙ СООБЩЕНИЯ

На правах рукописи

ИВАНОВ ВИКТОР ГРИГОРЬЕВИЧ кандидат технических наук

ТОНКОСЛОЙНЫЕ ОТСТОЙНИКИ ДЛЯ ИНТЕНСИФИКАЦИИ ОЧИСТКИ ПРИРОДНЫХ И СТОЧНЫХ вод

Специальность 05.23.04. - Водоснабжение, канализация, строительные системы охраны водных ресурсов

Санкт-Петербург

Оглавление

Стр.

Введение.......................................... 4

1. Краткий обзор работ по тонкослойному отстаиванию и задачи дальнейших исследований...................................... 8

2. Теоретические основы тонкослойного отстаивания.............. 51

2.1. Влияние формы, относительных размеров и направления течения жидкости в тонкослойных элементах на их расчетную длину...... 51

2.2. Осаждение частиц в радиальных тонкослойных элементах и элемен-элементах с фильтрующими стенками................... 68

- 2.3. Учет неравномерности распределения потока между тонкослойными

элементам.................................. 83

2.3.1. Оптимальное размещение тонкослойных элементов в горизонтальном отстойник .......................... 83

2.3.2. Оптимальное размещение тонкослойных элементов в радиальном отстойнике............................ 90

2.3.3. Распределение потока между тонкослойными элементами при восходяще-нисходящем течении жидкости............. 97

3. Снос и сползание частиц в тонкослойных элементах............. 131

3.1". Экспериментальные исследования сноса и сползания частиц..... 131

3.2. Вывод формулы для определения скорости сползания частиц

в неподвижной жидкости.......................... 139

3.3. Вывод формулы для определения скорости сноса частиц........ 150

3.4. Начало трогания и остановки частиц под действием потока в тонкослойном элемент........................... 154

3.5. Влияние скорости потока на сползание части.............. 163

4. Экспериментальные исследования на лабораторных и полупроизводственных установках ................................... 168

4.1. Задачи и методика исследований..................... 168

4.2. Опытные данные, полученные при исследованиях на лабораторных и полупроизводственных установках....................170

4.3. Опытные данные и результаты применения тонкослойных отстой-

ников в производственных условиях...................205

5. Математическая модель тонкослойного отстаивания.............244

5.1. Базовые кривые кинетики тонкослойного отстаивания..................244

5.2. Корректировка расчетной гидравлической крупности частиц взвеси . 252

5.3. Математическая модель тонкослойного отстаивания....................263

6. Внедрение результатов работы и экономическая эффективность предло-

#

женных мероприятий................................268

7. Общие выводы и рекомендации..........................277

Литература........................................281

й

Ш

Введение

В технике очистки природных и сточных вод большое внимание уделяется отстойникам, так как от их эффективности и производительности зависит работа очистной станции. Во многих случаях отстойники являются единственными или завершающими технологическую схему сооружениями очистки воды, что характерно для многих локальных очистных установок промышленных предприятий и использовании отстойников в качестве вторичных и третичных. После локальных производственных установок вода используется в обороте или сбрасывается в городские системы канализации, влияя на их работу и на состояние водоемов. Это наиболее распространенные сооружения, на долю которых приходится основная масса выделяемых из обрабатываемой воды загрязнений. Особое значение имеет применение отстаивания, как регенеративного метода очистки в локальных установках с целью извлечения и утилизации ценного сырья из сточных вод. Отстаивание является самым простым, наименее энергоемким и наиболее дешевым методом выделения из сточных вод грубо-дисперсных примесей с плотностью, отличающейся от плотности воды, что обусловило их широкое применение. Это обстоятельство приобретает особое значение в свете резкого увеличения стоимости топливно-энергетических ресурсов. Так по отношению к 1990 г. цены на электроэнергию в 1996 г. возросли более, чем в 300 раз и эта тенденция продолжает сохраняться. Усилиями ведущих научно-исследовательских учебных и проектных организаций нашей страны (ГНЦ РФ НИИ ВОДГЕО, МИСИ (МГСУ), НИИ КВОВ АКХ, ЦНИИ ЭП инженерного оборудования и др.) проделана большая работа по разработке и внедрению перспективных конструкций отстойников для очистки природных и сточных вод методами тонкослойного осаждения. В современных условиях, когда инвестиции в новое строительство практически прекратились, единственным реальным направлением повышения производительности и эффективности работы очистных сооружений становится их реконструкция и, в первую очередь реконструкция отстойников, которая при минимальных капитале-

вложениях, может быть осуществлена в кратчайшие сроки. По существу одним из реальных и перспективных направлений остается применения принципов тонкослойного отстаивания. У нас в стране и за рубежом тонкослойные отстойники применяются во все возрастающем объеме. Их разделительная способность, особенно при выделении тонкодисперсных примесей, во много раз выше разделительной способности обычных отстойников. Габариты значительно меньше, что отвечает целям ресурсосбережения и позволяет получить компактное решение задачи интенсификации работы сооружений без расширения занимаемых площадей. Последнее существенно снижает или исключает полностью затраты на зем-леотвод и дает желаемый результат в стесненных условиях действующих предприятий. При этом чрезвычайно важным становится повышение точности и надежности прогнозирования предполагаемых результатов интенсификации для снижения экономического риска. Между тем, вопросы определения оптимальных размеров основных элементов тонкослойных отстойников до сих пор достаточно не исследованы.

В связи с вышеизложенным, дальнейшая разработка круга вопросов, связанных с тонкослойным отстаиванием природных и сточных вод, внедрением тонкослойных отстойников в практику, является весьма актуальной и позволит расширить область применения тонкослойного отстаивания, повысить надежность и экономичность реализуемых решений по интенсификации работы действующих и проектируемых сооружений. Значительная часть работы выполнена для условий очистки производственных сточных вод целлюлозно-бумажной промышленности, где повышение степени очистки непосредственно связано с возвратом в производство ценного сырья волокна и наполнителей и возможной организации оборотных замкнутых циклов.

Научные положения, выносимые на защиту:

- обоснование сущности процесса осаждения частиц взвеси в тонкослойных элементах и влияния гидравлических и технологических параметров на эффективность осаждения;

- определение неравномерности потокораспределения и предлагаемые

способы оптимизации параметров элементов и их размещения в отстойниках;

- закономерности сползания и сноса частиц в тонкослойных элементах;

- разработанные конструкции аппаратов для очистки природных и сточных вод, основанные на применении принципов тонкослойного отстаивания, результаты их лабораторных и производственных исследований;

- математическая модель тонкослойного отстаивания, основанная на базовых кривых кинетики тонкослойного отстаивания и методе их корректировки в реальных условиях;

- метод экономической оценки повышения производительности и эффекта очистки при реконструкции обычных отстойников в тонкослойные.

Научную новизну работы составляют:

- развитие представлений о механизме процесса тонкослойного осаждения и влияния на этот процесс гидравлических, технологических и конструктивных параметров тонкослойных элементов и отстойника;

- теоретические и экспериментальные исследования процесса тонкослойного отстаивания взвеси в тонкослойных отстойниках различного типа и влияния на этот процесс неравномерности распределения потока между тонкослойными элементами;

- теоретические исследования процесса осаждения частиц в радиальных тонкослойных элементах и элементах с фильтрующими стенками;

- закономерности сползания и сноса частиц взвеси в тонкослойных отстойниках;

- разработка математической модели для прогнозирования эффективности применения, расчета и оптимизации конструктивных параметров тонкослойных отстойников для интенсификации очистки природных и сточных вод;

По материалам диссертации получены 9 авторских свидетельств и

одно положительное решение на полезную модель.

Практические результаты работы представлены:

- предложением нового оборудования и технологии очистки природных и сточных вод, позволяющих повысить гидравлическую нагрузку или эф-

фект очистки при уменьшении габаритов сооружений;

- уточнением методики расчета и повышением надежности принимаемых решений, снижающих экономический риск при проектировании новых и оценке способов реконструкции существующих сооружений без расширения занимаемых ими площадей;

- снижением капитальных и эксплуатационных затрат за счет применения компактных и высокопроизводительных тонкослойных отстойников для интенсификации процесса очистки воды, позволяющих, как правило, в 2-3 раза повысить производительность по сравнению с обычными сооружениями при том же эффекте очистки или соответственно улучшить ее качество;

- повышением эффективности улавливания ценного сырья на локальных установках из производственных сточных вод с последующим его использованием, а также возможной реализации в некоторых случаях оборотного водоснабжения на производственных установках с соответствующим снижением нагрузки на системы водоотведения и водоемы;

- использованием результатов диссертационной работы в учебном процессе при подготовке инженеров по специальности "Водоснабжение и водоотведение" и в проектной практике.

В основу диссертационной работы положены многолетние (1967-1997 г.г.) исследования, выполненные автором на кафедре "Водоснабжение и водоотведение" ЛИИЖТ. Автор выражает глубокую благодарность заслуженному деятелю науки и техники РФ, академику РААСН, д.т.н., профессору, заведующему кафедрой до 1996 года Виталию Сергеевичу Дикаревскому за научное консультирование и постоянное внимание к выполненной работе.

1. Краткий обзор работ по тонкослойному отстаиванию и задачи дальнейших исследований

Изучению отстойников посвящены многочисленные работы отечественных и зарубежных исследователей. Изучалось влияние различных факторов на процесс отстаивания, совершенствовались методы технологического расчета и конструкции сооружений. Фундаментальный вклад в исследование отстойников внесли А.И.Береза, М.А.Великанов, А.И.Жуков, П.К.Пискунов, Д.Я.Соколов, А.А.Сурин, С.М.Шифрин, С.В.Яковлев, а также зарубежные исследователи Т.Сашр, Р.Рорре1, И.Кгеег, С^зсИегвйот. Обширные исследования выполнили Г.А.Васильев, К.В.Гнедин, З.Я.Городищер, М.В.Демура, Н.И.Ересенков, А.П.Зегжда, А.Л.Иткин, В.И.Калицун, Г.П.Медведев, А.П.Нечаев, В.Г.Пономарев, И.В.Скирдов, С.Ф.Савельев и др.

Исследование процессов тонкослойного отстаивания осуществлялось в НИИ ВОДГЕО, НИИ КВОВ АКХ, МИСИ (МГСУ), ЛИИЖТе (ПГУПС), ГИСИ (НГАСУ) и других организациях.

В изучение работы тонкослойных отстойников и аппаратов, использующих этот принцип, внедрение их в практику очистки природных и сточных вод значительный вклад внесли отечественные ученые Я.А.Карелин, В.Г.Пономарев, И.В.Скирдов, А.Г.Соколов, В.В.Найденко, а также И.С.Бабаев, Л.И.Вольфтруб, М.В.Демура, И.Ф.Добряков, В.П.Казан-ский, Ю.В.Кедров, А.М.Корабельников, И.С.Кобозев, Б.С.Либерман, М.С.Павлов, В.П.Середенко, В.И.Чижов, Э.Д.Шпаковский и др. Из работ зарубежных авторов в указанной области наиболее известны труды В.НаЛ'а, а также А.У.КкЬу, М.Веу§ег'а, ТЛ.Вгиштапп'а, .Г.СогпеНзБеп'а, Н.ЕПегз'а, К.М.Уао, К.Тапако, С^зсЬегзйот'а.

Первая из известных конструкций многоярусных отстойников, основанная на перекрестной схеме движения воды и осадка, была предложена в 1934-1936 гг. И.Ф.Добряковым [33, 34] для улавливания волокна и наполнителей из сточных вод бумажного производства. Предложенная конструкция была реализована в 1937 г. [153]. Она представляла собой обычный горизонтальный отстойник, отстойная зона которого разделена по высоте наклонными параллельными перегородками на ряд элементарных отстойных зон, между которыми поток распределяется общим распределительным устройством. Расстояние между перегородками по перпендикуляру составляло 160 мм, угол наклона их к горизонту 60°. Наклон пластин обеспечивал сползание выделенной взвеси в осадочную зону, расположенную в нижней части отстойника, откуда взвесь удалялась шнеком. В одном из вариантов отстойника было предусмотрено удаление осадка через спускные клапаны. Гидравлические характеристики отстойника И.Ф.Добрякова не определялись, но эффективность улавливания волокна и наполнителей в нем оказалась достаточно высокой [153,154].

Аналогичную конструкцию горизонтального отстойника для очистки природной воды в 1936 г. предложил В.А.Радциг [125] и дал обоснование преимущества таких отстойников перед обычными[127]. Опасаясь выноса взвеси, автор считал, что высота яруса должна быть не менее 0,3 -0,4 м. Удаление осадка предусматривалось под гидростатическим давлением столба воды в отстойнике.

Значительно позже многоярусные отстойники подобной конструкции были предложены зарубежными специалистами T.Camp'om [180], M.Szalay [238], Hamphreys'om [205], Puddington'om [233] и др.

Мысль о том, что эффект очистки стоков в отстойнике является функцией глубины отстойника и скорости течения воды в нем впервые была высказана A.Hazen'om в 1904 г. [164, 201]. При прочих равных уело-

виях, уменьшая глубину отстойника можно повысить эффект очистки или при том же эффекте увеличить его производительность. Целесообразность интенсификации процесса осветления воды посредством уменьшения высоты слоя отстаивания в дальнейшем отмечали также T.Camp [180], W.Merkel [220], C.Fischerstrom [192] и многие другие авторы. Так по мнению Т.Сашр'а [171] и W.Merkel'a [220] наилучших условий для работы канализационных отстойников можно достичь путем устройства в длинном горизонтальном отстойнике полок параллельно дну с небольшими просветами. C.Fischerstrom [192] и М.В.Демура [24], анализируя устойчивость гидравлического режима горизонтальных отстойников при поступлении жидкости с равной температурой или концентрацией взвеси, отмечают, что для создания стабильного потока важно, чтобы число Рейнольдса Re было возможно меньше и приближалось к 500, а число Фруда Fr было наибольшее и во всяком случае > 10"5. Одновременно удовлетворить этим двум условиям можно только посредством уменьшения гидравлического радиуса потока в отстойнике, откуда делается вывод о целесообразности деления потока в отстойнике горизонтальными, вертикальными или наклонными перегородками на ряд элементарных потоков.

Для практического осуществления идеи выделения взвешенных веществ и эмульгированных нефтепродуктов из воды в тонком слое, как в нашей стране, так и за рубежом, предложено большое количество конструкций тонкослойных отстойников. В зависимости от направления взаимного движения воды и выпавшего осадка их можно разделить на три группы: отстойники с перекрестной схемой, когда выделенный осадок движется перпендикулярно движению рабочего потока; отстойники с противо-точной схемой, когда осадок удаляется в направлении, противоположном движению рабочего потока; отстойники с прямоточной схемой, когда направление движения осадка совпадает с направлением движения рабочего потока.

и

Исследования возможности и целесообразности применения полочных отстойников для интенсификации механической очистки нефтесо-держащих сточных вод проводились с 1950 г. В 1956 г. такие отстойники стали применяться на нефтеперерабатывающих заводах концерна Шелл в США, а позднее нашли широкое применение в ФРГ и других странах [179, 182, 189, 200]. С целью повышения эффективности работы обычных нефтеловушек они оборудовались двумя типами пакетов параллельных пластин.

Конструкция А представляет собой отстойник с прямоточно-противоточной схемой взаимного движения воды и осадка и состоит из одного или нескольких комплектов пластин, наклоненных под углом 45° к продольной оси секции нефтеловушки. При помощи выступающих перегородок между комплектами пластин, поток воды направляется попеременно то вверх, то вниз. Расстояния между параллельными пластинами составляют 25 мм. Нефть, скапливающаяся на поверхности воды, удаляется при помощи нефтесборных приспособлений, устанавливаемых перед каждой перегородкой. Ил, скопившийся в илоприемных устройствах под каждой парой комплектов пластин, удаляется через систему дренирования ила. Во время очистки комплекты пластин остаются на месте, их промывают при помощи шланга.

Другая конструкция Б представляет собой отстойник с перекрестной схемой движения воды и осадка и состоит из пакетов пластин, располо�