5084
.pdfЛуков Сергей Александрович
СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ ТЕХНОЛОГИИ ОБРАБОТКИ ОСАДКОВ
СТОЧНЫХ ВОД КРУПНЫХ ГОРОДОВ
(НА ПРИМЕРЕ г. Н. НОВГОРОДА)
05.23.04 - Водоснабжение, канализация, строительные системы охраны водных ресурсов
А В Т О Р Е Ф Е Р А Т диссертации на соискание ученой степени
кандидата технических наук
Нижний Новгород - 2007
РАБОТА ВЫПОЛНЕНА В ГОСУДАРСТВЕННОМ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОМ УЧРЕЖДЕНИИ ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ «НИЖЕГОРОДСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ АРХИТЕКТУРНО-СГРОИТЕЛЬНЫЙ УНИВЕРСИТЕТ»
Научный руководитель
кандидат технических наук, профессор
Горбачев Евгений Алексеевич
Официальные оппоненты:
доктор технических наук, доцент Щербаков Владимир Иванович, кандидат технических наук, доцент Катраева Инна Валентиновна
Ведущая организация:
ОАО «Нижегородский сан техпроект»
Защита состоится «29» мая 2007 г. в «/3» часов на заседании диссертаци онного совета Д 212.162.02 при ГОУ ВПО «Нижегородский государственный архитектурно-строительный университет» по адресу: 603950, г. Нижний Новго род, ул. Ильинская, 65, корпус 5, аудитория 202.
С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ГОУ ВПО «Нижегород ский государственный архитектурно-строительный университет».
Автореферат разослан «26 » апреля 2007 г.
Ученый секретарь |
|
диссертационного совета, |
|
кандидат технических наук, доцент |
М. О. Жакевич |
3
ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ
Актуальность проблемы. Охрана окружающей среды и рациональное ис пользование природных ресурсов - одна из актуальных проблем современно сти. Взаимосвязь «вода - здоровье человека» - один из главнейших приорите тов природоохранной деятельности. Снижение уровня загрязнений водных эко систем и ликвидация их источников признается Всемирной организацией здра воохранения (ВОЗ) главной стратегической задачей охраны здоровья населе ния.
Очистные сооружения канализации крупных городов, как правило, выпол нены по типовым проектам с традиционной технологией обработки осадков, предусматривающей их сбраживание и обезвоживание на иловых картах. Ос новная масса загрязнений, выделяемых в процессе очистки сточных вод на го родских очистных сооружениях (ГОС), накапливается на их территории (на иловых полях, в шламонакопителях, на полигонах, в отвалах и т.д.). При хране нии осадков имеют место сбросы и смывы их в водоемы.
Общий объем осадков, выделяемых в процессе очистки сточных вод на ГОС в городах России, колеблется в широких диапазонах и обычно составляет 0,5-1,5 % от объема сточных вод. Например, на ГОС г. Н. Новгорода объем осадков составляет ~ 4000 м3 в сутки. Из них: сброженного осадка после метантенков - 0,44 %, влажностью 97,8 %; после первичных отстойников - 0,1 %, влажностью 93,8 %; после вторичных отстойников - 0,91 %, влажностью 99,37 %; уплотненного избыточного активного ила - 0,33 %, влажностью 97,5 %.
Более 80 % осадков в РФ подсушиваются на иловых полях - низкоэффек тивных, экологически опасных сооружениях, требующих к тому же отчуждения значительных земельных участков. Низкая эффективность, отсутствие свобод ных земель, использование маломеханизированных процессов уборки и транс портирования осадков вызывают необходимость замены иловых площадок на высокопроизводительные механические системы обезвоживания.
4
Обработка осадков, образующихся на ГОС, является одной из наиболее ак туальных задач в области обеспечения экологической безопасности городов, в последние годы она выдвигается в число наиболее трудных, дорогостоящих и наименее разработанных проблем в области очистки сточных вод.
Научно-исследовательская работа выполнялась в период с 1999 по 2005 год в соответствии с федеральной целевой программой (ФЦП) «Оздоровление эко логической обстановки на реке Волге и ее притоках, восстановление и предот вращение деградации природных комплексов Волжского бассейна», Програм мой «Возрождение Волги» и законом Российской Федерации «Об охране окру жающей природной среды».
Целью диссертационной работы является совершенствование сущест вующих и исследование новых технологически целесообразных, высокоэффек тивных, экологически безопасных приемов и технологий обработки осадков сточных вод (ОСВ), обладающих высоким уровнем надежности, гибкости и ав томатизации.
Для реализации цели поставлены и решены следующие задачи:
1.Выполнена оценка существующих технологий систем обезвоживания осадков.
2.Проведены исследования по интенсификации гравитационного уплотне ния осадков с использованием высокоэффективных реагентов.
3.Установлены закономерности механического обезвоживания осадков с учетом расчетной зависимости процесса фильтр-прессования от основных тех нологических факторов (давления, вида и дозы реагента, продолжительности процесса и др.).
4.Изучено влияние магнитной обработки на обезвоживание ОСВ.
5.Разработаны математические модели станции и ее подсистем.
6.Обоснованы и решены математические задачи оптимизации технологи ческих параметров системы обезвоживания ОСВ.
7.Предложены математические и структурные модели иерархических сис тем при различных технико-экономических условиях работы.
5
Научная новизна работы заключается:
-в комплексном проведении исследований по интенсификации гравитаци онного процесса уплотнения осадков с использованием высокоэффективных реагентов и омагничивания;
-в установлении закономерностей механического процесса обезвоживания осадков в зависимости от технологических факторов;
-в проведении экспериментальных и производственных исследований но вых технологических приемов и схем обработки осадков;
-в получении графоаналитических зависимостей, описывающих процессы обработки осадков;
-в математической постановке и решении задач оптимизации технологиче ских параметров.
Практическая значимость и реализация работы. В результате исследо ваний уплотнения избыточного активного ила отечественными реагентами наиболее эффективными оказались суперфосфат и «Окшара», при применении которых влажность уплотненного осадка составляет ~ 91 %. Низкотемператур ный нагрев уплотненного ила (~ 50-70 С) позволил сократить продолжитель ность уплотнения ила до 2 ч при одновременном снижении дозы реагентов.
Внедрение механического обезвоживания осадка позволило снизить на грузку на иловые поля и обеспечить их эксплуатацию без превышения регла ментированной удельной нагрузки (0,9 м3/м2 в год). При механическом обезво живании осадка исключается длительность его просушки на иловых полях (~3-5 лет), что является важным природоохранным фактором.
На НСА был смонтирован блок из двух ленточных фильтр-прессов фирмы «Andritz» (Австрия). Производительность одного фильтр-пресса до 35,5 м3/ч сброженного ила при непрерывной работе.
Годовой экономический эффект от внедрения механического обезвожива ния составил 1,5 млн рублей в ценах 2006 года.
6
Апробация работы и публикации. Основные положения диссертацион ной работы докладывались и обсуждались на 5 всероссийских и международ ных конференциях в г.г. Нижний Новгород, Пенза в 1999-2006 гг.
По материалам диссертации имеется 19 публикаций (12 статей, 4 тезиса докладов, три отчета, в т.ч. две статьи в изданиях, входящих в перечень ВАК РФ).
Методы исследований. В диссертации проводились теоретические и экс периментальные исследования, включающие работу с моделями и натурными установками.
Достоверность полученных результатов оценена с помощью современ ных математических методов обработки результатов. Экспериментальные дан ные, полученные на моделях, соответствуют результатам на промышленных установках.
На защиту выносятся:
-результаты комплексных исследований оценки эффективности работы существующих технологий очистки сточных вод и обработки осадков;
-результаты экспериментально-теоретических исследований с обоснова нием экономической целесообразности и технической возможности работы станции по новым технологиям;
-математический подход к построению моделей, основанный на пассив ном сборе информации при предварительно известных интервалах изменения отдельных факторов;
-математические модели отдельных подсистем станции аэрации;
-математическая модель процесса обезвоживания осадка.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, 6 глав, ос новных выводов, списка литературы и приложений. Общий объем работы 204 страницы машинописного текста, включая 65 рисунков, 53 таблицы, библио графический список из 173 наименований и три приложения.
Автор выражает особую благодарность за научную, консультативную и практическую помощь профессорам В.В. Найденко и Л.Н. Губанову.
7
СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ
Во введении обоснована актуальность проблемы, сформулированы цель и задачи, отмечена научная новизна и практическая значимость работы.
В первой главе дан литературный обзор, в котором рассматривается со временное состояние обработки, обезвреживания и утилизации осадков сточ ных вод ГОС. Отмечен вклад в развитие технологий обработки и утилизации осадков российских и зарубежных ученых.
Проанализированы состав и свойства осадков, методы обезвоживания осадков (гравитационные, механические, термические, реагентные и биохими ческие), направленные на подготовку последних к дальнейшему использова нию или хранению, а также возможные направления утилизации осадков и их депонирования. По результатам анализа литературных данных сформулирова ны выводы и намечены задачи исследований.
Во второй главе рассмотрена технологическая схема очистки сточных вод на НСА с краткой характеристикой систем механической, биологической очи стки стоков и обработки осадков. Отмечено, что способы обработки осадков сточных вод, используемые на станции, до настоящего времени имеют ряд не достатков как с экономической, так и с технологической точек зрения.
Третья глава посвящена интенсификации процесса гравитационного уп лотнения осадков сточных вод на НСА. На первом этапе исследования прово дились с избыточным активным илом, образующимся при биохимической очи стке сточных вод на станции. В качестве реагентов использовались: сернокис лое и хлорное железо, известь, серная кислота, аммофос, суперфосфат, «Окшара». «Окшара» - отход производства уксусной кислоты и уксуснокальциевого порошка. Она представляет собой порошок темно-серого цвета, содержащий до 80 % CaS04 (гипса), до 4 % уксуснокислого кальция, до 12 % серной кислоты и примесей уксусной кислоты. В фракционном составе имеют преобладание час тицы размером менее 1 мм (63-72 %).
8
Для определения технологической и экономической целесообразности применения железосодержащих коагулянтов при интенсификации процесса уп лотнения активного ила проведены исследования по изучению кинетики его уплотнения. Результаты этого цикла исследований приведены в виде графиче ских зависимостей, представленных на рис. 1.
Рис.1. Изменение влажности и рН уплотненного ила в зависимости от дозы реагента:
1-рН ила, обработанного Fe Сl3; 2-рН ила, обработанного Fe2 (SO4)3; 3-влажность ила, обра ботанного Fe2 (SO4)3; 4-влажностъ ила, обработанного Fe CI3; 5-влажность ила в контроле. Продолжительность уплотнения: в опыте-4 ч; в контроле-9 ч
Анализ графических зависимостей показывает, что применение железосо держащих коагулянтов при дозах от 5 до 25 % от сухого вещества ила неэффек тивно. Данный цикл исследований указывает на необходимость дополнитель ного утяжеления хлопьев ила. Предположение подтверждается эксперимен тальными данными, полученными при подкислении ила. Подкисление ила сер ной кислотой незначительно снижает влажность уплотненной части. Однако при этом наблюдается увеличение начальной скорости разделения жидкой и твердой фаз по мере снижения рН. Наиболее высокая скорость уплотнения дос тигается при рН~2,0, что, по-видимому, объясняется более интенсивным выде лением свободной воды. Уплотненный ил после обработки имеет удельное со противление в 1,5 раза выше, чем исходный (необработанный).
Исследовалась также возможность применения извести при гравитацион ном уплотнении ила. Эксперименты свидетельствуют о том, что обработка ила
9
известью (~36 % СаО) приводит (после 4-часового уплотнения) к снижению влажности ила до 95,4-96,2 %. Одновременно с этим рН среды поднимается до величины, обеспечивающей стабилизацию ила, что является очевидным пре имуществом известковой обработки.
Совместная обработка ила известью и солями железа в различном соотно шении (с целью его уплотнения) практически обеспечивала аналогичный ре зультат. Влажность уплотненного ила 95,2 % (максимальный эффект) достига лась при дозировании 16,7 % Fe2(S04)3 и 25,2 % СаО от массы сухого вещества ила. При этом объем твердой фазы снижался в 2,8 раза от исходного.
Для выяснения изменения удельного сопротивления ила и влажности был выполнен специальный цикл исследований. Ил обрабатывался реагентами: ам мофос, суперфосфат, «Окшара». Как показали опыты, с увеличением дозы реа гентов (суперфосфата, «Окшары») уменьшается удельное сопротивление ила. Так, при обработке неуплотненного ила суперфосфатом дозой 25 г/л удельное сопротивление ила снижается в 1,8 раза. Аналогичная картина наблюдается и при использовании «Окшары» (рис. 2).
Рис. 2. Изменение удельного сопротивления и влажности уплотненного ила в зависимости от дозы реагента:
/-влажность ила, обработанного суперфосфатом; 2-влажность ила, обработанного «Окшарой»; 3-удельное сопротивление ила при обработке «Окшарой»; 4-удельное сопротивление ила при обработке суперфосфатом
10
Анализ экспериментальных данных показывает, что оптимальными дозами для «Окшары» и суперфосфата являются 25 г/л, что отвечает соотношению 5 г реагента к 1кг сухого ила. Равнозначные результаты по остаточной влажности и различие в начальных скоростях уплотнения свидетельствуют о более предпоч тительном использовании «Окшары».
Влияние низкотемпературного нагрева ила на скорость его уплотнения и его характеристики изучались с использованием реагентов - «Окшара» и су перфосфат. Цикл исследований показал, что низкотемпературный нагрев по зволяет существенно увеличить скорость уплотнения. При дозировках 5 и 15 г/л она увеличивается в 1,5-1,8 раза. Это позволяет сократить продолжитель ность уплотнения до 1,5-2 ч, что является крайне необходимым для производ ственных условий, т.к. имеется возможность в сокращении объема уплотнителя в 5-6 раз (рис.3-4).
V, мл
Рис.3. Кинетика уплотненного ила, нагретого до 70°С в присутствии суперфосфата в дозах:
1- 5 г/л; 2-15 г/л; 3-25 г/л; 4-35 г/л; 5-45 г/л
Сравнивая конечные влажности, можно отметить некоторое преимущест во «Окшары», для которой при температуре 50-70 С получены одинаковые ре зультаты. В то же время при использовании суперфосфата только при 70° С удалось получить одинаковую влажность. Нагрев до 50 С не дает хорошего ре-