Исследования и разработка новых технических устройств для очистки сточных вод предприятий железнодорожного транспорта Текст научной статьи по специальности «Строительство и архитектура»

4. Исследования поровой структуры показали уменьшение дисперсности пор, увеличение их суммарной удельной поверхности, а также перераспределение пор в образцах пеноизделий, полученных при использовании стабилизированной пены.

Библиографический список

1. Микроструктура новообразований при гидратации вяжущих материалов / Л. Л. Нестерова, И. Г. Лугинова, Л. Д. Шахова. - Белгород : Белгородский гос. техн. ун-т, 2007. - 82 с.

2. Пены. Теория и практика их получения и разрушения / В. К. Тихомиров. - М. : Химия, 1983. - 264 с.

3. Коллоидная химия / М. И. Гельфман, О. В. Ковалевич, В. П. Юстратов. -СПб. : Лань, 2008. - 332 с. - ISBN 978-5-8114-0478-0.

4. Пена, пенные пленки / П. М. Кругляков, Д. Р. Ексерова. - М. : Химия, 1990. -432 с. - ISBN 5-7245-0583-5.

5. Коллоидная химия кремнезема и силикатов / Р. К. Айлер. - М. : Госстройиздат, 1959. - 288 с.

6. Химия в строительстве / В. Б. Ратинов, Ф. М. Иванов. - М. : Стройиздат, 1969. - 200 с.

7. Термодинамический и электронный аспект свойств композиционных материалов для строительства и экозащиты / Л. Б. Сватовская, В. Я. Соловьева, Л. Л. Масленникова и др. - СПб. : Стройиздат, 2004. - 176 с. - ISBN 5-87897-126-7.

Статья поступила в редакцию 12.04.2010;

представлена к публикации членом редколлегии П. Г. Комоховым

УДК 628.2(088.8)

В. Г. Иванов, Ш. Ш. Эргашев

ИССЛЕДОВАНИЯ И РАЗРАБОТКА НОВЫХ ТЕХНИЧЕСКИХ УСТРОЙСТВ ДЛЯ ОЧИСТКИ СТОЧНЫХ ВОД ПРЕДПРИЯТИЙ ЖЕЛЕЗНОДОРОЖНОГО ТРАНСПОРТА

Приведен краткий анализ экспериментальных и теоретических исследований, процесса потокораспределения в тонкослойном полочном блоке, установленном под углом в к направлению потока, и экспериментальные исследования активированного алюмосиликатного адсорбента на реальных стоках Ташкентского тепловозоремонтного завода. На основании исследований и полученных данных разработаны две схемы локальных очистных сооружений с компактной моноблочной комбинированной установкой оригинальной конструкции.

тонкослойный блок, фильтрация, сорбция, установка для очистки сточных вод, нефтепродукт, ионы тяжелых металлов.

Введение

Сточные воды предприятий железнодорожного транспорта, производственные и дождевые, относятся к опасным для окружающей среды. Они загрязнены нефтепродуктами, взвешенными веществами, тяжелыми металлами, щелочами, кислотами и другими соединениями. По статистике подавляющее количество объектов имеют производительность

-5

от 100 до 500 м /сут и весьма примитивные местные очистные сооружения, не позволяющие использовать воду повторно. В связи с этим для Узбекистана чрезвычайно актуальна разработка недорогих типовых компактных высокоэффективных сооружений заводского изготовления, обеспечивающих требуемое качество очистки сточных вод.

В настоящее время проанализированы основные тенденции и современные технологии очистки сточных вод, обозначены направления исследований и рассмотрены соответствующие технические устройства, применяемые на железнодорожном транспорте и в других отраслях промышленности.

1 Разработка рациональной конструкции зоны механической очистки моноблочной установки

1.1 Теоретические исследования процесса потокораспределения в тонкослойном блоке

В целях разработки рациональной конструкции зоны механической очистки моноблочных очистных сооружении проведены теоретические исследования процесса потокораспределения в тонкослойном полочном блоке, установленном под углом в к направлению потока. С учетом закономерностей гидравлики переменной массы получены уравнения [1], позволяющие оценить совокупность факторов, влияющих на этот процесс, и с введением некоторых ограничений и допущений приближенно решена задача для частного случая равномерного распределения потока жидкости между тонкослойными элементами. Установлено, что при восходящем течении и прямом наклоне тонкослойных элементов одним из необходимых условий для равномерного распределения потока в них является изменение относительной глубины подводящего распределительного канала на его длине по зависимости

h

h y

V,±K,^-sin a + (3 — Hn L

(1)

где hx - глубина распределительного канала в сечении x, м;

H0 - глубина распределительного канала во входном сечении; Н0 = = Н - Н1, где Н - глубина отстойной зоны, Н1 - заглубление низа полочного блока под уровень жидкости;

V - средняя скорость потока в тонкослойных элементах, мм/с;

Ьвх - длина входного канала, м;

а н Р - углы наклона тонкослойных элементов и входного сечения полочного блока;

K - отношение площади входного сечения распределительного канала к площади сечения полочного блока.

При обратном наклоне тонкослойных элементов в знаменателе необходимо заменить «+» на «-».

Выполнение условия (1) существенно усложняет конструкцию блока. Для разрабатываемых установок предложен более простой по изготовлению блок призматического типа, предназначенный для установки под заданным углом к набегающему потоку. При этом под ним образуется входной распределительный канал с линейным изменением его глубины по зависимости

Н0 ью

(2)

Теоретическим путем с использованием полученного уравнения (1) установлено, что в этом случае возникает неравномерность распределения потока между тонкослойными элементами, причем в отдельных из них фактические скорости потока существенно отличаются от средних скоростей по живому сечению блока. Величина и местоположение максимальных скоростей зависят от средней скорости потока V0 и значений К1. В максимально нагруженных тонкослойных элементах теоретически найденные скорости ^акс.ф могут существенно превышать средние расчетные значения, что может быть учтено введением в расчет

V

коэффициентов Ф0тах =^~ (рис. 1).

V0

Приближенный характер полученных теоретическим путем результатов подводит к заключению о необходимости гидравлических исследований разрабатываемой установки на модели в масштабе 1:10. В связи с этим изучено распределение потока в зоне механической очистки установки в диапазоне скоростей V0 = 1-8 мм/с при различных углах наклона в тонкослойных модулей в отстойной зоне и соответствующих им значений К1 . При этом распределение воды, как уже отмечалось выше, происходит из канала с линейным изменением его поперечного сечения. Экспериментально установлено существенное влияние этого фактора на характер распределения и фактические скорости в отдельных тонкослойных элементах, что необходимо для их обоснованного расчета. Моделирование осуществлялось по методу равенства скоростей модельного и натурного потоков [2].

Во всех опытах распределение потока в тонкослойных элементах при в = 5, 15, 30 и 45° было неравномерным (рис. 2) и зависело как от угла в, так и от задаваемой расчетной скорости V0. Удачное решение конструкции впускных устройств, запроектированное на основании ранее проведенных гидравлических исследований [3], позволило существенно снизить неблагоприятное влияние впуска жидкости в установку на распределение потока в полочном блоке.

В результате анализа лабораторных исследований найдено фактическое время пребывания жидкости в зоне грубой механической очистки и осредненные значения расчетных коэффициентов ф0ср, характеризующих неравномерность распределения потока, рекомендуемые для проектирования блоков тонкослойного отстаивания. Значения этих коэффициентов получены как средние для всех тонкослойных элементов, в которых зафиксированы скорости более расчетной V0.

Введение в расчетах подобного коэффициента позволяет учесть отрицательное влияние неравномерности работы элементов блока и избежать завышения его размеров, возникающего при расчете по отдельному, наиболее напряженно работающему элементу блока с использованием коэффициента фо/max. Ввиду возможности более простого определения ф0/тах, такой подход в настоящее время также широко применяется на практике.

- Vo = 1 мм/с; —■— Vo = 3 мм/с; —i--Vo = 5 мм/с; “- Vo= 8 мм/с;

да - номер элемента в блоке

Рис. 2. Распределение потока между тонкослойными элементами при в = 15о (К1 = 0,26)

Как было установлено, в диапазоне расчетных скоростей V0 = 1 - 8 мм/с ф0ср в значительно меньшей степени зависит от средней скорости V0, чем

фо.шах-

1.2 Математическая обработка опытных данных

В результате математической обработки опытных данных получены аппроксимирующие зависимости для ф0ср и ф0шах, справедливые в диапазоне изменения К1 от 0,1 до 1:

Фо.ср =1,18-0,1154 К1? (3)

Фо.шах = (0,013К02 -0,2045F0 + 2,08) + 0,115^, (4)

Опытные значения коэффициентов ф0.шах во всем диапазоне исследований оказались выше ранее теоретически найденных. Зафиксированные максимальные значения в опытах не превышали ф0шах = 1,6-1,8.

Как известно, тонкослойное отстаивание позволяет обеспечить извлечение уже на стадии предварительной очистки до 80 %

эмульгированных нефтепродуктов без введения химических реагентов и более 90 % при обработке их химическими реагентами, а также извлечь основное количество механических примесей, что повышает эффективность последующего фильтрования и адсорбционного извлечения оставшихся растворенных нефтепродуктов и тяжелых металлов. Наиболее широко применяемым сорбентом по-прежнему остается активированный уголь,

несмотря на его стоимость, энергозатратную регенерацию и большие потери при ее реализации.

2 Проведение опытов на коротких слоях адсорбента в условиях республики Узбекистан

Для условий Узбекистана, где имеются залежи подходящего минерального сырья, в качестве наиболее целесообразного сорбента может рассматриваться активированный алюмосиликатный адсорбент, технология получения и активации которого запатентована Петербургским государственным университетом путей сообщения в России и за рубежом [3]. С целью определения условий его применения в разрабатываемых компактных установках проведены опыты на реальных сточных водах Ташкентского тепловозовагоноремонтного завода.

В результате обработки опытных данных, полученных на коротких слоях адсорбента, найдены осредненные значения коэффициентов динамической адсорбции КаДс, которые могут быть использованы для

последующего пересчета полученных данных на реальную высоту слоя сорбционного фильтра.

Аппроксимирующая зависимость для коэффициентов динамической адсорбции в слое сорбента высотой 300 мм в диапазоне изменения скорости фильтрации Уф = 2^5 м/ч имеет вид

У«Ф=/П. =-^ = 0,055Кф2 -0,064Кф+0,34, (5)

Сисх

где Сисх и Сф - исходная и остаточная концентрации нефтепродуктов в

сточной воде, мг/л;

V - скорость фильтрации, м/ч.

3 Разработка компактной моноблочной комбинированной установки оригинальной конструкции

На основании исследований и полученных данных разработаны две схемы местных очистных сооружений (МОС) с компактной моноблочной комбинированной установкой оригинальной конструкции [4], включающей зоны тонкослойного отстаивания, плавающего механического фильтра с полистирольной загрузкой и сорбционного фильтра (рис. 3), а также с отдельно стоящим отстойно-фильтрационым блоком и напорным сорбционным фильтром, загруженным активированным алюмосиликатным адсорбентом.

Рис. 3. Схема компактной моноблочной установки для очистки сточных вод

Моноблочная конструкция установки разработана с максимальным изъятием дисперсной фазы сточных вод в зоне грубой и тонкой механической очистки, оснащенной наклонным блоком тонкослойных элементов, со специальными каналами для отвода улавливаемых нефтепродуктов в зону удаления, расположенную перед блоками в секции грубой механической очистки. Для улучшения условий распределения потока из входного канала под блоками он отделен от приямка для осадка жалюзийной решеткой.

Установка для очистки сточных вод содержит: емкость 1, устройство для подачи воды 2, поворотную трубу для удаления нефтепродуктов 3, ограничитель зоны накопления нефтепродуктов 4, блок с тонкослойными элементами 5, каналы 6, перепускное устройство 7, механический фильтр 8, плавающую загрузку 9, водосливную разделительную стенку 10, перепускной трубопровод с обратным клапаном 11, распределительно-водосбор-ный коллектор сорбционного фильтра 12, сорбционный фильтр 13, трубопровод для отвода регенерирующего раствора 14, загрузку активированного алюмосиликатного адсорбента 15, дренажное днище 16, дисковые распределительные устройства (вариант - дренажные щелевые колпачки) 17, трубопровод для подачи регенерирующего раствора 18, трубопровод для подачи промывной воды 19, трубопровод для отвода очищенной воды 20, водосборно-дренажную систему плавающего фильтра и отвода промывной воды 21, бункер для осадка 22 с трубопроводами для его удаления, жалюзийную решетку 23.

Технический результат от применения установки - повышение качества очистки сточной воды - в предложенной конструкции достигается при одновременном снижении капитальных и эксплуатационных расходов за счет высокой эффективности

предварительной механической и фильтрационной очистки и глубокой доочистки сточных вод сорбцией при минимальных габаритах установки, поскольку обеспечивается оптимальное распределение потока между тонкослойными элементами, реализуется оригинальная система промывки сорбционного и плавающего фильтров, которая дает двойную экономию промывной воды.

Расчет тонкослойного блока механической очистки установки рекомендуется производить на задержание частиц с минимальной гидравлической крупностью, определяющей требуемую степень извлечения нефтепродуктов и взвешенных веществ:

(6)

где ср0 ср - коэффициент, учитывающий гидравлические параметры

установки, зависящий от угла наклона блока тонкослойных элементов в (величины K\); с некоторым запасом вместо фоср можно использовать

фо.шах .f(K1, V0);

V0 - средняя скорость движения воды в пределах блока тонкослойных элементов, мм/с;

2h - глубина тонкослойных элементов, мм;

Ln - длина тонкослойных элементов, мм;

а - угол наклона элементов к горизонту, обеспечивающий сползание осадка и эмульгированных частиц нефтепродуктов в зоны накопления и удаления, град;

Q - расход сточных вод, м3/ч;

S - суммарная площадь эффективной поверхности блока тонкослойных элементов, м2.

Плавающие фильтры обеспечивают эффективную доочистку воды от оставшейся взвеси и эмульгированных нефтепродуктов после механической очистки, вследствие чего на сорбционный блок установки поступает сточная вода, содержащая не более 5-10 мг/л растворенных нефтепродуктов и до 5 мг/л взвешенных веществ. Расчет блока адсорбционной очистки осуществляется в обычном порядке.

Необходимая высота рабочего слоя адсорбента определяется требуемым качеством очистки сточных вод по лимитирующему виду загрязнений. Для стоков предприятий железнодорожного транспорта это, как правило, нефтепродукты, содержание которых может быть разным в зависимости от специфики предприятия. Проблемой является изъятие тонкодисперсных и растворенных фракций. Анализ возможных вариантов решения данной задачи позволяет сделать вывод о технологической и экономической целесообразности применения сорбционной очистки, при которой попутно извлекаются растворенные нефтепродукты, тяжелые

металлы, фенолы и тому подобные растворенные загрязнения. Исследования сорбционной очистки сточных вод Ташкентского тепловозовагоноремонтного завода, проведенные на коротких слоях разработанного в Петербургском государственном университете путей сообщения активированного алюмосиликатного адсорбента, позволили установить зависимость относительной концентрации нефтепродуктов в фильтрате:

Сн

ост

С"

( кя >

з,ззя.

аде

с.ф

(7)

где С“сх и С“ст - исходная и остаточная концентрации нефтепродуктов в сточной воде, мг/л;

#сф - рабочая высота слоя сорбента, м;

КадС - экспериментальная константа адсорбции нефтепродуктов в

динамических условиях, зависящая при прочих равных условиях от скорости фильтрации.

При С“сх < 10 мг/л, температуре 20-25 °С и диапазоне скоростей фильтрации от 1 до 5 м/ч осредненные значения КаДс определяются по экспериментальной зависимости (5).

Рекомендуемая высота слоя адсорбента в сорбционном фильтре Нс.ф от 1 до 1,6 м при С“сх < 10 мг/л. Время защитного действия загрузки в разработанной конструкции установки - не менее 24 часов, оно зависит от принятой скорости фильтрации. Регенерация адсорбента осуществляется без изъятия его из фильтра, в отличие от активированного угля, по мере снижения сорбционной активности, только содой или дополнительно солями магния, через два три цикла промывки фильтра водой [3]. Потери сорбента при промывке и регенерации составляют не более 10 % в год. Эффективность его использования и восстановления сорбционной активности при регенерации подтверждаются исследованиями,

проведенными в Российской Федерации как на природных, так и на сточных водах, содержащих нефтепродукты, тяжелые металлы и органические загрязнения [5].

Моноблочные компактные установки подобного типа для очистки производственных сточных вод предприятий железнодорожного

транспорта и поверхностного стока с их территории в условиях Узбекистана могут располагаться за пределами зданий и в стесненных условиях действующих предприятий, что значительно удешевляет их строительство и эксплуатацию.

Для ориентировочной оценки эффективности очистки дождевых и производственных сточных вод в железнодорожный отрасли от

нефтепродуктов в соответствии с заданной расчетной гидравлической крупностью задерживаемых частиц U0 могут быть использованы данные [5] и другие исследования по кинетике тонкослойного отстаивания сточных вод (рис. 4). Г идравлическая крупность

где H - высота слоя воды, м;

t - время пребывания воды в отстойнике, соответствует эффекту Э, %.

100 5Ю во 70 60 50 40 30 20 Ю О

О 3 6 7 12 15 10 21 1* 27 30

^тсм, мин

Рис. 4. Кинетика тонкослойного отстаивания эмульгированных нефтепродуктов:

1 - производственные сточные воды депо, Сисх = 100-150 мг/л; 2 - поверхностный сток, Сисх = 40 мг/л; 3 - то же, Сисх = 70 мг/л; 4 - производственные сточные воды с предварительной обработкой сернокислым алюминием дозой 100-300 мг/л

При этом необходимо учитывать, что в зоне грубой очистки задерживается от 50 до 80 % грубодисперсных нефтепродуктов и значительная доля механических примесей, а оставшаяся взвесь в количестве до 80-50 мг/л, а также часть эмульгированных и растворенных нефтепродуктов с диаметром частиц менее 100 мк обычно составляет не более 100-150 мг/л. При этом на фильтры поступают остаточные загрязнения, не выделенные в зоне механической очистки.

Заключение

Разработанная установка не сложна в эксплуатации, компактна, занимает немного места и может располагаться как на территории цехов, так и за их пределами, обеспечивает снижение расхода промывной воды вдвое, адсорбент значительно дешевле традиционного активированного угля, потери его при регенерации меньше, а энергоемкость комплекса местных очистных сооружений и себестоимость очистки существенно ниже.

Моноблочное решение всей установки существенно уменьшает необходимые площади для размещения всего комплекса очистки сточных вод, что особенно выгодно для условий реконструкции очистных сооружений действующих предприятий и строительства установок очистки дождевого и талого стока с территории объектов

железнодорожного транспорта, что в последнее время выходит на передний план при реализации программ, направленных на защиту окружающей среды.

Библиографический список

1. Распределение потока жидкости в тонкослойных элементах при переменном сечении подводящего канала. Новые исследования в областях водоснабжения, водоотведения, гидравлики и охраны водных ресурсов : Четвертые академические чтения (19-20 марта 2009 г.) / В. Г. Иванов, Ш. Ш. Эргашев. - СПб. : ОМ-пресс, 2009. -С. 108-111. - ISBN 978-5-901739-54-9.

2. Новый принцип моделирования горизонтальных водопроводных отстойников / А. А. Сурин. - Л., 1951. - 9 с.

3. Технические указания по проектированию, наладке и эксплуатации установок для обесцвечивания природных вод фильтрованием через алюмосиликатный адсорбент, активированный магнием, в хозяйственно-питьевом водоснабжении на железнодорожном транспорте. - Л. : ЛИИЖТ, 1990. - 24 с.

4. Пат. 86182, Российская Федерация МПК С 02 F 1/40. Установка для очистки сточных вод / В. Г. Иванов, Н. А. Черников, Ш. Ш. Эргашев, патентообладатель Петербургский государственный университет путей сообщения. - № 2009116855/22; заявл. 24.05.09; опубл. 27.08.09. - 2 с. : ил.

5. Водоотводящие системы промышленных предприятий / В. Г. Иванов, Н. А. Черников. - СПб. : ОМ-пресс, 2007. - 244 с. - ISBN 5-901739-42-6.

Статья поступила в редакцию 25.06.2010;

представлена к публикации членом редколлегии В. И. Штыковым