Содержание к диссертации
Введение
Глава 1 Аналитический обзор и постановка задач исследований 10
1.1 Влияние сточных вод угледобывающих предприятий на окружающую среду 10
1.2 Существующие технологии предотвращения загрязнений водных объектов промышленными шахтными водами 15
1.3 Современное моделирование процесса фильтрования 23
Выводы 29
Цель и идея работы. Постановка задач исследований 30
Глава 2 Мониторинг экологической эффективности технологий водоотлива действующих и ликвидированных угольных шахт 32
2.1 Технологические схемы и эффективность очистки шахтных вод в Подмосковном угольном бассейне 32
2.2 Технологические схемы и эффективность очистки шахтных вод в Кузнецком угольном бассейне 38
2.3 Технологические схемы и эффективность очистки шахтных вод в Донецком угольном бассейне 44
2.4 Гидрологический мониторинг горных отводов ликвидированных шахт Восточного Донбасса 48
Выводы 50
Глава 3 Физические модели и математическое описание технологических процессов очистки и обеззараживания шахтных вод 51
3.1 Теоретическое обоснование закономерностей движения загрязненных шахтных вод в фильтрах очистки 51
3.2 Физическая модель и математическое описание диффузионного переноса загрязнений в фильтре очистки 56
3.3 Математическая модель движения шахтных вод в фильтрах очистки и результаты вычислительного эксперимента 59
3.4 Физическая модель и математическое описание динамики популяции микроорганизмов в шахтных водах 63
Выводы 68
Глава 4 Обеспечение экологической безопасности при эксплуатации систем водоотлива действующих и ликвидированных угольных шахт 70
4.1 Комбинированные технологические схемы применения фильтров и методов обеззараживания шахтных вод 70
4.2 Экспериментальные исследования фильтра-дезинфеканта для очистки и обеззараживания шахтных вод 77
4.2.1 Конструкция экспериментального фильтра-дезинфектанта 77
4.2.2 Описание пилотной установки фильтров-дезинфектантов 77
4.2.3 Показатели, используемые для определения эффективности работы пилотной установки 79
4.2.4 Выбор фильтрующей загрузки для фильтров-дезинфектантов 80
4.2.5 Определение технических параметров работы фильтров-дезинфектантов 82
4.2.6 Анализ показателей эффективности работы фильтров-дезинфектантов 85
4.3 Разработка конструкции фильтра-озонатора и технологической схемы для очистки и обеззараживания шахтных вод 87
Выводы 92
Глава 5 Методика расчета системы очистки и обеззараживания шахтных вод при использовании фильтра-дезинфеканта 93
5.1 Описание алгоритма расчета 93
5.2 Пример расчета для условий системы водоотлива на шахте Кузбасса 98
Выводы 101
Заключение 102
Список использованной литературы 104
Приложение 1 Сводно-совмещенный план разреза "Киселевский" 115
Приложение 2 Гидродинамическая схема затопления ликвидируемых шахт Восточного Донбасса 116
Приложение 3 Динамика уровней затопления гидравлически связанных шахт "Южная" и им. Красина 117
Приложение 4 Динамика уровня затопления шахты им. Кирова по замерам в наблюдательной скважине №9114 118
Приложение 5 Гидрохимическая ситуация на участке откачки, очистки и сброса вод ликвидируемых шахт «Южная» и им. Красина. 119
Приложение 6 Вычисления для определения параметров работы экспериментального фильтра-дезинфектанта 120
Приложение 7 Устройство экспериментального фильтра-дезинфектанта.. 128
Приложение 8 Технологическая схема экспериментальной установки в лаборатории 201 корпуса 8 ТулГУ 129
- Существующие технологии предотвращения загрязнений водных объектов промышленными шахтными водами
- Теоретическое обоснование закономерностей движения загрязненных шахтных вод в фильтрах очистки
- Разработка конструкции фильтра-озонатора и технологической схемы для очистки и обеззараживания шахтных вод
- Описание алгоритма расчета
Введение к работе
Актуальность. Горная промышленность является одной из главных отраслей в экономике России. Потребление воды промышленностью в целом составляет 25 % от общего расхода воды. В наши дни для уменьшения водопотребления в производстве активно используются водооборотные циклы. Существует необходимость предусматривать специальные комплексы очистки сточных вод, в противном случае происходит загрязнение окружающей среды.
Важнейшей отраслью производства является горнодобывающая промышленность, обеспечивающая все остальные отрасли первичным и энергетическим сырьем. В соответствии с распоряжение Правительства РФ от 21 июня 2014 г. №1099-р "О программе развития угольной промышленности РФ на период до 2030 года" совместно с развитием сырьевой базы необходимо обеспечить рациональное недропользование, в том числе экологическую безопасность и охрану окружающей среды. Каждый год от угледобывающих производств происходит выброс сотен тысяч тонн загрязняющих веществ в атмосферу, сброс сотен миллионов кубометров загрязненных сточных вод, тысячи гектар земель изымаются из сельскохозяйственного фонда. В свою очередь, сбросы неочищенных стоков приводят к количественному и качественному изменению подземных и поверхностных вод, а также к изменению гидравлических режимов водных объектов.
Существующие методы очистки и обеззараживания сточных вод требуют более глубокого научного обоснования для повышения эффективности очистных сооружений, и, как следствие, защиты водных ресурсов в соответствии с санитарными нормами и требованиями.
Основой следующего уровня экологической безопасности при эксплуатации систем водоотлива действующих и ликвидированных угольных шахт является применение новых методов и схем очистки шахтных вод. Следовательно, тема исследований актуальна.
Целью работы являлось уточнение закономерностей диффузионного переноса загрязняющих веществ в шахтных водах при их движении и обеззараживании в фильтрах-дезинфектантах для повышения эффективности защиты водных ресурсов, расположенных на территориях действующих и ликвидированных угольных шахт.
Идея работы заключается в том, что повышение экологической защиты водных ресурсов, расположенных на территориях действующих и ликвидированных угольных шахт, обеспечивается за счет ис-
пользования физически обоснованных математических моделей взаимодействия различного рода загрязнений с фильтрующими загрузками и реагентами обеззараживания фильтров-дезинфекантов, используемых при проектировании систем водоотлива для очистки и обеззараживания шахтных вод.
Основные научные положения сформулированы в следующем виде:
-
Эффективность очистки загрязненных шахтных вод в фильтре-дезинфектанте в общем случае изменятся во времени, а асимптотическое значение эффективности очистки стремится к постоянной величине, которая возрастает с увеличением константы скорости сорбции загрязнений и длины фильтра-дезинфектанта и уменьшается с увеличением скорости фильтрации воды в фильтре.
-
Эффективность очистки шахтных вод моделируется уравнением конвективной диффузии загрязнений в шахтных водах, решение которого позволяет прогнозировать качественное состояние очищаемых шахтных вод.
-
Величина биохимического потребления кислорода в процессе очистки шахтных вод экспоненциально убывает с уменьшением скорости фильтрации воды.
-
Динамика плотности популяции микроорганизмов в шахтных водах удовлетворительно описывается дифференциальным уравнением логистического типа, которое показывает, что количественное уменьшение микроорганизмов возможно только при условии соотношения емкости среды к начальной плотности популяции до единицы.
Новизна основных научных и практических результатов:
-
Разработана комплексная математическая модель конвективно-диффузионного переноса загрязнений шахтных вод в фильтре-дезин-фектанте и обоснован алгоритм инженерного расчета.
-
Установлены закономерности остаточной концентрации загрязнений и режима работы фильтра-дезинфектанта. Величина концентрации загрязнений на выходе из фильтра в общем случае является функцией времени, которая достаточно быстро стремиться к некоторому значению, экспоненциально зависящему от соотношения скорости фильтрации шахтной воды и сорбции загрязнений.
3. Доказано лабораторными исследованиями, что для очистки
шахтных вод эффективно использование технологии объединения
фильтрования и обеззараживания, обеспечивающей устойчивую очи
стку загрязненных шахтных вод до предельно допустимых концен-
траций по взвешенным веществам и показателю биохимического потребления кислорода.
4. Обоснована усовершенствованная структурно-функциональная схема очистных сооружений и предложены новые технические средства очистки шахтных вод.
Достоверность научных положений, выводов, рекомендаций и проведенных исследований подтверждается: корректной постановкой задач исследования с использованием классических методов гидравлики, кинематики жидкостей, математической статистики и компьютерных программ Microsoft Office Excel; анализом и структуризацией полученных ранее научно-технических сведений из специальной литературы; достаточно большим объемом экспериментальных исследований на реальных сточных водах с применением методов и приборов с допустимой погрешностью; расчетами, определяющими наиболее эффективные технологические параметры фильтра-дезинфектанта.
Практическое значение работы заключается в том, что усовершенствована технологическая схема комплекса очистных сооружений шахтных вод систем водоотлива действующих и ликвидированных угольных шахт. Разработаны математические модели, описывающие процесс фильтрования и обеззараживания шахтных вод в фильтре-дезинфектанте. На основании выполненных исследований установлены оптимальные режимы работы фильтра-дезинфектанта. Проведены испытания фильтра-дезинфектанта с использованием различных загрузочных материалов на пилотной установке. Были получены результаты, подтверждающие эффективность использования фильтра-дезинфектанта. Разработана технология очистки и обеззараживания, позволяющая добиться снижения концентрации взвешенных веществ и показателя биохимического потребления кислорода в очищаемой воде, а также уменьшить массогабаритные характеристики установки.
Реализация работы. Основные научные и практические результаты использовались при выполнении хоздоговорных и госбюджетных НИР и при подготовке студентов по специальности «Горное дело» в Тульском государственном университете.
Апробация работы. Материалы диссертационной работы докладывались на ежегодных научно-практических конференциях профес-сорско-преподавательского состава ТулГУ (г. Тула, 2013 – 2017 гг.); Международной конференции по вопросам водопользования и экологии в рамках участия Российской Федерации в БРИКС на площадке Международного форума (г. Москва, 2014 г.); Х юбилейном Между-
народном Яснополянском Форуме «Устойчивое развитие. Рациональное природопользование. Технологии здоровья» (г. Тула, 2016 г.); Всероссийском конкурсе научно-технического творчества молодежи НТТМ-2016 (г. Москва, 2016 г.).
Личный вклад заключается: в обобщении существующих данных по воздействию угольных шахт на территориях Подмосковного, Донецкого и Кузнецкого бассейнов на водные ресурсы; в выполнении теоретических и экспериментальных исследований, представленных в диссертационной работе, включая постановку целей и задач исследования; в проверке полученных наблюдений с разработкой математической модели работы установки фильтра-дезинфектанта.
Публикации. По результатам выполненных исследований опубликовано 8 работ, в том числе 6 статей в изданиях, входящих в Перечень ВАК РФ, а также был получен патент РФ.
Объем работы. Диссертационная работа изложена на 129 страницах машинописанного текста, состоит из 5 разделов, содержит 8 приложений, список литературы из 106 наименований.
Автор выражает глубокую благодарность д.т.н., проф. Р.А. Ковалеву и к.т.н., доц. М.Г. Бурдовой за постоянную поддержку и методическую помощь в проведении исследований.
Существующие технологии предотвращения загрязнений водных объектов промышленными шахтными водами
Согласно документу «Правила технической эксплуатации угольных и сланцевых шахт» [7] шахтные воды по показателям загрязненности делятся на загрязненные взвешенными веществами, минерализованные и кислые. Рассматривая первый тип шахтных вод, загрязненный взвешенными веществами, необходимо предусматривать их последующее обеззараживание либо жидким хлором, либо бактерицидными лампами и т.п.
В связи с тем, что сточные воды угледобывающих производств имеют различные загрязнения, существуют различные методы и технологические схемы их очистки. Классификация существующих способов очистки представлена на рисунке 1.2.
Каждый из перечисленных методов имеет свои достоинства и недостатки, и требует своего дальнейшего усовершенствования, например, в области автоматизации, уменьшения капитальных и эксплуатационных затрат и т.д. Применение только одного из методов очистки не обеспечивает необходимого эффекта очищения, в большинстве случаев предусматривается их комбинация. Выбор той или иной технологической схемы очистных сооружений основывается на анализе физических и химических свойств сточных вод. Исполнение комплекса очистки может быть как наземным, так и подземным (специализированные емкости и камеры), что зависит от глубины залегания главного водоотлива и величины притока [69].
Очищение шахтных вод производят, как правило, с помощью механических, физико-химических и химических методов. Для удаления из шахтных вод взвешенных веществ используется осветление и фильтрование, классификация методов представлена на рисунке 1.3.
Наиболее широко применяемыми сооружениями по удалению взвешенных веществ являются: гидроциклоны, отстойники, флотаторы и фильтры.
Фильтрование является финальным этапом очистки, на котором происходит удаление до предельно допустимых концентраций загрязняющих веществ, в том числе взвешенных веществ и органических соединений. При этом следует учесть, что при использовании метода фильтрования как способа доочистки, исходная вода не должна содержать концентрацию взвешенных веществ более 40 мг/л и в ней должны отсутствовать жиры, масла, нефтепродукты и смолы. В зависимости от климатических условий фильтры могут иметь как наружное, так и внутреннее исполнение [50].
Сетчатые барабанные фильтры могут использоваться и как самостоятельные сооружения глубокой очистки, т.е. как микрофильтры, или использоваться как предварительный этап очищения перед фильтрами глубокой очистки. Степень удаления загрязняющих веществ из воды допускается принимать по таблице 1.1. К настоящему времени накоплен уже достаточный опыт, изучающий фильтрование как доочистку сточных вод [38, 41].
Наибольшее распространение получили зернистые фильтры [60, 67], классификация которых представлена на рисунке 1.4 [70]. Загрузочный материал должен обладать определенной стойкостью к агрессивным средам и иметь оптимальное сопротивление разрушению под действием внешней нагрузки. Обычно используется дробленый антрацит, песок, горелые породы, керамзит, минералы с плотностью 2900 кг/м3 (гранит, магнетит, ильменит), синтетические гранулированные материалы (полиэтилен, полистирол и др.), пластмассы с наполнителем -для устройства слоев.
Каждый из представленных в классификации фильтров имеет свои достоинства и недостатки. Для очистки шахтных вод более перспективным является использование скорых фильтров. Недостатком медленных фильтров является их громоздкость. Так как для скорых фильтров использование крупной загрузки при высоких скоростях фильтрования улучшает проникновение загрязнений в толщу загрузки, а на очистных сооружениях есть возможность использовать дробленные горные породы в качестве фильтрующего материал для фильтров, то это является несомненным преимуществом для использования скорых фильтров для очистки шахтных вод.
Метод фильтрования даже при его высокой степени очистки не позволяет полностью удалить бактериальное загрязнение воды, поэтому шахтные воды подлежат обеззараживанию, то есть после биологических или физико-химических методов очистки шахтных вод необходимо предусматривать их дезинфекцию. Методы обеззараживания воды можно поделить на две группы: химические (использование реагентов окислителей) и физические (УФ-обработка). В практике обеззараживания шахтных вод используется химический метод.
Наиболее распространенным окислителем для обеззараживания является использование хлора (диоксид хлора ClO2, марганцовокислый калий - перманганат калия KMnO4, гипохлорит натрия NaOCl и гипохлорит кальция Сa(ClO)2) [105].
Расчетная доза активного хлора на единицу объема сточных вод, используемая для снижения Coli-форм на 99,9 % в соответствии с требованиями [6] составляет после механической очистки - 10 г/м3; после механохимической очистки при эффективности отстаивания свыше 70 % и неполной биологической очистки -5 г/м3; после полной биологической, физико-химической и глубокой очистки - 3 г/м3. Для достижения требуемого бактерицидного эффекта необходима продолжительность контакта хлора или гипохлорита со сточной водой в резервуаре или в трубопроводах не менее 30 минут.
Одним из основных достоинств хлорирования является высокая эффективность обезвреживания патогенных бактерий при остаточной дозе хлора 1,5 мг/л, но этой же дозы недостаточно для такой же эффективности в отношении вирусов. Существенным недостатком применения для дезинфекции воды хлорной известью, хлором и его производными является образование хлорорганических соединений в воде, которые в свою очередь крайне негативно влияют на организм человека [28, 96].
Процесс обработки воды озоном, представленный на рисунке 1.5, дает сильное бактерицидное действие, устраняет неприятные запах и привкус. Процесс озонирования проходит в барботажных смесителях, в которых очищенная от взвесей вода смешивается с озонированным воздухом [78, 101].
Озонирование дорогостоящий процесс, намного дороже, чем традиционное хлорирование. Применение озонирования создает технологические ограничения [27, 84, 102]. После использования данного метода вода становится коррози-онно-активной, приобретая высокую окислительную способность, то есть требуется использование оборудования и материала, стойких к озону – трубы ПВХ, нержавеющая сталь. Существует ПДК [4] на содержание озона в воздухе и в воде.
Теоретическое обоснование закономерностей движения загрязненных шахтных вод в фильтрах очистки
Закономерности движения шахтных вод в фильтре основываются на теоретических положениях механики жидкостей. Основная теорема динамики жидкости утверждает, что индивидуальная производная от главного вектора количеств движения объема воды равна главному вектору объемных и поверхностных сил, приложенных к частицам, расположенным в рассматриваемом объеме и на ограничивающей его поверхности. Можно записать, что где К - главный вектор количеств движения объема воды; Fоб и Fпов - главные векторы объемных и поверхностных сил соответственно.
Рассматривая произвольный объем загрязненной шахтной воды Q в общем потоке, ограниченный с внешней стороны поверхностью S, уравнение изменения количества движения (3.1) перепишем в следующем виде:
Реологические закономерности для различных видов жидкостей, моделирующих свойства загрязненных шахтных вод, позволяют задать в явном виде тензор Ту, определив вид компонент матрицы (3.3). Тогда, используя закон сохранения количества движения (3.4), можно получить уравнение движения для конкретной физической модели загрязненных шахтных вод, поступающих на фильтрование. В реальных условиях возможный вариант - это вязкие шахтные воды, которые фильтруются в ламинарном режиме.
Ламинарное течение вязкой воды характеризуют законом Ньютона, который в обобщенной форме записывается следующим образом:
Жидкости, подчиняющиеся закону (3.5), называют ньютоновскими. Следовательно, рассматривая шахтную воду в качестве ньютоновской жидкости, тен зор напряжений ламинарного течения вязкой воды можно записать следующим образом:
Второе слагаемое реологической закономерности (3.6) для однородной и изотропной среды можно записать в виде:
Рассмотрим касательные напряжения тх в плоскости перпендикулярной оси 0х, тогда с учетом допущения об однородности и изотропии исследуемых шахтных вод можно записать:
Рассуждая аналогично, для других плоскостей получим, что касательные напряжения определяются как т = ц grad Vv, TZ = ц grad Vw. Таким образом, второе слагаемое реологической закономерности (3.6) окончательно примет следующий вид:
Рассмотрим систему уравнений (3.11). Чтобы привязать это математическое описание к рассматриваемому процессу фильтрации воды через фильтр необходимо задать в явном виде проекции главного вектора массовых сил на оси координат, а также силы сопротивления, обусловленные вязкостью фильтрующейся воды. Разумеется, что для этого будем рассматривать физические условия, реализуемые в применяемых фильтрах очистки. Как правило, Х= Y = 0, Z = - g, где g - ускорение свободного падения (в данном случае - это массовая сила тяжести), тогда уравнение движения Навье-Стокса для частиц воды в пористой среде можно представить в следующем виде: где fx, fy, fz - составляющие главного вектора сил сопротивления движению воды в пористой среде.
С достаточной для практических расчетов точностью можно считать компоненты скорости и, v, w и их производные по координатам пренебрежительно малыми, поэтому их произведения можно принять равными нулю. Тогда в системе уравнений (3.12) останутся только производные по времени от u, v, w.
Составляющие главного вектора сил сопротивления движению воды в пористой среде зависят от внутреннего трения жидкости. Следовательно, составляющие fx, fy, fz можно задать, используя закон Дарси:
Из системы уравнений (3.15) следует основной закон фильтрации загрязненных шахтных вод в фильтре, в обобщенной форме можно записать следующим образом:
Практика показывает, что при реальных значениях водопроницаемости используемых фильтров первым слагаемым уравнения (3.16) можно пренебречь, то есть: k V = —grad p. (3.17)
М-Рассматривая стационарную одномерную фильтрацию в фильтре, получим частный случай:
Используя формулу (3.18) и уравнение неразрывности потока несжимаемой жидкости div(V) = 0, получим следующее дифференциальное уравнение: d2p/dx2 = О. Решение этого уравнения для граничных условий р(0)= рн и р(1)= рк, где рн, рк - начальное и конечное давление воды на входе в фильтр и на выходе из фильтра соответственно; / - протяженность фильтра; имеет следующий вид: p(x) = pн-(pн-pк)l . (3.19)
Скорость потока загрязненных шахтных вод через фильтр с учетом формул (3.18) и (3.19) будет определяться зависимостью: kip -p к)
Зависимость (3.20) определяет скорость фильтрования в фильтре очистки шахтных вод при рассмотрении процесса фильтрования в режиме конвективной диффузии [44].
Разработка конструкции фильтра-озонатора и технологической схемы для очистки и обеззараживания шахтных вод
Предлагается техническое решение - фильтр-озонатор [17, 106], который относится к области очистки и обеззараживания шахтных вод, и может быть использован на очистных сооружениях любой производительности после биологической или физико-химической очистки. Функциональная схема установки представлена на рисунке 4.16.
На существующем этапе развития техники известна очистная установка для сточных вод [12], располагающаяся в отдельно стоящих зданиях. Установка состоит из устройства для обеззараживания воды, механического фильтра, дест-рукционно-коагуляционного устройства, сгустителя, зоны обеззараживания обводненной смеси, ВЧ-генератора, устройства для сжигания осадка.
Недостатками данного технического решения являются то, что устройства установки занимают значительную площадь и большое количество соединительных коммуникаций, что негативно влияет на обслуживание и ее эксплуатацию.
Наиболее близким к заявляемому техническому решению является установка для очистки воды [16]. Установка состоит из трубопроводов подвода воды и отвода воды, трубопроводов подачи озона от генератора озона, средств для отвода отработанного озоносодержащего газа, отводящего промывного трубопровода, запорных устройств, гидрозатворов, насосов, блока управления, фильтра глу-бой очистки, обводного трубопровода с обратным клапаном, контактно-фильтровальной емкости, насыпного угольного фильтра, дренажной системы, размещенную под насыпным угольным фильтром, и датчиков уровня. Фактически установка выполняет частично функцию фильтра-озонатора.
Недостатками данного технического решения являются то, что установка имеет фильтр глубокой очистки и контактно-фильтровальную емкость в разных корпусах. К тому же фильтрующий материал угольного фильтра, находящийся в емкости работает как катализатор, а не как адсорбент, и не задерживает загрязняющих веществ. В совокупности выше указанные причины снижают эффект очистки воды установкой.
Задачей являлось совершенствование конструкции аналога установки для очистки шахтной воды. Техническим результатом, на достижение которого направлен заявляемый фильтр-озонатор, является совершенствование установки при получении эффекта очистки и обеззараживания шахтных вод до требований спуска их в водоемы и/или на поверхность грунта.
Поставленная задача, а вместе с ней и технический результат, достигаются за счет того, что фильтр-озонатор содержит корпус, насос, генератор озона, деструктор избыточного озона, запорную арматуру, датчики уровня, трубопровод подачи исходной воды, распределительную систему подачи исходной воды, трубопровод подачи озоно-воздушной смеси, контактную камеру, трубопровод подачи промывной воды, трубопровод удаления избыточного озона в деструктор, трубопровод удаления загрязненной промывной воды в канализацию, трубопровод выпуска очищенных и обеззараженных шахтных вод, трубопровод подачи очищенной воды к генератору озона, резервуар исходной воды, расположенный в верхней части корпуса, бак фильтрата очищенной шахтной воды, причем корпус выполнен из двух отделений (верхнего и нижнего) фильтрующей загрузки и контактной камеры смешения озоно-воздушной смеси с фильтратом верхнего отделения.
Фильтр-озонатор Фильтр-озонатор содержит корпус 1, состоящий из двух отделений (верхнего 2 и нижнего 3) фильтрующей загрузки и контактной камеры, расположенной между ними, насос 4, запорную арматуру 6, датчики уровня 7, расположенные в верхней части корпуса фильтра-озонатора, трубопровод подачи исходной воды 8, распределительную систему подачи исходной воды 9, расположенной над поверхностью верхнего отделения фильтра 2 и являющуюся продолжением трубопровода 8, трубопровод подачи озоно-воздушной смеси 10, который выходит из генератора озона 5 и подключается к контактной камере 11, находящейся между верхним 2 и нижним 3 отделениями фильтра, трубопровод подачи промывной воды 12, выходящий из бака фильтрата очищенной шахтной воды 13 в корпус фильтра, трубопровод удаления избыточного озона 14, подсоединяющий к деструктору 15, трубопровод удаления загрязненной промывной воды 16 в канализацию, трубопровод выпуска очищенных и обеззараженных шахтных вод 17, трубопровод подачи очищенной воды 18, подсоединенный к генератору озона, резервуар исходной воды 19, расположенный в верхней части корпуса фильтра-озонатора.
Работает фильтр-озонатор следующим образом. Включает в себя корпус 1 с двумя отделениями (верхний 2 и нижний 3) фильтрующей загрузки и контактной камеры 11 смешения озоно-воздушной смеси с фильтратом верхнего отделения. Подачу исходной воды осуществляют по трубопроводу 8 с помощью насоса 4 в регулирующий резервуар очищаемой воды 19. Распределительная система подачи исходной воды 9 является продолжением трубопровода 8. По трубопроводу 10 из генератора озона 5 подают озоно-воздушную смесь в нижнюю часть контактной камеры 11. Удаление избыточного озона из фильтра-озонатора происходит по трубопроводу 14 в деструктор 15. По трубопроводу 17 из нижней части корпуса 1 осуществляют выпуск очищенных и обеззараженных шахтных вод в бак фильтрата очищенной воды 13, из которого с помощью насоса 4 по трубопроводу 12 производят подачу промывной воды для верхнего 2 и нижнего 3 отделения фильтра, а также по трубопроводу 18 подачу очищенной воды к генератору озона 5. Удаления загрязненных промывных вод осуществляют по трубопроводу 16 в канализацию. На трубопроводах установлена арматура 6, обеспечивающая стабильную эксплуатацию установки. Датчики уровня 7 установлены верхней части корпуса 1 фильтра-озонатора.
Так как процесс фильтрования происходит всего лишь в 40 % объема фильтра, то в центральной части корпуса фильтра расположена контактная камера. Основная доза озона расходуется в контактной камере путем его взаимодействия с органическими веществами и патогенной микрофлорой. Непрореагирован-ная часть озона перемещается в верхнее отделение фильтра навстречу движущемуся потоку свежепоступающей исходной воды. При этом диаметр корпуса увеличивается незначительно.
Биологически или физико-химически очищенную шахтную воду подают с помощью насоса 4 в регулирующий резервуар исходной воды 19, в котором установлены датчики уровня воды 7, служащие для обеспечения стабильной работы при заданной производительности. С помощью распределительной системы 9 вода самотеком под действием сил гравитации проходит верхнее отделение фильтрующей загрузки 2, где происходит задержание нерастворимых веществ. Затем вода поступает в контактную камеру 11, куда так же поступает по трубопроводу подачи 10 озоно-воздушная смесь. Контакт воды с озоно-воздушной смесью обеспечивает массообмен всех частиц с озоном, что приводит к окислению всех органических веществ и патогенной микрофлоры. Реакция взаимодействия сопровождается дополнительной минерализацией веществ, удаление которых предусмотрено при прохождении воды из контактной камеры в нижнее отделение фильтра-озонатора 3 [57].
Воду, прошедшую нижнее отделение загрузки, собирают дренажной системой по трубопроводу 17 и подают в бак очищенной воды 13. Вода может быть выпущена в открытые водоемы и/или использоваться на нужды потребителя. Часть этой воды (не более 1 %) используют для охлаждения генератора-озона 5, для чего задействованы трубопровод 18 и насос 4. Отработанный озоносодержа-щий газ отводят с помощью трубопровода 14 в деструктор избыточного озона 15.
Промывку фильтра-озонатора осуществляют методом «противотока» для чего используют трубопроводы 12 для промывки верхнего и нижнего отделений с помощью насоса 4. Загрязненную промывную воду с помощью трубопроводов 16 сбрасывают в канализацию.
Предлагаемая установка - фильтр-озонатор осуществляет очистку и обеззараживание шахтных вод. Конструктивное решение способствует увеличению времени контакта озона с шахтной водой и повышает эффективность его использования, а также уменьшает массогабаритные характеристики установки, сокращает длину трубопроводов и количество запорно-регулировочной арматуры.
Описание алгоритма расчета
Применение фильтра-дезинфектанта рассматривается как финальный этап очистки и обеззараживания в комплексе очистных сооружений систем водоотлива действующих и ликвидированных угольных шахт. При очищении шахтных вод с помощью фильтра-дезинфектанта (рисунок 5.1) вода проходит определенные модули очистки и обеззараживания в следующей последовательности:
- первое отделение фильтра-дезинфектанта;
- контактная камера, куда подается дезинфектант;
- второе отделение фильтра-дезинфектанта.
Фильтр-дезинфектант может проектироваться в различных исполнениях. Так, например, для комплексов очистки небольшой производительности рекомендуется использование фильтра-дезинфектанта в вертикальном исполнении, где направление движения очищаемых шахтных вод производится сверху вниз. Для очистных сооружений высокой производительности рекомендуется применение фильтра-дезинфектанта в горизонтальном исполнении. Тогда фильтр-дезинфектант представляет собой трубчатую конструкцию, которая будет иметь в качестве конструктивной характеристики не высоту устройства, а протяженность сооружения.
В основу фильтра-дезинфектанта положено поочередное применение процессов фильтрования и обеззараживания. Обеззараживание основывается на окислении органических веществ, которые переводятся в минеральные загрязнения. Как следствие процесс дезинфекции сопровождается вторичным загрязнением, удаление которого предусматривается при повторном фильтровании во втором отделении фильтра-дезинфектанта.
Фильтрование как метод удаления загрязняющих веществ основывается на прохождении очищаемой воды через слой фильтрующей загрузки, т.е. условно конечный результат - это разделение двухфазной системы на осветленную воду и загрязняющие вещества, которые задерживаются в толще фильтрующей загрузки. Проникновение загрязнений в толщу фильтрующего материала рассматривается как процесс диффузии. Было установлено, что конвективная диффузия оказывает наиболее сильное влияние на степень очистки воды. Решая уравнение диффузии примеси в жидкости [45], было определено, что скорость фильтрования шахтных вод и тип фильтрующей загрузки определяют остаточную концентрацию загрязняющих веществ:
Используя в качестве фильтрующего материала сорбенты [13-15], а в качестве дезинфектанта - раствор гипохлорита натрия, были получены эмпирические формулы (приложение 6). Формулы имеют вид (6.4.2) и (6.4.3) и устанавливают зависимость остаточных концентраций взвешенных веществ и величины биохимического потребления кислорода (БПК5) от скорости фильтрования [23]:
- концентрация взвешенных веществ в фильтрате: ( 0 78 Q =6,95ехр1 —\ (6А2) где Cs - остаточная концентрация взвешенных веществ, мг/л; V - скорость фильтрования, м/ч
- остаточная величина биохимического потребления кислорода (БПК5) в фильтрате: где LBOD – остаточная концентрация кислорода, определяемая при исследовании в течение 5 суток, мг О2/л.
Зная протяженность рабочей фильтрующей части фильтра-дезинфектанта, можно определить константу скорости сорбции взвешенных веществ. Так, например, в лабораторных условиях рабочая фильтрующая высота пилотной установки фильтра-дезинфектанта составляет l = 0,9 м, тогда: KSl = 1,3; КS = 1,3/l = 1,3/0,9 = 1,45 1/м.
Биохимическое потребление кислорода косвенного дает оценку бактериального качества воды. Определение константы поглощения фильтрующей загрузкой органических загрязнителей будет следующим: KBODl = 0,78; КBOD = 0,78/l = 0,78/0,9 = 0,86 1/м. Зная сорбционные свойства фильтрующей загрузки можно определить скорость фильтрования при заданной протяженности фильтра и наоборот.
Рассмотрим горизонтальный фильтр-дезинфектант, который состоит из скорого фильтра первого отделения, контактную камеру, скорого фильтра второго отделения. В качестве метода обеззараживания принимается озонирование. Следует предусматривать контроль концентраций загрязнений на следующих этапах очистки: после прохождения очищаемой воды первого отделения фильтра-дезинфектанта; после прохождения очищаемой воды контактной камеры, т.е. перед поступлением во второе отделение; на выходе из второго отделения фильтра-дезинфектанта. С помощью лабораторных испытаний необходимо определить количественное увеличение вторичной минерализации шахтной воды после обеззараживании в контактной камере. Стандарты измерения, результаты исследования взвешенных веществ должны проходить в соответствии с нормами [9].
Исходные данные:
- начальная концентрация загрязнений, мг/л – СН;
- требуемая концентрация загрязнений в фильтрате определятся санитарными нормами [3] или же предъявляется потребителем, мг/л - СS;
- производительность фильтра-дезинфектанта, м3/ч - Q;
- константа скорости сорбции примеси загрязнений (определяется производителем фильтрующий загрузки, либо экспериментально), 1/м - K.
Расчет фильтра-дезинфектанта.
Для получения требуемой степени очистки шахтных вод необходимо соблюдение режима работы фильтра-дезинфектанта: время фильтрования во втором отделении равно сумме времени фильтрования в первом отделении и времени нахождения очищаемой шахтной воды в контактной камере. Фильтрующий загрузочный материал в первом и втором отделениях принимается одинаковый, тогда эффект очистки шахтных вод после прохождения первого отделения должен составлять 79 %. Зная требуемую концентрацию загрязнений на выходе из первого отделения (CK1, мг/л) определяется скорость фильтрования (V, м/ч) в фильтре-дезинфектанте при заданной протяженности первого отделения (l1, м): где rф - радиус фильтра-дезинфектанта, м.
Доза дезинфектанта регламентируется в зависимости от вида потребителя очищенной шахтной воды: для производственных нужд [6], для питьевого водоснабжения [1, 2]. Для нужд питьевого водоснабжения доза окислителя определяется в соответствии с таблицей [5] в зависимости от перманганатной окисляемо-сти воды. Для приготовления раствора дезинфектанта доза гипохлорита натрия определяется в соответствии с расчетом [40].
Протяженность контактной камеры смешения озоно-воздушной смеси с очищаемой шахтной водой, м: где WK.K - объем контактной камеры, м3; tdis - время нахождения очищаемой воды в контактной камере, ч. Определение протяженности второго отделения, м: где СН2 = СК1 -а, СН2 - концентрация загрязнений шахтных вод после прохождения обеззараживания, т.е. перед поступлением во второе отделение, мг/л; ос - коэффициент, учитывающий вторичную деминерализацию в контактной камере, определяется экспериментально.
Проверка работы фильтра-дезинфектанта, заключается в соблюдении следующего условия: где tj - время фильтрования в первом отделении, ч; t\ - время фильтрования во втором отделении, ч.
Общая протяженность фильтра-дезинфектанта, м: где (3 - коэффициент, учитывающий размещение распределительной и дренажной систем в фильтре-дезинфектанте.