Содержание к диссертации
стр.
Условные обозначения 5
ВВЕДЕНИЕ 6
ГЛАВА 1. АНАЛИЗ СОВРЕМЕННОГО РАЗВИТИЯ БЕЗРЕАГЕНТНОГО 10
ОБЕЗЖЕЛЕЗИВАНИЯ ПОДЗЕМНЫХ ВОД
Анализ современного развития технологий кондиционирования 10 железосодержащих подземных вод
Влияние физико-химического состава подземных вод 20 на эффективность технологии их дегазации, обезжелезивания
и деманганации
Конструктивные решения фильтровальных сооружений 30 и установок для обезжелезивания воды
Область применения технологических схем безреагентного 34 кондиционирования подземных вод
Цель и задачи исследований 41 Выводы по главе 1 42
ГЛАВА 2. СОЗДАНИЕ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЙ БАЗЫ И МЕТОДИКИ 44
ИССЛЕДОВАНИЙ
2.1. Экспериментальные стенды и установки 44
Установки для изучения гидродинамических и 44 конструктивных характеристик биореактора со струйными насадками
Стенды для исследования процессов аэрации-дегазации и 48 обезжелезивания подземных вод на фильтрах с плавающей загрузкой ФПЗ-1 и ФПЗ-4
2.2. Гидравлическое и технологическое моделирование работы 56
биореакторов со струйными насадками и контактной загрузкой
Программа и методика гидравлических испытаний 57
Задачи технологического моделирования 60
2.3. Методики исследований процессов обезжелезивания и 61
и деманганации воды на фильтрах ФПЗ-1 и ФПЗ-4
ГЛАВА 3. ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ И ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ 65 БИОРЕАКТОРОВ СО СТРУЙНОЙ НАСАДКОЙ И КОНТАКТНОЙ ЗАГРУЗКОЙ
Теоретические основы аэрации и дегазации подземных вод в 65 биореакторах со струйными насадками и вакуумной эжекцией
Биохимическая сущность процессов обезжелезивания и 70 деманганации подземных вод
Разработка промышленных конструкций биореакторов 77
Биореакторы со струйным дождеванием 77
Биореакторы со струйной вакуумной эжекцией 78 и контактной зернистой загрузкой
3.4. Гидравлические исследования биореактора 81
Напорно-расходные характеристики струйных насадок 82
Исследования процессов разряжения в различных 84 сечениях компактной струи и по площади биореактора
3.5. Окислительно-восстановительные процессы в контактной 94
загрузке струйного биореактора
Выводы по главе 3 100
ГЛАВА 4. ИССЛЕДОВАНИЕ ПРОЦЕССОВ ОБЕЗЖЕЛЕЗИВАНИЯ 102
ПОДЗЕМНЫХ ВОД НА КОМБИНИРОВАННЫХ СООРУЖЕНИЯХ «БИОРЕАКТОР-ФИЛЬТР» С ПЛАВАЮЩЕЙ ПЕНОПОЛИСТИРОЛЬНОЙ ЗАГРУЗКОЙ
Выбор конструкций обезжелезивающих фильтров 102
Обезжелезивание подземных вод на биореакторах со струйным ЮЗ дождеванием (БСД) и фильтрах с нисходящим потоком воды (ФПЗ-4)
Обезжелезивание подземных вод на биореакторах со струйной 108 вакуумной эжекцией (БСВЭ) и фильтрах с восходящим потоком воды(ФПЗ-1)
Рекомендации на проектирование струйных биореакторов 118 и фильтров ФПЗ
Выводы по главе 4 121
ГЛАВА 5. ПРОМЫШЛЕННАЯ АПРОБАЦИЯ ТЕХНОЛОГИЙ И СООРУЖЕНИЙ 123 ДЛЯ КОНДИЦИОНИРОВАНИЯ ПОДЗЕМНЫХ ВОД И ИХ ТЕХНИКО-ЭКОНОМИЧЕСКОЕ ОБОСНОВАНИЕ
5.1. Промышленная апробация технологий и сооружений 123
Станция кондиционирования подземных вод 123 ЛОД «Огонек»
Станция кондиционирования подземных вод 127 ОАО «Волгабурмаш»
Станция кондиционирования подземных вод г.Щучье 134
5.2. Технико-экономическое обоснование новой технологии и 139
сооружений
Станция кондиционирования подземных вод 13 9 ЛОД «Огонек»
Станция кондиционирования подземных вод 141 ОАО «Волгабурмаш»
ОБЩИЕ ВЫВОДЫ 144
СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННОЙ ЛИТЕРАТУРЫ 147
ПРИЛОЖЕНИЯ 159
Приложение 1. Акты внедрения 160
Приложение 2. Результаты статистической обработки 166
экспериментальных данных
Приложение 3. Копии авторских свидетельств и патентов 176
на изобретения
Условные обозначения
dm d3 - диаметр гранул рабочего слоя пенополистирола в фильтре и
биореакторе, мм (м); Нт Н3-толщина слоя загрузки фильтра и биореактора, м;
Уф - скорость фильтрования, м/ч;
е - коэффициент относительного расширения плавающей загрузки,
% (доли); іф - продолжительность фильтрования, ч;
qm t„ - интенсивность и продолжительность промывки, л/с-м , мин;
&со2 - объемный коэффициент десорбции, г/м сг/л;
Ксо2 - поверхностный коэффициент десорбции, м/ч;
Шж - критерий Нуссельта;
Яеж - критерий Рейнольдса;
Ргж - критерий Прандтля;
ф - коэффициент скорости;
ц - коэффициент расхода;
б - коэффициент сжатия струи;
- коэффициент сопротивления;
ДРвак - величина потенциального вакуума, мм вод.ст.;
Рю - давление воды на входе в биореактор, атм;
dHi - диаметр отверстия насадки, мм (м);
со„ - площадь отверстия насадки, мм (м );
итр - площадь подводящего к насадке трубопровода, мм (м );
dome - диаметр воздуховпускных отверстий, мм (м);
0)отв - площадь воздуховпускных отверстий, мм (м );
F6 - площадь биореактора, м2;
Н0тр. - оптимальная высота струи, мм (м);
dmp - диаметр подводящей трубы к насадке, мм (м);
Докр.н ~ диаметр окружности расположения насадок, мм (м);
Дб - диаметр биореактора, мм (м);
П0те ~ КОЛИЧеСТВО ОТВерСТИЙ, ПЩ
de.cm - диаметр трубы для отвода газов, мм (м); Дотр ~ диаметр отражателя, мм (м).
Введение к работе
Снабжение населения промышленных и сельскохозяйственных предприятий высококачественной питьевой водой является одной из важнейших народно-хозяйственных задач.
Для многих городов и поселков РФ единственным источником водоснабжения являются артезианские воды, содержащие растворенные газы, железо, марганец и другие компоненты. При обезжелезивании и деманганации подземных вод важным технологическим приемом является предварительное удаление из них углекислого газа и сероводорода, оказывающих негативное воздействие на эффект обезжелезивания воды, технологическое оборудование и строительные конструкции.
При обезжелезивании и деманганации подземных вод важным технологическим приемом является предварительное удаление из воды растворенных газов, в первую очередь, таких как углекислый газ и сероводород. Даже небольшие их концентрации в воде оказывают негативное воздействие на эффект обезжелезивания воды, технологическое оборудование и строительные конструкции.
Наиболее распространенными в практике обезжелезивания и деманганации подземных вод в странах СНГ являются методы упрощенной аэрации изливом в карман или центральный канал скорых фильтрах, либо аэрацией на градирнях с последующим фильтрованием через слои зернистой загрузки, «сухой» фильтрацией и др. Однако, они не всегда способны обеспечить требуемую степень дегазации воды, а дополнительное применение воздуходувок, градирен и контактных бассейнов, способных обеспечивать более высокий эффект аэрации и дегазации воды, что требуется в большинстве случаев на первой стадии обезжелезивания, удорожает и усложняет эксплуатацию.
В связи с этим, разработка новых и усовершенствование существующих энергосберегающих безреагентных технологий аэрации-дегазации и обезжелезивания природных вод, позволяющих расширить область их применения, является актуальной научно-практической задачей.
Целью диссертационной работы является теоретическое обоснование, разработка, исследование и внедрение в практику технологии безреагентно-го кондиционирования подземных вод, реализуемой на биореакторах со струйной вакуумной эжекцией и фильтрах с плавающей пенополистироль-ной загрузкой.
Научная новизна работы заключается в следующем:
впервые установлены закономерности процессов аэрации-дегазации и биохимического окисления двухвалентного железа и марганца на биореакторах со струйной вакуумной эжекцией и контактной плавающей загрузкой при одновременном присутствии в подземной воде соединений железа, марганца, свободной углекислоты, сероводорода, азота аммонийного и значениях рН >7,1-7,3 и Eh >-120 мВ;
установлены зоны образования струйными насадками необходимой величины потенциального вакуума, распределенного по площади биореактора и обеспечивающего необходимую степень абсорбции кислорода из атмосферного воздуха в обрабатываемую воду;
выявлены механизмы биохимического окисления соединений железа и марганца и их осаждения в толще крупногранульной пенополистирольной загрузки при наличии в воде сопутствующих газов и азотсодержащих соединений;
разработаны новые конструкции биореакторов со струйной вакуумной эжекцией и окислением двухвалентного железа и марганца в плавающей загрузке. На способы и установки получены два патенты РФ и подготовлены две заявки на изобретения.
Практическая значимость работы
Новые конструкции биореакторов-фильтров, применяемые на первой ступени, позволяют интенсифицировать работу, повысить экономичность реализуемых безреагентных методов кондиционирования подземных вод и расширить область их применения.
Результаты выполненных исследований использованы в разработанных при участии автора и реализованных в 5 проектах; на построенных и введенных в эксплуатацию станциях кондиционирования подземных вод в: ОАО «Волгабурмаш» (г. Самара) Q = 2,4 тыс.м /сут (пуск в эксплуатацию в 2006 г.); ЛОД «Огонек» ОАО «Метровагонмаш» (г. Сергиев Посад) Q = 0,24 тыс.м /сут (2001-2002 г.); пос. Молочное Вологодской области Q = 0,6 тыс.м /сут (2001 г.); г. Березно (Украина) Q = 2,2 тыс.м /сут (станция на ста-дии строительства, 2007 г.); г. Щучье Курганской области Q = 7,0 тыс.м /сут (проект 2006 г.).
Суммарный годовой экономический эффект по эксплуатационным затратам, подтвержденный Актами внедрения предложенной технологии и биореакторов-фильтров нового типа для кондиционирования подземных вод по двум действующим станциям, составил 8,1 млн.руб.
Достоверность и эффективность результатов исследований подтверждены данными промышленного внедрения новой технологии и сооружений для кондиционирования подземных вод для питьевых целей.
Апробация результатов диссертации
Результаты исследований докладывались, обсуждались и были одобрены:
на международных форумах и конференциях: VIIМК «Вода: экология и технология» ЭКВАТЭК-2006 (г. Москва, 2006 г.); VII МФ «Живая вода России-2006» МНПК «Вода и напитки» (г. Москва, 2006 г.); VIII МФ «Мир чистой воды-2006» НПК «Вода, напитки, соки, технологии и оборудование» (г. Москва, 2006 г.); IV МВФ «АКВА-Украина 2006» НПК «Водоподготов-ка, водоснабжение, водоотведение» (г. Киев, 2006 г.); МНПК «Вода: Технологии и оборудование» (г. Москва, 2007 г.); НПК, посвященной 120-летию МП «Самараводоканал» (г. Самара, 2006 г.);
на научно-практическом семинаре НИИ ВОДГЕО «Выбор и оптимизация водоочистных технологий. Современные пути интенсификации работы водопроводных очистных сооружений» (г. Москва, 2004 г.);
- на заседаниях секций научно-технических советов: Вологодского ГТУ (2007 г.); НИИ ВОДГЕО (2001-2004 гг.); ГУП «МосводоканалНИИпроект» (2006г.).
Разработанная при участии автора технология отмечена большой золотой медалью ВВЦ РФ на Международной выставке «Мир чистой воды: Технологии и оборудование-2007» (11-14.04.2007 г.).
Личный вклад соискателя
Основные выводы и положения диссертации основаны на теоретических и экспериментальных исследованиях, выполненных непосредственно самим автором. Соискателем осуществлялись также разработка и изготовление экспериментальных стендов и методик, анализ и обобщение результатов исследований, участие в разработке технологической части рабочих проектов и осуществление авторского надзора за промышленным внедрением. Исследования проводились в период с 2001 по 2007 годы на станциях кондиционирования подземных вод гг. Самары, Сергиева Посада, Жуковского, Железнодорожного, пос. Купавна (Московская обл.), г. Щучье (Курганская обл.), пос. Молочное (Вологодская обл.).
Публикации
По теме диссертации опубликовано 8 научных трудов, из которых 2 патента РФ на изобретения.
Объем и структура диссертации
Диссертация состоит из введения, пяти глав, общих выводов, списка использованных источников из 128 наименований, в том числе 8 иностранных и трех приложений. Работа изложена на 179 страницах, содержит 49 рисунков и 15 таблиц.
Автор приносит глубокую признательность и благодарность научному руководителю д.т.н., профессору Журбе М.Г. за научное руководство и консультации при выполнении и подготовке настоящей работы к защите.
