Содержание к диссертации
Введение
1. Обзор литературы и определение задач исследования 8
1.1 Характеристика поверхностного стока предприятий железнодорожного транспорта 8
1.2 Очистка поверхностного стока предприятий железнодорожного транспорта 22
1.2.1 Теоретическая сущность процесса тонкослойного отстаивания 23
1.2.2 Теоретическая сущность процесса сорбции 32
1.3 Анализ конструкций компактных очистных установок 41
1.3.1 Анализ конструктивных особенностей блоков тонкослойного отстаивания 42
1.3.2 Анализ конструктивных особенностей блоков адсорбционной очистки 62
1.4 Оптимизация локальной очистки поверхностного стока 73
2. Разработка методики аналитического определения технологических параметров дождевого стока предприятий железнодорожного транспорта 78
3 Экспериментальное определение технологических параметров дождевого стока станции Металлострой ОЖД 89
3.1 Определение концентраций загрязнений и получение кривых кинетики тонкослойного отстаивания 90
3.2 Оценка адсорбционных характеристик сорбента 101
4. Разработка математической модели локальной очистной установки 106
4.1 Уточнение математической модели тонкослойного отстаи ван ия 106
4.2 Разработка программы расчета модуля тонкослойного отстаивания 113
4.3 Уточнение математической модели процесса адсорбционной очистки 118
5. Оптимизация локальной очистки поверхностного стока предприятий железнодорожного транспорта 120
5.1 Получение оптимизационной зависимости 120
5.2 Технико-экономическая оценка использования оптимизационной модели 133
6, Разработка конструкции компактной очистной установки 140
6.1 Разработка принципиальной схемы очистной установки 140
6.2 Проектирование типоразмерного ряда установок для локальной очистки поверхностного стока предприятий железнодорожного транспорта 143
Заключение 149
Библиографический список 151
Приложения 165
- Очистка поверхностного стока предприятий железнодорожного транспорта
- Оценка адсорбционных характеристик сорбента
- Разработка программы расчета модуля тонкослойного отстаивания
- Технико-экономическая оценка использования оптимизационной модели
Введение к работе
Отведение и очистка поверхностного стока с территории железнодорожных предприятий (ЖДП) являются частью общей проблемы защиты окружающей среды. В связи с прогрессирующим загрязнением поверхностных вод, повышением требований к их очистке и увеличением ее стоимости оптимальное решение этой проблемы приобретает все большее значение1.
Существующие рекомендации по определению наиболее рациональных и эффективных способов очистки поверхностного стока немногочисленны и разрозненны. Действующие общестроительные и ведомственные нормы охватывают широкий круг задач и не содержат достаточно глубокого изложения вопросов проектирования очистных установок для их очистки. Применяемые конструкции, как правило, являются "универсальными" и не учитывают в полной мере характеристик очищаемых сточных вод. Для эффективного решения вопросов, касающихся обезвреживания поверхностного стока необходимо располагать реальными данными о его качественном и количественном составе.
Специфика поверхностных сточных вод ЖДП, зависимость его характеристик от большого числа факторов, не только усложняет проектирование очистных сооружений, но и накладывает ограничения на использование готовых технических решений, применяемых в промышленности или в коммунальном хозяйстве. Жесткие нормы на сброс вредных веществ в природные водоемы требуют использования эффективных способов очистки. Стесненность существующими зданиями, путями, инженерными сетями, во многих случаях, определяют необходимость применения малогабаритных сооружений. Многочисленность объектов
Охрана окружающей среды, экология и рациональное природопользование отнесены к приоритетным направлениям развития науки, технологий и техники Российской Федерации. - Указ Президента Российской Федерации № 577 от 30.03.2002
железнодорожного транспорта, большие затраты на эксплуатацию очистных сооружений требуют применения рациональных схем и оптимизации процессов очистки.
Таким образом, уточнение и совершенствование существующей методики проектирования и расчета очистных установок поверхностного стока, с учетом специфики ЖДП определяют актуальность работы.
Целью настоящего исследования является разработка методики расчета и конструкции локальных очистных установок поверхностного стока с территории ЖДП на основании более полного учета определяющих факторов: технологических характеристик стока и протекающих процессов очистки.
Для достижения поставленной цели решены следующие задачи:
изучены особенности поверхностного стока с территории ЖДП;
исследованы конструкции сооружений для очистки поверхностного стока;
создана математическая модель установки;
разработана оптимизационная модель и проведена оптимизация конструкции установки;
проверена эффективность и надежность предлагаемых решений в производственных условиях.
Необходимым условием решения поставленных задач было применение эмпирических, теоретических и комбинированных методов исследования.
Изучение характеристик поверхностного стока проводилось на основании эксперимента. Систематизация полученных результатов, сопоставление их с данными других авторов и получение расчетных зависимостей определили необходимость использования элементарно-теоретического анализа и синтеза.
Достоверность приведенных в диссертации научных положений, выводов и рекомендаций базируется на использовании известных теоретических разработок, физически достоверных математических моделей и экспериментальном материале, полученном как самим автором, так и другими исследователями.
При определении требуемого числа опытов, принималось, что состав загрязнений поверхностного стока и его технологические характеристики подвергаются в основном случайным изменениям, имеющим нормальное распределение. Требуемое число опытов для приближенной оценки средних значений с заданной доверительной вероятностью определялось с помощью критерию Стьюдента.
Практическая значимость работы определяется следующими положениями:
-предложена конструкция эффективной очистной установки
поверхностного стока с территории ЖДП;
-уточнена методика расчета проектируемых и реконструируемых
очистных установок поверхностного стока с территорий ЖДП;
- снижены материальные затраты на создание и эксплуатацию очистных
установок;
-реализация разработок будет способствовать уменьшению нагрузки на
природные водоемы.
В первой главе описаны условия образования и способы очистки поверхностного стока, указаны причины, затрудняющие получение необходимого качества очищенных стоков, обоснована необходимость и намечены пути создания эффективных конструкций очистных установок и методов их расчета.
Во второй главе сделана попытка получить зависимость для определения характеристик дождевого стока в соответствии с типом ЖДП, интенсивностью его путевого развития и проходящими технологическими процессами.
В третьей главе изложены результаты исследования технологических характеристик поверхностного стока с территории ЖДП.
В четвертой главе рассмотрены процессы разделения разноплотностных фаз в тонком слое воды применительно к решению задач по очистке дождевого стока и предложена уточненная математическая модель процесса. Уточнение
произведено на основании более полного учета физической картины процесса очистки при помощи аппарата математической физики.
Пятая глава содержит рекомендации по проектированию и расчету установок на основании предлагаемой автором математической модели, описание оптимизационной модели и технико-экономические показатели.
В шестой главе описан процесс разработки прототипа предлагаемой конструкции очистной установки поверхностного стока, приведена методика определения конструктивных параметров.
Очистка поверхностного стока предприятий железнодорожного транспорта
Необходимость очистки поверхностного стока, ввиду его отрицательного влияние на состояние водных объектов подчеркивалась уже в XIX веке видным русским ученым Ф.Ф.Эрисманом [149].
Исходя из характеристик поверхностного стока, для его очистки могут предусматриваться сооружения механической, физико-химической и биологической очистки [76].
Принимая во внимание периодичность работы очистных сооружений дождевого стока, многие авторы, например [88], считают совершенствование сооружений механической очистки единственным ну гем повышения эффективности при минимальном увеличении капиталовложений. Отмечается, что применение физико-химической или биологической очистки требует значительных капиталовложений и эксплуатационных расходов.
В работе [36] указывается, что применение коагуляции и флокуляции для повышения качества очистки поверхностного стока целесообразно при совместной очистке ливневых вод с промышленными стоками. М.И.Алексеев и А.М.Курганов указывают на увеличение объема осадка в 3...5 раз (до 10% от объема обрабатываемой воды) при использовании реагентных методов отстаивания [6]. Флуктуация параметров поверхностного стока значительно осложняет определение дозы реагента и управление процессом дозирования [96].
Решение задачи очистки и доочистки поверхностного стока с применением биологической методов встречает значительные трудности из-за резких колебаний расходов, концентраций загрязнений, изменения содержания в стоках органических веществ, температуры и других показателей поверхностного стока в течение года, сезонов и суток. Согласно данным [69, 133] для снижения отрицательного влияния неравномерности поступления поверхностного стока в качестве носителя микрофлоры могут быть использованы различные инертные, пористые материалы, сорбирующие питательные вещества и энзимы. Подобные мероприятия, при низкой концентрации органических загрязнений (БПК5 менее 100 мг/л), характерной для поверхностного стока ЖДП (гл. 1.1) не всегда могут быть эффективны и надежны. Учитывая наличие в рассматриваемом стоке трудноокисляемых, токсичных веществ, в основном представленных нефтепродуктами, имеющих низкие скорости окисления активным илом во многих случаях требуется дополнительная очистка стока [133]. Отметим также увеличение солесодержания воды при биологических методах очистки, усложняющее повторное использование очищенной воды.
Таким образом, наиболее целесообразными, при очистке поверхностного стока ЖДП, представляются механические и физико-химические безреагентные методы. Причем, основным методом механической очистки, учитывая высокие требования к ее эффективности для последующей безреагентной очистки сорбцией и тенденции в этой области, можно рассматривать метод тонкослойного отстаивания. Отстаивание является одним из основных методов выделения из сточных вод оседающих и всплывающих механических примесей. Основная идея принципа тонкослойного отстаивания была сформулирована А.Нагеп ом в 1904 г. [158] и впоследствии развита в работах Отечественных и зарубежных ученых. Фундаментальный вклад в исследование процессов отстаивания 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 T.Camp, F.Poppel, С.Fischerstrom и др. Обширные исследования выполнили Г.А.Васильев, А.П.Зегжда, В.И.Калйцун, А.П.Нечаев, В.Г.Пономарев, Ю.В.Кедров, И.В.Скирдов, М.В.Демура и другие ученые. Исследование процессов тонкослойного отстаивания проводилось в НИИ ВОДГЕО, НИИ КВОВ АКХ, МИСИ (МГСУ), ЛИИЖТе (ПГУПС) и ГАСИ (НГАСУ), а также в других исследовательских организациях. В изучение процессов тонкослойного отстаивания и 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, В.Г.Иванов, а также И.С.Бабаев, Л.И.Волфтруб, М.В.Демура, Ю.В.Кедров, Б.С.Либерман, М.С.Павлов и другие.
Из работ зарубежных исследователей в указанной области наиболее известны труды B.Hart a, A.Kirby, J.CornelisserTa и H.Eilers a.
В основе принципа тонкослойного отстаивания лежит разделение общей зоны отстаивания на ряд элементарных отстойных зон с малой глубиной, при этом увеличивается площадь осаждения и снижается удельная нагрузка по загрязнениям. В результате обеспечивается более эффективное осветление жидкости и использование объема отстойника.
Оптимальный режим работы тонкослойного отстойника обеспечивается при ламинарном течении жидкости в тонкослойных элементах при числах Рейнольдса Re Re КР= 500 и числах Фруда Fr 10"5 [157]. Малая высота слоя жидкосш обеспечивает более равномерную температуру в пределах слоя, уменьшает до минимума влияние шютностных потоков на процесс осаждения взвеси, повышает ее гидродинамическую стабильность, уменьшает турбулентность потока. Впервые в отечественной практике, расчет тонкослойного отстойника, основанный на элементарной теории осаждения, был приведен В.А.Радцигом [118]. Зарубежные исследователи, а именно Camp, Yao, Tanaka, Brunsmann, рекомендовали рассчитывать отстойники по удельной поверхностной нагрузке, численно равной гидравлической крупности задерживаемых в отстойнике частиц [155, 164]. Похожая методика расчета процесса тонкослойного отстаивания приводится в фундаментальном руководстве по очистке сточных вод французской компании Degremont [138]. Вопросам теории тонкослойных отстойников и процессам осаждения в них частиц загрязнений посвящены также работы [10, 37, 62, 63]. Анализ указанных лігтературньїх источников позволяет сделать вывод о том, что одним из основных методов расчета тонкослойных отстойников, получивших распространение за рубежом, является метод расчета по удельной гидравлической нагрузке. При этом обычно предполагается, что гидравлическая крупность частиц, найденная по кинетике отстаивания взвеси в статических условиях идентична скорости их отстаивания (всплытия) в блоках тонкослойного отстаивания. В отечественной практике при расчете блоков тонкослойного отстаивания используются различные расчетные зависимости. Так, Я.А.Карелин и А.Г.Соколов рекомендуют производить определение длины гофрированных полок в горизонтальных тонкослойных элементах по зависимости
Оценка адсорбционных характеристик сорбента
Как было ох мечено ранее в и. 1.3.2, использование аналитических зависимостей позволяет получить только оценочные значения параметров, влияющих на процесс сорбции. Реальные значения данных параметров могут отличаться от расчетных, поскольку при теоретическом рассмотрении невозможен учет индивидуальных особенности различных модификаций сорбента.
При проведении эксперимента использовались "Технические указания по проекшрованию, наладке и эксплуатации установок для обесцвечивания природных вод фильтрованием через алюмосиликатный адсорбент ..." [129], утвержденные МПС и "Экспресс - меюдика оценки адсорбционных свойств активных утл ей" [107].
Отбор проб проводился из трубопровода, подающего загрязненную сточную воду на сорбционные фильтры (рис. 3.2). Изучаемая вода не консервировалась.
Для построения изотермы адсорбции использовались четыре образца сорбента массой М0= 200, 1000, 2000 и 4000 мг. Образцы помещались в колбы с притертыми пробками емкостью 1,5 дм3 со 1000 см3 изучаемой воды в каждой колбе и встряхивались непрерывно 48 ч с малой интенсивностью при 20±2 С. Далее сорбент и вода анализировалась по стандартной методике (см. гл. 3.1).
Динамика адсорбции определялась фильтрацией в стеклянной колонке внуїренним диаметром 20 мм и длиной 300 мм (рис. 3.9). Предварительно взвешенный образец сорбента объемом 30 см3 засыпался в колонку на слой стекловаты толщиной 2...3 мм и покрывался таким же слоем стекловаты. Собранная колонка заливалась снизу вверх теплой дистиллированной водой (60...70 С) и выдерживалась до охлаждения и выхода всех пузырьков воздуха: исследуемая вода подавалась без опорожнения колонки. Исследуемая вода фильтровалась сверху вниз со скоростью З...5м/ч непрерывно в течение 4 часов. По ходу опыта пробы очищенной воды отбирались через: 10, 20, 30, 60, 120,180 и 240 мин с момента начала работы. Сорбционная емкость рассчитывалась по формуле Пропределении необходимого числа опытов, принималось, что процесс сорбции подвергаеіся в основном случайным изменениям, имеющим нормальное распределение. Требуемое число опыюв для приближенной оценки среднего значения с заданной доверительной вероятностью находилось но зависимости (3.1); необходимое число опытов и 12. С целью получения изотермы сорбции проводилась статистическаяобработка опытных данных. С помощью метода наименьших квадратов находились коэффициенты уравнения у(х)=А-х-КВ. Вид уравнения был выбран исходя из адекватности экспериментальным данным и физике явления. Осредненная кривая изотермы сорбции, имеющая уравнение а(С)=2,8С+48 в осях а(С) и С предетвлена на рис. 3.10.
При помощи уравнения изотермы адсорбции а(С)=2,8С+48 может быть определена величина адсорбции, равновесная с конценірацией нефгепродукюв в воде после адсорбционной очистки.
Определение коэффициента внутреннего массопереноса, необходимого для расчета времени защитного действия загрузіш, производилось по зависимости [3] SL0.o5c0ap _а іде Q - массовый расход поглощаемого вещества, кг; S - площадь поперечного сечения адсорбционной колонны, м; L - юлщина слоя адсорбента, м.
Значение интеграла в зависимости (3.4) определяется при использовании рабочей линии процесса и изотермы адсорбции. Полученное значение коэффициента внугреннего массопереноса Р = 40...42.
Необходимо отметить, что методика определения коэффициента ішугреннего массопереноса, рекомендованная разработчиком сорбента AAA, Е.Г.Петровым, предполагает нахождение данного показателя по атласу теорешческих кривых динамики сорбции. По мнению автора, при решении оптимизационной задачи на компьютере, использование не формализованных зависимостей создает объективные трудности и усложняет процесс оптимизации.
Найденные значения величины адсорбции и коэффициента внутреннего массопереноса будуі использованы для определения поля концентраций в колонне адсорбента.
Анализ экспериментальных данных позволяет сделать ряд выводов. Как было установлено, содержание взвешенных веществ в поверхностном стоке, посіупающем на очистные сооружения сіанции Меіаллосірои, составляет СепВВ= 120...180 мг/л; содержание нефтепродуктов - Сепш= 40...90 мг/л. Нормативно-техническая документация [81], используемая при проектировании и реконструкции очистных сооружений ЖДП, рекомендует использовать более высокие значения концентраций (табл. 1.2). Поскольку станция Меіаллосірои являегся достаточно типичным предприятием железнодорожного транспорта, рекомендуемые [81] концентрации действительно представляются несколько завышенными и требующими уточнения.
Данных по кинетике тонкослойного отстаивания дождевого стока предприятий железнодорожного транспорта в доступных литературных источниках автору обнаружить не удалось. По-видимому, можно считать, что в рамках данной диссертационной работы подобные кривые приводятся впервые (рис. 3.7 и рис. 3.8).
Полученные данные будут использованы для определения конструктивных иарамеїров установок локальной очистки поверхносіїюго стока ЖДИ при их проекшровании и реконструкции.
Тем не менее, вопрос определения технологических характеристик поверхностного стока в условиях различных предприятий железнодорожного транспорта является малоизученным и требующим дальнейших исследований. Как показало сопоставление результатов опытных исследований поверхностного стока станции Металлострой и показателей загрязненности, полученных аналитическим путем (табл. 2.5), они отличаются приблизительно в 1.5.„2 раза. По мнению автора, этот факт обусловлен некоторым несоответствием сопоставляемых показателей. Депо электропоездов Меіаллострой предназначенное для обслуживания злекіропоездов ЭР2Т и скорых поездов нового поколения "Сокол", проектировалось и сооружалось по самым современным требованиям, что и определило более низкие показатели загрязненности. Также следует учитывать недостаточное количество опытов и малую продолжительность их проведения
Разработка программы расчета модуля тонкослойного отстаивания
Для автоматизированного решения уравнений Навье-Стокса, описывающих стационарное движение несжимаемой вязкой жидкости в. пределах модуля тонкослойного отстаивания автором была разработана проірамма "Расчет процесса тонкослойного отстаивания". Алгоритм программы приведен на рис. 4.3. Программа позволяет определить распределение скоростей в пределах полки блока тонкослойного отстаивания. Для решения данной задачи использовались алгоритмы компании Numencal Algorithms Group и программное обеспечение Waterloo Mapel Данные, необходимые для работы программы, задавались предварительно. Указывалось число конечных элементов, число узлов, число іраничньїх условий Дирихле, число іраничньїх условий Неймана, число итераций, необходимое для решения системы уравнений, требуемая точность решения и коэффициент релаксации.
Достоверность результатов расчета по предлагаемой автором математической модели проверялась сопоставлением результатов определения скоростей потока с данными, проверенными экспериментально, приводимыми в [137] (рис. 4.4). Как можно видеть, качественно результаты идентичны, хотя наблюдаются некоторые количественные отличия. Автор считает, что данные отличия обусловлены некоторым упрощением расчетных зависимостей, свойственным аналитическому методу, с одной стороны и неизбежными погрешностями округления при использовании численных методов с другой. Тем не менее, подобные количественные отличия не существенны с точки зрения нахождения геометрических харакгеристик модуля тонкослойного отстаивания. Использование различных способов расчета траектории осаждения частицы загрязнения дает расхождение в расчетной длине порядка
Адекватность предлагаемой автором математической модели физической картине процесса была проанализирована при аналитическом определении поля коростей вязкой жидкости в полке с криволинейными образующими (рис. 4.5). Полученные в резудыате расчета по предлагаемым зависимостям эпюры скоростей приведены на рис. 4.6 и рис. 4.7. На основании приведенных эпюр можно сделать вывод, что распределение скоростей, получаемое в результате расчета, не противоречит теоретическим знаниям о физической картине процесса движения вязкой жидкости. На это указывает характер эпюры проекций Vx, приближающейся к параболической ближе к выходному сечению полки. Сужение потока (сечение 29-30-31-32-33-34-35-36-37) вызьгоает увеличение скорости центрального слоя до Vx=1.43 м/с (рис. 4.6, позиция 5) со снижением скорости до Vx=1.37 м/с в следующем сечении (рис. 4.6, позиция 6) и дальнейшим приближением эпюры к параболической. Характер изменения проекций Vy также представляется правдоподобным (рис. 4.7).
Существует большое количество математических моделей динамики адсорбции. Рассмотрим подробнее модель динамики неравновесной изотермической сорбции. Как было определено в результате эксперимента, изотерма адсорбции неф іепродукюв дождевого стока на алюмосиликатом адсорбенте имеет линейный вид (рис. ЗЛО). Решение уравнения (1.24) позволяет найти изменение концентрации растворенного вещества в потоке вдоль слоя адсорбента и во времени при линейной изотерме адсорбции амены xi и ti на хг и t2 по формулам х2 = xPB/v и t2 = PBt/y.
Для расчета поля концентраций и определения геомеїрических харакіеристик загрузки используеіся зависимость (4.17). Численные значения коэффициента внешнего массообмена и коэффициента внутреннего массопереноса определяются по зависимости (3.4).
Можно утверждать, что развитый математический аппарат теории адсорбции позволяет получить достаточно точную картину процесса и збежать эксплуатационных проблем. Автор считает перспективным направлением исследования разработку проіраммного комплекса для автоматизация процесса расчета адсорбционных модулей для глубокой очистки дождевого стока применительно к компактным установкам для предприятий железнодорожного транспорта.
Уточненная математическая модель тонкослойного отстаивания рабоюспособна и может использоваїься при определении геомеїрических характеристик модулей тонкослойного отстаивания, в том числе и при оптимизационных расчетах. Некоторые количественные отличия, обусловленные упрощением расчетных зависимостей, свойственным аналитическому методу, с одной стороны и неизбежными погрешностями округления при использовании численных методов с другой, не существенны и составляют + 3...4%.
Автор видит новизну полученных результатов в том, что возможности полученной модели тонкослойного отстаивания шире, чем известных. Применение приводимой модели не ограничивается плоскими іраничньїми условиями, а позволяет получать картину распределения скоростей в потоке вязкой несжимаемой жидкости, конфигурация линий тока которого нелинейна.
Данное ограничение, в рамках предлагаемой математической модели, не являеіся принципиальным. Расчеіная схема может быть расширена в трехмерную при соответствующем, достаточно несложном, изменении алгоритмов. Необходимость подобных модификаций, по мнению автора, невелика. Использование двухмерных схем позволяет определить поле скоростей по сечению модуля с высокой іочносіью, за исключением участков у боковых стенок, занимающих малую часть сечения. В случае расширения расчетной схемы в трехмерную этой неточности можно избегать ценой значительного (до нескольких раз) увеличения времени проведения расчетов
Технико-экономическая оценка использования оптимизационной модели
Годовой экономический эффекг определялся сравнением технико-экономических показателей предлагаемого (оптимизированного) решения и аналога. В качестве аналога была выбрана идентичная схема очистки, рассчитанная на основе наиболее прогрессивных методик, приводимых в справочной литературе, используемых в настоящее время. Принципиальная технологическая схема сравниваемых вариантов приведена на рис. 5.2. При сравнении вариантов они были приведены в сопосіавимьій вид по методам определения стоимостных показателей, перечню затрат и ценам. Решения были рассчитаны на равную производительность; іакже была обеспечена сопоставимость сравниваемых вариантов по качественным харакіеристикам с точной воды до очистки и после очистки. Расчеты проводились исходя из предположения, что объем очищаемой воды, ее состав, расходы разных видов энергии и реагентов, состав и численность производственно-эксплуатационного персонала одинаковы по обоим вариантам. Экономический эффект определялся на основе тех составляющих единовременных затрат и эксплуатационных расходов, коюрые по рассматриваемым вариантам различны (конструктивные параметры блока тонкослойного отстаивания и сорбционного фильтра). В качестве критерия сравнения были приняты приведенные затраты В рамках проводимого исследования, при расчете экономического эффекта в объем капитальных затрат были включены затраты на строительные работы и на работы по монтажу оборудования. Показатель годовых эксплуатационных затрат на очистку стоков находился по следующим статьям затрат: материалы (реагенты) и амортизационные отчисления. Согласно работе [101], площадь территории основных видов железнодорожных предприятий в среднем составляет S = 2...20 га. Определение суючных расходов дождевых вод производится по зависимости НР - суючный слой дождевого стока расчетной повторяемости, для Санкт-Петербурга Нр=24 мм при периоде однократного превышения 1 год; Н0 - суючный слой начальных потерь, принимается Но=2,5 мм.
По зависимости (5.18) для основных видов железнодорожных предприятий получаем диапазон изменения производительное і и очисшых усіановок дождевого стока Wcy, « 200.. .2000 м3/сут или 3...30 л/с.
Исходя из рассчитанного диапазона изменения производительности было проведено ожидаемого экономического эффекта при использовании разработанной математической модели и ее последующей оптимизации.
Первый вариант расчета производился по общепринятой методике на основании опытных данных по загрязненности поверхностного стока станции Металлострой (гл.2). Расход сточных вод q = 3...30л/с; гидравлическая крупность задерживаемых частиц ио = 0.15 мм/с; температура воды Т = 10 С. Площадь живого сечения тонкослойных элементов определялась по зависимости тонкослойного отстаивания; vo - средняя скорость потока, принимается vo=5 мм/с. Длина тонкослойного элемента, в соответствии с рекомендациями [54], рассчитывалась по формуле где ; - коэффициент, определяемый в зависимости от безразмерного критерия Ln/(h-Re); 2-h - высота слоя жидкости в пределах полки, принимается 2-h=0.05 м; о. - угол наклона полок, принимается а = 0. Длина полок в первом приближении определялась по формуле (5.21) при значение коэффициента д=1. Далее находилось число Рейнольдса по зависимости Re = % ±, (5.22) где v- кинематический коэффициент вязкости, v = І.З-КҐЧґ/с. После вычисления числа Рейнольдса, уточнялось значение безразмерный комплекс Ln/(h-Re), и коэффициента g длина тонкослойного элемента ІТО определялась повторно. При заданной гидравлической крупности задерживаемых частиц uo=0.15 мм/с, по зависимости у(х)=-0.14-1п(х-0.08)+0.32, находился эффект очистки на блоке тонкослойного отстаивания Э = 69 %. При концентрации нефтепродуктов в стоке, поступающем на блок тонкослойного отстаивания, С =90 мг/л (см. гл. 2) остаточное содержание нефтепродуктов составляло С0=28 мг/л. Сточные воды с указанной концентрацией загрязнений подаются на сорбционные фильтры. Для сорбциошюй очистки используются филыры открытого иша. Загрузка - алюмосиликатый адсорбент. Требуемая площадь филырошшия определялась по зависимости (5.8). Требуемая высота сорбциошюй загрузки определялась по зависимости где Нм - длина зоны массопередачи; при скорости фильтрования Уф=4 м/ч принимается Нм = 5 м; Нр - резервная высота загрузки, принимается в размере 20 % от Нм. Требуемая высота сорбциошюй загрузки составит НОБЩ = 7 м. Число ступеней последовательно работающих адсорберов составит 2 ступени. Продолжительность филыроцикла находилась по формуле где и - скорость перемещения фронта воды с концентрацией СЕХ=0.3 мг/л; принимается D=0.04 м/ч. В результате расчета по зависимости (5.24) определялась продолжительность фильтроцикла Тф=188 ч. Объем адсорбента, подлежащий замене, определяется по зависимости іде Со - концешрация загрязнений после блока тонкослойного отстаивания, 0)=28 ш/л; Сех - концентрация загрязнений после адсорбера, определяется характером дальнейшего использования очищенного стока, СЕХ=0.3 мг/л; ао - адсорбционная емкость адсорбента по нефтепродуктам, определяется эмпирическим путем, а0 =75 кг/г. Второй вариант расчета производился с использованием разработанной математической модели и ее последующей оптимизацией. Область допустимых значений параметра оптимизации С0 оіраничнвалась следующим образом 90мг/л Си 0.3мг/л на основании численного решения уравнений Навье-Стокса (гл. 4). В результате решения системы уравнений (4.10) находились горизонтальная и вертикальная составляющие результирующего вектора движения частицы. Требуемая длина блока тонкослойного отстаивания определялась полем скоростей потока и седиментационными характеристиками частицы. Расчетная гидравлическая крупность частиц и находилась по зависимостям (1.18)-(1.21).
Определение параметров блока сорбционной очистки производилось в соответствии с зависимостями, приведенными в и. 1.2. Изменение концентрации растворенного вещества в потоке вдоль слоя сорбента и во времени вычислялось по формуле (4.17).
Расчеты по обеим методикам были проведены по всему диапазону изменения производительности очистных сооружений поверхностного стока предприятий железнодорожного транспорта. Определение приведенных затрат производилось по зависимости (5.15); блок тонкослойного отстаивания проектировался из листовой холоднокатаной стали Sm-2800 руб/т; наполнение
