Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1. Водные ресурсы западно-сибирского региона и проблемы питьевого водоснабжения населения 19
1.1. Общая характеристика водных ресурсов и водохозяйственной деятельности территорий региона 19
1.2. Оценка условий формирования и значимость подземных вод для водоснабжения населения региона 58
Выводы по главе 1 68
ГЛАВА 2. Исследование особенностей размещения, качественного состава подземных вод и возможных технологий их обработки 69
2.1. Общие тенденции размещения подземных вод на территории региона 69
2.2. Общая характеристика качественного состава подземных вод региона 80
2.2.1. Характеристика структуры и форм содержания загрязнений в подземных водах 83
2.2.2. Взаимосвязь основных показателей качества подземных вод и их влияние на процессы очистки 95
2.3. Анализ технологий обработки подземных вод, возможных к использованию на территории региона 99
Выводы по главе 2 120
ГЛАВА 3. Экспериментальные лабораторные и промышленные исследования процессов дегазации-аэрации и озонирования подземных вод 122
3.1. Сравнительная оценка способов аэрации-дегазации подземных вод 122
3.2. Изучение процессов газоудаления и обработки подземных вод в вихревых аэраторах-дегазаторах 129
3.3. Исследование возможности применения и эффективности озонирования для обработки подземных вод региона 149
3.3.1. Эффективность смешения озоно-воздушной смеси с обрабатываемой водой 165
3.3.2. Определение эффективных доз озона при обработке подземных вод региона 175
3.4. Разработка технологических решений и промышленные ис
следования оборудования для аэрации-дегазации подземных вод 184
Выводы по главе 3 193
ГЛАВА 4. Теоретические и экспериментальные исследования технологий очистки подземных вод 195
4.1. Экспериментальное изучение некоторых кинетических па раметров процесса очистки подземных вод 195
4.1.1. Изучение технологических характеристик дробленого аль-битофира, используемого в процессах фильтрования подземных вод 211
4.1.2. Фильтрование подземных вод в режиме постоянных и переменных скоростей 233
4.2. Моделирование и исследование процессов очистки подзем ных вод на фильтрах с направленным формированием пористости ма териалов 246
4.3. Инженерные решения радиальных фильтров с искусствен ными пористыми материалами 270
4.4. Экспериментальные исследования технологий промывки фильтров обезжелезивания подземных вод 278
Выводы по главе 4 289
ГЛАВА 5. Методология выбора технологических приемов и схем обработки подземных вод 290
5.1. Способы выбора технологических приемов обработки подземных вод для хозяйственно-питьевого водоснабжения 290
5.2. Удаление из подземных вод растворенных газов 299
5.3. Очистка подземных вод от природных загрязнений 302
5.4. Очистка подземных вод от антропогенных загрязнений 310
5.5. Технологические приемы и схемы комплексной обработки подземных вод 313
5.6. Методика программированного выбора технологических
приемов и схем обработки подземных вод 321
Выводы по главе 5 325
ГЛАВА 6. Рекомендуемые технологические и инженерные решения для систем водоснабже ния в западно-сибирском регионе 327
6.1. Основные направления строительства, реконструкции и модернизации действующих систем водоснабжения малой мощности в регионе 327
6.2. Рекомендуемые технологии и оборудование подготовки подземных вод для хозяйственно-питьевого водоснабжения на территории региона 333
6.3. Опытно-конструкторские, технологические и проектные решения, рекомендуемые для систем водоснабжения в регионе 343
6.4. Обобщение опыта апробирования, внедрения и оценка эко
номической эффективности разработанных технологий и оборудова
ния на объектах Западно-Сибирского региона 371
Выводы по главе 6 382
Заключение и общие выводы 384
Литература
- Оценка условий формирования и значимость подземных вод для водоснабжения населения региона
- Изучение процессов газоудаления и обработки подземных вод в вихревых аэраторах-дегазаторах
- Изучение технологических характеристик дробленого аль-битофира, используемого в процессах фильтрования подземных вод
- Удаление из подземных вод растворенных газов
Введение к работе
Актуальность работы. Обеспечение населения России качественной питьевой водой является одной из главных государственных задач, которая приобрела особую актуальность в связи с наблюдающимся практически повсеместно ухудшением общей экологической обстановки и чрезмерным загрязнением водных объектов и источников водоснабжения [1, 59, 118, 227].
Проблеме питьевого водоснабжения населения страны уделяется огромное внимание. Право граждан России на благоприятную среду обитания, на приоритетное водопользование, удовлетворение физиологических и хозяйственно-бытовых потребностей в воде закреплено законодательством Российской Федерации. Правительством РФ, во исполнение Указа Президента, принято решение о разработке целевой федеральной программы «Обеспечение населения России питьевой водой» [227].
В связи с этим безопасность питьевого водоснабжения стала одной из главных составляющих общей экологической безопасности населения России [47]. Нормативное обеспечение централизованного водоснабжения, направленное на выполнение высоких требований к качеству воды и полное удовлетворение в ней, должно охватывать не только технические и экономические, но и экологические факторы.
Ухудшающееся состояние поверхностных водных источников и значительные капитальные вложения на реконструкцию действующих и строительство новых систем очистки воды в нынешних экономических условиях в определенной степени осложняют возможность реализации программы в ближайшей перспективе.
Объем сточных вод, сбрасываемых в поверхностные водные источники, составляет около 69 куб. км из них до 40 % (а в ряде регионов и более) попадает в водные объекты неочищенными, причем, основная масса загрязняющих веществ (около 45 %) поступает от коммунальных и промышленных предприятий [1, 59, 142, 235]. В России имеется значительный объем запасов подземных вод [52, 59] с относительно стабильным составом и более высоким санитарным уровнем, чем воды поверхностных источников. Перспективная потребность хозяйственно-питьевого водоснабжения может быть полностью удовлетворена за счет подземных вод в 62 субъектах Российской Федерации, в том числе: в республиках Мордовия (Поволжский регион), Бурятия (Восточно-Сибирский регион), в Алтайском (Западно-Сибирский регион) и Красноярском (Восточно-Сибирский регион) краях, Амурской (Дальневосточный регион), Брянской, Владимирской, Воронежской, Псковской, Рязанской и Томской (Западно-Сибирский регион) областях, частично удовлетворена (25-90 %) в 15 субъектах федерации, например: Удмуртской Республике, Ставропольском и Хабаровском краях, Волгоградской, Ивановской, Кемеровской (Западно-Сибирский регион), Новосибирской (Западно-Сибирский регион), Тюменской (Западно-Сибирский регион), Омской (Западно-Сибирский регион), Костромской, Челябинской и других областях [48, 51, 59, 121, 159].
По данным Государственного доклада [59] качество подаваемой населению питьевой воды в последние годы не повышается и остается на уровне 1991 года, а во многих районах ухудшилось в связи с реальными экономическими трудностями и ухудшением экологической обстановки, связанными со сбросом не надлежаще очищенных сточных вод в поверхностные водные источники, используемые в качестве источников водоснабжения. По данным этого доклада около 50 % населения России продолжают использовать для питьевых нужд воду, не соответствующую гигиеническим требованиям по широкому спектру показателей качества воды [59], при этом следует заметить, что в Российской Федерации контролю в питьевой воде подлежат около 800 веществ [153, 154, 211]. Особенно тяжелое положение с качеством питьевого водоснабжения сложилось в Архангельской, Курской, Тюменской (Западно-Сибирский регион), Свердловской, Челябинской и Кемеровской (Западно-Сибирский регион) областях, Мордовии, Калмыкии, Якутии, Примор ском крае.
Крайне неудовлетворительно обстоит дело с качеством питьевой воды в сельской местности, где централизованным водоснабжением пользуются не более 68 % жителей (около 47 % населенных пунктов). Около 59 % сельских жителей забирают воду из водоразборных колонок централизованного водоснабжения. При среднем по Российской Федерации удельном водопотребле-нии 136 л/сут на одного сельского жителя, удельное водопотребление составляет 60-88 л/сут в Красноярском (Восточно-Сибирский регион) и Хабаровском краях, Бурятии и Туве (Восточно-Сибирский регион). Удельную норму водопотребления, не превышающую 50 л/сут на одного человека имеет подавляющее большинство сельских населенных пунктов с населением не более 1500 чел в Кемеровской, Томской, Тюменской (Западно-Сибирский регион) областях, в Алтайском крае, Ханты-Мансийском автономном округе (Западно-Сибирский регион), Якутии и Магаданской области [54, 141, 183].
Реки Арктического бассейна Сибирского региона испытывают значительную антропогенную нагрузку. Как пример, можно привести весьма сложную ситуацию на р. Томь. Загрязнение реки Томи связано с деятельностью отдельных отраслей промышленности: горнодобывающей, химической, машиностроительной, энергетической, причем 94 % всех стоков составляют промышленные стоки, сбрасываемые предприятиями угледобывающей промышленности, черной и цветной металлургии, химическими и машиностроительными заводами. Бассейн реки Томи, служащий для многих населенных пунктов источником водоснабжения, является по сути гигантским коллектором сточных вод, принимающим сточные воды от городов, поселков и промышленных предприятий Кемеровской области [203].
В связи с этим вполне естественным является изыскание альтернативных источников водоснабжения в регионе, позволяющих с меньшими затратами обеспечивать население питьевой водой. Такими источниками в регионе являются подземные воды. Расширение масштабов использования под земных вод в ближайшем будущем основывается на исключительно удачном сочетании экологического и экономического факторов. Как правило, питьевая вода из систем водоснабжения с подземными источниками имеет себестоимость в 3-4 раза ниже, чем с поверхностными, что в условиях современной экономической ситуации снижает финансовое бремя на водопроводные предприятия. Отсюда следует очевидная необходимость интенсифицировать освоение разведанных запасов подземных вод, расширять работы по выявлению новых месторождений, а также выполнять работы по систематизации запасов подземных вод по их характеру (глубина и условия залегания) по региону в целом и по отдельным территориальным районам в пределах региона, обобщению и систематизации данных о качественном составе подземных вод региона, которые предполагается использовать в качестве источников питьевого водоснабжения. О необходимости выполнения аналогичных работ говорится в работах [7, 63, 78, 79, 117].
Потенциальные запасы подземных вод России, используемых для питьевого водоснабжения, не соответствуют критериям СанПиН по ряду показателей в зависимости от региона, условий их формирования и залегания. Кроме того, антропогенное воздействие от деятельности промышленных предприятий на водоносные горизонты расширяет спектр показателей, препятствующих использованию этих вод для питьевых целей.
Освоение и развитие нефтегазового комплекса Западно-Сибирского региона, деятельность промышленных предприятий различного профиля наносит свой негативный отпечаток на качество подземных вод, используемых для хозяйственно-питьевого водоснабжения. Так например, только в пределах Томской области, а именно, ее западной части открыто и разрабатывается более 100 нефтяных, газоконденсатных и нефтегазоконденсатных месторождений, а Западно-Сибирский регион в целом обеспечивает около 62 % добычи нефти и газа в России [7, 36, 51, 58, 59].
В Западной Сибири в качестве источников водоснабжения могут широ ко использоваться подземные , а также и поверхностные воды, однако специфика климата региона, недостаточно развитая гидрографическая сеть предопределяют в последние годы использование именно подземных вод Западно-Сибирского артезианского бассейна. Такой подход в полной мере отвечает требованиям ГОСТа «Источники водоснабжения», согласно которому для организации хозяйственно-питьевого водоснабжения необходимо эффективно использовать весь ресурс вод.
Подземные воды Западно-Сибирского региона обычно содержат несколько десятков химических элементов и соединений. Однако чаще всего препятствуют использованию подземной воды для хозяйственно-питьевого водоснабжения наличие в ней ионов железа, марганца, сероводорода, реже метана и других компонентов [2, 36, 79, 104, 111, 117, 205, 221].
Более 25 % систем водоснабжения населенных пунктов Российской Федерации используют подземную воду с содержанием железа от 1 до 5 мг/л. Более 56 % в Сибирском регионе и более 80 % в Западно-Сибирском регионе всей подземной воды не может быть использовано для хозяйственно-питьевого водоснабжения без очистки.
В связи с необходимостью использования подземных вод для хозяйственно-питьевого водоснабжения населения, а в Западно-Сибирском регионе эта проблема стоит наиболее остро, возникает необходимость в изучении и обобщении специфических особенностей загрязненности подземных вод в различных территориальных районах региона, особенно там, где расположены малые и средние населенные пункты (в основном сельского типа), систематизации и классификации подземных вод региона по степени и характеру загрязненности, изучении возможности использования традиционных технологий очистки различных, по характеру загрязнений, подземных вод и экспериментальной отработки параметров возможных к использованию технологий. Особого внимания требуют к себе сельские системы водоснабжения и системы водоснабжения небольших населенных пунктов региона, а именно, разработки технологий и индивидуального, малогабаритного водоочистного оборудования и оборудования коллективного пользования, предназначенных для очистки подземных вод для питьевых целей.
Изучением гидрогеологических и инженерно-геологических условий районов Западно-Сибирского региона, в первую очередь районов первоочередного промышленного освоения, занимались и занимаются такие организации, как Новосибирское и Тюменское территориальные геологические управления, Всесоюзный научно-исследовательский институт гидрогеологии и инженерной геологии (ныне ФГУП ВСЕГИНГЕО), Западно-Сибирский научно-исследовательский геологоразведочный нефтяной институт (ЗапСиб-НИГНИ), Сибирский научно-исследовательский институт геологии, геофизики и минерального сырья (СНИИГГИМС), Всесоюзный нефтяной научно-исследовательский геологоразведочный институт (ВНИГРИ), научно-исследовательский институт Арктики (НИИГА), Всесоюзный научно-исследовательский геологический институт (ВСЕГЕИ), и другие.
Значительный вклад в решение проблемы очистки подземных вод для хозяйственно-питьевых и промышленных нужд, разработки теоретических основ процессов очистки и разработки водоочистного оборудования внесли ГНЦ РФ НИИ ВОДГЕО, НИИКВ и ОВ АКХ им. К.Д. Памфилова, ЦНИИЭП инженерного оборудования и другие научно-исследовательские и проектные подразделения и организации, отечественные ученые: Л.А. Кульский, Е.Ф. Кургаев, И.Э. Апельцин, А.А. Кастальский, С.Н. Линевич, Д.М. Минц, Ю.М. Шехтман, С.А. Шуберт, В.А. Клячко, Г.Ю. Асе, Г.И. Николадзе, М.Г. Журба, A.M. Перлина, К.А. Мамонтов, Ю.С. Сергеев, П.В. Корыстин, З.Я. Городи-щер, Л.Н. Шварте, В.И. Станкявичус, Г.В. Балашова, Г.С. Горяинова, М.А. Ми лов, и другие, а также зарубежные исследователи: К. Айвес, В. Мацкрле, Т. Ивасаки, К. Деб, Р. Элиассен, X. Норделл, К. Лерк, Р. Хиртисс, Т. Пейчев, Л. Жачек, Ф. Евертовский, X. Китнер и др.
Глубокие исследования, направленные на изучение состава подземных вод Западно-Сибирского региона и разработку методов их обработки, выполнили Н.Д. Артеменок [16-20], Ю.Л. Сколубович [219], В.Л. Драгинский и Л.П. Алексеева [75-77, 256] и др.
В данной диссертационной работе приведены результаты теоретических и экспериментальных исследований автора, направленных на решение проблем питьевого водоснабжения малых и средних населенных пунктов и объектов Западно-Сибирского региона.
Целью исследований диссертационной работы автора является теоретическое и экспериментальное обоснование технологий обработки подземных вод, инженерных решений водоочистного оборудования и внедрение их в практику строительства новых и реконструкции действующих систем водоснабжения из подземных источников малых населенных пунктов в Западно-Сибирском регионе. Предлагаемые технологии и оборудование должны обеспечивать качественную обработку подземных вод, отличаться достаточной простотой и высокой надежностью в работе, максимально учитывать местные условия и труднодоступность многих объектов и населенных пунктов в регионе.
Задачами исследований в соответствие с поставленной целью являлись:
1. Обобщение данных о состоянии водных ресурсов и водохозяйственной деятельности отдельных территорий региона и обоснование необходимости использования подземных вод для питьевого водоснабжения населения;
2. Обобщение имеющихся данных и установление тенденции распространения подземных вод по территории региона и характеристик состава подземных вод на территории Западно-Сибирского региона, используемых для хозяйственно- питьевого водоснабжения;
3. Изучение закономерностей обработки подземных вод в зависимости от их качественного состава, определение наиболее эффективных технологий и области их применения при использовании на территории Западно-Сибирского региона;
4. Проведение промышленных испытаний рекомендуемых технологий, сооружений и оборудования в различных районах Западно-Сибирского региона и на их основе разработка рабочей документации и передача ее в проектные и производственные предприятия для дальнейшего использования;
5. Разработка методологии выбора технологических приемов и схем обработки подземных вод, инженерных, технологических и конструктивных решений оборудования и сооружений для систем водоснабжения малых населенных пунктов;
6. Разработка научно-обоснованных рекомендаций на проектирование, изготовление, монтаж и эксплуатацию водоочистного оборудования для систем водоснабжения малых населенных пунктов региона.
Научная новизна.
1. На основании обобщения материалов исследований формирования состава подземных вод Западно-Сибирского региона установлена тенденция распространения подземных вод по территории Западно-Сибирского региона и их характеристика по качественным и количественным показателям, определяющим технологии водоподготовки;
2. На основании экспериментальных исследований установлены закономерности извлечения загрязнений в различных территориальных районах региона, определены наиболее эффективные технологии водоподготовки применительно к системам водоснабжения малой мощности;
4. Разработано, испытано в промышленных условиях и доведено до промышленного производства водоочистное оборудование индивидуального и коллективного пользования для систем водоснабжения малой мощности;
5. Разработана методология выбора технологических приемов и схем обработки подземных вод, инженерных, технологических и конструктивных решений оборудования и сооружений для систем водоснабжения малых на селенных пунктов;
6. Предложены методики инженерных расчетов и конструктивные решения оборудования подготовки подземных вод для систем водоснабжения в различных районах региона.
Защищаемые научные положения. Предметом защиты автором диссертационной работы является теоретическое и экспериментальное обоснование технологий подготовки подземных вод в различных районах Западно-Сибирского региона в зависимости от их качественного состава для целей питьевого водоснабжения малых населенных пунктов.
На защиту выносятся:
- обоснование необходимости развития и совершенствования систем подготовки подземных вод малой мощности в Западно-Сибирском регионе;
- результаты исследований и закономерности процессов комплексной подготовки подземных вод в различных территориальных районах региона;
- технологии и оборудование для подготовки подземных вод в различных районах региона для систем питьевого водоснабжения малой мощности, методики инженерных расчетов и вариантные решения оборудования для во-доподготовки;
- новые конструктивные решения устройств и оборудования подготовки подземных вод для питьевого водоснабжения.
Обоснованность научных положений, рекомендаций и выводов базируется на физически достоверных моделях исследуемых процессов подготовки подземных вод, а также на экспериментальном материале, полученном на основании крупномасштабных промышленных исследований в различных районах Западно-Сибирского региона в период с 1984 по 2005 гг., опыте эксплуатации в течение 7-12 лет разработанных технологий и водоочистного оборудования различной производительности.
Достоверность результатов и рекомендуемых технических решений, разработанных при непосредственном участии автора, подтверждается ши роким их промышленным апробированием и внедрением в различных районах Западно-Сибирского региона (Томская, Кемеровская, Новосибирская, Тюменская области, Алтайский Край) и полученными в течение длительного периода эксплуатации положительными результатами.
Надежность и эффективность предложенных автором технологических и конструктивных решений и эксплуатационных характеристик подтверждается актами внедрения, удостоверяющими использование разработок, а также актами испытаний их в промышленном масштабе.
Практическая значимость и реализация заключается в создании и внедрении в Западно-Сибирском регионе технологий и оборудования подготовки подземных вод для целей питьевого водоснабжения малых населенных пунктов, отличающихся высокой степенью надежности, достаточной простотой исполнения и эксплуатации, что наиболее соответствует их работе в местностях региона, приближенных к сельским.
Разработано, испытано в промышленных условиях и доведено до промышленного производства водоочистное оборудование индивидуального и коллективного пользования для систем водоснабжения малой мощности. Разработанные при непосредственном участии автора, технологии и водоочистное оборудование внедрены в промышленном масштабе более чем на 60 объектах Западно-Сибирского региона.
Результаты работы автора включены в учебные курсы для студентов специальности 270112 «Водоснабжение и водоотведение» и используются в курсовом и дипломном проектировании в ТГАСУ, Томском коммунально-строительном колледже, а также включены в программы курсов повышения квалификации и переподготовки кадров ИПК и ПК ТГАСУ для предприятий: ПО ЖКХ Томской области, ГУП «Инжкомсервис», ГК по охране окружающей среды и рациональному природопользованию Томской области.
Личный вклад соискателя заключается в: выполнении теоретических и экспериментальных исследований; разработке программы, методики и про ведении исследований технологий обработки подземных вод; проведении промышленных испытаний разработанного водоочистного оборудования в различных районах региона. Автором единолично выполнены теоретические обобщения материалов о состоянии водных ресурсов и водохозяйственной деятельности отдельных территорий региона и обоснование необходимости использования подземных вод для питьевого водоснабжения малых населенных пунктов, а также обобщение сведений о характеристиках состава подземных вод на территории Западно-Сибирского региона, используемых для хозяйственно- питьевого водоснабжения.
Апробация работы. Результаты работы докладывались и обсуждались на научно-технических конференциях и научно-практических семинарах: г. Томск, 1985-2006гг.; г. Пенза, 1994г., 1996г.; г. Новосибирск, 1997-98, 2003 гг.; г. Москва, 1997г.; г. Стрежевой, 1989, 1993, 1995-98гг.; г. Сургут, 1991, 1995-97гт.; г. Красноярск, 1998г., г. Тюмень, 2002 г. Информационные материалы о практическом использовании разработок автора издавались и распространялись через Алтайский ЦНТИ (г. Барнаул), 1995г.; Томский межотраслевой территориальный ЦНТИиП, 1992, 1995-2006 гг. и включены в Российский банк данных научно-технических разработок, г. Волгоград.
Материалы о практических и внедренных разработках, выполненных при непосредственном участии и под руководством автора, включены в сборник-справочник Государственного комитета РФ по охране окружающей среды «Достижения науки и техники по экологии, охране окружающей среды и рациональному природопользованию», (1998).
Экспонаты, отражающие практические результаты выполненных автором работ демонстрировались на Международных выставках «Пловдив-85» (Болгария), «Чистая вода России-97» (г. Екатеринбург, 1997); региональных выставках-ярмарках, г. Томск: «Молодые ученые - народному хозяйству» (1986), «Строительство-95» (1995), «Сибирский дом-97» и «Энергосбережение» (1997, 2000-2002); на IV Международной выставке-ярмарке «Интерси ти»-г. Новокузнецк, 1996 г; «Интехвод», г. Кемерово, 1998-2000 гг.
Результаты практического использования и опыта эксплуатации разработок автора для систем водоснабжения населенных пунктов и предприятий Западно-Сибирского региона докладывались и обсуждались на научно-технических советах и совещаниях ПО ЖКХ и водоканалов в гг. Кемерово, Ленинск-Кузнецкий, Новокузнецк (Кемеровская обл.), гг. Томск, Колпашево, Стрежевой, Кедровый, Пионерный, Асино, Белый Яр, Северск (Томская обл.), гг. Барнаул, Рубцовск, (Алтайский край), гг. Сургут, Нижневартовск (Ханты-Мансийский АО), г. Новосибирск и др.
За заметный вклад в решение фундаментальных и прикладных проблем, связанных с освоением и развитием нефтегазового комплекса Западной Сибири диссертанту на конкурсной основе присуждена стипендия доцента 1998 года Советом Фонда развития науки и образования АКБ «Нефтеэнергобанк» (г. Томск), в 2000 г. - именная стипендия доцента, учрежденная Восточной нефтяной компанией «ЮКОС».
Публикации. Диссертант имеет более 250 публикаций, в том числе более 70 изобретений. Основные положения диссертации опубликованы в 99 научных работах, в т.ч. 55 - в центральных специализированных периодических изданиях (из них 19 - в изданиях, рекомендованных ВАК), отражены в 12 отчетах по научно-исследовательским работам, выполненным по программе МинВуза РФ «Архитектура и строительство» (1993-2006гг.).
Работа выполнена на кафедре водоснабжения и водоотведения в Томском государственном архитектурно-строительном университете и на кафедре водоснабжения в Санкт-Петербургском архитектурно-строительном университете в соответствии с планом НИР и является обобщением результатов исследований, проведенных автором и под его руководством в течение 15 лет на реальных объектах Западно-Сибирского региона.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, шести глав, заключения, списка цитируемой литературы из 268 наименований, при ложений. Работа изложена на 276 страницах текста, содержит 98 рисунков и 28 таблиц. В приложениях приведены акты и справки о внедрении результатов диссертационной работы и др. документы.
В экспериментальных исследованиях и промышленных испытаниях оборудования принимали участие аспиранты диссертанта Курочкин Е.Ю. (защита кандидатской диссертации состоялась в 2003 г.), Алферова Л.И., Ситухин И.А., а также сотрудники ТГАСУ: д.т.н., профессор кафедры химии Сарки-сов Ю.С., доцент каф. ВиВ Рехтин А.Ф., зав. лабораторией технологии очистки воды Утюгов А.А.
Автор выражает глубокую признательность профессору В.Б. Гусаков-скому и д.т.н., профессору А.Н. Киму кафедры «Водоснабжение» Санкт-Петербургского государственного архитектурно-строительного университета за методическую помощь при подготовке диссертации к защите.
Оценка условий формирования и значимость подземных вод для водоснабжения населения региона
Территория края - 169,1 тыс. км (1,0% территории Российской Федерации). Общая численность населения на 01.01.2001 составляла 2642,0 тыс. чел, в том числе: городское - 1404,3 тыс. чел, сельское - 1270,9 тыс. чел. Плот-ность населения края - 15,9 человека на 1 км . Всего в крае 12 городов. Наиболее крупные из них: Барнаул, Бийск, Рубцовск.
Поверхностные воды. На территории края протекает 17 085 рек общей протяженностью 51 004 км, из них 16309 (95%) длиной менее 10 км и 776 (5%) - длиной более 10 км, в т.ч. 32 реки протяженностью более 100 км, из них 3 - более 500 км. Примерно 9700 рек имеют более или менее постоянные водотоки. Главная водная артерия края - р. Обь, длиной в пределах края 493 км. Ее крупнейшие притоки (длиной более 500 км) - р. Алей, р. Чарыш и р. Чумыш. На территории края более 11 тыс. озер, из них свыше 230 - площадью более 1 км . Наиболее крупные находятся в степной зоне края — Кулудинское 9 9 9 - 728 км , Кучукское - 181 км , Горькое (Романовского района) - 140 км , 9 9 Большое Топольное - 76,6 км , Большое Яровое - 66,7 км .
В пределах края формируется порядка 40 % стока, и в пределах республики Алтай - 60 %. Территориально поверхностные воды размещены крайне неравномерно. В наиболее засушливых районах Кулундинской степи всего 9% краевого объема поверхностного стока. Промышленные и сельскохозяйственные предприятия имеют 18 речных водозаборов производительностью каждый более 1 млн. м /год, из них 6 го у родских, общей производительностью 194,2 млн. м /год, и 12 ирригационных (673,5 млн. м /год, включая водозабор Бурлинской системы - 388,3 млн. м /год). Для аккумулирования речного стока сооружено 6048 водохранилищ, каждое объемом более 1 млн. м /год и общей емкостью 635 млн. м /год, в т.ч. Гилевское водохранилище объемом 471 млн. м . Для подачи воды в степные районы построены Кулундинский магистральный канал протяженностью 180 км и магистральный канал Алейской оросительной системы протяженностью 90 км.
Подземные воды. На территории края имеются значительные запасы подземных вод - 19 км3 (в т.ч. пресных, питьевого назначения - 10 км3), на базе которых эксплуатируется 105 тыс. водозаборных скважин для обеспечения хозяйственно-питьевого водоснабжения населения.
Потенциальные эксплуатационные ресурсы подземных вод в пределах равнинной части края на 50-летний срок составляют порядка 269 м /сек. На этот же период обеспечены запасами подземных вод г. Барнаул, г. Новоал-тайск, г. Славгород, большинство населенных пунктов западной Кулунды. В крае используется менее 20% пресных подземных вод от общих прогнозных эксплуатационных запасов.
Ряд районов практически не имеет запасов подземных вод для питьевого водоснабжения. К ним относятся районы: Мамонтовский, Романовский, За-вьяловский, Баевский, Рубцовский, Тюменцевский, Волчихинский, Родин-ский, Новичихинский, Благовещенский, Хабарский, Панкрушихинский.
В крае действуют около 50 кустовых водозаборов подземных вод произ-водительностью более 1 млн. м в год каждый, в т.ч. водозабор Чарышского группового водопровода производительностью 21,2 млн. м в год общая про-ектная производительность этих водозаборов составляет 133,6 млн. м в год. Крупные групповые водозаборы подземных вод действуют в городах Барнауле, Бийске, Новоалтайске, Заринске, Славгороде, Горняке, Белокурихе, Змеиногорсе, Алейске с водоотбором порядка 0,5 млн. м в сутки. В целом водозабор подземных вод составляет 5% от прогнозных ресурсов.
Основными загрязнителями водных объектов являются предприятия химии и нефтехимии, машиностроения, теплоэнергетики. Многие предприятия вообще не имеют очистных сооружений или имеют сооружения недостаточной мощности, не обеспечивающие нормативную очистку сточных вод.
Большинство водоемов сильно загрязнено. Водные объекты на территории края преимущественно загрязнены нефтепродуктами, соединениями групп азота, взвешенными веществами.
В последние годы произошло незначительное снижение по азотосодер-жащим, фосфатам и нефтепродуктам и незначительное повышение по железу общему и фенолам. По отдельным ингредиентам превышение норм составляет десятки раз. В крае практически не стало чистых рек.
Среднегодовой сток воды с граничащих с краем территорий составляет 20000 млн. м3, на территории края формируется 33500 млн. м3, площадь озер - более 2,5 тыс. км , объем воды в них - более 2,5 тыс. км . Наибольшие антропогенные нагрузки испытывают реки Обь, Бия, Чумыш, Алей, озера Яро вое и Кучук, в бассейнах которых расположены промышленные и сельскохозяйственные предприятия. В крае насчитывается 55 промышленных и коммунальных предприятий, имеющих водозаборы из поверхностных водных объектов и выпуски промышленных и ливневых сточных вод в эти объекты. Водоснабжение населения городов Барнаул, Рубцовск, Камень-на-Оби осуществляется из рек Алей, Обь.
В 2002 г. в поверхностные водные объекты сброшено 290,8 млн. м3, в том числе: без очистки - 7,74 млн. м , недостаточно очищенных - 27,87 млн. м , нормативно чистых - 101,45 млн. м , нормативно очищенных на сооружениях очистки- 153,74 млн. м .
Алтайский край обладает огромными запасами питьевых и технических подземных вод, большими ресурсами лечебно-столовых и лечебных минеральных вод. На территории края распространено более 12 типов лечебно-столовых минеральных вод; разведаны три месторождения: Завьяловское, Белокурихинское, Искровское.
Республика Алтай (рис. 1.9) расположена в высокогорной части Алтая, в Западной Сибири. Имеет внешнюю границу с Китаем, Монголией, Казахстаном и внутреннюю - с республиками Тыва и Хакасия, Алтайским краем и Кемеровской областью. Большая часть территории - горы Алтая.
Рельеф республики характеризуется высокими хребтами, разделенными узкими и глубокими речными долинами, редкими широкими межгорными котловинами. Самая высокая гора - Белуха (4506 м) является высочайшей точкой Сибири. Форма макрорельефа - горные хребты и долины, склоны различной экспозиции и крутизны, обширные межгорные понижения и условия их формирования обусловливают наличие своеобразных типов растительности и почвенного покрова.
Изучение процессов газоудаления и обработки подземных вод в вихревых аэраторах-дегазаторах
В вихревом аэраторе-дегазаторе механизм газоудаления с одновременным насыщением обрабатываемой воды кислородом складывается из трех составляющих. Первая - взаимодействие вихревого потока воздуха с пленкой воды, образующейся на внутренней поверхности корпуса, распределительного конуса, направляющих лопаток. Вторая - диспергирование стекающей пленки подаваемой воды до капельного состояния в набегающем потоке воздуха. Третья - диспергирование (измельчение) образующихся капель воды в вихревом потоке подаваемого воздуха.
Исследования работы вихревого аэратора-дегазатора показали, что интенсивность газоотделения и насыщения воды кислородом, главным образом, зависит от соотношения QB03a/QB, а также от конструктивных параметров дегазатора: внутреннего диаметра - dm дегазатора и площади сечения камеры завихрения, от которых зависит скорость - (ю) вихревого потока воздуха, взаимодействующего с потоком подаваемой воды; от толщины образующейся пленки (8) на рабочей поверхности, при этом толщина пленки воды, в свою очередь, зависит от соотношения QB03a/QB, поверхностного натяжения жидкости (а), кинематической вязкости жидкости (v) и температуры обрабатываемой воды (7). Установлено, что на эффективность работы аэратора-дегазатора влияет место ввода воды относительно камеры завихрения. Варианты показаны на рис. 3.6. На рис. 3.7 приведена технологическая схема экспериментального стенда для изучения работы вихревого аэратора-дегазатора. Экспериментальные исследования проводились в различных районах Западно-Сибирского региона при обработке подземных вод различного качества: (п. Ср. Васюган, Томская обл., п. Аникино, Томская обл., пгт. Яя, Кемеровская обл., г. Салехард, Ханты-Мансийский АО).
На рис. 3.8-3.10 и в табл. 3.4-3.5 приведены результаты экспериментальных исследований процесса аэрации-дегазации подземных вод в вихревом аэраторе. Анализ результатов показал, что вихревые аэраторы-дегазаторы обладают достаточно высокими массообменными характеристиками и позволяют в значительной степени повысить, по сравнению с традиционными методами аэрации-дегазации, интенсивность удаления из подземных вод растворенных газов с одновременным насыщением их кислородом, необходимым в процессе очистки.
Критические условия разрушения стекающей пленки воды в соответствии с [44, 127] до капельного состояния набегающим потоком газа характеризуются выражением (критерий Вебера): р m28 сг=— 4 (3.1) а где pg - плотность набегающего потока газа; со - скорость газового потока; с - коэффициент поверхностного натяжения жидкости; 5 - толщина пленки жидкости. В работе [127] детально исследован механизм разрушение пленки жидкости до капельного состояния, при этом для капель среднего размера получена зависимость: dk (gv)1/3 - = 67,5 - (3.2) где g - ускорение силы тяжести; v - кинематическая вязкость жидкости; ( с V/2 h капиллярная постоянная; pw - плотность жидкости. а VPwgJ
Условия разрушения пленки жидкости, стекающей с кромки аналогичны механизму разрушения пленки жидкости в набегающем потоке газа [127], при этом для определения размера образующихся капель можно воспользоваться выражением (3.2).
Поскольку экспериментальное определение размеров капель в скоростном вращающемся потоке газа является достаточно сложной задачей, при проведении экспериментальных исследований мы определяли критические значения эксп при заранее установленных значениях QB03a , при которых: - начинается процесс каплеобразования во вращающемся потоке возду ха в корпусе аэратора-дегазатора; - начинается процесс выноса воды из корпуса в виде водяной «пыли». Используя выражение (3.2), определялись расчетные значения G)vaC4, и соответствующие им расчетные значения dK. Сопоставлению подвергались ЗНачеНИЯ 0)расч И 0)Эксп Условия разрушения капель жидкости в вихревом потоке газа характеризуются выражением [127]: (Wecr)14 - 10,7 (3.3) где: pg - плотность набегающего потока газа; ю - скорость газового потока; dK - размер капли; с - коэффициент поверхностного натяжения жидкости.
Для условий решения реальной задачи газоудаления и газонасыщения (кислородом) при очистке подземных вод правомерным будет предположение, что pg и ст = const, тогда можно определить граничные значения QB03Jl/Qn, и со, м/с, в пределах которых будет начинаться процесс образования «дождя» (каплеобразования) и обеспечиваться максимальное диспергирование (распыл) подаваемой жидкости до капельного состояния, а также рассчитать предельное значение сОрасч, при которой образующиеся капли не будут выноситься воздушным потоком из аэратора.
Изучение работы вихревого аэратора-дегазатора на различных режимах в процессе экспериментальных исследований (от начала процесса образования капель до максимального их диспергирования и выноса из аэратора) и сопоставление расчетных сорасч по выражению (3.2) и экспериментальных значений Юэксп показали их удовлетворительную сходимость (рис. 3.11).
Изучение технологических характеристик дробленого аль-битофира, используемого в процессах фильтрования подземных вод
Исследования и опыт эксплуатации фильтровальных сооружений, загруженных альбитофиром различной фракции, на различных станциях обез-железивания подземных вод на территории Западно-Сибирского региона, показали, что переоборудование фильтровальных сооружений (станция обезже-лезивания подземного водозабора (ПВЗ) г. Томска, г. Стрежевого, Томская обл.) на использование водовоздушной промывки с одновременным повышением интенсивности подачи воды на стадии водяной промывки, либо увеличение интенсивности водяной промывки [64] позволило добиться стабильной и эффективной работы фильтровальных сооружений. СНиП [222] достаточно упрощенно рекомендует параметры работы фильтров, используемых в технологиях обезжелезивания подземных вод, причем в достаточно узком диапазоне типов фильтрующих материалов и их параметров, не говоря уже о разнообразии состава очищаемых подземных вод, который СНиП вообще не регламентирует в отношении рекомендуемых фильтрующих материалов и параметров работы фильтров.
Приведенные в работах [108, 147, 148] сведения говорят о сложности и неоднозначности выбора эффективных технологических приемов (технологий) очистки подземных вод в зависимости от качества последних, а также дается вариант выбора наиболее эффективных технологий. В данном разделе рассматривается стадия фильтрования подземных вод в общей технологической цепочке их очистки, а именно - результаты по изучению влияния параметров, характеризующих фильтрующий материал, на эффективность очистки подземных вод.
Так же как для однослойных фильтров, для каждого слоя двух- и многослойных фильтров на практике не всегда удается приготовить достаточно однородную загрузку, в то время как тщательная подготовка однородной загрузки обеспечивает равномерное и одинаковое гидравлическое сопротивление материала по высоте слоя при фильтровании воды.
Зависимость между основными факторами, влияющими на процесс фильтрации однородной жидкости через зернистую загрузку, может быть представлена в виде [138, 150]: Ар (p(Re)pn;; - = /Рв и (4.6) h I где Apjh - потеря напора, м, на единицу толщины зернистого слоя; ии - истинная средняя скорость потока в толще слоя, см/с; / - характерный линейный параметр - гидравлический радиус зернистого слоя, см; Re = рвии 1/\х число Рейнольдса; ц. - динамическая вязкость, Па- с; (p(Re) = \\j - коэффициент сопротивления. Для расчета коэффициента ц/ можно воспользоваться выражением, по лученным в результате обобщения большого числа экспериментальных данных [150]: (47) где А - постоянная величина (для определенного интервала значений Re), не зависящая от формы зерна фильтрующего материала.
Гидравлический радиус зернистого слоя / = я0а"1, где а - суммарная поверхность зерен в единице объема загрузки, равная для зерен любой формы a = 6a(l-n0)/d (4.8) где а - коэффициент формы зерен; d - диаметр шара, равновеликого по объему зернам загрузки; п0 - пористость плотно лежащей загрузки. Поскольку зерна фильтрующих материалов имеют, как правило, разные размеры и неправильную форму, справедливо величину d в уравнении (4.8) заменить величиной эквивалентного диаметра зерен d3, которая определяется ситовым анализом. Гидравлический радиус обычно выражают как: Пг4. / = —— (4.9) 6ос(1-я0) При совместном решении (4.6) и (4.9) выражают удельные потери напора в виде: (4.10) Ар 6a-cp(Re)pBu;;(l-n0) h n0d3
Из уравнения (4.10) видно, что потери напора на единицу высоты фильтрующего слоя будут тем больше, чем меньше размер зерен загрузки и ее пористость. С другой стороны уменьшение размера зерен позволяет уве-личить суммарную удельную поверхность а, м /м , фильтрующего материала (рис. 4.10, табл. 4.5), что является существенным фактором при очистке подземных вод, когда важную роль играет контакт обрабатываемой воды с каталитической пленкой, образующейся на зернах загрузки.
Удаление из подземных вод растворенных газов
Увеличение скорости фильтрования не приводило к ухудшению качества получаемого фильтрата и снижению производительности фильтра благодаря повышенной удельной поверхности зерен материала, несмотря на то, что при этом увеличивалось сопротивление загрузки и потери напора на ней.
Сравнение режимов работы фильтров с материалом различной крупности позволило установить, что при одинаковом качестве очищаемой исходной воды и равной формальной скорости фильтрования требуемая высота слоя материала тем больше, чем больше крупность зерен материала. Результаты показали, что увеличение высоты слоя материала практически пропорционально уменьшению удельной поверхности его зерен в зависимости от крупности фракций материала (d3).
Изучая работу материала различной крупности при разных формальных скоростях фильтрования воды, было отмечено, что слой материала не всегда работает полной высотой, а с другой стороны, в отдельных случаях установленная высота слоя не позволяла достигать требуемое качество очищенной воды при определенной крупности фракций материала. Иными словами, при определенных соотношениях скорости фильтрования (фильтрование «сверху-вниз») и крупности фракций материала, соответствующее нормам [211] качество воды достигается на разной глубине материала, что подтверждалось анализом отбираемых проб воды по высоте слоя фильтрующего материала в фильтре (рис. 4.11).
Проведенные исследования по изучению технологических параметров работы фильтрующего материала - альбитофира позволили сделать заключение: в технологических схемах очистки подземных вод с использованием стадии фильтрования для известного качества подземных вод, подлежащих очистке, можно достаточно точно определить наиболее экономичные параметры фильтрующего материала (альбитофира): высоту рабочего слоя материала, крупность и неоднородность фракций, формальную скорость фильтрования, обеспечивающие требуемое качество воды в соответствии с [211].
Анализ по литературным данным характеристик различных, как наиболее распространенных, так и достаточно редко применяемых фильтрующих материалов показал, что прослеживается определенная (достаточно четкая) зависимость между формой зерна фильтрующего материала, крупностью зерна и его пористостью, в наиболее распространенном диапазоне крупности фракций материалов 0,6-1,8 мм (п. 4.1.1). Форму зерен загрузки принято оценивать коэффициентом формы а, представляющим собой отношение поверхности зерна к поверхности равновеликого по объему шара. Взаимосвязь межзерновой пористости и коэффициента формы зерна для наиболее распространенных фильтрующих материалов, применяемых в практике водоочистки приведена на рис. 4.12.
Анализ свойств фильтрующих материалов, а также исследования технологических параметров альбитофира позволяют говорить, что форма зерна материала определяет (в определенной степени) «укладываемость» его в слое, что в конечном итоге влияет на межзерновую пористость свободно уложенного материала.
В большей степени межзерновая пористость фильтрующего материала зависит от крупности его фракций. Исследования технологических характеристик зернистого материала - альбитофира показали, что для тщательно отсеянного материала (АГН 1,2), когда материал представляет практически однородную структуру (рис. 4.9), пористость увеличивается пропорционально крупности зерна материала.
Несмотря на то, что на практике не всегда удается приготовить достаточно однородную загрузку, следует учитывать, что тщательная подготовка однородной загрузки обеспечивает равномерное и одинаковое гидравлическое сопротивление материала по высоте слоя при фильтровании воды.
В работах [29, 30, 83] показано, что увеличение межзерновой пористости и удельной поверхности зерен материала обеспечивает увеличение грязеем-кости загрузки и, как следствие, возможность повышения скорости фильтрации и увеличения длительности фильтроцикла.
С другой стороны, увеличение размера зерен материала приводит к уменьшению соотношения площади поверхности зерна к его объему, доказательством чему могут служить расчеты для зерен правильной формы, например, шара, что характерно для пенополистирола, или куба. Уменьшение размера зерен позволяет не только уменьшить пористость слоя, но и увеличить суммарную удельную поверхность фильтрующего материала.
Удельная площадь поверхности а, м /м , зернистого фильтрующего материала (4.8), главным образом зависящая от крупности фракций, является существенным фактором эффективности и скорости очистки подземных вод, когда важную роль играет контакт обрабатываемой воды с каталитической пленкой, образующейся на зернах загрузки [103, 145, 148, 241].
Результаты проведенных исследований (рис. 4.13-4.15) работы зернистых фильтрующих материалов (альбитофир) различной крупности в процессе очистки подземных вод показали, что в пределах исследованной крупности фракций материала от 0,5 до 3,5 мм увеличение скорости фильтрования от 8 до 16 м/ч требует увеличения высоты слоя материала от 0,75-1,05 м до 1,05-1,65 м. Уменьшение крупности фракций материала (d3) позволяет увеличивать формальную скорость фильтрования при сохранении качества очищенной воды в соответствие с [211] благодаря увеличению удельной поверхности зерен материала, несмотря на то, что при этом увеличивается сопротивление загрузки и потери напора на ней. Увеличение площади контакта обрабатываемой воды с зернами загрузки увеличивает массообменные характеристики фильтров.
