Содержание к диссертации
Введение
1. Отказы систем водоотведения 10
1.1. Характеристика отказов на существующих сетях и сооружениях водоотведения при снижении расходов сточных вод 10
1.2. Экологические и экономические показатели сетей и сооружений бытовой канализации в зависимости от расхода и состава сточных вод 17
1.3. Технические решения по повышению надежности эксплуатации системы водоотведения 26
Выводы по 1-й главе: 31
2. Теоретические и экспериментальные исследования заиления канализационных сетей в респ. Армении 32
2.1 Обследование сетей бытовой канализации, с целью определения степени их заиления 32
2.2. Особенности работы сетей водоотведения при заилении 37
2.3. Снижение аварийности сети, обусловленной заилением, на стадии проектирования и строительства 42
2.4. Снижение аварийности сети, обусловленной заилением, на стадии эксплуатации 57
Выводы по 2-й главе: 63
3. Исследования по снижению газовыделения и отказов в самотечных сетях канализации 65
3.1 Проблемы, связанные с возникновением анаэробного режима в
канализационной сети 65
3.2. Способы борьбы с сероводородом в канализационных сетях 67
3.3. Обоснование и конструкция самовращающегося аэратора для сетей водоотведения 68
Выводы по 3-й главе: 78
4. Исследования по снижению газообразования в напорных сетях канализации 79
4.1. Методика исследований трансформации загрязнений, содержащихся в сточных водах, при окислении кислородом в напорных условиях 80
4.2. Проведение исследований при реализации активного эксперимента и обработка результатов 82
4.3. Определение скорости окисления основных загрязняющих веществ и оптимального времени предварительной очистки сточных вод 89
4.4. Сопоставление параметров предварительной очистки сточных вод при использовании технического кислорода и кислорода воздуха 92
4.5. Исследование изменения эффективности осаждения взвешенных веществ при предварительной очистке сточных вод в напорном трубопроводе 94
Выводы по 4-й главе: 105
5. Анализ экономических показателей вариантов эксплуатации канализационной сети с необходимостью регулярных промывок трубопроводов и установкой устройств для приема поверхностного стока в систему канализации 107
5.1. Экономические показатели вариантов эксплуатации канализационной сети в Республике Армении с необходимостью регулярных промывок 107
5.2. Экономические показатели варианта эксплуатации канализационной сети в Республике Армении с установкой устройств для приема поверхностного стока в систему канализации 108
5.3. Экономические показатели варианта эксплуатации канализационной сети в России с необходимостью регулярных промывок 112
5.4. Экономические показатели варианта эксплуатации канализационной сети с установкой устройств для приема поверхностного стока в систему канализации 113
Выводы по 5-й главе: 115
Основные выводы по работе 115
- Экологические и экономические показатели сетей и сооружений бытовой канализации в зависимости от расхода и состава сточных вод
- Особенности работы сетей водоотведения при заилении
- Способы борьбы с сероводородом в канализационных сетях
- Проведение исследований при реализации активного эксперимента и обработка результатов
Введение к работе
Актуальность работы. Республика Армения является одной из самых не урбанизированных стран мира: насчитывает более тысячи населенных пунктов, и только 48 из них имеют статус города. При этом канализованы все города и около 20% сельских населенных пунктов, а общая протяженность канализационных сетей в республике около 4200 км.
В аварийном состоянии находятся 63% сетей и коллекторов, построенных более тридцати лет назад, интенсивность отказов на километр сети в год равна 5,5. Ввиду снижения водопотребления и снабжения водой по графику, увеличивается частота засорения канализационной сети и коллекторов.
В основном сточные воды населенных пунктов сбрасываются в
водоемы или на рельеф. На действующих очистных сооружениях сточные
воды проходят, в лучшем случае, только частичную механическую очистку. Станции аэрации находятся в упадочном состоянии: из девятнадцати имеющихся в Армении очистных станций ни одна не работает по полной схеме.
Сложившаяся в республике ситуация требует разработки технических и технологических решений, обеспечивающих повышение надежности и экологической безопасности систем водоотведения, причем как в текущий момент времени, так и на ближнюю и среднюю перспективы.
Цель работы – обоснование и разработка технических решений и технологических процессов, направленных на повышение надежности и экологической безопасности систем водоотведения в условиях Республики Армении.
Для достижения поставленной цели потребовалось решение ряда взаимосвязанных задач:
- предложить и обосновать рекомендации на проектирование и
эксплуатацию, позволяющие уменьшить засорение канализационных сетей и
повысить их безотказность в условиях Армении;
- предложить и реализовать инженерные решения по предотвращению
выпадения осадков в существующих сетях канализации при
транспортировании сточных вод в условиях уменьшения расходов;
- теоретически обосновать и разработать техническое решение,
позволяющее минимизировать процессы образования агрессивных газов в
канализационных сетях с возможностью его внедрения на стадии
эксплуатации;
предложить способ и исследовать процесс предварительной очистки сточных вод на стадии транспортирования;
предложить техническое решение, обеспечивающее предварительную очистку сточных вод на стадии транспортирования сетей с возможностью его внедрения в процессе эксплуатации.
Основная идея работы состоит в разработке и обосновании технологических и конструктивных решений, обеспечивающих повышение эксплуатационной надежности систем канализации и их экологической безопасности в условиях Республики Армении.
Методы исследования включали: аналитическое обобщение известных научных и технических результатов, моделирование изучаемых процессов; оптические, физико-химические и биохимические методы анализа сточных вод. Исследования проводились в лабораторных, полупроизводственных и производственных условиях. Обработку экспериментальных данных вели методами математической статистики и корреляционного анализа.
Достоверность обоснована применением классических положений
теоретического анализа, моделированием изучаемых процессов,
планированием необходимого объема экспериментов, подтверждена
удовлетворяющей сходимостью полученных результатов
экспериментальных исследований, выполненных в опытно-промышленных и промышленных условиях с расчетными зависимостями в пределах максимальной погрешности =±10% при доверительной вероятности 0,95.
Научная новизна работы:
- предложены упрощенные формулы определения приведнного
коэффициента шероховатости и коэффициента Шези для расчетов
заиленных участков сетей водоотведения в условиях сокращения расходов
сточных вод;
методика расчета расхода поверхностного стока, требуемого для промывки отдельных участков хозбытовой сети в зависимости от их гидравлических характеристик;
экспериментальные зависимости, адекватно описывающие процесс химических превращений загрязняющих веществ и коррозионной активности жидкости при предварительной очистке сточных вод техническим кислородом в напорных трубопроводах;
уравнение для определения оптимального гидравлического радиуса трубы, полученное на основе технико-экономического расчета.
Практическое значение работы:
- обосновано, что для снижения числа отказов (засоров) в условиях
снижения расходов сточных вод диаметр труб начальных
внутриквартальных участков сети водоотведения рекомендуется принимать не менее 200 мм;
разработано и внедрено в практику Армводоканала устройство для приема поверхностного стока в канализацию, увеличивающее расход сточных вод и скорость течения в трубопроводе выше не заиливающей, обеспечивая промывку сети и снижение загнивания органических и неорганических веществ (патент РФ на полезную модель 133853);
предложено и испытано в опытно-промышленных условиях новое устройство для аэрации в трубопроводах транспортирования хозбытовых сточных вод, что снижает нагрузку на окружающую среду (патент РФ на полезную модель 130327);
- определена эффективность выделения взвешенных веществ в узле
механической очистки после транспортирования сточных вод в напорном
трубопроводе с введением технического кислорода;
- разработано и внедрено в практику измерительное устройство высоты
слоя осадка в колодцах сети водоотведения непосредственно с поверхности
объекта канализования (патент РФ на полезную модель 123929).
Реализация результатов работы:
- рекомендации диссертационной работы переданы и используются в
проектной практике институтами и проектными организациями ООО
«ДЖИНДЖ», ООО «Акватрат», ООО «ИнжКомЭнерго», ООО «ГИДРО
СТОРМ»
- в учебном процессе ФГБОУ ВПО «Ростовский государственный
строительный университет» (каф. «Водоснабжение и водоотведение») при
подготовке бакалавров, магистров и инженеров по специальностям 270112
«Водоснабжение и водоотведение», в Ереванском государственном
университете архитектуры и строительства.
На защиту выносятся следующие основные положения:
- обоснование разработки превентивных технических решений для
снижения отказов и образования агрессивных газов в трубопроводах
хозяйственно-бытовой канализации вследствие сокращения поступления
сточных вод;
- инженерные и технологические решения, обеспечивающие снижение
экологической нагрузки на окружающую среду, реализуемые на стадии
транспортирования сточных вод;
- изменения коэффициентов шероховатости трубопроводов
обуславливают в процессе эксплуатации 65-70% засоров и определяют
для начальных внутриквартальных участков сети водоотведения Армении
минимально допустимый диаметр 200мм;
инженерные решения по приему и расчету требуемого расхода поверхностного стока для промывки хозбытовой сети;
по «затратам жизненного цикла» прием поверхностного стока в систему хозбытовой канализации является предпочтительным по сравнению с необходимостью регулярных промывок.
Связь работы с научными программами, планами, темами: работа выполнялась по направлению министерства образования и науки Российской Федерации № 05-10824, в соответствии с тематическими планами кафедры «Водоснабжение и водоотведение» РГСУ в рамках государственной программы «Архитектура и строительство» по госбюджетной теме № 01.9.40001739 «Совершенствование процессов очистки природных и сточных вод южного региона страны с учетом экологических требований».
Апробация работы. Основные положения и результаты работы доложены и обсуждены на: Международных научно-практических конференциях института инженерно-экологических систем РГСУ (Ростов-на-Дону, 2012, 2013 гг.), Международная научная конференция «Молодые исследователи» (Вологда, 2013 г.), Международная научная конференция «Совершенствование систем водоснабжения и водоотведения по очистке природных и сточных вод» (Самара, 2013 г.)
Публикации. По результатам работы опубликованы 12 печатных работ, в том числе: 4 работы в ведущих рецензируемых научных журналах и изданиях, 3 патента.
Структура и объем диссертации.
Диссертация состоит из введения, пяти глав и выводов. Работа изложена на 138 страницах печатного текста, включает 33 рисунка, 17 таблиц и 5 приложений. Список литературы представлен 136 источниками.
Экологические и экономические показатели сетей и сооружений бытовой канализации в зависимости от расхода и состава сточных вод
В связи с внедрением в Армении системы учета воды за последние годы изменились условия водопользования. Изменились также градостроительные принципы и уровень благоустройства городов. Все это, безусловно, сказалось на снижении удельного водопотребления и, соответственно, водоотведения.
В сточных водах содержатся нерастворенные примеси органического и минерального происхождения. Первые имеют небольшую плотность и хорошо транспортируются потоком воды. Вторые (песок, шлак и др.) имеют большую плотность и транспортируются лишь при определенных скоростях турбулентного режима движения жидкости. Поэтому важнейшим условием проектирования водоотводящих сетей является обеспечение в трубопроводах, при фактических расходах, необходимых скоростей, исключающих образование в них плотных несмываемых отложений. В настоящее время сети водоотведения не отвечают в должной мере требованиям эксплуатации из-за высокого уровня трудовых затрат на обслуживание. Известно, что трубопроводы систем водоотведения, особенно малых диаметров, часто засоряются случайно попадающими в них предметами и заиливаются вследствие выпадения из сточной жидкости тяжелых примесей, вызывая по существу отказы в работе. Значительную часть затрат при эксплуатации сетей водоотведения (до 80%) составляют расходы на прочистку труб, причем эта работа, как правило, связана с большим объемом ручного труда [13]. Таким образом, совершенствование подходов при проектировании и внедрение технических решений, направленных на уменьшение вероятности образования засорений трубопроводов систем водоотведения, является важной задачей на пути оптимизации экономических показателей хозяйственно-бытовых сетей водоотведения.
Канализационные сети запроектированы в соответствии требованием СНиП 2.04.03-85 [93], в котором исходные показатели: удельное водоотведение и коэффициенты неравномерности - установлены на основе исследований, выполненных более 30 лет тому назад. Только в 2013 году вступила в силу актуализированная редакция СП 32.13330.2012 [95].
Следует также отметить, что не в должной мере отвечают задаче повышения эксплуатационных и технико-экономических показателей сетей водоотведения методы их гидравлического расчета, рекомендуемые СНиП [93]. Расходы сточных вод, поступающих в систему канализации, постоянно меняются: в течение суток (обусловлено часовой неравномерностью), месяца (суточной неравномерностью), года (сезонной неравномерностью) и на протяжении нескольких лет. Несмотря на это, определение параметров сетей хозяйственно 19 бытовой канализации ведется по единственному максимальному расчетному расходу [93]. Климатические и географические условия района строительства учитываются только при выборе нормы водопотребления и глубины заложения трубопроводов. В технической и нормативной литературе нет сведений о влиянии широтных географических координат и высотных отметок местности на гидравлические характеристики движения жидкости. Следовательно, для стран с меридиональной ориентацией или повышенными отметками территории (в т.ч для Армении) не учтены поправочные коэффициенты, зависящие от высоты над уровнем моря и географической широты и корректирующие существующие расчтные формулы потерь напора адекватно изменению плотности и вязкости жидкости [40]. Фактически принимаемые минимальные диаметр и уклоны труб безрасчетных начальных внутриквартальных участков сетей приводят к частым засорам. В работе [13] приведена эмпирическая зависимость количества засорений от труб от диаметра и уклона: 0,01093 n3=; 4.722 1.462 d I где n3 – количество засорений трубы на 1 км в год; d – диаметр трубы; I – уклон трубы в промилле, и определено, что для начальных внутриквартальных участков сети при глубине заложения не более 2,65 м применение труб диаметром 250 мм с экономической точки зрения более целесообразно (с учетом расходов на прочистку), чем труб меньшего диаметра. Установлено, что большая часть засоров происходит в трубах диаметром до 300 мм, а на частоту их образования наибольшее влияние оказывают диаметр и уклоны труб. Например, в трубах уличных сетей диаметром 200 мм количество засоров на 1 км в год в 2,5 раза меньше, чем в трубах диаметром 150 мм. Рекомендуемые величины минимальных скоростей и сама методика расчета не обеспечивают требуемые условия самоочищения сетей. Поэтому в сетях происходит выпадение осадков, что вызывает необходимость регулярных профилактических прочисток [82]. Это подтверждает потребность в разработке проектных и технических решений, позволяющих обеспечить режим работы канализационной сети максимально близкий к расчетному, либо компенсирующих последствия уменьшения расходов сточных вод ниже расчетного. Одновременно со снижением удельного водоотведения в последние годы наблюдается увеличение концентраций загрязняющих веществ в сточной жидкости [49]. Изменение состава сточных вод оказывает не меньшее влияние на снижение надежности канализационной сети.
Г. Я. Дроздом [34] на основании анализа данных эксплуатации сетей водоотведения 176 населенных пунктов (146 - России и 30 – Украины) определено, что 67% общего числа повреждений бетонных и железобетонных труб обусловлено коррозией (таблица 1.1): 23 % - разрушение колодцев и вентиляционных шахт, 44 % - разрушений сводовой части труб. В результате коррозии самотечные участки сети, расположенные после напорных, выходят из строя уже через 4 – 10 лет эксплуатации, вместо расчетных 25 – 50 лет.
Особенности работы сетей водоотведения при заилении
По данным практики для размыва и полного освобождения трубопроводов от образующегося в них осадка необходимо обеспечение самоочищающихся скоростей, разрушающих донные отложения, не менее двух часов в сутки. При снижении расходов сточных вод в сетях, выполнить это условие практически невозможно. Поэтому при недостаточных скоростях взвешенные вещества оседают в лотках труб, ухудшая режим течения сточных вод и увеличивая сопротивление потоку жидкости. Для подъема с дна и приведения во взвешенное состояние определенного количества взвеси требуются большие скорости, чем для транспортирования такого же количества взвешенных веществ, не выпавших в осадок. Поэтому на дне трубопровода постепенно оседают толстым слоем различные твердые вещества, в особенности песок и другие тяжелые включения, прочно «цементирующиеся» липким канализационным илом и укатываемые слоем текущей воды. Вследствие увлечения толщины слоя осадка, уровень жидкости в трубопроводе постепенно поднимается до h/d=0,85-0,9. Дальнейшее увеличение наполнения приводит к ,,захлебыванию входной трубы и переходу из безнапорного режима течения в напорный. На границу перехода в значительной мере влияют условия входа потока и объем колодца. В производственных условиях лоток в колодце повторяет форму трубы до половины диаметра, а выше этого уровня стенки вертикальные, т.е. сечение лотка U-образное. Отсюда следует, что параметры потока одинаковы для трубы и колодца при изменении h/d=0-0,5 и отличаются при увеличении наполнения. Действительно, при h/d 0,5 для одного и того же расхода наполнение в колодце всегда меньше, чем в трубе. Это происходит за счет внезапного расширения сечения потока (при h/d=1), поэтому при переходе потока из трубы в колодец, всегда наблюдается кривая спада. При входе потока в трубу из колодца наоборот, наблюдается кривая подпора, приводящая к повышению уровня центральной части потока и резкому переходу в напорный режим (рисунок 2.3).
Поток заполняет сечение лишь частично в диапазоне расходов от Q=0 до некоторого Q1 и соответствующих им наполнений 0 h/d (h/d)1. При расходах, больших некоторого Q2(Q Q2), поток заполняет сечение коллектора полностью. В диапазоне расходов Q1 Q Q2 и наполнений (h/d)1 h/d (h /d)2 коллектор работает в резко нестационарном режиме. Трубопровод на начальном внутриквартальном участке начинает работать полным сечением. В этот короткий период времени верхние слои неуплотненного осадка начинают смываться. Эта фаза процесса длится до тех пор, пока из емкости колодца во входной участок коллектора не проникнет воздух. Сечение коллектора на начальном внутриквартальном участке при этом заполняется потоком не целиком, а лишь частично. Расход, отводимый по трубопроводу из емкости колодца, в этот момент становится меньше расхода, поступающего в нее. Уровень в колодце повышается, и трубопровод на начальном внутриквартальном участке вновь начинает работать полным сечением -наступает новый период процесса (рисунок 2.4 б). Такой режим работы в сети сохраняется до тех пор, пока коллектор полностью не будет заилен [60].
Если поступающий расход в коллекторе К1 - К2 увеличивается на Q и составляет (Qi+Q) Q2, то уровень жидкости в колодце К2 будет также увеличиваться с течением времени. С повышением уровня в колодце К2 также возрастают средняя скорость и расход потока на участке К2 - К3. Уровень Нi растет, пока входящий и исходящий из колодца К2 расходы не уравняются, при этом Нi достигнет предельного значения H0.
При увеличении расхода на участке К1 - К2 отметка предельного уровня будет подниматься все выше, пока не достигнет вершины колодца К2. В этом случае возможен излив сточных вод на поверхность. Повышающийся уровень сточной жидкости в колодце К2 создает подпор потоку на участке К1 - К2. Конечная (нижняя) часть трубопровода К1 - К2 полностью заполняется сточной водой, т. е. часть участка начинает работать в напорном режиме. Так как расход в К1 - К2 не меняется, то в результате увеличения площади поперечного сечения, средняя скорость потока будет падать. Если эта скорость окажется меньше скорости самоочищения, то возможно выпадение осадка на дно трубопровода, т. е. заполнение колодца сточной жидкостью может привести к заилению вышележащих участков канализационной сети. Очевидно, что чем выше отметка максимального уровня сточных вод в колодце К2, тем больше длина заиленной части трубопровода К1 - К2.
В случае, когда пропускная способность выходящего из колодца К3 трубопровода не превышает пропускную способность участка К2 - К3 (рисунок 2.4 б), происходит повышение уровня сточной воды в колодце К3 и сохранение напорного режима на низлежащем участке, следовательно, здесь также будет происходит заиление.
Необходимо отметить, что в лотке колодца К2 и на низлежащих участках трубопровода увеличение наполнения может происходить не только за счет повышения расхода, но и в результате заиления труб. При постепенном увеличении толщины слоя осадков, повышается уровень жидкости как в лотке колодца, так и внутри трубопроводов. Когда наполнение достигает H/D=0,85-0,9, происходит внезапный переход из безнапорного режима движения в напорный. Описанный процесс сначала наблюдается в час максимального водоотведения. В дальнейшем при увеличения толщины слоя осадка и уменьшении площади живого сечения потока, переход участка К2 - К3 в напорный режим начинается еще раньше и длится дольше. В результате колодец К2 заполняется сточной водой до предельного уровня Hтах. Если скорость при максимальном наполнении выше скорости самоочищения Vmax Vсо, то верхняя, не затвердевшая часть иловых отложений, будет промыта сточной жидкостью и толщина слоя осадка немного уменьшится. В остальное время, когда расходы сточных вод уменьшаются, в коллекторе начинается процесс осаждения. Постепенное заиление трубопровода неизбежно приводит к засору канализационной сети. 2.3. Снижение аварийности сети, обусловленной заилением, на стадии проектирования и строительства Согласно данным ЗАО «Ерводоканал» и исследованиям шведской фирмы «SVECO International» [101], норма водоотведения в Ереване составляет 130 150 л/сут чел, что почти в два раза меньше от принятых норм водоотведения при проектировании системы канализации города. В связи с сокращением водопотребления в Республике Армении уменьшилось количество хозяйственно-бытовых сточных вод, поступающих в систему канализации. Это привело к уменьшению скоростей движения жидкости внутри труб, более интенсивному выпадению содержащихся в сточных водах оседающих загрязнений и увеличению отказов сетей, вызванных их засорением.
Способы борьбы с сероводородом в канализационных сетях
Для предотвращения образования сероводорода в сетях водоотведения могут быть предусмотрены следующие мероприятия: - аэрация воздухом или подача технического кислорода для создания аэробных условий и окисления сульфидов до сульфатов. Данный способ получил наиболее широкое применение [54,86]; - использование нитратов для окисления сероводорода, создания аноксидных условий и увеличения ОВП. При этом применяют NaNO3 и Ca(NO3)2; - чистка внутренней поверхности трубопроводов от биопленки. Производится механически с помощью скребков, либо посредством других методов, например, с применением специальных гранул [47]; - перевод сероводорода, содержащегося в жидкости, в нерастворимую форму. Для этого могут применяться соли железа, например, хлорид железа и сульфат железа, с образованием сульфидов железа; - подавление жизнедеятельности анаэробных микроорганизмов увеличением рН жидкости (могут применяться реагенты Mg(OH)2 и NaOH); - воздействием азотистой кислоты, образованной при дозировании в сточную воду соляной кислоты и нитритов; - комбинирование нескольких методов одновременно. В таблица 3.1 показаны финансовые затраты, необходимые при использовании различных реагентов для борьбы с сероводородом в сточных водах по данным Центра эффективного использования водных ресурсов Университета штата Квинсленд (Австралия) [47]. Таблица 3.1 – Финансовые затраты при использовании различных реагентов для борьбы с сероводородом в сточных водах Использование технического кислорода является одним из самых экономичных способов борьбы с сероводородом, уступая только применению свободной азотной кислоты. Затраты на использование атмосферного воздуха в основном обусловлены стоимостью электроэнергии, потребляемой компрессором. Минимизируя расход электроэнергии либо разработав решение, позволяющее подавать воздух в сточную жидкость без ее использования, можно обеспечить наиболее экономичный способ борьбы с сероводородом в канализационных сетях.
Для населенных пунктов, расположенных в горных местностях, характерен большой перепад отметок рельефа местности и, следовательно, отдельных участков водоотводящей сети. Для данных участков характерны большие скорости движения сточных вод. Перепад отметок рельефа местности в г. Ереване составляет около 500 м, а в небольшом г. Цахкадзоре Республики Армении - более 300 м.
Для создания аэробных условий, позволяющих предотвратить процессы гниения в сети и обеспечить предварительную очистку сточных вод на стадии транспортирования (см. гл. 4 данной работы), предлагается вести аэрацию сточных вод посредством самовращающегося аэратора, устанавливаемого в колодцах, расположенных на участках безнапорной сети канализации с большим уклоном и высокой скоростью движения сточных вод. При этом для вращения аэратора используется кинетическая энергия жидкости. Данный аэратор предназначен для установки в смотровых колодцах с лотками U-образного сечения.
Устройство представляет собой горизонтальный металлический вал, на котором через 15-20 мм неподвижно в вертикальном положении закреплены круглые диски. Диски изготовляются из легких полимерных материалов толщиной 10-15 мм и при эксплуатации в сточных водах не корродируют и не отклоняются от вертикальной плоскости. На концах вала устанавливаются подшипники, которые крепятся к опорам. Вращающееся устройство монтируется в лотке колодца, а опоры вала прикрепляются к берме (см. рисунок 3.1).
Нижняя точка центрального наибольшего диска должна находиться на 50-70 мм выше отметки дна лотка, а боковые диски на 30-50 мм. Оставшийся зазор между дисками аэратора и дном лотка обеспечивает беспрепятственное прохождение загрязнений, перемещающихся по дну лотка (тряпки, бумага, полиэтиленовые мешки и др.) [59]. Для определения диаметров дисков необходимо уточнить максимальное и минимальное наполнение коллектора, чтобы установленный аэратор круглосуточно находился в сточной воде и непрерывно вращался. Вращение аэратора происходит вследствие взаимодействия моментов сил скоростного напора потока и возникающих сил трения на соприкасающихся с жидкостью поверхностях дисков при движении сточных вод. Момент вращения от скоростного напора MСн равен произведению сил скоростного напора FCH на расстояние центра тяжести фронтальной проекции погружной части диска от поверхности сточный воды Y0 : мсн = FCHY0.
Необходимо отметить, что после 60-65 дней эксплуатации старая биопленка начинает отделяться от поверхности лоскутами площадью от 6 до 24см2 и на их месте нарастает новая биомасса. Время образования новой вторичной биопленки в среднем в 1,4 раза больше чем время образования первичной.
Разработанный аэратор с биопленкой работает как дисковый вращающийся биореактор. В зоне поворота дисков Б-А (см. рисунок 3.5) биопленка выходит на поверхность и обогащается кислородом воздуха, а при погружении в сточную воду (в зоне А-Б) происходит сорбция и окисление загрязняющих веществ биомассой. При этом концентрация растворенного кислорода постепенно уменьшается до повторного выхода рассматриваемой части диска на поверхность, далее начинается новый цикл. Помимо насыщения жидкости кислородом, от разработанного устройства ожидается эффект по очистке сточных вод от органических и биогенных загрязнений.
Выводы по 3-й главе: - описаны основные проблемы, связанные с возникновением анаэробного режима в канализационной сети; - рассмотрены основные способы борьбы с сероводородом в сетях канализации; - обоснована и предложена новая конструкция аэратора для хозяйственно-бытовых сетей водоотведения. Аэратор устанавливается в смотровых колодцах и вращается вследствие скоростного напора сточной воды и силы трения на боковых поверхностях дисков. Устройство в результате самовращения осуществляет аэрацию бытовых сточных вод и снижает нагрузку на окружающую среду; - выполнен расчет действующих на аэратор сил и условий для вращения устройства и осуществления аэрации бытовых сточных вод в смотровых колодцах.
Проведение исследований при реализации активного эксперимента и обработка результатов
Исследования проводились по схеме дробного факторного эксперимента типа 24-1, позволяющего реализовать все возможные комбинации факторов на выбранных уровнях в условиях экстремального эксперимента. В число изменяемых факторов при планировании эксперимента включены следующие: избыточное давление в установке, продолжительность контакта сточной жидкости с газом, интенсивность перемешивания, доза активного ила в установке. По каждому из перечисленных выше технологических параметров планировалось варьирование в двух уровнях с двумя параллельными опытами для оценки дисперсии воспроизводимости и регрессионной обработки. При этом границы областей исследования и интервалы планирования соответственно составили: продолжительность контакта (время окисления): 15 - 120 мин; избыточное давление в установке: 0,02 - 0,4 МПа; интенсивность перемешивания: 0 - 24 раз; доза активного ила: 0 - 0,1%. Необходимое число опытов при этом составило: (24-1 +1) 2 = 18. Обработку результатов эксперимента выполняли в соответствии с рекомендациями специальной литературы [8,9].
Параметрами оптимизации явились: У1 - снижение ХПК, У2 - снижение БПК, У3 - снижение концентрации аммонийного азота, У4 - снижение концентрации сульфидов, У5 - скорость коррозии, У6 - rH, У7 - снижение фосфатов. Величину параметров определяли в долях как отношение начальной концентрации контролируемых ингредиентов к конечной.
В ходе статистической обработки результатов активного эксперимента в кодированных переменных с исключением незначимых коэффициентов получены уравнения, адекватно описывающие процесс очистки сточных вод техническим кислородом в модели напорного трубопровода – реактора.
По технологической эффективности влияния на процесс предварительной очистки сточных вод факторы убывающе располагаются в ряд: Х1 – продолжительность контакта (время окисления), Х4 - введение активного ила, Х2 – избыточное давление в трубопроводе, Х3 – перемешивание.
Проанализируем зависимости (4.1 – 4.7) с позиций влияния на процесс предварительной очистки сточных вод в напорном трубопроводе и на возможность его регулирования. В уравнениях регрессии (4.1 – 4.5 и 4.7) чем меньше значения параметров оптимизации, тем эффективней процесс предварительной очистки сточных вод и слабее коррозия трубопроводов. При этом только величину фактора Х1 (время окисления) в них требуется увеличивать для снижения значений У1, У2, У4, У5, т. е. для увеличения эффективности процесса в целом. Другие факторы для разных слагаемых процесса следует либо увеличивать, либо уменьшать. Вместе с тем продолжительность окисления загрязнений в данном случае будет обусловлена длиной напорного участка трубопровода и расходом транспортируемой жидкости. Вторым по величине вклада в процесс предочистки сточных вод и снижения коррозии является фактор Х4 – введение активного ила в напорный трубопровод. Технологически это может быть достигнуто двумя способами. Первый заключается в периодическом завозе активного ила с очистных сооружений с последующим дозированием его в трубопровод или приемный резервуар насосной станции. Второй способ состоит в культивировании активного ила в отдельном резервуаре, расположенном на территории насосной станции, с последующим дозированием в транспортируемую сточную жидкость.
Положительно сказывается на уменьшение концентрации загрязнений по ХПК, БПК, аммонийному азоту, сульфидам и фосфатам увеличение давления в трубопроводе (третий по значимости на процесс фактор – Х2). Сказанное не противоречит законам химической кинетики, где с увеличением концентрации реагирующего вещества и давления возрастает скорость химпроцессов [43]. В то же время при увеличении давления Х2 - растет показатель скорости коррозии У2 и, как следствие, возрастают затраты на эксплуатацию трубопровода. Поэтому фактор Х2 не рассматривается как определяющий при проработке технологии регулирования процесса.
Последним по величине влияния на процесс оказался фактор перемешивания - Х3. В рекомендациях по интерпретации результатов активного эксперимента указывается, что такое возможно [9], если опыты проводились в стационарной области, т. е. в оптимальных или близким к ним условиям. По-видимому, перемешивание создавало гидродинамическую обстановку, соответствующую турбулентным потокам, что практически нивелировало интервалы варьирования факторов. В то же время влияние данного фактора на выделение легкоокисляемых загрязнений, азота аммонийного и фосфатов из сточных вод весьма существенно.
Можно утверждать, что в данном случае снижение органических загрязнений (по ХПК и БПК) и азота аммонийного происходит за счет окисления кислородом. В то же время механизм выделения фосфатов из сточных вод иной. Предположительно, это происходит вследствие образования малорастворимых фосфатов кальция и магния, ионы которых высвобождаются при нарушении существовавшего в сточных водах до очистки кислотно-щелочного равновесия за счет дополнительного поступления диоксида углерода как продукта окисления органических веществ. На это косвенно указывает повышение рН и еН в очищенных сточных водах. Однако данная гипотеза требует более углубленной экспериментальной проверки, что не являлось задачей наших исследований.
Содержимое установки перемешивалось путем переворачивания сатуратора, отбиралась проба 1 л исходной сточной жидкости для химического анализа и 200 мл для измерения температуры, рН и eH среды. После этого в установку добавлялось необходимое количество иловой смеси с известной концентрацией отрегенерированного активного ила и подавался технический кислород. В течение 5 секунд осуществлялась продувка установки для удаления атмосферного воздуха, и далее давление в сатураторе поднималось до заданной величины. Затем перекрывался вентиль, и осуществлялось начальное перемешивание. По показаниям пружинного манометра (класс точности 1,5) контролировалось избыточное давление в сатураторе. В конце каждого опыта, после сброса избыточного давления, осуществлялось перемешивание, и отбирались две пробы: первая – объемом 1л для химического анализа, вторая – объемом 200 мл для измерения температуры рН и еН среды. Для проведения экспериментальных исследований использовались прошедшие поверку и аттестованные средства измерений.
Схема экспериментальной установки по исследованию трансформации загрязнений при предварительной очистке сточных вод в напорных условиях: 1 – модель напорного трубопровода (контактная емкость-сатуратор); 2 – баллон с техническим кислородом (либо сжатым воздухом); 3 – кислородный редуктор; 4 – кислородный шланг; 5 – манометр; 6 – воронка для залива исходных сточных вод; 7 –термометр; 8 – ось вращения установки на подшипниках; 9 – стальная пластина для исследования процесса коррозии (материал - ст.3); 10 – пробоотборник. С целью оценки эффективности процесса очистки сточных вод при их взаимодействии с техническим кислородом в пробах, отобранных для химического анализа, определялись следующие показатели: ХПК, БПК, взвешенные вещества, концентрация сероводорода, фосфатов, азота аммонийных солей, нитратов и нитритов, зольность взвешенных веществ, значения величин сухого и прокаленного остатков.
Для контроля процесса коррозии фиксировалось изменение массы металлической пластины - образца-свидетеля. Для этого перед началом и после окончания каждого опыта образец протирался ветошью под струей воды, затем высушивался в течение 30 мин в сушильном шкафу при температуре 105 0С, охлаждался в эксикаторе и взвешивался на аналитических весах ВЛА-200-М. На время опыта пластина закреплялась в нижней части сатуратора, куда вставлялась через пробковый кран пробоотборника.
Определение гидравлической крупности взвешенных частиц, их гранулометрического состава и распределения по фракциям проводили на торсионных весах с обработкой результатов по методу проф. Н. Я. Авдеева [6,7].
