Содержание к диссертации
Введение
1. Анализ существующих систем водоотведения и очистки сточных вод в Республики Армения 12
1.1. Анализ экологической ситуации, влияющей на состояние рек Кура и Аракс . 13
1.2. Оценка и анализ состояния и перспектив развития систем водоотведения Республики Армения . 18
1.2.1. Системы водоотведения хозяйственно-бытовых сточных вод населенных пунктов . 18
1.2.2. Система дождевой канализации 21
1.2.3. Очистка хозяйственно-бытовых сточных вод . 21
1.2.4. Перспективы развития и реновации систем водоотведения Республики Армения . 22
1.3. Физико-химические свойства туфов Артикского типа . 29
1.4. Понятие пористости и основные методы ее определения 36
1.5. Техническая характеристика мелкопузырчатых мембранных аэраторов 38
1.5.1. Мелкопузырчатые мембранные аэраторы (FORTEX, REHAU Raubioxon) . 38
1.5.2. Керамические проницаемые аэраторы «Бакор» 39
1.6. Применение армянского туфа Артикского типа в природоохранных технологиях 43
Выводы по первой главе и уточнение задач
исследований . 45
2. Теоретические основы факторов, имеющих влияние на процесс аэрации . 47
2.1. Пневматическая система аэрации в очистке сточной жидкости . 47
2.2. Критерии оценки массообменных процессов (kV, ОС, Е, SOTE, , F– факторы) . 50
2.3. Кинетические процессы, протекающие в ферментативной среде активного ила 57
2.4. Теоретическое обоснование влияния географического положения местности на свойства жидкости . 63
Выводы по второй главе 69
3. Материалы и методы исследований эффективности аэрационного процесса 71
3.1. Методика переменного дефицита кислорода 71
3.2. Описание схемы установки при исследовании массообменных характеристик аэраторов из армянского туфа Артикского типа на водопроводной воде на глубине 0,435м 73
3.2.1 Методика определения физико-химических и механических характеристик аэраторов из туфа 77
3.2.2 Методика определения потерь напора в аэраторах из туфа 79
3.3 Методика проведения исследований массообменных характеристик аэраторов из армянского туфа на очистных сооружениях Республики Армения . 80
3.4 Методика проведения исследований массообменных характеристик аэраторов из армянского туфа на Ростовской станции аэрации 83
Выводы по третьей главе . 83
4. Определение технологических параметров аэраторов из туфов . 85
4.1. Определение коэффициента массопередачи кислорода для аэратора армянского туфа Артикского типа на водопроводной воде на глубине 0,435м 85
4.2 Проведение сравнительной оценки существующих пневматических
аэраторов и аэраторов из армянского туфа . 90
4.3 Опытно-промышленные исследования применения аэраторов из туфов . 94
4.3.1 Очистка сточных вод аэрацией после механической очистки 94
4.3.2 Биологическая очистка сточных вод . 99
4.3.3 Конструктивные решения аэраторов и туфов 103 Выводы по четвертой главе 104
5. Технико-экономическая оценка эффективности применения аэраторов из туфов при очистке сточных вод . 106
5.1 Экономическая эффективность применения аэраторов из туфа после механической очистки сточных вод 106
5.1.1 Расчет аэрационной системы под аэраторы из армянского туфа Артикского типа при реконструкции очистных сооружений в г. Дилижан (Р. Армения) .
Выводы по пятой главе . 111
Общие выводы . 112
Литература . 113
- Оценка и анализ состояния и перспектив развития систем водоотведения Республики Армения .
- Техническая характеристика мелкопузырчатых мембранных аэраторов
- Критерии оценки массообменных процессов (kV, ОС, Е, SOTE, , F– факторы)
- Описание схемы установки при исследовании массообменных характеристик аэраторов из армянского туфа Артикского типа на водопроводной воде на глубине 0,435м
Введение к работе
Актуальность проблемы. В настоящее время лишь 20% городов и сельских населенных пунктов Республики Армения канализованы, однако из
-
имеющихся в стране очистных станций ни одна не работает. Это следствие Спитакского землетрясения в 1988г., а также энергетического кризиса в начале 90-х годов прошлого столетия. В силу отсутствия более
-
лет системы мониторинга в стране данные об уровне загрязненности вод поверхностных водоемов Армении весьма относительны, но общепризнанно, что основной причиной их загрязнения являются неочищенные или недостаточно очищенные сточные воды. Состояние водных объектов Республики не усугубляется только вследствие возникшего в постсоветский период кризиса промышленной и сельскохозяйственной экономики, а также значительного сокращения объемов потребления воды на хозяйственно-бытовые нужды.
Республики Армения обладает богатыми месторождениями туфа: здесь сосредоточено 85% запасов бывшего СССР, среди которых значительную долю составляет туф Артикского месторождения. В последние 10 - 15 лет благодаря водостойкости и пористости туфы начали использовать в очистке природных вод (бытовые фильтры на базе фильтровальных элементов из туфа). Известен также положительный опыт применения данных фильтров в пищевой промышленности, в производстве алкогольных и безалкогольных напитков и т. д. Имеется также перспектива расширения ареала использования физических и химических свойств туфа в водоочистных технологиях: в оборотных циклах промышленных предприятий, в практике разделения иловой смеси в аэротенках взамен вторичных отстойников и/или мембранных фильтров и т. п.
Исходя из физико-химических характеристик, можно постулировать использование туфа в качестве аэраторов в водоочистных технологиях, однако на данный момент отсутствуют какие-либо исследования в этой области.
Изложенное определяет актуальность работы и требует проведения как теоретических, так и экспериментальных исследований.
Цель работы. Обоснование, разработка и внедрение нового типа
аэраторов из армянского туфа Артикского месторождения для аэрационных
систем в водоочистных технологиях.
Для достижения поставленной цели потребовалось решение ряда взаимосвязанных задач:
– определение классификационных признаков и массообменных характеристик армянского туфа Артикского типа в различных условиях эксплуатации (для водопроводной воды и сточных вод);
– сравнительный анализ и ранжирование массообменных характеристик аэраторов из туфа и известных аэраторов;
– приведение массообменных показателей армянского туфа Артикского типа к условиям высокогорья, свойственным для Республики Армения;
– исследование массообменных характеристик аэраторов из туфа в течение 12 месяцев в аэротенке;
– разработка конструктивных решений аэрационной системы с аэраторами из туфа;
– технико–экономическая оценка аэрационных систем на базе армянского туфа Артикского типа.
Основная идея работы состоит в получении массообменных параметров для нового в водоочистной практике аэратора из армянского туфа Артикского типа с целью его внедрения на очистных сооружениях Республики Армения, а также стран СНГ, и сравнении при этом его экономических показателей с используемыми в практике типами аэраторов.
Методы исследований включали аналитическое обобщение известных
научных и технических результатов, моделирование изучаемых процессов на
испытательных установках, оснащенных контрольно-измерительными
приборами; оптические, физико-химические и биохимические методы анализа сточных вод и водопроводной воды лабораторных, полупроизводственных и производственных установок. 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:
– впервые установлены массообменные показатели мелкопузырчатых аэраторов из армянского туфа Артикского типа;
– по методике ранжирования получена сравнительная оценка аэраторов
из туфа с существующими типами аэрационных систем;
– на базе экспериментальных данных для аэраторов из армянского туфа Артикского типа, определенных в России, получены коэффициенты приведения их массообменных характеристик к условиям высокогорья Республики Армения;
– впервые получены параметры кинетических характеристик процесса биологической очистки сточных вод с аэраторами из армянского туфа Артикского типа.
Практическое значение полученных результатов:
– лабораторные и производственные экспериментальные данные
характеризуют высокую массообменную способность аэраторов из туфа
Артикского типа, которые рекомендуются для использования в водных технологиях;
– даны рекомендации по учету влияния высотного расположения очистных сооружений на массообменные показатели аэрационных систем аэраторов из армянского туфа при их эксплуатации в Республики Армения;
– разработаны и внедрены конструктивные решения аэраторов из туфа в практику химической очистки сточных вод в двух городах Армении;
– обоснована технико-экономическая целесообразность расширенного
внедрения аэраторов из армянского туфа Артикского типа в практику водоочистных технологий.
Реализация результатов работы:
– рекомендации о внедрении диссертационной работы использованы в пилотных и опытно-промыщленных установках на очистных сооружениях г. Ереван, г. Дилижан, ЗАО Ереван Джур в Республики Армения и в проектах ООО Акватрат в РФ г. Ростов-на-Дону;
– внедрены в учебном процессе ФГБОУ ВПО «Ростовский
государственный строительный университет» (каф. «Водоснабжение и водоотведение») при подготовке бакалавров, магистров и инженеров по специальности 270112 «Водоснабжение и водоотведение».
Связь работы с научными программами, планами, темами: работа
выполнялась по направлению министерства образования и науки Российской
Федерации № 05-10823, 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».
На защиту выносятся следующие основные положения:
– теоретическое обоснование и результаты экспериментальных
исследований, характеризующие высокую массообменную способность аэраторов из армянского туфа Артикского типа и позволяющие рекомендовать их для использования на очистных сооружениях;
– результаты определения массообменных характеристик армянского туфа Артикского типа в различных условиях эксплуатации (для водопроводной воды и сточных вод);
– сравнительный анализ и ранжирование массообменных характеристик аэраторов из туфа и известных аэраторов;
– учет изменения массообменных показателей аэраторов из армянского туфа применительно к условиям высокогорья Республики Армения;
– результаты исследования массообменных характеристик аэраторов из туфа в течение 12 месяцев в аэротенке;
– конструктивные решения аэрационной системы с аэраторами из туфа;
– технико–экономическая оценка аэрационных систем на базе армянского туфа Артикского типа.
Апробация работы. Основные положения и результаты работы доложены и обсуждены на: Международных научно-практических конференциях института инженерно-экологических систем РГСУ (Ростов-на-Дону, 2012– 2013гг.), Международной научной конференции «Молодые исследователи» (Вологда, 2013г.), Международной научной конференции «Совершенствование систем водоснабжения и водоотведения по очистке природных и сточных вод» (Самара, 2013г.)
Публикации. По результатам работы опубликованы в 11 печатных работ, в том числе 4 – в изданиях, рекомендованных ВАК РФ, 1 – патенте РФ. Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, пяти глав и выводов. Работа изложена на 139 страницах печатного текста, включает в себя 35 рисунков, 32 таблицы и 7 приложений. Список литературы представлен 133 источниками.
Оценка и анализ состояния и перспектив развития систем водоотведения Республики Армения .
В Республики Армения канализованы все города и около 20% сельских населенных пунктов. Все сточные воды канализованных населенных пунктов сбрасываются в открытые водоемы, за исключением только нескольких городов, где сброс осуществляется в суходолы. Общая протяженность самотечных коллекторов и канализационных сетей составляет около 4200км, а напорных трубопроводов – 280км [64].
В основном, городские сети и коллектора канализации самотечные, за исключением некоторых населенных пунктов, как например, г. Севан (3 городские насосные станции), г. Масис (общегородская главная насосная станция) и др. Насколько позволяет рельеф местности, в Армении построены межрайонные самотечные коллектора с целью сбора сточных вод ряда населенных мест с последующей очисткой на объединенных очистных сооружениях. Так, например, коллектор Севан - Раздан, собирающий сточные воды городов Севан, Цахкадзор, Раздан, близлежащих сел и зоны отдыха Анкаван на КОС у села Кахси, и коллектор Чаренцаван - Ереван, также собирающий сточные воды городов Абовян, Бюрегаван, Нор - Ачин, Егвард и рядом расположенных сел и объектов на КОС г. Ереван. Предусматривается также коллектор Спитак-Ванадзор для подачи сточных вод на КОС г. Ванадзор.
На территории городов, из-за отсутствия канализационных сетей и коллекторов, часть сточных вод в некоторых местах без очистки сбрасывается в открытые водоемы. Например, в Ереване один из жилых массивов города канализован, но коллектор до городских КОС не достроен, и собранные сточные воды сбрасываются в реку без очистки [82].
В аварийном состоянии находятся 63% сетей и коллекторов, построенных более 20-ти лет назад. На километр сети в год приходится 5.5 аварии. Ввиду снабжения водой по графику увеличиваются засорения канализационной сети и коллекторов.
Для нормализации отвода канализационных сточных вод необходимо произвести капитальный ремонт наиболее изношенных участков (где происходит более 3 аварий на 1км/год), проектирование, поэтапное строительство и реконструкцию сетей и коллекторов, приобретение специальных машин и оборудования для нормальной эксплуатации сетей и коллекторов.
Данные о наличии и протяженности коллекторов и трубопроводов ливневой канализации, а также проектная и фактическая мощность сооружений по очистке дождевых сточных вод и примерные объемы дождевых сточных вод, поступающих в дождевую или хоз.-бытовую канализацию, в Республики Армения отсутствуют. Отвод дождевых сточных вод осуществляется по уличным лоткам, по рельефу местности в пониженные места территории водосбора. Организованного сбора, очистки и обеззараживания дождевых сточных вод в Армении не имеется. Основной причиной загрязнения водных объектов Республики Армения, в основном, являются неочищенные или недостаточно очищенные сточные воды. Еще в советские годы уровень загрязненности рек Армении был весьма высок, что привело к ухудшению качества вод [1,2]. В настоящее время данные об уровне загрязненности поверхностных вод Армении не четки. Анализ имеющихся малочисленных данных показывает, что в реках показатели качества воды в последние годы значительно улучшились по причине приостановки деятельности большинства промышленных предприятий и уменьшения объемов орошения в области сельского хозяйства. В настоящее время, в рамках проведенного ограниченного мониторинга, можно предполагать, что уровень качества поверхностных вод удовлетворителен, за исключением нижних сточных вод Еревана и других крупных городов, где вследствие загрязнения, наблюдается значительное понижение содержания растворенного в воде кислорода и нарушения самоочищающей способности рек. Необходимо отметить также, что при отсутствии должного внимания при широкомасштабном возобновлении производственной деятельности качество воды может ухудшиться. Проблема усугубляется еще и тем, что из 19 имеющихся в Республики Армения очистных станций полноценно ни одна не работает (рисунок 1.3 22 1.6). Это произошло, частично, в результате Спитакского землетрясения в 1988г., а также энергетического кризиса в начале 90-х годов прошлого столетия. Согласно технико-экономическим расчетам, возможно восстановить только 6 – 7 очистных станций из 19 [38,39]. Остальные должны строиться заново согласно новым технологиям очистки (таблица 1.3).
В настоящее время на очистных станциях сточные воды проходят, в лучшем случае, только частичную механическую очистку. В остальных населенных пунктах сточные воды попадают в водоприемники либо через аварийные выпуски в обход очистных сооружений, либо после пр о хожде ния очистных станций б е з како й -либо очистки. Все очистные станции республики построены до 1990 года, и действующие в них технологии уже неэффективны и не соответствуют современным требованиям, кроме того, технологии очистки были основаны на практически бесплатных энергоносителях, таких как газ и электроэнергия. В современных условиях предусмотренные проектом технологии очистки крайне неэкономичны, и эксплуатация имеющихся очистных сооружений по этим технологиям требует неоправданно больших затрат. Для восстановления очистных сооружений или постройки новых требуются крупные инвестиции. Функции контроля качественного состава водных объектов в республике выполняет Центр мониторинга окружающей среды Министерства охраны природы республики [44]. Мониторинг загрязнения поверхностных вод включает в себя режимные наблюдения за состоянием загрязнения поверхностных вод посредством гидрологических и гидрохимических постов, изучения химического состава вод рек, озер и водохранилищ с учетом загрязнений промышленными, бытовыми и другими источниками, анализ и оценку состояния загрязнения. Система мониторинга действует с 1964 года. До 1990г. наблюдением были охвачены 54 водных объекта. Действовали 111 наблюдательных пунктов. С 1994г. количество наблюдательных пунктов возросло до 131, однако, надо отметить, что мониторинг поверхностных вод осуществляется не систематически. Качество воды контролируется по отдельным параметрам: определяются физические и химические свойства воды, газовый состав, основные ионы, органические вещества, в том числе загрязняющие (ХПК, БПК5, нефтепродукты, СПАВ), загрязняющие вещества неорганического происхождения, ионы: аммонийные (NH3), нитритные (NO2), нитратные (NO3), фосфор (P), железо (Fe), кремний (Si), медь (Cu), цинк (Zn). Результаты анализов публикуются в ежемесячных и ежегодных справочниках [18,19,66,67]. В 1984-1990гг. производился отбор проб поверхностных вод из следующих трансграничных рек: Дебед, Агстев, Аракс, Вохчи. С 1991г. отбор проб из приграничных точек осуществляется только из реки Дебед у границы Грузии, где во взятых пробах ПДК 3 – 5 раза превышали ионы аммония, нитритов, меди и нефтепродукты, и реки Раздан у границы Турции.
Техническая характеристика мелкопузырчатых мембранных аэраторов
Одними из наиболее распространенных представителей мелкопузырчатых аэраторов являются аэрационные системы FORTEX, REHAU Raubioxon [5,89,90,91], снабженные полимерной мембраной, которая изготовлена из ЕПДМ – каучука (этилен – прoпилен – димеp) или мембраны из материала RAU-SIK (cиликон-каучук) (REHAU Raubioxon). Процесс аэрации в данных аэрационных системах осуществляется мелкодисперсным воздухом при создании определенного давления, которое заставляет раскрываться отверстия в мембране. При остановке подачи воздуха необходимо предотвратить попадание жидкости в воздуховод. Особая форма насечек на мембране не позволяет проникнуть воде внутрь трубы при отключении подачи воздуха. Кроме того, предусмотрено контрольное устройство для обеспечения равномерного распределения воздушного потока по всей аэрационной системе и минимального отклонения сопротивлений даже при существенной протяженности магистральных воздуховодов. При возникновении поломок в системе данное устройство предотвращает местное падение давления и обеспечивает бесперебойную эксплуатацию системы на время ремонтных работ. Воздухораспределительный магистральный трубопровод для крепежа аэрационных элементов имеет разъемные крепления. Материал опорной трубы - полипропилен, который в случае возникновения потока сточной воды с затопляемым свободным объемом, не поддается его воздействию.
В свою очередь к опорной трубе крепятся самостоятельные аэрационные элементы, которые состоят из каркасной трубы в диаметром 63мм, на которую крепится полимерная мембрана с перфорацией. На свободных концах трубы мембрана прижата крепежными хомутами. Процесс крепления аэрационного элемента к воздухораспределительной трубе максимально облегчен. Каждый элемент имеет отверстие для подачи воздуха. Вышепредставленная конструкция аэрационной системы имеет существенное преимущество в случаях экстраплотного размещения аэрационных элементов, при нестандартных конструкциях отстойников и на съемных (извлекаемых) аэрационных решетках.
Недостатком мембраны из EPDM можно назвать органические и коркообразные отложения на поверхности мембран. К достоинствам покрытия аэратора из EPDM (этилен-пропилен-диен-кaучук) или из полимера RAU-SIK (cиликон-каучук) можно отнести высокую долговременную эластичность, высокую химическую стойкость, стойкость к воздействию температур, сокращение трудоемкости процесса демонтажа, равномерное образование складок при прекращении подачи воздуха с помощью запатентованных продольных углублений, оптимальную уплотнительную функцию без захлопывания пор на мембране аэратора, минимальную способность к образованию коркообразных отложений ввиду супергладкой поверхности мембраны и использования полимерных материалов.
Традиционно на станциях аэрации в России десятилетиями применялись среднепузырчатые (фильтросные) аэраторы в виде труб и пластин из пористой проницаемой керамики, которые вошли в типовые проекты и используются для постройки аэротенков. Впервые аэраторы такого типа начали производиться в промышленном масштабе фирмой «Filtros», США, 1925г. С тех пор за аэраторами из пористой проницаемой керамики закрепился термин фильтросные пластины, трубы (фильтросы). Эффективность аэрации фильтросов составляет 1,5–2,2 кгО2/кВтч, они достаточно просты и надежны в эксплуатации. Основными их недостатками являются достаточно высокое энергопотребление и попадание внутрь иловой смеси при отключении электроэнергии, что при ее включении приводит к гидроударам, разрушению отдельных труб (каналов) и необходимости последующего опорожнения аэротенка для восстановления аэрационной системы [59]. Указанные недостатки привели к разработке нового поколения менее энергоемких аэраторов. В России, в основном, это выпускаемые отечественной промышленностью аэраторы («Экополимер», «Экотон» и их аналоги) с эффективностью аэрации 2,5 – 3,5 кгО2/кВт ч. Также в России имеется достаточно длительный (5 – 7 лет) опыт использования зарубежных мембранных аэраторов, характеризующихся эффективностью 4,0 – 7,5 кгО2/кВт ч. В то же время [81] двухлетний промышленный опыт применения мембранных аэраторов «Фортэкс» на одной из технологических линий Люберецкой станции аэрации с расходом 500000м3/сут показал, что мембраны снизили проницаемость на 35 – 45%, и при этом потери напора возросли с паспортных 0.3 – 0.4м до 1.2 – 1.3м. Восстановление проницаемости аэраторов проводится щавелевой кислотой 2 раза в год с опорожнением аэротенка, а это на 50 – 60% увеличивает эксплуатационные расходы. Эффективность аэрации снизилась с 3,5 – 4,0 кгО2/кВтч до 1,8 – 2,2 (при этом производитель аэраторов «Фортрикс» давал гарантию сохранения технических параметров 5 лет). Имеются аналогичные сравнительные данные двухлетнего мониторинга 2-х аэротенков (длина 120м) очистных сооружениях сточных вод в Берлине (ФРГ), где также отмечается снижение массообменных характеристик мембранных и повышение их у керамических аэраторов [81,101].
Поэтому экономически, экологически и технологически обоснованной была разработка керамических проницаемых аэраторов нового поколения [4]. До конца 80-х годов прошлого столетия аэраторы из пористой проницаемой керамики выпускались в России «Кучинским керамическим заводом». Существующие ранее керамические материалы и технология изделий из них не позволяли создавать конкурентоспособные изделия с регулируемой пористостью. При этом открытая пористость аэраторов составляла не более 30%, что требовало повышенного давления и расхода воздуха, а предел прочности при сжатии - 10МПа, что приводило к их быстрому выходу из строя вследствие разрушения.
В тоже же время, в США и европейских странах до сих пор эксплуатируются и строятся аэротенки с аэраторами из пористой проницаемой керамики. Срок службы аэраторов из пористой керамики, по заявлениям зарубежных производителей, может составлять более 30 лет. При этом необходимо отметить, что в Европе имеются десятки очистных сооружений, на которых аэраторы из пористой керамики эксплуатируются уже в течение 60 лет и находятся в хорошем состоянии. Срок эксплуатации аэраторов из пористых пластиков составляет не более пяти лет, после чего требуется их замена [45]. Необходимо иметь в виду, что применение аэраторов из пористых полимерных материалов обязательно будет решать проблему их утилизации после использования, т. к. даже при хранении на полигонах тврдых бытовых отходах они будут разлагаться под действием солнечного света, воды, тепла с выделением крайне токсичных веществ.
Критерии оценки массообменных процессов (kV, ОС, Е, SOTE, , F– факторы)
Период эффективной работы аэрационных систем является главным условием их применения. У незащищенных аэраторов довольно быстро снижаются первоначальные свойства (в течение 1,5 - 2 лет), частично защищенные имеют способность удерживать эффективность до 3-4 лет, с защитой – уже до 4-5 лет. Степень эффективной работы аэрационного процесса определяют по уровню концентрации остаточного кислорода в воздушной смеси, исходящей из сооружений биологической очистки (аэротенков). С помощью плавающих колпачков отбираются из ила пробы воздуха, в котором анализом определяется процентное содержание кислорода JO2ф по факту. По установленной разнице между объемом поданного в сооружение кислорода и кислорода над сооружением биологической очистки вычисляется степень возрастного изменения (снижения эффективности работы аэрационной системы в период времени).
Зачастую приведенные параметры объединяют в одно выражение в виде F, не различая параметры сточной жидкости и характер аэраторов по мере засорения пор аэраторов. Поры аэрационных систем забиваются в индивидуальном порядке, но, не смотря на это, по литературным данным можно сделать вывод, что аэраторы без защиты необходимо менять через 2,5-3 года, частично защищенные - 3 - 3,5 года, и с защитой - через 4 года из-за значительного сокращения эффективной работы аэрации (в 1,5-2 раза). Такая характеристика, как –фактор, объединяет сразу несколько процессов: изменений размеров пузырьков воздушного потока в сточной воде, возникновение экранирующего пленочного покрытия из поверхностно-активных веществ на пузырьках воздуха, расположение аэрационных систем в сооружениях (пристенное, одно- или многорядное, рассредоточенное по дну сооружения и т.д.), степень интенсивности подачи воздушного потока аэрационной системой, возможное слипание (коалесценцию) пузырьков воздушного потока. В таблице 2.3 представлены результаты исследований -фактора на одной из ОС США. Не учитывая индивидуальный режим эксплуатации очистной станции (состав очищаемой сточной жидкости, гидродинамические условия работы активного ила и т.п.), можно увидеть явное сокращение во времени результатов по –фактору до крайне невысоких показателей. Исследованиям подверглись мембранные аэраторы на существенной глубине заложения. Отметим, что в режимах высокой окислительной деятельности биоценоза иловой смеси и при низких показателях кислорода в иловой смеси параметр –фактор снизился до 0,44, а в режимах развитого процесса нитрификации достигал значений 0,54 - 0,56, как представлено в таблице 2.3.
Также еще на одной станции аэрации США подверглись проверке различные типы аэрационных систем – неиспользованные, бывшие в эксплуатации (2-3 года), регенерированные (очищенные), использованные.
По результатам проверки установлено: – в высоконагруженных режимах (возраст ила 3-6 сут.) параметр -фактор для неиспользованных аэрационных систем (значение F=1) составил 0,4 - 0,45, а в режимах с глубокой нитрификацией – 0,55 – 0,65; – использование регенерированных аэрационных систем сократило эффективность процесса аэрации на 15 - 20%; – применение аэрационных систем (со сроком службы 2-2,5 года) уменьшило результаты по –фактору до значений 0,3 в режимах высокой и 0,45, соответственно, низкой нагрузки; – для использованных аэрационных систем (срок службы более 3-х лет) показания по –фактору снизились до 0,25 - 0,35 и 0,4 - 0,45 соответственно. Таким образом, установлен оптимальный срок эксплуатации аэрационный систем - не реже чем через 3 года, далее необходима замена аэраторов.
На основании проведенных исследований, еще на стадии проектирования, либо капитального ремонта при закладывании типа и материала аэрационной системы, необходимо заранее учитывать сокращение эффективности процесса аэрирования и их массообменных параметров. В том случае, если аэрационная система предусмотрена на срок эксплуатации не более 4-х лет, как это принято в США. Например, если в технической характеристике аэрационной системы показатель SOTEh указан равным 5 - 6% на 1 м заглубления аэратора, в проекте необходимо предусмотреть значение 2,8 - 3,0% для более длительного периода эксплуатации аэрационной системы в процессе биологической очистки. Предписание производителей на срок службы аэраторов в течение 6 - 8 лет не следует учитывать.
Для гидравлических расчтов важным моментом является то, что потенциал силы тяжести сокращается с возрастанием расстояния от поверхности геоида на уровне мирового океана, причем вне зависимости от того, влияет ли на изменение широта местности или высотные отметки.
К настоящему моменту существует достаточное количество формул [43], характеризующих значение силы тяжести в зависимости от географической широты с учетом поправок на аномалии. Явление аномалии, вызванное расположением над поверхностью моря, получила наименование - аномалия в свободном воздухе или аномалии Фая. Размер поправки Фая определяется как произведение (0,384хН), где Н – высота точки над поверхностью моря, м. Из величины силы тяжести при заданной широте необходимо отнять высотную поправку для того, чтобы определить расчтное значение силы тяжести в исследуемой местности [107].
Описание схемы установки при исследовании массообменных характеристик аэраторов из армянского туфа Артикского типа на водопроводной воде на глубине 0,435м
Экспериментальная установка представляет собой: стеклянный резервуар (4) 1,5х0,5х0,5 (h), м с установленным аэратором (3), расположенным на расстоянии 0,12м над днищем резервуара. По центру резервуара устанавливается аэрационный элемент с вмонтированным посередине пластины аэратора штуцером, к которому подсоединяется распределительная система подачи воздушной смеси (8). Для эксперимента используется аэратор из армянского туфа Артикского типа. В систему воздухораспределения поступает нагнетаемый компрессором (1) воздух со следующими параметрами: Qвозд.макс=130л/мин, давлением P=19,6кПа=1,96м вод.ст. и мощностью N=160Вт.
Объем и расход подаваемого воздушного потока регулируется с помощью вентиля (7) и газового счетчика (2) соответственно. В днище резервуара предусмотрен сливной патрубок с запорным вентилем (6), предназначенный для полного опорожнения резервуара. Фиксация значений концентрации кислорода и температуры осуществляется с помощью кислородомера фирмы Оксимер (5). Проведение серии экспериментов по определению объемного коэффициента массопередачи основано на методе переменного дефицита кислорода. Первоначально измеряется температура насыщаемой воды и уточняется барометрическое давление согласно данным Гидрометеоцентра г. Ростова-на-Дону. Цель работы: Определение объемного коэффициента массопередачи, окислительной способности, эффективности аэрации испытуемого аэратора. Осуществление экспериментальных измерений объемного коэффициента массопередачи основано на методе переменного дефицита кислорода. 1. Водопроводная вода заполняется в резервуар до установления уровня 0,435м над поверхностью дна. 2. Запускается компрессорная установка. 3. Производя контроль согласно газовому счетчику, устанавливается необходимый расход воздуха, подаваемого компрессором, при этом используя регулирующий вентиль. 4. Отключается компрессорная установка. 5. Замер концентрации растворенного кислорода в резервуаре осуществляется кислородомером, в зависимости от которой вводится доза сульфита натрия и хлористого кобальта, необходимых для удаления кислорода из воды, учитывая коэффициент запаса от стехиометрии. 6. Вводится рассчитанное количество сульфита натрия и катализатора -хлористого кобальта для удаления кислорода. 7. Вода в резервуаре с введенными реагентами медленно перемешивается ручным способом. 8. Во время перемешивания при помощи кислородомера замеряется концентрация растворенного кислорода. При достижении значения «0,0 мг/л» перемешивание прекращается. 9. Запускается компрессорная установка. 10. Фиксируется время и вносится в таблицу данных. 11. В момент достижения концентрации растворенного кислорода насыщенная концентрация при данной температуре, мг/л, в таблице фиксируется время продолжительности аэрации. 12. Отключается компрессорная установка. Далее повторно осуществляются пункты 4 - 12 один раз, и второй раз пункты 4 - 11. Серия опытов с одинаковым расходом воздуха окончена. Устанавливается следующий расход воздушной смеси регулирующим вентилем (п.3 см. выше), и проводится новая серия опытов с необходимым расходом воздуха. В результате получается по три результата концентрации растворенного кислорода при одинаковом значении расхода воздуха.
В известной нам технической литературе не найдено требований к химической стойкости материала аэраторов. Однако, исходя из общих требований к материалам, применяемым в системах водоснабжения и канализации, в которых указано на недопустимость перехода в определенных концентраций некоторых нормируемых ингредиентов, проведено исследование химической стойкости компонентов туфа по аналогии с нормируемой химической стойкостью загрузок фильтров для очистки природных и сточных вод [29,59].
Методика определения химической стойкости компонентов туфа состояла в следующем. В три колбы емкостью 500мл помещают по 50г испытуемого материала крупностью 1,0 - 1,5мм, предварительно отмытого и подсушенного при 60oС. Затем в одну колбу наливают 500мл раствора едкого натра -щелочная среда (200мг NaOH на 1л дистиллированной воды), в другую – 500мл раствора кислоты – кислая среда (0,4мл HCl удельного веса 1,19 на 1л дистиллированной воды), в третью – 500мл раствора поваренной соли – нейтральная среда (500мг NaCl на 1л дистиллированной воды). Содержимое колб взбалтывают каждые 4 часа и после 24 часов контакта фильтрующего материала со средой отфильтровывают. В полученном фильтрате (из каждой колбы) определяют плотный остаток, окисляемость и концентрацию кремнекислоты (по общепринятым методикам). Эти же определения производятся в аналогичных средах, но без фильтрующего материала (в нашем случае – в водопроводной воде).
Механическая прочность материалов для водоочистки оценивается измельчаемостью и истираемостью согласно ГОСТ Р 51641 – 2000 с применением соответствующего оборудования (набор сит с сетками, весы лабораторные, чаши выпарительные, встряхивающий аппарат и т. п.). При этом используют пробы после определения химической стойкости.
Остаток на сите № 0,25, выраженный в объемных процентах от общей массы навески материала, характеризует его истираемость. Часть навески материала, прошедшего через сито № 0,5 и задержанного на сите № 0,25, характеризует измельчаемость материала. Также, как и истираемость, выражается в объемных долях процента: Для определения потерь напора в аэраторах из туфа в процессе аэрации нами предложена методика [Приложение 3], сущность которой заключается в следующем. На поверхность насыщенного водопроводной водой аэратора укладывались монеты достоинством :1 коп., 2 коп., 5 коп., 10 коп., 50 коп., 1 руб., 2 руб., 5 руб. Масса и площадь каждой монеты предварительно определялись.
Аэратор погружали в воду до уровня поверхности воды и включали воздуходувку, фиксируя давление на входе. Выходящий из пор воздух поднимал и сдвигал монеты. Наложением одна на другую определяли массу монет, которые выходящий воздух не сдвигает, т. е. имеет равенство сил веса и давления воздуха. Рисунок 3.6 – К методике определения потерь напора в аэраторах из туфа Тогда разность между давлением воздуха в системе (кг/см2) и силой сопротивления подъему монет (масса х площадь, кг/см2) принимали за сопротивление в аэраторе.
Исследования проводились на очистных сооружениях производительностью Q=17000м3/сут в г. Дилижан (Республика Армения). На сегодняшний день из всех ступеней очистки на ОС работает лишь механическая очистка, биологическая - полностью отсутствует. Для опытов использовался аэратор из армянского туфа Артикского типа размерами, указанными в таблице 3.1. Данный аэратор устанавливался в емкости V=100л с иловой смесью, отобранной из песколовки. Эксперимент проводился в течение 5 суток с ежедневным отбором проб. Подача кислорода в аэратор осуществлялась с помощью воздушного компрессора SHIMGE SGDB9233 Q=118л/мин через штуцер, расположенный по центру плиты туфа. Полученные экспериментальные данные фиксировались в лабораторном журнале.
Для исследования массообменных характеристик на Ростовской станции аэрации в регенераторе четырехкоридорного аэротенка был установлен аэратора из туфа размерами, мм: 400х300х24 с 1-м штуцером для подвода воздуха (рисунок 3.10). Аэратор был установлен на дно коридора регенератора, высота слоя иловой смеси - 4.2м. Воздух от магистрального воздухопровода станции в аэратор подавался по пластмассовому шлангу с шаровым вентилем для регулирования его расхода в режимах аэрации и регенерации.
Периодически, через 2 - 4 месяца, аэратор извлекали, в лабораторных условиях по методике переменного дефицита кислорода [Приложение 4] определяли массообменные характеристики и вновь возвращали в регенератор аэротенка. Перед извлечением для очистки аэратора от осевших загрязнений продували в течение 2 - 3 минут увеличенным в 3 раза расходом воздуха.
