Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Аналитический обзор и выбор направления Исследования 8
1.1. Оценка антропогенного воздействия 8
1.2. Анализ существующих способов очистки сточных вод 11
1.3. Общая характеристика очистных сооружений г.Элиста 14
Выводы по первой главе 24
Глава 2. Моделирование процессов очистки сточных Вод 25
2.1. Моделирование биохимических процессов 25
2.1.1. Моделирование и расчет электроокситенка 25
2.1.2. Математическое моделирование работы биофильтра, использующего кислород, выделяющийся при электролизе воды 30
2.2. Моделирование промышленных электрофлотаторов с учетом структуры потоков 37
2.3. Моделирование процесса электрокоагуляции 41
2.4. Моделирование процессов очистки воды при пиковых режимах работы 47
Выводы по второй главе 52
Глава 3. Перспективные способы очистки сточных вод и Конструкции аппаратов 54
3.1. Устройство для измельчения твердых отходов, образующихся после механической очистки сточных вод 54
3.2. Конструкция электрокоагулятора 58
3.3. Конструкция электроокситенка 62
3.4. Конструкция электробиофильтра 66
3.5. Насос для перекачивания и обеззараживания сточных вод 68
3.6. Насадочная колонна 71
Выводы по третьей главе 75
Глава 4. Практическая схема реализации результатов Исследования 76
4.1. Сравнение существующей и предлагаемой схем очистки сточных вод г.Элиста 76
4.2. Эколого-экономический эффект 81
Выводы по четвертой главе 83
Заключение 84
Список литературы 86
Приложения 98
- Общая характеристика очистных сооружений г.Элиста
- Математическое моделирование работы биофильтра, использующего кислород, выделяющийся при электролизе воды
- Насос для перекачивания и обеззараживания сточных вод
- Сравнение существующей и предлагаемой схем очистки сточных вод г.Элиста
Введение к работе
Актуальность работы. Известно, что объем сточных вод и концентрации в них вредных веществ распределяются в течение суток и в течение года по сезонам неравномерно.
Пиковые объемы сброса могут превышать средние значения, а концентрации вредных веществ – расчетные допустимые концентрации на 20-40%. В эти периоды станции, работающие за пределами расчетных расходов и степени очистки, не обеспечивают показателей качества, предъявляемого к сбрасываемым водам.
Нередко, работающие достаточно эффективно в штатных режимах, сооружения не могут обеспечить очистку вод в пределах необходимых норм и требований во время пиковых нагрузок. Это приводит к необходимости проведения дополнительных мероприятий, разработке и применения новых технологических методов на сооружениях очистки городских сточных вод.
Так, например, на очистных сооружениях г. Элиста, рассчитанных на среднюю нагрузку q=1040 м3/ч, пиковая нагрузка в 1,37 раза больше, а максимальные концентрации загрязнений, поступающих на станцию очистки, превышают штатные на 38% . Это приводит к тому, что по 2-3 часа в сутки очистные сооружения работают недостаточно эффективно и очищенные сточные воды по некоторым веществам превышаются предельно допустимые показатели.
Поэтому актуален вопрос о разработке новых технологических методов очистки сточных вод в режимах пиковых нагрузок для создания запаса мощности по объемам сбросов и степени очистки от вредных веществ.
Работа выполнялась в соответствии с планом госбюджетных работ №20-53/451-09 «Разработка теоретических основ процессов разделения неоднородных сред».
Основной целью работы является разработка эффективных технологических методов очистки сточных вод для снижения негативного воздействия на объекты окружающей среды при пиковых нагрузках за счет применения электрохимических способов и устройств для интенсификации процессов очистки.
Для достижения поставленной цели в работе решались следующие задачи:
- моделирование электрохимических способов очистки городских сточных вод в режимах пиковых нагрузок;
- обобщение экспериментальных и теоретических исследований в форме инженерных решений, обеспечивающих снижение концентрации вредных веществ на уровне расчетно-допустимых пределов;
- разработка технологических схем использования предложенных методов.
Основная идея работы состоит в разработке системы высокоэффективной комплексной очистки сточных вод жилищно-коммунального хозяйства города, нивелирующей неравномерность распределения по времени объема этих вод и концентрации в них вредных веществ на основе моделирования данных процессов.
Методы исследования включили аналитическое обобщение известных научных и технических результатов по исследованию состояния среды, методы химического анализа, методы физического и математического моделирования и анализа результатов эксперимента и обработку экспериментальных данных.
Научная новизна:
- разработаны физическая и математическая модели безмембранных электробиофильтра и электроокситенка с селективной подачей кислорода в активную зону;
- разработаны физическая и математическая модели электрофлотатора со структурой потоков реального перемешивания;
-разработаны физическая и математическая модели перехода от экспериментальных данных электрокоагулятора периодического действия к промышленному электрокоагулятору идеального смешения.
Практическая ценность:
- разработан и предложен к внедрению способ очистки сточных вод за счет использования в процессах очистки кислорода, получаемого при электролизе воды (предложены бездиафрагменные конструкции окситенка и биофильтра);
- предложены конструкции электрокоагулятора и насоса-обеззараживателя;
- предложена новая схема очистки сточных вод г. Элиста, включающая одновременную работу типового аэротенка и электроокситенка, и обеспечивающая при пиковых нагрузках необходимые требования очистки.
Реализация результатов работы осуществлялась в Волгоградском государственном техническом университете, Калмыцком государственном университете, где внедрены в учебный процесс методики расчетов электроокситенка и электробиофильтра при подготовке студентов по специальностям «Охрана окружающей среды и рациональное использование природных ресурсов» и «Природоохранное обустройство территорий».
На защиту выносятся:
- результаты физического и математического моделирования электробиохимических, электрофлотационных и электрокоагуляционных процессов очистки хозяйственно-бытовых сточных вод;
- ряд новых конструкций аппаратов и устройств для оптимизации очистки хозяйственно-бытовых сточных вод;
- технология комплексной очистки сточных вод, позволяющая нивелировать пиковые нагрузки по расходу сточных вод и БПК в них.
Апробация работы
Результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на следующих конференциях: научные конференции ВолгГТУ (Волгоград, 2007, 2008, 2009, 2010), ХХ Международная научная конференция «Математические методы в технике и технологиях» (Ярославль, 2007), Всероссийская научно-практическая конференция «Водные ресурсы и водопользование в бассейнах рек Западного Каспия: перспективы использования, решение проблемы дефицита, мониторинг, предотвращение негативного воздействия» (Элиста, 2008), Всероссийская научно-практическая конференция «Физико-химические, биологические и медицинские аспекты нанотехнологий» (Астрахань, 2008), Всероссийский семинар заведующих кафедрами экологии и охраны окружающей среды (Пермь, 2006), Выставка «Интеграция фундаментальных и прикладных исследований в интересах ЮФО» (г.Ростов н/Дону, 2009), выставка молодежных инновационных проектов, проводимой в рамках 1Молодежного инновационного Конвента Южного федерального округа (г.Ростов н/Дону, 2009).
Публикации. Основные результаты исследований по теме диссертации изложены в 15 работах, в том числе 4 – в изданиях, рекомендованных ВАК РФ. Получено 7 патентов РФ.
Структура работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, приложения общий объем 115 страниц, содержит 21 рисунок, 18 таблиц, список литературы из 117 наименований.
Общая характеристика очистных сооружений г.Элиста
Строительство хозяйственно-фекальной канализации г.Элиста велось в 1974г., согласно проектному заданию, разработанному институтом «Гипрокоммунводоканалом» в 1966г.; протяженностью сетей 36км и мощностью очистных сооружений канализации полной биологической очистки 55 тыс. м /сут. Строительство ОСК осуществлялось трестом «Калмыкстрой» и сдано в эксплуатацию в 1979 году. [13,77].
Очистные сооружения располагаются за юго-восточной частью города. Площадка очистных сооружений канализации расположена на склоне коренного берега реки Элиста ниже города по течению реки. Площадка имеет уклон в сторону реки. Отметки площадки колеблются от 70,5 до 78,0. Грунтовых вод нет. Ниже площадки очистных сооружений течет река Элиста, имеющая постоянный водоток только весной в период таяния снега. Летом расход реки не превышает 5 л/с.
По проекту Гипрокоммунводоканала очистная станция была запроектирована в составе следующих основных сооружений: а)блок производственных и вспомогательных помещений, в состав которых входит помещение решеток, мастерской, иловой насосной станции, воздуходувной станции, конторы, лаборатории, диспетчерского пункта, котельной, прачечной, душевой-сушилки, дезокамеры и проходной; б) песколовки; в) преаэратора; г) аэротенка; д) вторичных отстойников; е) контактного резервуара ж) хлораторной; з) метантенков; и) иловых площадок; к) трансформаторной подстанции [13].
Сооружения рассчитаны на полную биологическую очистку смеси промышленных и хозяйственно-бытовых сточных вод. Комплекс состоит из системы последовательно расположенных сооружений для механической и биологической очистки сточных вод. Состав действующих сооружений см. табл. 1.2. Очищенные сточные воды сбрасываются в р. Элиста.
Минимальный средне - суточный расход реки незначительный и практически не обеспечивает разбавления очищенной сточной жидкости, поэтому принята полная биологическая очистка сточных вод с доведением БПК20 до25мг/л[41].
Для водопотребления на нужды отраслей экономики Республики Калмыкия из поверхностных и подземных водоисточников в год забирается около 744,7 млн.м воды. В природные поверхностные водные объекты РК отводится 49,4 млн.м (из них, канализационных хозяйственно-бытовых сточных вод после биологической очистки — 6,8 млн.м в р.Элисту). Все сточные воды отводятся в поверхностные водные объекты на бессточной территории Калмыкии.
За год предприятиями жилищно-коммунального хозяйства г.Элиста сбрасывается около 7 млн. м недостаточно очищенных сточных вод. Техническое состояние станции очистки сточных вод оценивается как неудовлетворительное, и практически все системы требуют ремонта и реконструкции в связи с необходимостью повышения производительности. Из докладов о состоянии окружающей среды Республики Калмыкия за последние годы можно сделать вывод о том, что вопрос о качестве очистки сточных вод в городе является актуальным [41].
По результатам аналитического контроля сточных вод, произведенного лабораторией станции очистки сточных вод г.Элисты за последние годы, а также по техническому состоянию станции очистки можно выделить ряд причин необходимости проведения предлагаемых мероприятий на станции очистки сточных вод г.Элисты: малая степень очистки сточных вод (концентрация выпускаемых в реку вод не соответствует допустимым нормам содержания загрязняющих веществ в коммунальных сточных водах [84]; увеличение количественного состава населения и степени благоустройства жилых районов города (на 1976г. — 70 тыс. человек, а на 2006 г. — 107,5 тыс. человек); срок эксплуатации оборудования существующей станции очистки воды истек, необходима его замена.
Основным фактором, определяющим режим работы очистных сооружений, является режим сброса вод коммунально-бытовым хозяйством города. В течение суток количество сбрасываемых вод неравномерно распределено по часам. Следует отметить, что расход воды в течение каждого часа также колеблется (таблица 1.З., 1.4., рис.1.1.). При этом возникают пиковые (шоковые) нагрузки на очистные сооружения.
Математическое моделирование работы биофильтра, использующего кислород, выделяющийся при электролизе воды
Скорость всплывания пузырьков кислорода должна быть больше скорости течения воды, подаваемой сверху на насадку с иммобилизованным активным илом или биопленкой с микроорганизмами, а скорость всплывания пузырьков водорода должна быть меньше скорости течения воды. Согласно уравнению Стокса, неравенство (2.3) выполняется, если диаметр пузырьков водорода будет меньше диаметра пузырьков кислорода. Для биологической очистки воды она должна иметь нейтральную или слабощелочную реакции (рН= 6,2 - 8,5). В работе [40] экспериментально показано, что размеры пузырьков водорода и кислорода в значительной степени зависят от толщины проволоки электродов.
Так, если сетка анода выполнена из проволоки диаметром 0,2 мм, то средний размер пузырьков кислорода составляет 61мкм, а водорода — 23мкм. При этом самые крупные пузырьки водорода будут иметь величину 46мкм с фракционной долей 1,5%, а самые мелкие пузырьки кислорода - 38 мкм с фракционной долей 4%. Таким образом, принимая действительную скорость очищаемой воды равную скорости всплывания пузырьков газа диаметром с/н=40мкм электрохимический эквивалент R0 = = 0,3г/ А-ч, тогда объемный где р0 = (2.5) - плотность электрохимического газа (кислорода при 0 С и р=1,033 атм.); М=32 - молекулярная масса кислорода, кг/моль. Алгоритм сравнительных расчетов биофильтра и электробиофильтра. По интегральной кинетической кривой БФ (рис.2.3, кривые 1,2) или по табличным данным этой зависимости определяется необходимое время пребывания очищаемой воды tw в насадке, соответствующая БПК очищаемой воды на выходе их электробиофильтра. По формуле (2.4)
Стокса определяются скорости всплывания пузырьков воздуха, кислорода, водорода. Определяется действительная и фиктивная скорости очищаемой воды в насадке и в свободном сечении аппарата Определяется площадь сечения обоих аппаратов по уравнению неразрывности Как видно из расчетов при одинаковых размерах биофильтра и электробиофильтра степень очистки по БПК увеличивается с 0,7 до 0,938 за счет увеличения времени пребывания пузырьков кислорода в очищаемой воде по сравнению с пузырьками воздуха в 5,4 раза и степени использования кислорода более чем в 10 раз. Последнее объясняется более мелкими размерами пузырьков кислорода по сравнению с пузырьками воздуха и непосредственным использованием микроорганизмами для дыхания молекул кислорода, без его диффузии из пузырьков воздуха. В случае большой плотности тока на горизонтальных сетчатых электродах их можно заменить вертикальными сетками - электродами или даже использовать для анода пластины-электроды, на которых образуются крупные пузырьки воздуха, а в качестве материала катода использовать ворсовые углеродные ткани, на тонких нитях которых образуются мелкие пузырьки водорода, уносимые вниз очищаемой водой [14,15].
Обычно структура потоков во флотационных и электрофлотационных аппаратах существенно отличается от идеального смешения, особенно для аппаратов большого объема. Ни импеллеры, ни пузырьки газа в напорной флотации не могут мгновенно выравнивать концентрацию частиц или капель дисперсной фазы по всему объему аппарата, т.е. создавать безградиентный дс концентрационный фон [48,40] —- = 0 , где j=l,2 - соответственно частицы их, или капельки дисперсной фазы и пузырьки газа; 1=1,2,3 - оси координат x,y,z. Соответственно дифференциальная функция распределения частиц по времени пребывания (РВП-функция) не описывается экспоненциальной зависимостью
Насос для перекачивания и обеззараживания сточных вод
Традиционные методы очистки не позволяют достичь требуемых стандартов качества, поскольку очищенная вода по-прежнему содержит значительное количество микроорганизмов. Вследствие этого возникает необходимость в доочистке и обеззараживании воды [99,102].
Из практики очистки сточных вод известно, что при первичном отстаивании количество бактерий группы кишечной палочки сокращается на 30-40%, а после вторичных отстойников на 90 -95%. Следовательно, для полного освобождения сточных вод от патогенных бактерий и вирусов необходимо применение специальных методов обеззараживания.
В работе станции очистки сточных вод города, предлагается использовать насос для перекачивания и обеззараживания сточных вод [52]. Насос содержит привод, вертикальный вал, с закрепленным на нем, центробежным колесом и шнеком, установленном в цилиндрическом корпусе, в обечайке которого выполнены всасывающие окна, и выходной патрубок. При этом вертикальный вал установлен в подшипниках; выполненных из диэлектрического материала, и имеет муфту, соединяющую его с приводом и выполненную так же из диэлектрического материала. На валу ниже муфты установлен скользящий электрический контакт, присоединенный к положительному полюсу источника постоянного тока, а корпус имеет заземление.
На рис.3.7. изображен предлагаемый насос для перекачивания и обеззараживания сточных вод.
Известны по отдельности канализационные насосы для перекачивания сточных вод и устройства для обеззараживания сточных вод [12,79].
Преимущество предлагаемого устройства заключается в том, что принудительное перекачивание очищаемой жидкости происходит одновременно с ее обеззараживанием за счет пропускания через очищаемую жидкость электрического тока с предотвращением пробок из частиц и веществ, находящихся в очищаемой жидкости.
Насос работает следующим образом. Обечайку корпуса заглубляют в перекачиваемую сточную воду и включают привод, а на скользящий электрический контакт от источника постоянного тока подают положительный потенциал.
Привод вращает вал, вместе с которым вращается центробежное рабочее колесо и шнек. Сточная вода через всасывающие окна поступает на шнек и поднимается им на центробежное рабочее колесо, которым выбрасывается через выходной патрубок. Одновременно при движении сточной воды между шнеком и обечайкой за счет разности потенциалов по сточной воде идет электрический ток, который уничтожает микроорганизмы. Тоже происходит при движении сточной воды между центробежным рабочим колесом и цилиндрическим корпусом. Так как подшипники и муфта выполнены из диэлектрического материала, то короткого замыкания между валом, корпусом, обечайкой и приводом не происходит и весь ток идет через прокачиваемую сточную воду.
Предлагаемое устройство насоса позволяет одновременно с их перекачиванием проводить обеззараживание, так как необходимое время обработки сточной воды электрическим током обеспечивается длиной шнека между телом которого и обечайкой происходит основное обеззараживание сточной воды и ее интенсивное перемешивание, предотвращающее образования застойных зон и зон байпасирования так, что все микроорганизмы находятся в зоне воздействия электрического тока время, достаточное для их уничтожения.
Содержащиеся в очищаемой сточной воде механические примеси (органические и минеральные) могут иметь значительные концентрации и размеры. Шнек разрушает крупные слипшиеся агрегаты частиц и предотвращает забивание насоса механическими примесями и одновременно является анодом, что приводит к обеззараживанию перекачиваемых сточных вод, увеличению производительности и упрощению обслуживания.
Это устройство можно использовать как для перекачивания поступающих на станцию очистки городских сточных вод, так и для спуска очищенных вод в водоем.
Сравнение существующей и предлагаемой схем очистки сточных вод г.Элиста
Даная работа направлена на усовершенствование работы станции по очистке сточных вод города Элисты. Цель достигается установкой дополнительного современного оборудования на имеющиеся сооружения, а также введением дополнительного блока доочистки.
На этапе механической очистки сточных вод улавливаются крупные фракции и включения, которые собираются и вывозятся на полигон твердых бытовых отходов. Как показывает практика, целесообразна переработка этого мусора, путем измельчения, что дает возможность измельченный материал подвергать дальнейшей очистке со сточной водой. При этом отпадает необходимость транспортировки его на полигон складирования отходов и устраняется дополнительный фактор влияния на окружающую среду. В предложенной схеме используется устройство для измельчения материала [83]. Там же целесообразно использовать устройство для очистки воздуха — циклон [89], совмещающий процесс очистки в центробежном и электрическом полях, что также снижает воздействие на среду (описание конструкций см. главу 3).
В связи с увеличением количества сточных вод и длительным сроком эксплуатации сооружений, аэротенки работают неэффективно. Предложено для нивелирования пиковых нагрузок по расходу очищаемой воды и БГЖ произвести замену аэраторов на электродные модули или дополнить аэраторы электродными модулями [73], что позволяет регулировать процесс очистки в зависимости от нагрузки. Так же можно дополнить биологическую очистку электробиофильтрами [82], позволяющими повысить степень-очистки. Электробиофильтры могут быть использованы для локальной очистки стоков на предприятиях города, которые предусмотрены в плане строительства города, чтобы уменьшить нагрузку на городские очистные сооружения.
В сооружениях очистки городских сточных вод рекомендуется использовать для доочистки сточных вод физико-химические методы [91,92]. Доочистку предлагается производить в электрокоагуляторах и электрофлотаторах, причем ее можно производить при пиковых нагрузках или в аварийных ситуациях, так как особенностью этих способов является быстрота ввода в эксплуатацию. Для выпуска сточных вод в водоем необходимо уничтожение в них патогенных микробов, то есть очищенная вода должна пройти обеззараживание. В существующей схеме используется традиционный метод — хлорирование. Как показывают отчеты по результатам анализа сточных вод, это приводит к спуску вод с высоким содержанием хлоридов. В предлагаемой схеме обеззараживание можно проводить путем обработки сточных вод электрическими полями. Это позволяет осуществлять уничтожение микроорганизмов без использования химических реагентов. Обеззараживание осуществляется с помощью достаточно простых технических решений, например, с помощью насоса для перекачивания и обеззараживания сточных вод [52], а также на всех этапах очистки, так как нами предлагается применять электрический ток в окситенках, биофильтрах, флотаторах, коагуляторах. Насос [52] можно использовать для перекачивания очищаемой воды между этапами очистки и при перекачивании активного ила, что упрощает обеззараживание на сооружениях переработки осадков сточных вод. На рис. 4.1 и 4.2 представлены блок-схемы существующей и предлагаемой систем очистки на станции очистки городских сточных вод г. Элисты. Существующая схема очистки дополнена: - на стадии механической очистки - блоком измельчения твердых отходов и очистки вентиляционных выбросов от дисперсной фазы; - на стадии биологической очистки — электроокситенком для нивелирования пиковых нагрузок по расходу сточных вод и БПК и электробиофильтры, или установить на дно коридоров аэротенков модули электроокситенка; на стадии физико-химической очистки (доочистки) -электрокоангулятором или электрофлотатором; - на стадии обеззараживания - хлорирование заменить или дополнить системой обеззараживания воды в электрическом поле; - на стадии обработки осадка — абсорбционной насадочной колонной для разделения смеси метана с диоксидом углерода. Выбранное технологическое решение учитывает общие принципы очистки бытовых сточных вод, а также специфические требования к качеству очищенной воды, так как после очистки сточные воды сбрасываются в реку. Предлагаемое оборудование отвечает требованиям в области современных технологий очистки бытовых сточных вод. Экономический эффект достигается предотвращение экологического ущерба. Конкретный расчет экономического ущерба от загрязнения водоемов (заражение регионов, заболевания людей, гибель рыбы и т.д.) может быть осуществлен прямым методом учета всех потерь путем сбора и обработки данных в стоимостном выражении. Этот метод трудоемок и широко не используется. В общем виде оценка экономического ущерба, причиняемого годовыми выбросами загрязнений в отдельные природные компоненты от отдельных стационарных источников загрязнения, [42, 61] ведется по формуле: У= yGM=yavZai m,-, где у - коэффициент, учитывающий время введения мероприятия по пуску очистных сооружений (руб/усл.т), косвенно учитывающий фактор времени, устанавливается природоохранными службами на основе климатических условий, экономического развития региона и т.д.; а - относительная опасность загрязнения, коэффициент, имеющий разные значения для различных водоемов; М - приведенная масса годового выброса сточных вод (усл.т/год); а{ - коэффициент приведения различных вредных веществ к агрегированному виду, характеризует относительную опасность і-вредного вещества для биоты; ті - фактический объем выброса (сброса) і-вредного вещества. Экономический ущерб от загрязнения водных объектов может быть рассчитан по формуле
