Содержание к диссертации
Введение
Глава 1 . Анализ сооружений по обработке осадков сточных вод 11
1.1. Состав и свойства осадков сточных вод 11
1.2. Обезвоживание осадков сточных вод 16
1.2.1. Гравитационное уплотнение осадков 18
1.2.2. Механическое обезвоживание осадков 19
1.3. Термическая обработка осадков 25
1.3.1. Классификация отходов 25
1.3.2. Методы термической обработки осадков 26
1.4. Утилизация осадков сточных вод 35
1.5. Депонирование осадков сточных вод 46
Выводы 52
Глава 2. Краткая характеристика очистных сооружений Нижегородской станции аэрации (НСА) 54
2.1. Технология очистки сточных вод 54
2.2. Система механической очистки 60
2.3. Система биологической очистки 60
2.4. Система обработки осадков 61
Выводы 65
Глава 3. Интенсификация процесса гравитационного уплотнения осадков сточных вод 67
3.1. Интенсификация гравитационного уплотнения ила реагентами 67
3.1.1. Методика проведения исследований 69
3.1.2. Результаты исследований 70
3.2. Интенсификация гравитационного уплотнения ила омагничиванием ... 85
3.2.1. Методика проведения исследований 88
3.2.2. Результаты исследований 89
Выводы 103
Глава 4. Совершенствование технологий обработки осадков сточных вод на Нижегородской станции аэрации 104
4.1. Состав осадков, поступающих на обезвоживание 104
4.2. Сооружения цеха обработки осадков 104
4.3. Оптимизация работы участка механического обезвоживания осадков... 107
4.3.1. Выбор оптимальной концентрации раствора реагента 109
4.3.2. Выбор оптимальной скорости движения лент на фильтр-прессе
4.3.3. Выбор оптимального давления фильтрующих лент 111
4.4. Состав сооружений и анализ работы сооружений участка механического обезвоживания осадка (УМОО) 113
Выводы 121
Глава 5. Построение моделей и оптимизация направлений технологических систем НСА 123
5.1. Общее понятие по организации системы и ее модели 123
5.2. Математическая модель технико-экономической системы 133
Выводы 163
Глава 6. Построение и анализ математических моделей НСА 164
6.1. Построение насыщенных моделей отдельных сооружений 164
6.2. Математическая модель и оптимизация работы участка механического обезвоживания осадка 172
Выводы 179
Выводы по диссертации 180
Список использованной литературы 182
Приложения 198
- Методы термической обработки осадков
- Интенсификация гравитационного уплотнения ила омагничиванием
- Состав сооружений и анализ работы сооружений участка механического обезвоживания осадка (УМОО)
- Математическая модель и оптимизация работы участка механического обезвоживания осадка
Введение к работе
Актуальность темы. Охрана окружающей среды и рациональное использование природных ресурсов - одна из актуальных проблем современности. Возникновение локальных кризисов и катастроф антропогенного происхождения привели к необходимости пересмотра взаимоотношений «природа - человечество» и поиска путей их гармонизации. Взаимосвязь «вода - здоровье человека» - один из главнейших приоритетов природоохранной деятельности. Снижение уровня загрязнений водных экосистем и ликвидация их источников признается Всемирной организацией здравоохранения (ВОЗ) главной стратегической задачей охраны здоровья населения в целом.
В 1998 г. Правительством Российской Федерации принято постановление « О концепции федеральной целевой программы «Обеспечение населения России питьевой водой» и осуществлении первоочередных мероприятий по улучшению водоснабжения населения». Для обеспечения безопасного водопользования требуется решить основные задачи: обезвреживание отходов всех сфер хозяйственной деятельности; уменьшение поступления неочищенных и недостаточно очищенных сточных вод в водные объекты и, в основном, доведение к 2010 г. качества воды в поверхностных питьевых водоисточниках до показателей 2-го класса по критерию пригодности для централизованного хозяйственно-питьевого водоснабжения.
С 30-х до 50-х гг. прошлого века (первый этап) при организации сбросов городских и производственных стоков значительная нагрузка возлагалась на разбавление загрязнений в водоемах. Недостатки этого метода проявились в интенсивном загрязнении водоемов.
С 50-х до 70-х гг. (второй этап) осуществлялось массовое строительство городских сооружений биологической очистки сточных вод. В процессе эксплуатации очистных сооружений было установлено, что они не справлялись с непрерывно возрастающими нагрузками по производительности, массе и химическому составу загрязнений.
Начиная с конца 70-х годов (третий этап) взят курс на создание и широкое внедрение в практику малоотходных, ресурсоэнергосберегающих технологических процессов. Накопленный опыт показал, что это направление является наиболее перспективным с учетом современных экологических требований.
В этой связи требуется разработка новых технологий по очистке сточных вод, переработке и утилизации осадков, образующихся при их очистке.
Очистные сооружения канализации крупных городов, как правило, выполнены по типовым проектам с традиционной технологией обработки осадков, предусматривающей его сбраживание и обезвоживание на иловых картах. Эта технология является несовершенной и не удовлетворяет современным требованиям, предъявляемым природоохранными службами.
Основная масса загрязнений, выделяемых в процессе очистки сточных вод на городских очистных сооружениях (ГОС), накапливается на их территории (на иловых полях, в шламонакопителях, на полигонах, в отвалах и т.д.). Часть осадка несанкционированно вывозится на сельскохозяйственные поля в качестве удобрения. В процессе хранения осадков имеют место сбросы и смывы их в водоемы. Количество влажных осадков (95-97 %), образующихся на ГОС Рос-сии, составляет более 90 млн м в год, или 2,7-4,5 млн т в год по сухому веществу. При этом не более 10 % из них вывозится, подвергается утилизации, используется в промышленности или в сельском хозяйстве в качестве удобрения.
В России ежегодно образуется 360 кг отходов на одного человека, избавиться от которых можно либо переработав их, либо захоронив. Однако 90 % отходов в нашей стране захораниваются на полигонах (в развитых странах эта цифра колеблется между 40-70 %). Полигоны занимают значительные территории, зачастую не соответствуют требованиям, предъявляемым к ним, и превращаются в свалки, загрязняющие среду обитания.
Наличие в осадках большого количества промышленных отходов ограничивает возможность их использования в качестве удобрения, усложняет решение задач по утилизации в народном хозяйстве (особенно химической, строительной, энергетической и др. отраслях). В осадках ГОС содержится большое
количество солей тяжелых и щелочно-земельных металлов, соединений мышьяка, кадмия, циана, ядохимикатов и других деструктированных групп соединений органических веществ неизвестного характера, возможно и канцерогенных (красители, пигменты, ПАВ и др.). Так, в осадках Нижегородской станции аэрации (НСА) после фильтр-прессов содержание металлов значительно превышает допустимые концентрации в почве: никеля в 10 раз, цинка, кадмия -более чем в 100 раз, что делает невозможным использование этих осадков в качестве органического удобрения для сельскохозяйственных культур.
Общий объем осадков, выделяемых в процессе очистки сточных вод на ГОС в городах России, колеблется в широких диапазонах и обычно составляет 0,5-1,5 % от объема сточных вод. Например, на ГОС г. Н. Новгорода объем осадков составляет ~ 4000 м в сутки (0,47 % от объема сточных вод). Из них: сброженного осадка после метантенков - 0,44 %, влажностью 97,8 %; после первичных отстойников - 0,1 %, влажностью 93,8 %; после вторичных отстойников - 0,91 %, влажностью 99,37 %; уплотненного избыточного активного ила - 0,33 %, влажностью 97,5 %.
Анализ осадков сточных вод на НСА свидетельствует, что по основным показателям он соответствует осадкам очистных станций гг. Москвы, Харькова, Тольятти, С.-Петербурга, Калинина и др. Вместе с тем осадки станции аэрации г. Н. Новгорода несколько отличаются от аналогичных осадков станций других городов. Так, осадок первичных отстойников при влажности 93,8 % и органической части 61,0 % содержит в своем составе свинца, цинка, меди соответственно до 300, 2200 и 3200 мг/кг сухого вещества. В нем присутствует значительное количество нефтепродуктов, фосфора, азота.
Более 80 % осадков в стране подсушиваются на иловых полях - низкоэффективных, экологически опасных сооружениях, требующих, к тому же, отчуждения значительных земельных участков. Низкая эффективность, отсутствие свободных земель, использование маломеханизированных процессов уборки и транспортирования осадков вызывают необходимость замены иловых площадок на высокопроизводительные методы обезвоживания - механические, по-
7 вышения эффективности первоначальной обработки осадков (отстаивания, уплотнения и др.).
Разработка рациональной технологии предварительной подготовки осадков представляет в каждом конкретном случае весьма трудную инженерно-экономическую задачу, решение которой требует проведения сложных экспериментальных исследований. Выбор рациональной технологии обработки осадков зависит от объема, физико-химических свойств осадков, стоимостных и других показателей.
Переработка и утилизация осадков, образующихся на сооружениях биологической очистки городских сточных вод, является одной из наиболее актуальных задач в области обеспечения экологической безопасности городов.
Обработка осадков в последние годы выдвигается в число наиболее трудных, дорогостоящих и наименее разработанных проблем в области очистки сточных вод. Целью обработки осадков является получение конечного продукта, свойства которого обеспечивают возможность его утилизации, использования в качестве товарного продукта и минимизации ущерба, наносимого окружающей среде.
Научно-исследовательская работа выполнялась в период с 1999 по 2005 год в соответствии с федеральной целевой программой (ФЦП) «Оздоровление экологической обстановки на реке Волге и ее притоках, восстановления и предотвращения деградации природных комплексов Волжского бассейна - Программа «Возрождение Волги» и закона Российской Федерации «Об охране окружающей природной среды».
Целью диссертационной работы является совершенствование существующих и исследование новых технологически целесообразных, высокоэффективных, экологически безопасных приемов и технологий обработки осадков сточных вод (ОСВ), обладающих высоким уровнем надежности, гибкости и автоматизации.
Для реализации цели были поставлены и решены следующие задачи:
Выполнена оценка работы существующих технологий систем обезвоживания осадков.
Проведены исследования по интенсификации процессов гравитационного уплотнения осадков с использованием высокоэффективных реагентов.
Установлены закономерности механического обезвоживания осадков с учетом расчетной зависимости процесса фильтр - прессования в зависимости от основных технологических факторов (давления, вида и дозы реагента, продолжительности процесса и др.) и на основе экспериментальных данных получены расчетные зависимости процесса фильтр-прессования.
Изучено влияние магнитной обработки на обезвоживание ОСВ.
Разработаны математические модели НСА и отдельных ее подсистем.
Обоснованы и решены математические задачи оптимизации технологических параметров системы обезвоживания осадков.
Предложены математические и структурные модели иерархических систем при различных технико-экономических условиях работы.
Научная новизна работы заключается:
в комплексном проведении исследований по интенсификации гравитационного процесса уплотнения осадков с использованием высокоэффективных реагентов и омагничивания;
в установлении закономерностей механического процесса обезвоживания осадков в зависимости от технологических факторов;
в проведении экспериментальных и производственных исследований новых технологических приемов и схем обработки осадков;
в получении графоаналитических зависимостей, описывающих процессы обработки осадков;
в математической постановке и решении задач оптимизации технологи-
!
ческих параметров. !
Практическая значимость и реализация работы. В результате исследований уплотнения избыточного активного ила отечественными реагентами наиболее эффективными оказались суперфосфат и «Окшара», при применении
9 которых влажность уплотненного осадка составляет ~ 91 %. Низкотемпературный нагрев уплотненного ила (~ 50-70 С) позволил сократить продолжительность уплотнения ила до 2 ч при одновременном снижении дозы реагентов.
Внедрение механического обезвоживания осадка позволило снизить нагрузку на иловые поля и обеспечить их эксплуатацию без превышения регла-ментированной удельной нагрузки (0,9 м /м в год). При механическом обезвоживании осадка исключается длительность его просушки на иловых полях (3-5 лет), что является важным природоохранным фактором.
На участке механического обезвоживания осадков (УМОО) был смонтирован блок из двух ленточных фильтр-прессов фирмы "Andritz" (Австрия). Про-изводительность одного фильтр-пресса до 35,5м /ч сброженного ила при непрерывной работе. Размеры здания позволяют разместить 5-6 ленточных фильтр-прессов данного типа.
Годовой экономический эффект от внедрения составил 1,5 млн. рублей в ценах 2006 г.
Апробация работы. Основные положения диссертации изложены и одобрены на международной научно-практической конференции «Вторичные ресурсы: социально-экономические и технологические аспекты», г. Пенза, 1999; на научно-технической конференции профессорско-преподавательского состава, докторантов, аспирантов и студентов «Архитектура и строительство-2000», г. Н. Новгород, 2000; на целевом профессионально-ориентированном семинаре по проблемам реализации новых конкурентоспособных отечественных технологий «Очистка, переработка и утилизация осадков и илов станций биологической очистки сточных вод», г. Н. Новгород, 2002; на II Всероссийской научно-практической конференции «Водохозяйственный комплекс России: состояние, проблемы, перспективы», г. Пенза, 2004; на VII Международном научно-промышленном форуме «Великие реки - 2005», г. Н. Новгород, 2005; на VIII Международной научно-практической конференции «Города России: проблемы строительства, инженерного обеспечения, благоустройства и экологии», г. Пен-
10 за, 2006; на научных семинарах кафедры водоснабжения и водоотведения ННГАСУ в 1999-2006 гг. На защиту выносятся:
результаты комплексных исследований оценки эффективности работы существующих технологий очистки сточных вод и обработки осадков;
результаты экспериментально-теоретических исследований с обоснованием экономической целесообразности и технической возможности работы станции по новым технологиям;
математический подход к построению моделей, основанный на пассивном сборе информации при предварительно известных интервалах изменения отдельных факторов;
математические модели отдельных подсистем станции аэрации;
- математическая модель процесса обезвоживания осадка.
Публикации. По материалам диссертации опубликовано 19 работ, в том
числе 12 статей, 4 тезиса докладов на международных, всероссийских и региональных семинарах и конференциях, 3 отчета по научно-исследовательской работе.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, 6 глав, основных выводов, списка литературы и приложений. Общий объем работы 204 страницы машинописного текста, включая 65 рисунков, 53 таблицы, библиографический список из 173 наименований и трех приложений.
Основные анализы выполнялись в аккредитованной химико-бактериологической лаборатории, входящей в состав Нижегородской станции аэрации (НСА). При выполнении исследовательских работ автору постоянно оказывалась помощь со стороны заведующей лаборатории Д.С. Шабановой и сотрудников (Т.И. Кляблиной, А.Г. Бурмистрова, Т.С. Лысенкова).
Автор выражает особую благодарность за научную, практическую и консультативную помощь профессорам В.В. Найденко, Л.Н. Губанову, начальнику Нижегородской станции аэрации М.С. Шмелеву и главному инженеру Е.В. Шаткову.
Методы термической обработки осадков
Этим методом можно ликвидировать вязкие, пастообразные отходы, влажные осадки, пластмассы, шламы с большим содержанием золы; загрязненную мазутом, маслами и другими соединениями землю; сильно пылящие отходы с легко увлекаемыми газом частицами; отходы, содержащие соли и металлы, которые плавятся и возгораются при нормальных температурах сжигания; отработанные шины, кабели в измельченном состоянии, автомобильный скрап и т.п. Обычно окислительный пиролиз проводят при 600-900 С (температура нагрева отходов).
При сжигании газов пиролиза дымовые газы меньше загрязнены летучей золой и сажей, чем при прямом сжигании отходов, что позволяет использовать их без дополнительной очистки для выработки водяного пара и в других целях. Имеются сведения, что тяжелые металлы, содержащиеся в отходах, фиксируются в коксовом остатке; кроме того, при пиролизе шестивалентный токсичный хром превращается в нетоксичный трехвалентный.
Окислительный пиролиз отходов осуществляют во вращающихся барабанных реакторах, в шахтных реакторах с вращающимся подом, в многоподовых реакторах, в реакторах с псевдоожиженным слоем.
За рубежом указанный метод считают перспективным направлением ликвидации специальных промышленных твердых отходов и осадков сточных вод. Освоение в России опытно-промышленной установки окислительного пиролиза твердых отходов во вращающемся барабанном реакторе осуществлено в г. С.-Петербурге. Под сухим пиролизом понимают процесс термического разложения отходов, твердого и жидкого топлива без доступа кислорода. В результате сухого пиролиза отходов образуются пиролизный газ с высокой теплотой сгорания, жидкие продукты и твердый углеродистый осадок. Количество и качество продуктов сухого пиролиза зависят от состава отходов и температуры процесса. В зависимости от температуры различают три вида сухого пиролиза: - низкотемпературный пиролиз, или полукоксование (450-550 С), при котором максимален выход жидких продуктов и твердого остатка (полукокса) и минимален выход пиролизного газа с максимальной теплотой сгорания; - среднетемпературный пиролиз, или среднетемпературное коксование (до 800 С), при котором выход газа увеличивается при уменьшении его теплоты сгорания, а выход жидких продуктов и коксового остатка уменьшается; - высокотемпературный пиролиз, или коксование (900-1050 С), при котором минимален выход жидких продуктов и твердого остатка, но максимален выход пиролизных газов с минимальной теплотой сгорания. Низкотемпературный пиролиз отходов осуществляют с целью получения первичной смолы - наиболее ценного источника жидкого топлива - и различных химических продуктов. Сухой пиролиз некондиционных каучуков позволяет получить мономеры, которые могут быть вновь использованы в производстве синтетических каучуков. Основной целью высокотемпературного сухого пиролиза отходов является получение высококачественного горючего газа. При высокотемпературном сухом пиролизе первичные пары смолы и пиролизный газ, двигаясь через слой отходов и соприкасаясь с раскаленными стенками реактора и поверхностью уже образовавшегося кокса, подвергаются вторичным изменениям. Легкая первичная смола термически разлагается с выделением горючих газов, тяжелой смолы и смоляного кокса. Подвергается термическому разложению и первичный пиролизный газ. В результате этих процессов уменьшается выход смолы и содержание в ней легких ценных фракций. За счет разложения первичной смолы увеличивается выход пиролизного газа. Снижение теплоты его сгорания происходит вследствие разложения углеводородных компонентов первичного пиролизного газа. Теплота сгорания пиролизного газа составляет 12-15 МДж/м3. Такой газ можно транспортировать на значительные расстояния. Кокс, получаемый при сухом пиролизе отходов, можно использовать в различных целях, в зависимости от его состава и физических свойств. При пироли 32 зе твердых отходов нефтеперерабатывающих производств кокс с зольностью до 50 % после небольшой дополнительной обработки может быть применен в качестве заменителя природных и синтетических углеродсодержащих материалов. Коксовый остаток после пиролиза осадков сточных вод можно использовать в качестве сорбента на станциях водоподготовки и очистки сточных вод. При пиролизе изношенных автомобильных покрышек получают газовую сажу, широко используемую в производстве резиновых технических изделий, пластмасс, типографских красок, пигментов. Возможны и другие направления использования твердого углеродистого остатка. Сухой пиролиз отходов можно осуществлять в реакторах с внешним и внутренним обогревом. Внешний обогрев применяют в реакторах в виде вертикальных реторт, во вращающихся барабанных реакторах. В этих аппаратах пи-ролизные газы не подвергаются какому-либо разбавлению газовыми теплоносителями, поэтому характеризуются высокой теплотой сгорания. Ввиду отсутствия фильтрации через слой отходов газовых теплоносителей пиролизныи газ этих реакторов содержит минимальное количество пыли.
В реакторах с внутренним обогревом (вертикальные шахтные, с псевдо-ожиженным слоем, вращающиеся барабанные) в качестве теплоносителя используют газы, нагретые до 600-900 С и химически не реагирующие с отходами (инертные и горючие газы, не содержащие кислорода). Наиболее целесообразно в качестве теплоносителя использовать рециркулирующии пиролизныи газ. При этом исключается разбавление продуктового пиролизного газа и ухудшение его качества. В связи с применением газообразных теплоносителей повышается запыленность продуктового пиролизного газа. В то же время, внутренний обогрев конвекцией существенно интенсифицирует процесс пиролиза и сокращает габариты реактора по сравнению с внешним обогревом за счет теплопроводности.
Исследования процессов сжигания, окислительного и сухого пиролиза различных осадков сточных вод позволили установить, что сухой пиролиз наиболее экономически эффективен и оказывает наименьшее влияние на окружаю 33 щую среду. Наиболее эффективным способом утилизации твердых органических отходов на современном уровне развития техники также признан пиролиз. Однако в отношении целесообразности сухого пиролиза или сжигания твердых бытовых и некоторых промышленных отходов мнения специалистов расходятся. Наиболее перспективным считают пиролиз специальных промышленных отходов, прямое сжигание которых затруднено, а также осадков сточных вод.
За рубежом метод сухого пиролиза твердых промышленных отходов находится на стадии освоения опытных установок. В России проводятся исследования процесса на лабораторных установках.
Плазменный метод применяют для обезвреживания жидких и газообразных отходов двумя путями: плазмохимической ликвидацией особо опасных высокотоксичных отходов; плазмохимической переработкой отходов с целью получения товарных продуктов.
Интенсификация гравитационного уплотнения ила омагничиванием
Анализ литературных данных показывает, что магнитная обработка жидких сред позволяет: уменьшить накипеобразование; снизить скорость коррозийных процессов; ускорить процессы коагуляции примесей в воде; изменить структуру и свойство осадков и др. Особый интерес представляют работы по воздействию магнитных полей на перомагнитные взвеси.
Изучение влияния магнитных полей на различные физико-химические процессы в системах, в частности на осадки бытовых стоков, не имеющих в своем составе частиц с ферромагнитными свойствами, представляют особый интерес.
Щукиной Л.Н. проводились опыты на суспензии каолина, концентрация которого менялась в пределах от 200 до 600 мг/л. Коагулянты (хлорное железо, сульфат алюминия) вводились как до, так и после обработки суспензии в магнитном поле. За критерий оценки было принято изменение эффекта осветления во времени. Испытывалось также многократное пропускание суспензии через активатор с последующим введением коагулянта, а также действие магнитного поля на смесь суспензии с коагулянтами. Напряженность магнитного поля менялась в пределах 0,237 х 105 -1,422 х 105 А/м (300-1800 Эрстед). Результаты опытов получились стабильными и не трансформировались в зависимости от временного интервала с момента выхода суспензии из магнитного поля до ввода коагулянта. Хотя при описанных условиях повышение эффекта осветления под действием магнитного поля не наблюдалось, но автор считает, что проведенные исследования не являются исчерпывающими в данной области.
Анализ многочисленных опытных данных показывает, что магнитная обработка водных систем (растворов, коллоидов, осадков) приводит во всех случаях к своеобразному стремлению воды «вытолкнуть» из себя все посторонние примеси. В связи с этим можно предположить, что магнитная обработка водных растворов приводит к интенсификации ряда физических и химических процессов и реакций, протекающих в них.
Результаты исследований по омагничиванию воды, водных растворов и электролитов, сточных вод, бытовых и производственных осадков указывают на возможность и перспективность омагничивания для интенсификации процессов обработки осадков, совершенствования традиционных технологических процессов: отстаивания, фильтрования, обезвоживания. В процессе исследований, выполненных многими учеными, накоплен большой и разнообразный материал, позволяющий отнести проблему магнитной обработки воды и водных систем к числу значительных научно-технических направлений.
Вместе с тем теория этого явления остается до сих пор невыясненной, а существующие теоретические предпосылки не могут пока претендовать на закономерность.
В настоящее время наиболее узким местом рассматриваемой проблемы является выяснение механизма процессов, происходящих в водных системах при магнитной обработке. Без этого невозможно решать задачи прогнозирования, управления процессами, конструирования промышленных аппаратов, а также оптимизации электрических и гидродинамических режимов обработки водных систем. Теория магнитной обработки, которую еще предстоит разработать, должна учитывать и объяснить существующие зависимости эффекта обработки от времени, напряженности магнитного поля, скорости потока, пересекающего силовые линии магнитного поля и т.д. Необходимо выяснить влияние вида и концентрации примесей, объяснить все протекающие химико-физические изменения водных систем. Теоретические разработки электромагнитной обработки водных систем находятся в основном на стадии обоснования гипотез. Накопленный экспериментальный материал позволил выдвинуть ряд гипотез, удовлетворительно объясняющих отдельные стороны эффекта омагничивания водных сред. Многочисленные предложенные гипотезы можно классифицировать следующим образом: 1. Основанные на влиянии полей на собственно воду, все виды примесей и даже ионы-продукты диссоциации воды не учитываются. 2. Основная роль отводится ионам, всегда присутствующим в воде. 3. Основанные на влияние магнитных полей на коллоидные микрочастицы, особенно ферро-парамагнитные. На основании проведенного анализа воздействия магнитной обработки на водные дисперсии сделаны следующие выводы: 1. Отмечается изменение физико-химических характеристик гидродисперсий в процессе омагничивания. 2. Механизм, характер процесса омагничивания гидродисперсий до настоящего времени не установлен. 3. Одним из перспективных направлений интенсификации традиционных сооружений механической очистки сточных вод: отстаивания, флотации, фильтрования может стать омагничивание водных сред перед подачей на сооружения или в процессе реализации собственно процессов.
Состав сооружений и анализ работы сооружений участка механического обезвоживания осадка (УМОО)
Мазераторы (1,2) предназначены для измельчения твердых и волосяных отбросов, содержащихся в поступающем осадке.
Иловые насосы (3,4) предназначены для подачи осадка на фильтр-пресс. Насосы - червячного типа, что обеспечивает возможность изменения их произ 116 водительности в широком диапазоне. Марка насоса SRF 100/1/2,5 Seepex. Параметры: производительность 8-41 м3/ч; рабочее давление 1 кгс/см2; мощность 7,6 кВт; число оборотов 76-400 мин"1. Страна производитель - Франция.
Флокуляторы (5,6) представляют собой пластиковые баки емкостью 400 л каждый. Они обеспечивают время, необходимое для образования флоккул в осадке, перед его подачей на обезвоживание. Во флокуляторах установлены лопастные мешалки, которые обеспечивают медленное перемешивание осадка.
Ввод раствора флокулянта производится сразу после илового насоса, что обеспечивает высокую степень перемешивания. Предусмотрен также ввод реагента непосредственно перед флокулятором.
Установки механического обезвоживания осадка. Гравитационный стол предназначен для предварительного обезвоживания осадка. Он позволяет снизить влажность осадка до 90-92 % за счет гравитационной силы, поскольку обработка осадка реагентом значительно снижает его удельное сопротивление. После гравитационного стола осадок по консистенции напоминает густую сметану. Гравитационный стол имеет одну фильтрующую ленту, шириной 2,0 м. Скорость ленты плавно регулируется в диапазоне 1,5-6,5 м/мин. Для создания дренажных канавок предусмотрена система лопаток, установленных над рабочей зоной фильтрующей ленты.
Удаление осадка производится с помощью скребка. Промывка ленты производится после удаления осадка. Натяжение ленты-механическое, коррекция движения ленты производится специальным роликом. Перемещение ролика производится сжатым воздухом с помощью пневмоцилиндра. Предусмотрена система автоматической остановки при недопустимом перекосе ленты. Вода после промывки ленты смешивается с фугатом и удаляется в дренажный лоток. Марка гравитационного стола - ТЕ 20. Страна производитель - Австрия (г. Грац). Масса гравитационного стола 1,4 т. Фильтр-пресс - марка VS-20 IF. Страна производитель - Австрия. Фильтр-пресс имеет три зоны обезвоживания, которые осадок проходит последовательно: - гравитационная зона; - клиновая зона; - роликовая зона. Фильтр-пресс имеет две рабочие зоны. Гравитационная зона расположена на верхней ленте. На нее осадок поступает после гравитационного стола. В этой зоне происходит окончательное снижение влажности осадка за счет гравитационной силы. Влажность снижается до 87-89 %, и дальнейшее обезвоживание подобным способом эффекта не дает. Над гравитационной зоной расположены лопатки для создания дренажных канавок по всей длине зоны. Клиновая зона обеспечивается за счет плавного схождения двух фильтрующих лент под углом 8-10. При этом происходит сжатие осадка под давлением без смещения его частиц. Затем осадок попадает в роликовую зону, где последовательно проходит 7 роликов. При этом диаметр роликов постепенно уменьшается, а вертикальное расстояние между их осями увеличивается. Благодаря этому, плавно увеличивается сила, вызывающая смещение (сдвиг) частиц осадка относительно друг друга. Это способствует удалению не только свободной, но и механически связанной воды (разрушается капиллярная связь воды с твердой фазой осадка). После этого, происходит резкий поворот каждой ленты на угол 120. На этом повороте происходит отделение обезвоженного осадка от ленты и его удаление с помощью скребков. Натяжение лент производится с помощью сжатого воздуха через пневмо-цилиндры. Возможно изменение давления на каждой ленте в диапазоне 0-8 кгс/см2. Коррекция движения лент производится специальными роликами. Перемещение роликов производится сжатым воздухом с помощью пневмоцилинд-ров. Предусмотрена система автоматической остановки при недопустимом перекосе лент. Вода после промывки ленты смешивается с фугатом и удаляется в дренажный лоток. Горизонтальный шнековый транспортер RP 320 LG 8000, скорость вращения 20 об/мин. Мощность -1,1 кВт. Наклонный шнековый транспортер RP 420 LG 8000, скорость вращения 20 об/мин. Мощность - 3,0 кВт. Бункер кека имеет затвор, оборудованный электроприводом. Затвор закрывается при отсутствии под бункером автосамосвала. Обезвоженный осадок вывозится на полигон для временного складирования. Система подачи сжатого воздуха. Сжатый воздух используется для натяжения фильтрующих лент и коррекции их хода. Воздух подается в систему от компрессора. Рабочий диапазон компрессора 8-Ю кгс/см . Емкость ресивера -100 л. Привод компрессора - электрический. Система удаления фугата. Фугат от установок стекает в дренажный лоток, после чего попадает в дренажный резервуар. Емкость резервуара - 45 м3. В резервуаре установлены два насоса «Сарлин» производительностью 180 м3/ч каждый. Напор насосов 22 м. Включение и выключение насосов происходит автоматически. Фугат перекачивается по трубопроводу 0 325 мм на сооружения механической очистки. Совместно с фугатом удаляется вода от промывки лент. На УМОО в апреле 2002 г. был смонтирован блок из двух ленточных фильтр-прессов и пущен в эксплуатацию. Каждая из установок включает в себя: - мазератор (измельчитель отбросов); - иловый насос; - флокулятор; - гравитационный стол; - ленточный фильтр-пресс; - насос промывной воды. Кроме того, блок из двух установок имеет: - узел приготовления и дозировки раствора флокулянта; - пульт управления; - компрессор; - горизонтальный шнековый транспортер; - наклонный шнековый транспортер; - бункер для кека (обезвоженного осадка). На участке имеется дренажный резервуар с погружными насосами фирмы «Сарлин».
Математическая модель и оптимизация работы участка механического обезвоживания осадка
Предложенный выше метод линейного программирования для определения коэффициентов регрессии применим и в данном случае, все неизвестные определяются одновременно на основе анализа свойств строк и столбцов матрицы планирования. Обрабатываются как активные, так и пассивные экспериментальные данные. Точность значений в этом случае определяется большим числом опытов в активном случае. В пассивном эксперименте количество экспериментов сокращается за счет априорно-набранной информации.
Как следует из структур формул при применении методов планирования эксперимента образуются статические модели, не зависящие от времени. Конечная модель - модель области стационарности - в заданный момент совпадает с областью работоспособности, которая затем изменяется в зависимости от качества управления. Если учитывать, что все факторы х„ для данного технического объекта априорно заданы со всеми характеристиками, то переменными являются параметры b„(t), которые и определяют изменение функции отклика y{t) во времени. Таким образом задача определения вида траектории определяется видом функции b„{f).
На практике каждую из подсистем структуры водоотведения можно охарактеризовать тремя основными факторами: —-- расходом, подаваемым на вход; Т- временем прохождения определенной массы данной установки; G- количеством используемых реагентов в единицу времени. Обобщенный параметр оптимизации определяется произведением расхода вещества на выходе подсистем — на качество выданного материала. Эти мо dt дели в соответствии с двухуровневой организацией системы образуют задачу внутренней оптимизации. Выходные параметры образуют задачу временной задачи и образуют фазовое пространство, предлагаемое на рис. 5.13. Все параметры в целом образуют область работоспособности технологической системы. Отдельно выделяется область стабильности для каждого конкретного значения времени. При прогнозировании функций bn(t) можно определить область наилучшего приближения к оптимуму за интервал времени At. Тогда при условии знания границ области стабильности для каждого момента времени составляется условие оптимизации вида: Ограничения определяются уравнениями внутренней задачи для последовательности времен tc в заданном интервале At. Решение данной задачи сводится к задаче Чебышева и решается методами линейного программирования, рассмотренными выше. При этом необходимо учитывать, что все промежуточные установки проектируются при условии запаса по выходу на 20-30%. При замене отдельных агрегатов на агрегаты другого типа, а так же при увеличении общего количества агрегатов меняются значения величин bn(f) и тем самым в целом изменяется и вся задача оптимизации. Очевидным требованием задачи является стремление выражения (5.55) к нулю. Сравнение качества отдельных конфигураций систем водоотведения производится по этому принципу.
Как указывалось выше, для построения моделей использовались методы планированного эксперимента, суть которого состоит в том, что выходные параметры системы образуют поверхность отклика. В простых случаях процесс удается охарактеризовать одним обобщенным параметром оптимизации. Как представлено на рис. 5.13 поверхность отклика предполагается гладкой с одним максимумом. Если максимум имеет форму острого конуса, то нахождение экстремума резко осложняется.
Для поиска вершины предварительно выбирается подобласть области определения, задаваемая интервалами изменения факторов. Размер подобласти определяется шагами, т.е. направлением, перпендикулярным к пересечению поверхности отклика плоскостями равного значения функции отклика.
Приращение по каждому фактору пропорционально отношению полученных коэффициентов модели. На первом этапе модели считаются линейно зависимыми от каждого фактора. Предполагается, что на каждом шаге значение функции последовательно уменьшается или возрастает. В случае перехода через максимум, функция после уменьшения или возрастания соответственно увеличивается или уменьшается.
Тогда происходит переход модели второго порядка, по которой и ищется экстремум. Поверхность отклика может быть спроецирована на плоскость работоспособности объекта. В зависимости от вида организации системы, траектории движения представлены на рис. 5.14. Согласно РД по безопасности окружающей среды, обстановка на объекте считается аварийной, если отклонение основных параметров составляет 20-30% от номинальных значений. В этом пространстве выделяется подпространство стабилизации, т.е. устойчивой работы системы. Оно находится внутри эквидистантного пространства, при достижении которого равновероятен переход в подобласть стабилизации и в подоб 160 ласть аварийности. Предполагается, что устойчивость системы определяется по коэффициентам полученной модели.
В виду большого количества моделей, предполагается автоматизация их получения. В основу алгоритма заложено понятие значимости, т.е. получаемые коэффициенты должны превышать некоторую заранее определенную величину (критерий Стьюдента). Таким образом, при каждом эксперименте имеются детерминированная и стохастическая составляющие.
