Технология очистки воды фильтрованием методом направленного структурообразования осадка Фоминых, Владимир Александрович

Введение к работе

Актуальность проблемы. Общей проблемой технологии физико-химической очистки природных и сточных вод является необходимость дальнейшего усовершенствования процессов очистки как в теоретическом, так и в практическом инженерном отношении.

Для решения этой проблемы требуется обеспечить теоретическую связь отраслевой технологической науки с принципами и положениями фундаментальных наук, в первую очередь физической и коллоидной химии.

Любая технология как наука о производстве и как совокупность опытов производства, только тогда может считаться современной, когда решает вопросы эффективности и качества при условии охраны окружающей среды.

В настоящее время применительно к технологии очистки воды понятие «эффективность» в инженерной практике практически не применяется, а критерий эффективности не сформулирован даже на стадии постановки задачи. Для выбора и обоснования эффективности решения обычно применяется метод технико-экономического сравнения вариантов, что не гарантирует объективной оценки, т.к. данный метод не отражает в своей основе физико-химической и инженерно-технологической сущности сравниваемых технических решений, не говоря уже о том, что технико-экономические расчеты по существующей методике допускают достаточно субъективный подход.

Автором предложено в качестве критерия эффективности технологии фильтрования принимать прочность на сдвиг осадка, образующегося в межзерновом пространстве фильтрующей загрузки. Этот критерий зависит от целого комплекса физико-химических и технологических факторов, конструкции фильтровальных сооружений, а при прочих равных условиях - от типа применяемых реагентов: флокулянтов, коагулянтов и конкретной технологии реагентной обработки воды.

Таким образом, проблему эффективности технологии фильтрования можно решать по двум взаимосвязанным направлениям: повышение прочности осадка в объеме фильтрующей загрузки и совершенствование конструкции самой фильтрующей загрузки, в первую очередь, за счет применения фильтрующего материала с более совершенной геометрической структурой зерен и оптимизации фракционного состава фильтрующей загрузки.

Решение проблемы в первом направлении должно базироваться на теоретических основах технологии, сформированных на более глубоком применении понятий и представлений коллоидной и физической химии, физикохимии дисперсных систем. Решение по второму направлению определяется путем дальнейших разработок по теории фильтрования и технологическому моделированию, с учетом современных требований к технологии очистки природных и сточных вод.

Целью работы является дальнейшее развитие теоретических положений технологии очистки воды фильтрованием, включая методику технологического моделирования, и создание технологии фильтрования с направленным структуро-образованием осадка; определение и формулировка критерия эффективности тех-

РОС НАЦИОНАЛЬНАЯ{ БИБЛИОТЕКА 1

ЪЯмфю Г fill

нологии и обеспечение возможности критериальной оценки работы фильтровальных сооружений.

Задачи исследований:

1. На основе представлений физической и коллоидной химии, физикохимии дисперсных систем провести физико-химический анализ процессов реагентной технологии очистки воды, дать теоретическую оценку существующих технологий и определить направления по повышению их эффективности;

2. Установить основные физико-химические факторы, определяющие процесс структурообразования осадка при очистке воды и влияние этого процесса на эффективность современной технологии водоочистки; путем технологического моделирования изучить процесс формирования осадка в зернистой загрузке водоочистных фильтров, создать физико-химическую модель этого процесса и разработать механизм направленного структурообразования осадка с целью получения требуемого технологического эффекта;

3. Усовершенствовать методику технологического моделирования проф. A.M. Фоминых с учетом влияния параметров процесса фильтрования на определение требуемой высоты фильтрующей загрузки. По усовершенствованной методике провести технологическое моделирование и оптимизацию процесса фильтрования для скорых фильтров и контактных осветлителей;

4. Усовершенствовать, с учетом принятого критерия эффективности технологии фильтрования, рекомендуемую существующими нормативами конструкцию контактных осветлителей;

5. На базе выполненных исследований разработать комплекс инженерных технологий по очистке углесодержащих, нефтесодержащих и других типов сточных вод;

6. Разработать методику технико-экономической оценки эффективности технологии очистки воды фильтрованием.

Основные научные положения, защищаемые автором:

7. Критерий эффективности технологии очистки воды фильтрованием;

8. Метод направленного структурообразования как теоретическую и инженерную основу нового направления в технологии очистки воды фильтрованием;

9. Теоретические положения и инженерные рекомендации по определению высоты зернистой загрузки фильтровальных сооружений;

10. Усовершенствованная методика технологического моделирования и оптимизации процесса очистки воды фильтрованием;

11. Принципы конструирования загрузки контактного осветлителя, учитывающие влияние прочности осадка и диаметра зерен фильтрующей загрузки;

12. Технология «блок-фильтрования» как инженерная реализация метода направленного структурообразования, представленная комплексом инженерных технологий очистки сточных вод, в т.ч. углесодержащих, нефтесодержащих, автомоечных, ливневых и ряда других;

13. Методика технико-экономического обоснования и сравнения вариантов, основанная на применении показателя прочности осадка - интегрального крите-

рия, объективно и количественно, на физико-химической и технологической основе, отражающего эффективность принимаемых решений и соответствующих экономических показателей.

Достоверность научных положений обеспечивается: обоснованностью расчетных моделей, использующих соответствующие положения физической химии, коллоидной химии, гидравлики зернистых материалов и базирующихся на физических моделях и гипотезах, являющихся дальнейшим развитием апробированных моделей;

достаточной степенью совпадения результатов теоретических расчетов автора по определению основных технологических параметров процесса фильтрования с экспериментальными данными и результатами производственных испытаний и эксплуатации сооружений;

достаточным объемом экспериментальных данных, полученных путем технологического моделирования процесса фильтрования с учетом влияния высоты фильтрующей загрузки на показатели и параметры процесса;

Научная новизна работы:

14. Разработано новое направление в технологии очистки воды - фильтрование методом направленного структурообразования осадка и даны его теоретические и инженерные основы;

15. Предложена новая физическая модель технологии очистки воды фильтрованием, в основу которой положены принципы образования и формирования структуры осадка в межзерновом пространстве фильтрующей загрузки и влияние параметров данной структуры на процесс фильтрования;

16. Предложено и обосновано новое понятие «коэффициент потери структурной прочности осадка К» и составлено уравнение снижения структурной прочности осадка в процессе фильтрования;

17. Для расчета коэффициента К предложена полуэмпирическая формула, связывающая в единый комплекс диаметр зерен, скорость фильтрования и толщину слоя фильтрующей загрузки;.теоретически получена формула для определения требуемой толщины фильтрующей загрузки при установленной величине начальной структурной прочности осадка, что позволяет производить расчет и оптимизацию процесса фильтрования;

18. Усовершенствована методика технологического моделирования процесса очистки воды фильтрованием, введен определяющий параметр моделирования -начальная прочность осадка, учтено влияние высоты фильтрующей загрузки на процесс;

19. Обоснованы принцип работы крупнозернистых фильтрующих слоев и необходимость их преобладающего состава в конструкции фильтрующей загрузки контактных осветлителей;

20. Впервые в отраслевой науке в качестве основного критерия эффективности технологии очистки воды фильтрованием предложено принимать структурную прочность осадка, что позволяет придать эффективности технологии количественное выражение;

8. Разработана расчетная методика технико-экономического обоснования эффективности работы фильтровальных сооружений (проектируемых и действующих).

Практическая ценность работы:

21. Предложенный метод направленного структурообразования осадка обеспечивает повышение эффективности технологии очистки воды фильтрованием и расширяет ее возможности;

22. Представленное физико-химическое обоснование технологической эффективности современных флокулянтов в процессах очистки воды обеспечивает более целенаправленное и оптимальное применение этих флокулянтов, что повышает качество очистки, снижает затраты и расширяет область их рационального использования;

23. Разработанная методика расчета процесса фильтрования, включая определение требуемой высоты фильтрующей загрузки, позволяет получать оптимальные значения скорости фильтрования и грязеемкости фильтра, повышать производительность фильтровальных сооружений путем реконструкции;

24. Установленные принципы и правила конструирования фильтрующей загрузки контактных осветлителей, с учетом прочности осадка, крупности зерен загрузки, а также необходимой (требуемой) высоты фильтрующего слоя позволяют разрабатывать усовершенствованную конструкцию контактного осветлителя, повысить грязеемкость загрузки и расширить возможности его применения;

25. Инженерная реализация метода направленного структурообразования осадка обеспечила разработку комплекса инженерных технологий по глубокой очистке углесодержащих, нефтесодержащих, ливневых, автомоечных и ряда других типов сточных вод. Эти технологии дают высокую (требуемую) степень очистки воды и обладают целым комплексом технологических, экономических, эксплуатационных, экологических преимуществ;

26. Разработанная на основе полученного критерия оценки эффективности технологии очистки воды фильтрованием методика технико-экономического обоснования как проектируемых, так и действующих фильтровальных сооружений, позволяет достаточно объективно оценить и выбрать наиболее эффективный вариант их работы.

Апробация работы.

Основные положения диссертации доложены и одобрены на научно-технических конференциях Новосибирского государственного архитектурно-строительного университета (НГАСУ), 1971-2002 г.г.; Всесоюзной научно-технической конференции «Охрана водных ресурсов от загрязнения и их рациональное использование в народном хозяйстве», Ровно, 1972 г.; научно-технической конференции «Проектирование, наладка и эксплуатация водопро-водно-канализационных сооружений в Сибирских условиях», Новосибирск, 1972 г.; Всесоюзной научно-технической конференции «Повышение эффективности природоохранных работ в угольной промышленности», Пермь, 1986 г.; юбилейном экологическом семинаре «Социально-экономические и технические про-

блемы экологии Сибирского региона», Новосибирск, 2000 г.; научно-технической конференции «Водоснабжение на рубеже столетий», Уфа, 2001 г.;

научных семинарах Института неорганической химии СО РАН, Новосибирск, 2000 г., 2002 г.; специализированном научном семинаре Нижегородского государственного архитектурно-строительного университета, Нижний Новгород, 2003 г.

Публикации по теме диссертации. Опубликовано 43 работы, в том числе в центральных журналах 40. Получено авторское свидетельство № 1720 684 СССР

Структура и объем работы. Диссертация содержит введение, 5 глав, заключение, список литературы, приложение. Общий объем работы 236 с, в том числе основной текст 223 с, включая 28 рисунков, 34 таблицы, список литературы (106 наименований) — 9 с, приложение — 4 с.