МІНІСТЕРСТВО ОСВІТИ І НАУКИ УКРАЇНИ

КИЇВСЬКИЙ НАЦІОНАЛЬНИЙ УНІВЕРСИТЕТ БУДІВНИЦТВА І АРХІТЕКТУРИ

ХАМАД ІХАБ АХМАД

УДК 628.35.15

ДООЧИСТКА СТІЧНИХ ВОД НА УСТАНОВКАХ З ВОЛОКНИСТО-ПІНОПОЛІСТИРОЛЬНИМ ЗАВАНТАЖЕННЯМ

05.23.04 – водопостачання, каналізація

АВТОРЕФЕРАТ

дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата технічних наук

Київ – 2007

Дисертацією є рукопис

Робота виконана у Одеській державній академії будівництва та архітектури Міністерства освіти та науки України.

Науковий керівник: ХОРУЖИЙ ВІКТОР ПЕТРОВИЧ

доктор технічних наук, професор, завідувач кафедри

водовідведення та гідравліки Одеської державної

академії будівництва та архітектури.

Офіційні опоненти: ГІРОЛЬ МИКОЛА МИКОЛАЙОВИЧ,

доктор технічних наук, професор, завідувач кафедри

водовідведення, теплогазопостачання та вентиляції

Національного університету водного господарства

та природокористування;

ДАВИДЕНКО ОЛЕКСАНДР ІВАНОВИЧ,

кандидат технічних наук, старший науковий співробітник,

завідувач відділу Науково-дослідного і конструкторсько-

технологічного інституту міського господарства.

Провідна установа: Харківська національна академія міського господарства

Міністерства освіти та науки України (м.Харків).

Захист відбудеться „21” березня 2007р. о 1300 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 26.056.07 при Київському національному університеті будівництва і архітектури за адресою: 03680, м.Київ, Повітрофлотський просп. 31. ауд.319.

З дисертацією можна ознайомитись у бібліотеці Київського національного університету будівництва і архітектури за адресою: 03680, м.Київ, Повітрофлотський просп. 31.

Відгуки на автореферат просимо надсилати у двох примірниках за підписом,

завіреним печаткою організації, на адресу: 03680, м.Київ, Повітрофлотський просп., 31. КНУБА. Вчена рада.

Автореферат розісланий „15” лютого 2007р.

Вчений секретар спеціалізованої

вченої ради, к.т.н., професор Василенко О.А.

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми. Охорона водних ресурсів від забруднень є одним з першочергових завдень з екологічної безпеки не тільки в Україні, але й в багатьої інших країнах світу. При скиданні стічних вод у водойми ступінь їх біологічного очищення виявляється недостатньім за БПКповн та завислим речовинам (15-20 мг/дм3), оскільки в такій воді знаходиться значна кількість біогенних елементів (фосфор, азот), що стає причиною повторного забруднення води внаслідок бурхливого розвитку водоростей, “цвітіння” води та утворення токсичного мулу.

Небезпека утворення таких сполук різко зростає при хлоруванні стічних вод, оскільки взаємодія з хлором частини залишкових органічних забруднень призводить до утворення тригалометанів, шкідливих для здоров’я людей.

Недостатня ступінь біологічного очищення стічних вод обмежує можливості їх використання для технічного водопостачання промислових підприємств та сільськогосподарських об’єктів, в рибному господарстві. Для забезпечення потрібної якості очищених стічних вод слід застосовувати споруди для їх доочищення після неповного біологічного очищення.

Діючі споруди, призначені для доочищення стічних вод, у більшості випадків працюють не досить ефективно і економічно.

Доочищення стічних вод вимагає великих капітальних і експлуатаційних витрат, які збільшуються з підвищенням ступеня видалення забруднень. Тому потрібен пошук нових споруд, технологій, їх наукове обгрунтування і розробка методики розрахунку цих споруд.

Таким чином, на сьогодні актуальними є питання розробки більш ефективних, надійних і дешевих технологій доочищення стічних вод і конструкцій водоочисних споруд, які б забезпечили потрібну якість очищеної води при мінімальних витратах на їх будівництво і експлуатацію.

Зв’язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Робота виконана у відповідності з державною програмою “Про концепцію розвитку водного господарства України” і пов’язана з планами держбюджетної тематики кафедри водовідведення та гідравліки Одеської державної академії будівництва і архітектури (державний реєстраційний номер 0101U004823).

Мета і задачі досліджень. Метою дисертаційної роботи є наукове обґрунтування та розробка на цій основі технології доочищення господарсько-побутових стічних вод на установках з волокнистими і пінополістирольними фільтрами.

Для досягнення зазначеної мети визначено такі задачі:

- на підставі аналізу процесів доочищення господарсько-побутових стічних вод, а також методів інтенсифікації роботи та розрахунку існуючих споруд науково обґрунтувати можливість і доцільність використання для доочищення стічних вод споруд з послідовним проходженням води через біореактор з волокнистим завантаженням і фільтр пінополістирольним завантаженням;

- розробити установку для доочистки стічних вод;

- провести експериментальні дослідження процесів очищення води на біореакторі з волокнистим завантаженням і контактному освітлювальному фільтрі з пінополістирольним завантаженням;

- побудувати математичну модель процесу доочищення забруднених господарсько-побутових стічних вод на біореакторі з волокнистим завантаженням;

- на основі одержаних результатів теоретичних і експериментальних досліджень розробити методику розрахунку біореакторів і контактних освітлювальних фільтрів;

- розробити методику розрахунку технологічних і конструктивних параметрів доочищення стічних вод фільтруванням, навести основні положення і рекомендації, в тому числі по вибору основних вихідних параметрів і коефіцієнтів по реалізації цієї методики.

Об’єкт досліджень – доочистки господарсько-побутових стічних вод на фільтрах.

Предмет досліджень – параметри процесу доочищення стічних вод на фільтрах з волокнистим і пінополістирольним завантаженням.

Методи досліджень – фізичне і математичне моделювання процесів доочистки з проведенням широких лабораторних досліджень в умовах реальних біологічно очищених міських стічних вод після вторинних відстійників. Визначення показників якості води проводилось у відповідності з діючими нормативними документами на базі лабораторії Одеської станції біологічного очищення стічних вод (СБО) “Північна”. Математична обробка експериментальних даних виконувалось з використанням відомих спеціальних методік.

Наукова новизна одержаних результатів:

? теоретично обґрунтовано та експериментально підтверджено доцільність використання в процесах доочищення стічних вод біореакторів з волокнистим завантаженням і контактних освітлювальних фільтрів з пінополістирольним завантаженням;

? побудована математична модель біологічного очищення легко окислюваних господарсько-побутових стічних вод на біореакторах з волокнистим фільтрувальним завантаженням при низхідному русі проаерованих стічних вод, встановлено залежності ефективності очищення стічних вод на контактних освітлювальних фільтрах від швидкості фільтрування води та питомої брудомісткості фільтра;

? на основі експериментальних досліджень отримані залежності для визначення втрат напору на фільтрах та тривалості фільтроциклу, інтенсивності і часу його промивки.

Практичне значення одержаних результатів.

Розроблено технологію інтенсифікації процесів доочищення стічних вод за допомогою біореакторів з волокнистим завантаженням і низхідним рухом проаерованих стічних вод та контактних освітлювальних фільтрів з плаваючим завантаженням та висхідним рухом води, а також методику інженерних розрахунків для визначення необхідних конструктивних і технологічних параметрів надійної роботи цих споруд. Це дало можливість істотно збільшити ефективність доочищення стічних вод та забезпечити покращення якості очищеної води до потрібних показників.

Результати дисертаційної роботи впроваджено на підприємстві “Теплодарводоканал” Одеської області, що дало можливість знизити в 2,3 рази будівельну вартість споруд і в 1,5-2 рази річні експлуатаційні витрати.

Особистий внесок здобувача: аналіз літературних джерел про методи доочищення стічних вод і конструкції відповідних споруд; обгрунтування шляхів інтенсифікації роботи споруд для доочищення стічних вод; розробка конструкції лабораторної установки, методики експериментальних досліджень і проведення лабораторних досліджень на реальних стічних водах діючої станції очищення стічних вод та обробка отриманих результатів; теоретичне обґрунтування розробленої технології доочищення стічних вод; аналіз одержаних і теоретичних рішень.

Апробація результатів дисертації. Основні результати і окремі розділи дисертації доповідались і обговорювались на науково-практичних конференціях і семінарах Одеської державної академії будівництва та архітектури (м.Одеса, 2004-2006 рр.); Київського національного університету будівництва та архітектури (м.Київ, 2006 р.), на міжнародній науково-практичній конференції „Сучасні проблеми охорони і раціонального використання водних ресурсів та очистки природних і стічних вод” (м.Миргород, 2004 р.).

Публікації. За результатами дисертації опубліковано 6 наукових робіт, у тому числі 4 статей - у фахових виданнях ВАК один патент України на винахід.

Обсяг і структура дисертації. Дисертація робота складається із вступу, п’яти розділів, загальних висновків, списку використаних джерел (154 найменування) і трьох додатків; викладена на 138 сторінках основного тексту, містить 39 рисунків, 30 таблиць. Загальний обсяг дисертації складає 157 сторінки.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

У вступі наведено стислу характеристику дисертаційної роботи, розкрита актуальність проблеми доочищення стічних вод для запобігання забруднення природних водних джерел та створення можливостей повторного їх використання у промисловості та сільському господарстві, сформульовано мету і визначено задачі досліджень, висвітлено наукову новизну і практичне значення одержаних результатів.

У першому розділі виконано аналіз ефективності існуючих методів доочищення стічних вод та визначено шляхи їх удосконалення.

В роботах відомих дослідників Д.М.Мінца, В.А.Клячко, Ю.М.Шехтмана, О.Я.Олійника, В.О.Жужікова, С.О.Шуберта, М.Г.Журби, С.С.Душкіна, М.М.Гіроля, П.О.Грабовського, В.О.Орлова, В.О.Терновцева, Г.І.Ніколадзе, П.Д. Хоружего, В.Л. Полякова, А.М.Тугия, М.М. Хлопука, К.Айвеса, В.Мацкрле, Т.Івасакі, Р.Еліассена та ін. розглянуті різні питання процессів очищення води фільтруванням води та оцінено ефективність різних методів розрахунку зернистих водоочисних фільтрів.

За останній час поширення набув біосорбційний метод доочищення стічних вод, при якому забезпечується одночасне протікання двох процесів: сорбції забруднень переважно на завантаженні з різних матеріалів та наступного біоокислення їх органічної частини мікроорганізмами біоплівки, що утворюється і закріплюється на поверхні гранул (зернах) завантаження.

Значний внесок у розробку і застосування біосорбційного методу для доочищення стічних вод, технологічне моделювання біосорбційних процесів та розробку конструкцій водоочисних споруд зробили вчені: С.В.Яковлєв, О.Я.Олійник, І.М.Таварткіладзе, В.Н.Швецов, П.І.Гвоздяк, Л.І.Глоба, К.М.Морозова, О.Е.Захарова, Л.А.Петрова, А.В.Абрамов, І.П.Шмельов, З.А.Гапенкова, В.Г.Болоховець, Р.С.Хабіров, А.С.Славінський, О.Г.Кириченко, О.Г.Друшляк та ін.

Виконаний аналіз наукових робіт показав, що для доочищення стічних вод необхідно використовувати такі фільтраційні споруди і установки, які не вимагають для своєї роботи великого тиску. Вибір цих споруд виконується в залежності від вимог до якості очищеної води, надійності роботи споруд та техніко-економічних показників.

Використання біосорберів дає можливість значно зменшити експлуатаційні витрати на очищення води, підвищити надійність та безпечність роботи очисних споруд особливо в період залпових скидів різного виду токсичних і канцерогенних речовин в стічних водах.

Недоліками біосорберів зокрема конструкції НДІ Водгеоє недостатня ефективність роботи аераційної колони, а також складність експлуатації системи. Ефективність доочищення органічних речовин фільтруванням значною мірою залежить від загальної площі поверхні гранул (зерен) завантаження.

В результаті проведеного аналізу установок доочищення з урахуванням зазначеного вище, встановлено, що біохімічне окислення органічних речовин на станції доочищення стічних вод доцільно виконувати в біореакторах (БР) з волокнистим завантаженням іммобілізації бактерій – деструкторів для утримання біоплівки з низхідним потоком рідини, а її освітлення – на контактних освітлювальних фільтрах (КОФ) з плаваючим завантаженням та висхідним рухом стічних вод.

Запропоновано конструкцію біореактора з волокнистим завантаженням, в якому поєднуються функції аератора, повітровіддільника і біосорбера. Розроблено методику визначення мінімальних розмірів БР, виходячи з вимог повної дегазації стічної рідини перед її надходженням на КОФ: мінімальна довжина шляху руху води в БР дорівнює 3 м, а мінімальний діаметр БР визначається за формулою

, м, (1)

де Qгод.макс – максимальна витрата води через БР, м3/год; N – кількість ниток волокнистого завантаження в поперечному перерізі БР, шт.; dв – діаметр нитки волокна, м; бп – середня товщина біологічного обростання навколо ниток волокнистого фільтрувального завантаження до кінця фільтроциклу, м.

На основі аналізу літературних джерел сформульовано мету і задачі наукових досліджень.

У другому розділі наведено результати експериментальних досліджень процесів доочищення стічних вод на установках з волокнистими і пінополістирольними фільтрами. Для проведення лабораторних досліджень цих процесів була виготовлена і змонтована лабораторна установка (рис.1) на станції біологічного очищення стічних вод “Північна” м. Одеси, на якій очищались переважно господарсько-побутові стічні води, які легко окислювались.

Рис.1. Схема лабораторної установки (розміри в мм):

1 – подача вхідної води; 2 – аератор; 3 – бачок постійного рівня; 4 – переливна труба; 5 – подача води на біореактор; 6 – корпус біореактора; 7 – пінополістирол; 8 – надфільтровий простір; 9 – колосникова решітка; 10 – волокнисте завантаження; 11 – подача води на КОФ; 12 – корпус КОФ; 13 – ковпачковий дренаж; 14 – відведення чистої води; 15 – подача реагентів; 16 – подача води на промивку; 17 – відведення промивної води; 18 – щит п'єзометрів; 19 – пробовідбірники; 20 – газовіддільник; 21-30 – засувки; 31 – подача повітря від компресора; 32 – повітророзподільна система.

При виборі плану експериментальних досліджень з метою правильного пояснення процесів очищення води в багатофакторних залежностях було використано метод Бокса-Уілсона, який дає можливість вибрати найкоротший шлях до оптимуму. Для визначення найбільш доціьних гідравлічних і технологічних характеристик завантажень були підібрані фільтрувальні завантаження з капронових ниток типу “ВІЯ” для БР і спіненого полістиролу для КОФ та визначені їх характеристики. Була розроблена методика вимірювання основних параметрів при проведенні експериментальних досліджень на лабораторній установці, а також наведена методика обробки одержаних дослідних даних.

Проведені дослідження показали, що при збільшенні діаметрів гранул чистого пінополістирольного завантаження значно збільшується коефіцієнт фільтрації КОФ, а отже, і його пропускна здатність. Графік залежності коефіцієнта фільтрації Кф завантаження КОФ від еквівалентного діаметра гранул dе має вигляд майже прямої лінії, яку з достатньою для практичних цілей точністю можна апроксимувати емпіричною формулою

Кф.і = 205,4 (dе.і – 1,62) , м/год. (2)

На лабораторній установці при експериментальних дослідженнях БР вимірювались такі показники: температура води, рН води, вміст завислих речовин, БСК5; БСКповн, розчинений кисень О2, швидкість фільтрування води Vф. Дослідження виконувались при трьох значеннях Vф, м/год: 3,0; 6,0 і 10,0.

Для створення сприятливих умов розвитку мікроорганізмів у волокнистому завантаженні передбачалась аерація стічної рідини в потрібній кількості.

Дослідження БР показали, що ефективність очищення води по БСКповн залежить від формування біологічної плівки на волокнах фільтрувального завантаження та умов життєдіяльності мікроорганізмів. Ця ефективність може досягати 78%, а в середньому її можна приймати по БСКповн 50-60% і по окислюваності близько 40%.

Ефективність очищення води на БР від завислих речовин незначна. Основна роль цієї споруди полягає в насиченні стічної води необхідною кількістю кисню, видаленні газів, сорбції забруднень та їх біоокисленні, а також забезпеченні постійної швидкості фільтрування води на КОФ.

У третьому розділі на основі існуючого уявлення механізмів процесу доочищення стічних вод фільтруванням розглянуто постановки задач і виконано обгрунтування біоплівкової математичної моделі в умовах закріпленого на завантаженні біоценозу і достатнього забезпечення процесу киснем.

В умовах біоплівкової моделі навколо ниток волокнистого завантаження БР утворюється біологічна плівка, насичена аеробними мікроорганізмами, де в основному проходить реакція біоокислення. Біля поверхні біоплівки утворюється тонкий ламінарний шар (рідинна плівка), який сприяє масопереносу забруднень між фільтраційним потоком в об'ємі рідини БР та поверхнею біоплівки (рис.2).

Рис.2. Схема біологічного доочищення стічних вод у біореакторі з волокнистим фільтрувальним завантаженням: 1 – волокна завантаження типу “ВІЯ”; 2 – біологічна плівка; 3 – рідка плівка; 4 – стічна рідина, що рухається; 5 – напрямок руху рідини; 6 – епюра розподілення концентрації забруднень.

Таким чином, математична модель зводиться до опису процесів переносу (фільтрації) потоку органічних забруднень в БР, рідкій плівці і їх переносу і вилучення в біоплівці, тобто складається із системи рівнянь матеріального балансу, записаних відносно концентрацій забруднень у рідині, яка очищається, в біоплівці і рідинній плівці, при допущенні ряду обмежень, що не мають помітного впливу на кінцеві результати розрахунків.

Система рівнянь вирішується при початкових і граничних умовах, які більш достовірно відображають процеси, що відбуваються на відповідних перехідних границях, і показують вміст забруднень на початку роботи системи. Розв'язання системи рівнянь при заданих крайових умовах дозволило одержати залежності для визначення зміни концентрації по товщині біоплівки С, по висоті z біореактора Се і на виході із нього Сф / (z = Нв), а також при відомій концентрації на виході Сф – необхідну висоту волокнистого фільтрувального завантаження БР Нв:

при ; (3)

при ; (4)

. (5)

Записавши залежність (5) відносно Нв, одержимо вираз для визначення робочої висоти БР Нв при відомих С0, А0, V і Сф:

. (6)

У наведених формулах: ; ; .

V – швидкість фільтрування стічної води, м/год; nс – пористість чистого волокнистого завантаження; А0 – комплексний параметр біосорбції, який у загальному випадку враховує зміну концентрації забруднень на межі поділу рідинної плівки і біоплівки і площ поверхні біоплівки Fб і біореактора F. Для визначення концентрацій Се, Сф і висоті БР Нв в дисертації наведені розрахункові графіки.

На підставі теоретичних досліджень для визначення параметру А0 запропоновано залежність

А0 = К0 (1 – А); К0 = Кс Fб , (7)

в якій параметр А, в свою чергу, залежить від параметрів процесів, що відбуваються у біоплівці, тобто А = f , де

; ; ; ;

к – константа кінетики реакції біоокислення, год-1; Dс – коефіцієнт молекулярної дифузії забруднень в біоплівці, м2/год; бп – товщина біоплівки, м; Кс – коефіцієнт масопереносу забруднень в рідинній плівці, м/год; rв = dв / 2 – радіус волокон фільтруючого завантаження БР, м; Fб – площа поверхні біоплівки на одиницю висоти БР, м; F – площа БР, м2.

Для визначення параметра А в дисертації побудовані розрахункові графіки, які показують, що для біореакторів з волокнистим завантаженням у більшості випадків в середньому можна приймати А 0,5. Тоді згідно з формулою (7) маємо А0 = 0,5 К0 і при виконанні розрахунків замість А0 необхідно приймати 0,5 К0.

Проведений додатковий аналіз теоретичних і експериментальних досліджень для визначення параметру К0 стосовно волокнистого фільтруючого завантаження БР дав змогу запропонувати залежність

, год-1, (8)

Також при її побудові були враховані результати додаткових досліджень по визначенню площ Fб і F стосовно волокнистого фільтруючого завантаження БР.

При рівномірному розташуванні ниток волокнистого завантаження по площі БР кількість ниток в поперечному перерізі визначається за формулами:

- для БР квадратної форми в плані

; (9)

- для БР циліндричної форми

. (10)

В цих формулах: а – ширина БР квадратної форми, м; - відстань між осями ниток волокнистого завантаження, м.

Виконані дослідження показали, що пористість чистого волокнистого фільтрувального завантаження залежить від діаметра волокон dв, відстані між їх осями , габаритних розмірів БР і визначається для БР циліндричного типу за формулою

. (11)

Для БР квадратної форми в плані величина nс визначається за формулою (11), у якій замість dб підставляють величину а.

У табл.1 наведено значення функції К0 = f (dб; ), обчислені за формулою (8), для біореакторів циліндричного типу при таких прийнятих середніх значеннях величин: Кс = 0,05 м/год; rв + бп = 0,0011 м.

Таблиця 1

Значення параметра К0 для біореакторів з волокнистим

фільтрувальним завантаженням

Діаметр біореактора dб, м | Значення К0, год-1, при відстанях між осями ниток , мм

3 | 5 | 7 | 10 | 12 | 15 | 20

1 | 2 | 3 | 4 | 5 | 6 | 7 | 8

0,2 | 37,2 | 13,1 | 6,6 | 3,1 | 2,1 | 1,3 | 0,7

0,3 | 37,6 | 13,4 | 6,7 | 3,2 | 2,2 | 1,4 | 0,8

0,4 | 37,8 | 13,5 | 6,8 | 3,3 | 2,3 | 1,4 | 0,8

0,5 | 37,9 | 13,5 | 6,8 | 3,3 | 2,3 | 1,4 | 0,8

0,6 | 38,0 | 13,6 | 6,9 | 3,3 | 2,3 | 1,5 | 0,8

1 | 2 | 3 | 4 | 5 | 6 | 7 | 8

0,8 | 38,1 | 13,6 | 6,9 | 3,4 | 2,3 | 1,5 | 0,8

1,0 | 38,1 | 13,7 | 7,0 | 3,4 | 2,3 | 1,5 | 0,8

1,2 | 38,2 | 13,7 | 7,0 | 3,4 | 2,3 | 1,5 | 0,8

1,5 | 38,2 | 13,7 | 7,0 | 3,4 | 2,4 | 1,5 | 0,8

Дослідження показали, що параметр К0 залежить в основному від величини і мало змінюється при зміні діаметра біореактора dб. Тому з достатньою для практичних цілей точністю цей параметр можна визначати за формулою

, год-1 (12)

На рис. 3 наведено розрахунковий графік, побудований за формулою (5) з урахуванням формули (12), на якому також приведені дослідні дані. Параметр визначали за формулою . Як бачимо з цього рисунку, результати розрахунків в цілому задовільно узгоджуються з дослідними даними.

Рис.3. Графіки залежності Сф/С0 = f () для БР циліндричного типу з волокнистим завантаженням, побудовані:

1 – по теоретичним розрахункам; 2 – ¦ дослідні точки.

Таким чином, глибина очищення води Сф/С0 в основному залежить від трьох змінних величин: висоти завантаження Нв; швидкості фільтрування води V і параметра К0.

Дослідження, результати яких наведено в табл.2, показали, що для досягнення необхідної ефективності доочищення стічних вод на біореакторі з волокнистим завантаженням висотою Нв = 1м не менше 50%, швидкість фільтрування води V повинна бути не більшою 5 м/год, а параметр К0 – не меншим 7 год-1.

Таблиця 2

Залежність Сф/С0 = f (K0; V) для БР циліндричного типу з волокнистим завантаженням при Нв = 1м

V, м/год | Сф/С0 для параметра К0, год-1

1 | 2 | 3 | 4 | 5 | 6 | 7 | 8 | 9 | 10

1 | 0,61 | 0,37 | 0,22 | 0,14 | 0,08 | 0,05 | 0,03 | 0,02 | 0,01 | 0,006

2 | 0,78 | 0,61 | 0,47 | 0,37 | 0,29 | 0,22 | 0,17 | 0,14 | 0,11 | 0,08

3 | 0,85 | 0,71 | 0,61 | 0,51 | 0,43 | 0,37 | 0,31 | 0,26 | 0,22 | 0,19

4 | 0,88 | 0,78 | 0,69 | 0,61 | 0,53 | 0,47 | 0,42 | 0,37 | 0,32 | 0,29

5 | 0,90 | 0,82 | 0,74 | 0,67 | 0,61 | 0,55 | 0,50 | 0,45 | 0,41 | 0,37

6 | 0,92 | 0,85 | 0,78 | 0,71 | 0,66 | 0,61 | 0,56 | 0,51 | 0,47 | 0,43

7 | 0,93 | 0,87 | 0,81 | 0,75 | 0,70 | 0,65 | 0,61 | 0,56 | 0,53 | 0,49

8 | 0,94 | 0,88 | 0,83 | 0,78 | 0,73 | 0,69 | 0,65 | 0,61 | 0,57 | 0,53

9 | 0,94 | 0,89 | 0,85 | 0.80 | 0,76 | 0,71 | 0,68 | 0,64 | 0,61 | 0,57

10 | 0,95 | 0,90 | 0,86 | 0,81 | 0,78 | 0,74 | 0,70 | 0,67 | 0,64 | 0,61

Розрахунок БР виконують у послідовності, блок-схема якої представлена в дисертаційній роботі.

У четвертому розділі наведено методику розрахунку КОФ з пінополістирольним завантаженням та висхідним фільтруванням стічних вод. У підфільтровому просторі КОФ шар осаду з пластівців є полідисперсним середовищем, оскільки величина пластівців постійно змінюється. Вони збільшуються внаслідок налипання до них завислих речовин, що видаляються з води, і зменшуються, руйнуючись під впливом гідродинамічної дії висхідного потоку води.

Дрібні часточки пластівців і завислих речовин проникають в нижній шар плаваючого завантаження і заповнюють його пори, збільшуючи опір рухові води. Інші пластівці гідродинамічним потоком води притискуються до цього шару завантаження, створюючи шар намивного фільтра виділених осадів товщиною lо (рис. 4).

Отже, в підфільтровому просторі КОФ будуть одночасно знаходитись пластівці, які випадають в осад на дно фільтра, дрібні пластівці, які гідродинамічним потоком висхідного руху води притиснуті до нижнього шару плаваючого завантаження, і окремі пластівці, що знаходяться в завислому стані. Все це залежить від розмірів пластівців, їх густини і швидкості висхідного руху води V.

При фільтруванні води через КОФ відбувається безперервна зміна геометричної структури підфільтрового простору внаслідок накопичення в ньому частинок суспензії, які виділяються з води. Це значно ускладнює процес освітлення води і можливість його математичного моделювання.

Рис. 4. Схема КОФ для доочистки стічних вод:

1 – подача вихідної води на промивку; 2 – корпус КОФ; 3 – плаваюче пінополістирольне завантаження; 4 – стиснений шар осаду пластівців; 5 – підфільтровий простір; 6 – пластівець; 7 – подача води від БР на доочищення; 8 – нижня дренажно-розподільна система; 9 – кришка; 10 – відведення очищеної води; 11-15 – засувки; 16 – скидання промивної води; 17 – верхня дренажно-розподільна система (ковпачковий дренаж).

На відміну від освітлювача із завислим осадом, в якому надлишки осаду скидаються в осадоущільнювач, а в зоні освітлення концентрація завислих речовин залишається практично постійною, то в підфільтровому просторі КОФ протягом фільтроциклу відбувається безперервне накопичення осаду та збільшення його концентрації. Все це призводить до явища стисненого осідання завислих частинок (пластівців), характерна особливість якого полягає в тому, що швидкість осідання залежить не тільки від розмірів і ваги частинок, але й від їх концентрації. Швидкість стисненого осідання завжди менша швидкості вільного падіння, тобто гідравлічної крупності частинок. При об’ємній концентрації 10% швидкість осідання пластівців зменшується у два рази, а при концентрації 25% - у 6 разів.

Виконані дослідження показали, що глибина очищення води Сф/С0 залежить від швидкості фільтрування води V і питомої брудомісткості фільтра G на даний момент часу: при зменшенні величини V та збільшенні G глибина очищення води збільшується.

До значення питомої брудомісткості фільтра G = 9 кг/м2 зростання втрат напору на КОФ при збільшенні величин Vф і G відбувається поступово, а після цього значення воно стрімко збільшується, що пояснюється кольматацією фільтрувального завантаження, а також ущільненням шару завислого осаду під ним (рис. 4).

Коефіцієнт фільтрації пінополістирольного завантаження Кф.і в залежності від питомої брудомісткості пінополістирольного завантаження Gі визначається за такою емпіричною формулою

Кф.і = 76 – 11,8Gi0,68 , (13)

а втрати напору на КОФ в будь-який момент часу в межах фільтроциклу – за формулою:

, м, (14)

де Lф – товщина пінополістирольного завантаження, м; Мо.ср і Мф.ср – середня концентрація завислих речовин відповідно у вихідній та фільтрованій воді, г/м3; Тф.і – тривалість фільтрування води, год.

Тривалість фільтроциклу на КОФ визначається, виходячи з умови досягнення максимальних втрат напору hф.макс, величину яких орієнтовно можна приймати рівною 1 м.

Виконані дослідження показали, що при висхідному фільтруванні стічних вод на КОФ основне навантаження в затриманні забруднень припадає на перші нижні шари завантаження і на утворений шар осаду. При цьому затримуюча здатність фільтрувального завантаження змінюється не тільки у просторі, але й у часі: на протязі фільтроциклу збільшуються втрати напору на фільтрі і ефективність очищення води до вичерпання затримуючої здатності фільтра.

На рис.5 показано графіки зміни концентрацій завислих речовин Cф/C0 по висоті фільтра lі загальною товщиною L в залежності від тривалості фільтрування Тф, які побудовані по дослідним даним, наведеним у табл.3.

Таблиця 3

Результати досліджень зміни концентрацій завислих речовин Cф/C0 по висоті фільтра

Тривалість фільтрування води Тф.j, год | Значення Сф/С0 у фільтрі висотою lі, м

0,2 | 0,5 | 0,8 | 1,0

16 | 0,67 | 0,14 | 0,10 | 0,10

24 | 0,59 | 0,11 | 0,08 | 0,08

40 | 0,48 | 0,08 | 0,07 | 0,07

Рис.5. Графіки зміни концентрацій забруднень Сф/С0 = f (li; Tф) для періодів фільтрування Tф, год: 1 – 16; 2 – 24; 3 – 40.

Оскільки нижні шари фільтра за технологією мають дрібніші гранули пінополістиролу, ніж верхні, і вони швидше кольматуються домішками стічних вод, то створюється нерівномірна затримуюча здатність по висоті фільтра при висхідному фільтруванні води. Верхні шари приймають невелику участь у затриманні забруднень, тому висоту плаваючого завантаження КОФ слід приймати не більше 0,8-1 м. Верхні шари КОФ більше виконують роль зворотного фільтра для запобігання виносу дрібних фракцій пінополістиролу з фільтрованою водою через дренажну систему.

Дослідження показали, що КОФ має дуже високу ефективність затримання завислих речовин, оскільки основна маса забруднень затримується в підфільтровому просторі та нижніх шарах фільтрувального завантаження, а максимальна питома брудомісткість фільтра перевищує 12 кг/м2, що значно більше, ніж на фільтрах інших конструкцій.

На основі досліджень процесів промивки КОФ встановлено залежності залишкової питомої брудомісткості КОФ від інтенсивності та часу промивки фільтра, користуючись якими при відомій величині глибини очистки води на початку фільтроциклу визначають розрахункові значення інтенсивності промивки qпр та її тривалість tпр.

У п’ятому розділі наведено коротку характеристику існуючої системи водовідведення і очищення стічних вод м. Теплодара Одеської області і виконано аналіз роботи основних споруд водоочисної станції. Показано, що існуючі споруди доочищення стічних вод, що включають в себе піщані і гравійні фільтри, працюють недостатньо ефективно і економічно.

У результаті техніко-економічного порівняння визначено, що застосування розробленої технології доочищення стічних вод замість існуючої дає можливість зменшити будівельну вартість нових споруд у 2,3 рази, а річні експлуатаційні витрати у 1,5-2 рази.

ЗАГАЛЬНІ ВИСНОВКИ

1. Оскільки в біологічно очищеній стічній воді міститься значна кількість біогенних елементів (фосфор, азот), а концентрація залишкових забруднень у такій воді перевищує здатність водойм до самоочищення, то її необхідно додатково доочищувати перед скиданням у водойми або для можливості використання в замкнених системах водного господарства промислових підприємств і сільськогосподарських об'єктів.

2. У запропонованій конструкції біореактора із волокнистим завантаженням поєднуються функції аератора, газовіддільника і біосорбера, а розроблена методика розрахунку дозволяє визначати його мінімальні розміри, виходячи з вимог повної дегазації води перед її надходженням на КОФ.

3. На основі експериментальних досліджень процесів доочищення господарсько-побутових стічних вод на лабораторній установці з волокнисто-пінополістирольним фільтрувальним завантаженням встановлено, що ефективність очистки води по БСК5 і БСКповн досягає 78%.

4. За розробленою методикою можна визначати кількість ниток волокнистого фільтрувального завантаження БР квадратної або круглої форми в плані, коефіцієнти упаковки БР волокнами і пористість чистого волокнистого фільтрувального завантаження в залежності від діаметра волокон, відстані між їх осями і габаритних розмірів БР.

5. Розроблена математична модель зміни концентрації субстрату по висоті волокнистого фільтрувального завантаження дозволяє визначати необхідну висоту волокнистого фільтрувального завантаження або якість очищеної води при відомих параметрах фільтрування, необхідної глибини очищення води і швидкості її фільтрування.

6. Виконані дослідження роботи КОФ показали, що глибина очищення води і втрати напору залежать від швидкості фільтрування води і питомої брудомісткості фільтра, але при цьому основне навантаження в затриманні забруднень припадає на перші нижні шари КОФ, а затримуюча здатність завантаження змінюється в просторі і в часі.

7. КОФ має дуже високу ефективність затримання завислих речовин (до 94%), оскільки основна маса забруднень затримується в підфільтровому просторі і нижніх шарах фільтрувального завантаження, а максимальна питома брудомісткість фільтра перевищує 12 кг/м2, що значно більше, ніж на фільтрах інших конструкцій.

8. Встановлені залежності глибини очищення води і втрат напору на КОФ від швидкості фільтрування води і питомої брудомісткості фільтра дозволяють визначати найбільш доцільні конструктивні і технологічні параметри фільтра для забезпечення необхідної якості очищеної води при мінімальних будівельних і експлуатаційних витратах.

9. Розроблена технологія доочищення стічних вод передана для впровадження на ДКП “Теплодарводоканал”, СБО “Північна” і для використання в навчальному процесі вузів. Техніко-економічні розрахунки показали, що використання даної технології в порівнянні з традиційними (піщано-гравійними фільтрами) дає можливість знизити в 2,3 рази будівельну вартість споруд і в 1,5-2 рази річні експлуатаційні витрати.

СПИСОК ОПУБЛІКОВАНИХ ПРАЦЬ ЗА ТЕМОЮ ДИСЕРТАЦІЇ

1. Хоружий В.П., Хамад Іхаб Ахмад. Доочищення стічних вод на установці з волокнистим і пінополістирольним фільтрувальними завантаженнями // Проблеми водопостачання, водовідведення та гідравліки: Науково-технічний збірник. Випуск 3 / – К.: КНУБА, 2004. – с.69-77.

2. Хамад Ихаб Ахмад, Хоружий В.П. Исследования процессов доочистки сточных вод на волокнисто-пенополистирольных фильтрах // Проблеми водопостачання, водовідведення та гідравліки: Науково-технічний збірник. Випуск 6 / - К.: КНУБА – 2006. – с.75-79.

3. Хамад Ихаб Ахмад, Хоружий В.П., Бойко В.А. Использование фильтров с волокнисто-пенополистирольной загрузкой для доочистки сточных вод при разработке экологических мероприятий по охране водных и земельных объектов // Вісник нац.техн. ун-ту Київський політехнічний інститут. Випуск №13, К.: НТУУ “КПІ”, 2006. – с.159-165.

4. Олейник А.Я., Василенко Т.В., Рыбаченко С.А., Хамад Ихаб Ахмад. Моделирование процессов доочистки хозяйственно-бытовых сточных вод на фильтрах // Проблеми водопостачання, водовідведення та гідравліки: Науково-технічний збірник. Випуск 7 – К.: КНУБА, 2006. – с. 85-97.

5. Хоружий В.П., Хамад Ихаб Ахмад. Доочистка сточных вод на фильтрах с волокнисто-полистирольной загрузкой // Зб. матеріалів наук.-пр. конференції “Сучасні проблеми охорони довкілля, раціонального використання водних ресурсів та очистки природних і стічних вод” - К.: Тов. “Знання” України, 2004. – с.77-81.

6. Хамад Іхаб Ахмад, Хоружий В.П., Дігуляр О.О.// Ппистрій для доочистки стічних вод //Патент України на винахід № 77608 ;Опубл. 15 грудня 2006. Бюл. №12 , 2006р.

АНОТАЦІЇ

Хамад Іхаб Ахмад. Доочищення стічних вод на установках з волокнисто-пінополістирольним завантаженням. – Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.23.04 – водопостачання, каналізація. – Київський національний університет будівництва і архітектури, Київ, 2007.

Дисертацію присвячено науковому обґрунтуванню і розробці нової більш ефективної технології доочищення стічних вод перед випуском їх у водойми або для використання в замкнених системах водного господарства. Розроблено технологію доочищення господарсько-побутових стічних вод на установках з волокнистими і пінополістирольними фільтрами, яка характеризується високою ефективністю і економічністю роботи. Проведено експериментальні і теоретичні дослідження процесів доочищення води на біореакторі з волокнистим і контактно-освітлювальному фільтрі з пінополістирольним завантаженнями, у процесі яких визначено найбільш доцільні конструктивні і технологічні параметри цих споруд та розроблено методику інженерних розрахунків для них. Доцільність використання розробленої технології доочищення стічних вод підтверджено техніко-економічними розрахунками, які показали, що порівняно з традиційними піщано-гравійними фільтрами в даній технології зменшуються будівельна вартість у 2,3 рази та річні експлуатаційні витрати у 1,5-2 рази.

Ключові слова: господарсько-побутові стічні води, біологічне доочищення, біореактор, контактний освітлювальний фільтр, волокнисте завантаження, пінополістирол.

Хамад Ихаб Ахмад. Доочистка сточных вод на установках с волокнисто-пенополистирольной загрузкой. – Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук по специальности 05.23.04 – водоснабжение, канализация. – Киевский национальный университет строительства и архитектуры, Киев, 2007.

Диссертационная работа состоит из вступления, пяти разделов, общих выводов, списка использованных источников из 154 наименований и двух приложений; изложена на 138 страницах основного текста, содержит 38 рисунков, 30 таблиц. Общий объем диссертации составляет 157 страницы.

Диссертация посвящена научному обоснованию и разработке новой более эффективной технологии доочистки сточных вод перед их сбросом в водоемы или для использования в замкнутых системах водного хозяйства промышленных или сельскохозяйственных предприятий.

Разработанная технология доочистки хозяйственно-бытовых сточных вод на установках с волокнистыми и пенополистирольными фильтрами характеризуется высокой эффективностью и экономичностью работы.

В биореакторе с волокнистой загрузкой совмещаются функции аэратора, газоотделителя и биосорбера.

Выполнены экспериментальные исследования процессов очистки воды на биореакторе с волокнистой и контактно-осветлительном фильтре с пенополистирольной фильтрующими загрузками, на основании которых определены наиболее целесообразные конструктивные и технологические параметры этих сооружений и разработана методика их инженерных расчетов.

По разработанной методике можно определять коэффициенты упаковки биореакторов волокнами и пористость чистой волокнистой фильтрующей загрузки в зависимости от диаметра волокон, расстояний между их осями и габаритных размеров биореактора.

Разработанная математическая модель процессов биосорбции позволяет определять необходимую высоту волокнистой фильтрующей загрузки или качество очищенной воды при известных параметрах фильтрования, требуемой глубине очистки воды и скорости ее фильтрования.

Выполненные исследования работы контактно-осветлительного фильтра показали высокую эффективность задержания взвешенных веществ (до 94%) и высокую удельную грязеемкость фильтра (более 12 кг/м2), что значительно превышает эти показатели на фильтрах других конструкций.

При фильтровании воды через КОФ происходит непрерывная смена геометрической структуры подфильтрового пространства вследствие накопления в нем частиц суспензии, выделяемых из воды, что приводит к явлению стесненного осаждения взвешенных веществ, как известно, характерной особенностью которого является то, что скорость осаждения зависит не только от размеров и веса частиц, но и от их концентрации.

Целесообразность использования разработанной технологии доочистки сточных вод подтверждена технико-экономическими расчетами, которые показали, что по сравнению с классической технологией очистки воды на песчаных и гравийных фильтрах в данной технологии уменьшаются строительная стоимость сооружений в 2,3 раза и годовые эксплуатационные расходы в 1,5-2 раза.

Сведения, приведенные в диссертации, отражены в печатных работах автора.

Ключевые слова: хозяйственно-бытовые сточные воды, биологическая очистка, биореактор, контактный осветлительный фильтр, волокнистая загрузка, пенополистирол.

Hamad Ihab Ahmad. Additional cleaning of sewage by installations with fibrous and expanded polystyrene loading. - the Manuscript.

The dissertation on competition of a scientific degree of Cand.Tech.Sci. on a speciality 05.23.04 - water supply, the water drain. - the Kiev national university of construction and architecture, Kiev, 2007.

The dissertation is devoted to a scientific substantiation and development of new more effective technology of additional cleaning