ХАРКІВСЬКИЙ ДЕРЖАВНИЙ ТЕХНІЧНИЙ

УНІВЕРСИТЕТ БУДІВНИЦТВА ТА АРХІТЕКТУРИ

АРХІПОВ Олег Володимирович

УДК 628.33+628.353.16

ТОНКОШАРОВИЙ ВІДСТІЙНИК-ФІЛЬТР

З ПЛАВАЮЧИМ ФІЛЬТРУЮЧИМ ШАРОМ

ПЕРЕМІННОЇ ВИСОТИ

05.23.04 – водопостачання, каналізація

АВТОРЕФЕРАТ

дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата технічних наук

Харків - 2001

Дисертацією є рукопис.

Робота виконана на кафедрі "Безпеки життєдіяльності та інженерної екології" Харківського державного технічного університету будівництва та архітектури Міністерства освіти і науки України

Науковий керівник:

доктор технічних наук, професор, зав.кафедри "Безпека життєдіяльності та інженерна екологія" Харківського державного технічного університету будівництва та архітектури

Шеренков Ігор Аркадійович

Офіційні опоненти:

доктор технічних наук, професор кафедри "Водопостачання, каналізації і гідравліки" Харківського державного технічного університету будівництва та архітектури

Пантелят Гаррі Семенович

кандидат технічних наук, провідний науковий співробітник науково-виробничої фірми "Екополімер" (м.Харків)

Слєпцов Георгій Володимирович

Провідна установа: Донбаська державна академія будівництва та архітектури, кафедра "Водопостачання і каналізація" Міністерства освіти і науки України (м.Макіївка)

Захист відбудеться 17 жовтня 2001 року о 1100 годині на засіданні спеціалізованої вченої раді Д64.056.03 в Харківському державному технічному університеті будівництва та архітектури за адресою:

61002, м. Харків, вул. Сумська, 40.

З дисертацією можна ознайомиться в бібліотеці університету за адресою:

61002, м. Харків, вул. Сумська, 40.

Автореферат розісланий 13 вересня 2001 року.

Вчений секретар спеціалізованої вченої ради Колотило М. І.

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми. З огляду на обмеженість запасів підземних прісних вод в Україні, а також переважну доступність поверхневих вод при транспортуванні, підготовці і подачі споживачам, можна стверджувати, що питне водопостачання більшості населення України буде здійснюватися з нечисленних природних і штучних поверхневих джерел (рік, озер, водоймищ, каналів), води яких мають, як правило підвищену мутність. Видалення завислих речовин з природних вод на першому ступені водопідготовки є необхідною умовою ефективного застосування інших методів, зокрема, адсорбційної очистки.

Погіршення якості поверхневих вод приводить до ускладнення технологій водопідготовки. Їх удосконалення неможливе без створення нових апаратів і споруд, в яких ефективно поєднувалися б різні технологічні процеси.

Видалення завислих часток під дією сили ваги є однією з найбільш простих технологій, що відрізняється високою ефективністю і потребує мінімальних енергетичних витрат. Особливо ефективним є застосування так званого тонкошарового відстоювання, яке має багато переваг у порівнянні з традиційним. Однак при тонкошаровому відстоюванні відбувається видалення з води тільки порівняно великих часток завислих речовин. Дрібнодисперсні і колоїдні частки простим відстоюванням видалити не можливо. Тут необхідно застосування фільтрування в поєднанні з методами коагуляції, флокуляції.

Фільтрувальні споруди є одними з найбільш складних у водопідготовці, головним чином за рахунок наявності складних комунікацій, необхідних для здійснення регенерації зернистого завантаження. Застосування плаваючих зернистих завантажень значно спрощує комплекс фільтрувальних споруджень, робить його більш надійним в експлуатації та економічним.

При вирішенні питання підвищення ефективності очищення природних вод від полідисперсних завислих речовин перспективним напрямком є створення компактного апарату - тонкошарового відстійника, суміщеного з фільтром з плаваючим зернистим завантаженням. Розробка такого апарату є актуальною задачею, перш за все, при здійсненні водопостачання порівняно невеликих об'єктів (окремі житлові будинки, дрібні фермерські господарства та ін.), де велике значення має врахування потреб і експлуатаційних можливостей споживача. Такі установки будуть служити одним з елементів інженерного забезпечення рішення проблеми чистої питної води в Україні.

Робота виконана в рамках державної програми "Інтенсифікація методів водопідготовки підприємств та процесів очищення води у водних об'єктах, які дозволяють скоротити термін та витрати на будівництво".

Метою дисертаційної роботи є підвищення ефективності очищення природної води від полідисперсних завислих речовин для питних та інших цілей за рахунок суміщення процесу тонкошарового відстоювання і фільтрування через шар плаваючого зернистого завантаження у новому апараті при змінній якості і кількості води, що обробляється.

Об'єкт дослідження - процеси тонкошарового відстоювання і фільтрування при очищенні природних вод від полідисперсних завислих речовин.

Предмет дослідження - тонкошаровий відстійник-фільтр з плаваючим фільтруючим шаром перемінної висоти.

Методи дослідження - теоретичний аналіз, експериментальні та теоретичні дослідження седиментації і фільтрування.

Задачі дослідження:

1. Проведення теоретичного аналізу основних положень тонкошарового відстоювання і фільтрування.

2. Розробка конструктивної схеми експериментальної установки, визначення ефективності тонкошарового відстоювання завислих речовин у спокої і динаміці, без фільтрування і з фільтруванням через плаваюче завантаження.

3. Розробка методу розрахунку ламінарної течії з урахуванням конструктивних особливостей входу потоку суспензії в тонкошаровий простір.

4. Розробка методу розрахунку течієнаправляючого пристрою.

5. Розробка методу розрахунку процесу фільтрування суспензій через шари зернистого завантаження.

6. Розробка рекомендацій з проектування і експлуатації апарату.

Наукова новизна роботи:

1. Науково обґрунтована можливість ефективного суміщення тонкошарового відстоювання і фільтрування через плаваючий фільтруючий шар перемінної висоти, в залежності від якості вихідної води.

2. Розроблено нову конструкцію апарата - тонкошарового відстійника-фільтра з плаваючим фільтруючим шаром перемінної висоти.

3. Проведено теоретичний аналіз основних положень процесу тонкошарового відстоювання і фільтрування.

4. Запропоновано метод розрахунку ламінарної течії в тонкошаровому каналі з урахуванням конструктивних особливостей течієнаправляючого пристрою.

5. Запропоновано метод розрахунку основного параметру течієнаправляючого пристрою.

6. Запропоновано метод розрахунку параметрів фільтрування через шар зернистого завантаження на основі рішення рівнянь матеріального балансу та кінетики сорбції.

Практична значимість роботи:

1. Розроблено нові конструкції апарата для очищення води - тонкошарового відстійника-фільтра з плаваючим фільтруючим шаром перемінної висоти.

2. Розроблено конструкцію течієнаправляючого пристрою тонкошарового відстійника-фільтра з плаваючим фільтруючим шаром перемінної висоти.

3. Розроблено залежності для визначення: максимальної швидкості ламінарного потоку в тонкошаровому каналі, максимального кута нахилу пластин течієнаправляючого пристрою, ефекту освітлення в від товщини шару і часу фільтрування.

4. Розроблено рекомендації з проектування і експлуатації апарата при очищенні поверхневих вод у системах водопостачання невеликих об'єктів (окремі житлові будинки, дрібні фермерські господарства та ін.).Особистий внесок автора:

1. Розроблено проект і здійснено монтаж експериментальної установки у вигляді однієї секції - тонкошарового модуля відстійника-фільтра.

2. Розроблено проект укрупненої установки для очищення природної води від полідисперсних завислих речовин до питної якості.

3. Виконано експериментальні дослідження на моделі тонкошарового відстійника-фільтра з плаваючим фільтруючим шаром перемінної висоти.

4. Виконано теоретичний аналіз основних положень тонкошарового відстоювання і фільтрування.

5. Виконано теоретичні дослідження ламінарного потоку в тонкошаровому каналі, ламінарного потоку в течієнаправляючому пристрої, фільтрування через шар зернистого завантаження.

Апробація результатів досліджень. Основні результати роботи і головні положення дисертації доповідалися автором на 54,55,56 науково-технічних конференціях Харківського державного технічного університету будівництва й архітектури (ХДТУБА) та Харківського національного університету (ХНУ ім. В.Каразіна).

Публікації: За результатами роботи опубліковано 6 статей, у тому числі 2 без співавторів, отримано деклараційний патент України на розроблену конструкцію тонкошарового відстійника-фільтра з плаваючим фільтруючим шаром перемінної висоти.

Структура та обсяг дисертації. Дисертація складається з вступу, чотирьох розділів, загальних висновків та рекомендацій з проектування, списку літератури з 154 найменувань, чотирьох додатків (таблиці з характеристиками і конструкціями тонкошарових відстійників та фільтрів з плаваючим завантаженням (ФПЗ), схеми класифікацій тонкошарових відстійників та ФПЗ, розрахунки: седиментаційних характеристик модельних суспензій, регресійного аналізу, пристінної ламінарної течії, кінетик фільтрування, рішень рівнянь фільтрування) та містить 155 ст. основного тексту, 6 таблиць, 64 рисунки, загальним обсягом 190 сторінок.

ЗМІСТ ДИСЕРТАЦІЇ

У вступі обгрунтована актуальність роботи, сформульована мета і задачі дисертаційного дослідження, наукова новизна, практична значимість, особистий внесок автора, відомості про апробацію результатів досліджень та публікації.

У розділі I виконано аналітичний огляд стану питання і вибір напрямку досліджень. Розглянуто використання процесів відстоювання та фільтрування у водопідготовці та водоочистці.

Розглянуто фізичні основи процесу тонкошарового відстоювання. Відзначені як беззаперечні переваги використання тонкошарових відстійників у порівнянні з традиційними, так і певні недоліки, пов'язані, перш за все, з малим часом відстоювання і, як наслідок низькою ефективністю відділення тонкодисперсних завислих часток та високою вологістю осаду.

Розглянуто фізичні основи процесу фільтрування. Відзначена висока ефективність роботи швидких фільтрів, особливо при об'ємному фільтруванні. Вказані їх суттєві недоліки, пов'язані зі складністю експлуатації фільтрувальних споруд, в яких використовуються важкі зернисті завантаження. Відзначені переваги фільтрів при використанні в них в якості завантаження плаваючих зернистих матеріалів, особливо таких як пінополістирол. Вказані недоліки цих типів фільтрів, особливо необхідність попередньої підготовки зернистого завантаження для більш ефективного використання шару при різних технологічних схемах.

Наведено схематичну класифікацію конструкцій запропонованих на цей час тонкошарових відстійників та фільтрів за найбільш суттєвими ознаками. Приведено різноманітні конструкції тонкошарових відстійників ТВ (модулів) і ФПЗ за основними технологічними схемами цих споруд, з характеристикою найбільш оригінальних і таких, що застосовуються в практиці водопідготовки і водоочистки.

Особливо відмічено вдалі розробки відстійників типу Ламелла та вітчизняні розробки М.Б.Демура, а також фільтрів з плаваючими завантаженнями М.Г.Журби.

Вказано на найбільш суттєві дослідження з тонкошарового відстоювання, проведені у ВНДІ ВОДГЕО Ю.З.Кєдровим, В.Г.Пономарьовим, у УкрНДІВОДГЕО, у МІБІ, у АКГ ім. Памфілова, дослідження та розробки провідних закордонних фірм у цій галузі, дослідження процесу фільтрування Д.М.Мінца, О.Я.Олейника та ін. Відзначено пріоритет вчених України в проектуванні та впровадженні в практику фільтрів з плаваючим завантаженням, вказано, що найбільш суттєві дослідження проведені по цій тематиці у Ровенському державному технічному університеті такими авторами, як М.Г.Журба, М.М.Гіроль, В.О.Орлов, В.П. Пріходько та ін.

На основі аналізу науково-технічного рівня тонкошарового відстоювання та фільтрування на ФПЗ сформульовано напрямок дисертаційного дослідження.

У розділі II наведено подальше обґрунтування напрямку досліджень на основі аналізу якісного складу поверхневих вод України, а саме фазово-дисперсного складу домішок та їх концентрацій, і вибору ефективних та економічно обґрунтованих технологій водопідготовки в залежності від коливань цих параметрів та необхідних витрат води. Зазначені вітчизняні та закордонні автори фундаментальних монографій, в яких викладені наукові основи, теорії та методи розрахунків основних технологій водопідготовки та водоочистки.

На основі попереднього аналізу сформульована робоча гіпотеза: підвищення ефективності очищення води від полідисперсних завислих часток за допомогою тонкошарового відстоювання і фільтрування на ФПЗ може бути досягнуто, якщо поєднати в робочому тонкошаровому просторі два процеси - тонкошарового відстоювання і подальшого фільтрування через шар плаваючого зернистого завантаження частково в межах тонкошарового каналу і поза ним. У цьому випадку в залежності від фазово-дисперсного складу відносно більша кількість грубодисперсних завислих часток буде відділятися при тонкошаровому відстоюванні, а відносно більша кількість дрібнодисперсних завислих часток буде затримуватися фільтруючим шаром з плаваючого зернистого завантаження, наприклад пінополістиролу. Тобто для кожної суспензії є найбільш ефективне поєднання тонкошарового відстоювання (довжина зони відстоювання) і фільтрування (висота шару завантаження.). Одна з схем запропонованого суміщення представлена на рис.1.

Рис.1. Схема суміщення тонкошарового відстоювання і фільтрування через зернисте плаваюче завантаження.

1-тонкошаровий канал, 2- фільтруючий шар зернистого завантаження; 3- осад який сповзає, 4- напрямок руху потоку води, 5- напрямок випадання грубодисперсних завислих часток; 6- напрямок руху дрібнодисперсних завислих часток; 7- напрямок руху осаду.

Виходячи з прийнятої робочої гіпотези, схеми суміщення та основних положень проектування ТВ і ФПЗ, запропоновані конструкції тонкошарового відстійника-фільтра із плаваючим фільтруючим шаром перемінної висоти. Одна з них та запропонована конструкція течієнаправляючого пристрою представлена на рис.2.

Також в цьому розділі представлено загальну методику дослідження, відмічаються особливості процесу тонкошарового відстоювання-фільтрування в запропонованому пристрої, сформульовано задачі дослідження, намічено шляхи їх вирішення та обґрунтовано наступне використання існуючих теоретичних рішень та експериментальних методик дослідження.

Відмічено, що при вирішенні питання ефективного суміщення тонкошарового відстоювання і фільтрування важливе значення має встановлення так званих седиментаційних характеристик полідисперсних важких завислих часток. Для отримання цих характеристик експериментально встановлюється кінетика випадіння часток у спокої Э(t), а далі, використовуючи основні положення седиментаційного аналізу, знаходиться функція розподілу та щільність розподілу часток за часом, за гідравлічною крупністю та розмірами.

Риc.2. Тонкошаровий відстійник-фільтр із плаваючим фільтруючим шаром перемінної висоти:

1- верхня пластина тонкошарового каналу; 2- трубопровід підведення суспензії; 3- похилі пластини; 4- пластини-вставки.

Найбільш зручно при обробці даних з кінетики випадіння у спокої користуватися аналітичною апроксимацією за залежністю В.В. Найденко:

, (1)

де t - час відстоювання, хв, а,в- невідомі параметри, які встановлюються апроксимацією даних експериментального дослідження.

Ця аналітична залежність при проведенні нелінійної регресії загального виду дає коефіцієнт кореляції вищий ніж експонентна та інші залежностям, особливо на початку кривої у всіх випадках.

Відмічено, що зв'язок між седиментаційними характеристиками за гідравлічною крупністю та розмірами встановлюється через закон Стокса при відомій щільності полідисперсних часток, але при цьому необхідно брати до уваги реальні фізико-хімічні властивості завислих часток, а саме наявність іммобілізованого шару води на границі розділу "частка-середовище". Наявність такого шару зменшує гідравлічну крупність часток, особливо дрібно- та тонкодисперсних, на 500%. Тому на практиці доцільно використовувати залежності для седиментаційних характеристик за часом та гідравлічною крупністю з обробкою експериментальних даних на ЕОМ з відповідним програмним забезпеченням, наприклад Mathcad 7-PRO, що і використано в роботі при обробці отриманих даних досліджень та даних експериментальних досліджень інших авторів (В.Г.Пономарьова).

В розділі III визначено цілі і задачі експериментальних досліджень з тонкошарового відстоювання-фільтрування, визначено послідовність експериментів, методику і техніку експерименту, представлено результати цих досліджень.

Виходячи з необхідності перевірки робочої гіпотези та необхідності визначення ефективності відділення полідисперсних завислих часток тонкошаровим відстоюванням-фільтруванням, було розроблено конструкцію експериментальної установки та здійснено її монтаж. Конструктивні параметри установки прийняті, відповідно до рекомендацій з ТВ і ФПЗ та схеми суміщення, представленої раніше. Головним елементом установки був тонкошаровий модуль шириною В=0,125 м, висотою h=0,05 м, довжиною L=1,95 м, кутом нахилу a=45ё60°.

Проведені такі експериментальні дослідження: відстоювання модельної суспензії у спокої; встановлення кінематичної картини течії потоку в тонкошаровому модулі; відстоювання модельної суспензії за часом перебування (седиментаційні); відстоювання модельної суспензії за планом повного факторного експерименту; встановлення початкових втрат напору; відстоювання-фільтрування модельної суспензії при різній товщині шару завантаження.

Досліди з відстоювання модельних суспензій у спокої проводили за традиційною методикою відстоювання у циліндрах при h=0,2 м. В якості замутнювачів використовували спеціально підготовлені крейду і глину, початкові концентрації яких становили 100, 550, 1000 мг/л. Відбір суспензії здійснювали безпосередньо з комунікацій перед входом потоку у тонкошаровий модуль, завдяки чому забезпечувалась ідентичність фазово-дисперсного складу суспензій і концентрацій у спокої та в динаміці. Результати дослідження показано на рис.3.

Встановлено підвищення ефекту агломерації на 5-7% при концентрації 1000 мг/л та практичне збігання кривих при концентраціях до 550 мг/л. У більшій мірі агломеруються частки крейди .

У дослідах з кінематичної картини течії потоку було встановлено, що в тонкошаровому каналі має місце так звана дільниця гідродинамічної стабілізації потоку, де епюра швидкостей значно відрізняється від параболічної (встановлено методом підфарбовування). Це пов'язано перш за все з особливостями входу потоку води в тонкошаровий канал, і залежить від конструкції течієнаправляючого пристрою.

Рис.3. Результати седиментаційних досліджень в статичних та динамічних умовах полідисперсних завислих часток.

а – кінетика відстоювання у спокої для суспензії крейди та глини; б – відстоювання суспензії глини при С0=550 мг/л; 1 – С0=100 мг/л; 2 – С0=550 мг/л; 3 – С0=1000 мг/л; 4- кінетика відстоювання у спокої при h=0.2 м; 5 – теоретична кінетика відстоювання у спокої при h=0.05 м; 6 – кінетика відстоювання на тонкошаровому модулі при a=45°.

Дослідження також показали, що починаючи з 0,5 м під верхньою полицею каналу відстоювання утворюється тонкий прошарок чистої води товщиною в 1 мм, а в кінці каналу до1,5-2,0 мм. Це свідчить про відсутність на даній дільниці вихреобразного руху потоку води.

На тонкошаровому модулі було проведено седиментаційне дослідження для суспензії глини (за часом перебування потоку в модулі). З результатів цього дослідження, представлених на рис.3-б, можна зробити висновок, що ефективність тонкошарового відстоювання суспензії при збільшенні часу відстоювання t>tпр суттєво не підвищується.

За планом повного факторного експерименту для суспензії крейди при кути похилу модуля a=60° було проведено дослідження ефективності тонкошарового відстоювання у діапазоні вхідних даних L=0,5ё1,5 м, C0=100ё1000 мг/л, q=0,04ё0.2 л/с. Після перевірки на відтворюваність дослідів за критерієм Кохрена, значимості коефіцієнтів за критерієм Стьюдента, отримано таке рівняння регресії:

, (2)

де безрозмірні X1, X2, X3 (нормовані) перемінні L, C0, q.

Адекватність цього рівняння перевірена за критерієм Фішера. Застосовність цього рівняння обмежена в зв'язку з особливостями, по-перше, фазово-дисперсного складу завислих часток, а по-друге, конструкцією течієнаправляючого пристрою.

На тонкошаровому модулі була проведена серія досліджень із визначення сумарної ефективності відстоювання-фільтрування при початковій концентрації С0=550 мг/л і витраті q=0,1 л/с при товщині шару завантаження hф=0,5ё1,0 м та a=60°. В якості зернистого плаваючого завантаження було використано товарний продукт поліетилену, d=2,5-3,5 мм. Тривалість фільтроциклу в середньому становила 4 години. Протягом фільтроциклу якість фільтрату як для суспензії глини, так і для суспензії крейди була стабільною.

Як показали дослідження, при тонкошаровому відстоюванні-фільтруванні суспензії глини при товщині шару hФ=0,5 м (LТВ=1,0 м) якість фільтрату становила С=12 мг/л при вході на фільтр Свх=140 мг/л (Есум.=97,8%, має місце ефект заробітки завантаження). При збільшенні шару завантаження до 1,0 м (LТВ=0,5м) якість фільтрату значно не підвищувалась і становила С=8-10 мг/л при вході на фільтр Свх=240-235 мг/л (Есум.=98,4%), що свідчить про наявність в суспензії великої кількості стабільних тонкодисперсних завислих часток.

При тонкошаровому відстоюванні-фільтруванні суспензії крейди при товщині шару hФ=0,5 м (LТВ=1,0 м) якість фільтрату становила С=40 мг/л при вході на фільтр Свх=320-280 мг/л (Есум.=92,7%). При збільшенні шару завантаження до 1,0 м (LТВ=0,5 м) якість фільтрату значно підвищувалась і становила С=4-5 мг/л при вході на фільтр Свх=340-360 мг/л (Есум.=99,3%, має місце ефект заробітки завантаження).

Порівнюючи результати тонкошарового відстоювання-фільтрування модельних суспензій, можна зробити висновок як про різний переважаючий механізм фільтрування, так і про необхідність різної довжини зони відстоювання та відповідної товщини шару зернистого завантаження, що підтверджує робочу гіпотезу.

При проведенні досліджень з тонкошарового відстоювання-фільтрування на цій моделі тонкошарового модуля встановлювався пристінний ефект. Для суспензії крейди по сумарній якості цей ефект становив до 2%, а по якості фільтрату до 20%.

Окремо в процесі експериментальних досліджень встановлено технологічну можливість підведення-відведення плаваючого завантаження в тонкошаровий модуль та рух шару завантаження в тонкошаровому просторі. Встановлено, що рух завантаження відбувається без розриву суцільності всього шару. Відведення всього шару завантаження відбувалося за короткий проміжок часу під статичним напором потоку води, незважаючи на встановлені пробовідбірні патрубки .

У розділі IV виконано теоретичний аналіз основних положень ламінарних течій, тонкошарового відстоювання та фільтрування суспензій через шари зернистого завантаження.

Встановлено, що в існуючих методах розрахунку ламінарних течій в тонкошарових каналах та довжини каналів за граничнною гідравлічною крупністю, не враховуються умови формування епюри поздовжніх швидкостей в зв'язку з конструктивними особливостями входу потоку води в тонкошаровий проміжок, а також рух осаду, який сповзає. Це призводить до помилок при встановленні гідродинамічного режиму за максимальною швидкістю за критерієм Re.

Враховуючи вищевказане та складність гідродинамічної задачі, було розроблено метод розрахунку поздовжніх швидкостей, в якому використано рішення Л.О. Вуліса щодо пристінної ламінарної течії з перетворенням автомодельності

, (3)

де um- максимальна швидкість у пристінному струмені, м/с; - функція автомодельної перемінної j (- похідна ); А,В,a, b- постійні величини, для пристінного ламінарного струменя a= –0,5, b= –0,75; x, y - поздовжня та поперечна координата, м.

Значення автомодельної функції визначено за рівнянням при =1,7818

(4)

Значення визначено за рівнянням

(5)

При спільному рішенні рівнянь (4) і (5) отримана залежність , яка апроксимована за допомогою нелінійної регресії загального виду

(6)

Значення поздовжньої швидкості та перемінної j визначені за формулами:

(7)

де r- щільність води, кг/м3; n - кінематична в'язкість, м2/с.

(8)

Значення константи K визначено за формулою

(9)

де U0 – початкова швидкість, м/с; h0 – початкова висота входу потоку, м.

Константи А,В,a, b зв'язані залежностями

(10)

Враховуючи (8), (9) маємо залежності для А,В:

(11)

На рис.4 представлено епюри поздовжніх швидкостей, побудованих для h=0.05 м, h0=0.02 м, q0=0.0005 м3/с (Re=495).

Рис.4. Розподіл швидкостей у тонкошаровому каналі по автомодельних залежностях напівобмеженого ламінарного струменя.

Для оцінки впливу конструкції течієнаправляючого пристрою на умови ламінарної течії, а тим самим - на умови відстоювання завислих часточок суспензії, необхідно розрахувати поле швидкостей у цьому пристрої. Течієнаправляючий пристрій (схематично представлений на рис.5) повинен забезпечити розподіл швидкостей за товщиною шару, максимально наближений до рівномірного чи до течії Пуазейля-Куетта на можливо короткій відстані.

В дисертації розроблено метод розрахунку безвідривної ламінарної течії в пристрої на основі рішення рівняння руху Навьє-Стокса та нерозривності в циліндричних координатах (рис.5-а).

Після приведення їх до безрозмірного виду через , рівняння руху у безрозмірних перемінним (риска ~, що означає безрозмірні перемінні опущена) приймуть вигляд (рівняння по Z перетворюється в нуль):

Рис.5. Формування потоку води направляючими пластинами для рівномірного розподілу швидкостей на максимально короткому відрізку каналу.

а- початкова ділянка течії по висоті тонкошарового каналу; б- конструкція течієнаправляючого пристрою; 1- перфорована труба; 2- направляючі пластини; 3- нижня направляюча пластина; 4- шар осаду, що сповзає.

(12)

де .

Рівняння нерозривності дає зворотну пропорційність Ur від r, тобто

або , (13)

де F(a)- деяка безрозмірна функція від кута a, яку необхідно визначити з (12).

Для знаходження F(a), використовуючи (13) та представляючи (12) через підстановки, виключаючи з двох рівнянь складові та за допомогою перехресного диференціювання та віднімаючи друге з першого (12), отримаємо рівняння відносно Ur :

, (14)

де - диференціювання функції F по координаті a.

Отримано рішення цього рівняння після інтегрування та необхідних підстановок

(15)

при

(16)

При цьому кути похилу пластин течієнаправляючого пристрою (рис.5-б) потік стабілізується на початковій ділянці без утворення інтенсивної вихреобразної зони при протиточному русі потоку води і осаду, який сповзає нижньою пластиною тонкошарового каналу .

В ході теоретичного аналізу фільтрування встановлено, що в залежності від ступеня спрощення процесу фільтрування різними авторами (геометрична структура середовища, характер замулення середовища, склад суспензії) є відповідно різні математичні моделі. Найбільший практичний інтерес представляють математичні моделі, в яких встановлюються технологічні параметри фільтрування, такі як товщина шару завантаження, гранулометричний склад завантаження, тривалість фільтроциклу при різних витратах і якості води, що обробляють (Д.М.Мінц, О.Я.Олейник).

Також встановлено, що фільтрування є технологічно обґрунтованим процесом тільки тоді, коли тривалість фільтроцикла досить велика, а це можливо, коли існує певне співвідношення розмірів зерен завантаження і часток суспензії, а саме >20. При цьому переважним механізмом затримки дрібнодисперсних завислих часток є дія електрокінетичних сил і сил Ван-дер-Ваальса. Це дає привід дослідникам розглядати кінетику освітлення і затримки за аналогією із сорбційним процесом і використовувати з деякими припущеннями наявні рішення динаміки сорбції з рідких середовищ (газів) у моделях інженерного розрахунку зернистих фільтрів.

В роботі запропоновано метод розрахунку процесу фільтрування суспензії через зернисті завантаження, який супроводжується сорбцією і десорбцією часток суспензії в порах на поверхні зерен завантаження, стосовно плаваючого завантаження, на основі рішення рівняння матеріального балансу та кінетики сорбції

(17)

при початкових і граничних умовах:

, ;; (18)

де Срівн.- рівноважна концентрація суспензії, при якій процес переносу часток із суспензії на зерна врівноважується протилежним переносом часток з осаду, що відклався в порах, до суспензії; С0- концентрація суспензії на вході на фільтруюче завантаження, кг/м3; s- концентрація затриманого осаду, кг/м3; a,b- коефіцієнти сорбції і десорбції.

При переході до лагранжового представлення течії суспензії в нових незалежних перемінних x=x, t=t–x/V,

(19)

при початкових і граничних умовах:

, , (20)

рішення цих рівнянь отримано з урахуванням лінійної ізотерми сорбції методом послідовних наближень, що має аналогію з відомим методом Пікара рішення диференціальних рівнянь. Приймаючи в першому наближенні s та С постійними і рівними середнім значенням їх на інтервалі інтегрування, отримаємо рішення першого наближення

, . (21)

Рішення другого наближення отримуємо вирішуючи нові рівняння:

, (22)

які мають такий вигляд

(23)

(24)

При необхідності підвищення точності результату аналогічно може бути отримано рішення третього наближення. Таким чином, використовуючи дослідні дані і задаючись різними x, t можна визначити ефект освітлення.

В дисертації розроблено рекомендації з проектуванню та експлуатації запропонованого апарату, які ґрунтуються на основних результатах дослідження та існуючих рекомендаціях з проектування тонкошарових відстійників (ТВ) і фільтрів (ФПЗ), які прийняті до впровадження в проектну практику водопідготовки і водоочистки.

Загальні висновки

1. У ході роботи науково обґрунтована можливість створення апарата при суміщенні тонкошарового відстоювання і фільтрування через плаваюче зернисте завантаження з метою інтенсифікації і підвищення ефективності очистки природної води від полідисперсних завислих речовин.

2. Розроблено конструкцію нового апарата - тонкошарового відстійника-фільтра з плаваючим фільтруючим шаром перемінної висоти, на яку отримано деклараційний патент України № 2000052532.

3. Створено експериментальну установку, на якій досліджено процес очистки води різної якості на прикладі модельних суспензій глини і крейди тонкошаровим відстоюванням і тонкошаровим відстоюванням-фільтруванням. Проведені седиментаційні дослідження у статичних і динамічних умовах, в результаті яких встановлено наявність ефекту агломерації часток суспензії в спокої при початкових концентраціях і1000 мг/л, а також більш низьку ефективність очистки при тонкошаровому відстоюванні в порівнянні з відстоюванням у спокої.

4. Встановлено, що при відділенні полідисперсних завислих речовин з модельних суспензій за рахунок суміщення відстоювання і фільтрування через плаваюче зернисте завантаження, має місце різний переважний механізм затримки твердої фази, якому відповідає певне співвідношення участі в цьому процесі відстоювання і фільтрування, що в підсумку визначається довжиною зони тонкошарового відстоювання і товщиною шару завантаження.

5. Проведено теоретичний аналіз основних положень тонкошарових ламінарних течій. В процесі теоретичних і експериментальних досліджень встановлено, що поле швидкостей у тонкошаровому каналі за його довжиною значно відрізняється від параболічного профілю швидкостей.

6. На підставі рішення за напівобмеженою ламінарною течією запропоновано метод розрахунку швидкостей у тонкошаровому каналі з урахуванням конструктивних особливостей входу потоку суспензії в тонкошаровий канал (наявність течієнаправляючого пристрою).

7. На підставі рішення за течією Пуазейля-Куетта визначено основний конструктивний параметр течієнаправляючого пристрою - кут між течієнаправляючими пластинами, який повинен складати не більш 10°.

8. Проведено теоретичний аналіз основних положень фільтрування суспензій. Встановлено, що існуючі математичні моделі процесу фільтрування, які використовуються в інженерних розрахунках, засновані на рішеннях з динаміки сорбції з рідких середовищ (газів), з обов'язковим експериментальним дослідженням щодо визначення емпіричних коефіцієнтів чи параметрів фільтрування, які входять у ці рішення.

9. Розглянуто одержання основних рівнянь з кінетики освітлення і кінетики накопичення. Запропоновано рішення отриманих рівнянь процесу фільтрування методом послідовних наближень, результат якого може бути використаний в інженерному розрахунку при визначенні необхідної товщини шару завантаження і часу фільтроциклу.

10. Розроблено рекомендації з проектування і експлуатації тонкошарового відстійника-фільтра з плаваючим фільтруючим шаром, при використанні його для очищення поверхневих вод від завислих часток. В рекомендаціях приведено основні конструктивні параметри апарату, довжини зони відстоювання і висоти шару завантаження, приведено конструкцію течієнаправляючого пристрою (розміри при висоті тонкошарового каналу 0,05 м). Також у рекомендаціях визначено режим роботи апарату при переважно тонкошаровому відстоюванні і при переважно безреагентному фільтруванні.

Список опублікованих праць за темою дисертації

1. Шеренков И.А., Архипов О.В. Очистка воды от полидисперсной взвеси в комбинированном тонкослойном отстойнике-фильтре с плавающей загрузкой. Науковий вісник будівництва. Вип.6, Харків, ХДТУБА-ХОТВ, 1999, с. 137-141.

2. Шеренков И.А. Архипов О.В. Исследование гидродинамики входных участков тонкослойных отстойников. Межвед. научно-техн. сб. "Гидравлика и гидротехника" №60. Київ, “Техніка”, 1999. С.15-20.

3. Шеренков И.А., Архипов О.В. Моделирование фильтрования суспензий через плавающие загрузки. Науковий вісник будівництва. Вип.12, Харків, ХДТУБА-ХОТВ, 2001, с. 108-115.

4. Шеренков И.А., Коринько И.В., Ярошенко Ю.В., Архипов О.В. Расчет времени пребывания элементов потока в пределах горизонтального отстойника и эффективности осаждения взвеси в зависимости от времени пребывания. Науковий вісник будівництва. Вип.10, Харків, ХДТУБА-ХОТВ, 2000, с.235-242.

5. Архіпов О.В. Використання тонкошарових відстійників-фільтрів з плаваючою загрузкою для очистки води від полідисперсних важких завислих часток. В сб. тр. научн.-техн. конфер. “Экология и здоровье человека. Охрана водного и воздушного бассейнов. Утилизация отходов”. Том 3, 12-16- июня 2000 г., г. Щелкино АР Крым, Харьков, 2000, с.640-643.

6. Архипов О.В. Совершенствование сооружений водоподготовки (водоочистки). Вісник харківського університету. Вип.506,частина 1, Харків, 2001, с.295-297.

Анотація

Архіпов О.В. Тонкошаровий відстійник-фільтр з плаваючим фільтруючим шаром перемінної висоти. -Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового степеня кандидата технічних наук з спеціальності 05.23.04. -водопостачання, каналізація. Харківський державний технічний університет будівництва та архітектури. Харків, 2001.

На підставі аналізу сучасного стану вирішення проблем очистки поверхневих вод від полідисперсних завислих часток за допомогою тонкошарового відстоювання і фільтрування висунута ідея суміщення тонкошарового відстоювання і фільтрування частково в межах тонкого шару та поза ним, для чого зверху тонкошарових каналів розміщується шар плаваючого зернистого завантаження, а в тонкошарові канали відстійника-фільтра подається або відводиться частина зернистого завантаження, що змінює довжину зони тонкошарового відстоювання та товщину шару фільтруючого завантаження в залежності від якості і кількості обробляємої води. Розроблена конструктивна схема тонкошарового відстійника-фільтра з плаваючим фільтруючим шаром перемінної висоти. Наведені результати експериментальних досліджень, які підтвердили ефективність запропонованого пристрою. Одержано теоретичні залежності для розподілу швидкостей ламінарної течії в тонкошаровому каналі з течієнаправляючим пристроєм, безвідривної ламінарної - в течієнаправляючому пристрої, кінетики освітлення суспензії в залежності від товщини шару зернистого завантаження та часу фільтрування, розроблені рекомендації з проектування та експлуатації запропонованого апарату.

Результати впроваджуються в проектну практику водопідготовки для малих об'єктів в Україні.

Ключові слова: полідисперсні завислі частки, тонкошарове відстоювання, фільтрування через плаваюче зернисте завантаження, ефективність очистки води від полідисперсних завислих часток.

Аннотация

Архипов О.В. Тонкослойный отстойник-фильтр с плавающим фильтрующим слоем переменной высоты. - Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук по специальности 05.23.04. - Водоснабжение, канализация. Харьковский государственный технический университет строительства и архитектуры. Харьков, 2001.

На основании анализа современного состояния решение проблем очистки поверхностных вод от полидисперсных взвешенных частиц с помощью тонкослойного отстаивания и фильтрования, выдвинутая идея совмещения тонкослойного отстаивания и фильтрование частично в пределах тонкого слоя и вне его. Для этого сверху тонкослойных каналов размещается слой плавающей зернистой загрузки, а в тонкослойные каналы отстойника-фильтра нагнетается или отводится часть зернистой загрузки, тем самым изменяя длину зоны тонкослойного отстаивания и соответственно толщину слоя фильтрующей загрузки в зависимости от качества (концентрации полидисперсных взвешенных веществ и их фазово-дисперсного состава) и количества обрабатываемой воды. Разработана конструктивная схема тонкослойного отстойника-фильтра с плавающим фильтрующим слоем переменной высоты. Разработана конструкция струенаправляющего устройства обеспечивающего безотрывное ламинарное течение потока воды в устройстве и его равномерное распределение по высоте тонкослойного канала. Проведены экспериментальные исследования процесса отделения взвешенных веществ модельных суспензий тонкослойным отстаиванием-фильтрованием (при различной длине канала и высоте слоя плавающей загрузки), результаты которых подтвердили эффективность предложенного аппарата. Установлено, что при отделении полидисперсных взвешенных веществ из модельных суспензий (глиняной и меловой) за счет совмещения отстаивания и фильтрования через плавающую зернистую загрузку, имеет место различный преимущественный механизм отделении твердой фазы, которому соответствует определенное соотношение участия в этом процессе отстаивания и фильтрования, что в конечном итоге определяется длиной зоны тонкослойного отстаивания и толщиной слоя загрузки.

Получены теоретические зависимости распределения скоростей ламинарного течения в тонкослойном канале со струенаправляющим устройством на основе решения по автомодельным зависимостям полуограниченной ламинарной струи. Также получены теоретические зависимости безотрывного ламинарного течения в струенаправляющем устройстве на основании решения уравнений Навье-Стокса и неразрывности в цилиндрических координатах. Получены теоретические зависимости кинетики осветления суспензии на основании решения уравнений материального баланса и кинетики сорбции по линейной изотерме методом последовательных приближений.

Разработаны рекомендации по проектированию и эксплуатации тонкослойного отстойника-фильтра с плавающим фильтрующим слоем переменой высоты при очистке поверхностных вод от полидисперсных взвешенных веществ. В рекомендациях приведены основные конструктивные параметры установки, длины зоны отстаивания и высоты слоя загрузки, приведена конструкция струенаправляющего устройства с указанием размеров при высоте тонкослойного канала 0,05 м. Также в рекомендациях определен режим работы установки при преимущественно тонкослойном отстаивании, и при преимущественно безреагентном фильтровании.

Основные результаты работы приняты к внедрению в проектную практику водоподготовки для небольших объектов в Украине.

Ключевые слова: полидисперсные взвешенные частицы, тонкослойное отстаивание, фильтрование через плавающую зернистую загрузку, эффективность очистки воды от полидисперсных взвешенных частиц.

The summary

Archipov O.V. Thin layer inclined plate settler-filter with a floating filtering layer of variable height. -A manuscript.

The thesis for a Doctor's degree of the Candidate of Engineering Sciences on Specialty 05.23.04. -water supply & sewage. - Kharkov State Technical University of Construction and Architecture, Kharkov, 2001.

On the ground of the assaying of a modern condition of problems solution of surface waters clearing from polydisperse hanging up particles with the help thin layer settling and filtrating put forward idea of thin layer of settling and filtrating overlapping partially in boundaries of a thin layer and outside of it for what above thin layer channels the layer of floating granular batch is disposed, and in thin layer channels of the dewatering tank - packed bed is forced or the part of granular batch, what changing length of a band thin layer of settling and layer depth of filtrating batch is assigned depending on quality and amount of treated water. The design scheme of thin layer of the dewatering tank - packed bed with the floating filter layer of variable height was made. The reduced outcomes of experimental explorations, which were confirmed the effectiveness of the offered device. The theoretical associations for a velocity distribution of a laminar flow in thin layer channel with jetguiding rig device were obtained, without separated of a laminar flow in jetguiding rig device, kinetics of suspension clearing depending on a layer depth of granular batch and time of filtrating, designed the recommendations of projection and maintenance of the offered means.

The results are adopted of designing practice for small objects in the Ukraine .

Key words: polydisperse fluidized particles, thin layer settling, filtrating through floating granular batch, effectiveness of polydisperse particles water treatment.