Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

УКРАЇНСЬКА АКАДЕМІЯ АГРАРНИХ НАУК

ІНСТИТУТ ГІДРОТЕХНІКИ І МЕЛІОРАЦІЇ

ОБГРУНТУВАННЯ ТЕХНОЛОГІЇ ПІДГОТОВКИ ГОСПОДАРСЬКО-ПОБУТОВИХ СТІЧНИХ ВОД ДЛЯ МОЖЛИВОСТІ ЇХ ВИКОРИСТАННЯ В СИСТЕМАХ ЗРОШЕННЯ

06.01.02 - сільськогосподарські меліорації (технічні науки)

АВТОРЕФЕРАТ

дисертації на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук

КОТЕЛЬЧУК АНДРІЙ ЛЕОНІДОВИЧ

Київ - 2008

Анотація

Котельчук А.Л. Обґрунтування технології підготовки господарсько-побутових стічних вод для використання їх в системах зрошення. - Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 06.01.02 - сільськогосподарські меліорації (технічні науки). - Інститут гідротехніки і меліорації УААН, Київ, 2008.

Дисертацію присвячено науковому обґрунтуванню і розробці нової більш досконалої технології доочищення і знезараження господарсько-побутових стічних вод перед випуском їх у водойми або для використання в системах зрошення. Розроблено технологію доочищення господарсько-побутових стічних вод на біореакторах з концентричними волокнисто-поліетиленовими оболонками та пінополістирольних прояснювальних фільтрах, яка характеризується високою ефективністю і економічністю роботи. Побудовано більш точні математичні моделі процесів водопідготовки на таких спорудах, а на основі експериментальних і теоретичних досліджень визначено найбільш доцільні конструктивні і технологічні параметри цих споруд та розроблено методику інженерних розрахунків для них. Проведено меліоративну оцінку очищених і знезаражених господарсько-побутових стічних вод і підтверджено можливість і доцільність їх використання в системах зрошення, що забезпечує підвищення врожайності сільськогосподарських культур у 2-4 рази та окупність станцій доочищення стічних вод за 4-5 років.

Ключові слова: зрошення, стічні води, біореактор, концентричні волокнисто-поліетиленові оболонки, прояснювальний фільтр, знезараження, меліоративна оцінка стоків.

Аннотация

Котельчук А.Л. Обоснование технологии подготовки хозяйственно-бытовых сточных вод для использования их в системах орошения. - Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук по специальности 06.01.02 - сельскохозяйственные мелиорации (технические науки). - Институт гидротехники и мелиорации УААН, Киев, 2008.

Диссертационная работа состоит из введения, пяти разделов, общих выводов, списка использованных источников из 140 наименований и приложения; изложена на 145 страницах основного текста, содержит 41 рисунок, 16 таблиц. Общий объем диссертации составляет 163 страницы.

Диссертация посвящена научному обоснованию и разработке новой более совершенной технологии доочистки и обеззараживания хозяйственно-бытовых сточных вод перед выпуском их в водоемы или для использования в системах орошения.

Разработанная технология доочистки хозяйственно-бытовых сточных вод на биореакторах с концентрическими волокнисто-полиэтиленовыми оболочками и пенополистирольных осветлительных фильтрах характеризуется высокой эффективностью и экономичностью работы. В жесткой блочной загрузке биореактора осуществляются процессы аэрации воды, газоотделения и биохимического окисления примесей.

Сформированы требования к конструктивным и технологическим параметрам биореактора. Построены более точные математические модели процессов водоподготовки на основных сооружениях станции доочистки сточных вод. Выполнены экспериментальные исследования процессов доочистки хозяйственно-бытовых сточных вод на установке с биореактором и пенополистирольным осветлительным фильтром, которые позволили установить для биореактора зависимости параметра биосорбции от скорости движения воды в концентричных волокнисто-полиэтиленовых оболочках и времени работы биореактора, а для пенополистирольного осветлительного фильтра зависимости эффективности очистки воды и потерь напора от скорости фильтрования воды и удельной грязеемкости фильтра.

По разработанной методике инженерных расчетов предложенных установок доочистки сточных вод можно определять рациональные конструктивные и технологические параметры биореактора и пенополистирольного осветлительного фильтра, которые позволяют обеспечивать требуемое качество доочищенных сточных вод при максимальной продолжительности фильтроцикла и минимальных расходах промывной воды.

Проведенная мелиоративная оценка очищенных и обеззараженных хозяйственно-бытовых сточных вод показала возможность их использования в системах орошения с наилучшими мелиоративными показателями при обеззараживании стоков раствором хлорной извести.

Целесообразность использования доочищенных по разработанной технологии хозяйственно-бытовых сточных вод в системах орошения подтверждена технико-экономическими расчетами, которые показали, что при соблюдении научно-обоснованных технологий орошения в условиях Украины обеспечивается повышение урожайности сельхозкультур в 2-4 раза, а станции доочистки сточных вод окупаются за 4-5 лет. Сведения, приведенные в диссертации, отражены в печатных работах автора.

Ключевые слова: орошение, сточные воды, биореактор, концентрические волокнисто-полиэтиленовые оболочки, осветлительный фильтр, обеззараживание, мелиоративная оценка стоков.

Abstrakt

Kotelchuk A.L. Substantiation of technology preparation of domestic sewage for their use in systems of an irrigation. - Manuscript.

The Thesis on competition degree doctor of the technical sciences on professions 06.01.02 - an agricultural land reclamations (the technical sciences - Institute of hydro engineering and land reclamation UAAS, Kiev, 2008.

The dissertation is devoted to a scientific substantiation and development of new more perfect technology of additional cleaning and disinfecting of domestic sewage before their release in reservoirs or for use in systems of irrigation. The technology of additional cleaning of domestic sewage on bioreactors with concentric fibrous and polyethylene environments and contact defecation filters which is characterized by high efficiency and profitability of work is developed. More exact mathematical models of processes of water-preparation on such constructions are constructed, and on the basis of experimental and theoretical researches more expedient constructive and technological parameters of these constructions are determined and the technique of engineering calculations for them is developed. The land-reclamation estimation of the cleared and disinfected domestic sewage is executed and the opportunity and expediency of their use in systems of an irrigation that provides increase of productivity of agricultural crops in 2-4 times and a recoupment of station of additional cleaning of sewage for 4-5 years is confirmed.

Key words: irrigation, sewage, a bioreactor, concentric fibrous polyethylene environments, defecation the filter, disinfecting, a land-reclamation estimation of sewage.

біореактор стічний фільтр водойма

1. Загальна характеристика роботи

Актуальність теми. Україна належить до малозабезпечених водою країн Європи, а тому економне і раціональне використання води в усіх сферах економіки, в тому числі і очищених стічних вод для зрошення сільгоспкультур, має велике народногосподарське значення. Значна територія України знаходиться в зонах недостатнього та нестійкого зволоження, а отже, стале виробництво в них можливе лише за умов зрошення як одного з головних факторів інтенсифікації землеробства.

Практично всі поверхневі води України інтенсивно забруднюються стічними водами, внаслідок чого концентрація забруднень в них значно перевищує встановлені нормативи якості води. Нині охорона водних ресурсів від забруднень є одним із першочергових завдань з екологічної безпеки не тільки в Україні, але й в багатьох інших країнах світу, оскільки при скиданні господарсько-побутових стічних вод у водойми ступінь їх біологічного очищення виявляється недостатнім за БПК_повн та завислим речовинам (15-20 мг/дм³).

Для зрошення сільськогосподарських культур доцільно застосовувати очищені господарсько-побутові стічні води, які мають високу удобрювальну цінність, оскільки в них міститься велика кількість калію і азоту. Але при використанні удобрювальних поливів сільгоспкультур неочищеними стічними водами спостерігається тенденція до збільшення кількості нітратів в ґрунті. Отже, необхідно враховувати гранично допустиму концентрацію в стічних водах основних забруднюючих речовин залежно від типу ґрунтів.

Недостатній ступінь біологічного очищення стічних вод обмежує можливості їх використання для технічного водопостачання промислових підприємств та зрошення сільгоспкультур. Тому потрібно застосовувати споруди для доочищення стічних вод після їх неповного біологічного очищення. Діючі споруди, що призначені для цих цілей, нині у більшості випадків працюють не досить ефективно і економічно. Таким чином, питання розробки більш ефективних, надійних та економічних технологій доочищення господарсько-побутових стічних вод для можливого їх використання в системах зрошення та технічного водопостачання на сьогодні є досить актуальними.

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 тематичними планами Інституту гідротехніки і меліорації на 2001-2005 роки (завдання 02.01, № держреєстрації 0101U004622) і на 2006-2010 роки (завдання 03.02.01 - 022, № держреєстрації 0106U004946) з питань очищення та повторного використання стічних вод: "Розробити нову технологію доочищення стічних вод з метою використання їх для зрошення".

Мета і задачі досліджень

Метою дисертаційної роботи є наукове обґрунтування та розробка на цій основі технології доочищення господарсько-побутових стічних вод на біореакторах з концентричними волокнисто-поліетиленовими оболонками та пінополістирольних фільтрах до можливості їх використання в системах зрошення з отриманням найкращих показників її роботи і мінімальних витрат на будівництво та експлуатацію очисних споруд.

Досягнення мети передбачало вирішення наступних завдань:

- провести аналіз сучасного стану питань використання стічних вод в сільському господарстві;

- розробити технологію доочищення господарсько-побутових стічних вод на спорудах з послідовним проходженням води через біореактор з концентричними волокнисто-поліетиленовими оболонками і пінополістирольний фільтр;

- експериментальним шляхом визначити раціональні конструктивні і технологічні параметри водоочисних споруд та побудувати математичну модель процесу доочищення досліджуваних стічних вод на біореакторі з концентричними волокнисто-поліетиленовими оболонками;

- перевірити придатність очищених і знезаражених господарсько-побутових стічних вод для зрошення шляхом проведення їх меліоративної оцінки існуючими методами при різних способах знезараження стічних вод;

- обґрунтувати економічну доцільність використання доочищених та знезаражених господарсько-побутових стічних вод для зрошення сільгоспкультур;

- розробити і впровадити рекомендації на проектування запропонованої технології доочищення стічних вод для умов використання їх в системах зрошення.

Об'єкт досліджень - процес доочищення господарсько-побутових стічних вод.

Предмет досліджень - параметри процесу доочищення стічних вод на біореакторах і пінополістирольних фільтрах.

Методи досліджень - фізичне і математичне моделювання процесів доочищення стічних вод з проведенням лабораторних досліджень в умовах реальних попередньо очищених господарсько-побутових стічних вод. Визначення показників якості води проводилось у відповідності з діючими нормативними документами на базі центральної науково-дослідної лабораторії якості води і ґрунтів (с. Гора Київської обл.). Математична обробка експериментальних даних виконувалась з використанням відомих спеціальних методик.

Наукова новизна одержаних результатів:

- обґрунтовано доцільність використання в процесах доочищення господарсько-побутових стічних вод біореакторів з концентричними волокнисто-поліетиленовими оболонками і пінополістирольних фільтрів;

- встановлено залежності для визначення пористості біореакторів з волокнистим завантаженням;

- побудована математична модель процесу доочищення досліджуваних стічних вод на біореакторах з концентричними волокнисто-поліетиленовими оболонками при низхідному русі рідини після її аерації;

- на підставі експериментальних даних встановлено зв'язок між вмістом завислих речовин, ХСК, швидкістю руху рідини, часом перебування її в біореакторі та ефективністю очищення стоків;

- встановлено залежності основних показників процесу видалення завислих речовин в ППФ від питомої брудомісткості фільтра і швидкості фільтрування води.

Практичне значення одержаних результатів роботи:

- розроблено технологію доочищення господарсько-побутових стічних вод після їх анаеробного очищення на біореакторах з концентричними волокнисто-поліетиленовими оболонками та пінополістирольних фільтрах до можливості їх використання в системах зрошення, що сприяє економії водних ресурсів та захисту їх від забруднення стічними водами;

- на розроблений спосіб доочищення стічних вод отримано патент України на корисну модель № 23082, а в результаті лабораторних досліджень визначено раціональні конструктивні і технологічні параметри споруд та розроблено методику їх інженерного розрахунку;

- на основі експериментальних досліджень і розрахунків меліоративної оцінки очищених і знезаражених господарсько-побутових стічних вод перевірена і підтверджена придатність та економічна доцільність їх застосування для зрошення сільгоспкультур;

- результати досліджень впроваджено в нормативні документи та передано для використання в проектні організації.

Особистий внесок здобувача: аналіз літературних джерел про методи очищення господарсько-побутових стічних вод та конструкції відповідних споруд; обґрунтування доцільності доочищення цих стічних вод для використання в системах зрошення; визначення шляхів інтенсифікації роботи споруд для доочищення легкоокислюємих стічних вод; розробка конструкції лабораторної установки, методики експериментальних досліджень і їх проведення на реальних стічних водах на базі центральної науково-дослідної лабораторії якості води і ґрунтів ІГіМ УААН та обробка отриманих результатів; теоретичне обґрунтування розробленої технології доочищення стічних вод; аналіз одержаних результатів і висновків; впровадження розробленої технології у виробництво.

Апробація результатів дисертації. Основні результати досліджень і окремі розділи дисертації доповідались і обговорювались на науково-практичних конференціях і семінарах Інституту гідротехніки і меліорації УААН (м. Київ, 2005-2007 рр.); Харківського державного університету будівництва і архітектури (м. Харків, 2006 р.) та міжнародних науково-практичних конференціях (м. Миргород, 2004-2007 рр.), (м. Ялта, “ЕТЕВК”- 2007), (м. Чернігів, 2007 р.).

2. Основний зміст роботи

У вступі наведено стислу характеристику дисертаційної роботи, розкрито актуальність проблеми доочищення господарсько-побутових стічних вод з метою запобігання забрудненню природних водних джерел та створення можливостей їх використання в системах зрошення, сформульовано мету і визначено задачі досліджень, висвітлено наукову новизну і практичне значення одержаних результатів.

У першому розділі виконано аналіз сучасного стану питань використання стічних вод в сільському господарстві та відмічено, що оскільки Україна належить до малозабезпечених водою країн Європи, то економне і раціональне використання води в усіх сферах економіки, в тому числі і очищених стічних вод для зрошення сільгоспкультур, має велике народногосподарське значення. Досліджувані стічні води мають високу удобрювальну цінність, оскільки в них міститься велика кількість калію і азоту. Але при використанні таких вод для зрошення необхідно враховувати гранично допустиму концентрацію в них основних забруднюючих речовин з урахуванням типу ґрунтів.

В останні роки характерним для досліджень є комплексність підходу до вирішення задач оптимізації водогосподарських систем, раціонального та економного використання в них водних ресурсів, застосування ресурсозберігаючих технологій. До таких робіт слід віднести дослідження П.І. Коваленка, М.І. Ромащенка, Ю.О. Михайлова, П.І. Ковальчука, Ю.І. Гриня, А.В. Яцика, О.Я. Олійника, І.І. Науменка, А.М. Рокочинського, М.Г. Пивовара, М.О. Лазарчука, В.Д. Дупляка, В.А. Сташука та ін.

Великий вклад у розв'язання проблеми використання стічних вод в системах зрошення та технічного водопостачання внесли такі вчені: С.В. Яковлєв, І.В. Прозоров, Є.М. Іванов, І.Г. Губій, Б.Б. Шумаков, Г.Н. Мякотін, М.А. Романенко, М.С. Григоров, В.С. Розуваєв, А.В. Чеботарьов, Т.М. Хруслова, Ю.Г. Безкровний, В.Є. Дишлюк, Т.Л. Сало, А.В. Чорнокозинський та ін.

Незважаючи на істотне скорочення водоспоживання, якість водних ресурсів в останні роки невпинно погіршується. Дуже небезпечним для довкілля є те, що в останні роки зростають не тільки рівні забруднення скидів стічних вод, а й обсяги скидів стічних вод, які взагалі не очищаються. Для порівняння, якщо в 1990 році скид неочищених стічних вод становив 470 млн.м³, то у 2006 році вже 1427 млн.м³, або майже в 3 рази більше і це в умовах скорочення водоспоживання.

Якість води після біохімічного очищення, яку скидають у поверхневі водойми або використовують на промислових підприємствах, у багатьох випадках не відповідає поставленим вимогам по вмісту механічних, органічних та хімічних домішок.

При зрошенні стічними водами санітарно-екологічним показником забруднення ґрунту і гальмування процесів мінералізації є високий вміст органічного вуглецю, органічного азоту при відсутності аміаку. На самоочищаючу здатність ґрунту значно впливає такий показник стічних вод як хімічне споживання кисню (ХСК). Для зниження величини ХСК у стічних водах необхідно виконувати їх доочищення біологічними методами.

Придатність стічних вод для зрошення визначається складом інгредієнтів, їх концентрацією і співвідношенням, генетичними особливостями ґрунту та біологічними характеристиками сільськогосподарських культур. Для попередньої оцінки можливого використання для зрошення стічних вод слід застосовувати 88 класичні методи: Можейко А.М. та Воротника Т.К., Буданова М.Ф., Департаменту сільського господарства США, Антипова-Каратаєва та інші. Очищені стічні води повинні бути знезаражені.

У другому розділі виконано аналіз технологій доочищення господарсько-побутових стічних вод і конструкцій водоочисних установок.

Для доочищення стічних вод з метою їх подальшого використання в системах зрошення необхідно використовувати такі споруди і установки, які не вимагають великого тиску води, дешеві у будівництві та прості і надійні в експлуатації. До таких споруд у першу чергу відносяться мікрофільтри та самопливні фільтри із зернистим завантаженням. У роботах відомих дослідників Д.М. Мінца, В.А. Клячко, Ю.М. Шехтмана, О.Я. Олійника, С.В. Шуберта, М.Г. Журби, С.С. Душкіна, М.М. Гіроля, П.О. Грабовського, В.О. Терновцева, В.О. Орлова, П.Д. Хоружого, К. Айвеса, В. Мацкле, Т. Івасакі, Р. Еліасена та ін. розглянуто різні питання процесів очищення води фільтруванням.

Аналіз роботи фільтрів з важким зернистим завантаженням і низхідним рухом води показав, що при доочищенні стічних вод вони мають підвищений темп приросту втрат напору в завантаженні, а отже, невелику брудомісткість та складність їх регенерації з великими витратами енергії.

Інтенсифікувати процес доочищення стічних вод фільтруванням можливо шляхом застосування ефективних фільтрувальних матеріалів з розвинутою поверхнею фільтрувальних елементів, які здатні взаємодіяти зі стічною водою, затримуючи домішки без застосування реагентів, а також забезпечувати можливість регенерації їх вихідною водою при зменшенні енерго- і трудовитрат. До таких фільтрувальних елементів належать волокнисті синтетичні матеріали, що мають високу питому поверхню та характеризуються еластичністю, високою міцністю та стійкістю до гідромеханічних навантажень і легкі плаваючі матеріали (пінополістирол, подрібнений пінопласт тощо). Такі фільтри мають значно більшу швидкість фільтрування води та тривалість фільтроциклу, меншу тривалість промивки та менші питомі капітальні і експлуатаційні витрати.

За останній час поширення набув біосорбційний метод доочищення стічних вод. Значний внесок у розробку і застосування цього методу зробили вчені: С.В. Яковлєв, В.Н. Швецов, П.І. Гвоздяк, Л.І. Глоба, О.Я. Олійник, М.Г. Журба, М.М. Гіроль, М.І. Кошель, Ю.А. Каранов, Г.М. Заболотна, Б.Н. Якимчук, В.А. Ковальчук, Ю.С. Хабіров, А.С. Славінський, В.П. Хоружий, Хамад Іхаб Ахмад, Christiansen P., Hollesen L., Harremoes P. та ін.

У результаті проведеного аналізу установок для доочищення стічних вод встановлено, що біохімічне окислення органічних речовин доцільно виконувати на біореакторах (БР) з волокнистим завантаженням для іммобілізації аеробних мікроорганізмів, а її прояснення - на пінополістирольних прояснювальних фільтрах (ППФ) з плаваючим завантаженням.

Для нормальної життєдіяльності аеробних мікроорганізмів у стічній воді повинен бути кисень і органічні речовини, які вони окислюють.

При проектуванні БР для доочищення стічних вод необхідно вибирати тип завантаження і визначати його раціональні конструктивні і технологічні параметри.

Дослідження роботи БР, завантажених насадками з тонких волокнистих матеріалів типу "ВІЇ", для доочищення біологічно очищених господарсько-побутових стічних вод виконані Хамад Іхаб Ахмадом. Проте практика експлуатації таких споруд виявила ряд недоліків. Як альтернативний варіант нами запропоновано жорстке завантаження з концентричними волокнисто-поліетиленовими оболонками (КВПО), яке просте у виготовленні, надійне в експлуатації, високоефективне і економічне. У ньому створюються сприятливі умови для закріплення мікроорганізмів, забезпечується вільний контакт стічної рідини з ними, а також безперешкодний вихід газів. Тому в роботі вибрано для досліджень процеси аеробного доочищення біологічно очищених господарсько-побутових стічних вод на БР з жорстким блочним завантаженням (КВПО) та фільтрах з плаваючим завантаженням. У цій технології однією з основних водоочисних споруд є біореактор, завантажений жорстким блочним завантаженням, в якому відбуваються процеси аерації води, газовідділення та біохімічного окислення домішок.

У третьому розділі розроблено конструкцію БР для доочищення стічних вод і методику його математичного моделювання.

БР повинні бути сконструйовані таким чином, а режим їх роботи відпрацьований так, щоб швидкість руху води в них не перевищувала критичну, при якій змиваються з волокон прикріплені мікроорганізми, а з іншого боку була цілком достатньою, щоб виносити з БР рештки біомаси, що наросла і не прикріпилась до волокон. Тому велике значення для ефективної роботи БР має правильний вибір носія для закріплення на ньому мікроорганізмів-деструкторів. Фільтрувальне завантаження з КВПО просте у виготовленні, надійне в експлуатації, високоефективне та економічне. Пористість такого завантаження визначається за формулою

. (1)

де S - товщина кожної оболонки, мм; - відстань між сусідніми оболонками, мм; r_б - радіус корпуса БР, мм.

Для комбінованого фільтрувального завантаження, яке складається з КВПО (по зовнішній стороні БР) та волокнистих ниток (в центральній частині БР), пористість в усіх точках поперечного перерізу БР буде однакова, якщо буде виконуватись умова

 , (2)

де _н - площа поперечного перерізу однієї волокнистої нитки, мм².

Однією з важливих функцій БР є роль газовіддільника для запобігання пухирцевої кольматації ППФ в його підфільтровому просторі. Для виконання цієї функції повинні виконуватись такі умови:

- максимальна швидкість низхідного руху стічної рідини в БР не повинна бути більшою

, м/год. (3)

- мінімальна висота фільтрувального завантаження в БР не повинна бути меншою

, м. (4)

де S_t - товщина волокнисто-поліетиленової оболонки в кінці фільтроцикла (через t годин роботи), мм.

Після інтенсивної аерації стічна рідина надходить в БР і рівномірно розподіляється між концентричними волокнисто-поліетиленовими оболонками, обтікаючи їх поверхню, на якій утворюється біоплівка з аеробними мікроорганізмами, що споживають розчинені у воді органічні забруднення.

Навколо кожної оболонки товщиною S утворюється біологічна плівка товщиною б_п, а біля поверхні біоплівки утворюється тонкий ламінарний шар (рідка плівка) товщиною б_р.

При русі стічної рідини відбувається перерозподіл концентрації домішок по залежності

, г/дм³год, (5)

де V_ф - швидкість фільтрування води в БР, м/год; р - пористість фільтрувального завантаження БР; С_е і С_б - концентрація субстрату стічних вод, відповідно у порових каналах БР і на межі рідкої плівки та біоплівки, г/м³;

і - зміна концентрації субстрату стічних вод, відповідно у часі та по шляху

фільтрування води в БР; К_с - коефіцієнт масопереноса субстрату в рідкій плівці, м/год; F_б - загальна площа біоплівки БР висотою 1 м, м²/м; F - площа поперечного перерізу БР, через яку рухається стічна рідина, м².

У результаті розв'язання рівняння (5) отримано вирази для визначення необхідної висоти завантаження БР Н₀ або при відомій величині Н₀ для визначення якості С_ф води, що виходить з БР

, м; (6)

, . (7)

де А₀ - параметр, що характеризує умови біосорбції в БР, год^-1; С₀ і С_ф - концентрація субстрату стічних вод, відповідно на вході в БР і на виході з нього, г/м³.

Якість фільтрованої води С_ф залежить від якості вихідної води С₀, а також конструктивних і технологічних параметрів БР:

С_ф = f (C₀; H₀; A₀; V_ф) . (8)

Але параметр біосорбції А₀ в свою чергу залежить від цілого ряду факторів:

А₀ = (К_с; С_е; С_б; ; S; б_п; б_р) . (9)

Товщина біоплівки б_п також залежить від якості вхідної в БР стічної води С₀, ширини просвіту між оболонками БР в, товщини оболонок S та часу фільтрування води Т_ф:

б_п = f (C₀; в; S; Т_ф) . (10)

Таким чином, очищення води в БР є багатофакторним процесом і для його оптимізації потрібно проводити експериментальні дослідження.

У четвертому розділі наведено результати експериментальних досліджень процесів доочищення господарсько-побутових стічних вод на установках з БР і ППФ. Для проведення лабораторних досліджень цих процесів була виготовлена і змонтована установка на території Центральної науково-дослідної лабораторії якості води та ґрунтів ІГіМ УААН.

При виборі плану експериментальних досліджень в багатофакторних залежностях (8-10) було використано метод Бокса-Уілсона, який дає можливість вибрати найкоротший шлях до оптимуму.

Для виконання експериментальних досліджень БР використовувалось завантаження із КВПО, виготовлених ТОВ «СЕЛТОН», висотою Н₀ = 1700 мм. Інші розрахункові параметри БР наведено в табл.1.

Для виконання експериментальних досліджень ППФ використовувався спінений полістирол марки ПСВ ОСТ 6.05-202 з такими характеристиками: d₁₀ = 1,62 мм; d₅₀ = 3,18мм; d₈₀ = 4,08 мм; d_е = 3,22 мм; К_н = 2,52. Товщина фільтрувального завантаження приймалась Н_ф = 1,0 м. Дослідження виконувались при трьох швидкостях руху води в БР: 3; 5 і 7 м/год.

Результати досліджень наведено в табл.2, у якій: Т_ф - тривалість роботи біореактора, діб; С₀, С_ф.1 і С_ф.2 - величина ХСК, відповідно на початку, по середині і в кінці БР, мг/дм³; Е₁, Е₂ і Е_п - ефективність роботи БР по зменшенню величини ХСК відповідно у верхній половині БР, у нижній його половині і по всій висоті БР, %; А₁, А₂ і А_п - параметр біосорбції в БР, відповідно, у верхній його половині, нижній половині та середній по висоті, год^-1.

Таблиця 1 Розрахункові параметри БР та його фільтрувального завантаження з волокнисто-поліетиленових оболонок

№ п/п	Діаметри, мм	Товщина стінки S, мм	Площа поперечного перерізу дм2	Відстань між стінками , мм	Коефіцієнт упакування,
	dзовн	dвн		трубки	фільтрув. завантаж.
1	140	134	3	0,129	-	-	-
2	84	80	2	0,0515	0,0515	25	0,037
3	69	65	2	0,0421	0,00936	7,5	0,066
4	44	40	2	0,0264	0,12	10,5	0,085
5	29	25	3	0,017	0,137	5,5	0,097

Таблиця 2 Результати досліджень і розрахунків параметрів роботи БР при доочищенні господарсько-побутових стічних вод

Тф, діб	ХСК, мг/дм3	Е, %	А, год-1
	С0	Сф.1	Сф.2	Е1	Е2	Еп	А1	А2	Ап
Vф.1 = 3 м/год
1	355,4	220,6	160,4	36	28	54	1,58	1,13	1,35
1,5	360,2	220,0	141,2	39	31	58	1,76	1,31	1,53
2	340,6	180,0	110,2	48	43	70	2,31	2,0	2,15
3	391,2	191,2	110,4	51	46	73	2,52	2,01	2,34
4	421,6	220,4	120,8	49	43	71	2,35	1,98	2,16
Vф.2 = 5 м/год
1	360,4	241,4	200,8	30	18	43	2,12	1,17	1,65
2	340,2	201,4	141,8	37	26	54	2,76	1,78	2,27
3	320,6	180,4	121,4	44	27	59	3,36	1,86	2,61
4	441,6	201,0	180,0	54	14	61	4,56	0,91	2,73
Vф.3 = 7 м/год
5	421,8	301	200,2	29	35	54	2,85	3,53	3,19
6	280,8	186,6	180,6	35	0	35	3,60	0	1,8
7	260,2	221,2	181,6	11	16	25	1,0	1,39	1,2
8	360,6	261,0	180,6	26	31	49	2,51	3,07	2,79

Аналіз результатів досліджень БР показав, що із збільшенням V_ф, ефективність очищення рідини Е буде зменшуватись, а параметр біосорбції А₀ збільшуватись. Через 7 діб роботи БР при швидкості V_ф = 7 м/год частково змилась з поверхні завантаження біологічна плівка, що призвело до зменшення величин Е і А₀.

У результаті лабораторних досліджень процесів затримання завислих речовин при висхідному фільтруванні води на ППФ встановлено залежності

С_ф/С_о = f (V_ф, G); (11)

h_ф = (V_ф, G), (12)

де G - питома брудомісткість фільтра, яка визначалась за формулою

, кг/м² (13)

де С_ср.0 і С_ср.ф - середній вміст завислих речовин відповідно вихідної і фільтрованої води, мг/дм³; Q_ф - витрата води, яка проходила через фільтр за період даного фільтроцикла, м³/год; Т_ф - тривалість фільтроцикла, год; _ф - площа фільтрувального завантаження на даному фільтрі, м².

Одним із основних факторів, що впливають на ефективність очищення води і зростання втрат напору на фільтрі є брудомісткість фільтра G, яка залежить від ефективності очищення води, швидкості і тривалості її фільтрування.

Встановлено залежності залишкової питомої брудомісткості фільтра від максимальної початкової брудомісткості фільтра G_max, інтенсивності і тривалості промивки, користуючись якими можна визначити потрібну тривалість промивки t_пр, знаючи інтен-сивність промивки q_пр та розрахункову мінімальну питому брудомісткість фільтра G_min, при якій забезпечується гранично допустимий вміст завислих речовин у фільтрованій воді С_ф.гр.

У п'ятому розділі наведено методику інженерних розрахунків основних технологічних параметрів установок доочищення стічних вод.

Для розрахунків БР запропоновано емпіричну формулу

, %, (14)

користуючись якою можна можна розраховувати потрібну швидкість фільтрування води в БР V_ф. для досягнення розрахункової ефективності очищення води Е_р при відомій висоті робочого завантаження БР або обчислювати розрахункову висоту робочого завантаження Н₀ для досягнення потрібного значення Е_р при відомій швидкості фільтрування води V_ф.

Розрахунок БР виконують у такій послідовності:

1) приймають конструкцію БР (величини S; і Н₀);

2) визначають потрібну глибину очищення води Е_р;

3) для розрахункової витрати стічних вод Q_р визначають розрахунковий діаметр БР за формулою

, м. (15)

Для розрахунків ППФ побудовано графіки залежності С_ф/С₀ = f (G) i h_ф = f (G) при швидкості фільтрування води V_ф = 5 м/год (рис.5), користуючись якими визначають максимальну G_max і мінімальну G_min питомі брудомісткості фільтра. Величина G_max необхідна для визначення максимальної тривалості фільтрування води на ППФ з такою швидкістю, щоб вміст забруднень у фільтраті С_ф не перевищував гранично допустиму межу С_ф.гр:

, год, (16)

де С_ф.ср / С_0.ср - середнє значення параметра глибини очищення води за період фільтроциклу, тобто в інтервалі між G_min і G_max.

Величина G_min необхідна для визначення параметрів промивки фільтра з метою забезпечення потрібної якості фільтрованої води на початку фільтроцикла.

Біологічно очищені господарсько-побутові стічні води перед подачею їх у систему зрошення повинні бути знезаражені, для чого у стічну воду можна подавати розчини хімічних реагентів: рідкого хлору Cl₂, технічного гіпохлориту натрію NaOCl (РТГН) або хлорного вапна CaOCl₂.

Аналіз впливу методу знезараження очищених господарсько-побутових стічних вод на їх меліоративні властивості показав, що при знезараженні води рідким хлором співвідношення між катіонами (К⁺ + Na⁺) та (Ca²⁺ + Mg²⁺) не змінюється; при знезараженні РТГН - збільшується вміст Na⁺ на 1,35 мг-екв/дм³, а при знезараженні розчином хлорного вапна - збільшується вміст кальцію на 1,18 мг-екв/дм³.

Аналіз результатів меліоративної оцінки очищених і знезаражених господарсько-побутових стічних вод показав (табл.3), що найкращі показники мають води, що знезаражені розчином хлорного вапна, а найгірші показники - води, що знезараженні РТГН.

Аналіз проблеми доцільності застосування доочищених господарсько-побутових стічних вод для зрошення показав, що при дотриманні науково обґрунтованих технологій зрошення і застосуванні заходів щодо підвищення родючості ґрунтів в умовах України забезпечується підвищення врожайності кормових і технічних культур у 2-4 рази, а станції доочищення стічних вод окупаються за 4-5 років.

Таблиця 3 Результати меліоративної оцінки знезаражених господарсько-побутових стічних вод

Метод оцінки	Показники, мг-екв/дм3	Допустимі значення	Фактичні значення для стоків, знезаражених за варіантами
			1	2	3
Буданова		1	1,13	1,39	0,92
		0,7	0,84	1,03	0,72
Можейко - Воротника		65	48,4	53,1	44,5
Департаменту сільського господарства США		8	3,14	3,86	2,9
Антипова - Каратаєва		1	1,15	0,94	1,34

Розроблена технологія доочищення господарсько-побутових стічних вод впроваджена для використання в проектних організаціях. Методика проектування і розрахунків БР з КВПО включена до нормативних документів ВБН 46/33-2.5-5-96, а рекомендації щодо проектування установок з БР і ППФ передані для використання в провідні проектні організації системи Держводгоспу України.

Загальні висновки

1. Господарсько-побутові стічні води, які мають високу удобрювальну цінність, після їх доочищення і знезараження доцільно використовувати для зрошення сільгоспкультур, що підвищує їх врожайність та сприяє охороні навколишнього природного середовища.

2. Оскільки доочищення стічних вод потребує збільшення капітальних і експлуатаційних витрат більше 30%, то одним із найважливіших завдань у проблемі очищення та повторного використання стічних вод є удосконалення технології очистки та конструкцій очисних споруд у напрямку зменшення їх вартості і спрощенні експлуатації при забезпеченні надійності роботи та високої ефективності очищення води.

3. Велике значення для ефективності біологічного очищення стічних вод має правильний вибір носія для закріплення на ньому мікроорганізмів-деструкторів. Цей носій повинен мати велику питому адгезійну поверхню, не мати токсичної дії на бактерії і довкілля та не руйнуватись під впливом мікроорганізмів. Таким вимогам відповідає фільтрувальне завантаження з КВПО, яке просте у виготовленні, надійне в експлуатації, високоефективне та економічне.

4. Розроблена методика математичного моделювання процесів біохімічного доочищення стічних вод в БР з КВПО дозволяє знаходити раціональні техніко-економічні показники споруд доочищення стічної води.

5. Дослідження роботи БР показали, що ефективність його роботи по зменшенню ХСК залежить від швидкості руху стічної рідини в ньому V_ф, тривалості роботи БР Т_ф та місця перебування води в ньому, що дозволило розробити методику розрахунку раціональних конструктивних і технологічних параметрів БР.

6. Встановлено залежності основних показників процесу видалення завислих речовин в ППФ від питомої брудомісткості фільтра G і швидкості фільтрування води V_ф, що дозволило розробити методику визначення ефективності очищення води Е, максимальної тривалості фільтроциклу Т_max, максимальних втрат напору h_ф.max і мінімальної брудомісткості фільтра G_min.

7. Розроблено методику визначення розрахункових величин інтенсивності q_пр і тривалості t_пр промивки ППФ для забезпечення розрахункової ефективності очищення води Е_min на початку фільтроциклу.

8. Аналіз результатів меліоративної оцінки очищених і знезаражених господарсько-побутових стічних вод показав, що найкращі показники мають води, що знезаражені розчином хлорного вапна, а найгірші показники - води, що знезараженні РТГН.

9. Аналіз проблеми доцільності застосування доочищених господарсько-побутових стічних вод для зрошення показав, що при дотриманні науково обґрунтованих технологій зрошення і застосуванні заходів щодо підвищення родючості ґрунтів в умовах України забезпечується підвищення врожайності кормових і технічних культур, а станції доочищення стічних вод окупаються за 4-5 років.

10. Методика проектування і розрахунків БР з КВПО включена до нормативних документів ВБН 46/33-2.5-5-96, а рекомендації щодо проектування установок з БР і ППФ передані для використання в провідні проектні організації системи Держводгоспу України.

Список опублікованих праць за темою дисертації

1. Котельчук А.Л. Використання доочищених стічних вод як резерв економії водних ресурсів // Меліорація і водне господарство. - 2005. - с.151-157.

2. Хоружий П.Д., Чорнокозинський А.В., Котельчук А.Л. Повторне використання стічних вод у сільськогосподарському виробництві // Вісник аграрної науки. Спецвипуск. - 2005. - с.75-77.

3. Котельчук А.Л. Можливості використання стічних вод спиртових заводів для зрошення сільгоспкультур // Зб. наук. праць «Науковий вісник будівництва». - Вип.35.- Харків, ХДТУБА, ХОТВ АБУ. - 2006. - с.193-196.

4. Хоружий П.Д., Котельчук А.Л. Визначення пористості завантаження біореакторів для глибокого доочищення стічних вод // Водне господарство України, № 6. - 2006. - с.45-48.

5. Котельчук А.Л. Дослідження процесів доочищення стічних вод до можливостей їх використання в системах зрошення // Меліорація і водне господарство. - 2007. - Вип.95. - с.251-259.

6. Хоружий П.Д., Котельчук А.Л. Математичне моделювання і розрахунок процесів доочищення стічних вод в біореакторах з концентричними волокнисто-поліетиленовими оболонками // Проблеми водопостачання, водовідведення та гідравліки: Науково-технічний збірник. Вип.8. - К.: КНУБА, 2007. - с.113-120.

7. Хоружий П.Д., Котельчук А.Л. Водогосподарсько-економічна ситуація в Чернігівській області і шляхи її покращення. - В зб. матеріалів міжнародної наук.-пр. конф. “Сучасні проблеми охорони і раціонального використання водних ресурсів та очистки природних і стічних вод”. - К.: тов. “Знання” України, 2004. - с.34-36.

8. Котельчук А.Л. Інтенсифікація процесів очистки та повторного використання стічних вод у сільській місцевості. - В зб. матеріалів міжнародної наук.-пр. конф. “Сучасні проблеми охорони і раціонального використання водних ресурсів та очистки природних і стічних вод”. - К.: тов. “Знання” України, 2005. - с.21-24.

9. Котельчук А.Л. Сучасні проблеми утилізації стічних вод спиртових заводів. - В зб. матеріалів міжнародної наук.-пр. конф. “Сучасні проблеми охорони і раціонального використання водних ресурсів та очистки природних і стічних вод”. - К.: тов. “Знання” України, 2006. - с.77-79.

10. Котельчук А.Л. Дослідження та математичне моделювання процесів доочищення господарсько-побутових стічних вод на біореакторах. - В зб. матеріалів міжнародної наук.-пр. конф. “Сучасні проблеми охорони і раціонального використання водних ресурсів та очистки природних і стічних вод”. - К.: тов. “Знання” України, 2007. - с.83-87.

11. Хоружий П.Д., Хомутецька Т.П., Котельчук А.Л., Рубан О.В., Рудницький Є.А., Хоружий В.П., Василюк А.В. Проектування та розрахунок водоочисних станцій з біореакторами та контактно-освітлювальними фільтрами // Зб. доповідей Міжнародного конгресу ЕТЕВК-2007. - м.Ялта, 22-26 травня 2007р. - с.164-169.

12. Котельчук Л.С., Котельчук А.Л. Оцінка стану стічних вод в Чернігівській області та основні напрямки їх використання // Зб. наук. праць міжнародної наук.-пр. конф. «Новітні досягнення геодезії, геоінформатики та землевпорядкування - європейський досвід». - вип.3. - м. Чернігів, 2007р. - с.132-135.

13. Патент України на корисну модель №23082 МПК СО2F 3/28. Установка для очистки води / Хоружий П.Д., Хомутецька Т.П., Котельчук А.Л., Чорнокозинський А.В. Заявл. 24.11.2006, опубл.10.05.2007, Бюл. № 6, 2007р.

14. Зміни і доповнення до ВБН 46/33-2.5-5-96 "Сільськогосподарське водопостачання. Зовнішні мережі і споруди. Норми проектування" розділом "Проектування водоочисних станцій з волокнисто-пінополістирольними фільтрами на системах сільгоспводопостачання" (Розробники Хоружий П.Д., Мацелюк Є.М., Чарний Д.В., Хомутецька Т.П., Котельчук А.Л. та ін.). - К.: Держводгосп України. - 2007. - 25с.

Размещено на Allbest.ru

...