Інтенсифікація роботи міських очисних споруд каналізації шляхом покращання їх гідравлічного режиму

Размещено на http://www.allbest.ru/

Харківський державний технічний університет будівництва та архітектури

УДК 628.334.51

05.23.04. - Водопостачання, каналізація

Автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук

Інтенсифікація роботи міських очисних споруд каналізації шляхом покращання їх гідравлічного режиму

Черненко Яна Миколаївна

Харків-2001

Дисертацією є рукопис.

Робота виконана в Дніпродзержинському державному технічному університеті Міністерства освіти і науки України

Науковий керівник: доктор технічних наук, професор Волошин Микола Дмитрович, Дніпродзержинський державний технічний університет, завідувач кафедри "Екологія і неорганічна та біологічна технологія"

Офіційні опоненти:

Доктор технічних наук, професор Найманов Аубекір Ягопірович, Донбаська державна академія будівництва і архітектури, завідувач кафедри "Міське будівництво і господарство"

Кандидат технічних наук, старший науковий співробітник Ситницька Елла Абрамівна, інститут УкркомунНДІПрогрес, начальник лабораторії

Провідна установа

Харківська державна академія міського господарства, кафедра "Водопостачання, водовідведення та очищення вод". Міністерства освіти і науки України, м. Харків

Захист відбудеться "25"квітня 2001 р. об 11 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 64.056.03 при Харківському державному технічному університеті будівництва та архітектури за адресою: 61002, м. Харків, вул. Сумська, 40

З дисертацією можна ознайомитись у бібліотеці Харківського державного технічного університету будівництва та архітектури за адресою: 61002, м. Харків, вул. Сумська, 40

Автореферат розісланий 23 березня 2001р.

Вчений секретар спеціалізованої вченої ради М.І. Колотило

Анотації

Черненко Я.М. Інтенсифікація роботи міських очисних споруд каналізації шляхом покращання їх гідравлічного режиму. - Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.23.04 - водопостачання, каналізація. - Харківський державний технічний університет будівництва та архітектури, Харків, 2001.

Дисертаційна робота присвячена вирішенню актуальної задачі удосконалення роботи очисних споруд, спрямованого на підвищення ступеня очистки стічних вод на основі дослідження промислових відстійників на наявність застійних зон та їх вплив на гідравлічний режим роботи споруд, а також вивчення профілю швидкостей руху водних потоків та розподілу вмісту розчиненого кисню в залежності від глибини та довжини відстійника. За допомогою розробленої методики отримано епюри розподілу швидкостей руху води та концентрації розчиненого кисню по перетину та довжині горизонтального відстійника. Запропоновані та обгрунтовані методи підвищення коефіцієнта використання об'єму первинного та вторинного відстійників шляхом суміщення відстоювання та аерації в одному об'ємі та застосування сифонних труб. Розроблені технічні рішення дозволяють наблизити якість очищених стічних вод до вимог, що пред'являються водоймищам рибогосподарського призначення, а також використовувати цю воду в системах оборотного водопостачання підприємств хімічної промисловості. Запропоновані конструктивні рішення можуть бути використані на міських очисних спорудах України як комплексно, так і фрагментарно. очисний відстійник гідравлічний

Ключові слова: очисні споруди, відстійник, аерація, розчинений кисень, інтенсифікація, гідравлічний режим, сифон.

Черненко Я.Н. Интенсификация работы городских очистных сооружений канализации путем улучшения их гидравлического режима. - 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.

Диссертационная работа посвящена решению актуальной задачи усовершенствования работы городских очистных сооружений канализации, направленного на повышение степени очистки сточных вод на основе исследования промышленных отстойников на наличие застойных зон и их влияния на гидравлический режим работы сооружений, а также изучения профиля скоростей движения водных потоков и распределения содержания растворенного кислорода в зависимости от глубины и длины отстойника. С помощью разработанной методики получены эпюры распределения скоростей движения воды и концентрации растворенного кислорода по сечению и длине горизонтального отстойника. Из-за несовершенства систем подачи и отвода воды из отстойника наблюдается неравномерное распределение скоростей потока по сечению аппарата: в нижних слоях вода почти не движется, в то время, как верхние слои перемещаются со скоростью значительно выше средней. При этом поверхностная скорость водного потока по центру максимальна, а по мере приближения к боковым стенкам снижается. С увеличением глубины отстойника скорость водного потока уменьшается. Измерения скоростей по длине горизонтального отстойника показали, что они также неодинаковы: скорость поверхностного течения воды в выходной части сооружения значительно выше, чем во входной части и середине отстойника. Скорость движения водных потоков по сечению отстойника неодинакова и при всех допущениях носит турбулентный характер. Общий объем застойных зон в отстойниках горизонтального типа достигает 60-70 % объема сооружения. Из-за недостатка кислорода в застойных зонах происходит вспухание активного ила с последующим выносом из сооружения.

Для более полного представления о процессах, которые происходят внутри сооружения, были проведены анализы на содержание растворенного кислорода в воде на различной глубине по длине горизонтального отстойника. Выявлено, что содержание растворенного кислорода по ходу воды уменьшается как в верхних, так и в нижних слоях.

Характер изменения содержания взвешенных веществ по ширине отстойника аналогичен изменениям скоростей потока по ширине на поверхности бассейна. Отсюда вывод - чем выше скорость потока в конце отстойника, тем выше вынос взвешенных веществ с очищенными стоками. Поэтому необходимо максимально снизить скорость в направлении выхода водного потока из зоны отстаивания. Для улучшения работы вторичных отстойников, повышения коэффициента использования объема сооружений необходимо улучшить гидравлический режим работы сооружений.

В работе рассмотрены исследования процесса пневматической аэрации городских сточных вод. При пневматической аэрации возникает циркуляция потоков воды, которая обеспечивает полное использование объема сооружения. На основании проведенных исследований и полученных результатов на основе действующего промышленного отстойника горизонтального типа создан аэроотстойник. Для этого предложена подача технологического воздуха непосредственно в зону отстаивания. При этом вода насыщается кислородом воздуха, необходимым для поддержания жизнедеятельности аэробных микроорганизмов, исключит вспухание и вынос активного ила с очищенными сточными водами. Воздух, выходящий из аэраторов, способствует слабому перемешиванию воды в поперечном направлении водного потока и ликвидирует застойные зоны в придонной части горизонтального отстойника. Для ликвидации периферийной застойной зоны предложено конструктивное решение в виде переточных труб с одновременным увеличением высоты сливного порога. Таким образом, вода из зоны отстаивания в сливной лоток поступает только по переточным трубам. Аналогичные перетоки устанавливаются на сливных лотках радиальных отстойников с периферийным выпуском сточных вод.

При использовании радиальных отстойников с периферийным впуском сточных вод для повышения коэффициента использования предложено и реализовано устройство в виде подвижных труб-сифонов, которые, вращаясь по поверхности отстойника, собирают воду и направляют ее в сливной лоток. При этом только 1/8 часть воды поступает в сливной лоток через порог сборного лотка.

Внедрение предлагаемых конструктивных решений позволило снизить величину предотвращенного экономического ущерба от загрязнения окружающей среды на 2,2 млн.грн.

Качество очищенных сточных вод позволяет использовать воду на оборотных циклах предприятий химической промышленности без разбавления речной водой.

Предлагаемые конструктивные решения могут быть использованы на городских очистных сооружениях Украины как комплексно, так и фрагментарно.

Ключевые слова: очистные сооружения, отстойник, аэрация, растворенный кислород, интенсификация, гидравлический режим, сифон.

Chernenko Y.N. Enhancement of the municipal sewerage performance by improvement of its hydraulic operation. - Manuscript.

Thesis for the degree of Candidate of Sciences to be conferred within speciality 05.23.04 "Water supply and sewerage". - Kharkov State Technical Construction and Architecture University, Kharkov, 2001.

This thesis deals with the actual challenge for municipal sewage works performance improvement to the effect of getting higher sewage purification efficiency by identification and monitoring of stagnation zones in industrial settlers and analysis of their effect on hydraulic performance of sewerage as well as by analysis of water flow rate patterns and of the relationship between dissolved oxygen distribution and the depth and length of the settler. A technique was developed for construction of the curves for water flow rate and dissolved oxygen content distribution by both the length and cross section of the horizontal settler. Measures for the primary and secondary settlers utilization increase by way of combining the settling and aeration processes in one vessel and siphon drain application as well were suggested and corroborated. The obtained technological solutions make it possible to bring the quality of the effluent sewage closer to the water purity standard requirements applicable to the commercial fishery water basins as well as to use this water to run circulating water supply systems of the chemical industrial enterprises. Suggested set of positive measures is also applicable to the municipal sewage purification installations of Ukraine partially or as whole.

Key words: sewage works, settler, aeration, dissolved oxygen, enhancement, hydraulic operation, siphon.

Вступ

Актуальність роботи. Масштаби забруднення навколишнього середовища в Україні досягли критичного рівня. Найбільш забрудненим регіоном є Донецько-Придніпровський, що характеризується інтенсивно розвиненими промисловістю, теплоенергетикою, сільським господарством.

Питання водопостачання і водовідведення набули особливу гостроту й актуальність у зв'язку з наростаючим погіршенням якісних характеристик води через збільшення скидань забруднюючих речовин. Значна кількість шкідливих домішок надходить у водні об'єкти разом з міськими стічними водами, що характеризуються відносною стабільністю якісного складу, але відрізняються нерівномірністю надходження, що негативно позначається на гідродинамічному режимі роботи очисних споруд і якості очищених стоків. Низький рівень очищення стічних вод не дозволяє повторно використовувати очищені стічні води без істотного розведення свіжою водою в промислових чи сільськогосподарських цілях.

Будівництво найбільш досконалих очисних споруд чи реконструкція діючих очисних споруд поліпшать якість очищення стічних вод і дозволять здійснити повернення води для повторного використання в промисловості або сільському господарстві, а також істотно знизять негативний вплив на навколишнє природне середовище. У період скорочення обсягів фінансування водоохоронних заходів і заходів щодо збереження води особливо актуальним є питання удосконалення діючих очисних споруд шляхом поліпшення їхнього гідродинамічного режиму роботи при мінімальних капітальних вкладеннях. Основною вимогою до удосконалених очисних споруд є забезпечення якісних показників очищених стічних вод, що відповідають нормам для водоймищ рибогосподарського призначення.

Робота виконана в рамках еколого-економічного експерименту в м. Дніпродзержинську (Розпорядження Президента України № 235/97-РП від 11.06.1997 р. "Про еколого-економічний експеримент у містах Кривий Ріг, Дніпродзержинськ та Маріуполь").

Мета і задачі досліджень

Метою досліджень є удосконалення в роботі міських очисних споруд, які спрямовані на підвищення ступеня очищення стічних вод. Досягнення поставленої мети вимагає вирішення наступних задач:

-- проведення комплексних досліджень в області седиментації біологічно очищених стічних вод;

-- дослідження працюючих промислових відстійників на наявність застійних зон, і оцінки впливу останніх на гідравлічний режим роботи споруд;

- вивчення профілю швидкостей потоку води на розподіл вмісту розчиненого кисню в залежності від глибини відстійника;

-- дослідження впливу якості біологічно очищеної води на роботу водооборотних циклів споживачів води.

Об'єкт дослідження - міські очисні споруди каналізації.

Предмет дослідження - робота міських очисних споруд каналізації.

Методи дослідження - якісний склад міських стічних вод визначали за затвердженими стандартними методиками. Дослідження седиментаційних властивостей біологічно очищених стічних вод проводили з використанням спеціально розробленого пробовідбірника. Розподіл швидкостей руху водних потоків в об'ємі споруди визначали за допомогою спеціального поплавкового пристрою.

Наукова новизна отриманих результатів:

1. Розроблена і реалізована методика інструментальних досліджень гідравлічного режиму діючих первинних і вторинних горизонтальних і радіальних відстійників, призначених для очищення суміші побутових і промислових стічних вод.

2. На підставі проведених досліджень і виконаних інструментальних вимірів побудовані епюри розподілу швидкостей руху води і концентрації розчиненого кисню по перетині і довжині горизонтального відстійника.

3. Запропоновані і обґрунтовані методи підвищення коефіцієнта використання об'єму первинного і вторинного відстійників шляхом суміщення відстоювання й аерації в однім об'ємі та застосуванням сифонних труб.

4. На підставі статистичного опрацювання експериментальних даних по осадженню активного мулу в пробах, відібраних на виході з аеротенка, отримана емпірична математична залежність, що дозволяє удосконалити метод розрахунку вторинних відстійників.

Практичне значення та реалізація результатів роботи:

1. Розроблена, випробувана і впроваджена система аерації стічних вод у первинних і вторинних горизонтальних відстійниках. Це дозволило знизити концентрацію завислих речовин у воді після вторинних відстійників на 33 %, збільшити концентрацію розчиненого кисню у воді після первинних і вторинних відстійників у 1,5-1,8 рази, знизити концентрацію амонійного азоту після первинних відстійників на 19,6 %, після вторинних відстійників у 2,45 рази.

2. Розроблено, впроваджено і захищено патентом України (№ 23864А від 31.08.98) конструкцію сифонних труб у вторинних радіальних відстійниках. Це дозволило збільшити коефіцієнт використання обсягу з 30 % до 70 % і знизити виніс завислих речовин на 23 т/рік в умовах обєкту дослідження.

3. Розробка і впровадження рухливих водозбірних устроїв у вигляді труб-сифонів для вторинних радіальних відстійників із периферійним впусканням знизило вміст завислих речовин у 3 рази, ХПК - у 2,2 рази.

4. Впровадження нових технічних рішень на очисних спорудах м. Дніпродзержинська дозволило поліпшити якість очищених стічних вод (концентрація завислих речовин знизилася в 2 рази, амонійного азоту - у 3 рази, БПК - на 40 %, концентрація розчиненого кисню збільшилася в 1,9 рази). Дані технічні рішення можуть бути використані як комплексно, так і фрагментарно на інших міських очисних спорудах України.

5. Впровадження запропонованих рішень дозволило запобігти економічному збитку в сумі 2,2 млн. грн.

Особистий внесок автора. Дисертаційна робота є самостійною працею автора. Їм особисто зроблено:

1. Створено методику досліджень гідравлічного режиму роботи горизонтальних і радіальних відстійників.

2. Розроблено технічні рішення для підвищення коефіцієнта використання обсягу споруд для первинного і вторинного видалення завислих речовин.

3. Проведено дослідження відстоювання гетерогенних водних систем і отримано кінетичне рівняння відстоювання активного мулу у відстійниках при застосуванні процесу аерації.

Апробація результатів дисертації. Результати дисертаційної роботи були представлені у вигляді доповідей на наступних конференціях: VI-VII Всеукраїнській студентській науковій конференції "Охорона навколишнього середовища і раціональне використання природних ресурсів" (Донецьк, 1996-1997 pp.); І-Ш Всеукраїнській науково-методичній конференції з міжнародною участю "Екологія та інженерія. Стан, наслідки, шляхи створення екологічно чистих технологій" (Дніпродзержинськ, 1996, 1998, 2000 pp.).

Публікації. За матеріалами дисертаційної роботи опубліковано 15 праць, з яких 7 статей у провідних виданнях України і Росії, рекомендованих ВАК, 7 робіт у збірниках матеріалів конференцій. Отримано патент України (№ 23864А від 31.08.98р.).

Об'єм і структура дисертації. Дисертаційна робота складається з вступу, 6 розділів основного тексту, висновків, списку використаної літератури і додатків. Робота викладена на 159 сторінках машинописного тексту, з яких 133 сторінки основного тексту, має 33 ілюстрації, 28 таблиць, 9 додатків. У список використаних літературних джерел входить 133 найменувань праць вітчизняних і закордонних авторів.

Основний зміст роботи

У вступі визначені актуальність, цілі і задачі роботи, викладено короткий зміст дисертаційної роботи і розглянуто стан досліджуваної проблеми.

В першому розділі проведений аналіз сучасного стану технологічних схем очищення стічних вод. Розглянуто їхні переваги та недоліки. Перевагою біологічних методів очищення стічних вод перед фізико-хімічними є видалення з води органічних домішок. Розглянуто сучасне апаратурне оформлення міських очисних споруд. Особлива увага приділена конструктивним особливостям відстійників і розробкам комбінованих споруд, де по-різному поєднуються процеси біокоагуляції, відстоювання, освітлення в зваженому шарі осаду й аеробного біоокислювання. Інтенсифікація процесів очистки стічних вод може бути досягнена удосконаленням конструкції відстійників шляхом попередньої аерації, так званих преаераторів. Час аерації в них складає 10-20 хв при інтенсивності аерації 4-7 м 3/(м 2год) та витраті повітря 0,5 м 3 на 1 м 3 стічних вод. Стічна вода подається з надлишковим активним мулом. Попередня аерація збільшує ефективність відстоювання до 65 %, зменшує БПК на 10-15 %, але реалізація подібної ідеї вимагає проведення великого обсягу бетонних та земляних робіт.

В удосконалення роботи міських очисних споруд каналізації, а також методів очищення стічних вод великий внесок зробили відомі вчені, фахівці: Скирдов І.В., Яковлев С.В., Ласков Ю.М., Каліцун B.I., але практика свідчить, що традиційні підходи до вирішення задачі очистки стічних вод не завжди надають змогу досягти необхідного результату.

Особлива увага приділена процесам відстоювання, а також гідравлічним режимам роботи відстійників різних типів.

Виходячи з аналізу науково-технічної і патентної літератури і з огляду на сучасні вимоги до якості очищення стічних вод, сформульовані цілі й задачі роботи.

Другий розділ дисертаційної роботи присвячений об'єкту дослідження, яким послужив цех нейтралізації й очищення промислових стоків виробничого управління водопровідно-каналізаційного господарства м. Дніпродзержинська. Проектна потужність очисних споруд становить 90 тис. м ³/доб.

Очисні споруди мають дві черги. Для очищення побутових стічних вод використовують біофільтри, а для очищення суміші промислових і побутових стоків застосовують аеротенки. Велику частину стічних вод, що надходить на очищення, становлять води побутового походження - 83,2 %, а промислові стоки - 16,8 %. Критичний аналіз роботи очисних споруд показав, що у зв'язку зі збільшенням потоку стічних вод в 1,3-1,5 рази вони працюють у досить напруженому режимі. Перевантаження очисних споруд стало причиною того, що вони не задовольняють зрослим вимогам до якості очищення. Фактична окисна потужність всіх апаратів міських очисних споруд значно менше проектної. Необхідно відзначити, що за рахунок поліпшення гідравлічного режиму роботи очисних споруд можна істотно підвищити ефективність роботи апаратів і якість очищених стічних вод, що скидаються у водоймище.

Третій розділ присвячений дослідженням стічних вод і впливу біологічно очищених стічних вод на роботу оборотних циклів водопостачання підприємств хімічної промисловості.

Для глибокої якісної характеристики стічних вод розроблено метод добору проб з використанням спеціального пробовідбірника циліндричної форми, обладнаного кришкою, призначеного для добору проб води на глибині. Застосування даного методу добору проб з наступним аналізом стічних вод дозволяє контролювати процеси, що відбуваються у середині споруд.

При дослідженні якості стічних вод використані стандартні методи аналізу, затверджені Мінекобезпеки України. Для об'єктивної оцінки роботи очисних споруд, зокрема відстійників, розроблений метод виміру швидкості руху води. Мета розробки даного методу - це визначення ефективності використання робочого об'єму відстійника і дослідження гідродинамічних процесів, що відбуваються у середині споруди. Для цього зроблені виміри швидкості руху води в поверхневому шарі і на різній глибині. З огляду на специфіку об'єкта досліджень, для виміру швидкості руху води було сконструйовано спеціальний поплавковий пристрій з регулюванням глибини занурення. Головна деталь пристосування - це порожнє барило з кришкою, що відгвинчується. Час проходження поплавцем наміченої ділянки фіксується за допомогою секундоміра.

Склад міських стічних вод, який є складною гетерогенною водяною системою, досить однотипний і стабільний. На концентрацію забруднень стічних вод, на її зміни протягом доби впливає життєвий уклад населення, тому якість очищення води не може бути постійною.

Дослідження стічних вод показали, що міські очисні споруди не забезпечують необхідний рівень очищення за такими показниками як вміст амонійного азоту, завислих речовин і розчинного кисню.

Для визначення впливу концентрації розчиненого кисню на вміст нітритів та фосфатів досліджено біологічно очищені стічні води. Обробка експериментальних даних методом найменших квадратів дозволила визначити емпіричну математичну залежність нітритів та фосфатів від концентрації розчиненого кисню:

Ж = 0,797 - 0,137х - 0,188у + 0,009х 2 + 0,01Зху + 0,016у 2, (1)

де Ж - вміст нітритів, мг/дм ³;

Ч-концентрація фосфатів, мг/дм ³;

У - концентрація розчиненого кисню, мг/дм ^3.

При високій концентрації розчиненого кисню зі збільшенням вмісту фосфатів підвищується вміст нітритів.

Випуск очищених стічних вод у водоймище не повинен порушити кисневий режим водного об'єкту, тому вміст розчиненого кисню в стічній воді має велике значення.

Повторне використання біологічно очищених вод у промисловості дозволяє зменшити скидання стічних вод у водоймище, а також скоротити забір свіжої річної вода, тому розглянуто вплив біологічно очищених стоків на роботу водооборотних циклів.

Дослідження показали, що оборотна вода змішаного типу (біологічно очищена стічна вода: технічна вода = 1:1) за індексом стабільності може бути віднесена до схильної до карбонатних відкладень. Експериментально на модельній установці встановлено, що при роботі оборотного циклу з підживленням сумішшю річної і біологічно очищеної води в співвідношенні 1: 1 (без якої-небудь попередньої стабілізації) швидкість біообростання склала 0,0152 г/м ²год, накипоутворення - 0,0052 г/м ²год, тобто знаходяться в межах припустимого. При роботі оборотного циклу на біологічно очищеній воді швидкість біообростання склала 0,04 г/м ²год, накипоутворения - 0,02 г/м ²год, що нижче вимог, висунутих до води оборотного циклу.

В четвертому розділі приведені дослідження роботи основного обладнання міських очисних споруд, зокрема відстійників. При обстеженні горизонтального відстійника встановлено, що він досить задовільно виконує своє основне призначення - затримує завислі речовини, але при цьому виявлений ряд недоліків і невикористовуваних можливостей. Через недосконалість системи подачі і відводу води з відстійника спостерігається нерівномірний розподіл швидкостей потоку по перетину апарата: у нижніх шарах вода майже не рухається, у той час як верхні шари переміщаються зі швидкістю, значно вище середньої. Гідродинамічний режим роботи відстійників залежить від режиму надходження стічних вод у споруди, що визначається вхідною швидкістю потоку і впливає на процес седиментації завислих речовин; режиму збору проясненої води, що визначається швидкістю водяних потоків у зливального лотка, висоти мулового шару. Тому зроблені виміри швидкостей на трьох ділянках відстійника: на вході водяного потоку в споруду (0,5 м від вхідного лотка), у середині відстійника і на виході стічної води зі споруди (0,5 м від зливального лотка). У кожній частині виміри робилися з інтервалом у 1 м по ширині секції. На вході водяного потоку в споруду швидкість поверхневого руху по центру максимальна і досягає і 0,2 мм/с, при наближенні до бокових стінок вона зменшується до 1,9 мм/с, а безпосередньо біля стінок наближається до нуля. Аналогічна картина спостерігається й у середній частині відстійника. Тут у стінок швидкість води складає 0,3-0,4 мм/с, а у центрі вона збільшується до 7,0 мм/с. На виході водяного потоку з зони відстоювання швидкість поверхневого плину істотно вище, ніж у початковій і середній частинах, і складає біля бокових стін 19,2-19,5 мм/с, а в центральній частині збільшується до 35,0 мм/с. Така істотна відмінність пояснюється особливістю конструкції зливального лотка і свідчить про нерівномірний рух води по всій зоні відстоювання.

Найвища швидкість спостерігається на дзеркальній поверхні відстійника. Зі збільшенням глибини лінійна швидкість потоку води зменшується. Тут на швидкість водяного потоку впливає висока концентрація і щільність завислих речовин. Значна різниця у швидкостях водяного потоку має місце у вхідній, вихідній і середній частинах горизонтального відстійника. У вхідній зоні поверхневі шари рухаються з набагато більш високою швидкістю, ніж нижні. Аналогічний профіль швидкостей спостерігається в зоні виходу з відстійника. Лінійна швидкість потоку води в центральній частині значно нижче, ніж у передній і хвостовій. Таким чином, нерівномірний профіль швидкостей по довжині, ширині і глибині відстійника свідчить про нераціональне використання робочого об'єму споруди. При цьому необхідно зазначити, що заміряні значення швидкостей потоку значно перевищують середню розрахункову швидкість потоку. Швидкість руху в межах живого перетину неоднакова. При всіх допущеннях рух води у відстійнику носить турбулентний характер. Осад, що відклався, створює додаткові умови для нерівномірного розподілу швидкостей потоку. У цілому всі ці явища викликають у потоці вторинні, поперечні або зворотні рухи рідини, що сприяє утворенню зон застою. У цих випадках разом з потоком рухаються і завислі речовини з нижніх шарів у верхні. Інтенсивність вихреутворення і руху потоків у різних напрямках, а також утворення застійних зон є функцією горизонтальної швидкості потоку. Загальний об'єм застійних зон у відстійниках горизонтального типу складає 60-70 % обсягу споруди. Необхідно відзначити, що наявність застійних зон знижує дійсний час перебування води у відстійнику в 1,5 - 2 рази.

Осадження часток необхідно розглядати як гетерогенно-біологічний процес, у якому поряд з фізичним осадженням завислих часток має місце продовження біоокислювальних реакцій, що супроводжуються перебудовою гетерогенно-колоїдної структури. Результати експериментальних досліджень, проведених на очисних спорудах, показали, що кінетика процесу осадження завислих речовин залежить від багатьох факторів, основними з яких є концентрація та якість завислих речовин, вміст розчиненого кисню і температура. Математично залежність завислих речовин від концентрації розчиненого кисню і температури у вторинних відстійниках може бути описана рівнянням:

Z=-14730,137 + 1521,485х + 270,151у - 38,914х 2 -13,598ху - 4,563у 2, (2)

де Ж- вміст завислих речовин, мг/дм ³;

Х-температура, ^оС;

У- концентрація кисню, мг/дм ³.

Для дослідження застосовували суміш побутових і промислових стічних вод, що пройшли біологічне очищення. Результати досліджень кінетики осадження завислих речовин у пробах з різним початковим вмістом показали, що за рахунок відстоювання можна домогтися зниження вмісту завислих речовин до 10 мг/дм ³ при додатковому часі перебування води у відстійниках рівному приблизно 15-40 хв. Таке збільшення часу перебування води у промислових відстійниках може бути забезпечене шляхом повного або часткового ліквідування застійних зон. Для повного представлення про процеси, що відбуваються у середині відстійника, були проведені аналізи на вміст розчиненого кисню у воді по довжині горизонтального відстійника на різних глибинах, аналізи на вміст розчиненого кисню і завислих речовин на глибині 1,0 та 2,0 м (табл.1).

Таблиця 1 Вміст завислих речовин та розчиненого кисню на різній глибині біля вихідного лотка по його ширині

Точка відбору по ширині	Глибина відстійника, м
	1,0	2,0	1,0	2,0
	Вміст, мг/дм 3
	завислих речовин	розчиненого кисню
0	16,0	36,0	3,6	2,6
1	14,0	27,0	4.3	4,0
2	26,0	19,0	4,5	3,1
3	48,0	24,0	5,5	4,3
4	36,0	25,0	4,8	4,2
5	30,0	37,0	3,3	3,3
6	12,0	44,0	2,8	2,3

Видно, що вміст розчиненого кисню по руху води зменшується як у верхніх, так і у нижніх шарах, і становить 4,8- 2,2 мг/дм 3. Якщо підвищити вміст розчиненого кисню у воді до 5-7 мг/дм 3, то швидкість біологічного окислювання у відстійниках може зрости не менш, ніж у 2 рази. Як видно з табл.1, більша частина активного мулу знаходиться у зваженому стані, що відповідно спричиняє підвищений винос завислих речовин із вторинного відстійника. Максимальний вміст завислих речовин знаходиться у центральній частині відстійника на глибині 1,0 м. Характер коливань вмісту завислих речовин по ширині відстійника аналогічний зміні швидкостей потоку води по ширині на поверхні басейну. Звідси висновок, що швидкість потоку впливає на вміст завислих речовин: чим вище швидкість потоку наприкінці відстійника, тим вище виніс завислих речовин з очищеними стоками. Тому необхідно максимально знизити швидкість у напрямку до виходу водяного потоку з зони відстоювання. Середня концентрація розчиненого кисню в 2,5 рази менше максимально можливої, що негативно позначається на процесі седиментації завислих часток.

Як різновид горизонтальних відстійників були досліджені радіальні відстійники. Ефективність роботи відстійників у значній мірі залежить від конструкції водорозподільних і водозбірних пристроїв. Збір проясненої води здійснюється за допомогою периферійного жолоба з трикутними вирізами. Осадження активного мулу у вторинних радіальних відстійниках спочатку протікає з максимальною ефективністю, а потім після осадження найбільш великих часток мулу процес сповільнюється. Осадження мулу відбувається в умовах безупинного руху води від входу до виходу. Ефективність освітлення стічних вод визначається структурою активного мулу, його фізичним станом. Математично кінетика осадження активного мулу описується рівнянням:

Х = Кexp(3,88 - 0,64 In t/14) ± 12,08, (3)

де Х - об'єм активного мулу, мл;

3,86 і 0,64 - експериментальні коефіцієнти;

t - час осадження активного мулу, хв;

14 - максимальний час осадження активного мулу в пробі, відібраної на виході з аеротенка, хв;

12,08-коефіцієнт невязання.

Необхідно відзначити, що суспензії рухаються в турбулентному потоці і на їхній рух відносно рідини під дією сили ваги накладається хаотичне коливання в різних напрямках. Седиментаційні властивості мулових сумішей на виході з аеротенка оцінюються по кривій кінетики зниження границі розділу фаз (кривій Кінша). Обробка експериментальних даних за допомогою отриманої математичної залежності показала її ідентичність кривій Кінша. Погрішність експерименту в середньому склала 6-10 %, при цьому необхідно відзначити, що на процес седиментації активного мулу на виході з аеротенка впливає концентрація розчиненого кисню, що даним рівнянням не враховується.

Аналіз стічних вод на вміст розчиненого кисню і завислих речовин у вторинному радіальному відстійнику показав аналогічні дані якісним показникам стічних вод у вторинних горизонтальних відстійниках. Тому для поліпшення роботи вторинних відстійників, підвищення ефективності необхідно поліпшити гідравлічний режим роботи споруди.

В пятому розділі розглянуто дослідження процесу пневматичної аерації міських стічних вод. При пневматичній аерації масопередача кисню повітря в рідину визначається гідродинамікою процесу і в багатьом залежить від швидкості підіймання пухирців повітря в рідині. При пневматичній аерації виникає циркуляція потоків води, при якій необхідно враховувати: усереднення концентрацій кисню, субстрату і активного мулу в об'ємі споруди, яке забезпечує повне використання об'єму споруди; гомогенізацію активного мулу, що дозволяє збільшити поверхню контакту рідини з активним мулом; донні швидкості, які повинні забезпечити змучювання осілого мулу після зупинки аераторів. Швидкість масопередачі кисню залежить від глибини аеріруємого шару води, інтенсивності аерації, рівномірності розподілу повітря по площині споруди. Економічність роботи пневматичних аераторів залежить від гідравлічного опору при продувці повітря, яке повинне бути мінімальним. Гідравлічний опір залежить від кількості та розмірів пор, їх розташування, а також структури пористого матеріалу. При розрахунку обєму повітря, що подається на аерацію, необхідно враховувати повну кількість знятої БПК без урахування БПК завислих речовин.

Шостий розділ дисертаційної роботи присвячений заходам щодо поліпшення гідравлічного режиму роботи відстійників. На підставі проведених досліджень і отриманих результатів запропоновано створити на основі діючого промислового відстійника горизонтального типу аеровідстійник. Для цього була забезпечена подача технологічного повітря безпосередньо в зону відстоювання: уздовж бокових стін споруди по обидва боки укладається аератор на глибину ѕ висоти шару води, щоб уникнути скаламучення осаду, що знаходиться на дні. При цьому вода насичується киснем повітря, необхідним для підтримки життєдіяльності аеробних мікроорганізмів, і виключить спухання мулу і виніс його з відстійників. Повітря, що виходить з отворів труб, насичує киснем воду, одночасно захоплюючи шар води біля стін наверх. Завдяки цьому вода в аеровідстійнику буде піддаватися слабкому перемішуванню в поперечному напрямку водяного потоку. Однак, надмірно велика швидкість подачі повітря неминуче приведе до погіршення процесу відстоювання. Тому були підібрані оптимальні умови, що базуються на технологічних розрахунках, які забезпечують поліпшення якості очищення стічних вод при одночасному підвищенні ефективності відстоювання води. Впровадження аерації у вторинному горизонтальному відстійнику дозволило знизити вміст нітритів у 3,5 рази, вміст завислих речовин - на 13,5 %, концентрація розчиненого кисню збільшилася на 33 %. Для ліквідації застійних зон біля зливального лотка встановлені вирівнювачі потоку води, виконані у вигляді П-образних труб. Вирівнювачі потоку швидкостей установлюють на зливальних порогах на відстані 1,0-1,5 м, які опущені одним кінцем у басейн на 0,4-0,6 глибини відстійника, а іншим - у вихідний лоток. Встановлення вирівнювачів дозволяє більш повно використовувати об'єм відстійника і ліквідувати застійні зони в периферійній частині апарата, а також передбачається система прискореного спорожнювання відстійника. Завислі речовини, які плавають, затримуються в зоні відстоювання порогом, що виступає вище рівня води у відстійнику. Аналогічні вирівнювачі потоку швидкостей, так звані переточні труби, можуть бути використані і на радіальних відстійниках з периферийним випуском стічних вод. Установка переточних труб на радіальному відстійнику дозволило знизити вміст амонійного азоту на 36 %, концентрація розчиненого кисню збільшилася на 22 %, а виніс завислих речовин зменшився на 23 т/рік. При використанні вторинних радіальних відстійників з центральним випуском стічних вод для зниження виносу завислих речовин з потоком проясненої води на фермі мулошкреба встановлені рухливі водозбірні пристрої у вигляді труб-сифонів, які переміщуючись по поверхні водяного шару, збирають чисту воду і направляють її у водозбірний лоток. При цьому розвантажуються зливальні пороги збірного лотка, збільшується час перебування води в зоні відстоювання. Установка труб-сифонів дозволила знизити виніс завислих речовин із вторинних відстійників більш ніж в 3 рази, вміст амонійного азоту - на 22 %, ХПК - на 59 %. Впровадження аерації й установка переточних труб у первинному горизонтальному відстійнику, переустаткування вторинного відстійника в аеровідстійник, установка труб-сифонів на радіальних відстійниках, установка переточних труб у контактних відстійниках дозволили знизити вміст амонійного азоту в 3 рази, завислих речовин - в 2 рази, нітритів - на 5%, БПКп - на 40% . Таким чином, величина відверненого економічного збитку від забруднення навколишнього середовища склала понад 2,2 млн. грн.

Необхідно також відзначити, що якість очищення стічних вод дозволяє використовувати дану воду на оборотних циклах підприємств хімічної промисловості без якого-небудь розведення.

Загальні висновки

1. Розроблена і реалізована методика інструментальних досліджень гідравлічного режиму діючих первинних та вторинних горизонтальних та радіальних відстійників за допомогою спеціального поплавкового пристрою з можливістю занурення. Для здійснення добору проб води на різній глибині розроблено спеціальний пробовідбірник циліндричної форми.

2. Дослідження якісних показників стічної води з наступним опрацюванням даних дозволили математично відобразити залежність вмісту нітритів і фосфатів від концентрації розчиненого кисню. При високій концентрації розчиненого кисню в стічній воді вміст нітритів збільшується пропорційно концентрації фосфатів.

3. На підставі проведених досліджень і виконаних інструментальних вимірів побудовані епюри розподілу швидкостей руху води: різниця у швидкостях потоку води між поверхнею і глибиною 1,5 м досягає 60%. Коефіцієнт корисного використання горизонтального відстійника складає 0,30 - 0,40. Загальний обсяг застійних зон складає 60 - 70% обсягу споруди.

4. Методом найменших квадратів математично описана залежність вмісту завислих речовин від концентрації розчиненого кисню і температури: чим вище концентрація розчиненого кисню, тим менше вміст завислих речовин в очищених стічних водах, а вміст розчиненого кисню залежить від температури стічної води. 5.Вивчення кінетики осадження завислих речовин в лабораторних умовах показало, що при збільшенні часу перебування води в зоні відстоювання на 15-40 хв. вміст завислих речовин в очищеній воді складає 10 мг/дм ^3.

5. На підставі проведених досліджень побудовані епюри розподілу концентрації розчиненого кисню: концентрація розчиненого кисню у воді по перетині і довжині горизонтальних відстійників зменшується зі збільшенням глибини і по довжині, при цьому значно нижче гранично можливого - 9,3 мг/дм ^3.

6. Запропоновані та обгрунтовані методи підвищення коефіцієнта використання обєму первинного та вторинного відстійників шляхом суміщення процесів аерації і відстоювання в однім обємі. Це дозволяє ліквідувати застійні зони в придонній частині споруди, поліпшити гідродинамічний режим роботи і підвищити коефіцієнт використання обєму до 70%. Суміщення процесів аерації і відстоювання в однім обсязі дозволяє знизити виніс завислих речовин після вторинних відстійників на 33,0 %, вміст амонійного азоту - у 2,45 рази, нітритів - у 2,3 рази, концентрацію розчиненого кисню збільшити на 48 %.

7. Для ліквідації застійних зон біля вихідного лотку відстійників установлені переточні труби, що забезпечують необхідний гідродинамічний режим роботи спорудження незалежно від добових коливань подачі стічних вод на очищення. Розроблені і запатентовані переточні труби, які встановлені на первинних і контактних горизонтальних відстійниках, на радіальних відстійниках із центральною подачею стічної води. Це дозволило знизити виніс завислих речовин із вторинних радіальних відстійників із периферійним випуском на 15,8 %, що в рік складає 23 тони. При цьому вміст розчиненого кисню у відстояній воді підвищився на 17,8 %.

8. Установка рухливих водозбірних устроїв у вигляді труб-сифонів дозволила розвантажити зливальні пороги вторинних радіальних відстійників із центральним випуском стічних вод, а також збільшити час перебування води в зоні відстоювання. Це дозволило знизити вміст завислих речовин із 61,2 до 19,1 мг/дм ³, ХПК - із 99,7 до 40,8 мг/дм ³. .Обладнання первинного горизонтального відстійника системою аерації і переточними трубами, переустаткування вторинного горизонтального відстійника в аеровідстійник, установка рухливих водозбірних труб-сифонів у вторинних радіальних відстійниках і установка перетоків у контактному відстійнику дозволили знизити винос завислих речовин у 2 рази, вміст азоту амонійного - у 3 рази, нітритів - на 5 %, БПК зменшилася на 40 %.

9. Вивчено вплив біологічно очищених стічних вод на роботу устаткування оборотного циклу водопостачання хімічних підприємств. Встановлено, що при проходженні стічними водами удосконалених очисних споруд ступінь їхнього очищення відповідає вимогам, запропонованим до вод оборотного циклу підприємств хімічної промисловості.

10. Впровадження всього комплексу заходів дозволило скоротити розмір економічного збитку на 2,2 млн. грн.

11. Розроблені конструктивні удосконалення є універсальними і можуть бути використані на міських очисних спорудах України як комплексно, так і фрагментарно.

Список опублікованих праць за темою дисертації

1. Черненко Я.Н., Волошин Н.Д. Выравнивание скоростей движения потоков сточных вод в отстойниках // Науковий вісник будівництва.- Харьков: ХГТУСА, ХОТО АСУ.-1999.- № 7.- с.147-152.

2. Черненко Я.Н., Волошин Н.Д., Ктитаров А.С., Щербак А.Л. Пути усовершенствования очистки сточных вод // Химия и технология воды.-1998.- Т.20,- №4.-С.443-448.

3. Черненко Я.Н., Волошин Н.Д. Использование биологически очищенной сточной воды в оборотных циклах предприятий химической промышленности//Науковий вісник будівництва. - Харьков: ХГТУСА, ХОТО АСУ.- 2000. - № 11. - С. 225-228.

4. Пат. 23864А Україна, МКП 6В 01Д 12/00. Радіальний відстійник./ Волошин М.Д., Черненко Я.М., Тимуршина О.М. (Україна). № 95094250 Заявл. 22.09.95; Опубл. 31.08.98, Бюл. № 4.

5. Черненко Я.М., Волошин М.Д., Щербак О.Л. Удосконалення біологічної очистки побутових стічних вод 11 Хімічна промисловість України.- 1998. -№4.-С.71-74.

6. Черненко Я.Н., Волошин Н.Д. Интенсификация процессов биологической очистки сточных вод // Экология и промышленность России.-1998.- №8.-С.33-36.

7. Черненко Я.Н., Волошин Н.Д., Трикило А.И. Исследования кинетики осаждения активного ила в аэротенке // Вопросы химии и химической технологии. -1998.- Т.З.- С.62-64.

8. Черненко Я.Н., Волошин Н.Д., Трикило А.И., Дементьев А.Д. Реконструкция станции биологической очистки бытовых сточных вод // Химическая промышленность.- 1998.- № 4.-С.67-69.

9. Черненко Я.Н., Волошин Н..Д., Ктитаров А.С. Новые закономерности механизма и кинетики осаждения взвешенных веществ из биологически очищенных сточных вод // Збірка доповідей Всеукраїнської науково-методичної конференції "Екологія та інженерія. Стан, наслідки, шляхи утворення екологічно чистих технологій". Дніпродзержинськ: ДДТУ, Екологічний фонд Придніпровя, 1996.- С.108-110.

10. Волошин Н.Д., Черненко Я.Н., Щербак А.Л. Усовершенствование биологической очистки сточных вод // Збірка доповідей Всеукраїнської науково-методичної конференції "Екологія та інженерія. Стан, наслідки, шляхи утворення екологічно чистих технологій".- Дніпродзержинськ: ДДТУ, Екологічний фонд Придніпров'я, 1996.- С.9.

11. Клименко Т.К., Черненко Я.Н., Соленая Т.И. Новые исследования в области очистки воздуха, воды и переработки отходов // Збірка доповідей Всеукраїнської науково-методичної конференції "Екологія та інженерія. Стан, наслідки, шляхи утворення екологічно чистих технологій".- Дніпродзержинськ: ДДТУ, Екологічний фонд Придніпров'я, 1996.- С. 124-125.

12. Волошин Н.Д., Черненко Я.Н., Баранова МА. Совершенствование биологической очистки бытовых сточных вод с применением горизонтальных отстойников и биофильтров // Сборник тезисов VI Всеукраинской студенческой научной конференции "Охрана окружающей среды и рациональное использование природных ресурсов".- Донецк: ДонГУ, ДонГТУ, ДонГАУ.-1996.- Часть 1.- С.50-51.

13. Волошин Н.Д., Черненко Я.Н., Фефилова И.П. Пути снижения выноса взвешенных веществ из вторичных отстойников // Збірка доповідей VІІ Всеукраїнської студентської наукової конференції "Охорона навколишнього середовища та раціональне використання природних ресурсів".- Донецьк: ДонДТУ, ДонДУ, ДонДАУ.- 1997.- Том І.- С.73-74.

14. Черненко Я.Н., Волошин Н.Д., Трикило А.И. Зависимость содержания методичної азота в сточных водах биологической очистки от концентрации растворенного кислорода // Збірка тез доповідей ІІ Всеукраїнської науково-методичної конференції з міжнародною участю "Екологія та інженерія. Стан, наслідки, шляхи створення екологічно чистих технологій".- Дніпродзержинськ: ДДТУ, Екологічний фонд Придніпров'я.- 1998.- С.97-98.

15. Непошивайленко Н.А., Волошин Н.Д., Черненко Я.Н. Водный баланс города Днепродзержинска // Збірка тез доповідей ІІІ Всеукраїнської науково-методичної конференції з міжнародною участю "Екологія та інженерія. Стан, наслідки, шляхи створення екологічно чистих технологій".-Дніпродзержинськ: ДДТУ, Екологічний фонд Придніпров'я.- 2000.- С.51-52.

Размещено на Allbest.ru

...