Бесплатный автореферат и диссертация по сельскому хозяйству на тему

Интенсификация очистки поверхностных вод в системах сельскохозяйственного водоснабжения

ВАК РФ 06.01.02, Мелиорация, рекультивация и охрана земель

Автореферат диссертации по теме "Интенсификация очистки поверхностных вод в системах сельскохозяйственного водоснабжения"

Министерство сельского хозяйства РЪсоийекоЙ федерации НОВСЧЙПСАССКИй ОРДЕНА "ЗНАК ПОЧЕТА" ИШЕНЕРНО-МШОРАТИВНШ ИНСТИТУТ им. А .К .КОРГУНОВА

ИНТЕНСИФИКАЦИЯ ОЧИСТКИ ПОВЕРХНОСТНЫХ ВОД В СИСТЕМАХ СЕЛЬСКОХОЗЯЙСТВЕННОГО ВОДОСНАБЖЕНИЯ

Специальность: 06.01.02- "Мелиорация и орошаемое

земледелие"

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

На правах рукописи

КИМ Роман Констант

Новочеркасск 1992

Работа выполнена в лаборатории водоснабжения АЛ "Юг-мелиорация"

Научный руководитель - кандидат технических наук,

старший научный сотрудник А.И.фАВРШОВ

Официальные оппоненты - доктор технических наук,

профессор Н.С.СЕРПОГСРШЮВ;

кандидат технических наук, доцент В.Т.ЕРЙН

Ведущее предприятие - Южгипроводхоз, г.Ростов-на-Дону

Защита состоится ЯЗPj? 193X г. в/¿? часов

на заседании специализированного совета К lii0.75.01 в Новочеркасском ордена "З^ак Почета" инженерно-мелиоративном институте по адресу: 346409, ул.Пуикинская, 111, аудитория 236 главного корпуса.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке института.

Автореферат разослан

"¿¿raflrCr/CTQ 1992 г.

Ученый секретарь специализированного совета, к. с,-х.н., профессор

Г.Н.Мартыненко

v "•" , ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

" »' -f !" Г»(Г, J

Актуальность работ ы. Возрастающие объема водопотребления и современные требования к качеству хозяйственно-питьевых вод требуют коренного улучшения работы систем сельскохозяйственного водоснабжения.

Реиение этого .вопроса связано с необходимостью создания высокоэффективных безр^агентнах фильтров. Из используемых водоочистных установок наиболее прости и надежны в эксплуатации однослойные медленные фильтры с гидравлической регенерацией. Благодаря эттдг вышеназванные фильтпы получили широкое распространение в систетах сельскохоаяЛственно-го водоснабнэния. Однако шлыэ скорости фильтрования (0,1-0.?, и/ч) обуславливают больш'ие капитальные вложения при их строительстве. >

Применение скорых фильтров уолокняет эксплуатацию очистных сооружений, а малогабаритные установки предназначены для осветления маяоыутных вод и характеризуются небольшой суточной происводетельностью. В известных медлен-.нь,х двухслойных фильтрах скорости увеличены до 0,4 и/ч. Однако их работа практически не изучена и требует дальнейших '¡сслэдопашгй.

Цель работы. Разработка конструкции и исследование работы ь-едлэнкого двухслойного фильтра, регенерируемого гидравлическим способом, для глубокого осветления высокоиутных поверхностных вод без приюпения реагентов и сооружений по предварительной очистке, позволяющего в" 2-3 раза повысить производительность очнотннх сооружений в системах сельскохозяйственного водоснабжения без существенных капитальных затрат. ' . ■

3 а д а ч я и с о л е д о в а к л й. В соответствии с поставленной целью в работе предпринята попытка решения следующих аадач:

Í. Определение возможности одноступенчатого безряа- ' гентного осветления втеокот/тных (до 1500 кг/л) поверхко-отннх зод на, медленных двухслойных фильтрах при повшенгЕЯ скоростях фильтрования Í 0,4-0,3 и/ч) до требовании' ГОСТ 2874-82.

2. Исследование закономерностей роста потерь напора ' двухслойного фильтра в >мвкс;шооти от цутнооти осветляемой

воды, скорости фильтрования и параштров аагруок;:.

3. Исследование продолжительно от и поркодп полеаюг'о фильтрования и грязеемхости загрузки в зависимости ог1

же факторов.

4. Определение оптимальных параметров двухслойной ец-грузки и исследование вопросов ее регенерации гидравлическим способом.

5. Разработка конструкции и технологического режима эксплуатации медленного двухслойного фильтра^ регенерируемого гидравлическим способом.

6. Производственная проверка и экономическая оценка работы медленного двухслойного фильтра разработанной конструкции.

Научная новизна работы. Предложены способ фильтрования и устройства для регенерации однослойных и двухслойна медленных фильтров, защищенные а.с. Ю 12^510, 1801451, 1493283, 1681Я88. Проведены исследования двухслойной загрузки, состоящей из дробленого неразвита и кварцевого песка, регенерируемой гидравлическим способом. Найдены коэффициенты, учитывающие взаимное влияние слоев, свойства осветляемой воды и содержащихся в ней взвесей. Получены форцулы для определения периода полезного фильтрования медленных двухслойных фильтроЕ, а также найдены параметры кривой роста потерь напора в зависимости от скорости фильтрования, цутиости исходной воды и толщины слоя дробленого керамзита. Определены параметры кривой изменения глубины воронки размыва двухслойной загрузки в зависимости от заглубления насадки, скорости перемещения и давления перед ней.

Практическая ценность и внедрение результатовисследований. Н1 основании проведенных исследований разработан медленный двухслойный фильтр с усовершенствованной конструкцией гидравлического рыхлителя. Результаты работы использоезны при проектировании медленных двухслойиых фильтров институтом Юагиппоподхоз, а такие при реконструкции очистных сооружение с медленными однослойным фильтрами на двухслойные.

Разррбитаннне фильтры внедрены в систэюх сельскохозяйственного водоснабжения ОПХ "РостсЕводмелиорация",

"Приютычский" Пролетарского района Ростовской области. а тэкгге в прозктс Нсхлиновскоро группового водопровода с вкутрнпоселкош,лг разводящим» сетями и в рабочем проекте "Внесшее водоснабжение г.Конотзитиновска Ростовской области!

Апробация р з б о I п. Основные положения и результаты исследований докладывались на научно-практической конференции НПО ''.»"тмелиорация" (г.Новочеркасск, 1987 г.), в Новочеркасском инуенерно-ыелиораттеком институте (19"Я г.), а также на расширенных заседаниях лаборатории эксплуатации оросительных систем ичкНИКГиМ (19°9 г.) и лаборатории водоснабжения НПО "Югмелиорация" (1992 г.).

Модель медленного двухслойного фильтра, регенерируемого гидравлическим способом, демонстрировалась на ВДНХ быв чего СССР.

Структура и объем д и с с е р т а-ц и и. Диссертация состоит из введения, пяти глав, выводов, списка использованных источников, прилогений. Общий объем работы содержи11 £3/ страниц машинописного текста, ߣ рисунков, /¿, таблиц и ^ приложений. Список литературы включает /ßß наименований, в том числе & зарубежных.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

В главе 1 проведан аналитический обзор существующих конструкций однослойна и многослойных бязрпагентнвх фильтров, а также видов вагрузок, используемых в фильтровальных сооружениях, вскрыты основные их гпеицуь.естра и недостатки, намечена иель и затачи исследований.

Соверленствовашет техники беэраагентного осветления поверхностных вод посвящ°ны работы Озодога B.C., Заводчи-кова В.Я.. Николаева Н.В., Сафонова H.A., Лозового В.Н., Даэза В.Г.. Л?урбы М.Г. и др. Однако усилия исследователей, в основном были налоавлены на создание малогабаритных установок. Что касается медленных фильтров, то работы проводились для решения вопросе регенерации, а предложенные ' в последнее время двухслойные медленнее фильтры требуют дальнейших исследований.

Дефицитность кварцевого пее::а, его низкие технологи-

ческио свойства, обусловили появление целого рада новых фильтрующих материалов (керамзит, цеолит, шунгиаст, горелые породы и т.д.). Исследованием сзойсте этих материалов занимались Мартенсен В.Н., Бабаев И.О.» Цельцер В.З., Аюкаев Р.И., ©эминых А.М,, Гулян Л.Т., Данилова О.Г., Лазовский Я.Б- и др.

Данные ряда авторов (Шаниг С.А., Стрелков А.К., Быкова П.Г., Варламов Н.П., Чернова З.В., Шандалов С.М.), а такие проведенные нами исследования показали, что наиболее перопективнглгв плане доступности к технологических свойств является дробленый керамзит.

В результате аналитического обзора установлено, что до настоящего времени нерешенным остается вопрос интенсификации работы очистных сооружений в системах с.-х. водоснабжения за счет увеличения скорости фильтрования на медленных фильтрах путем использования аагруоки, состоящей ка дробленого керамзита и кварцевого песка.

В главе 2 представлены результаты теоретических по- • следований процесса ингеноифкксщш: работа очгюгикх сооружений в системах, сельскохозяйственного водоснабжения, по-лученц..формуяы для определения периода полезного фильтровании и .установлены ваконоьарнос-ги роота потерь напора в двухслойных медленных фильтрах.

Вопросам разработки теории очистки води фильтрованием посвящены работы Ыиица Д.М., Клячко В.А., Кркитула Б.П., Абрамова Н.К., гэльского Л.Д. к др. Из существующих теорий наибольшее признание подучила теория фильтрования. Минця Д.М. ; ■

Предполагая, что в зернистых фильтра;: потери напора растут во времеш; по линейно^ закону, икиц Д.К. и Кр:л-т.ул В.П. висели формулу для определения времени доеттхенпя предельной потери напора;

т-л

V/ г-г и)

Для однослойных Аильтрое при проникновении загрязнений в толшу загрузки Клячко В.А. предлагает определять продолккг-льность работы по зависимости: 4

а (2)

р.р-кэ-.Мо,?.

Значение № определяется выражением:

.а,.«?-/'-?'-'/* .

к JT.3S.P3 (3)

Допуская, что в двухслойных медленных фильтрах имеет место объемное фильтрование, на основании (1) и (£), вводя коэффициенты и обозначая:

г/, с/^-Р* ' (5)

используя теоретические положения очистки суспензий фильтрованием, разработанные Минцем Д.М., нами были получены формулы-для определения продолжительности работы медленных двухслойных фильтров: •

-------(^¿р/! (б)

^¿^^(7)

Проведенные исследования позволили- определять значения коэффициентов , л Л7 .

Путем апрокстации экспериментальных данных нами были найдены пара:.®три крЛЕОй и установлены закономерности поста потерь. напора г двухслойной фильтре:

Роление уравнения (8)' относительно временя1 фильтрования позволяет, задавшись предельной' потерей' напора, определить продолжительность работы двухслойного медленного фильтра. Расчеты по полученном зависимостям, а такпз. проведенные исследования позволяглгг определите сходимость результатов с опытным? данными (глс. 1„ 2)-.

Теоретичоскниг^слэдованиями', а таяв? анализом- полу-чгкных установлено, что использование в качестве

фильтрующей загр"зкя выссяопористнх материалов с жорозю1 разви?оЗ удельной поверхностью позволит попнсшъ период полезчого фгльтрсйния, причем для '«вдлоячизс леудалойкнх

Лгололзстельность ~Т «льтраяакия двухслойной вагрузкк

#

tzoo

$JO

soo

300

> /То Формуле ?

Vn

O/iùrrwt/e -к

Я." \

/То рорму/те 6

Рост потерь напора в двухслойной загрузке

г/г

фильтров определяющим фактором, влияющим на продолжительность работы, являются параметры дробленого керамзита.

В главе .Я изложена методика и представлены результаты лабораторных исследований, проведенных на 4-х фильтровальных колонках диаметром 127 и 200 мм и модели медленного фильтра, лподставляюшую прямоугольную в плане емкость с размерами 400x1500x1600 мм.

'Тпгзигсо-механические свойства исследуемых фильтрующих материалов определялись по известным методикам. Исследования проводились со следующими параметрами дробленого керамзита: крупностью 0,!)-5,0 мм; толщина слоя 20-Я!4) см. Высота кварцевого песка во всех опытах была неизменной и составляла 50 см, а крупность - 0,20-2,0 мм.

В качестве аямутнителя использовался ил р.Аксай. Максимальная мутность исходной воды в опытах не превышала • 1500 мг/л. Скорость фильтрования назначалась от 0,4 до 1,0 м/ч. Продолжительность фильтрования фиксировалась по предельным потеряв напора, которые принимались в пределах 1,2-1,4 м V определялись как разность показаний пьезометров. Загрязненность загрузки определялась методом отбора проб, а мутность осветляемой воды и фильтрата на КЗК-2. Исследование осветлнтзльногс созревания загрузки осуществлялось путем отбора проб фильтрата через определенные промежутки времени. Продолжительность регенерации загрузки фиксировалась по снижению мутности промывной воды, определяемой Бесовым способом. Замеры ширины и глубины воронки размыва двухслойной загрузки производились специальной рейкой. Экспериментальные данные обрабатывались на ЭВМ "Искра 225".

Проведенные исследования показали высокую надежность и степень очистки двухсяойной загрузки. Цутность фильтрата в опытах на превышала 1,0 мг/л. Установлено, что рост потерь напора в двухслойной загрузке при скоростях фильтрования в 2-3 раза преэылаицих рекомендуемые для однослойных фильтров, происходит значительно медленнее (рис. 3).

Исследования показали, что увеличение толщины слоя дробленого керамзита с 20-ти до 30-ти см позволяет в l,ü-2,0 раза увеличить продолжительность фильтрования и грязеемкость двухслойной загрузки. Дальнейшее увеличение слоя дробленого "серамзита ограничено возможностью гидравлического рнхлитоля осуществлять регенерацию загрузки."

Прирост потерь напора в фильтрующей загрузке

САГ

ао

£8i'zcr.oiAKQß

/

/

- j у

X. /

9'

0,1 I

" w

,A4 ASi'ac.xod.'iafi Yp-C.t/i-fo Л'о= ('"¿'Hfl

I

Ci'W.

Исследованиями установлено, что в двухслойной загрузке utraej' место объемное фильтрование. Причем ее загрязненность в 6-1ü раз <i{vmua,?T загрязненность однослойной и составляет S0-S50 мг/см3.

В исслодуемой загрузке основная масса аадоржчкных загрязнений (C4-JS %) приходится на слой дробленого керимзи-га, оставшийся чаоль проникает в кварц-оый песок.

^следования, про-чдбкньи с различной крупносты-с дриблепиго керамзита, по.<т;цли, что оптимальным для мед-

ленных двухслойных фильтров является дробленый керамзит крупностью 1-2 т.

Продолжительность периода ооветлительного созревания двухслойной загрузки больше, чем однослойной и составляет 0,Ь-3,0 часа. Максимальная мутность фильтрата в этот период не превышала 2,:) мг/л.

При изучении вопросов регенерации, на основании исследования, 'проведенных с различными насадками, а такге , учитывая необходимо скорость истечения cTpj'H через отверстие, предпочтение было отдано конически сходящейся насадке с одним центральным и четырьмя боковыми отверстиями диаметром б мм.'

Проведенные исследования позволили определить опт;:- -мальные условия взаимодействия напорных струй с двухслойной загрузкой, а также предложить технологию ее регенерации: первые два прохода осуществляются по поверхности загрузки со скоростью 2 см/с и давлением перед насадками i Ша, остальные - заглубленным рыхлителем со скоростью 1 см/с и давлением 0,8 Ша.

Обработка Ьксперикентальных данных на ЭВМ показала, что изменение глубины воронки размыва двухслойной загрузки описывается уравнением:

- Ж (9)

Проведенные исследования позволили разработать медленный двухслойный фильтр с усовершенствованной конструкцией гидравлического рыхлителя (рис. 4).

Отличительной особенностью разработанного фильтра является использование в нем способа фильтрования воды (а.с. № 1581888), а такге усовершенствованной конструкции гидравлического рыхлителя (а.с. f 163:-013).

S i-лпве 4 изложена методика и п, едст.-.влены результаты произгодсгкс-нкг« исследований, провепонных нч ОГК "Ро-стов6одмелиор-н:ия".

Напор nat загрузкой в опытах // (рис. 6) был равен 1,2 I.:. Скорость фильтрования составляла 0,36 м/ч. Исходная вода в камеру 1. подавалась насосом 2. 8 период полезного фильтрования зядрижч-а 13 открыта, остальные закрыты, а во зремя р-теиор-шии наоборот. Отвод -Мчьтрнта в резерву ар чистой води а осуиистелйагся дренажной трубой 4.

Схема конструкции медленного двухслойного'фильтра

-/2

1

N

(О

1 - корпус фильтра;,2 - дробленый керамзит; 3 - канализационный трубопровод;-4 - кварцевый песок; 5 - пористые дренажные плиты; 6 - гидрорыхлитель; 7 - каретка; 8 - блок; 9 - гибкий шланг; ДО - трубопровод исходной воды; 11 -1 трубопровод чистой воды; 12 - привод рчхлителя; 13 - плиты1 , перекрытия; 14 - напорный трубопровод

Рис. 4.

.Скорость фильтрования определялась по понижение уровня во-.ды в пьезометре 5. фильтр выключался па прожвку при достижении общих потерь напора л// , равных .1,2 м. Регенерация осуществлялась гидравлическим' рыхлителем 6. В рыхлитель промывная вода подавалась по трубопрводу 7 и шлангам 8. Расход промывной воды определялся объемным способом. Перемещение рыхлителя от кармана 9 к карману 10 осуществлялось при помощи редуктора 11. Скорость передвижения рыхлителя в опытах изменялась от 0,8 до 2,0 см/с.

Загрузка 12 производственного фильтра состояла и:1 дробленого керамзита крупностью 1-5 мм толщиной 20 см и кварцевого песка крупностью 0,2-5-1,0 мм толщиной 50 с:.!. Полезная площадь фильтра составляет 22,4

Производственные исследования подтвердили данные, полученные ь лабораторных условиях, ¡^гнолть фильтрата б опытах ие превышала 0.^мг/л. ЕЬсг потерь напора в разработан-

Медленны!* двухслойный фильтр ОПХ "Ростовводмелиорация"

а>

Ряо. 5

ном фильтре в 5-5 раза происходит медленнее, чем в однослойном и составляет в среднем за сутки 11,Я см, а грязе-емкость в 11 раз оказалаоь больше однослойного. В двухслойном фильтре имеет место объемное фильтрование, загрязнения проникают в загрузку на глубину 50 см. В проведенных опытах на предложенном фильтре было получено в 3 раза' больше осветленной воды, чем на однослойном.

Исследования показали высокую эффективность регенера- ' ции медленного двухслойного фильтра гидравлическим способом. В проведенных (Шльтроциклах не наблюдались случаи роста начальных потерь напора и остаточных загрязнений. Исследованиями также подтверждена необходимость проведения ос-генерации двухслойного фильтра по предложенной технологии.

Установлено, что при скорости горизонтального потока 0,1-0,12 м/с вполне обеспечивается транспортирование отмытых загрязнений в каналийацию и не происходит выноса дробленого керамаита.

Продолжительность периода осветлительного созреваник двухслойного фильтра в 4,3 раза больше, чем однослойного и составляет 50 минут. Однако максимальная мутность фильтрата в этот период не превышала 2 мг/л. 1

По данным санитарно-эпвдемиологических станций разработанный нами фильтр задерживает до Э9,5 бактерий, а вода после очистки соотзетствует требованиям ГОСТ 2874-82.

Исследованиями- установлено, что использование пр^дло-ненных фильтров, при очистке поверхностных вод позволяет в 3 раза повысить производительность очистных сооружений в системах сельскохозяйственного зодоснабаекия без сщеот-венннх капитальных затрат.

В главе 5 дана экономическая оценка работы медленного двухслойного фильтра, регенерируемого гидравлическим способом., Расчеты были произведены по ценам 1921 года. Экономическая эффективность разработанных фильтров определялась путем сопоставления приведенных затрат. За базу сравнения принимались однослойные медленные фильтры с гидравлической регенерацией.

Расчеты показали, что фактический годовой экономический эффект от использования разработанных фильтров в системах с.-х.водоснабжения ОПХ "Ростовводмелиорация" и с-за "Приманычишй" с общей площадью ¿ильтроьания 635 м^ составил 8774!) руб. Ожидаемый. экономический эффект от примени-

ния этих фильтров в проектах "Неклиновского группового водопровода" и "Внешнее водоснабкение г.Константиновска" . составляет 610610 руб.

ВЫВОДЫ И ПРЕДЛОЖЕНИЯ

1. Теоретически обоснована и зкспепиментально подтверждена всямогность дальнейшей интенсификации работы медлен- . них фильтров, регенерируемых гидравлическим способо?.!, путем использования, двухслойной фильтрующей загрузки.

2. В результате проведенных исследований предложен простой з реализации способ фильтрования воды, защищенный авторским свидетельством. ,

3. Полученные формулы для определения периода полезного фильтрования и глубины воронки равмыва двухслойной загрузки, а так«.е найденные параметра кривых, позволяют с достаточной степенью точности провести расчет этих величин.

4. Двухслойная загрузка, состоящая, из дробленого керамзита и кварцевого песка, обеспечивает глубокое осветление (менее 1 ¡.т/л) внсокомутных (до 1500 мг/л) поверхностных вод при скорости фильтрования до 0,8 м/ч. Вода после счистки на двухслойных медленных фильтрах, работающих по одноступенчатой бозряагентной схеме, соответствует требованиям ГОСТ 2874-82.

5. Доминирующим фактором, влияющим на величину грязе-еккоети и продолжительность фильтрования двухслойной загрузки ягляются параметры дробленого, керамзита;

о. В медленных двухслойных фильтрах рекомендуется использовать дробленый керамзит крупностью 1-2 мм толщиной I 30 см I! кварцевый песок крупностью 0,25-0,5 мм высотой 50см.-

В качестве фильтрующей среды моппт быть применен дробленый керамзит крупностью 1-5 мм толщиной 20 см к кварце- ■ вый песок крупностью 0,25-1,0 !.?,! высотой 50 см. Такая конструкция загрузки также позволяет в 3 раза повысить производительность очистных сооружений с медленными фильтрами и сократить сроки их строительства.

7. По результатам исследований предложена технология регенерации медленных двухслойных фильтров, позволяющая за 3-5 проходов гидравлического рыхлителя осуществить качественную промывку загрузки от эалзргаШШХ загрязнений, а трл-ко выделить в ее верхнюю ч"-аьть лаче!Ыяльное количество