Бесплатный автореферат и диссертация по сельскому хозяйству на тему

Исследование кольматации фильтров при добыче и очистке подземных вод на примере Московского глубокого дренажа

ВАК РФ 06.01.02, Мелиорация, рекультивация и охрана земель

Автореферат диссертации по теме "Исследование кольматации фильтров при добыче и очистке подземных вод на примере Московского глубокого дренажа"

г Б ОД

I 5 ДЕК «38

МИНИСТЕРСТВО СЕЛЬСКОГО ХОЗЯЙСТВА и ПРОДОВОЛЬСТВИЯ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

МОСКОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ ПРИРОДООБУСТРОЙСТВА

На правах рукописи

БАНГУРА Ибрагим Сори

тщшшш кольматдции фильтров

ПРИ ДОБЫЧЕ и ачисш ПОДЗЕМНЫМ вол

Ш примере

тжт глубокого дренажа

06.01.02 - Мелиорация а орошаемое земледелие

А ВТО РЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технически наук

Москва - 19%

Работа выполнена на кафедре сельскохозяйственного водоснабжения и охраны водных, ресурсов Московского государственного университета природообустройства.

Научные руководители:

- кандидат технических наук, доцент

- кандндаг химических наук, доцент ЛУКАШЕВ Е.А.

Официальные оппоненты:

- доктор технических наук, профессор БЕЛЯКОВ В .М.

- кандидат технических наук, профессор НИКОЛАДЗЕ Г.И.

Ведущая организация: - Специализированное предприятие «Госстрой»

Зашита диссертации состоится 1996 г.

в ...¿{АЗ., часов на заседании диссертационного совета К I20.i6.02 в Московском государственном университете природообустройства в аудитории........по адресу 127550, Москва. И-550, ул. Прянишникова, 19.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке университета. Отзывы и замечания в двух экземплярах проспи направлять по адресу университета.

Автореферат разослан ..........19% г.

РОГОВОЙ В.Л.

Ученый секретарь диссертационного совета, кандндаг технических наук.

доцент Сурикова Т.Н.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Диссертзцня посвяшена изучению процессов отложения осадка в пористых средах при фильтрации в применении к кольматации фильтров водозаборных скважин и к закату загрязнений при поверхностном и объемном фильтровании малоконцентрированных суспензий в системах водоочистки. Результаты исследований положены в основу построения методики оценки интенсивности кольма-гашюнных процессов фильтров скважин и использованы дтя проектирования станции очистки воды от железа на патронных фильтрах из пористого титана при реконструкции Московского глубокого дренажа.

Актуальность работы. Проблемы экологии и здравоохранения остро стоят во многих регионах мира . Прогрессирующее загрязнение водоисточников сточными и дрснажно-сброс ными водами приводит к их деградации и потере как источников водоснабжения. Эсобенно остро эта проблема стоит в регионах орошаемого земледе-1ия и горнодобывающей промышленности, а также в крупных городах - мегаполисах, для которых задачи водоснабжения, водоотведе-зия, охраны окружающей среды - воздушного и водного бассейнов -шляются приоритетными. Эта проблема смыкается с проблемой недостатка и , как следствие , экономии воды , что заставляет нужды промышленных предприятий в воде удовлетворять за счет очищен-шх бытовых, дренажно-сбросных и условно чистых промышленных ¡точных вод. В г. Москве имеется опыт решения этих задач с целью жономнн водных ресурсов.

В республике Гвинея проблема водоснабжения заключается в юеепечении качества питьевой воды, а одним го приоритетных за-■рязнителей подземных вод является железо.

Цель работы ставилась (1) как анализ причин кольматации фильтров скважин по материалам, собранным в ходе, реконструкции Лосковского глубокого дренажа, и на основе современных положе-шй теории фильтрования и отложения осадка; (2) как разработка ме-одики оценки интенсивности кольматашюнных процессов и реко-!ендаций по выбору конструкции фильтра скважины дтя снижения брастания и увеличения срока эксплуатации; (3) как научно-боснованный выбор метода очистки дренажной воды от железа и «учение возможности использования для обезжелезивапня воды па-ронных фильтров из пористого титана.

Научная новизна. На основе результатов теоретических и экс пернментальных исследований проанализированы факторы, ответе! вешше за интенсивность кольматашгонных процессов в фильтра скважин с вакуумным водоподъемом (Московский глубокий дренаж проведены исследования вторичной пористой структуры динамич* ской мембраны, образующейся на поверхности пористого титана пр фильтровании глинистой малоконцентрированной суспензии; то строен алгоритм оценки фактора локальной скорости жидкости в п( ристой структуре на масштабе зерна или характерного размер (радиуса поры) и влияние этой скорости на отложение и срыв части осадка: проведены исследования обезжелезивания дренажной вод методами упрощенной аэрации и фильтрования через патроннь фильтры нз пористого титана.

Практическая ценность заключается в методике оценки ш тенсивности кольматационных процессов в различных элемент; конструкции скважины в зависимости от локальных гидродинамич ских параметров течения в пористой среде; в рекомендациях по В1 бору конструкций филыров скважин для Московского глубоко) дренажа; в результатах исследования возможностей патроннь фильтров из пористого титана для обезжелезивания воды и расчс параметров технологического процесса и оборудования.

На защиту выносятся:

■ анализ современных теорий фильтрации и фильтрования, которь показал, что в этих теориях в явном виде не ставится вопрос О уровне базовых математических моделей) о влиянии гидродинамич ских параметров фильтрационного потока на скорость выпаден! взвеси в отдельных элементах конструкции фильтров скважины;

■ методика экспериментального исследования процесса отложен! взвеси при фильтрации через пористую среду, основанная на уче явления начального (порогового) гидравлического уклона;

■ результаты исследований фильтрования глинистой суспензли чер пористый тнтан методом начального гидравлического уклона; р зультаты расчетов в рамках модели капиллярно-пористой среды р1 пределення пор по размерам и изменений этого распределения по V рс отложения взвеси с образованием вторичной пористой структур ь

■ результаты анализа (по литературным данным) особенностей л ведения дисперсных систем в сдвиговых потоках, показывают!

что для многих систем зависимость скорости объемной коагуляции от сдвиговых характеристик потока проходит через максимум;

■ методика оценки гидродинамических параметров течения жидкости через пористую среду;

■ результаты расчетов градиентов скорости фильтрационного потока в элементах конструкции фильтров типа МГМИ (каркас, гравийная обсыпка), показывающих, что эти фильтры обладают гораздо меньшими локальными градиентами скорости, а поэтому должны обладать меньшей способностью к кольматации;

■ результаты экспериментов по опенке возможностей метода простой аэрации для очистки подземной воды Московского глубокого дренажа;

в результаты испытаний патронных фильтров из пористого титана для очистки подземной воды Московского глубокого дренажа;

■ результаты расчета эколого-экономического эффекта предотвращения сброса загрязненных подземных вод Московского глубокого дренажа.

Публикации. По результатам исследований опубликовано 4 статьи.

Апробация работы. Основные результаты диссертационной работы докладывались на научно-технических конференциях Московского государственного университета природообустройсгва в 1993-96 годах.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, пяти глав, выводов, списка цитированной литературы и приложения. Объем диссертации составляет 214 страниц; он включает 123 страницы основного машинописного текста, 23 рисунка, 36 таблиц, выводы, список цитированной литературы (92 наименования) и приложение.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введеннк.обоснована актуальность темы и сформулирована цель исследования. Научная новизна и практическая ценность связаны с разработкой методики для оценки интенсивности кольматаци-онных процессов, ее апробацией по результатам наблюдений за обрастанием фильтров водозаборных скважин Московского глубокого дренажа и с разработкой рекомендаций по подбору конструкций фильтров скважин, а также с испытаниями натронных (Ьильтпон ич

пористого титана для удаления железа из подземных вод и проектированием на их основе станции водоочистки.

В первой главе диссертации дан обзор литературы, где рассмотрены основные причины снижения дебита скважин и роста гидравлического сопротивления фильтров при кольматации, основные закономерности фильтрации и модельные уравнения геохимической гидродинамики, задачи о кольматации цризабойной зоны пласта.

Гидравлическое сопротивление фильтров в значительной степени влияет на производительность скважин. При изучении гидравлических сопротивлений сетчатых фильтров Оводов B.C. установил, что с уменьшением коэффициента фильтрации песка сопротивление фильтров значительно возрастает. Для фильтра с одним и тем же номером сетки, работающим в мелком песке, сопротивление больше, чем в крупном песке. Гравийная засыпка существенно улучшает во-дозахвагшваюшую способность скважин (Абрамов С.К.). Исследование гидравлических .сопротивлений щелевых пластмассовых дренажей фильтров водоочистки выполнены Николадзе Г.И. Он показал, что заклинивание щелей зернами увеличивает сопротивление фильтров, но с увеличением крупности зерен влияние наложения уменьшается. В гравитационных фильтрах (Карамбиров H.A.) выходные сопротивления значительно снижены за счет уменьшения скорости входа воды в фильтр, так как вода поступает в фильтр непосредственно из пор грунта, частицы которого удерживаются от выноса главным образом под действием силы тяжести. Гидравлическое сопротивление фильтров складывается из сопротивления грунта и сопротивления конструкции фильтра, работающего в контакте с этим грунтом. Считается, что замена материала фильтра не может существенно отразиться на гидравлических показателях фильтров. Непосредственный контакт породы с водоприемными отверстиями приводит к возрастанию гидравлического сопротивления. В гравитационных фильтрах, где грунт как сыпучее тело удерживается в отверстиях силой тяжести, сопротивление на контакте отсутствует.

При откачке воды из скважины в их призабойной зоне под влиянием изменения давления происходит выпадение из воды и присоединение к грунту некоторых взвешенных и растворенных веществ (взвесей минеральных частиц, коллоидов гидроксида железа, растворенных в воде карбонатов и т.д.). Это явление вызывает кольматаиию призабойной зоны, уменьшение ее проницаемости и снижение дебита

скважины. Физико-химическая сторона явления кольматации приза-бойной зоны скважин признается очень сложной, так как в этом явлении переплетаются происходящие в порах грунта процессы прилипания относительно крупных взвешенных частиц, коагуляции коллоидов и различные виды сорбции растворенных в воде веществ. Считается, что эти процессы в простейших случаях описываются близкими уравнениями (Веригин H.H.). В уравнениях кинетики обычно принимается, что скорость процесса пропорциональна некоторой констанзе Р и концентрации вещества в жидкой фазе или избытку насыщения ^ в некоторой степени, зависящей от кинетического порядка процесса.

Для приближенного суммарного описания указанных процессов принимается следующая рабочая гипотеза: (а) скорость диффузии кольматирующих веществ по сравнению со скоростью фильтрации пренебрежимо мала; (б) скорость выпадения этих веществ весьма велика 00) и поэтому выпадение их из воды происходит мгновенно (сразу же как только они достигли внешней границы зоны кольматации). Отсюда следует, что вне зоны кольматации эти вещества пе-

£

ремещаются с естественной их концентрацией 2, всюду одинаковой и постоянной во времени (диффузия отсутствует), Как только коль-матирующие вещества подходят к границе зоны кольматации, они мгновенно выпадают на этой границе. Поэтому в зоне кольматации концентрация этих веществ также одинакова, постоянна во времени и равна равновесной концентрации. Накопление веществ, выпадающих из воды в зоне кольматации, равно предельной емкости погло-

Nf. с, _

щения грунта и, соответствующей концентрации В соответствии с этим зона кольматации вблизи скважины радиусом R возрастает со временем t, что вызывает уменьшение дебита скважины.

Краткий обзор развития теории кольматации и методов описания процессов отложения и срыва осадка в динамике фильтрашш позволяет констатировать, что за 40-50 лег произошел переход от качественного рассмотрения этих процессов к их количественному описанию. Дальнейшее развитие теории и эксперимента, а как следствие и практики, для исследования кольматашюнных процессов, по-видимому, должно идти по пути установления количественных взаи-

мосвязей параметров фильтра! ши и кинетических параметров отложения и срыва осадка.

Во второй главе проанализированы основные положения теории фильтрования малоконцентрированных. суспензии, приведены результаты исследований вторичной пористой структуры, образующейся при накоплении взаеси на пористой подложке, рассмотрены особенности гидродинамического поведения дисперсных систем; результаты экспериментальных и теоретических исследований положены в основу методики оценки влияния гидродинамических факторов на интенсивность кольматационных процессов.

Сочетание большого количества факторов возможно только в форме обобщающей математической модели, которая имеет строгую структуру, задаваемую несколькими иерархическими уровнями. В рам как этой стратегии рассмотрена концептуальная основа теорий фильтрования. ТеорШ! фильтрования разделены на две группы. Первая - макроскопическое описание, опирающееся на уравнение материального батанса, в котором выделяются параметры, определяемые экспериментально. Вторая - микроскопическое описание, где основу составляет рассмотрение траектории движения индивидуальной частицы в поле гидродинамических и поверхностных сил.

Некоторые макроскопические теории базируются на концепции безотрывного фильтрования. Принятие концепции отрыва частиц, приводит к уравнению

V (1)

где параметры Ь и а характеризуют интенсивность отложения и срыва частиц суспензии. В начальный момент насыщенность порово-го пространства уравнет1е (1), использованное Д.М. Минцем для процесса извлечения частиц суспензии из потока, приводит при введении ряда допущений к гиперболическому дифференциальному уравнению второго порядка

(у а су а

В этой модели скорость фильтрации не присутствует как физический фактор. Необходимость следования экспериментальным результатам заставляет учитывать влияние скорости фильтрации на за-

хват и срыв частиц взвеси введением эмпирических зависимостей для параметров уравнения (2) от скорости фильтрации.

Развитие теории фильтрования с удержанием взвеси в объеме, а также для ряда случаев, когда идет удержание взвеси на поверхности фильтрующего элемента, требует решения следующих вопросов: первый - оценка локальных гидродинамических параметров течения жидкости в фильтрующей загрузке, второй - оценка изменений локальных гидродинамических параметров по мере поглощения суспензии в рамках какой-либо модели порового пространства фильтрующей среды, третий - оценка влияния локальных гидродинамических нарамегров на кинетику отложения и срыва осадка суспензии. В качестве базовых уравнений для описания эволюции дисперсной системы при фильтровании необходимо использовать уравнения макрокинетики: дифференциальное уравнение баланса масс, уравнение локальной кннетики для отложения и срыва осадка и уравнение, которое по форме является аналогом уравнения равновесия сосуществующих фа?, где скорость является параметром, определяющим предельное насыщение порового пространства осадком. Для ответа ча первый и второй вопросы необходимо охарактеризовать пористую :реду в рамках какой-либо модели.

Для получения экспериментальной информации о пористой ггруктуре намывного слоя суспензии использовали метод продавли-¡ания жидкости, который представляет собою метод, построенный ;ак развитие представлений о явлении начального (порогового) гид-щвлического уклона (Полубаринова-Кочина П.Я.). Теория этого ме-ода строится на том, что если бы все поры имели один размер, то |роницасмость возрастала бы пропорционально прикладываемому [явлению (Дытнерский Ю.И.). Это следует из уравнения Пуазейля. В том случае поры одного размера являются проницаемыми при одой давлении, которое зависит от свойств самого пористого материа-а и жидкости. Давление, характеристики пористого материала и сидкости связаны уравнением Лапласа.

Тот факт, что материал содержит поры разного размера, приво-цт к тому, что по мере повышения давления в работу включаются се более мелкие поры. Этот результат нарастающего увеличения роницаемости может быть отражен кринов зависимости расхода идкости через фильтрующий элемент от прикладываемого давле-ия. После того как встлиают в работу все поры зависимость расхода

от давления становится линеПной. Результаты 'эксперимента приведены на рнс.1. По этим результатам рассчитаны гистограммы распределения пор по размерам (рис.2). Изменение этого распределения по мере накопления взвеси на подложке из пористого титана показывает, что имеется тенденция смещения распределения в сторону пор малого размера. В го же время на нее накладывается другая тенденция - по мере накопления глинистой суспензии на подложке в рамках одного распределения (рис.3) доля малых пор снижается, доля средних пор растет, а доля самых крупных пор практически не меняется.

Проведешше эксперименты и расчеты по капиллярной модели пористой среды объясняют линейный рост потерь напора по мере отложения взвеси стабилизацией вторичной пористой структуры фильтрующей среды и аддитивным вкладом в эти потери гидравлического сопротивления двух пористых струкгур - первичной и вторичной.

Устойчивость и гидродинамическое разрушение дисперсных систем представляет один из важных и определяющих аспектов теории фильтрования малоконцентрированных суспензий и коллоидов. Рассмотрены особенности объемной коагуляции, которые указывают на то, что гидродинамические параметры потока существенным образом влияют как на "квазиравновесные" характеристики сосуществующих фаз, так и на кинетические - скорость перехода из начального состояния в "'квазиравновесное" состояние движу щейся дисперсионной среды и дисперсной фазы.

На основе сведения уравнений Навье-Стокса к закону Дарси построен алгоритм для оценки локальных гидродинамических параметров фильтрационного потока в пористой срсде. Этот алгоритм позволил проанализировать влияние гидродинамотеских параметров при реализации ползущего гечения жидкости путем вычисления градиента локальной скорости течения на отложение осадка и образование вторичной пористой структуры.

Результаты расчетов, проведенные с использованием полученных оценок при использовании капиллярно-пористой модели фильтрующей среды показывают, что суммарная плошадь поверхности пор малого радиуса на порядок и более превышает ту же величину для пор большого радиуса (в рамках одного экспериментального распределения). В тоже время суммарный расход воды через поры малого

6, ■»'/<■

3,0.

N // у/

«ч 1 ♦ № /

в У/

и

* у

О / ч г 0 о 0 4 9 4 а * 1 » *> я! V аЬ

Р. г .

Рис.1. Экспериментальные зависимости "давление - расход" : 1 -Чистый" титан, 2- титан с осадком после I серии экспериментов, 3,4, 5 - соответственно, после 2, 3, 4 серий эксперимента (к расчету параметроо молельной пористой структуры, образующейся при отложении на пористом титане глинистой взвеси)

ачо*

тз {о 1!

П'Ю1

ачо> Г! ■

Л 9$

и го

а

ТГТГе-'-'-*_

аГЧО-5* ЛО

¿0 г-0

10 л о

ш

¡О /■''<>-£- 7.0

Рис. 2. Гистограммы распределения пор, так капилляров, по радиусам характеризующие вторичную пористую структуру, образующуюся на патронном фильтре из пористого титана (второе приближение; номер гистограммы соответствует номеру опыта на рис. I)

««<

л?е И,я-10,0

«о-

0,71.0-а гцо

п.о 10 в

о,а. Х>

о

(в

]1П2ь==

*о

ТПТп^-

гч^.м

V

"ТТЬ^—

/■•«Р.*

*--------

ТТТП-^

Л"

Рис.3. Гистограммы распределения дели отдельных групп пор по их р;п-ш (в процентах; второе приближение)

радиуса только в два раза превышает расход воды через поры большого радиуса. Таким образом, получается, что средняя скорость в порах малого радиуса почти на порядок меньше скорости движения жидкости в порал большого радиуса Эгу же ситуацию отражают значения времени пребывания жидкости в порах разного радиуса. Значение этой величины для пор малого размера почти на порядок превышает значение для пор большого размера. Отсюда при предположении одинаковой скорости для локальной реакции отложения осадка в малых и больших порах следует, что интенсивность отложения должна быть выше для пор малого радиуса. Этот факт подтверждает также эволюция распределения пор по размерам, отражающая убыль пор малого радиуса. Изменение градиентов скорости течения жидкости по мере накопления взвеси глинистой суспензии на подложке из пористого титана представлено на рис. 4. На этом рисунке особенно отчетливо видно, что вторичная пористая структура эволюционирует к такой структуре, которая обеспечивает градиенты скорости в интервале значений 300 - 400 с~'. Для пор большого размера в силу больших начальных значений при переходе от первой серии экспериментов к третьей градиенты скорости меняются не сильно, однако при переходе от третьей серии к пятой снижение градиентов скорости становится существенным. В порах малого размера гради-енгы скорости практически не меняются, что связано с уменьшением их количества, как за счет полного зарастания, так и возможно за счет перехода в класс пор среднего размера (в относительном долевом выражении). Наибольшие изменения градиент скорости претерпевает для средних пор, для которых отчетливо прослеживается тенденция роста градиентов скорости в интервале значении 220 - 320 с-1.

Таким образом, стабилизация вторичной пористой структуры характеризуется стремлением градиента скорости к некоторому среднему значению - уменьшение для пор большого размера и увеличение для пор среднего размера.

Другое наблюдение, которое необходимо консгатировать по результатам экспериментов и математической обработки, заключается в том. что при градиентах скорости ниже некоторого критического значения (Х1я исследованной системы - глинистая суспензия в воде-

Рис.4. Изменение градиентов скорости течения -жидкости при формировании вторичной пористой структуры (для пор различного размера)

это значение лежит около 350 ) отложение осадка идет интенсивно, а при больших значениях - менее интенсивно или практически не идет. С этих позшшй проанализированы данные по кольматашш фильтров скважин Московского глубокого дренажа.

В третьей главе дан анализ причнн кольматашш фильтров скважин Московского глубокого дренажа по материалам, собранным в ходе реконструкции; исследованы отдельные элементы конструкции скважин на основе разработанной методики оценки влияния гидродинамических факторов на интенсивность кольматационных процессов.

Сопоставление данных наблюдений и расчетов (таблица) показывает, что процесс интенсивной кольматашш наблюдается у поверхностей, разделяющих сетку и другие элементы

Таблица

Градиенты скорости (С? с-*) в разных элементах конструкции фильтров

Фильтры Каркас Сетка Гравшшая обсыпка Песчаная обсыпка

Фильтр со стальным каркасом (средние параметры) 0.130 # 0,71(*)/1,84<»*) ## 1,61(*У'1.32(**) 0,068 0.96

Фильтр с чугунным каркасом (средние параметры) 0.088 # 0,482(*У1,254(**) 1,090(*)/2.85<5(**> 0.033 0.473

Фильтр с деревянным каркасом (средние параметры) 0.263 # 0,577(*)/1,500(**) 3,280(*)/8,520(**) 0,058 0.827

Фильтры с чугунным каркасом № 258 и № 260 0,632 (нач.) 0,001 (кон Л № 7,88(*)/20,50(**) Й#0.012(**У0.032(*Ф> нет обсыпки 1,85 (нач. 0.003 (коя

Фильтр с чугунным каркасом № 26_2 Фильтр со стальным каркасом №189 0,017 (коп.) 0,010 (кон.) № 0,213(*)/0.554(**) #0.056(*)/0.144(**) нет обсыпки 0.003 (кон. ) 0,050 (Ш11 0.041 (кои

# - сетка квадратного атеташя, - сетка галунного плетения, (*) - за характерный размер пр)шят размер ячейки, (**) - за характерный размер принята толшша проволикн.

конструкции: сетка - каркас и сетка - обсыпка. На этих поверхностях достигаются максимальные градиенты скорости течения жидкости, на один - два порядка превышающие значения для других зон конструкции фильтров с чугунным, деревянным и стальным каркасом.

Во временном отношении зарождение кольматации также приурочено к максимально достигаемым градиентам течения воды в зоне контакта сетки с каркасом, с внутренней стороны, и с гравийной (или иногда песчаной) обсыпкой, с внешней стороны. Именно здесь наблюдаются темные и сильно сцементированные осадки.

В соответствии с разработанной методикой рассчитаны градиенты скорости для фильтра конструкции МГМИ. В качестве примера выбран фильтр с диаметром 210/160 мм и высотой водоприемной части 20 м. Шнрина щели для этого типа фильтра составляет 1,5 мм, а скважность по наружному диаметру - 70%, по внутреннему диаметру - 20%. Гравийная обсыпка характеризуется условным размером гранул 4 мм и пористостью 0,38. Для ориентировочного расхода 25 м'/час (6,94-10 1 м/с) рассчитаны градиенты скорости для щели каркаса и гравийной обсыпки. Их значения, соответственно, составили 0,099 (для внешней стороны каркаса). 0,203 (для внутренней стороны каркаса) и 0,079 с"' (для гравийной обсыпки). Эти значения показывают, что кольмагационные процессы в данных фильтрах должны идти менее интенсивно, чем в фильтрах, тех конструкций которые использовались ранее.

Результаты теоретических и экспериментальных исследований, эксплуатационных наблюдений и литературных данных, позволяют констатировать, что при отноыгтельно низких локальных скоростях течения жидкости в пористой среде или загроможденных каналах с увеличением скорости течения получаем как результат, увеличение скорости кольматационных процессов; при относительно .высоких локальных скоростях течения жидкости имеем противоположный результат - увеличение скорости течения приводит к снижению скорости кольматационных процессов и, наоборот, уменьшение скорости течения приводит к повышению скорости кольматацнонных процессов. Отсюда, кроме того, следует, что существует значение градиента скорости течения жидкое!и. при котором процесс кольматации идет с максимальной скоростью. Это вывод соответствует поведению дисперсных систем в сдвиговых потоках, поэтому можно с большой долей уверенности предположить, что разработанные алгоритм о ¿Ген-

lb

ки локальны* гидродинамических параметров течения жидкости в пористой среде и методика получения экспериментальных данных и их обработки в рамках принятой модели пористой срсды могут быть использованы для исследования других систем и выбора оптимальных или приемлемых конструкционных и технологических парамег-ров.

Четвертая глава посвяшена изучению возможностей очистки дренажной воды от железа; рассмотрены особенности примесного состава дренажной воды и дана характеристика методов обезжелези-вания подземных вод; изучены возможности наиболее простого в технологическом отношении метода обезжелезивания подземных вод - метода простой аэрации, а также возможности использования для гик целей патронных фильтров из пористого титана, позволяющих добиться экономии производственной площади, а за счет высокой коррозионной устойчивости титана - длительного срока эксплуатации. ,

Косвенная оценка ориентировочно указывает на принципиальную возможность использования метода упрощенной аэрации. Однако предельное значение концентрации железа (около 10,0 мг/л и более) и повышенное содержание в воде железа III свидетельствует о необходимости проведения технологических анализов (пробного обезжелезивания) непосредственно на водозаборе и модельных исследований; Эти результаты приведены на рис. 5.

Эффективность и технологическая целесообразность применения метода фильтрования с упрощенной системой аэрашш для обезжелезивания дренажной воды Московского глубокого дренажа была подтверждена натурными экспериментами на модельных фильтрах, имитирующих основные технологические и конструкционные параметры установки «Деферрит» (АКХ им. К.Д. Памфилова, НИИКВОВ). Проведенные эксперименты позволил» констатировать, что зарядка фильтра при скорости 5 м/ч происходит примерно в течение 2,5 - 3,0 суток. Переключение фильтра па работу в режиме более высокой скорости фильтрования (10 м/ч) позволяет получить нормативное значение концентрации железа в филырате (0.3 мг/л) через 6 - 8 часов работы. В этом случае примерно через 10 - 12 часов зарядка фильтра завершается, а после промывки через сутки проскок железа в фильтрат не наблюдается.

Рис.5. Оценка возможности использования метода обезжелезивания воды фильтрованием с упрощенной системой аэрации. I - область применения метода, Б - область, где применения метода не рекомендуется. 1 - экспериментальные данные, 2 - граница применимости метода

В ходе испытаний патронных фильтров из пористого титана с целью удаления железа из подземной воды Московского глубокого дренажа было проведено четыре серии экспериментов. В первой серии экспериментов дренажная вода, подаваемая вакуумным водоподъемом, направлялась непосредственно на фильтрацию без принудительной аэрации. Целью второй серии экспериментов было выяснить влияние на процесс удаления железа введение окислителя - кислорода воздуха для окисления железа II в железо Ш и в конечном счете для более глубокого извлечения железа из воды. Воздух подавался компрессором непосредственно перед фильтрами в приемную камеру станции. В третьей серии экспериментов для более глубокого окисления железа II использовали кислород, который подавался в воду из баллона. В четвертой серии экспериментов дренажную воду фильтровали через патронные фильтры, включенные последовательно друг за другом. В последних экспериментах дополнительную аэрацию воды не проводили. Заключительную пятую серию экспериментов провели для определения основного технологического параметра работы станции очистки воды ог примесей железа - продолжительность фильтроцикла. Дренажную воду в этой серии экспери-

3

ментов фильтровали с расходом 1,1 м 1ч в начале фильтроцикла. Процесс фильтрования окончили при расходе дренажной воды 0,1

3

-и /ч. Давление на входе при этом составляло 0,9 - 0,7 ати. Результаты эксперимента приведены на рис.6.

В отношении гидродинамического режима фильтрования вторая серия экспериментов имеет особенность, которая отличает ее от экспериментов первой и третьей серий. Аэрация дренажной воды воздухом с помощью компрессора приводит к гидродинамическим пульсациям потока воды при фильтровании ее через динамическую мембрану. Происходит это из-за того, что нагнетание воздуха проводилось непосредственно в корпус станции и, соответственно, не было демпфирующего газового пространства, способного нивелировать эти колебания. Поэтому целевой технологический эффект очистки от железа дренажной воды получился хуже, чем в первой и в грегьей сериях экспериментов. В этом случае средние локальные линейные скорости возможно не отличались от тех же величин дня других серий экспериментов, однако уровень пульсаций и, соответственно, максимальных локальных линейных скоростей течения воды через

Pue.fi. Изменение во времени концентрации различных форм железа в фильтрате: (з) - общее железо, (б) - желею 11!, (в) - железо II, (г) - линейная скорость в расчете на обшую поверхность фильтрования (удельный расход)

динамическую мембрану был выше. Поэтому и уровень выноса проникновения соединений железа в фильтрат был выше. Это ещ раз подтверждает определяющую роль линейной скорости фильтре в алия или точнее локальных линейных скоростей, производными о которых оказываются все остальные процессы, в совокупности пред ставляюшие собой очистку дренажной воды or железа.

Интересными представляются результаты четвертой серии экс периментов, когда дренажную воду фильтровали через патронны фильтры, включенные последовательно друг за другом. Результата этой серии экспериментов показывают, что поток при низких значе ниях линейной скорости фильтрования не оказывает разрушающей воздействия на динамическую мембрану и не вызывает выноса мел кодисперсных частиц гидроксида железа III в фильтрат. Очень низкш линейные скорости фильтровании способствуют тому, что динамнчс екая мембрана удерживает даже гидроксиды железа II, которые е меньшей степени, чем гидроксиды железа Ш, склонны к образование прочных трехмерных пространственных структур на начальных стадиях гидролиза.

По железу и мутности технология очистки воды на патронным фильтрах из пористого ттгтана без использования дополнительной: присадочного материала для образования намывного слоя позволяет обеспечить норматив на питьевую воду по общему железу и мутности, а по цветности близко приблизиться к нормативному значению этого показателя. Для этого продолжительность фильтроцикла может быть выбрана в интервале 100 - 120 часов (4-5 суток) с временем зарядки 2-3 часа, при этом удельный расход воды через поверхность

фильтрации будет составлять 0,05 - 0,1 -м^/ч -м .

В пятой главе проведен эколого-экономический анализ снижения ущерба при отказе от сброса дренажных вод в реку Москву.

При сбросе загрязненных (сточных или дренажных) вод в водоем уровень воздействия загрязнений на реципиентов этого водоема оценивается по приведенной массе сбрасываемых веществ, выражаемой в условных тоннах. Кроме гого, эта оценка учитывает особенности водохозяйственного участка, которые характеризуются показателем относительной опасности загрязнення водоема.

В настоящее время удельный ущерб от сброса в водоем одной условной тонны загрязняющих веществ оценивается в 4 млн. руб. /усл. т. Концентрация железа Ш в дренажной воде колеблется в пре-

делах от 3,3 до 6,7 мг/л, а концентрация железа II - от 1,4 до 4.9 мг/л.

ПДКР/Х{ Л+3) ПДКР/Х{ Ге+2)

Для расчета приняли ^ ' =0,05 мг/л, '

-сод

=0,005 мг/л, к - 2,6. Отсюда значения показателей относительной

А

агрессивности составляют '= 1/0.05 = 20 усл. т/т и

Лл+2]

V >= 1/0,005 =200 усл. т/т.

В соответствии с тем, что проектная производительность станции обезжелезивания составляет 1600 мЗ/год, а средние концентрации железа И и железа III, соответственно, 3,2 мг/л и 5,0 мг/л, значение ущерба по чтим загрязнениям составило 3,95 и 0,60 млрд. руб. /год, а полный ущерб - 4,55 млрд. руб. /год.

ВЫВОДЫ

1. В литературном обзоре рассмотрены основные положения практики и теории фильтрации. Показано, что в моделях этой теории не рассматривается вопрос о влиянии гидродинамических параметров фильтрационного потока на скорость выпадения взвеси в отдельных элементах конструкции фильтров скважины.

2. Проанализирован примесный состав подземной воды, откачиваемой Московским глубоким дренажем. Показано, что отложения взвеси имеет состав в основном определяемый содержанием гидро-ксидов и оксидов железа.

3. Проанализированы основные положения теории фильтрования малоконцентрирован! 1ых суспензий, используемой для описания очистки воды на скорых фильтрах. Сформулированы положения для дальнейшего развития теории фильтрования, заключающиеся в необходимое™ учета в явном виде гидродинамических парамефов фильтрационного потока на кинетику отложения суспензии в пористой срсдс.

4. Развит метод экспериментального исследования процесса отложения взвеси при фильтрации через пористую среду, основанный на учете явления начального (порогового) гидравлического уклона.

5. Разработанным методом начачьного гидравлического уклона исследовано фильтрование глинистой суспензии через пористый титан. В рамках модели капиллярно-пористой среды рассчитано распредс-

ленне пор по размерам и эволюция этого распределения по мере от ложення взвеси с образованием вторичной пористой структуры. По казано, что вторичная пористая структура стремится к определенно му квазиравновесному состоянию, характеризуемому сдвиговым! параметрами фильтрационного потока (градиента локальной скоро ста).

6. Рассмотрены особенности поведения дисперсных систем в сдви говых потоках. Установлено (по литературным данным), что да многих систем зависимость скорости объемной коагуляции от сдви говых характеристик потока проходит через максимум. Па основанш экспериментальных и литературных данных сделано предположение что аналогичные зависимости должны проявляться при отложенш взвеси и коллоидов при фильтрации через пористые среды при поверхностной коагуляции.

7. На основе уравнений Навье-Стокса, сводимых к закону Дара для фильтрационного потока, разработан алгоритм оценки гидродинамических параметров течения жидкости через пористую среду. Показано, (а) что градиенты давления на масштабе порядка размера зерна или радиуса поры по порядку величины сравнимы с общим градиентом давления на всем фильтрующем слое и (б) что градиенты скорости в фильтрационном потоке могут быть оценены как отношение средней локальной скорости течения жидкости в пористой среде к характерному размеру зерна (гранулы) или радиуса поры.

8. По результатам эксперимента с учетом распределения пор для вторичной пористой структуры, образующейся при отложении глинистой суспензии на поверхности пористой титановой подложки, рассчитаны градненты скорости в порах различного размера. Показано, что эволюция вторичной пористой структуры заключается в том, что уменьшается доля малых пор, где градиенты скорости относительно малы, доля средних пор растет, а больших - уменьшается. При этом наблюдается стремление градиентов скорости к определенному среднему значению, характерному для средних пор.

9. По материалам о зарастании фильтров скважин Московского глубокого дренажа устаионлено, что основным элементом конструкции скважин с деревянными, чугунными и стальными каркасами, где начинается процесс отложения загрязнений ("слабое" звено) является сстка и граница между сеткой и каркасом - здесь обнаруживаются

наиболее темные и сильно сцементированные осадки, основным компонентом которых являются оксиды и гндроксшхы железа.

10. Для фильтров скважин Московского глубокого дренажа, по которым имелись данные наблюдений за отложениями осадков, рассчитаны [-радиенты скорости во всех элементах конструкции колодцев-фильтров: каркас, сетка, гравийная и песчаные обсыпки. Показано, что градиенты скорости фильтрационного потока имеют максимальные значения для сеток, что и приводит к отложению осадков первоначально на сетке, а затем па границе сетка - каркас, а затем фронт кольматации распространяется как во внешнюю, так и во внутреннюю стороны, т.е. вслед за роегом фадиен га скорост и.

11. Рассчитаны градиенты скорости фильтрационного потока в элементах конструкции фильтров типа МГМИ (каркас, гравийная обсыпка). Показано, что эти фильтры обладают гораздо меньшими локальными градиентами скорости, а поэтому и способностью к кольматации.

12. Выполнены эксперименты по оценке возможностей метода простой аэрации для очистки подземной воды Московского глубокого дренажа. Показано, что метод является пригодным для очистки воды этого источника от железа до требований стандарта к питьевой воде по железу и .мутности.

13. Проведены испытания патронных фильтров из пористого титана доя очистки подземной воды Московского глубокого дренажа. Получены положительные результаты по очистки воды от железа, а также данные для проектирования этого типа установок.

14. Рассчитан эколого-экономический эффект предотвращения сброса загрязненных подземных вод Московского глубокого дренажа, который составляет 4,55 млрд. руб./год (в ценах 1996 г.).

ПО МАТЕРИАЛАМ ДИССЕРТАЦИИ ОПУБЛИКОВАНЫ СЛЕДУЮЩИЕ РАБОТЫ

1. Роговой BJI., Лукашев Е.А., Baniypa И.С. Испытания патронных фильтров из пористого титана для удаления железа из воды Московского глубокого дренажа// Материалы семинара «Новые технологические решения и практике водоснабжении и водоотведения» - М.: Общество «Знание» РФ, 1993. - С. 43-48.

2. Лукашев Е.А., Роговой В.Л., Квитка Л.А., Аль Аджи Б., Ьангура И.С. Небольшие установки очистки и обеззараживания воды для сис-

тем индивидуального водоснабжения// Экспресс - информация. Инженерное обеспечение объектов строительства. М.: ВНИИНТПИ Госстроя РФ. 1993. -№ 8. - С. 3-10.

3. Лукашев Е.А., Бангура И.С. Исследование удаления железа из подземных вод фильтрацией через пористые материалы// Экспресс -информация. Инженерное обеспечение объектов строительства. М.: ВНИИНТПИ Госстроя РФ, 1995. - № 5. - С. 8-16. 4. Лукашев Е.А., Бангура И.С. Изучение вторичной пористой структуры, образующейся при накоплении взвеси на поверхности фильтров из пористого титана// Экспресс - информация. Инженерное обеспечение объектов строительства. М.: ВНИИНТПИ Госстроя РФ, 1996. -№3. -С. 2-11.