Бесплатный автореферат и диссертация по географии на тему

Влияние физико-химических свойств осадка на эффективность осаждения взвеси при его рециркуляции

ВАК РФ 11.00.11, Охрана окружающей среды и рациональное использование природных ресурсов

Текст научной работыДиссертация по географии, кандидата технических наук, Щуцкая, Елена Евгеньевна, Ростов-на-Дону

г с . ~ ' / -

ростовским государственный строительный университет

На правах рукописи

1ЦУЦКАЯ Елена Евгеньевна

ВЛИЯНИЕ ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКИХ свойств ОСАДКА НА ЭФФЕКТИВНОСТЬ ОСАЖДЕНИЯ ВЗВЕСИ ПРИ ЕГО РЕЦИРКУЛЯЦИИ

11.00.11 — Охрана окружающей среды

и рациональное использование природных ресурсов

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель профессор, кандидат технических наук Лысов В. А.

г. Ростов

-на-Дону - 1999

СОДЕРЖАНИЕ

сгр.

ВВЕДЕНИЕ..........................................................................4

1. Состояние вопроса и задачи исследований.............................................8

1.1. Анализ отечественной и зарубежной литературы.................................8

1.2. Анализ опыта эксплуатации конструктивных решений

существующих сооружений с рециркуляцией осадка............................13

Выводы.....................................................................................13

1.2. Направление и задачи исследований.................................................23

2. Влияние реагентной обработки воды на окружающую среду водоочистной станции и на водоемы....................................................25

2.1. Влияние реагентов на окружающую среду............................................25

2.2. Свойства осадков и оптимальные условия их ввода в технологическую схему..........................................................................................2В

2.2,1. Свойства водопроводных осадков очистных сооружений водопровода......28

2.2.1.1. Структурообразующие компоненты водопроводных осадков..............28

2.2.1.2. Определение оптимального "возраста" осадка для повторного

его использования....................................................................32

2.2.1.3. Изучение физико-химических и реологических свойств осадка...........35

2.2.1.3.1. Водоотдающая способность водопроводных осадков.......................52

2.2.1.4. Бактериологические и гельминтологические показатели

осадка до и после рециркуляции..................................................59

2.3. Определение оптимальных гидродинамических параметров

смешения и хлопьеобразования при включении осадка.........................65

2.4. Исследование влияния мутности исходной воды и свойств осадка на процесс коагуляции при осветлении воды

методом рециркуляции осадка (при оптимальных и уменьшенных

дозах коагулянта)........................................................................68

Выводы....................................................................................79

3. Экспериментально-теоретическое обоснование применения ранее образованного осадка интенсификатора процесса

осветления воды.............................................................................80

Выводы....................................................................................105

4. Полупроизводственные испытания процесса осветления воды

с применением рециркуляции осадка...................................................106

4.1. Разработка конструктивной схемы рециркуляции осадка........................106

4.2. Методика исследований..................................................................109

4.2.1. Технологические и гидравлические характеристики

рециркуляции осадка на модели горизонтального

отстойника................................................................................116

4.2.1.1. Определение оптимальной дозы коагулянта. Определение доз гидроксидного осадка при использовании

рециркуляции его...................................................................119

4.3. Результаты экспериментов по оптимизации параметров рециркуляции осадка при коагулировании воды................................120

4.3.1. Моделирование горизонтального отстойника....................................120

4.4. Определение технологических и конструктивных параметров

схемы очистки воды с рециркуляцией осадка....................................122

Выводы....................................................................................130

5. Эколого-экономическая оценка рециркуляции осадка..............................131

Общие выводы..............................................................................137

Литература...................................................................................138

Приложения.....................................................................................147

ВВЕДЕНИЕ

Рациональное природопользование и общая экологическая обстановка в значительной степени определяется состоянием систем водоснабжения городов, сельского хозяйства и промышленных предприятий.

Система водопользования городов и населенных пунктов, включающих в себя комплекс инженерных сооружений по забору воды, транспортировке, очистке и отводу их, тесно связана с окружающей средой, испытывает сама и оказывает антропогенное воздействие на открытые водоемы. Защита водоемов от загрязнений становится все более актуальной, способствует снижению вредных последствий, наносимых гидросфере, литосфере, растительному и животному миру.

Наблюдаемый рост водопотребления в городах объективно ведет к увеличению количества сточных вод, резкому повышению расходов на проектирование, строительство и эксплуатацию систем водопользования.

Одна из острейших проблем состоит в том, что при водоподготовке используется большое количество реагентов, являющихся основными источниками сброса высокоминеральных жидких отходов второго класса опасности (сточных вод и осадков) в окружающие водоемы. Поэтому экологически и экономически целесообразно применять реагенты и способы обработки воды, обеспечивающие достижение технологического эффекта с наименьшими затратами при минимальном отрицательном воздействии на окружающую среду.

Современные методы обработки характеризуются большими объемами реагентов, используемыми в технологической цепочке осветления воды, значительным количеством неутилизированных отходов и высокими удельными сбросами загрязнений после очистки воды в виде сточных вод. Это создает серьезную проблему не только в связи с ужесточением требований природоохранных органов к сооружениям по очистке воды, но и с резко возрастающими размерами платы за сбросы. Учитывая вышеуказанное необходима разработка новых концептуальных средозащитных (природоохранных) решений по созданию высокоэффективных технологий на основе состава вод, поступающих на очистные сооружения водопровода, и глубокого анализа существующих методов чистки воды. На каком бы принципе не была основана работа сооружений, предназначенных для выделения коагулированной взвеси из воды - седиментации, фильтрования, главными свойствами, определяющими скорость и полноту отделения взвеси в осадок, является структурная прочность и плотность хлопьев, их адгезионная способность и тиксотропная обратимость. Для регулирования этих параметров в практике водоочистки выработаны различные приемы и методы:

- использование флокулянтов: активированной кремнекислоты [1-3], полиакри-ламида ПАА [3-5], высокомолекулярного катионного полиэлектролита ВПК-402 [6-7];

- применение смешанных коагулянтов [8-13];

- применение неочищенных сортов коагулянта [49];

- искусственное замутнение воды (глиной, сульфатом бария и т. д.) [14,15];

- различная по фракционному составу подача коагулянта [16], по концентрации [17] и по способу подачи (прерывистая [18,19] и контактная [20]);

- аэрирование воды [21] и другие.

Применение перечисленных методов улучшения коагуляции в большинстве случаев оказывает отрицательное воздействие на окружающую среду за счет проникновения в атмосферу химических элементов реагентов, сбросов осадка в водоем. Помимо этого усложняется эксплуатация и требуется тщательный контроль за дозированием реагентов. Эти методы являются крайне дорогостоящими. Поэтому экологически и экономически актуальным и необходимым является изыскание способов улучшения процесса коагуляции без значительных капитальных затрат с повышением надежности очистки и достижением качества, удовлетворяющим требованиям ГОСТ и СанПиН на питьевую воду и одновременно природоохранным.

Для улучшения качества очищенной воды, снижения расхода коагулянта и уменьшения времени пребывания обрабатываемой воды в отстойниках и осветлителях возможно использование части технологических осадков в качестве добавки к исходной воде.

Г. И. Николадзе [22], Е. Д. Бабенков [12] указывают на то, что обработка воды с возвратом части отработанного осадка в зону ввода новых порций коагулянта приводит к весьма положительным результатам. Однако попытки применить рециркуляцию таких взвесей не всегда успешны.

При разработке отечественных сооружений с повторным использованием осадка недостаточное внимание уделяется изучению физико-химических свойств его и является причиной неэффективного отстаивания воды. Однако, за рубежом [24-28,32] этот метод нашел применение на многих станциях очистки воды.

Осадок отстойников, промывные воды фильтров и реагентного хозяйства на существующих станциях очистки воды Северного Кавказа сбрасываются в реки. Осадок, попадая в реку, делает воду мутной и, сокращая доступ света в глубину, снижает интенсивность фотосинтеза. Животные могут погибнуть из-за засорения жабр и пищеварительных органов. Особенно чувствительна к обволакиванию осадками икра рыб и других водных организмов. Наносы погребают укрытия для мелких рыб. Песок двигаясь по дну, отрывает от камней прикрепленные к ним организмы. Береговая эррозия, усугубленная засорением русел осадками, приводит к тому, что река становится шире и мельче. В связи с этим возникла задача уменьшить количество сбрасываемого осадка, используя его в технологической цепочке очистки воды. Применение метода рециркуляции осадка приоритетно еще и потому, что помимо улучшения экологического состояния вод рек приводит к значительным экономическим и материально-ресурсосберегающим эффектам. Поэтому вопросы совершенствования технологии водоподготовки с целью уменьшения воздействия реагентов на окружающую среду и утилизации минеральных сточных вод и осадков весьма актуальны и требуют совершенных решений, подтвержденных практикой.

Целью диссертационной работы является создание высокоэффективной с экологической и экономической точек зрения ресурсосберегающей схемы водо-

очистки с повторным использованием осадка, как стимулятора процесса кооагу-ляции.

Научная новизна диссертационной работы заключается в следующем:

- теоретически обоснованно и экспериментально подтвержден эколого-экономический способ повторного использования ранее образованного осадка при коагулировании воды;

разработана методика проведения рециркуляции осадка в лабораторных и полупроизводственных условиях;

- предложены методы обнаружения и борьбы с содержащимися в осадке патогенными бактериями и вирусами с целью повторного его использования, а также предотвращения бактериального и паразитологического загрязнения воды ими в том числе почв и водоемов;

- разработана методика расчета системы циркуляции осадка в голову сооружений очистки воды из горизонтальных отстойников;

-даны рекомендации по расчету разработанной конструкции горизонтального отстойника с рециркуляцией осадка на очистных станциях водопровода. Практическая значимость:

Разработана и представлена в проект технология повторного использования ранее образованного осадка при коагулировании воды.

Произведена оценка эколого-экономической целесообразности ресурсосберегающей технологии и проведено сравнение существующих и предлагаемой технологии по сопоставимым показателям.

Предложен расчет экономического эффекта для различных вариантов обработки воды при использовании традиционных способов обработки воды и при использовании ресурсосберегающих технологий с учетом предотвращенного экономического ущерба от нарушения и потерь ресурсов.

Обоснованы показатели качества повторно используемого осадка для проведения его рециркуляции.

Обоснованы сочетания реагентов и их дозы при использовании осадка повторно при различных диапазонах исходной мутности донской воды.

Разработана технология проведения рециркуляции осадка на основе теоретического обоснования данного метода обработки воды и полупроизводственных экспериментов.

Получен патент на конструкцию горизонтального отстойника с рециркуляцией осадка, которая предложена к внедрению в проект АО института "Ростовский Водоканалпроект"

Определены условия эффективного применения метода рециркуляции осадка в процесс эксплуатации очистных сооружений водопровода

Результаты работы позволяют обоснованно принять решения по модернизации технологической схемы очистных сооружений водопровода с целью уменьшения расхода реагентов и снижения сбросов осадков в открытые водоемы.

На защиту выносятся следующие положения диссертационной работы:

- эколого-экономическое обоснование процессов реагентной обработки воды и рециркуляции осадка с учетом ресурсосберегающих технологий;

- теоретическое обоснование применения рециркуляции осадка при осветлении воды в горизонтальных отстойниках;

- результаты лабораторных, полупроизводственных экспериментов по рециркуляции осадка;

- результаты физико-химического анализа, бактериологические и паразитологи-ческие характеристики (показатели) воды и осадка, участвующих в рециркуляции осадка;

- теоретическое обоснование, разработка и расчет оптимальной схемы отбора осадка из горизонтальных отстойников;

- технические предложения по внедрению рециркуляции осадка на очистных сооружениях, включая их реконструкцию.

Апробация работы.

Основные положения диссертационной работы доложены и обсуждены на научных семинарах кафедры "Водоснабжения и водоотведения" Ростовского государственного университета строительства (г. Росгов-на-Дону 1994-1998г. г.), на научно-технических конференциях РГСУ (г. Ростов-на-Дону 1993, 1994, 1995, 1996,1997, 1998 г. г.), международной студенческой научно-практической конференции "Экология и регион", Ростовская государственная экономическая академия (г. Ростов-на-Дону 1995, 1996, 1997 г. г.), международной конференции "Экология и современность" (г. Азов 1995 г.), конкурсе "Эколокия, безопасность-жизнь" (Ростовский областной комитет по охране окружающей Среды и природных ресурсов 1996 г.). Внедрение результатов.

Результаты исследований использованы при разработке проектов ОА института "Ростовский Водоканалпроекг" Структура работы.

Диссертация состоит из введения, пяти глав, общих выводов, списка литературы, включающего 160 наименований, и 13 приложений. Содержание работы изложено на 163 страницах, содержит 64 рисунка, 18 таблиц, 3 диаграммы.

Автор выражает глубокую признательность научному руководителю проф., к. т. н. В. А. Лысову, консультантам доц., к. т. н. А. В. Бутко, проф., д. т. н. Н. С. Серпокрылову за всестороннюю помощь в работе над диссертацией.

1. СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА И ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЙ 1.1. АНАЛИЗ ОТЕЧЕСТВЕННОЙ И ЗАРУБЕЖНОЙ ЛИТЕРАТУРЫ

В общем комплексе вопросов охраны водных ресурсов проблема повторного использования осадков (шламов), образующихся при очистке природных вод, на сегодня остается одной из наиболее не разработанных. Серьезность этой проблемы обусловлена достаточно большим содержанием непрореашрованно-го сернокислого алюминия в осадке, имеющей второй класс опасности по токсичности.

Процессы осветления и обесцвечивания воды в отстойниках и осветлителях являются физико-химическими [19,20]. На процесс осветления и обесцвечивания вод непосредственное влияние оказывают объемная концентрация, гидравлическая крупность, силы сцепления коагулированной взвеси, а также физико-химические характеристики (рИ^М и т.п.). От объемной концентрации, гидравлической крупности и сил сцепления, в основном, зависит адгезия удаляемых примесей из воды [29].

Поэтому для повышения эффекта очистки воды в отстойниках и осветлителях необходимо регулировать физико-химические параметры коагулированной взвеси путем ввода ранее образованного осадка

Впервые попытка теоретического обоснования использования метода осветления воды путем повторного использования осадков отстойников и осветлителей была предпринята а конце 20-х годов нашего столетия в США.

Идея использования осадка, образованного на водоочистных сооружениях для интенсификации процесса очистки воды, изложены в выводах американских инженеров Булль и Дерби, сделанных в 1928 г. о том, что коагулированная вода, обогащенная ранее образованным осадком всегда ведет к повышению эффекта отстаивания и процента задержания взвеси (30). Эти выводы в будущем послужили основой для разработки различных способов использования осадка в технологической схеме очистки воды от взвесей, основными из которых являются:

1. использование регенерированного коагулянта из «отработанного осад-

ка»;

2. использование осадка без регенерации коагулянта, осуществляемое двумя способами:

а) по внутреннему контуру без конструктивных изменений очистных сооружений, который предусматривает возврат образовавшихся хлопьев в зону введения раствора реагента, без вывода их из рециркуляционной емкости. По этому принципу работают осветлители со взвешенным осадком в США, ГДР, Франции и некоторых других странах [12];

б) по наружному контуру с конструктивными изменениями очистных сооружений предусматривается отвод жидкости из камер хлопьеобразования, отстойнико�