Интенсификация процессов коагуляции и флокуляции природных вод за счет регулируемого механического перемешивания в смесителях и камерах хлопьеобразования очистных сооружений тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.17.08, кандидат технических наук Моисеев, Андрей Владимирович

• Моисеев, Андрей Владимирович
• кандидат технических наук
• 2005

Оглавление диссертации кандидат технических наук Моисеев, Андрей Владимирович

Введение

глава 1. Состояние вопроса и задачи управления процессом коагуляции при очистке природных вод

1.1. Принципы регулирования процесса гидролиза коагулянта

1.2. Возможные пути интенсификации процессов коагуляции

1.2.1. Регулирование уровня водородного показателя воды

1.2.2. Применение минеральных замутнителей

1.2.3. Механическое и статическое перемешивание воды

1.2.3.1. Смесители

1.2.3.2. Камеры хлопьеобразования

1.2.4. Пневматическое перемешивание

1.2.5. Фракционированное коагулирование

1.2.6. Концентрированное коагулирование

1.2.7. Прерывистое (периодическое) коагулирование

1.2.8. Рециркуляция осадка коагулированной взвеси

1.2.9. Наложение электрического поля

1.2.10. Наложение магнитного поля

1.2.11. Воздействие ультрозвуком

1.2.12. Ионизирующее облучение.

1.3. Механические мешалки для водоочистки и производители, изготавливающие эти устройства

Выводы по главе

глава 2. Планирование и проведение экспериментальных исследований

2.1. Методика проведения исследований

2.2. Характеристика объектов, на которых проводились исследования

2.3. Качество воды на водопроводных станциях в периоды проведения исследований

2.4. Результаты экспериментальных исследований по механическому смешению реагентов с водой

2.4.1. Натурные исследования на водопроводных станциях г. Ярославля

2.4.1.1. Южная водопроводная станция (р. Которосль)

2.4.1.2. Центральная водопроводная станция (р. Волга) 82 Выводы этапа

2.4.2. Натурные исследования в г. Ижевске

2.4.2.1. Новые Головные сооружения (Городской пруд)

2.4.2.2. Камские очистные сооружения (Боткинское водохранилище)

Выводы этапа

2.4.3. Натурные исследования в г. Калуге (р. Ока)

Выводы этапа

Выводы по главе

глава 3. Теоретические подходы и разработка математической модели процесса коагуляции в смесителе и камере хлопьеобразования при очистке природных вод

3.1. Современные теоретические представления о процессе гидролиза при коагуляции

3.2. Математическая модель

3.3. Результаты натурно-теоретического эксперимента

3.4. Анализ практического потенциала модели

Выводы по главе

глава 4. Производственная апробация и внедрение механического перемешивания в камерах хлопьеобразования на Южной водопроводной станции г. Ярославля

4.1. Конструкционное исполнение тихоходных мешалок

4.1.1. Область применения

4.1.2. Техническая характеристика

4.1.3. Описание конструкции и работы

4.1.4. Защита от коррозии

4.1.5. Конкретный экономический эффект на объекте

4.2. Результаты производственной апробации механических тихоходных мешалок

Выводы по главе

глава 5. Технические указания на механическое перемешивание, эффективность разработанных устройств и технологий

5.1. Область применения

5.1.1. Условия применения

5.1.2. Методика расчета смесителей и камер хлопьеобразования с механическим перемешиванием

5.1.2.1. Для существующих станций водоочистки

5.1.2.2. Для новых станций водоочистки

5.2. Структура эффективности механического перемешивания

Выводы по главе

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Интенсификация процессов коагуляции и флокуляции природных вод за счет регулируемого механического перемешивания в смесителях и камерах хлопьеобразования очистных сооружений»

Интенсификация процесса коагуляции заключается в выборе необходимой скорости формирования хлопьев и степени отделения взвеси в объеме обрабатываемой воды, что в конечном итоге играет решающую роль для повышения эффективности осветления воды. Это зависит от плотности и структурной прочности хлопьев, их адгезионной способности и тиксотроп-ной обратимости [12].

В практике водоочистки применяются разнообразные методы интенсификации процесса коагуляции.

Существующие методы интенсификации Е.Д. Бабенков подразделяет на два класса [И].

Первый класс включает методы, требующие дополнительного введения реагентов в обрабатываемую воду: 1) флокулянтов, 2) окислителей, 3) регуляторов величины рН, 4) минеральных замутнителей.

Второй класс включает методы, не требующие использования дополнительных реагентов: 1) перемешивание воды с предварительным введением коагулянта, 2) использование рациональных способов добавления коагулянтов к воде, 3) рециркуляция коагулированной взвеси через зону ввода новых порций коагулянта, 4) совмещение коагуляции гидролизующимися коагулянтами с физическими методами коагуляции.

Актуальность проблемы.

Обработка воды коагулянтами является самым распространенным методом очистки воды поверхностных водоисточников. Масштабы применения метода коагуляции увеличились в последние годы, и судя по прогнозам, будут расти.

Вопросу коагуляции коллоидных систем вообще и, в частности, в процессе водоподготовки посвящено большое количество теоретических и экспериментальных исследований. Основы процесса коагуляции, разработанные Марианом Смолуховским, были развиты в трудах Ребиндера П.А. [92], Деря-гина Б.В. [30-32], Кройта Г.Р. [50], Кульского JL А. [53, 55], Бейлиса [115], Воюцкого С. С. [28] и ряда других. Рассмотрение общих вопросов данной проблемы изложнено в работах Абрамова Н.Н. [3], Клячко В.А. и Апельцина И.Э. [44], Кастальского А.А. и Минца Д.М. [42], Кургаева Е.Ф. [57, 58], Ба-бенкова Е.Д. [12], Шкроба М.С. и Прохорова Ф.Г. [109], Строкача П.П. [56], Кульского JI. А. [53, 55] и других авторов.

Интенсификация процесса коагулирования имеет большое значение в связи с возрастающими требованиями к качеству питьевой воды.

Коммунальное хозяйство, в частности, водоснабжение постоянно сталкивается с рядом проблем, которые требуют совершенствования технологии и инженерного оборудования. Это связано, с одной стороны, с постоянно растущими требованиями к качеству питьевой воды, с другой, - загрязнением водоисточников и необходимостью расширения сырьевой базы за счет источников с низким качеством природных вод [65]. Известно, что процесс смешения раствора коагулянта с водой определяет последующие стадии образования хлопьев гидролизованных форм коагулянта, отстаивание и фильтрование. Гидродинамический режим смешения раствора коагулянта с сырой водой определяет кинетику образования хлопьев, их размер и плотность [12].

Однако выбор гидродинамического режима смесителя является сложной технологической задачей, поскольку процесс на начальных стадиях коагуляции - процесс образования хлопьев гидролизованных форм коагулянтов (гидроксидов алюминия или железа), является сложным и определяется большим числом факторов: интенсивностью перемешивания, мутностью исходной воды, вводимой дозой и типом коагулянта, температурой и т.д. Теории коагуляции разработаны для случаев наличия примесей, способных потенциально к образованию агрегатов. В то же время математических моделей, описывающих все стадии процесса, не существует. Это сдерживает разработку эффективных технологических процессов очистки воды.

Целесообразность применения механических смесителей подтверждается опытом работы водоочистных станций за рубежом.

Цель и задачи работы: о интенсификация процесса коагуляции поверхностных вод за счет регулируемого механического перемешивания реагентов с исходной водой;

- экспериментальная оценка эффективности работы механических смесителей и камер хлопьеобразования по сравнению с гидравлическими для водоочистных станций населенных мест Российской Федерации;

- разработка математической модели процесса коагуляции при реа-гентной очистке воды и повышение качества регулированием процесса;

- разработка рациональных вариантов конструкций смесителей и камер хлопьеобразования; выбор технологических режимов их эксплуатации;

- разработка методики расчета смесителей и камер хлопьеобразования с механическим перемешиванием;

- разработка рекомендаций для проектирования по реконструкции смесителей и камер хлопьеобразования на водоочистных станциях.

Научная новизна работы: разработана математическая модель процесса коагуляции; разработана методика расчета смесителей и камер хлопьеобразования с механическим перемешиванием; разработаны новая конструкция вертикального механического смесителя, новое устройство для очистки воды и устройство для её осветления (получены патенты); подготовлена методика компьютерно-инженерного расчета механического смесителя круглого и прямоугольного в плане.

Практическая ценность работы заключается в разработке оборудования и методик расчета технологического режима в смесителях и камерах хлопьеобразования с механическим перемешиванием (очистка воды с применением коагулянтов и флокулянтов). Подготовлены рекомендации по реконструкции станций очистки воды гг.: Ярославля, Калуги, Ижевска, Саранска и Нефтеюганска. Разработанные оборудование и методики нашли производственную реализацию в виде новой конструкции механической мешалки для интенсификации процесса коагуляции на Южной водопроводной станции МП «Яро-славльводоканал».

Получено третье место в конкурсе на соискание премии ГУП «Мосво-доканалНИИпроект» молодым ученым и специалистам в области техники по направлению «Водоснабжение и водоотведение» в 2003 году.

Публикации.

По результатам исследований и конструкторских разработок запатентовано 3 изобретения, опубликовано 7 статей и новый концепт-подход.

Заключение диссертации по теме «Процессы и аппараты химической технологии», Моисеев, Андрей Владимирович

ВЫВОДЫ ПО РАБОТЕ

1. Показано, что применение механического перемешивания позволяет регулировать интенсивность этого процесса в зависимости от качества, температуры и расхода обрабатываемой воды, что приводит к экономии коагулянта и повышению степени осветления воды.

2. Установлено, что в смесителях следует предусматривать быстрое перемешивание (менее 1 мин.), а в камерах хлопьеобразования - медленное и равномерное (5-20 мин.) перемешивание, что способствует образованию более плотных крупных хлопьев, быстро осаждающихся в отстойниках.

3. Экспериментальными исследованиями доказано: повышение эффективности процесса осветления воды по сравнению с традиционным методом на 70%. При этом около 20-50% формируется быстрым перемешиванием лопастной мешалкой в смесителе и 50-80% - за счет медленного перемешивания объемными мешалками в камере хлопьеобразования. Выбор быстрого или медленного перемешивания определяется мутностью, цветностью, перманганатной окисляемостью, щелочностью, солевым составом, температурой исходной воды; понижение мутности очищенной воды по сравнению с традиционным методом на 60-83% и снижение остаточного алюминия до 80%; сокращение расхода коагулянта на 20-30%;

- удобство регулируемого перемешивания и управления процессом реагентной обработки и осветления воды, что важно при широких вариациях качества речной воды по сезонам года.

4. Построена математическая модель процессов смешения реагентов с обрабатываемой водой в смесителе и коагулирования в камере хлопьеобразования.

5. Разработана методика расчета смесителей и камер хлопьеобразования с механическим перемешиванием.

6. Разработаны конструкции вертикальных и горизонтальных механических смесителей и камер хлопьеобразования.

7. В целях интенсификации процессов осветления и фильтрования воды, предложены варианты реконструкции существующих осветлителей со слоем взвешенного осадка или строительства новых сооружений с помощью смесителей-отстойников или смесительно-фильтровальных сооружений. В результате реальность достижения требований СанПиН № 2.1.4.1074-01 возрастает в разы.

8. Реконструкция существующих камер хлопьеобразования обеспечила:

- повышение степени осветления воды в отстойниках на 10-И 5 %;

- снижение грязевой нагрузки на фильтровальные сооружения;

- повышения качества очистки по основным показателям (мутность на 2,4 %, цветность на 12,1 %, концентрация остаточного алюминия на 23 %);

- снижение дозы коагулянта примерно на 10-К30 %.

9. Значимое снижение эксплуатационных и капитальных затрат обеспечивается рациональным режимом работы смесителя или камеры хлопьеобразования. Увеличение градиента скорости перемешивания позволяет сократить время пребывания воды в сооружении, что уменьшает его объем и капитальные затраты при одной и той же производительности. Увеличение размера хлопьев позволяет снизить и объем отстойника или увеличить его производительность, а стабилизация размеров хлопка позволяет увеличить продолжительность фильтроцикла.

10. На всех камерах хлопьеобразования Южной водопроводной станции МУЛ "Ярославльводоканала" (8 шт.) внедрено регулируемое механическое перемешивание.

11. Годовой экономический эффект, выражающий экономию финансовых затрат от применения механического перемешивания на Южной водопроводной станции Ярославля составил 8'762'256 руб. или 5-6 % от стоимости 1 м3 очищенной воды. Доля соискателя в экономической эффективности от применения тихоходных механических мешалок на сооружениях станции оценена в размере 3,201 млн. руб./год.

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Моисеев, Андрей Владимирович, 2005 год

1. Абазаев Е.С. Водоснабжение и санитарная техника, № 6, 4, 1956;

2. Абасов Т.А., Лысов В.А., Михайлов В.А. Особенности процессов смешения и хлопьеобразования при очистки воды на Кучинском водопроводе в Баку. В кн.: Проектирование и исследование систем водоснабжения и канализации, Р-н-Д., 1976, с. 30-34;

3. Абрамов Н.Н. Водоснабжение. 3-е изд., перераб. и доп., М., Стройиз-дат, 1982, с. 440;

4. Алексеева Л.П., Драгинский В.Л., Моисеев А.В. Патент (РФ), № 31992. Смеситель, 2003;

5. Алексеева Л.П., Драгинский В.Л., Моисеев А.В. Патент (РФ), № 33718. Устройство для осветления водных систем. 2003;

6. Алексеева Л.П., Драгинский В.Л., Моисеев А.В. Патент (РФ), № 33758. Устройство для очистки водных систем. 2003;

7. Алексеева Л.П., Драгинский В.Л., Моисеев А.В. Механическое смешение реагентов с обрабатываемой водой. Журнал «Водоснабжение и санитарная техника», №3,2001;

8. Апельцина Е.И. Современный опыт конструирования и эксплуатации сооружений для коагулирования воды. Обзорная информация. ЦБНТИ МЖКХ РСФСР. Серия: водоснабжение и канализация 3(40), М., 1978;

9. Бабенков Е.Д. Вестник ВНИИ железнодор. транспорта, № 4, 45, 1966;

10. Бабенков Е.Д. Влияние перемешивания воды на физические параметры коагулированной взвеси. Автореф. дис. канд. техн. наук., М., 1966, с. 24;

11. Бабенков Е.Д. Влияние перемешивания воды на физические параметры коагулированной взвеси. Химия и технология очистки воды, 1980, т. 2, №5, с. 387-391;

12. Бабенков Е.Д. Очистка воды коагулянтами, М., Наука, 1977;

13. Бабенков Е.Д., Блувштейн М.М. Пособие по курсу наладки и эксплуатации очистных сооружений водопровода. М., 1968, с. 127;

14. Бабенков Е.Д., Сб. "Методы очистки и контроля качества воды". М., Транспорт, 1966;

15. Бабенков Е.Д. Оптимальная доза коагулянта при очистки воды. М., Транспорт, 1974;

16. Багоцкая Н.В., Дмитриева Т.А., Печников В.Г. Влияние пневматической аэрации на улучшение технологических параметров некоагулиро17,18,19,20,21,22,23,24,25,26,27,28