АНОТАЦІЯ

Сорокіна В.Ю. Підвищення ефективності зневоднення осадів на мулових майданчиках. - Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.23.04 - водопостачання, каналізація. - Харківський державний технічний університет будівництва та архітектури, Харків, 2006.

Дисертаційна робота присвячена вирішенню актуальної задачі інтенсифікації водовідбору з мулових майданчиків та підвищенню їх продуктивності при зневодненні осадів міських стічних вод. У роботі отримані такі результати: розроблена технологія зневоднення осадів на мулових майданчиках за допомогою установки всмоктувально-нагнітальної дії; отримано дослідні залежності зміни дебіту вакуумної дренажної лінії та величини вакууму у всмоктувально-нагнітальному колекторі від часу, а також об'єму рідини, що видаляється однією вакуумно-дренажною лінією, які дозволяють визначити величину водовідбору з усього мулового майданчика при сумісній роботі з технічними засобами; обґрунтовано математичну модель і розроблено методику розрахунку процесу зневоднення осадів на мулових майданчиках, що містять різне обладнання: горизонтальний та вертикальний дренаж, всмоктувально-нагнітальну установку; визначено значення коефіцієнту фільтрації осаду, що осів; визначена питома енергоємність обладнання, що використовується для інтенсифікації зневоднення осадів на мулових майданчиках.

Основні результати роботи та технічні рішення впроваджені на Комплексі біологічної очистки “Безлюдівський” м. Харкова.

Ключові слова: осади міських стічних вод, мулові майданчики, зневоднення, всмоктувально-нагнітальна установка, вертикальний та горизонтальний дренаж, мулова вода, вакуумна дренажна лінія, фільтрація, осадження. дренажний колектор зневоднення муловий

АННОТАЦИЯ

Сорокина В.Е. Повышение эффективности обезвоживания осадков на иловых площадках. - Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук по специальности 05.23.04 - водоснабжение, канализация. - Харьковский государственный технический университет строительства и архитектуры, Харьков, 2006.

Диссертационная работа посвящена решению актуальной задачи интенсификации водоотбора с иловых площадок и повышения их производительности при обезвоживании осадков городских сточных вод. Приведен анализ состояния вопроса обезвоживания осадков городских сточных вод. Рассмотрены существующие модели и методы расчета процессов осаждения и обезвоживания осадков на иловых площадках. Показано, что наиболее эффективным методом интенсификации водоотбора с иловых площадок является использование на них оборудования всасывающе-нагнетательного действия.

На основании данных проведенных производственных исследований разработана технология интенсификации работы иловых площадок и повышения их производительности, включающая три налива осадка на площадки при гравитационном уплотнении и обезвоживании с последующим вакуумированием дренажной системы при помощи всасывающе-нагнетательной установки и регенерации дрен и обсыпки путем периодической продувки их сжатым воздухом при опорожнении системы. В результате такой обработки нагрузка на иловые площадки составляет не менее 6 м³/м²·год. Получены опытные зависимости изменения дебита вакуумной дренажной линии и величины вакуума во всасывающе-нагнетательном коллекторе от времени, а также объема жидкости, удаляемой одной вакуумно-дренажной линией, которые позволяют определить величину водоотбора со всей иловой площадки и ее производительность при совместной работе с техническими средствами. На основе проведенных теоретических исследований предложена математическая модель обезвоживания осадков на иловых площадках, реализация которой позволяет получить зависимости для расчета: динамики уровня иловой воды на иловой площадке, оборудованной горизонтальным дренажом из перфорированных труб с песчаной обсыпкой, на первой стадии обезвоживания, когда формируется слой осевшего осадка; динамики уровня иловой воды на иловой площадке, оборудованной вертикальным и горизонтальным дренажами, на второй стадии обезвоживания, а также зависимость для расчета динамики уровня иловой воды на иловой площадке, оборудованной только горизонтальным дренажом, на второй стадии обезвоживания; динамики уровня иловой воды на второй стадии обезвоживания при работе всасывающе-нагнетательной установки; времени обезвоживания осадка на третьей стадии обезвоживания на иловых площадках, оборудованных горизонтальным дренажем и всасывающе-нагнетательной установкой.

В результате верификации математической модели по экспериментальным данным, полученным в производственных условиях, определено значение

коэффициента фильтрации осевшего осадка. Определена удельная энергоемкость оборудования, используемого для интенсификации обезвоживания осадков на иловых площадках.

Основные результаты работы внедрены на Комплексе биологической очистки "Безлюдовский" г. Харькова и использованы в разработках институтов ОАО "Харьковский "Водоканалпроект" и АО "УкркоммунНИИпроект". Экономический эффект от внедрения разработанной технологии обезвоживания осадков на иловых площадках КБОБ г. Харькова составляет 103, 75 тыс. грн. в год.

Ключевые слова: осадки городских сточных вод, иловые площадки, обезвоживание, всасывающе-нагнетательная установка, вертикальный и горизонтальный дренаж, иловая вода, вакуумная дренажная линия, фильтрация, осаждение.

SUMMARY

Sorokina V.E. Increase of efficiency of dehydration of sludge at sludge bed. - Manuscript.

The thesis is submitted to obtain the Candidate of science degree, technical (Ph.D), on speciality 05.23.04 - water supply, sewerage. - Kharkov State technical university of Сonstruction and Аrchitecture, Kharkov, 2006.

The thesis is devoted to decision of an urgent task of intensification of drainage system from sludge bed and increase of their productivity at dehydration of municipal sewage sludge. Such results are received in the work: the technology of dehydration of sludge at sludge bed with the help of sucking-force effect plant is developed; the experimental dependences of change of discharge of a vacuum drainage line and size of vacuum in sucking-force collector from time and liquid volume, extracting by one sucking-force line, that has allowed to define the size of drainage from all sludge bed at joint job with means are received, mathematical model is proved and technique of account of process of dehydration of sludge at sludge bed having the various equipment: horizontal and vertical drainage, sucking-force plant are developed; the value of permeability coefficient of sunken sludge is determined; the specific power-consuming of the equipment used for intensification of dehydration of sludge at sludge bed is determined.

The basic results of work and technical decisions are incalcated at Complex of biological purification "Bezludovskiy" of Kharkov-city.

Key words: municipal sewage sludge, sludge bed, dehydration, sucking-force plant, vertical and horizontal drainage, sludge water, vacuum drainage line, filtration, sedimentation.

Актуальність роботи. На каналізаційних очисних спорудах у результаті механічного і біологічного очищення міських стічних вод утворюються різні категорії осадів, обробка яких є досить складною задачею.

Ці осади відносяться до суспензій колоїдного типу, що погано фільтруються. Значна частина вологи осадів знаходиться у зв'язаному стані, тому вони мають низьку водовіддачу. Органічна частина осадів швидко загниває, виділяючи неприємний запах. При цьому збільшується кількість колоїдних і дрібнодисперсних частинок, що викликає подальше погіршення водовіддачі осадів.

Зараз для зневоднення осадів міських стічних вод, незважаючи на наявність споруд механічного зневоднення, в основному застосовуються мулові майданчики, робота яких, насамперед, залежить від кліматичних умов і вимагає відчуження великих земельних площ. Крім того, згідно діючих норм, навіть на станціях зі спорудами механічного зневоднення осадів, мулові майданчики застосовують як аварійні для сушіння 20% річної кількості осадів.

Відомі різні конструкції мулових майданчиків, які застосовуються на каналізаційних очисних спорудах. Найбільш ефективними є мулові майданчики на штучній основі, обладнані вертикальною і горизонтальною дренажними системами.

Застосування мулових майданчиків даного типу при гравітаційному зневодненні осаду забезпечує відведення води з верхнього шару, а також паводкових і зливових вод, можливість відведення води з осаду з усієї поверхні мулового майданчику, а також підвищення навантаження на мулові майданчики. Однак дані мулові майданчики ще не вичерпали свої можливості в підвищенні ефективності роботи, наприклад, за рахунок використання нового обладнання для вакуумування дренажних систем, а також регенерації їх від кольматації шляхом продувки стисненим повітрям.

Досвід експлуатації мулових майданчиків показав, що дренажна система їх швидко кольматується, і знижується ефективність водовідбору.

Таким чином, розробка ефективних методів водовідбору з мулових майданчиків і регенерації дренажної системи є надзвичайно актуальною задачею.

Процес зневоднення на мулових майданчиках досить складний і складається в загальному випадку з декількох стадій по видаленню води (вологи) з осаду: фільтрування, випарювання й ущільнення. Розробка існуючих методів розрахунку технологічних характеристик і конструктивних параметрів мулових майданчиків базувалася, в основному, на використанні результатів різних емпіричних досліджень, переважно проведених у виробничих умовах, а також наближеного методу розрахунку з використанням як вихідного параметру припустимого навантаження на муловий майданчик. Наявні методи розрахунку мулових майданчиків обмежені і не враховують можливості підвищення їхньої продуктивності.

Таким чином, актуальною є розробка методики розрахунку зневоднення осадів на мулових майданчиках, що враховує дію додаткових ефективних засобів при їх експлуатації.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами.

Робота виконана відповідно до регіональної програми “Екологічне оздоровлення басейну ріки Сіверський Донець”, а також із планом Міністерства освіти і науки України “Розробка теорії екологічної безпеки і надійності життєдіяльності для об'єктів будівництва, промисловості і впровадження екологічних систем оборотного водопостачання машинобудівних і металургійних підприємств, що виключають скидання стічних вод у водойми України” (№ держреєстрації 0194U038207).

Мета і задачі роботи. Метою дисертаційної роботи є наукове обґрунтування і розробка технології підвищення ефективності зневоднення осадів на мулових майданчиках і методики їхнього розрахунку, що враховує дію технічних засобів інтенсифікації водовідбору.

Для досягнення поставленої мети необхідно вирішити такі задачі:

- виконати аналіз процесу зневоднення осадів міських стічних вод на мулових майданчиках, а також методів інтенсифікації роботи і розрахунку мулових майданчиків;

- науково обґрунтувати і визначити основні параметри спільної роботи мулового майданчика й установки всмоктувально-нагнітаючої дії;

- розробити математичну модель зневоднення осадів на мулових майданчиках, що враховує вплив кліматичних і технологічних умов;

- на основі прийнятої математичної моделі розробити методику розрахунку процесу зневоднення осадів на мулових майданчиках, що мають різне устаткування: горизонтальний і вертикальний дренаж, всмоктувально-нагнітальну установку;

- виконати верифікацію математичної моделі за експериментальними даними, отриманими при проведенні виробничих досліджень;

- визначити питому енергоємність устаткування, яке використовується для інтенсифікації зневоднення осадів на мулових майданчиках;

- на основі наукового аналізу, теоретичних і експериментальних досліджень розробити технологію інтенсифікації водовідбору з мулових майданчиків і підвищення їхньої продуктивності за допомогою установки всмоктувально-нагнітальної дії.

Об'єкт дослідження -осади міських стічних вод і їх зневоднення на мулових майданчиках.

Предмет дослідження - методи і споруди для підвищення ефективності зневоднення осадів на мулових майданчиках.

Методи досліджень - теоретичні дослідження процесу зневоднення осаду на мулових майданчиках з обладнанням для інтенсифікації процесу; науковий аналіз і експериментальні дослідження, проведенні у виробничих умовах з використанням реальних осадів міських стічних вод на муловому майданчику із застосуванням установки всмоктувально-нагнітальної дії та сучасних методик для отримання розрахункових залежностей визначення ефективності і достовірності запропонованої технології інтенсифікації роботи мулового майданчика за допомогою методів математичної статистики.

Наукова новизна отриманих результатів:

- запропонована і досліджена ефективна технологія інтенсифікації роботи мулових майданчиків і підвищення їхньої продуктивності;

- обґрунтована і побудована більш досконала і загальна математична модель зневоднення осадів на мулових майданчиках, що враховує вплив кліматичних умов і роботу додаткового устаткування: всмоктувально-нагнітальної установки, горизонтального і вертикального дренажів;

- на основі отриманої математичної моделі розроблена нова методика розрахунку процесу зневоднення осадів на мулових майданчиках, що мають додаткове устаткування;

- проведена оцінка впливу різних факторів і технічних засобів на процеси зневоднення осадів на мулових майданчиках.

Практичне значення отриманих результатів.

На основі наукового аналізу, теоретичних і експериментальних досліджень розроблена технологія інтенсифікації водовідбору з мулових майданчиків і підвищення їхньої продуктивності за допомогою установки всмоктувально-нагнітальної дії.

Отримано параметри процесу зневоднення осадів при роботі мулового майданчика і технічних засобів інтенсифікації водовідбору.

Розроблена технологія дозволила істотно збільшити навантаження на мулові майданчики і зменшити земельні площі, що відводяться під мулові майданчики.

Результати дисертаційної роботи впроваджені на Комплексі біологічної очистки “Безлюдівський” ДКП “Харківкомуночиствод” м. Харкова і використовуються в розробках інститутів ВАТ “Харківський “Водоканалпроект”, АТ "УкркомунНДІпроект".

Особистий внесок автора. Наукові результати, що викладені в дисертації, отримані особисто автором на підставі виконаного аналізу процесу зневоднення осадів міських стічних вод на мулових майданчиках, а також методів інтенсифікації роботи і розрахунку мулових майданчиків. Автору належить розробка методики та організація експериментальних досліджень по інтенсифікації водовідбору з мулових майданчиків при використанні установки всмоктувально-нагнітальної дії.

Автором особисто виконано обґрунтування фізичних і математичних моделей зневоднення осадів на мулових майданчиках, що враховують вплив кліматичних і технологічних умов. Розроблена методика розрахунку основних параметрів зневоднення осадів на мулових майданчиках, що мають різне устаткування: горизонтальний і вертикальний дренаж, всмоктувально-нагнітальну установку. Виконана верифікація математичної моделі за дослідними даними, отриманими у виробничих умовах. Визначена питома енергоємність устаткування, що використовується для інтенсифікації зневоднення осадів на мулових майданчиках.

Автором також розроблена технологія інтенсифікації водовідбору з мулових майданчиків і підвищення їхньої продуктивності за допомогою установки всмоктувально-нагнітальної дії.

Апробація роботи. Основні результати і головні положення дисертації доповідалися на науково-технічних конференціях Харківського державного технічного університету будівництва та архітектури (2002-2005 р.р.), Харківської національної академії міського господарства (2002, 2004 р.р.) і Київського національного університету будівництва і архітектури (2005 р.); міжнародних конгресах: “Екологія, технологія, економіка, водопостачання, каналізація” (ЕТЕВК-2003, ЕТЕВК-2005, Крим, м. Ялта, 2003, 2005 р.р.) і “Вода: екологія і технологія” (ЕКВАТЕК-2004, м. Москва, 2004 р.); міжнародних науково-практичних конференціях: “Вода для стійкого розвитку суспільства. Інтегроване керування водними ресурсами” (Крим, м. Щолкино, 2003 р.) і “Сучасні проблеми охорони навколишнього середовища, раціонального використання водних ресурсів і очищення природних і стічних вод” (м. Миргород, 2004, 2005 р.р.).

Публікації. За матеріалами дисертації опубліковано 13 друкованих праць у різних видавництвах України, в тому числі 5 у спеціалізованих виданнях, регламентованих ВАК України.

Структура й обсяг дисертації. Дисертація складається з вступу, п'яти розділів, загальних висновків, списку використаних джерел з 131 найменування, 4 додатків і вміщує 20 рисунків та 15 таблиць по тексту, усього 128 сторінок.

ЗМІСТ РОБОТИ

У вступі обґрунтована актуальність теми, сформульовані мета і задачі роботи, об'єкт і предмет дослідження, приведені методи дослідження, наукова новизна і практична цінність.

У першому розділі дисертації приведено аналіз стану питання по зневодненню осадів міських стічних вод. Розглянуто склад і властивості осадів, що утворюються на каналізаційних очисних спорудах. Показано, що мулові майданчики зараз є основними спорудами по зневодненню осадів стічних вод. Крім того навіть на станціях зі спорудами механічного зневоднення мулові майданчики згідно СНиП 2.04.03-85 “Канализация. Наружные сети и сооружения” застосовують як аварійні споруди для сушіння 20% річної кількості осаду. Відзначено, що зневоднення осадів на мулових майданчиках є більш дешевим у порівнянні з механічним зневодненням. Однак для розміщення мулових майданчиків потрібні значні земельні площі. Продуктивність існуючих мулових майданчиків в більшості дуже низька (1 м³/м²рік), і процеси сушіння на них осаду істотно залежать від кліматичних умов.

Аналіз конструкцій мулових майданчиків показав, що для підвищення продуктивності мулові майданчики зі штучною водонепроникною основою повинні бути обладнанні системами вертикального та горизонтального дренажів з ефективною технологію регенерації дренажної системи. Одним з ефективних методів водовідбору з мулових майданчиків є використання на них устаткування всмоктувально-нагнітальної дії. Детальне вивчення існуючих моделей і методів розрахунку процесів осадження і зневоднення осадів на мулових майданчиках показало їх часткову обмеженість, а також відсутність засобів, спрямованих на підвищення продуктивності цих майданчиків.

Питаннями зневоднення осадів на мулових майданчиках і методами інтенсифікації й удосконалення їхньої роботи займалися провідні вчені, фахівці й інженери: Туровський І.С., Яковлев С.В., Веригін М.М., Болотських М.С., Двінських Є.В., Євілевич А.З., Терещук А.І., Епоян С.М., Басова Т.А., Олексієв В.І., Єсін А.М. та ін. Однак існуючі методи розрахунку і інтенсифікації роботи мулових майданчиків відрізняються недостатньою надійністю і достовірністю, високою вартістю (наприклад, відсутність дешевих вітчизняних флокулянтів) і не завжди задовольняють вимогам.

Показана актуальність і необхідність розробки і наукового обґрунтування технології підвищення ефективності зневоднення осадів на мулових майданчиках і методики їх розрахунку, яка б враховувала дію додаткового устаткування.

У другому розділі приведено опис запропонованої конструкції мулового майданчика і комплексу устаткування. Муловий майданчик, на якому проводилися виробничі дослідження, має штучну основу, виконану з монолітного бетону по підготовці з піску. Муловий майданчик обладнаний горизонтальним дренажем, виконаним із дренажних елементів НПФ “Екополімер” діаметром 150 мм, покладених у лотках із дренажним обсипанням з піску крупністю 0,3-0,5 мм, а також елементами вертикального дренажу, що встановлені безпосередньо над горизонтальним дренажем із кроком 12 м і конструктивно виконані як труба в трубі з висотою 1250 мм, діаметром 720 мм із подовжніми щілинами шириною 5 мм на усю висоту. Внутрішня труба заповнена гравієм, а зовнішня покрита склотканиною.

До складу устаткування з інтенсифікації водовідбору з мулового майданчика входила всмоктувально-нагнітальна установка ВНУ-1А, розроблена ХДТУБА разом із ДКП “Харківкомуночиствод”. За рахунок вакуумування дренажної системи мулового майданчика була суттєво підвищена водовіддача з осаду.

У другому розділі також приведена методика проведення досліджень і результати їх обробки. Заповнення мулової карти осадом здійснювали за час не більший за 24 год., кратність наливів у літній період - 3 рази, висота шару осаду при першому наливі становила 0,3-0,5 м, висота другого і третього наливів - 0,2-0,4 м. Враховуючи здатність осаду до розшаровування й укрупнення в процесі ущільнення, йому давали можливість відстоятися протягом 1-2 діб в залежності від погодних умов.

По завершенні витікання води після третього наливу закривали дренажні засувки і підключали установку всмоктувально-нагнітальної дії. Виконували виміри температури і відносної вологості зовнішнього повітря, кількості атмосферних опадів, вологості, концентрації та рівня осаду, величини вакууму в дренажних лініях, витрати мулової води.

За допомогою математичної обробки результатів виробничих експериментів отримані розрахункові залежності, що дозволяють аналізувати зміну дебіту вакуумної дренажної лінії Q(t) від часу t (год) роботи установки ВНУ-1А (1), величину вакууму у всмоктувально-нагнітальному колекторі h_вак(t) (2), а також залежність величини вакууму від дебіту h_вак(Q) (3):

(м³/год); (1)

(м); (2)

(м). (3)

Об'єм рідини, яку відкачує установка ВНУ-1А з однієї вакуумно-дренажної лінії за час t, визначається за залежністю

(м³). (4)

У дисертації приведені рекомендації щодо регенерації дренажів і пісчаного шару шляхом їх періодичної продувки стисненим повітрям за допомогою установки ВНУ-1А з метою відновлення водоприймальної здатності вакуумної дренажної лінії системи.

У третьому розділі розглянута постановка і виконано обґрунтування математичної моделі, що описує динаміку рівня мулової води і зневоднення осаду на запропонованих конструкціях мулових майданчиків з різним устаткуванням: горизонтальним і вертикальним дренажем, всмоктувально-нагнітальною установкою.

Процеси осадження і зневоднення осаду прийнято розділяти на три стадії. На першій стадії після наливу осаду на майданчиках відбувається формування зони освітленої мулової води, зони завислих частинок осаду і зони частинок, що осіли, при цьому товщини цих зон безупинно змінюються. На другій стадії всі частинки осаду осідають (зона завислих частинок осаду зникає), йде зменшення висоти проясненої зони і деяке зменшення нижньої зони осаду, що осів, за рахунок його ущільнення. На третій стадії рівень освітленої мулової води досягає шару осаду, що осів, і відбувається безпосереднє зневоднення цього шару за рахунок фільтрації і випаровування.

Для прогнозування роботи мулового майданчика необхідно знати режим зниження рівня зони мулової води H(t) (м) і положення границі розподілу між зоною завислих частинок осаду z (м) і зоною ущільненого осаду l (м).

Швидкість зниження H(t) на першій стадії процесу зневоднення на муловому майданчику, який обладнаний горизонтальним дренажем, при граничних умовах t = 0, H = Н₀ описує рівняння:

, (5)

де U_ф - швидкість фільтрації через шар осаду, що осів, і через дренажне завантаження, м/доб;

₀ - інтенсивність випаровування з поверхні мулової води м/доб;

q - питомий водовідбір відстояної мулової води з верхньої зони, м/доб.

Швидкість зниження границі z(t) при граничних умовах t = 0, z = Н₀ можна описати рівнянням:

, (6)

де u_s - швидкість осадження частинок, м/доб.

Для визначення положення верхньої границі шару осаду, що осів, l(t) використовуємо рівняння збереження маси твердих частинок:

С₀H₀ = ₁l(t) + C₀[z(t) - l(t)] (7)

де С₀ - вихідна масова концентрація твердих частинок суспензії в момент часу t = 0, мг/л;

₁ - масова концентрація твердих частинок суспензії в об'ємі осаду, що осів, мг/л;

З рівняння (7) можна одержати:

(м). (8)

Швидкість фільтрації визначали за залежностями: де h₀ - напір на вході в дренажні труби, м;

h₁ - напір на контакті шару осаду і зернистого завантаження в дренажній траншеї, м;

k₀ - коефіцієнт фільтрації піску в дренажній траншеї, м/доб;

k₁ - коефіцієнт фільтрації осаду, що осів, м/доб;

l₀ - товщина шару дренажного завантаження, м;

l- товщина шару осаду, що осів, м;

F - площа мулового майданчика між осями горизонтальних дренажів, м²;

f - площа зернистого завантаження в дренажній траншеї, м².

З огляду на залежность (9), а також враховуючи, що

z(t) = H(t) - (u_s - ₀ - q) t,

з рівняння (5) одержимо наступний вираз для визначення зниження рівня осаду на муловому майданчику з горизонтальним дренажем під час першої стадії:

Тут позначено:

Тоді рівняння (10) буде мати вигляд:

(11)

Рівняння (11) вирішується числовим методом.

Розрахунок зміни рівня мулової води за рівнянням (11) на першій стадії проводимо доти, поки товщина шару осаду, що осів, не стане дорівнювати:

(12)

Це має місце при z = 0, H = H₁, t = t₁.

Рівняння (12) є критерієм закінчення першої стадії зневоднення осаду на муловому майданчику.

На другій стадії, коли l = l₁ = const, z = 0, рівняння (5) буде мати рішення:

(13)

Критерієм закінчення другої стадії є вираз:

. (14)

В дисертації одержані залежності для визначення часу t закінчення першої стадії (t = t₁), і другої стадії (t = t₂).

Для теоретичного опису процесів зневоднення осаду, що протікають на муловому майданчику, обладнаному вертикальними дренажами без видалення води з верхнього шару (q = 0), запишемо рівняння динаміки витрати мулової води

; t = 0, H = H₀ , (15)

де - швидкість фільтрації через шар осаду, що осів, і горизонтальний дренаж, визначається за залежністю (9);

Q^вер - витрата мулової води, що відводиться через вертикальні фільтруючі елементи, визначається за залежністю

Q^вер = U^вер , (16)

де = 2rhn - площа живого перетину, м²;

n - кількість вертикальних фільтруючих елементів;

U^вер - швидкість фільтрації у вертикальному фільтруючому елементі:

, (17)

де h - глибина потоку в даному циліндричному живому перетині площею , м;

r - радіус живого перетину, м.

Підставляючи залежність (17) у (16), одержимо диференційне рівняння

,

яке при граничних умовах

h(r₀) = 0, h(R) = H + l₀ має рішення:

Для безнапірного режиму в дренажній трубі приймаємо, що h₀ = -l₀. Величину h₁ знайдемо із залежностей (9).

З урахуванням рівнянь (9) і (18), а також загальної кількості вертикальних фільтруючих елементів n, перетворимо рівняння (15):

, (19)

Інтегруючи рівняння (19) при початкових умовах (15), одержимо:

або

При повторному наливі після відстоювання мулова вода фільтрується через шар осаду, що осів у першому циклі l₁, і шар осаду, що осів у другому циклі l₂. У першому наближенні прийняли, що k₂ k₁ - коефіцієнти фільтрації осаду, що осів у першому і в другому циклі, приблизно рівні, а також _{2 1} - концентрації часток осаду в шарах осаду, що осів у першому і в другому циклі, приблизно рівні. Реально на протязі другого циклу відбувається невелике ущільнення шару осаду, що утворився в першому циклі.

При роботі всмоктувально-нагнітальної установки величина

h₀ = -(l₀ + h_вак).

При роботі всмоктувально-нагнітальної установки дренажні лінії з вертикальними елементами відключаються, тому . Оскільки установка ВНУ-1А одночасно підключається тільки до однієї горизонтальної дренажної лінії, то як величину варто підставляти величину площі однієї горизонтальної дренажної лінії.

У цьому випадку величина h₁ розраховується по формулі де - сума товщин шарів осаду, що осів, за n наливів, м.

Якщо робота всмоктувально-нагнітальної установки співпадає з другою стадією зневоднення, то рівняння (5) буде мати вид:

, (21)

.

Рівняння (21) має рішення:

або

. (22)

На третій стадії зневоднення осаду відбувається за рахунок стікання вільної води (фільтрації) у дренажну систему і випаровування з вільної поверхні води в шарі осаду.

Рівняння несталої фільтрації в умовах дії дренажу і випаровування з урахуванням впливу вертикального вологопереносу на вільну поверхню фільтраційного потоку описується рівнянням:

, (23)

де - коефіцієнт водовіддачі;

h - рівень мулової води в точці з координатою х, м;

k - коефіцієнт вологопровідності, м/доб.

У дисертації наведено рішення рівняння (23) для двох випадків:

1) без урахування зміни інтенсивності випаровування по глибині шару осаду - в цьому разі, рішенням рівняння (23) буде залежність: де m - товщина шару осаду, м;

_п, - повна і поточна вологоємність осаду;

Ф - фільтраційний опір, що виникає при кольматації дренажу, м;

_m - вологоємність осаду при зниженні рівня на глибину Н₀;

- коефіцієнт дифузії, м²/доб;

h_g - рівень води в горизонтальному дренажі, м.

Якщо робота всмоктувально-нагнітальної установки збігається за часом із третьою стадією зневоднення, то напір у дренажі необхідно приймати рівним:

.

За допомогою запропонованої математичної моделі показана ефективність застосування всмоктувально-нагнітальної установки при зневодненні осадів на мулових майданчиках у порівнянні з іншими засобами інтенсифікації водовідбору: горизонтальним дренажем; вертикальним і горизонтальним дренажем.

У четвертому розділі приведена методика розрахунку параметрів мулового майданчика на І, ІІ й ІІІ стадіях процесу зневоднення:

1) вихідними даними для розрахунку мулового майданчика і порівняльної оцінки різного устаткування і схем зневоднення є такі параметри: коефіцієнт фільтрації піску, з якого виконана обсипка горизонтальних дренажів, k₀; коефіцієнт фільтрації осаду, що осів, k₁; коефіцієнт фільтрації вертикального дренажу, k_вер; розміри і схема пристрою дренажних систем; режим роботи дренажної системи і додаткового устаткування для інтенсифікації процесу зневоднення осаду; вологість вихідного й ущільненого осадів;

2) за даними метеорологічних спостережень необхідно зробити вибірку по середньодобовій температурі повітря, вологості і кількості атмосферних опадів, і за відомими залежностями слід визначити інтенсивність випаровування ₀;

3) необхідно розрахувати час осадження часток осаду t_oc і формування шару осаду, порівняти його з часом відстоювання t_від:

(доб),

де Н₀ - початкова товщина шару мулової води, м.

4) якщо осадження протягом часу відстоювання завершилося: t_oc t_від (закінчилася перша стадія процесу зневоднення), то розрахунок динаміки рівня мулової води Н(t) для мулового майданчика, обладнаного горизонтальними дренажними лініями, необхідно проводити по формулі (13), для мулового майданчика, обладнаного і горизонтальним, і вертикальним дренажем, - по формулі (22).

5) якщо проводиться декілька наливів, то в розрахункові формули замість товщини шару осаду l необхідно підставляти суму товщин шарів осаду, що утворилися при попередніх наливах;

6) якщо до моменту відкриття засувок на дренажних лініях, процес осадження ще не завершився, або осадження частинок осаду і фільтрація мулової води йдуть одночасно з початкового моменту часу, то динаміка рівня мулової води на І стадії зневоднення розраховується в результаті числового рішення рівняння (11), а час закінчення I стадії t₁ - з урахуванням критерію (12);

8) час зниження рівня від поверхні осаду до дна (третя стадія процесу зневоднення) можна визначити за залежностями (24) або (26).

9) якщо для інтенсифікації процесу зневоднення використовується всмоктувально-нагнітальна установка і її робота в часі збігається з другою стадією процесу зневоднення, то динаміку рівня мулової води розраховуємо за формулою (22). З часом величина вакууму, який створюється всмоктувально-нагнітальною установкою, знижується. Для врахування цього зниження необхідно скористатися емпіричною формулою (2). Якщо залежність (2) підставити у рівняння (21), можна отримати числове рішення цього рівняння. Тому доцільніше при розрахунку Н_j у момент часу t_j за формулою (22) підставляти у цю залежність значення h_{вак j}, яке розраховане за формулою (2).

10) якщо відома залежність зміни рівня мулової води від часу Н(t), можна визначити загальну швидкість зниження рівня води, скориставшись формулами за залежністю. Витрата мулової води, що відводиться з мулових майданчиків, дорівнює

Q(t) = (v(t) - ₀)F,

де F - площа мулового майданчика, м². Значення витрати можуть бути використані для підбору дренажної системи, трубопроводів відводу мулової води, насосів і резервуара-усереднювача.

У четвертому розділі дисертації також здійснена верифікація розробленої математичної моделі за експериментальними даними, отриманими у результаті виробничих випробовувань на Комплексі біологічної очистки “Безлюдівський” м. Харкова в 2002-2003 р.р. Зокрема за допомогою методу найменших квадратів визначене значення коефіцієнта фільтрації осаду, що осів (k₁=0,0096 м/доб), яке необхідне для розрахунку динаміки рівня осаду на муловому майданчику.

Достовірність розрахункових значень динаміки зневоднення осаду на мулових майданчиках, обладнаних горизонтальним, вертикальним дренажем і всмоктувально-нагнітальною установкою, перевірені шляхом зіставлення з даними виробничих досліджень, отриманих у 2004 р. на Комплексі біологічної очистки “Безлюдівський” м. Харкова. Середньоквадратичне відхилення дослідних і розрахункових результатів дорівнює = 0,0241 м.

Проведений аналіз одержаних результатів дозволяє зробити висновок про достатню достовірність і надійність запропонованих моделей і методів розрахунку.

У п'ятому розділі наведені технічні рішення по інтенсифікації водовідбору з мулових майданчиків і підвищенню їхньої продуктивності за допомогою установки всмоктувально-нагнітальної дії, отримані на основі виконаних досліджень.

Визначена питома енергоємність устаткування, яке використовується для інтенсифікації зневоднення осадів на мулових майданчиках.

Економічний ефект від впровадження розробленої технології зневоднення осадів на мулових майданчиках Комплексу біологічної очистки “Безлюдівський” м. Харкова складає 103,75 тис. грн. на рік.

ЗАГАЛЬНІ ВИСНОВКИ

1. Виконаний аналіз існуючого стану зневоднення осадів міських стічних вод показав, що, незважаючи на наявність споруд механічного зневоднення, основними спорудами для обробки цих осадів є мулові майданчики. Продуктивність мулових майданчиків дуже низька (1 м³/м²рік), а процеси сушіння на них осаду істотно залежать від кліматичних умов.

2. Сучасний муловий майданчик повинен мати штучну водонепроникну основу, системи вертикального і горизонтального дренажу й ефективну технологію регенерації дренажної системи. Одним з ефективних методів водовідбору з мулових майданчиків є використання устаткування всмоктувально-нагнітальної дії.

3. В результаті математичної обробки дослідних даних отримані емпіричні залежності зміни дебіту вакуумної дренажної лінії і величини вакууму у всмоктувально-нагнітальному колекторі від часу, а також об'єму рідини, яка видаляється однієї вакуумно-дренажною лінією, що дозволяє визначити величину водовідбору з усього мулового майданчика, а, отже, і його продуктивність при роботі з технічними засобами інтенсифікації водовідбору.

4. Показана необхідність проведення почергового підключення кожної з вакуумних дренажних ліній до всмоктувально-нагнітального колектора установки. При зниженні продуктивності установки нижче 1,1-1,3 м³/год необхідно робити переключення усмоктувальної системи до іншої дренажної лінії.

5. Розроблена ефективна технологія інтенсифікації роботи мулових майданчиків і підвищення їхньої продуктивності, що включає три наливи осаду на майданчики при гравітаційному ущільненні та зневодненні з наступним вакуумуванням дренажної системи за допомогою всмоктувально-нагнітальної установки, а також регенерацію дренажів і обсипки шляхом періодичної продувки їх стисненим повітрям при спорожнюванні системи. У результаті такої обробки навантаження на мулові майданчики складає не менш 6 м³/м²рік.

6. У результаті проведених теоретичних досліджень запропоновано математичну модель зневоднення осадів на мулових майданчиках, реалізація якої дозволяє одержати:

· залежність для розрахунку динаміки рівня мулової води на муловому майданчику, обладнаному горизонтальним дренажем із перфорованих труб з піщаною обсипкою, на першій стадії зневоднення, коли формується шар осаду, що осів;

· залежність для розрахунку динаміки рівня мулової води на муловому майданчику, обладнаному вертикальним і горизонтальним дренажами, на другій стадії зневоднення, а також залежність для розрахунку динаміки рівня мулової води на муловому майданчику, обладнаному тільки горизонтальним дренажем, на другій стадії зневоднення.

· залежність для розрахунку динаміки рівня мулової води на другій стадії зневоднення при роботі всмоктувально-нагнітальної установки;

· залежності для розрахунку часу зневоднення осаду на третій стадії зневоднення на мулових майданчиках, обладнаних горизонтальним дренажем і всмоктувально-нагнітальною установкою. Отримано залежності, як без урахування зміни інтенсивності випаровування по товщині шару осаду, так і з урахуванням зміни інтенсивності випаровування по товщині шару осаду.

7. На основі отриманої математичної моделі розроблена методика розрахунку технологічних і конструктивних параметрів зневоднення осадів на мулових майданчиках, що мають різне устаткування: горизонтальний і вертикальний дренаж, всмоктувально-нагнітальну установку.

8. Достовірність запропонованих моделей і методів розрахунку перевірена шляхом зіставлення розрахункових і дослідних значень зміни рівня й об'єму мулової води. Задовільна їх збіжність свідчить про достовірність і надійність отриманих результатів.

9. Визначено питому енергоємність устаткування, яке використовується для інтенсифікації зневоднення осадів на мулових майданчиках.

10. Результати роботи впроваджені на Комплексі біологічної очистки “Безлюдівський” ДКП “Харківкомуночиствод” м. Харкова і використані в розробках інститутів ВАТ “Харківський "Водоканалпроект" та АТ "УкркомунНДІпроект". Економічний ефект від впровадження розробленої технології зневоднення осадів на мулових майданчиках КБОБ м. Харкова складає 103,75 тис. грн. на рік.

СПИСОК ОПУБЛІКОВАНИХ ПРАЦЬ

1. Эпоян С.М., Сорокина В.Е. Особенности конструкций иловых площадок //Науковий вісник будівництва. - Харків: ХДТУБА, ХОТВ АБУ .-2002. - Вип.18.-С.152-154.

Особистий внесок автора: виконано аналіз процесу зневоднення осадів міських стічних вод на мулових майданчиках різних конструкцій.

2. Болотских Н.С., Иванов В.П., Сорокина В.Е. Безразмерные интегральные характеристики струйных насосов, применяемых в установках для обезвоживания осадков //Науковий вісник будівництва. - Харків: ХДТУБА, ХОТВ АБУ . - 2003. - Вип.21.-С.110-121.

Особистий внесок автора: виконано теоретичні дослідження та розроблено інженерну методику розрахунку всмоктувально-нагнітальної установки при відкачуванні рідини з мулових майданчиків.

3. Сорокина В.Е. Анализ роботы иловой площадки и технических средств интенсификации водоотбора //Науковий вісник будівництва. - Харків: ХДТУБА, ХОТВ АБУ . - 2005. - Вип.30, Т.1.- С.206-210.

4. Олійник О.Я., Сорокіна В.Ю. Моделювання процесів осадження і зневоднення осадів на мулових майданчиках //Науково-технічний збірник "Проблеми водопостачання, водовідведення та гідравліки". - КНУБА .-2005.. - Вип.4.-С.54-67.

Особистий внесок автора: обґрунтовано математичну модель і розроблено методику розрахунку процесу зневоднення осадів на мулових майданчиках.

5. Сорокіна В.Ю. Зневоднення зволоженого осаду на мулових майданчиках за рахунок фільтрації і випаровування //Науково-технічний збірник "Проблеми водопостачання, водовідведення та гідравліки".-КНУБА . - 2005.- Вип.5.-С.92-99.

6. Болотских Н.С., Эпоян С.М., Сорокина В.Е., Иванов В.П., Клейн Е.Б., Булгаков В.В. Промышленные испытания системы интенсификации обезвоживания иловых площадок сточных вод //Зб.допов. Міжнар. конгр. "Екологія, технологія, економіка, водопостачання і каналізація " (ЕТЕВК - 2003). - Крим, м. Ялта . - 2003.- С.225-227.

Особистий внесок автора: розроблено методику організації та проведення експериментальних досліджень.

7. Эпоян С.М., Сорокина В.Е., Булгаков В.В. Опыт эксплуатации иловых площадок с искусственными основаниями и техническими средствами интенсификации водоотбора //Матер. докл. Шестого Междунар. конгр. "Вода: экология и технология "(ЭКВАТЭК - 2004) .- М., 2004.- Ч.2.- С.681-682.

Особистий внесок автора: проведення виробничих досліджень та обробка отриманих даних.

8. Болотских Н.С., Эпоян С.М., Сорокина В.Е., Иванов В.П., Клейн Е.Б., Булгаков В.В. Эффективная технология водоотбора с иловых площадок очистных сооружений канализации //Зб. допов. Міжнар. конгр. "Екологія, технологія, економіка, водопостачання, каналізація " (ЕТЕВК - 2005). - Крим, м. Ялта . - 2005.- С.332-334.

Особистий внесок автора: проведення виробничих досліджень та обробка отриманих результатів.

9. Эпоян С.М., Сорокина В.Е., Булгаков В.В. Производственные исследования по интенсификации работы иловых площадок очистных сооружений канализации // Сб. научн. тр. Междунар. научн. практ. конф. "Вода для устойчивого развития общества. Интегрированное управление водными ресурсами".- Крым, г. Щелкино.- 2003.- С.61-62.

Особистий внесок автора: розробка методики та проведення виробничих досліджень.

10. Сорокина В.Е. Разработка новых технологий водоотбора с иловых площадок // Тр. Міжнар. наук. практ. конф. "Сучасні проблеми охорони довкілля, раціонального використання водних ресурсів та очистки природних і стічних вод". - Миргород. - 2004. - С.68-71.

11. Эпоян С.М., Сорокина В.Е. Модель расчета процесса обезвоживания осадков на иловых площадках при многократном наливе //Матер. Міжнар. наук. практ. конф. "Сучасні проблеми охорони довкілля, раціонального використання водних ресурсів та очистки природних і стічних вод". - Миргород. - 2005.- С.39-43.

Особистий внесок автора: розроблено математичну модель та методику розрахунку процесу зневоднення осадів на мулових майданчиках, що містять різне обладнання: горизонтальний та вертикальний дренажі, всмоктувально-нагнітальну установку.

12. Эпоян С.М., Сорокина В.Е. Повышение эффективности сушки осадков городских сточных вод на иловых площадках //Программа и тезисы докладов ХХХI научно-технической конференции преподавателей, аспирантов и сотрудников ХГАГХ. Ч.1.Строительство, архитектура и экология.- Харьков: ХГАГХ, 2002.- С.50-51.

Особистий внесок автора: виконано аналіз існуючих конструкцій мулових майданчиків.

13. Сорокина В.Е. Результаты промышленных испытаний установки ВНУ-1 А на иловых площадках //Программа и тезисы докладов ХХХIІ научно-технической конференции преподавателей, аспирантов и сотрудников ХНАГХ. Ч.1.Строительство, архитектура и экология.- Харьков: ХНАГХ, 2004.- С.55-56.

Размещено на Allbest.ru