Використання біологічно очищених стічних вод у системах оборотного водопостачання коксохімічних підприємств

Размещено на http://www.allbest.ru/

ХАРКІВСЬКИЙ ДЕРЖАВНИЙ ТЕХНІЧНИЙ УНІВЕРСИТЕТ БУДІВНИЦТВА ТА АРХІТЕКТУРИ

АВТОРЕФЕРАТ

дисертації на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук

ВИКОРИСТАННЯ БІОЛОГІЧНО ОЧИЩЕНИХ СТІЧНИХ ВОД У СИСТЕМАХ ОБОРОТНОГО ВОДОПОСТАЧАННЯ КОКСОХІМІЧНИХ ПІДПРИЄМСТВ

05.23.04. - водопостачання, каналізація

РОЖКОВ ВІТАЛІЙ СЕРГІЙОВИЧ

Харків 2008

Дисертацією є рукопис.

Робота виконана у Донбаській національній академії будівництва і архітектури Міністерства освіти і науки України.

Науковий керівник: кандидат технічних наук, доцент НЕЗДОЙМІНОВ ВІКТОР ІВАНОВИЧ, завідувач кафедри “Водопостачання, водовідведення та охорона водних ресурсів” Донбаської національної академії будівництва і архітектури.

Офіційні опоненти: доктор технічних наук, професор ВИСОЦЬКИЙ СЕРГІЙ ПАВЛОВИЧ, завідувач кафедри “Екології та безпеки життєдіяльності” Горлівського автодорожнього інституту Донецького національного технічного університету.

кандидат технічних наук, доцент СИРОВАТСЬКИЙ ОЛЕКСАНДР АНАТОЛІЙОВИЧ, доцент кафедри “Водопостачання, каналізації і гідравліки” Харківського державного технічного університету будівництва та архітектури.

Захист дисертації відбудеться “ 9 ” квітня 2008р о 11⁰⁰ годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 64.056.03 при Харківському державному технічному університеті будівництва та архітектури за адресою: 61002, м. Харків, вул. Сумська, 40.

З дисертацією можна ознайомитись у бібліотеці Харківського державного технічного університету будівництва та архітектури за адресою: 61002, м. Харків, вул. Сумська, 40.

Автореферат розісланий “ 28 ” лютого 2008р.

Вчений секретар спеціалізованої вченої ради к.т.н., професор М.І. Колотило

АНОТАЦІЯ

Рожков В.С. Використання біологічно очищених стічних вод у системах оборотного водопостачання коксохімічних підприємств. - Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.23.04 - Водопостачання, каналізація. - Харківський державний технічний університет будівництва та архітектури. - Харків, 2008.

Дисертаційна робота присвячена вирішенню актуального питання наукового обґрунтування й розробки технологій з використання біологічно очищених стічних вод коксохімічного виробництва для підживлення систем оборотного охолоджуючого водопостачання.

Розроблено і науково обґрунтовано метод запобігання карбонатних відкладень завдяки конкуруванню біологічних процесів нітрифікації в оборотних системах за лужність оборотної води з процесами накипоутворення.

Розроблено рекомендації та алгоритм розрахунку усіх якісних і кількісних характеристик використання БОСВ для підживлення систем оборотного водопостачання.

Визначена економічна ефективність використання біологічно очищених стічних вод для підживлення систем оборотного водопостачання ВАТ “Ясинівський коксохімічний завод”.

Ключові слова: накипоутворення, нітрифікація, денітрифікація, лужність, азот амонійний, коксохімічне виробництво, біологічно очищені стічні води.

АННОТАЦИЯ

Рожков В.С. Применение биологически очищенных сточных вод в системах оборотного водоснабжения коксохимических предприятий. - Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук по специальности 05.23.04 - Водоснабжение, канализация. - Харьковский государственный технический университет строительства и архитектуры. - Харьков, 2008.

Диссертационная работа посвящена решению актуального вопроса научного обоснования и разработки технологий использования биологически очищенных сточных вод коксохимического производства для подпитки систем оборотного охлаждающего водоснабжения.

Разработан и научно обоснован метод предотвращения карбонатных отложений за счет конкурирования биологических процессов нитрификации в оборотных системах за щелочность оборотной воды с процессами накипеобразования.

Разработана модель лабораторной установки циркуляционного контура, предложены зависимости для определения снижения интенсивности накипеобразования. Получено снижение интенсивности процессов накипеобразования до 80% при проведение процессов биологической нитри- денитрификации в лабораторной модельной установке оборотного водоснабжения.

Предложена торетическая модель расчета интенсивности накипеобразования в лабораторных установках циркуляционного контура.

Определен коэффициент потребления щелочности, который позволяет найти концентрации азота аммонийного в подпиточной воде из условия предотвращения накипеобразования. Данный коэффициент позволяют осуществлять проектирование бессточных систем оборотного охлаждающего водоснабжения с применением биологически очищенных хозяйственно-бытовых и промышленно-ливневых сточных вод как для экономии природных ресурсов, защиты окружающей среды, так и для улучшения условий эксплуатации оборотных систем.

Получены зависимости для расчета аеротенков с эрлифтной системой циркуляции, которые позволяют регулировать процессы одновременной нитри- денитрификации в сооружении. Данная методика позволяет контролировать интенсивность одновременной нитри- денитрификации посредством регулирования подачи воздуха, и соответственно, количество азотсодержащих соединений, поступающих впоследствии в оборотную систему. Получена расчетная формула циркуляционного расхода воды в сооружении, которая позволяет через регулирование подачи воздуха в аэрационную систему рассчитывать зоны нитри- и денитрификации в аэротенке.

Разработаны рекомендации и алгоритм расчета всех качественных и количественных характеристик использования биологически очищенных сточных вод для подпитки систем оборотного водоснабжения.

Определена экономическая эффективность применения биологически очищенных сточных вод для подпитки систем оборотного водоснабжения ОАО “Ясиновский коксохимический завод”.

Ключевые слова: накипеобразование, нитрификация, денитрификация, щелочность, азот аммонийный, коксохимическое производство, биологически очищенные сточные воды.

SUMMARY

Rozhkov V. S. Application of biologically treated sewage in water recycling systems of coke enterprises. - Manuscript.

The dissertation is submitted for Candidate of Sciences degree in Technology, speciality 05.23.04 - Water supply, sewerage. - Kharkiv State technical university of construction and architecture. - Kharkiv, 2008.

The dissertation is devoted to the decision of a urgent task to development of an technology of biologically treated sewage of coke production reuse in recycling water supply systems.

The method of adjournment prevention is developed and scientifically proved due to competition of biological nitrification processes in turnaround systems with scaling processes for alkalinity of turnaround water.

Recommendations and algorithm of all qualitative and quantitative characteristics calculation of biologically cleared sewage reuse for additional charging systems of recycling water supply are developed.

Economic efficiency of an application of biologally treated sewage in systems of water recycling of “Jasinovsky coke plant” was determined.

Key words: scale, nitrification, denitrification, alkalinity, ammonium nitrogen, coke enterprise, biologically treated sewage.

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми. Водне господарство промислових підприємств України на сьогодні є найперспективнішим для наукових досліджень як в галузі захисту навколишнього середовища, так і у області збереження матеріальних ресурсів. Комплексне вирішення цих двох задач відповідає технологіям безстічного водопостачання підприємств і переведенню технологічних циклів виробництва в режим замкненого водопостачання. Серед промислових водоспоживачів найбільш водоємним є металургійний комплекс України, у якому коксохімічне виробництво (КХВ) охоплює значний сектор. Тому розробка ефективних методів щодо створення безстічних технологій у цій галузі дуже актуальна.

Системи оборотного охолоджуючого водопостачання є одним з найбільших споживачів води в промисловості. Зниження кількості природної води, споживаної на підживлення оборотних систем, можливе за рахунок повторного використання різних категорій очищених стічних вод підприємства. Щоб уникнути таких негативних процесів як накипоутворення, корозія і біологічні обростання, у цьому випадку необхідна детальна оцінка й прогнозування режимів роботи оборотних систем. Усі ці чинники погіршують роботу не лише систем оборотного водопостачання, але й усього виробничого циклу, через простої на чищення, заміну устаткування, погіршення параметрів теплопередачі між охолоджуючим агентом і продуктом та ін.

Викладене положення свідчить про актуальність і необхідність розв'язання задач, пов'язаних з повторним використанням стічних вод і зменшенням скиду стічних вод коксохімічного виробництва в каналізаційну мережу й водні об'єкти.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Робота виконана у рамках Державної бюджетної тематики Д-2-07-06 "Ефективні технології очищення стічних вод коксохімічного виробництва з використанням в оборотних системах водопостачання" (№ держреєстрації 0060002953) відповідно до пріоритетних напрямів розвитку науки і техніки до 2010 р., визначених в законі України "Охорона навколишнього середовища і природи".

Мета і задачі досліджень. Метою дисертаційної роботи є наукове обґрунтування й розробка технологій щодо використання біологічно очищених стічних вод коксохімічного виробництва для підживлення систем оборотного охолоджуючого водопостачання.

Поставлена в роботі мета досягається розв'язанням таких задач:

- дослідити водний баланс коксохімічних підприємств з оцінкою можливості повторного використання різних стічних вод для підживлення систем оборотного водопостачання;

- вивчити стан питання щодо кондиціювання стічних вод, які використовуються для підживлення систем оборотного водопостачання;

- визначити гідродинамічні параметри роботи споруд підготовки води для подальшого використання в системах оборотного водопостачання;

- визначити вплив біологічно очищених стічних вод (БОСВ) на роботу систем оборотного водопостачання;

- розробити рекомендації щодо використання біологічно очищених стічних вод у системах оборотного водопостачання КХВ;

- оцінити економічну ефективність використання БОСВ у системах оборотного водопостачання коксохімічних підприємств.

Об'єкт дослідження - системи оборотного водопостачання коксохімічних виробництв.

Предмет дослідження - засоби підготовки стічних вод коксохімічного виробництва для повторного використання, водно-сольовий баланс систем оборотного охолоджуючого водопостачання.

Методи дослідження - теоретичні пошукування гідродинамічної моделі роботи аеротенків з ерліфтною системою циркуляції та моделювання процесів накипоутворення в лабораторному устаткуванні циркуляційного контуру; лабораторні дослідження роботи споруд біологічного очищення води та систем оборотного водопостачання на модельних установках аеротенку з циркуляційною ерліфтною колоною та циркуляційного контуру; промислові дослідження параметрів роботи оборотних систем при використанні біологічно очищених промислово-зливових і господарчо-побутових стічних вод КХВ для підживлення систем оборотного охолоджуючого водопостачання; математична обробка отриманих результатів за допомогою ПЕОМ.

Наукова новизна отриманих результатів:

- запропонована теоретична модель розрахунку інтенсивності накипоутворення в лабораторних установках циркуляційного контуру;

- визначено коефіцієнт споживання лужності, який дозволяє знаходити концентрації азоту амонійного у підживлюючій воді виходячи з умови пригнічення накипоутворення;

- отримані залежності для розрахунку аеротенків з ерліфтною системою циркуляції, які дозволяють регулювати процеси одночасної нітри- денітрифікації;

- розроблено рекомендації та алгоритм розрахунку усіх якісних і кількісних характеристик використання біологічно очищених стічних вод для підживлення систем оборотного водопостачання.

Практичне значення отриманих результатів. Розроблені технічні рішення дозволяють збільшити частку повторного використання очищених стічних вод на коксохімічному підприємстві й запобігти накипоутворенню в теплообмінних елементах.

Результати дисертаційної роботи впроваджені в технологічному регламенті роботи цеху водопостачання ВАТ "Авдіївський коксохімічний завод", а також враховані як рекомендації в проекті створення замкнутої системи оборотного водопостачання ВАТ "Ясинівський коксохімічний завод".

Особистий внесок автора. Наукові результати, які викладені в дисертаційній роботі, здобуті особисто автором на підставі виконаного аналізу водного балансу коксохімічних підприємств, теоретичних та практичних досліджень у підготовці стічних вод для подальшого використання в системах оборотного водопостачання, дослідження процесів інгібірування накипоутворення завдяки біологічним процесам в оборотних системах.

Автором визначені гідродинамічні параметри роботи аеротенків з ерліфтною системою циркуляції, виконано теоретичний опис процесів накипоутворення на теплообмінниках циркуляційного контуру.

Автору належить методика визначення інтенсивності накипоутворення на теплообмінній поверхні. Розроблена методика розрахунку аеротенків з ерліфтною системою циркуляції, алгоритм розрахунку технології використання біологічно очищених стічних вод у системах оборотного водопостачання.

Апробація роботи. Основні результати та головні положення дисертаційної роботи доповідалися автором на:

- 30-ій Міжнародній науковій конференції студентів, аспірантів і молодих учених Донбаської державної академії будівництва і архітектури (м. Макіївка, 2004 р.);

- Міжнародній науково-практичній конференції “Вода - 2005. Сучасні проблеми водопостачання і водовідведення” в Одеській державній академії будівництва і архітектури (м. Одеса, 2005 р.);

- V Науково-практичній конференції щодо проблем водопостачання і водовідведення Донбаської національної академії будівництва і архітектури та ДПП “Укрпромводчормет” (м. Донецьк, 2005 р.);

- 2-ій Міжнародній науково-практичній конференції "Вода, екологія, суспільство" у Харківській національній академії міського господарства (м. Харків, 2006 р.);

- 62-ій науково-технічній конференції Харківського державного технічного університету будівництва та архітектури (м. Харків, 2007 р.);

Публікації. За результатами роботи опубліковано 7 робіт у спеціалізованих виданнях, регламентованих ВАК України, зокрема одна без співавторів.

Структура і обсяг дисертації. Дисертація складається з вступу, 6 розділів, загальних висновків, списку використаних джерел літератури з 105 найменувань, п'яти додатків і вміщує 29 таблиць, 23 рисунки по тексту, усього 154 сторінки.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

біологічний очищений стічний водопостачання

У вступі обґрунтовано актуальність роботи, сформульовано мету й задачі дисертаційного дослідження, об'єкт та предмет дослідження, наукову новизну і практичну цінність отриманих результатів.

У першому розділі дисертації наведено аналіз стану питання водного балансу коксохімічних підприємств. Показано, що коксохімічна галузь України є споживачем понад 36 млн. м³ технічної води на рік, з яких близько 8 млн. м³ технічної води витрачається для підживлення систем оборотного охолоджуючого водопостачання.

Наведено шляхи скорочення споживання води коксохімічними виробництвами, серед яких, зокрема виділено можливість використання очищених стічних вод у системах оборотного водопостачання. Розглянуто якісний та кількісний склад стічних вод КХВ.

Згідно з матеріальним балансом та технологічними і санітарно-гігієнічними вимогами до води, що використовується для підживлення систем оборотного водопостачання, зроблено висновок про доцільність використання саме промислово-зливових та господарчо-побутових стічних вод у системах оборотного водопостачання.

Визначено, що використання промислово-зливових та господарчо-побутових стічних вод для підживлення систем оборотного водопостачання скорочує споживання технічної води на 0,3 м³ при виробництві 1 тони коксу вологістю 6%. Однак, необхідно передбачати заходи щодо підготовки та кондиціювання стічних вод, які використовуються повторно.

Проблемам організації роботи систем оборотного охолоджуючого водопостачання присвячено багато робіт провідних вітчизняних учених. Фундаментальними з цієї проблеми є роботи Апельцина І.Є., Кучеренко Д.І., Гладкова В.О., Шабаліна О.Ф. Значний внесок у розвиток технології застосування очищених стічних вод у системах оборотного водопостачання України зробили учені: Пантелят Г.С., Терновцев В.О., Найманов А.Я., Душкін С.С., Епоян С.М., Висоцький С.П., Гвоздяк П.І. , Куліков М.І. та ін.

Наведено огляд існуючих методів доочищення та кондиціювання стічних вод для підживлення систем оборотного водопостачання. Літературні дані свідчать про те, що однією з головних причин, які перешкоджають використанню промислово-зливових та господарчо-побутових стічних вод у системах оборотного водопостачання є відсутність ефективних та економічно доцільних технічних рішень щодо попередження сольових відкладень, корозії та біологічних обростань в умовах коксохімічного виробництва.

Наведено порівняльний склад промислово-зливових, господарчо-побутових стічних вод та тих стічних вод, які зазвичай приймаються очисними спорудами комунального призначення. Оскільки ці характеристики є близькими, зроблено висновок про доцільність застосування традиційних методів біологічного очищення стічних вод для підготовки стічних вод КХВ. Біологічні технології очищення з одночасною нітри- денітрифікацією дозволяють вилучати зі стічної води органічні сполуки, передбачають знезараження стічних вод від патогенних мікроорганізмів та дозволяють варіювати вміст сполук азоту в очищеній воді.

На основі літературних джерел встановлено інгібіруючу дію азоту амонійного на процеси накипоутворення. Таким чином, підтверджена необхідність варіювання сполук азоту в очищених стічних водах, які використовуються для підживлення систем оборотного водопостачання.

У другому розділі наведено теоретичне обґрунтування методу кондиціювання оборотної води за рахунок сполук азоту амонійного. Теоретично доведена енергетична перевага процесу біологічної нітрифікації (1) над хімічними процесами вилучення іонів лужності реакцією з азотом амонійним (2):

NH₄⁺ + 1,86O₂ + 1,98HCO₃^- > 0,02 C₂H₇NO₂ + 0,98NO₃^- + 1,88СO₂ + 2,92 H₂O Q₁ = +350 кДж; (1)

NH₄⁺ + HCO₃^- - NH₃ ^ + CO₂ + H₂O Q ₂= +82 кДж. (2)

Таким чином, завдяки сприятливим температурним та гідродинамічним умовам у системах оборотного водопостачання в них відбуватимуться процеси біологічного вилучення іонів лужності з води, тобто процеси нітрифікації конкуруватимуть за лужність води з процесами накипоутворення (3,4):

2HCO₃^- - CO₃^2- + CO₂ + H₂O; (3)

Ca²⁺ + CO₃^2- > CaCO₃v. (4)

Запропоновано показник, який вказує на кількісне співвідношення N-NH₄⁺ та HCO₃^- при нітрифікації в_N - коефіцієнт споживання лужності (5):

в_N = , (5)

де:[Щ] - лужність, яка вживається при нітрифікації, мг/дм³;

[NH₄] - кількість нітрифікованого азоту амонійного, мг/дм³.

Необхідна кількість азоту амонійного, що подається в оборотну систему, повинна відповідати зниженню лужності води до концентрації рівноважної лужності (6):

, (6)

де: и - константа першого та другого ступеню дисоціації вугільної кислоти;

- коефіцієнт активності одновалентних іонів;

-коефіцієнт активності двовалентних іонів;

- концентрація вільної вуглекислоти в оборотній воді мг/дм³;

_об- концентрація іонів , мг/дм³.

Для забезпечення найбільш економічної ефективності роботи систем оборотного водопостачання повинна виконуватися умова (7):

. (7)

За допомогою коефіцієнта в_N у системі рівнянь (8) лужність, вміст іонів азоту амонійного, кальцію пов'язано з витратами біологічно очищених стічних вод та технічної води для підживлення систем оборотного водопостачання:

 (8)

Тобто при розв'язанні системи (8) необхідно зводити якісні показники так, щоб для підживлення систем оборотного водопостачання використовувались виключно біологічно очищені стічні води.

Розв'язання системи (8) при виконанні умови (7) може буде здійснене за допомогою варіювання концентрації азоту амонійного в БОСВ. Вказане варіювання здійснюється за допомогою споруди для одночасної нітри- денітрифікації на стадії очищення промислово-зливових та господарчо-побутових стічних вод КХВ - аеротенку з ерліфтною системою циркуляції.

У третьому розділі проведено розрахунки гідродинамічних залежностей для аеротенку з ерліфтною системою циркуляції. Визначено, що за допомогою цієї споруди можливе варіювання ефективності очищення стічних вод від сполук азоту. Варіювання здійснюється за рахунок зміни витрат повітря в аераційній системі., При цьому змінюються гідродинамічні параметри циркуляції рідини у споруді, відповідно до яких відбувається перерозподіл аеробних та аноксидних зон.

Для виявлення форми залежності витрат води від витрат повітря сконструйовано лабораторну модельну установку аеротенку з ерліфтною системою циркуляції (рис. 1). Моделювання установки виконано із застосуванням теорії розмірностей, за допомогою якої одержано геометричний критерій подібності (9):

, (9)

де: D - диаметр споруди, м;

L - висота аераційної колони, м;

d - диаметр аераційної колони, м.

При силі тяжіння та густині рідини однакових для моделі та натури, отримано критерій гідродинамічної подібності (10), який дозволяє використовувати отримані на модельній установці залежності для натури з, коефіцієнтом б_V=:

, (10)

де: Q_В - циркулююча витрата води, м³/с;

Q_Г - витрата повітря, що подається в ерліфт, м³/с.

Осереднені результати досліджень наведено у табл. 1.

Математична обробка результатів експерименту за допомогою ПЕОМ дозволила одержати залежність (11):

, (11)

де: 0,2 -розмірний коефіцієнт;

Q_В - циркулююча витрата води, м³/с;

Q_Г - витрата повітря, що подається в ерліфт, м³/с.

L - висота аераційної колони, м;

Таблиця 1. Осереднені результати експерименту на лабораторному аеротенку з ерліфтною системою циркуляції

L, м	QГх103, м3/с	QВх103, м3/с
0,07	0,059	0,193
0,27	0,058	0,43
0,47	0,056	0,523
0,67	0,056	0,636
0,87	0,328	1,279

Отримана залежність (11) дозволяє обчислити швидкості у споруді - аеротенку з ерліфтною системою циркуляції, що при врахуванні швидкості споживання кисню мікроорганізмами дає залежність об'єму умовних зон нітри- і денітрифікації (рис.2) у споруді від кількості повітря, що подається в аераційну систему (12,13):

; (12)

W_ДЕНІТР =W₃= W - (W_НІТР.) (13)

де: W₁ - об'єм зони насичення киснем у споруді, м³

М - масова частка кисню в об'ємі повітря, г/м³;

K_вик - коефіцієнт використання кисню (0,05…0,12);

V_спож. - питома швидкість споживання кисню нітрифікуючими та іншими мікроорганізмами активного мулу по беззольній речовині; ;

б_i - концентрація активного мулу в споруді, г/м3.

Одержані формули (12) дозволяють з достатньою для практики точністю розрахувати об'єми зон нітри- та денітрифікації в аеротенку з ерліфтною системою циркуляції та здійснювати перерозподіл зон за допомогою регулювання витрати повітря, що подається. Це забезпечує варіювання вмісту сполук азоту в очищених стічних водах, що подаються для підживлення систем оборотного водопостачання.

У четвертому розділі описано виконані лабораторні експерименти щодо визначення параметрів протікання біологічних процесів нітрифікації в циркуляційному контурі та їх вплив на процеси накипоутворення, корозію та біологічні обростання.

Виконано моделювання теплообмінних зразків лабораторної установки циркуляційного контуру за допомогою критерію Рейнольдса. Виведено теоретичну залежність, що описує інтенсивність накипоутворення в системах з теплообміном через закон дифузії Фіка (14):

, (14)

де: q - масова швидкість масопереносу при накипоутворенні, г/м²·с;

Re - число Рейнольдса;

Pr - число Прандля;

ДС - розчинність карбонату кальцію, г/м³;

L - товщина дифузійного шару за Прандлем, м;

Дм - коефіцієнт молекулярної дифузії, м²/с.

Експериментально встановлено справедливість залежності (13) для дослідів тривалістю до 120 годин. При більшій тривалості експерименту необхідно вводити поправочний коефіцієнт Р, який дослідним шляхом встановлено для сталевих теплообмінників при температурі 35-50°С (15):

Р = , (15)

де: ф - час тривалості досліду, годин.

Залежності (14,15) дозволяють встановити інтенсивність накипоутворення при підживленні лабораторних циркуляційних контурів технічною водою, що містить з надлишком іони лужності та жорсткості. Ця величина є порівняльною для оцінки ефективності методів пригнічення утворення накипу.

Лабораторні дослідження щодо використання біологічно очищених стічних вод, які містять іони азоту амонійного, у системах оборотного водопостачання виконано на установці.

Виконано повний факторний експеримент 2⁴, де шуканим параметром є коефіцієнт зниження інтенсивності накипоутворення N (16).

, (16)

де: q - інтенсивність накипоутворення за формулою (14), г/м²·с;

q_N - експериментально одержане ваговим способом значення інтенсивності накипоутворення, г/м²·с.

Чинники, що впливають на процес, який вивчається:

- лужність подживлюючої води, мг-екв/дм³;

- вміст іонів азоту амонійного в підживлюючій воді, мг/дм³;

- коефіцієнт упарювання;

- ХПК підживлюючої води, мгО₂/дм³.

Результати експериментів подано у табл. 2.

На основі математичної обробки результатів експерименту отримана залежність (17):

N = 0.1885[Щ] - 0,0363[NH₄⁺] - 0,0027[Ку] + 0.0018[ХПК] - 0,56, (17)

де: 0.1885, 0.0363, 0.0027, 0.0018, 0.56 - розмірні коефіцієнти.

Аналізуючи отриману залежність (17) можна відзначити низький ступінь впливу коефіцієнта упарювання на зниження інтенсивності накипоутворення відносно розрахункових значень для технічної води. Це пов'язано з масовим співвідношенням солей в оборотних системах, які не залежать від коефіцієнта упарювання. Лужність і ХПК збільшують коефіцієнт N, а вміст іонів амонію - зменшує, що підтверджує зниження інтенсивності накипоутворення за рахунок процесів нітрифікації і повернення частки лужності в оборотну воду за рахунок процесів денітрифікації.

Визначено, згідно з даними табл. 2, що в лабораторних умовах осереднене значення коефіцієнта в_N рівнює 5,39.

Таблиця 2. Результати лабораторних досліджень з визначення ефективності зниження накипоутворення

№	Ку	Щ, мг-екв/дм3	NH4+, мг/дм3	вN	N
		поч.	кін.	поч.	кін.
1	3,5	6	9	40	14	5,84	0,59
2	3,5	6	9	40	16	5,72	0,57
3	1,5	6	5,5	40	18	5,91	0,59
4	1,5	6	5,2	40	16	5,30	0,58
5	3,5	6	16,5	20	18	5,07	0,83
6	3,5	6	16	20	19	5,63	0,82
7	1,5	6	8	20	18	4,75	0,83
8	1,5	6	7,8	20	16	4,92	0,82
9	3,5	4	3	40	14	5,53	0,12
10	3,5	4	3	40	14	5,35	0,10
11	1,5	4	2,4	40	18	5,62	0,12
12	1,5	4	2,1	40	20	5,71	0,10
13	3,5	4	10,2	20	24	4,88	0,73
14	3,5	4	9,8	20	22	5,51	0,71
15	1,5	4	5,3	20	20	4,61	0,73
16	1,5	4	5	20	20	5,85	0,71

Проведено лабораторні експерименти з визначення корозійної активності оборотної води при підживленні БОСВ, які містять азот амонійний, ваговим методом. Розраховано показник масової корозії у порівнянні з дослідом на технічній водопровідній воді (дослід “0”).

Результати експериментів наведено у табл.3.

Таблиця 3. Результати лабораторних досліджень з визначення корозійної активності оборотної води

№	ДМ, г	Кm, г/м2·год	№	ДМ, г	Кm, г/м2·год
0 Ку=1,5	1,469	0,136	8	1,305	0,121
0 Ку=3,5	2,592	0,240	9	1,832	0,170
1	2,929	0,271	10	2,039	0,189
2	2,946	0,273	11	1,598	0,148
3	1,331	0,123	12	1,797	0,166
4	1,253	0,116	13	2,549	0,236
5	3,413	0,316	14	2,609	0,242
6	3,473	0,322	15	1,572	0,146
7	1,426	0,132	16	1,512	0,140

Аналізуючи дані табл. 3, можна охарактеризувати метал, що піддається корозійній дії, як "відносно стійкий".

У разі додавання в оборотну воду сполук азоту амонійного, корозійна активність оборотної води не перевищує значень, отриманих для технічної води при тих самих коефіцієнтах упарювання. Більше того, спостерігається зниження інтенсивності корозійних процесів, що пояснюється утворенням на металевій поверхні нітратної плівки.

Проведено визначення інтенсивності біологічних обростань на поверхні теплообмінних зразків. Для цього теплообмінні трубки омивалися 200 мл концентрованої сірчаної кислоти. Далі отриманий розчин розбавлявся бідистильованою водою в 5-10 разів і піддавався аналізу на вміст кальцію. Отримане значення перераховувалося на масу карбонату кальцію, змитого з теплообмінних зразків і порівнювалося з сумарною масою відкладень.

Для всіх дослідів набуті значення свідчать про те, що 80-90% відкладень на стінках теплообмінників - карбонат кальцію, що дає право стверджувати про незначні біообростання теплообмінних зразків.

У п'ятому розділі описано промислові дослідження з виявлення параметрів процесів нітрифікації та денітрифікації в оборотних системах коксохімічного виробництва.

Дослідження виконано на оборотному циклі №1 Авдіївського коксохімічного заводу. Продуктивність оборотного циклу - 12500 м³/год, оборотна вода нагрівалася у теплообмінній апаратурі цехів сіркоочищення, ректифікації та охолоджувалася на вентиляторних градирнях. Підживлення системи оборотного водопостачання виконувалося біологічно очищеними господарчо-побутовими та промислово-зливовими стічними водами, які містили сполуки азоту. Дослідження тривало 1 календарний рік.

Для контролю біологічних та хімічних процесів в оборотній системі введено поняття масового споживання (18) Дm, [г]:

, (18)

де: С₁ і С₂ - концентрація відповідного іона на початку і в кінці розрахункового періоду в оборотній воді, г/м3;

С_ср - усереднена за розрахунковий період концентрація іона в підживлюючій воді, г/м3;

W - об'єм води, що перебуває в обороті, м³;

Q - кількість води, що поступила в оборотну систему з підживленням за розрахунковий період, м³;

Q' - кількість води, що покинула систему з продуванням і краплинним винесенням за розрахунковий період, м³.

Розрахункові величини масового споживання азоту амонійного і нітратів (по N), а також лужності, наведені в табл. 4. За допомогою вказаних значень можна визначити коефіцієнт споживання лужності в_N за формулою (19):

. (19)

У цьому розрахунку за розрахунковий період прийнята тривалість роботи системи в 1 календарний місяць.

Таблиця 4. Масове споживання іонів в оборотному циклі

місяць	Дm (N-NH4+), г	Дm (N-NО32+) , г	Дm (Щ) , г	вN
січень	1884,90	4092,53	10699,43	5,68
лютий	1949,22	4087,25	15166,09	7,78
березень	1983,06	4827,56	16549,57	8,35
квітень	1603,06	11445,46	16897,48	10,54
травень	2053,83	4758,80	18668,35	9,09
червень	1951,50	3770,06	14650,62	7,51
липень	1519,77	4423,32	10599,79	6,97
серпень	2811,02	5405,50	9641,17	3,43
вересень	2031,84	4549,21	6807,82	3,35
жовтень	453,79	3146,33	5198,87	11,46
листопад	776,81	4517,12	5179,74	6,67

Виходячи з результатів експериментів з визначення коефіцієнта споживання лужності, рекомендовано приймати:

в_N = 8,2 - в пору року з травня по вересень;

в_N = 6 - в пору року з жовтня по квітень.

Інтенсивність накипоутворення оцінювалася як за опосередкованими показниками (коефіцієнти концентрування іонів кальцію, лужності у порівнянні з коефіцієнтом упарювання по хлоридах), так і візуально при очищенні теплообмінних апаратів.

Візуально накипоутворення на стінках теплообмінників не спостерігалось.

На основі аналізу даних рис. 4 встановлено, що в оборотній воді відбувається концентрування іонів кальцію згідно з коефіцієнтом упарювання. Значне заниження коефіцієнтів концентрування іонів лужності пояснюється саме процесами нітри- денітрифікації.

Експериментальним шляхом визначено вміст вугільної кислоти в оборотній воді. Для розрахунків в умовах охолодження на вентиляторних градирнях рекомендовано приймати [СО₂] = 20 мг/дм³.

Аналіз інтенсивності процесів корозії та біообростань вказав на необхідність виведення 2 % води з обороту для фільтрування або відстоювання з ефективністю близько 15% по завислих речовинах. Корозійна агресивність оборотної води класифікована як середня.

У шостому розділі наведено підсумкові рекомендації по використанню біологічно очищених стічних вод у системах оборотного водопостачання КХВ. Наведено алгоритм розрахунку та економічну ефективність технології на прикладі Ясинівського коксохімічного заводу, яка склала 1862 тис. грн. /рік.

ЗАГАЛЬНІ ВИСНОВКИ

1. Повторне використання біологічно очищених стічних вод у коксохімічному виробництві дозволить значно скоротити споживання природної води цим сектором промисловості. Використання очищених стічних вод для підживлення оборотних систем скорочує споживання технічної води на 0,3 м³ при виробництві тонни коксу вологістю 6%.

2. Очищення стічних вод КХВ вимагає специфічних заходів для повторного використання. За матеріальним і хімічним балансом стічних вод найбільш раціональне використання промислово-зливових і господарсько-побутових стічних вод для підживлення систем оборотного охолоджуючого водопостачання.

3. Існуючі методи доочищення стічних вод разом з методами кондиціювання для підживлення систем оборотного охолоджуючого водопостачання не завжди відповідають екологічним, технічним і економічним вимогам сучасного виробництва. Застосування контрольованих біологічних процесів у системах оборотного водопостачання за рахунок використання очищених стічних вод дозволить запобігти негативним процесам у них разом з економією природних ресурсів.

4. Запропонований метод розрахунку споруд для одночасної нітри- денітрифікації - аеротенків з ерліфтною системою циркуляції на стадії підготовки стічних вод КХВ до подальшого повторного використання. Така методика дозволяє контролювати інтенсивність одночасної нітри- денітрифікації за допомогою регулювання подачі повітря і, відповідно, кількість азотвмісних сполук, що поступають в оборотну систему. Отримано розрахункову формулу циркуляційної витрати води в споруді, яка дозволяє через регулювання подачі повітря в аераційну систему споруди розраховувати в ній зони нітри- і денітрифікації.

5. Виконано наукове обґрунтування та практичні розробки методу інгібірування процесів накипоутворення за рахунок конкуренції з ними за лужність оборотної води біологічних процесів нітри- денітрифікації.

6. Розроблена модель лабораторної установки циркуляційного контуру, запропоновані залежності для визначення зниження інтенсивності накипоутворення. Одержано зниження інтенсивності процесів накипоутворення до 80% при проведенні процесів біологічної нітри- денітрифікації в лабораторній модельній установці оборотного водопостачання.

7. Встановлено, що використання очищених стічних вод для підживлення систем оборотного водопостачання не спричиняє за собою значної інтенсифікації процесів корозії і біообростання.

8. У промислових умовах розрахований коефіцієнт споживання лужності (в_N) на потреби нітри- денітрифікациі в оборотних системах для зимової і літньої пори року становить:

в_N = 8,2 - з травня по вересень;

в_N = 6 - з жовтня по квітень.

Дані значення дозволяють здійснювати проектування безстічних систем оборотного охолоджуючого водопостачання із застосуванням біологічно очищених господарсько-побутових і промислово-зливових стічних вод як з погляду економії природних ресурсів, захисту навколишнього середовища, так і з погляду поліпшення умов експлуатації оборотних систем.

9. Запропоновано алгоритм розрахунку водно-хімічного балансу коксохімічних підприємств при використанні очищених господарчо-побутових та промислово-зливових стічних вод для підживлення систем оборотного охолоджуючого водопостачання.

10. Визначена економічна ефективність використання біологічно очищених стічних вод для підживлення систем оборотного водопостачання ВАТ "Ясинівський коксохімічний завод", яка склала 1862 тис. грн. /рік.

СПИСОК ОПУБЛІКОВАНИХ ПРАЦЬ ЗА ТЕМОЮ ДИСЕРТАЦІЇ

1. Балинченко О.Й., Рожков В.С., Лавренова Т.Ю. Влияние биологических компонентов оборотной воды на коррозионные процессы// Вісник ДонДАБА. - 2004. - Вип. 2004-4(46). - С. 63-66.

Особистий внесок автора: виконано аналіз шляхів до скорочення потреби у природній воді в коксохімічній промисловості.

2. Rozhkov V.S., Zagoruiko T.I. Application of biologally treated sewage in systems of water recycling// Вісник ДонДАБА. - 2004 - Вип. 2004-3(45). - С. 221-223.

Особистий внесок автора: вивчення та аналіз факторів, що впливають на роботу систем оборотного водопостачання при підживленні біологічно очищеними стічними водами коксохімічного виробництва.

3. Нездойминов В.И., Рожков В.С. Расширение возможности использования биологически очищенных сточных вод в оборотных системах промышленного водоснабжения//Вісник ОДАБА. - 2005. - Вип. №19.- С. 133-137.

Особистий внесок автора: виконано теоретичний опис процесів накипоутворення на теплообмінниках циркуляційного контуру, розроблена методика визначення інтенсивності накипоутворення на теплообмінній поверхні.

4. Нездойминов В.И., Рожков В.С. Повторное использование сточных вод в системах оборотного водоснабжения// Сучасне промислове та цивільне будівництво. - 2006. - Т.2. - №3.- С. 145-153.

Особистий внесок автора: теоретично обґрунтовано та досліджено в лабораторних умовах інгібірування накипоутворрення завдяки біологічним процесам в оборотних системах.

5. Нездойминов В.И., Рожков В.С. Особенности использования поверхностных сточных вод коксохимических предприятий в оборотных системах водоснабжения// Вісник ДонНАБА. -2006 - Вип. № 2006-2(85). - С. 11-14.

Особистий внесок автора: визначено лімітуючи фактори щодо використання очищених стічних вод в системах оборотного водопостачання.

6. Нездойминов В.И., Рожков В.С. К вопросу о создании технологий безсточного водоснабжения промышленных предприятий// Комунальне господарство міст. - Вип. 74. - К.:Техніка. - 2007. - С.167-173.

Особистий внесок автора: досліджено інгібірування накипоутворрення завдяки біологічним процесам в оборотних системах.

7. Рожков В.С. Влияние процессов нитрификации на работу систем оборотного водоснабжения// Науковий вісник будівництва. - Харків: ХДТУБА, ХОТВ АБУ. - 2007. - Вип. 40 - С.144-151.

Размещено на Allbest.ru