19
19
Автореферат
диссертации на соискание ученой степени
кандидата технических наук
Безреагентная очистка поверхностных вод на фильтрах с инертно-сорбционной загрузкой (на примере водоисточников Китая)
05.23.04 - Водоснабжение, канализация, строительные системы охраны водных ресурсов
Лю Чэ
Москва - 2007
Работа выполнена в Государственном образовательном учреждении высшего профессионального образования Московском государственном строительном университете.
Научный руководитель: доктор технических наук, профессор заслуженный деятель науки РФ Журба Михаил Григорьевич
Официальные оппоненты: доктор технических наук, старший научный сотрудник Смирнов Александр Дмитриевич
кандидат технических наук, доцент Варюшина Галина Петровна
Ведущая организация: Открытое Акционерное Общество "Научно-исследовательский институт коммунального водоснабжения и очистки воды" (ОАО "НИИ КВОВ")
Защита состоится "___" ______ 2007 г. в ____ часов на заседании диссертационного совета Д 212.138.10 при ГОУ ВПО Московском государственном строительном университете по адресу: Москва, Ярославское шоссе, 26, аудитория _____.
С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ГОУ ВПО Московского государственного строительного университета.
Автореферат разослан " ____ " _______ 2007 г.
Ученый секретарь диссертационного совета Орлов В.А.
Общая характеристика работы
Актуальность работы
Большинство поверхностных водоисточников Китая характеризуются высокой, изменяющейся в значительном интервале по сезонам года мутностью в воде и наличием в ней загрязнений антропогенного происхождения.
В настоящее время в Китае практически отсутствуют эффективные и экономичные средства очистки отечественного производства для технических и питьевых целей многочисленных небольших по мощности водопотребителей (частные предприятия, фермерские хозяйства, отдельные объекты социальной сферы и т.д.).
В связи с этим, создание компактных установок заводского изготовления для глубокой безреагентной очистки природных вод из поверхностных водоисточников, в том числе содержащих и техногенные примеси, является актуальной задачей.
Цель и задачи исследований
Целью диссертационной работы является разработка, исследование и внедрение технологии безреагентной очистки поверхностных вод в условиях Китая на основе последовательного фильтрования воды через инертную волокнисто-гранульную и сорбционную зернистую загрузки.
В соответствии с поставленной целью в диссертации были сформулированы и решены следующие задачи: - изучить и проанализировать современное состояние качества природных поверхностных вод и существующие системы подготовки воды Китая;
оценить эффективность традиционных технологий водоочистки при появлении в очищаемых водах антропогенных (техногенных) загрязняющих веществ и обобщить современные методы интенсификации работы по повышению барьерной функции водоочистных станций по отношению к таким загрязнениям;
– теоретически обосновать и усовершенствовать фильтрационную безреагентную технологию водоочистки, реализуемую в условиях повышенных антропогенных нагрузок на водоисточники;
изучить гидравлические закономерности процесса фильтрования воды через трехслойную инертно-сорбционную загрузку;
изучить процессы осветления, обесцвечивания и удаления отдельных видов техногенных загрязнений на комбинированном осветлительно - сорбционном фильтре (ОСФ) новой конструкции;
выполнить технико-экономическое сравнение напорных и безнапорных конструкций ОСФ и обеспечить научное сопровождение их промышленного внедрения.
Методика проведения исследований включает:
сбор, анализ и обобщение научно-технической литературы для оценки современного состояния водоснабжения в Китае, обоснование актуальности, цели и задач исследований в области очистки природных вод, содержащих антропогенные примеси;
экспериментальные исследования в лабораторных условиях процессов фильтрования водной суспензии через трехслойную инертно-сорбционную загрузку;
апробацию предложенной технологии в производственных условиях и ее технико-экономическое обоснование.
Научная новизна работы заключается в следующем:
научно обоснована и разработана новая конструкция сооружения глубокой безреагентной осветлительно-сорбционной водоочистки, реализованной в одном корпусе;
получены новые экспериментальные данные, на основании которых определены гидравлические и технологические параметры работы предложенного сооружения, явившиеся основой для инженерных расчетов при проектировании, строительстве и эксплуатации станций безреагентной водоочистки с трехслойными осветлительно-сорбционными фильтрами.
Практическая ценность работы
разработанный ОСФ позволяет интенсифицировать работу водоочистных станций и обеспечить экономию эксплуатационных затрат на 20-25% по сравнению с традиционными фильтрами с загрузками имеющими плотность больше плотности воды;
установлены технологические параметры работы комбинированных слоев и режимов работы производственных ОСФ, необходимые для их проектирования и конструирования при безреагентном осветлении природных вод для питьевых и технических целей в масштабе страны;
определены области рационального применения напорных и с открытым зеркалом воды ОСФ в составе технологических схем очистки воды.
Апробация работы
Результаты и основные положения работы были доложены на Международной научно-технической конференции "Проблемы экологии на пути к устойчивому развитию регионов" (Вологда, ВоГТУ, 2005) и Четвертой международной (IX межвузовская) научно-практической конференции молодых ученых, аспирантов и докторантов "Строительство - формирование среды жизнедеятельности" (Москва, МГСУ, 2006).
Публикации
Автором опубликовано 4 научных работы, в том числе одна в рекомендованном ВАК РФ издании.
Объем работы
Диссертационная работа состоит из введения, 5 глав, общих выводов, списка использованных источников, включающего 118 наименований, и приложения. Общий объем работы составляет 156 страниц текста, включая 59 рисунков и 30 таблиц.
безреагентная очистка поверхностная вода китай
Основное содержание работы
Во введении рассмотрена актуальность работы и дано обоснование области применения безреагентных водоочистных технологий с учетом качества воды в природных поверхностных водоисточниках Китая, указаны научная новизна и практическая ценность диссертационной работы.
В главе 1 "Анализ современного состояния качества воды в водоисточниках и существующих систем подготовки воды в Китае" отмечено, что практически все анализируемые поверхностные водоисточники Китая (табл.1) в существенной степени подвержены природным и антропогенным загрязнениям. К ним относятся: мутность, цветность, перманганатная окисляемость, ХПК, фенолы, нефтепродукты, хлорорганические соединения и пр. В ряде случаев в воде обнаруживаются пестициды, марганец и другие соединения. Все водоисточники имеют повышенную бактериальную загрязненность.
За последние 20 лет техногенное воздействие на природную среду региона превратило, даже такой мощный водоток, как р. Янцзы в приемник сточных вод.
Существующие технологии подготовки питьевой воды, забираемой из таких водоисточников рассчитаны на снижение до нормативов мутности, цветности и бактериальной загрязненности воды и не в должной мере обеспечивают снижение таких загрязнений воды, как органические соединения, тяжелые металлы, нефтепродукты, фенолы, поверхностно - активные вещества. На современных водопроводных очистных станциях Китая традиционные реагентные технологии, базирующиеся в основном на отстаивании и фильтровании, дополняются озонированием и сорбцией. Ряд технологий предусматривает ввод дополнительных окислителей, коагулянтов и флокулянтов, использование промежуточных регулирующих водоемов, двойное озонирование и другие технологические приемы.
На основании анализа эффективности работы существующих станций очистки природных вод в Китае и странах СНГ сделан вывод о том, что для небольших объектов водопотребления с производительностью до 500-1000 м3/сут одним из перспективных путей решения проблемы подготовки поверхностных вод для технических и питьевых целей является использование безреагентных методов осветления и сорбции, реализуемых на компактных установках заводского изготовления.
Глава 2 "Обоснование безреагентной фильтрационной очистки поверхностных вод" посвящена теоретическому обоснованию безреагентной технологии фильтрования водных суспензий через зернистые многослойные инертные и сорбционные загрузки и выбору фильтрующих материалов.
Таблица 1. Показатели качества воды в поверхностных водоисточниках Китая
|
Водоисточники |
Показатели |
|||||
|
М, мг/л |
Ц, град. |
ПО, мг/л |
НП, мг/л |
Ф, мг/л |
||
|
р. Янцзы (г. Шанхай) |
8-30 |
2,5-8 |
0,1-0,5 |
0,001-0,01 |
||
|
р. Янцзы (г. Ухань) |
10-30 |
2-6,5 |
0,1-0,3 |
0,002-0,01 |
||
|
р. Янцзы (г. Чутцин) |
6-26 |
2-7 |
0,1-0,6 |
0,001-0,005 |
||
|
р. Хуанхэ (г. Цзинань) |
15-35 |
3-18 |
0,2-2,5 |
0,002-0,02 |
||
|
р. Хуанхэ (г. Чжэнчэоу) |
13-44 |
2-16,5 |
0,2-5 |
0,005-0,03 |
||
|
р. Хуанхэ (г. Ланьцжоу) |
9-35 |
2,5-25 |
0,3-5,7 |
0,004-0,04 |
||
|
р. Хэйлунцзян (г. Харбин) |
12-41 |
2-12 |
0,1-0,6 |
0,003-0,03 |
||
|
р. Хэйлунцзян (г. Цзилинь) |
12-49 |
2,5-17 |
0,2-0,9 |
0,004-0,03 |
||
|
р. Чжуцзян (г. Гуанчжоу) |
9-34 |
2-18 |
0,5-2,5 |
0,005-0,02 |
||
|
р. Чжуцзян (г. Дунгуань) |
16-42 |
3-19,5 |
0,4-3,1 |
0,002-0,01 |
||
|
р. Ляохэ (г. Лаоян) |
10-31 |
5-24 |
0,9-4,5 |
0,008-0,05 |
||
|
р. Ляохэ (г. Цзиньчжоу) |
8-50 |
4-29 |
0,6-3 |
0,01-0,05 |
||
|
р. Хайхэ (г. Тяньцзинь) |
9-45 |
2-9,5 |
0,1-0,5 |
0,003-0,02 |
||
|
р. Хайхэ (г. Ханьдань) |
10-33 |
3,5-11 |
0,1-0,4 |
0,005-0,03 |
||
|
р. Хуайхэ (г. Дэчжоу) |
13-32 |
5-25 |
0,3-4,4 |
0,007-0,04 |
||
|
р. Хуайхэ (г. Чжоукоу) |
9-39 |
6-35 |
0,3-5,6 |
0,01-0,03 |
||
|
Нормативы Китая GB5749-85 |
3 |
15 |
- |
- |
0,002 |
Примечания: Условные обозначения: М - мутность; Ц - цветность; ПО - перманганатная окисляемость; НП - нефтепродукты; Ф - фенолы
Надежность работы зернистых фильтров, эффект очистки природных вод на них во многом зависят от свойств фильтрующих материалов.
Д. т. н. Ильиным В.Г. и д. т. н. Журбой М.Г. в 1964-1970 годах было создано новое научное направление в области очистки воды фильтрованием через плавающие гранулированные полимерные загрузки. В настоящее время разработано свыше 100 различных конструкций фильтров и комбинированных установок с плавающей загрузкой (ФПЗ), нашедших широкое применение в технологических схемах очистки природных и сточных вод, применяемых в странах СНГ, США, Англии, Чехии и других. Благодаря преимуществам пенополистирольной плавающей загрузки перед традиционными кварцевыми и другими загрузками с плотностью зерен больше плотности воды, экономия эксплуатационных затрат от их применения на станциях водоочистки, по сравнению с обычными зернистыми фильтрами, достигает в среднем от 20 до 45%.
Дальнейшее развитие это направление получило после создания фильтров с пенопласто-волокнистой загрузкой (ФПВЗ) (д. т. н. Говорова Ж. М.), которые в большей степени реализованы в технологических схемах обезжелезивания подземных вод и доочистки сточных вод. Оценка современного научно-технического уровня в области очистки воды на пенополистирольных (пенопластовых) и волокнистых фильтрах подтвердила целесообразность создания и исследования водоочистных фильтров с осветлительно - сорбционным комбинированным фильтрующим слоем, позволяющим интенсифицировать работу и расширить область применения фильтровальных сооружений в целом.
Основным отличием и существенным преимуществом такой многослойной загрузки является то, что в процессе фильтрования через осветлительные инертные слои происходит сжатие верхнего волокнистого слоя и формирование его межзерновой структуры за счет выталкивающей силы Архимеда нижнего гранулированного пенополистирольного слоя, а в сорбционном плотном слое - глубокая доочистка от коллоидных и растворенных примесей органического, в том числе - антропогенного происхождения. В процессе промывки слои комбинированной загрузки расширяются только за счет энергии нисходящего и восходящего потока чистой промывной воды без дополнительных электроприводов и механических конструкций.
Усиление антропогенных нагрузок на водоисточники с одной стороны, повышение требований СанПиН 2.1.4.1074-01 (Россия) и GB5749-85 (Китай) к качеству питьевой воды, и сложившаяся экономическая ситуация в Китае с другой, обуславливают необходимость дальнейшего усовершенствования существующих фильтровальных осветлительно-сорбционных технологий и сооружений для очистки природных вод.