bbk 000000

УДК 628.3.034.2:628.169.2

Артеменок Н. Д., Урванцева М. И.

Комплексная оценка процессов очистки промывных вод водопроводных станций в Западной Сибири

Аннотация

Рассмотрены способы обработки промывных вод водопроводных станций, расположенных на поверхностных водоисточниках Западной Сибири. Предложена технология многократного использования промывных вод в технологическом процессе на основных сооружениях насосно-фильтровальных станций. Определены основные характеристики природных и промывных вод, рассчитаны необходимые размеры сооружений для качественной очистки промывных вод. Результаты экспериментальных исследований и проведенные расчеты доказали возможность применения на действующих очистных сооружениях основной технологической схемы обработки природной воды (горизонтальные отстойники и скорые фильтры) для очистки промывных вод.

Ключевые слова

диффузия , промывные воды , горизонтальный отстойник , коэффициент диффузии , седиментация , гидравлическая крупность

Скачать статью в журнальной верстке (PDF)

Проблема очистки промывных вод водопроводных станций, расположенных на поверхностных источниках, должна решаться в комплексе с обработкой природных вод. В практике очистки промывных вод можно выделить несколько основных направлений:

• подача промывных вод в трубопроводы перед смесителем станции очистки через резервуар-усреднитель, непосредственно в смесители после отстаивания, в смесители после специальной обработки (усреднение, фильтрование и т. д.);
• сброс промывных вод в канализационные сети с последующей подачей их на очистные сооружения;
• сброс промывных вод без обработки в водоем или на специально выделенные участки рельефа местности, а также закачивание их в подземные горизонты (без очистки).

Перечисленные направления имеют существенные недостатки [1; 2], поэтому была поставлена задача найти наиболее рациональный метод обработки промывных вод для последующего их применения в технологии подготовки питьевой воды. В ходе научно-исследовательских работ, проведенных на водопроводных станциях сибирских городов, была предложена и запатентована технологическая схема многократного использования промывных вод [3].

Технология дает возможность задействовать основные сооружения насосно-фильтровальных станций: выделяется один или несколько горизонтальных отстойников и скорых фильтров, а очищенная промывная вода питьевого качества используется для промывки. Такой способ очистки позволяет вернуть в процесс водоподготовки от 6 до 8% воды.

Для решения поставленной задачи была проведена серия статических и динамических экспериментов по обработке промывных вод от скорых фильтров станции очистки. Эксперименты выполнялись на моделях отстойников и фильтровальных сооружений, размеры которых были определены по теории технологического моделирования. Исследования проводились в течение 2005–2010 годов (во все периоды года) на сооружениях Новосибирского и Кемеровского водопроводов. Результаты подробно рассмотрены в работе [4].

Опытным путем было установлено, что наилучшие результаты обработки промывных вод были достигнуты при использовании коагулянта оксихлорида алюминия и флокулянта «Праестол», которые обычно применяются для обработки природных вод. При проведении экспериментов было отмечено, что процесс отстаивания промывных вод происходит более эффективно при значительно меньших дозах реагентов. Для объяснения причин такого явления была проведена комплексная сравнительная оценка показателей качества природных вод, обработанных реагентом, и промывных вод.

В результате сравнения было отмечено следующее.

1. Условия формирования взвеси в природных и промывных водах принципиально отличаются друг от друга. Природная взвесь формируется в результате влияния на водоисточник климатических условий, атмосферных осадков, залегающих горных пород и степени их выщелачивания, смешения воды рассматриваемого источника с водами других поверхностных водоемов, а также антропогенных факторов. Взвесь промывных вод получена в результате отстаивания и фильтрования природной воды при ее реагентной обработке.

2. Важным параметром, влияющим на степень очистки, является концентрация взвешенных веществ, которая в природной воде может значительно изменяться даже в течение суток (например, в паводковый период). Промывные воды характеризуются более стабильным содержанием взвеси в течение суток независимо от времени года. Стабильный состав взвеси при очистке промывных вод позволяет облегчить процедуру подбора доз реагентов, что упрощает эксплуатацию сооружений, тогда как резкие колебания концентраций взвешенных веществ в природных водах по временам года затрудняют этот выбор. Некоторые качественные характеристики природных и промывных вод скорых фильтров водопроводных очистных сооружений г. Новосибирска в период весеннего половодья 2009 г. представлены в табл. 1.

3. Гранулометрический состав взвешенных веществ в природных и промывных водах различается. Природные воды – это гетерогенная система, состоящая из грубодисперсных примесей и коллоидных систем, в то время как промывные воды – это однородная коллоидная система. Гранулометрический состав взвеси промывных вод скорых фильтров водоочистной станции Новосибирска и природных вод (река Обь) приведен в табл. 2. Установлено, что средняя крупность взвеси в реке Оби составляет 0,23 мм [5], а в промывных водах средний размер частиц – 0,017 мм.

4. При определении эффективности процессов очистки одним из параметров является температура воды, которая для природных и промывных вод практически одинакова.

Таким образом, изучение вопросов комплексной очистки промывных вод необходимо проводить с учетом их отличий от природных вод, подвергающихся реагентной обработке. Большой интерес представляет более подробное изучение различий диффузионных процессов, происходящих в основном в камерах хлопьеобразования, и процессов седиментации частиц, заканчивающихся в объеме горизонтальных отстойников.

Так, в камерах хлопьеобразования под влиянием теплового движения происходит самопроизвольное выравнивание концентрации частиц по объему и их диффузия. Мерой процесса диффузии является коэффициент диффузии, который зависит от свойств дисперсионной среды и размеров движущихся частиц. Для частиц сферической формы коэффициент диффузии D, см²/с, можно определить с помощью уравнения Эйнштейна-Стокса [6]:

где k – константа Больцмана, Дж/К; T – абсолютная температура, К; r – размер частиц, см; η – вязкость среды, Па·с.

Для расчета коэффициентов диффузии в промывных водах вязкость среды и средний диаметр взвешенных частиц определялись экспериментально. Для речных вод вязкость среды принималась равной значениям, приведенным в справочной литературе [7].

По значениям коэффициентов диффузии, рассчитанных для речных и промывных вод (табл. 3), можно судить о влиянии диффузионных процессов на эффективность структурообразования (хлопьеобразования) коллоидных систем и последующей их седиментации.

Из данных, представленных в табл. 3, следует, что коэффициент диффузии в речной воде в 16 раз ниже, чем в промывной. Это значит, что время коагуляции (хлопьеобразования) при обработке промывных вод должно быть меньше, чем при обработке природных вод. На основании этого утверждения и проведенных экспериментов было сделано предположение о достаточной длине существующих горизонтальных отстойников для очистки в них промывных вод. Для подтверждения расчетных значений и более полного объяснения сущности протекающих процессов совместно с сотрудниками Института катализа им. Борескова Сибирского отделения РАН дополнительно было проведено определение дзета-потенциала исследуемых систем, коэффициентов диффузии, подвижности и электропроводимости систем на приборе NICOMP 380 ZLS Zetaponetial/ParticleSizer. Приборные измерения подтвердили приведенные расчетные данные (табл. 3).

Учитывая, что промывные воды имеют более однородный гранулометрический состав взвеси и значительно меньший средний диаметр частиц, на эффективность осаждения при прочих равных условиях (температура, вязкость, концентрация, дозы реагентов, гидравлическая крупность и др.) могут оказывать влияние размеры поперечных пульсаций, возникающие вследствие турбулентного режима движения воды в отстойнике. Изучение этого влияния на процесс осаждения взвеси промывных вод необходимо ввиду того, что оно может привести к корректировке размеров отстойных сооружений. При этом следует сравнить гидравлическую крупность взвешенных веществ в промывных водах с величиной поперечных (вертикальных) пульсаций при турбулентном движении потока. Пульсационную составляющую скорости в потоке можно определить с помощью гипотезы локальной турбулентности Прандтля [8–10], представив касательные напряжения в виде:

где ρ – плотность воды, кг/см³; l – путь перемешивания по Прандтлю, l = ky, см; k – универсальная постоянная Кармана, k = 0,4; y – вертикальная координата, см; U` – продольная пульсация, см/с; w` – вертикальная пульсация, см/с.

Согласно гипотезе Прандтля [5–7], в бесконечно малой окрестности точки в движущейся жидкости все три пульсации (вертикальные, продольные, поперечные) по взаимно перпендикулярным направлениям равны между собой. В результате преобразований выражений (2) и (3) получим:

Для определения вертикальной пульсации используем формулу Крея:

где U – продольная скорость движения воды в данной точке на вертикали, см/с; U_m – скорость на поверхности воды в отстойнике, см/с; η – относительная координата точки, η = y/h; h – рабочая глубина отстойника, см; α – относительная шероховатость, α для бетона = 0,0005–00017.

Преобразуя формулы (4) и (5), получим:

Формула (9) позволяет рассчитать величину вертикальных пульсаций в любой точке потока, движущегося в горизонтальном отстойнике. Некоторые значения вертикальных пульсаций (в зависимости от характеристик потока) представлены в табл. 4.

Степень дисперсности взвешенных веществ в промывных водах характеризуется величиной гидравлической крупности, значения которой были определены на объектах исследования в течение всех сезонов года. В результате экспериментов было получено, что осредненные значения гидравлической крупности для промывных вод, обработанных реагентом, в течение года изменялись в пределах от 0,29 до 0,392 мм/с. Согласно табл. 4, вертикальные пульсации достигают максимальных значений на глубине 0,5h и при расчетной скорости движения промывных вод v_ср = 0,58 см/с равны 55,73·10^–8 см/с. Сравнивая максимальные значения пульсаций и расчетной гидравлической крупности взвешенных веществ, выявлено, что величина пульсаций во много раз меньше величины гидравлической крупности осаждающейся взвеси.

Данный вывод позволяет заключить, что вертикальные пульсации не оказывают заметного влияния на процессы осаждения взвеси, а основной характеристикой при назначении размеров горизонтальных отстойников для промывных вод является величина минимальной гидравлической крупности частиц взвеси. Необходимую длину горизонтальных отстойников можно определить по формуле [11]:

где H_ср – средняя высота зоны осаждения, м, принимается равной 3,25 м; v_ср – расчетная скорость горизонтального движения воды в начале отстойника для промывных вод (для сооружений г. Новосибирскаv_ср = 4,5 мм/с); w₀ – скорость выпадения взвеси, мм/с (для промывных вод, обработанных реагентом, определена экспериментально), w₀ = 0,29–0,392 мм/с.

В результате расчета оптимальная длина горизонтального отстойника для промывных вод, обработанных реагентом, составила L = 37,5 м, что значительно меньше расчетной длины, принятой для условий Западной Сибири при обработке природных вод (для Новосибирска и Кемерово – 60 м).

Выводы

Результаты экспериментальных исследований и проведенные расчеты доказали возможность применения на действующих очистных сооружениях основной технологической схемы обработки природной воды (горизонтальные отстойники и скорые фильтры) для очистки промывных вод. Расчетную длину горизонтальных отстойников, согласно проведенным теоретическим расчетам, можно рекомендовать для проектирования, что приведет к значительному снижению капитальных затрат на строительство сооружений по обработке промывных вод.

Список цитируемой литературы

1. Новиков М. Г., Иванова Н. Г., Дмитриева Л. П. Утилизация промывных вод фильтровальных сооружений на водоочистных станциях // Вода и экология, проблемы и решения. 2000. № 1.
2. Драгинский В. Л., Алексеева Л. П. Обработка промывных вод фильтров водоочистных станций // Водоснабжение и сан. техника. 2005. № 8.
3. Пат. 2320541, РФ. МПК С 02 F 1/00. Способ очистки природных вод / А. М. Никитин, Н. Д. Артеменок, М. И. Урванцева, Ю. Н. Похил // Изобретения. Полезные модели. 2006. № 1.
4. Жагин В. А., Шоколов А. Н., Урванцева М. И., Артеменок Н. Д. Обработка промывных вод водопроводных станций зарегулированных источников // Водоснабжение и сан. техника. 2009. № 3.
5. Государственный водный кадастр. Ежегодные данные о режиме и ресурсах поверхностных вод суши 1978 г. Ч. 1. Т. 6. Вып. 0–3. – Новосибирск, Западно-Сибирское управление по гидрометеорологии и контролю природной среды, 1980.
6. Воюцкий С. С. Курс коллоидной химии. – М.: Химия, 1975.
7. Справочник по гидравлическим расчетам: Под ред. П. Г. Киселева. – М.: Энергия, 1972.
8. Шлихтинг Г. Теория пограничного слоя. – М.: Наука, 1974.
9. Лойцянский Л. Г. Механика жидкости и газа. – М.: Дрофа, 2003.
10. Гришанин К. В. Теория руслового процесса. – М.: Транспорт, 1972.
11. СНиП 2.04.02-84*. Водоснабжение. Наружные сети и сооружения.