ТОНКОСЛОЙНЫЕ ОТСТОЙНИКИ – ОПЫТ ПРИМЕНЕНИЯ
1- к. т.н., 2 - д. т.н., 1- к. т.н.
1 - Водоканал г. Ростов-на-Дону»
2 – Ростовский государственный строительный университет
По мере развития хозяйственной деятельности, для сохранения природного баланса, необходимо наращивание вложений в природоохранные и восстановительные мероприятия. По ряду объективных причин, в конце 90-х годов, инвестиции в мероприятия по охране окружающей среды резко снизились, что привело к ухудшению общей экологической обстановки к началу текущего десятилетия.
Не исключением является и Ростовская область. Отсутствие подземных источников водоснабжения питьевого качества определяет применение схемы водопользования с забором питьевой воды из поверхностных источников. Одной из составляющих экологических проблем нашего региона является опасное во всех отношениях ухудшение качества поверхностных водных источников – основной базы хозяйственно-питьевого водоснабжения. Главным источником загрязнения поверхностных вод являются загрязненные поверхностные, дренажные, промышленные и хозяйственно-бытовые сточные воды. Именно поэтому основным вопросом является необходимость реконструкции и строительства очистных сооружений канализации и канализационных сетей, как в Ростовской области, так и в других регионах.
Благодаря усилиям Правительства Ростовской области в последние годы значительно возрос объем капитальных вложений на восстановление и строительство природоохранных объектов. Привлечены ресурсы Международного банка реконструкции и развития, средства областного и городского бюджета и частных инвесторов. Так, в настоящее время осуществляется строительство сооружений канализации в целом ряде районных центров, городов и поселков Ростовской области. Значительными являются достижения в обеспечении населения питьевой водой, которые развиваются в нескольких направлениях – строительство и реконструкция водопроводных очистных сооружений, разведка новых подземных водных источников и ряд других.
В настоящее время активно проводится реконструкция очистных сооружений канализации г. Ростова – на – Дону - практически единственных сооружений, очищающих сточные воды от миллионного города.
Расчеты, выполненные МУП «Ростводоканалналадка» по отдельным сооружениям (1990 г.) до реконструкции, показали, что существующие вторичные отстойники 1-й очереди ОСК имеют расчетную производительность 176,9 тыс. м3/сутки.
После проведения реконструкции расчетная производительность сооружений 1-й очереди принята 230,0 тыс. м3/сутки, максимального часового расхода – 13800 м3/ч.
На первом этапе реконструкции в г. были модернизированы вторичные отстойники.
Вторичные отстойники 1-ой очереди строительства ОСК (16) шт.) имеют размеры В х L x H = 9 х 34 х4,7 м, они сблокированы по 4 в каждой из 4-х ниток 1-ой очереди. При реконструкции выполнено следующее: объем отстойника над иловым приямком и горизонтальной частью на длине (Lотст = 11,0 м) отделяется от остальной части несущей герметичной перегородкой.
В образовавшемся пространстве располагается аванкамера и тонкослойные модули, выполненные из труб полиэтилена низкого давления ПНД, закрепленные в металлическом каркасе. Трубы собираются вплотную в ряды, ряды располагаются на расстоянии равном Двнтр в свету друг от друга, образуя межтрубный зазор. Первоначально предполагалось использовать трубы диаметром Д = 0,063 м с толщиной стенки – 2,0 мм.
Рассчитаем величину гидравлического радиуса при принятых геометрических размерах для данного решения:
1.внутритрубного пространства
Rвнтр = Д/4 =0,01575 м;
2. межтрубного пространства на 1,0 м ширины, равной В =1,0 м,
площадь живого сечения:
ωмежтр = В·2·Д – N· (π·Д2)/4 =В·Д· (2-π/4) (1)
ωмежтр =0,07652 м2;
смоченный периметр:
χ = 2·Д+N·2· (π·Д)/2 = 2·Д+(В/Д) ·2· (π·Д)/2 (2)
Величина В·π много больше слагаемого 2·Д (составляет (2·Д·100)/(В·π) = 0,6%) , поэтому слагаемым 2·Д можно пренебречь и выражение (2) примет вид:
χ = π·В = 3,14 м2.
Тогда величина гидравлического радиуса равна
Rмежтр = ωмежтр/χ =0,02437 м.
Отношение Rмежтр/Rвнтр = 1,55.
Таким образом, исходя из известной зависимости Шези, скорости разделяемой суспензии в межтрубном и внутритрубном пространстве не будут равны друг другу в условиях равенства потерь напора.
Кроме того, в данных условиях площадь живого сечения составит:
- межтрубного пространства ωмежтр =0,07652 м2,
- внутритрубного пространства
ωвнтр = N·ωвнтр = (В/Д) · (π·Д2/4)= В·π·Д/4,
ωвнтр = 0,04948 м2.
Соотношение площадей живого сечения равно:
ωмежтр /ωвнтр = 1,55.
С учетом того, что при равенстве потерь напора скорости течения жидкости в межтрубном пространстве будут больше, чем во внутритрубном, можно отметить что расход через межтрубное пространство будет в 2,25-2,5 раза больше, чем через внутритрубное. Аналогично числа Рейнольдса Reмежтр будут также в 2,25-2,5 раза больше, чем внутри труб Reвнтр. Данное обстоятельство приведет к повышенному выносу взвешенных веществ из межтрубного пространства и, как следствие, из всего отстойника.
В действительности при проведении реконструкции на ОСК использованы трубы внутренним диаметром Д = 0,084 м с толщиной стенки – 3,0 мм, а размеры зоны тонкослойного отстойника составили В = 8,8м, L = 9,8 м. В фактических конструктивных величинах вертикальная скорость подъема иловой суспензии составит
υ = Qmaxчас/(3,6·В·L·16),
υ = 2,778 мм/с (α = 60º).
Однако необходимо отметить, что скорость иловой суспензии υпол при прохождении тонкослойных элементов модуля, расположенных под углом 60о к горизонту, увеличится (даже при условии ее равномерного распределения во внутритрубном и межтрубном пространстве) за счет уменьшения площади сечения и составит υпол = 3,208мм/с.
Тогда величина чисел Рейнольдса составит: Reвнтр = 67,37 и Reмежтр = 104,42.
С учетом увеличения скорости движения иловой суспензии в межтрубном пространстве за счет работы смежных пространств модуля в условиях равных потерь напора в 1,55 раза, величины чисел Рейнольдса еще более будут разниться: Reвнтр = 67,37 и 161,846.
Те же значения чисел Рейнольдса, определенные через диаметр, составят: Reвнd = 269,46 и 647,39.
Из практики известно, что эксплуатация тонкослойных отстойников при числах Рейнольдса Reмежd свыше 280-360 попадает в зону риска, т. е. зону нестабильных показателей качества осветленной сточной жидкости. Поскольку геометрические размеры реально выполненных тонкослойных модулей существенно отличаются от расчетных, это приводит к дополнительному плохо прогнозируемому и неуправляемому увеличению нагрузки на различные, смежные пространства тонкослойного отстойника.
При этом действительные числа Рейнольдса будут существенно превышать 500, что не позволит эффективно разделять иловую суспензию. Определим скорость течения разделяемой иловой суспензии (ai =2,5-3,0 г/л; Ii =100-120 см3/г) в тонкослойных отстойниках существующей трубчатой конструкции при Reмежd = 300:
υ меж тр = Reмежd ·ν/Д = 3,571 мм/с.
Тогда при существующей конструкции загрузки скорость во внутритрубном пространстве будет в 2,25-2,5 раза меньше, т. е.
υ вн тр = Reвнd ·ν/(2,5·Д) = 1,429 мм/с.
Средняя скорость иловой смеси в существующей конструкции тонкослойного модуля, обеспечивающая качественное и стабильное разделение составит: υ ср = ( υ вн тр + υ меж тр)/2 = 2,5 мм/с.
В этих условиях расход сточных вод качественно осветляемых в одном отстойнике определится: Qосв = υ ср·sinα·B·L·3,6 = 672,17 м3/ч. При числе отстойников 16 шт., общий расход во вторичных отстойниках первой очереди ОСК составит:
Q общ = Q осв ·16 = 10754,721 м3/ч,
что на 28,316 % меньше принятого расчетного расхода и соответствует 179245 м3/сутки, что примерно равно расходу сточных вод, характерному для существующих вторичных отстойников по данным «Ростводоканалналадка» после реконструкции.
Расчетная величина расхода при заданном качестве разделения иловой суспензии может быть обеспечена только при строгом соответствии геометрической формы изготовленных модулей их конструкции по чертежам.
Изменения геометрической формы внутритрубного пространства, вследствие не качественного материала труб, атмосферного воздействия при транспортировке, конструктивных недостатков организации входа иловой суспензии в модуль приводят к тому, что внутри труб залегает и скапливается активный ил. При этом в определенных частях модуля затруднена или практически отсутствует возможность отвода сгущенного активного ила в зону его отбора и транспортировки в регенератор аэротенка. Таким образом, во внутритрубном пространстве создаются анаэробные условия, которые приводят к разложению органики с образованием газа. Активный ил образует с пузырьками газа флотокомплексы, спрессовывается и, буквально, выстреливает образовавшейся «пробкой» на поверхность. Причем разрушить данную «пробку» затруднительно. Также происходит значительное вторичное загрязнение очищенной и осветленной сточной воды растворенными и дисперсными загрязнениями.
Несомненным преимуществом тонкослойных модулей MUNTERS являются одинаковые геометрические размеры смежных полочных пространств, т. е. рядом расположенные ячейки имеют одинаковое геометрическое сечение и величину гидравлического радиуса. Например, для TUBEdeck FS 41.84, R = 0,026 м.
Рассчитаем расход разделяемой иловой суспензии в тонкослойных отстойниках, работающих с модулями MUNTERS в том же режиме, что и существующие полочные отстойники (ai =2,5-3,0 г/л; Ii =100-120 см3/г и Red = 300). Величина Re R = 75, а υ тр = ReR·ν/R = 2,885 мм/с.
Тогда при скорости 2,885 мм/с расход сточных вод в одном отстойнике равен: Qосв = υ ср·Sinα·B·L·3,6 = 775,6 м3/ч, для,3 м3/ч. Суточный расход сточных вод в тонкослойных отстойниках с модулями MUNTERS составит 206822 м3/сут.
Таким образом, можно заключить, что использование тонкослойных модулей компании MUNTERS в сравнении с описанной конструкцией трубчатых модулей позволяет на 15,39 % увеличить производительность отстойника при сохранении требуемого качества осветленных вод.
На основании этого, в процессе капитального ремонта и реконструкции сооружений, для разделения иловой смеси было принято решение о замене трубчатых тонкослойных блоков во втором отстойнике первой очереди сооружений на тонкослойные модули TUBEdek FS 41.84 компании GEA 2H Water Technologies GmbH.
Несомненным преимуществом тонкослойных модулей TUBEdek FS 41.84. являются одинаковые геометрические размеры смежных полочных пространств, т. е. рядом расположенные ячейки имеют одинаковое геометрическое сечение и величину гидравлического радиуса. Например, для TUBEdek FS 41.84, R = 0,026 м. Основные технологические параметры и результаты работы тонкослойного отстойника приведены в табл.1.
Таблица 1- Показатели работы тонкослойных модулей TUBEdek на КОС г. Ростова-на-Дону
Определяемые параметры | № отобранной пробы / Дата | |||||||
№1/ 2008 | №2/ 2008 | №3 / 2009 | №4 / 2009 | №5 / 2010 | №6 / 2010 | №7 / 2011 | №8 / 2011 | |
Концентрация взвешенных веществ, мг/л | 3,8 | 13,3 | 8,6 | 9,43 | 13,32 | 9,7 | 9,11 | 17,00 |
Концентрация БПК5, мг/л | 5,25 | 14,04 | 7,29 | 14,08 | 14,75 | 13,59 | 8,30 | 15,10 |
Концентрация ХПК, мг/л | 14,78 | 21,29 | 17,4 | 18,9 | 24,3 | 17,74 | 16,20 | 25,00 |
Доза ила, г/л | 1,8 | 2,3 | 2,65 | 3,02 | 2,62 | 2,86 | 2,10 | 2,60 |
Иловый индекс, см3/г | 100 | 140 | 118 | 105 | 117 | 115 | 100 | 120 |
Концентрация растворенного кислорода, мг/л | 2,5 | 3,3 | 2,2 | 2,3 | 3,2 | 3,7 | 2,1 | 3,1 |
Конструктивные особенности загрузки, образуемой бескаркасными тонкослойными модулями, обеспечивают ее высокую прочность. Одинаковые геометрические размеры и высокие гидравлические характеристики смежных ячеек тонкослойного модуля позволили более равномерно распределить нагрузку на отстойник. Это, в свою очередь, обуславливает длительную, с 2007 года, и надежную эксплуатацию. Особенности сборки тонкослойных модулей TUBEdek FS 41.84 в пространственную конструкцию позволяют вписать ее в строительные объемы любой конфигурации, что и выполнено на ПП «Ростовская станция аэрации» Водоканал г. Ростова-на-Дону».
Однако в процессе эксплуатации выявилась обязательная технологическая операция, отсутствие которой не позволяет эффективно эксплуатировать вторичные отстойники с тонкослойными модулями. Высокая степень разделения иловой суспензии, в условиях продолжительной инсоляции, приводит к интенсивному процессу иммобилизации биомассы и водорослей, развитию их на блоках тонкослойных модулей. Через определенный промежуток времени происходит обрастание тонкослойных модулей. Обрастание ламелей приводит к изменению расчетной шероховатости поверхности, что, в свою очередь, практически полностью останавливает процесс сползания активного ила, снижая тем самым эффективность осветления. Далее, в иммобилизованной на поверхности массе активного ила (биопленки) развиваются анаэробные процессы, сопровождающиеся вторичным загрязнением очищенных вод (БПК, аммонийный азот, сероводород) и выделением газов. С течением времени происходит ее отрыв и вынос на поверхность в виде серо-черных плавающих комков, повторяющих форму поперечного сечения ламелей. В итоге увеличивается вынос взвешенных веществ в осветленную сточную жидкость. Поэтому при применении модулей во вторичных отстойниках конструкция сборных лотков должна предусматривать задержание этих всплывающих конгломератов.
Таким образом, для эффективной эксплуатации тонкослойных отстойников необходима обязательная периодическая их регенерация, т. е. снижение шероховатости ламелей, до величин, обеспечивающих модуль сдвига (сползание) взвешенных веществ. Причем периодичность регенерации зависит от времени года и колеблется от одного раза в 2-3 дня в летний период и одного раза в неделю зимой.
В этой статье хотелось бы также рассказать о реконструкции на ПП «Ростовская станция аэрации».
В процессе реконструкции вторичных отстойников КОС Ростова-на-Дону в 2007 году была смонтирована система регенерации тонкослойных модулей TUBEdek по патенту № 000 (патентообладатели д. т.н. , к. т.н. и др.). Расположенные определенным образом воздуховоды создают кроме воздушной промывки эрлифтный эффект, а возникающее при этом активное гидродинамическое воздействие интенсифицирует процесс регенерации. После пуска системы регенерации в работу был разработан регламент эксплуатации отстойника, использование которого позволило стабилизировать процесс разделения иловой суспензии.
Очевидные технологические, конструктивные и эксплуатационные преимущества позволяют сделать вывод о целесообразности использования тонкослойных модулей TUBEdek FS 41.84 в практике очистки сточных вод как при реконструкции сооружений, так и при новом строительстве [2].
Привлекательность для практиков процесса сборки и монтажа без применения грузоподъемных механизмов, достаточно высокие гидравлические характеристики и показатели эффективности выделения гидроксидов железа (+3) стали побудительным мотивами опытно-промышленных испытаний модулей TUBEdek при очистке шахтных вод водоотлива шахтных вод шахты им. Кирова (Новошахтинский район Ростовской обл.) [3].
Модуль был смонтирован в отстойнике одной из 4-х параллельных линий очистных сооружений с соблюдением высотных отметок, обеспечивающих самотечный режим движения сточных вол. Учитывая опыт эксплуатации на ПП «Ростовская станция аэрации», в нижней части модуля была предусмотрена воздушная гребенка для периодической продувки (регенерации) пластин.
Результаты 3-х месячных испытаний показали, что эффективность выделения гидроксидов железа (+3), составила%, без модулей%, гидравлическая нагрузка на секцию возросла см3/ч дом3/ч. Регенерация межполочного пространства проводится 1 раз в двое суток в течениеминут продувки воздухом.
Вместе с этим выявилось конструктивное и технологическое противоречие существующего отстойника и модуля, заключающееся в недостаточном объеме приямка для сбора шлама, что привело к необходимости более частого включения шламовых насосов и откачке недостаточно уплотненного шлама. Подобную увязку следует выполнять на стадии проекта реконструкции.
И как это учитывать? Каким образом и на сколько увеличивать приямки? (Это есть частные детали, которые необходимо учитывать при конкретном проектировании. Материал отдельного сообщения).
Достаточно эффективно применение тонкослойных модулей для разделения (или концентрирования) биомассы в анаэробных реакторах и в аэротенках, работающих в течение нескольких лет без доступа для обслуживания. Для регенерации межполочного пространства применяется водяная промывка под напором в течение 30 минут один раз в неделю (очистные сооружения по очистке сточных вод производства пива и спирта).
Может тут тоже есть фотки……….
Для производственных сточных вод убойных цехов мясо - (птице) комбинатов, в которых тонкослойные модули располагаются в отстойниках, флотаторах или фазовых сепараторах в водовоздушный режим регенерации (1 раз в 2 суток) необходимо добавлять обеззараживание всех поверхностей, соприкасающихся со сточной жидкостью. Это предотвращает развитие анаэробных сульфатредуцирующих бактерий и, соответственно, препятствует появлению сульфидов.
Какие-нибудь параметры по промывке – желательно добавить! (Данные технологические значения являются собственностью патентообладателей).
Положительный опыт использования тонкослойных модулей в анаэробных реакторах и в аэротенках позволяет предполагать эффективное их применение в SBR-реакторах, внедрение которых у нас в стране только начинается, несмотря на неоспоримые энергосберегающие преимущества.
Что-нибудь добавить про полки в СРБ реакторах – Пожалуйста! (Здесь говорится о гипотетическом их использовании.)
Менее трудоемки в эксплуатации тонкослойные модули, установленные на очистных сооружений поверхностных сточных вод, где их применение сокращает на% требуемые объемы сооружений и, соответственно, затраты [4]. Однако, высокая плотность оседающей твердой фазы поверхностных сточных вод (г/дм3) требует более мощных опорных конструкций, поскольку происходит разрушение как межполочного пространства, так и их креплений в отстойных сооружениях.
Литература:
1. , , . Сравнительный расчет тонкослойных отстойников различной конструкции, «Техновод – 2005», 2 Межд. Конф. Научн. практ. конф., посв-я 1000-летию Казани Казань 2005, с. с. 144 – 149.
2. , , Климухин использования загрузок кампании 2H Kunststoff в практике очистки сточных вод / «Техновод – 2006», 2 Межд. Научн. практ. конф., посв-я 10-летию пром-го производства ОХА в России Новочеркасск: «Темп», 2006, с.230 – 232.
3. , А, Доочистка шахтных вод на фильтрах с песчаной загрузкой / Инж. Вестник Дона, электронный журнал, 2011, №1, 11 С.
4. , ,Бояренев очистка поверхностных вод / Строительство – 2005»: Материалы Международной научн. – практич. конф. – Ростов н/Д: РГСУ, 2005. – с. 44– 46.
