Экономические показатели, эффективность, очистки воды как единые критерии построения технологической схемы очистных сооружений

Экономические показатели, эффективность, очистки воды как единые критерии построения технологической схемы очистных сооружений

, к. т.н.

Сделано предложение оценки технологической схемы очистки воды по эффективности, экономическим показателям. Предложено конкретизировать эффективность на три группы.

Рассмотрена эффективность седиментации, и оценена ее эффективной и область применения лишь для дисперсных примесей более 80 мкм.

Предложено создать официальный периодический бюллетень по очистки различных вод по предложенным показателям. Определить лучшие решения по методам очистки седиментацией, флотацией, фильтрацией и др.

Ключевые слова: эффективность, седиментация, фильтрация, гранулометрический состав, исследования.

Задача построения технологической схемы очистки воды является прежде всего экономической, а потом уже и технологической, т. к. нет проблем создать эффективные очистные сооружения, проблема в том, сколько это будет стоить. В настоящем, официальных критериев в оценки данных решений не существуют, не смотря на то, что пишутся тенденциозные ТЭО и проводятся официальные тендеры. При всей развитости экономической науки эта зона деятельности еще мало исследована. Таким образом, мы данной статьей приглашаем к научной дискуссии. Эта тема большая и может и должна иметь конечный результат – официальную доктрину Минприроды.

В данной статье мы исследуем две темы, одну технологическую и одну экономическую. Технологическая тема будет касаться лишь процессам седиментации.

Критерием оценки работы любого метода очистки, технологического устройства является эффективность. Эффективность представлена в процентах от соотношения веса примесей воды на выходе устройства к его исходной концентрации. При всей простоте этого анализа нет основного критерия – насколько это эффективно. Мы предлагаем внести ясность в этом вопросе: разделить понятие эффективность на три группы: низкоэффективна, среднетехнологична, эффективна, согласно табл. 1.

Таблица 1. Классификация эффективности очистки воды

Низкоэффективна	Среднетехнологична	Эффективна
до 55%	56 – 80 %	81 % и более

Неэффективна – данный способ очистки не превышает 55% и возможности его увеличения эффективности данным способом технологически не возможны.

Среднетехнологична – при очистки воды эффективность его находится в промежутке 56 – 80 % и ресурсы увеличения эффективности не все использованы, имеет место во времени не устойчивая эффективность как в меньшую от данного диапазона, так и в большую сторону.

Эффективна – имеет место стабильная эффективность очистки воды превышающая 81%. Данная эффективность может быть уменьшена лишь при переходных процессах, форс - мажора: аварий или нарушения технологического режима.

Данная классификация должна получить официальное признание, т. к. не имеет смысл ставить вопрос о эффективности работы очистки воды, если они будут работать ниже эффективности 81%. Однако имеется и другая сторона – каким экономическим способом это возможно получить, поэтому в данной статье вводим критерии экономичности.

1. Разделение дисперсных примесей воды в гравитационном поле

Все дисперсные системы по кинематическим свойствам дисперсной фазы можно разделить на два класса: свободнодисперсные системы, в которых дисперсная фаза подвижна, и связнодисперсные системы (пористые тела) – системы с твердой дисперсионной средой, в которой частицы дисперсной фазы связаны между собой и не могут свободно перемещаться [1]. Вода в природе и производстве, в аспекте изучаемой темы, несет в себе различные включения органического и неорганического происхождения, а также растворенные газы. Эти ингредиенты качественно изменяют свойства воды. Поэтому, не рассмотрев взаимодействия воды и примесей в различных физических условиях нельзя понять и решить поставленной конечной цели – очистка сточных вод. Примеси, находящиеся в воде, по своим физическим размерам разделены на четыре основные группы, табл. 2, предложенной в 1968г [2].

Выводы формулирует так.

«1. Поведение примесей в водной среде и их реагирование на вводимые при обработке сорбентов воды определяются размерами их частиц и еще в большей степени способностью образовывать с водой однородную или неоднородную систему (гомогенную или гетерогенную).

2. Сопоставление практикуемых методов очистки воды от различных загрязнений показало, что каждому фазово-дисперсному состоянию примесей соответствуют определенные технологические приемы и методы их удаления.

Таблица 2 - Классификация примесей воды и методов их контроля и удаления (по )

Фазовая характеристика	Гетерогенные системы	Гомогенные системы
Группы	1	2	3	4
Форма нахождения веществ в водоемах	Взвеси	Золи и высокомолекулярные соединения	Молекулярно- растворимые вещества	Вещества, диссоци- ирован - ные на ионы
Размер, мкм	100-10	10 – 0,1	0,1 -0,01	0,01-0,001
Характерные представители загрязнений	Крупная взвесь. Тонкая взвесь. Планктон. Бактерии	Органно-минеральные комплексы. Гумусовые вещества. Вирусы	Летучие вещества и газы. Органические вещества и газы. Вещества, продуцируемые микро- организмами.	Катионы и анионы минераль- ных и органи- ческих соедине- ний
Методы удаления примесей из воды	Механическое разделение	Ультрафильтрация. Коагуляция. Флотация. Окисление хлором. Электрофоретичес – кие методы.	Гиперфильтрация. Перевод ионов в м. р. соедин. Использование подвижности ионов в электрическом поле. Адсорбция на активированных углях и других материалах.

3. Все неисчислимые виды загрязнений природных и промышленных вод могут быть объединены по этим показателям всего по нескольким группам. Принадлежность к ним предопределяет технологию очистки».

Рассмотрим первую группу примесей с размерами 100 – 10 мкм и механическим (седиментационным) способом удаления примесей.

Изучение гранулометрического состава взвешенных веществ дождевого поверхностного стока, отводимой с городской территории, проводились с использованием малоуглового фотометра, разработанного учеными Института коллоидной химии и химии воды НАН Украины им. Думанского, по методикам, разработанным для исследования эмульсий и суспензий. Характеристики системы мало угловой фотометрии: изучаемый объем стока – 200 см3, источник лазерного излучения ЛГ-69; погрешность измерений – не более 3,2 %; минимальный регистрируемый размер частицы – 0,16 мкм; максимальный регистрируемый размер частиц – 2500 мкм. Общая концентрация взвешенных веществ (ВВ) была 1620 мг/л, концентрация по фракциям, см. табл. 3:

Таблица 3 -

ВВ по фракциям, мкм	0,16 – 100	100 – 250	250 – 500
, мг/л	161	445	668	346

Концентрация ВВ по фракциям в поверхностном стоке

Таблица 4 –

Концентрация ВВ по фракциям в поверхностном стоке после 72 ч отстоя

ВВ по фракциям, мкм	0,16 – 100	100 – 250	250 – 370
Концентрация ВВ, мг/л	158	78,6	3,3

Таблица 5 –

Эффективность очистки седиментацией через 72 ч по фракциям

ВВ по фракциям, мкм	0,16 – 100	100 – 250	250 – 500	более 500
Эффективность отстоя, %	1,86	82,33	99,95	100

Результаты проведенных исследований представлены табл. 6. Изучая данную таблицу, можно проследить за физическими процессами, происходящими под действием гравитационного поля. Построенные графики из табл. 6 наглядно отражают изменения концентраций В. В. в очищаемой воде. Данные исследования провел

Приведенные исследования не совпадают с приведенным фракционным составом поверхностного стока [см. стр.9, 4], однако работа выполнена большая и на современном научном оборудовании. Этим результатам надо доверять.

Анализ приведенных исследований из табл.5 и 6 позволяет сделать выводы:

1. гранулометрическая фракция ВВ до 100 мкм в поверхностном дождевом стоке составляет около 80%.

2. Относительная эффективность седиментацией через 72 ч фракций ВВ до 100 мкм составляет 1,86 %.

3. Седиментация, как метод очистки воды, приемлем для фракций ВВ от 80 мкм и более.

4. Внести изменение в табл.. 2: в столбец 1 строка 2 в редакции «более 80» вместо «100 – 10»; столбец 2 строка 2 в редакции «80 – 0,1» вместо «10 - 0,1».

5. Выводы по п.3 имеют силу и для обратной седиментации c размерами частиц более 80 мкм с гидравлической кружностью 0,7мм/с, что касается в частности для нефтепродуктов см. [стр.72, 5].

Рис. 1. Диаграмма эффективности процесса седиментации по табл. 5.

Нефтепродукты в воде находятся в двух физических состояниях: пленочном и дисперсном.

Таблица 6 – Усредненный гранулометрический состав ВВ, содержащихся в поверхностном дождевом стоке

Диапазон размеров частиц, мкм	Распределение частиц по фракциям, %
В диапазонах, мкм
0,16 – 1870	0,1	0,1
в стоке	после 72 ч	в стоке	после 72 ч
0,16 - 5	17,013	19,501	21,31	19,95
5 - 10	11,577	13,112	14,5	13,42
10 - 15	8,751	9,988	11,11	10,22
15 - 20	7,1	8,492	8,62	8,69
20 - 25	6,002	7,401	7,01	7,57
25 - 30	5,110	6,210	6,4	6,63
30 -35	4,302	5,404	5,38	5,53
35 - 40	3,601	4,624	4,51	4,73
40 - 45	2,882	3,870	3,64	3,96
45 - 50	2,801	3,800	3,50	3,88
50 - 55	2,001	3,512	2,50	3,59
55 - 60	1,750	3,098	2,19	3,17
60 - 65	1,403	2,810	1,75	2,87
65 - 70	1,232	1,905	1,54	1,95
70 - 75	1,030	0,998	1,29	1,02
75 - 80	0,922	0,820	1,15	0,84
80 - 85	0,772	0,780	0,96	0,8
85 - 90	0,650	0,683	0,92	0,70
90 - 95	0,551	0,410	0,89	0,30
9	0,410	0,322	0,83	0,18
Итого	79,86	97,74	100	100

Мы считаем, что нефтепродукты не могут находиться в стоках в чистом виде, т. к. их окружают ВВ, превышающие по концентрации в десятки раз. Эта мысль подтверждается в [стр. 6, 3]: «Стабилизаторами эмульсии могут быть и механические примеси, находящиеся в подсланевых водах. В этом случае капельки нефтепродуктов

обволакиваются механическими примесями, что препятствует укрупнению и всплытию частиц нефти». Нефтепродукты относятся к неполярным жидкостям, с низким поверхностным натяжением порядка (20 – 35) · 10 –3 Н/м и смачивают практически все твердые тела. Вода с поверхностным натяжением 72,75 · 10-3 Н/м, и смачиваемость ею твердых тел значительно ниже. Этот фактор, на наш взгляд, значительно усложняет процесс утилизацию мелкодисперсных нефтепродуктов седиментацией.

Таблица 7 - Определение содержание нефтепродукта и мехпримесей в дренажных стоках Запорожской АЭС

Измерение	Размер пор слоев фильтрующего материала, мкм
60	25	10	5	1
Диаметр образца, м	38*10-3
Поверхность образца, м2	1133,54*10-6
Вес образца, кг*10-3	1,216	1,229	1,207	1,208	1,295
1,208	1,254	1,205	1,207	1,296
1,306	1,306
Средний вес образца, кг*10-3	1,243	1,263	1,204	1,2075	1,2955
Вес чистой фильтрующей ткани 550*650, кг	0,25	0,3	0,23	0,2	0,2
Вес чистой фильтрующей ткани 530*420, кг	0,156	0,187	0,143	0,125	0,125
Приведенный вес загрязненной фильтрующей ткани 530*420, кг	0,244	0,248	0,236	0,237	0,2544
Средний вес образца без нефтепродукта, кг*10-3	1,201	1,205	1,121	1,205	1,295
Приведенный вес загрязненной фильтрующей ткани без нефтепродукта 530*420, кг	0,235	0,237	0,220	0,2366	0,2543
Общий вес нефтепродукта и мехпримесей на фильтр 530*420, кг	0,088	0,061	0,093	0,112	0,129
Общий вес мехпримесей на фильтре 530*420, кг	0,079	0,05	0,077	0,1116	0,1287
Общий вес нефтепродукта на фильтре 530*420, кг	0,009	0,011	0,016	0,0004	0,0003
Содержание мехпримесей в слое, %	17,71	11,2	17,25	25,0	28,84
Содержание нефтепродуктов в слое, %	24,51	30,0	43,6	1,08	0,81

Нами был косвенным методом изучен фракционный состав дренажных вод Запорожской АЭС. Суть эксперимента, анализа в следующем. Через слои фильтрующего материала с размерами пор 60, 25, 10 , 5, 1 (мкм) фильтровалась нефтесодержащая дренажная вода в количестве 200 м3. После этой фильтрации фильтрующий материал высушивался и насечкой диаметром 38 мм были сделаны образцы фильтровальной ткани. Образцы еще раз просушили, взвесили. Затем они были обработаны чистым гексаном, чтобы удалить нефтепродукты. После этого образцы просушили и взвесили. Данные занесены в табл. 7. Косвенный анализ показывает, что наибольшее количество дисперсного нефтепродукта находится с частицами от 10 до 25 мкм, более 60 мкм дисперсного нефтепродукта лишь 17,71%. Вместе с тем, удивляет содержание ВВ от 1 до 5 мкм – почти 29%. Считаем, что дисперсность ВВ будет иметь место и намного меньше

1 мкм. В этом нам пришлось убедиться при исследовании фильтрацией ВВ поверхностных водах старокрымского водохранилища.

Данный эксперимент нами заранее не планировался, провести данный анализ потребовалось по поводу вычисления среднего содержание мехпримесей и нефтепродуктов в очищаемых стока. Поэтому не были взяты образцы чистой фильтрующей ткани, фильтр перед взвешиванием не был просушен, да и количество проб загрязненной фильтрующей ткани и его размер надо было бы увеличить. При всех недостатков проведенного исследования его данные совпадают с данными

в том, что крупных ВВ более 60 мкм в стоках относительно мало: по его данным 27,1 %, а после 72 ч отстоя 11%, по нашим – 17,71%. Как видно, разница не большая, т. ч. тенденция прослеживается, не смотря на то, что природа происхождения стоков отличается.

Можно сделать вывод по рис. 1. , что основная часть всех дисперсных частиц не превышает размеров 30 – 50 мкм, что совпадает с нашими данными по дренажной воде.

Интересно было бы сравнить результаты данных исследований с исследованием дисперсности природных вод, представленных на рис. 2 [6].

Рис. 2 - Распределение взвешенных частиц по размерам в природных водах: р. Иртыш; 2 – р. Москва в весенний паводок; 3 – р. Москва в летнюю межень

Можно сделать вывод по рис. 1, что основная часть всех дисперсных частиц не превышает размеров 30 – 50 мкм, что совпадает с нашими данными по дренажной воде.

Интересно было бы сравнить результаты данных исследований с исследованием дисперсности природных вод, представленных на рис. 2 [6].

Общие выводы

1. Необходимо внести изменения в таблицу в части механического разделения примесей и, соответственно, в раздел фильтрация.

2. После проведенного качественного анализа поверхностного стока логический вывод: эффективной очистки поверхностного стока не возможно добиться седиментацией, после нее необходимо устанавливать мощные фильтры, а фильтрующий материал с размером пор под фракционный состава ингредиентов.

С учетом развития науки и производства необходимо раз год выпускать официальный бюллетень по рейтингу технологии очистки вод по разным видам вод с эффективными и экономическими показателями, чтобы информировать общество о положении дел в этой важной сфере деятельности человека и не распылять напрасно экономические ресурсы. В экономические показатели схемы очистки надо внести :

1. отношение стоимости кап затрат ОС к максимальной и нормальной производительности, при этом надо иметь ввиду стоимость основного технологического оборудования, т. к. другие затраты - здания, бытовые условия, дизайновые решения имеют к ним косвенное отношение и обоснование их рассчитываются по другим критериям, грн/ м3;

2. удельная себестоимость очистки воды, грн/м3;

3. утилизация и переработка извлекаемых примесей, т/м3; грн/т;

4. расход природных и очищенных вод на собственные нужды.

Литература.

1. Фролов коллоидной химии. Поверхностные явления и дисперсные системы. М.: Химия, 19с.

2. Кульский обоснование технологии очистки воды. Киев, Наукова думка, 1968.

3. , Юфин сточных вод и вторичное использование нефтепродуктов.- М.: Недра, 198с.

4. Временные рекомендации по проектированию сооружений для очистки поверхностного стока с территорий промышленных предприятий и расчету условий выпуска его в водные объекты. - М.: ВНИИВОДГЕО, ВНИИВО, 19с.

5. и др. Очистка производственных сточных вод. М.: Стройиздат, 19с.

6. и др. Справочник по свойствам, методам анализа и очистки воды. Киев.: Наукова думка, 19с.