CC BY
37УДК 628.334.51 / 628.339.066.1
ИССЛЕДОВАНИЕ ПРОЦЕССОВ СЕДИМЕНТАЦИИ ПРИМЕНИТЕЛЬНО К КАНАЛИЗАЦИОННЫМ ОЧИСТНЫМ СООРУЖЕНИЯМ Г. СИМФЕРОПОЛЬ,
РЕСПУБЛИКА КРЫМ
Черная М.Л., Копачевский А.М., Субботкин Л.Д.
ФГАОУ ВО «Крымский федеральный университет имени В.И. Вернадского»,
Академия строительства и архитектуры (структурное подразделение),
Адрес: г. Симферополь, ул. Киевская, 181.
Аннотация. наиболее точные результаты расчетов первичных отстойников получают на основе данных о кинетике выпадения взвеси. в статье рассмотрены методики исследований процессов седиментации. по результатам экспериментальных исследований построены кривые кинетик осаждения взвешенных веществ. сопоставлены экспериментальные кинетики с кинетиками снип. произведен расчет первичных радиальных отстойников по методикам снип и мгсу с экспериментальной кинетикой и кинетиками, приведенными в снип ц-32-74 и снип 2.04.03-85. расчет первичных радиальных отстойников по методике мгсу с экспериментальной кинетикой наиболее адекватен фактическим данным канализационных очистных сооружений г. симферополь.
Ключевые слова: первичные радиальные отстойники, взвешенные вещества, седиментация, кинетика осаждения.
Введение
Седиментация (отстаивание) является наиболее простым и часто применяемым в практике способом выделения из сточных вод грубодисперсных примесей, которые под действием гравитационной силы оседают на дно отстойника или всплывают на его поверхность [1].
В зависимости от требуемой степени очистки сточных вод отстаивание применяется или в целях предварительной их обработки перед очисткой на других, более сложных сооружениях, или как способ окончательной очистки, если по местным санитарным условиям требуется выделить из сточных вод только нерастворенные примеси.
Постановка проблемы и задач исследования
Расчет первичных отстойников может производиться по приближенным расчетам: по нагрузке на поверхность зеркала воды отстойника, по расчетной продолжительности отстаивания и по наименьшей гидравлической крупности частиц, подлежащих задержанию в отстойнике [2]. Наиболее точными являются методы, основанные на данных о кинетике выпадения взвеси.
В 1985 году вышел СНиП 2.04.03-85, в котором была приведена кинетика осаждения взвешенных веществ, значительно отличающаяся от кинетики, приведенной в СНиП 11-32-74, при этом методики расчета первичных отстойников по СНиП 11-32-74 и СНиП 2.04.03-85 идентичны (далее методика СНиП). Объемы первичных отстойников, получаемые по методике СНиП с кинетикой, приведенной в СНиП 2.04.03-85, в разы отличаются от объемов первичных отстойников, получаемых с кинетикой, приведенной в СНиП 11-32-74. В 1987 году Союзводоканалпроект - как ответственный разработчик СНиП, письмом 03/3925 от 14.08.87 внес ряд изменений в СНиП 2.04.03-85. Изменения коснулись и кинетики осаждения взвешенных
веществ путем ее замены на кинетику, приведенную в СНиП 11-32-74. Однако ГОССТРОЙ СССР не успел утвердить эти изменения в связи с развалом Советского Союза.
Таким образом, поскольку нормативно данный вопрос окончательно не был урегулирован, то создалась парадоксальная ситуация, когда часть организаций ведут расчет по методике СНиП с кинетикой, приведенной в СНиП 2.04.03-85, а часть организаций с кинетикой, приведенной в СНиП II-32-74.
В 2002 году в учебном издании для вузов была широко опубликована методика расчета первичных отстойников Московского
государственного строительного университета (МГСУ) с использованием кинетики, приведенной в СНиП 2.04.03-85. Но поскольку учебное издание не является нормативно обязательным, сохранилась неопределенность в вопросах принимаемой методики расчета и кинетики.
Возможность выхода из неопределенной ситуации появилась после выхода в свет СП 32.13330.2012, в котором указано, что расчет отстойников следует производить по кинетике осаждения взвешенных веществ с учетом требуемого эффекта осветления [12]. При этом ни методика расчета, ни кинетика не приведены. Идеологически предполагается, что кинетика будет определена экспериментально на реальной воде, или на аналогичных объектах, а выбор методики расчета оставлен за проектировщиком исходя из современного состояния уровня знаний о седиментации и типов принимаемых к расчету сооружений.
Следует отметить, что в опубликованных методиках имеются отличия. Так по методике, опубликованной в СНиП, коэффициент полезного использования объема отстойников применяется дважды: первый раз при определении
гидравлическои крупности и второй раз при вычислении размеров отстойника. Расчетная формула гидравлической крупности по данной методике приведена ниже:
«0 =
1000 • Не • к:зе{
/ \п
К,ег •Нвег
,мм/с ,
(1)
Чег
и
яег
где Н
■ глубина проточной части
отстойника, м;
Ке - коэффициент использования объема проточной части отстойника;
- глубина при отстаивании в покое,
и,
принимаемая равной 0,5 м;
- продолжительность отстаивания, с, соответствующая заданному эффекту очистки и полученная в лабораторном цилиндре в слое Ие;
п - показатель степени, зависящий от агломерации взвеси в процессе осаждения.
По методике МГСУ коэффициент объемного использования должен вводится только при вычислении размеров отстойника, а гидравлическая крупность определяется без него [5,6]. Расчетная формула гидравлической крупности по методике МГСУ приведена ниже:
1000 • Не
и 0 =-——, мм / с , (2)
и - п
(
г,.
н,.
V ияег )
Исходя из вышесказанного можно сделать вывод: кинетика взвеси для методик расчета СНиП и МГСУ не может быть идентичной.
Путаница с кинетикой осаждения и отличия в методиках расчета послужили поводом для проведения исследовательских работ кафедры Водоснабжения, водоотведения и санитарной техники Академии строительства и архитектуры (ранее Национальная академия природоохранного и курортного строительства) по кинетике осаждения взвешенных веществ применительно к канализационным очистным сооружениям (КОС) г. Симферополь.
Методики исследований процессов седиментации
Существуют следующие методики исследований процессов седиментации:
1. Осаждаемость в цилиндрах Лисенко или конусах Имгоффа по объему осадка, выпадающего за определенные промежутки времени. Происходящее с течением времени уплотнение собравшегося на дне цилиндра осадка и, следовательно, уменьшение занимаемого им объема приводит к искажению получаемых результатов оседания грубодисперсных примесей. Получаемая в таком случае кривая не может характеризовать скорость оседания грубодисперсных примесей, и потому для расчета отстойников малоприменима [7].
2. Пипеточный метод седиментационного анализа по массе [8]. В данном методе ведется отбор проб воды с определенной глубины зоны отстаивания. Для построения кривых кинетик, аналогичных приведенным в СНиП, отбор проб воды необходимо производить со всего объема зоны отстаивания для получения усредненного фактического значения. Поэтому кривые кинетик осаждения взвешенных веществ, полученные пипеточным методом, сложно сопоставлять с кинетиками СНиП без значительного увеличения экспериментальных точек при различных глубинах отбора проб.
3. Определение осаждаемости взвеси на торсионных весах путем непосредственного взвешивания осадка, который образуется при выпадении из воды взвешенных веществ. Недостатком данной методики является зависимость глубины погружения чашки торсионных весов от концентрации взвешенных веществ в исследуемой воде с учетом того, чтобы объем осадка, образующийся в результате выпадения взвеси из столба жидкости над чашкой, не превышал емкость самой чашки. Поэтому для исследуемой воды большой мутности погружение чашки должно быть небольшим. Для воды с невысокой концентрацией взвешенных веществ глубина погружения чашки должна быть максимально возможной [9]. Учет данных обстоятельств при колеблющихся концентрациях взвешенных веществ в поступающих сточных водах затруднен.
4. Осаждаемость в лабораторных цилиндрах по массе путем определения концентрации взвешенных веществ во всем объеме зоны отстаивания ( Иотс, мм ) через определенный промежуток времени [9].
Госкомитетом по науке и технике и техническим советом стран-членов совета экономической взаимопомощи принято, что для сравнения результатов исследований, выполненных разными авторами, эксперименты по отстаиванию взвешенных веществ в покое должны проводиться при высоте зоны отстаивания иотс = 500 мм , принимаемой за эталон [1]. При этом диаметр цилиндров должен быть не менее 120 мм [10], поскольку в цилиндрах меньшего диаметра осаждение взвешенных веществ будет происходить в стесненных условиях, что повлечет за собой недостоверность получаемых результатов.
Данный метод был выбран за основу при проведении экспериментальных исследований.
Предварительные исследования
Для получения зависимости концентрации взвешенных веществ от оптической плотности через определенные промежутки времени были отобраны пробы воды на входе в первичный отстойник и на выходе из него. Для одной части каждой пробы по методике [11] было определено содержание взвешенных веществ, выраженное в мг/л. Для
другой части каждой пробы была найдена оптическая плотность Д на колориметре фотоэлектрическом концентрационном при длине волны Л = 540 нм в кюветах на 50 мм.
В связи с тем, что сточные воды изменяют свои свойства на протяжении времени пребывания в первичном отстойнике, для определения концентрации взвешенных веществ через величину оптической плотности были отдельно построены две калибровочные кривые: для воды на входе в первичный отстойник и для воды на выходе из него (рис. 1).
0,400
Бак-усреднитель заполнялся исследуемой сточной водой, отобранной из распределительной чаши первичных отстойников. Перед заполнением цилиндров вода в баке-усреднителе тщательно перемешивалась мешалкой и отбиралась проба исходной воды для определения исходной концентрации Сеп, мг / л.
Затем цилиндры заполнялись исследуемой водой из бака-усреднителя до верхнего переливного штуцера и фиксировалось время начала процесса седиментации взвешенных частиц в состоянии покоя. Экспериментальные исследования проводились в помещении с температурой, близкой к температуре исследуемой воды. Время отстаивания принималось для всех цилиндров разным, возрастающим от первого цилиндра к последнему.
По истечении заданного для каждого цилиндра времени отстаивания объем воды из всей зоны отстаивания сливался через штуцера с кранами в отдельные емкости, из которых отбирались пробы воды для измерения концентрации взвешенных веществ в осветленных сточных водах Сех, мг / л .
Эффект осветления воды для каждого из исследуемых промежутков времени находился по приведенной ниже формуле:
Концентрация, мг/л
— Для воды на входе в первичный отстойник - Для воды на выходе из первичного отстойника
Рис. 1. Калибровочные кривые
Поисковые исследования по определению характера кинетики
Экспериментальная установка представляла собой модель отстойника-декантатора (цилиндры из полипропиленовых труб диаметром ё = 150 мм с
высотой зоны отстаивания котс = 500 мм). Также в состав экспериментальной установки входили бак-усреднитель вместимостью 50 л и мешалка (рис. 2).
С - С Э = Сеп Сех • 100,% С
(3)
Рис. 2. Экспериментальная установка
По результатам исследований были построены кривые кинетики осветления воды Э = /у) , показывающие зависимость количества выпавшей в осадок взвеси, выраженной в процентах от исходной концентрации ( Э, % ), от продолжительности отстаивания ((, с) (рис. 3).
По результатам экспериментальных исследований можно сделать следующий вывод: фактический состав сточных вод не однозначен и имеет различные характеристики в течении дня и различную природу. Так, воды, поступающие рано утром, имеют более низкую концентрацию взвешенных веществ и имеют одну кинетику осаждения. Сточные воды, поступающие в середине дня, имеют более высокую концентрацию взвешенных веществ и другую кинетику осаждения. Сточные воды, поступающие в переходный период между утром и серединой дня, имеют кинетику и концентрацию отличающиеся от двух других. Вид кривых в целом подобен общему понятию кинетики осаждения взвешенных веществ при сравнении с данными СНиП. Не нарушены последовательности, связанные с распределением кривых кинетик в зависимости от исходных концентраций. С увеличением исходных концентраций эффект осветления возрастает и кривые располагаются выше (смотри СНиП 11-32-74 [4] и СНиП 2.04.0385 [3]). Фактически такая зависимость подтвердилась.
Рис. 3. Сводный график кинетик СНиП и экспериментальных кинетик
80,00
70.00
60,00
50,00
В
а 40.00
•е- зо,оо
£4
20.00
10.00
0,00
1 3
__■
/ тг
/У / / / / /
/ / / /
/ / 1 / / / / /
1 > ( / //' к // 2 " к Р 3 э инетика СЬ инетика С]-<сперимеш [иП П-32-7-[иП 2.04.03 альная кин 1 (кривая п -85 (кривая етика жучена пут получена г ем интерш гутем инте] шяции) шоляции)
Продолжительность отстаивания, с Рис. 4. Кинетики осаждения взвешенных веществ для исходной концентрации Сеп = 221 мг / л
Анализ методик расчета первичных отстойников
Первая очередь строительства КОС г. Симферополь была запроектирована по СНиП II-
32-74 на производительность 2 = 120000 м / сут с числом рабочих первичных радиальных отстойников равным четырем. При расширении
КОС на расход 2 = 170000 м / сут количество
рабочих первичных радиальных отстойников было увеличено до шести.
Фактически во время проведения экспериментальных исследований на КОС
поступало 99799 м / сут сточных вод и в работе находились пять первичных радиальных отстойников: три из них диаметром Б = 28 м и два диаметром Б = 30 м . В связи с этим
продолжительность пребывания сточных вод в отстойниках была увеличена до tфaкт = 7140 с , а
фактический эффект очистки повысился до Э = 59,28% . При этом концентрация взвешенных веществ перед первичными отстойниками составляла Сеп = 221 мг / л , а после отстаивания снижалась до Сех = 90 мг / л .
На основе данных о кинетике выпадения взвеси для исходной концентрации взвешенных веществ Сеп = 221 мг / л (рис. 4) были произведены расчеты типовых первичных радиальных отстойников диаметром Б = 30 м на максимальный
часовой
расход
3
Чтах = 4923 м / ч
(Qсут = 99799 м3 / сут) (таблица 1).
При требуемом эффекте осветления сточных вод Э = 50% минимальное количество отстойников Nотс = 4 шт было получено при расчете по методике СНиП с кинетикой, приведенной в СНиП 11-32-74 и по методике МГСУ с экспериментальной кинетикой. По методике
Таблица 1.
СНиП с экспериментальной кинетикой и по методике МГСУ с кинетикой, приведенной в СНиП 2.04.03-85 было получено количество отстойников, равное Мотс = 7 шт , что говорит о необходимости увеличения фактического количества отстойников на два. По методике СНиП с кинетикой, приведенной в СНиП 2.04.03-85 получено завышенное количество отстойников Nотс = 12 шт .
Учитывая тот факт, что единственным способом оценки методик является сравнение получаемых при расчетах ожидаемых эффектов осветления с фактическими эффектами осветления в реальных отстойниках, были произведены расчеты ожидаемых эффектов осветления сточных вод в первичных радиальных отстойниках диаметром Б = 30 м при фиксированном количестве
отстойников
часового
Nomc = 5 шт
расхода
для максимального
?тах = 4923 м3/ ч
( Qcym = 99799 м3 / сут ) (таблица 2).
Методика расчета Кинетика Количество типовых отстойников при необходимом эффекте осветления сточных вод Э = 50% Продолжительность отстаивания для Nnp tфакт, с Ожидаемый эффект для Nnp Э, %
расчетное Npac4, шт принятое Nnp, шт
СНиП СНиП II-32-74 4,13 4 6408 49,05
СНиП 2.04.03-85 12,01 12 19224 50,06
Экспериментальн ая кинетика 6,26 7 11196 50,51
МГСУ СНиП 2.04.03-85 6,37 7 11196 50,50
Экспериментальн ая кинетика 3,70 4 6408 50,31
Таблица 2.
Сравнение методик по расчету первичных отстойников
Методика расчета Кинетика Ожидаемый расчетный эффект осветления при фактическом количестве отстойников 5 шт Э % ^раст х и Абсолютное отклонение ожидаемого расчетного эффекта Эрасч от фактически полученного в реальных условиях Эфакт, %
СНиП СНиП II-32-74 55,69 3,59
СНиП 2.04.03-85 28,47 30,81
Экспериментальная кинетика 44,68 14,60
МГСУ СНиП 2.04.03-85 43,73 15,55
Экспериментальная кинетика 51,36 7,92
Фактические данные Эфакт = 59,28% -
При
отстойников
фиксированном
No
= 5 шт
самый
количестве высокий
ожидаемый эффект был получен при расчете по методике СНиП с кинетикой, приведенной в СНиП II-32-74 Э = 55,69% , а самый низкий по методике СНиП с кинетикой, приведенной в
СНиП 2.04.03-85 Э = 28,47% . При сравнении ожидаемых расчетных эффектов, полученных по методикам МГСУ и СНиП с экспериментальной кинетикой следует, что методика МГСУ дает меньшее абсолютное отклонение от фактического результата по эффективности работы первичных
отстойников - 7,92% против результатов, полученных по методике СНиП - 14,60%. На основании проведенных исследований можно сделать вывод, что методика расчета МГСУ дает более приближенный к действительности результат по сравнению с методикой СНиП.
Выводы
1. С целью получения наиболее точных результатов расчет первичных отстойников должен осуществляться на основе данных о кинетике выпадения взвеси из реальных сточных вод, получаемой в различное время поступления сточных вод по часам суток и по временам года.
2. Исследования процессов седиментации взвешенных веществ в состоянии покоя должны проводиться в цилиндрах диаметром не менее 120 мм при высоте зоны отстаивания
котс = 500 мм .
3. В связи с изменением сточными водами своих свойств на протяжении времени пребывания в первичном отстойнике были построены две калибровочные кривые для определения концентрации взвешенных веществ через величину оптической плотности: одна для воды на входе в первичный отстойник, а вторая для воды на выходе из него.
4. Кривые кинетик осаждения взвешенных веществ полученные по результатам исследований в цилиндрах диаметром 150 мм с высотой зоны
отстаивания котс = 500 мм визуально и по закономерности распределения подобны кривым кинетик, приведенным в СНиП 11-32-74 и СНиП 2.04.03-85.
5. Расчет первичных радиальных отстойников по методике МГСУ с экспериментальной кинетикой наиболее адекватен фактическим данным КОС г. Симферополь.
6. При расчетах последующих сооружений по очистке сточных вод и обработке осадков необходимо учитывать возможное отличие проектных расчетных показателей эффективности работы сооружений от фактических, и связанные с
этим возможные увеличения объемов образующихся осадков и ожидаемой эффективности биологической очистки.
Список литературы
1. Яковлев С.В., Карелин Я.А., Жуков А.И., Колобанов С.К. Канализация. Учебник для вузов. Изд. 5-е, перераб. и доп. М., Стройиздат, 1975. -632 с.
2. Ковальчук В.А. Очистка спчних вод. - Рiвне: ВАТ <^вненська друкарня», 2002. - 622 с.: ш.
3. СНиП 2.04.03-85 Канализация. Наружные сети и сооружения. М.: Стройиздат, 1985.- 72 с.
4. СНиП 11-32-74 Канализация. Наружные сети и сооружения. М.: Стройиздат, 1975.- 88 с.
5. Воронов Ю.В., Алексеев Е.В., Саломеев В.П., Пугачев Е.А. Водоотведение: Учебник. - М.: ИНФРА-М, 2007 - 415 с.
6. Воронов Ю.В., Яковлев С.В. Водоотведение и очистка сточных вод/ Учебник для вузов: - М.: Издательство Ассоциации строительных вузов, 2006 - 704 с.
7. Лурье Ю.Ю. Аналитическая химия промышленных сточных вод. - М.: Химия, 1984.448 с., ил.
8. Козачук И.Н. Интенсификация процессов седиментации взвешенных веществ в сточных водах с использованием ультразвука: диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук. Москва, 2009. - 136 с.
9. Руководство по химическому и технологическому анализу воды. М., Стройиздат, 1973 г. (ВНИИ ВОДГЕО Госстроя СССР) - 273 с.
10. Яковлев С.В., Калицун В.И. Механическая очистка сточных вод. М., Стройиздат, 1972. - 200 с.
11. КНД 211.1.4.039-95 Методика гравiметричного визначення завислих (суспендованих) речовин в природних i спчних водах [Текст]. затв. Мшстерством охорони навколишнього природного середовища та ядерно! безпеки Украши 25 квггня 1995 р.
12. СП 32.13330.2012. Канализация. Наружные сети и сооружения. Актуализированная редакция СНиП 2.04.03-85. - Москва, 2012. - 80 с.
Chernaya M. L., Kopachevsky A. M., Subbotkin L. D.
A STUDY OF SEDIMENTATION PROCESSES IN RELATION TO SEWAGE TREATMENT FACILITIES IN SIMFEROPOL, REPUBLIC OF CRIMEA
Summary. the most exact results of calculations of primary radial sedimentation tanks receive on the basis of data on kinetics of loss of suspended solids. in article techniques of researches of processes of sedimentation are considered. included the results of experimental studies of the curves of the kinetics of deposition of suspended solids. comparing experimental kinetics with the kinetic of construction norms and regulations. calculation of primary radial sedimentation tanks for techniques construction norms and regulations and msuce with experimental kinetics and kinetic in construction norms and regulations ii-32-74 and construction norms and regulations 2.04.03-85 was made. calculation of primary circular tanks as described in the experimental kinetics msuce most adequate to the actual data of wastewater treatment plants in simferopol.
Keywords: primary radial sedimentation tanks, suspended solids, sedimentation, kinetics of sedimentation.
