CC BY
29
Посвящается 90-летию лауреата Государственной премии СССР,
доктора технических наук, профессора БРЕННЕРА Владимира Александровича
ЭКОЛОГИЯ
УДК 628.166:628.315.1
МЕТОДИЧЕСКИЕ ПОЛОЖЕНИЯ РАСЧЕТА КОНСТРУКТИВНЫХ ПАРАМЕТРОВ ФИЛЬТРА-ДЕЗИНФЕКТАНТА ДЛЯ СИСТЕМЫ ОЧИСТКИ ШАХТНЫХ ПОДЗЕМНЫХ ВОД
М.Г. Бурдова, В.В. Левковская
Представлена конструктивная схема фильтра-дезинфектанта. Предложен алгоритм расчета, определяющий его конструктивные параметры с учетом требуемой степени очистки. Приведен пример расчета фильтра-дезинфектанта для комплекса очистных сооружений действующего угольного разреза.
Ключевые слова: сточные воды, очистка, обеззараживание, фильтр-дезинфектант.
В угольной промышленности 90 % [1] сточных вод являются попутно забираемыми водами при добыче угля и сланца: шахтными, карьерными и дренажными. Сброс неочищенных сточных вод на территориях действующих и ликвидированных шахтных водоотливов негативно влияет на состояние водных ресурсов.
Согласно Энергетической стратегии России [2] вплоть до 2035 года планируется наращивание угледобывающих комплексов, где одним из ключевых моментов является обеспечение экологической безопасности водных ресурсов.
Защита водных ресурсов от загрязненных сточных вод достигается при использовании очистных сооружений, состав которых определяется исходя из качественного состава стоков и требуемой степени очистки. Так например, шахтные воды перед сбросом в водные объекты необходимо очищать от взвешенных веществ и обеззараживать [3]. Для этих целей в качестве конечного сооружения очистки разработан фильтр-озонатор [4], в котором очистка воды производится при прохождении модулей (рисунок) в следующей последовательности:
- первое (верхнее) отделение фильтра с фильтрующей загрузкой;
- контактная камера, куда подается дезинфектант;
- второе (нижнее) отделение фильтра с фильтрующей загрузкой.
Фильтр-дезинфектант может быть спроектирован в различных исполнениях. Так, например, для комплексов очистки небольшой производительности фильтр-дезинфектант может быть исполнен вертикально, где очистка будет проходит сверху вниз (вертикальное исполнение). Для очистных сооружений высокой производительности фильтр-дезинфектант может представлять собой трубчатую конструкцию (горизонтальное исполнение), которая будет иметь в качестве конструктивной характеристики не высоту устройства, а протяженность сооружения.
ПоЗпча шахтной Мы
Конструктивная схема фильтра-озонатора (фильтра-дезинфектанта)
В основу фильтра-дезинфектанта положено поочередное применение процессов фильтрования и обеззараживания. Обеззараживание основывается на окислении органических веществ, которые переводятся в минеральные загрязнения. Таким образом, процесс дезинфекции сопровождается вторичным загрязнением, удаление которого предусматривается при повторном фильтровании во втором (нижнем) отделении фильтра-дезинфектанта.
Фильтрование как метод удаления взвешенных веществ основывается на прохождении очищаемой воды через слой фильтрующей загрузки, т.е. условно конечный результат - это разделение двухфазной системы на осветленную воду и загрязняющие вещества, которые задерживаются в толще фильтрующей загрузки. Проникновение загрязняющих веществ в толщу фильтрующего материала рассматривается как процесс диффузии. Было установлено, что конвективная диффузия оказывает наиболее сильное влияние на степень очистки воды. Решая уравнение диффузии примеси в жидкости [5], было определено, что скорость фильтрования шахтных вод и тип фильтрующей загрузки определяют остаточную концентрацию загрязняющих веществ:
С* =[1 - ехр (-ю)] ехр (-т), (1)
где С = Сг ^) с0 / -Сн / с0 ехр (-Кк /V), ю = Кк / V, т = К; К - константа скорости сорбции примеси фильтрующей загрузкой, 1/ч; V - скорость потока загрязненных шахтных вод через фильтр-дезинфектант, м/ч; к - высота фильтра-дезинфектанта, м; I - время фильтрования, ч; с0=с(х,0)=сотР; СН -начальная концентрация загрязнений в шахтной воде, мг/л; СК - остаточная концентрация загрязнений в фильтрате, мг/л.
При t ^ да, ехр (-т) = 0, тогда перепишем (1) в виде
С (t) С
С = 0; 0 = —н ехр С0 С0
Ск ^) = Сн ехр^- Кк] . (2)
Используя в качестве фильтрующего материала сорбенты [6-8], а в качестве дезинфектанта - раствор гипохлорита натрия, были получены эмпирические формулы, которые имеют вид (3) и (4) и устанавливают зависимость остаточной концентраций взвешенных веществ и биохимического потребления кислорода (БПК5) от скорости фильтрования [9]:
- концентрация взвешенных веществ в фильтрате
г Г 0,78^
ск = 6,95ехр^——J , (3)
где СК - остаточная концентрация взвешенных веществ, мг/л; V - скорость фильтрования, м/ч.
- остаточная концентрация кислорода (БПК5) в фильтрате
Г 130
Ьк = 6,89 ехр
. V ), (4)
где ЬК - остаточная концентрация кислорода, определяемая при исследовании в течение 5 суток, мг О2/л.
Зная протяженность рабочей части фильтра, например, в лаборотор-ных условиях высота пилотной установки фильтра-дезинфектанта составляет к=0,9 м, константу скорости сорбции взвешенных веществ можно определить следующим образом:
Кк=1,3;
К=1,3/к=1,3/0,9=1,45 1/ч.
Биохимическое потребление кислорода косвенного дает оценку бактериологического качества воды. Таким образом, можно определить константу поглощения фильтрующей загрузкой биологических загрязнителей:
Кк=0,78;
К=0,78/к=0,78/0,9=0,86 1/ч.
При проектировании может быть использован обратный принцип расчета, позволяющий определить требуемую протяженность фильтра, зная
сорбционные свойства фильтрующей загрузки. Тогда алгоритм расчета фильтра-дезинфектанта будет следующий.
Рассмотрим фильтр-дезинфектант (рисунок), который состоит из скорого фильтра первого (верхнего) отделения, контактную камеру, скорого фильтра второго (нижнего) отделения. В обязательном порядке предусматривается контроль взвешенных веществ: - после прохождения очищаемой воды верхнего отделения фильтра; - после прохождения очищаемой воды контактной камеры, т.е. перед поступлением во второе (нижнее) отделение; - на выходе из фильтра-дезинфектанта. Стандарты измерения, результаты исследования взвешенных веществ должны проходить в соответствии с нормами
Исходные данные
1. Начальная концентрация загрязнений, мг/л - СН.
2. Требуемая концентрация загрязнений в фильтрате, определятся санитарными нормами [3] (могут быть предъявлены более жесткие требования потребителем), мг/л - СК.
3. Производительность фильтра-дезинфектанта, м /ч - Q.
4. Константа скорости сорбции примеси загрязнений (определяется производителем, либо экспериментально), 1/ч - К. В случае использования разных фильтрующих материалов в отделениях фильтра-дезинфектанта для каждой загрузки принимается К], К2 и т.д. соответственно.
Расчет
1.Требуемая эффективность очистки шахтных вод
2. Задаем необходимую протяженность фильтра первого отделения (И], м), тогда скорость фильтрования
где V - скорость фильтрования для оптимального удаления взвешенных веществ, м/ч.
3. Эквивалентный диаметр фильтра
[10].
(5.1)
V =——
1п (Сн / Сг),
(5.2)
(5.3)
где ^ - площадь сечения фильтра, м ; Р - внутренний периметр поперечного сечения, м;
где Гф - радиус фильтра, м.
4. Доза дезинфектанта регламентируется в зависимости от вида потребителя очищенной воды: для производственных нужд [11], для питьевого водоснабжения [12, 13].
Для нужд питьевого водоснабжения доза окислителя определяется [14] в зависимости от перманганатной окисляемости воды (таблица).
Для приготовления раствора дезинфектанта доза гипохлорита натрия определяется в соответствии с расчетом [15].
Рекомендуемые дозы различных окислителей при различных значениях _перманганатной окисляемости воды_
Перманганатная окисляе-мость воды, мг 02/л Доза окислителя, мг/л
хлора перманганата калия Озона
8...10 4...8 2...4 1...3
10...15 8...12 4...6 3...5
15...25 12...14 6...10 5...8
5. Протяженность контактной камеры смешения
К,= Щг, м, (5.4)
л- d3Ke
где WK.K - объем контактной камеры, м
^К.к Q^dis ,
где tdis - время нахождения очищаемой воды в контактной камере, ч.
6. После проведения замеров концентрации взвешенных веществ СН в очищаемой воде перед поступлением на очистку во второе отделение фильтра в соответствующих точках забора проб определяется протяженность второго отделения
h2 = V(CH /Ck), (5.5)
где ClH - концентрация взвешенных веществ перед поступлением во второе
отделение фильтра, мг/л.
7. Суммарная протяженность фильтра-дезинфектанта
Нф.3 =( Ун + К,.+ У )-1,1м, (5.6)
где 1,1 - коэффициент, учитывающий размещение распределительной и дренажной систем в фильтре-дезинфектанте.
В качестве примера расчета фильтра-дезинфектанта рассмотрим систему водоотлива на шахте Кузбасса. Угольный разрез ОАО «Междуречье» оснащен комплексом очистных сооружений для очистки дождевых и карьерных вод, производительность которых составляет 5 млн м3 в год. Данную производительность можно взять за исходную для примера расчета фильтра-дезинфектанта, тогда часовая производительность очистных сооружений бу-
дет составлять 570 м /ч. Фильтр-дезинфектант устанавливается после проведения первой ступени очистки от взвешенных веществ. Исходные данные
1. Начальная концентрация загрязнений, СН=20 мг/л.
2. Требуемая концентрация загрязнений в фильтрате, СК; =1,5 мг/л.
3. Производительность фильтра-дезинфектанта, ^=570 м /ч.
4. Константа скорости сорбции примеси загрязнений для верхнего отделения фильтра, К]=1,4 1/ч; для нижнего отделения, К2=1,7 1/ч.
Расчет
1. Требуемая эффективность очистки шахтных вод
^ = 20-15.100 = 92,5 %. 20
2. Принимаем к]=50 м, тогда скорость фильтрования
V = 1,4'50 ч = 27,02 м/ч. 1п (20/1,5)
3. Эквивалентный диаметр фильтра
, 4 • 21,09
а =-= 5,18 м,
э 16,27 , ,
где Р = 2 • 3,14 • 2,59 = 16,27 м, г, = I2109 = 2,59 м, ^ = 570 • 27,02-1 = 21,09 м2.
ф \ 3,14
4. Принимаем в качестве дезинфектанта озон. Доза озона и время контакта ^ принимаются в соответствии с нормативами [11 - 14].
Следует отдавать предпочтение не хлорным реагентам, контакт с которыми должен быть не менее 0,5 часа, а использованию методу озонирования, для которого время контакта с водой составляет лишь 5 мин. Еще одним преимуществом выбора метода озонирования, является то что оно так же способствуют удалению железа [16] из очищаемых шахтных вод.
5. Протяженность контактной камеры смешения
4 • 95
ккк =-т = 4,5 м,
к ■ к ■ 3,14 • 5,182
где ^ = 570 • 0,16 = 95 м3.
6. После лабораторных исследований качества очищаемой воды перед ее поступлением на очистку во второе отделение фильтра определяется концентрация взвешенных веществ С1Н =1,725 мг/л, тогда протяженность второго отделения фильтра
27 02
к = 27,021п (1,725/1,5) = 2,21 м.
7. Суммарная протяженность фильтра-дезинфектанта:
Нф_з = (50 + 4,5 + 2,21) • 1,1 = 62,39 м.
где 1,1 - коэффициент, учитывающий размещение распределительной и дренажной систем в фильтре-дезинфектанте.
Конструктивные параметры фильтра-дезинфектанта:
производительность - 570 м /ч:
- протяженность первого отделения - 50 м;
- протяженность контактной камеры - 4,5 м;
- протяженность второго отделения - 2,21 м;
- общая протяженность фильтра-дезинфектанта - 62,39 м;
- эквивалентный диаметр фильтра-дезинфектанта - 5,18 м;
- рабочая скорость фильтрования 27,02 м/ч.
Для использования в качестве фильтрующего материала горные породы, характерные для конкретного горного производства, необходимо провести соответствующие испытания, с помощью которых определяется константа скорости сорбции загрязняющих веществ. При проектировании фильтра -дезинфектанта должны учитываться характеристики фильтрующих загрузок и дезинфектанта, как исходные, так и требуемые концентрации загрязнений. Приведенный выше алгоритм расчета фильтра-дезинфектанта отражает перечисленные требования и позволяет определить конструктивные характеристики сооружения и соответствующую этому степень очистки шахтной воды.
Список литературы
1. Долина Л.Ф. Сточные воды предприятий горной промышленности и методы их очистки: справочное пособие. Днепропетровск: Молодежная экологическая лига Приднепровья, 2000. 61 с.
2. Плакиткина Л. С. Анализ состояния и прогноз развития угольной промышленности России до 2035 г. // Горный журнал. 2015. №7. С. 59- 69.
3. СанПиН 2.1.5.980-00. Гигиенические требования к охране поверхностных вод - 10.
4. МПК8 C02F1/78 Фильтр-озонатор: пат. 151198 РФ; опубл. 27.03.2015. Бюл. № 1. 3 с.
5. Теоретические положения моделирования диффузии жидких примесей в очистных фильтрах системы шахтного водоотлива/ Н.М. Качурин, В.В. Сенкус, Т.В. Корчагина, В.В. Левковская // Известия Тульского государственного университета. Естественные науки. 2016. Вып. 4. С. 98 - 104.
6. ТУ 2164-004-17809450-2008. Сорбент угольный МИУ-С.
7. ТУ 2164-001-59998726-2005. Сорбент С-ВЕРАД.
8. ТУ 0392-021-00493929-2005. Сорбент Сорбойл.
9. Бурдова М.Г., Левковская В.В. Фильтр-дезинфектант. Назначение и экпериментальная проверка его действия // Известия Тульского государственного университета. Науки о Земле. 2016. Вып. 4. С.3-8.
10. ФР 1.31.2005.01524, ПНД Ф 14.1:2:4.254-2009 Количественный химический анализ вод. Методика выполнения измерений массовых концен-
9
траций взвешенных веществ и прокаленных взвешенных веществ в питьевых, природных и сточных водах гравиметрическим методом - 9.
11. СП 32.13330.2012. Канализация. Наружные сети и сооружения. Актуализированная редакция СНиП 2.04.03-85.
12. ГОСТ 2761-84. Источники централизованного хозяйственно-питьевого водоснабжения. Гигиенические, технические требования и правила выбора. М.: Стандартинформ, 2006. С. 150.
13. Питьевая вода. Гигиенические требования к качеству воды централизованных систем питьевого водоснабжения. Контроль качества. Гигиенические требования к обеспечению безопасности систем горячего водоснабжения. Санитарно-эпидемиологические правила и нормативы СанПиН 2.1.4.1074-01: утв. 26 сент. 2001 г. и введены Главным государственным санитарным врачом РФ Онищенко Г.Г. от 26 сент. 2001 г. №24 с 1 янв. 2002 г.
14. СП 31.13330.2012 Водоснабжение. Наружные сети и сооружения. Актуализированная редакция СНиП 2.04.02-84.
15. Инструкция по применению средства «Гипохлорит натрия марки А» (производства ООО «Скоропусковский Синтез») для обеззараживания воды. Инструкция разработана в Научно-исследовательском институте экологии человека и гигиены окружающей среды им. А.Н. Сысина РАМН.
16. Применение озонирования в технологии очистки подземных и поверхностью вод от растворенного железа/ Д.В. Дергунов, Л.Н. Савинова, Н.А. Антоненко, Л.Э.Шейнкман // Известия Тульского государственного университета. Науки о Земле. 2017. Вып. 1. С. 3 - 19.
Бурдова Мария Григорьевна, канд. техн. наук, доц., galina_stas@,mail.ru, Россия, Тула, Тульский государственный университет,
Левковская Валентина Владимировна, соискатель, levkovskaya.valentina@, yan-dex.ru, Россия, Тула, АО «Тулагипрохим»
DESIGNING OF FIL TER-DISINFECTANS ON THE BASIS OF THE STUDIED
RESEARCHES
M. G. Burdova, V. V. Levkovskaya
The constructive scheme of the filter-disinfectant is presented. A calculation algorithm is proposed that determines the design its parameters, taking into account the required degree of purification. An example of a filter-disinfectant calculation for a complex of treatment facilities of an operating coal mine is given.
Key words: waste water, treatment, disinfection, filter-disinfectant.
Burdova Maria Grigorievna, candidate of technical sciences, docent, ga-lina_stas@,mail. ru, Russia, Tula, Tula State University,
Levkovskaya Valentina Vladimirovna, postgraduate, levkovskaya.valentina@ yan-dex.ru, Russian, Tula, JSC "Tulagiprochem"
Reference
1. Dolina L.F. Stochnye vody predprijatij gornoj promyshlennosti i metody ih ochistki. Spravochnoe posobie. Dnepropetrovsk: Molodezhnaja jekologicheskaja liga Pridneprov'ja, 2000. 61 s.
2. Plakitkina L. S. Analiz sostojanija i prognoz razvitija ugol'noj promyshlen-nosti Ros-sii do 2035 g. // Gornyj zhurnal, 2015. №7. S. 59- 69.
3. SanPiN 2.1.5.980-00 «Gigienicheskie trebovanija k ohrane poverhnostnyh vod» - 10.
4. MPK8 C02F1/78 Fil'tr-ozonator: pat. 151198 RF; opubl. 27.03.2015. Bjul. № 1. 3 s.
5. Teoreticheskie polozhenija modelirovanija diffuzii zhidkih primesej v ochist-nyh fil'trah sistemy shahtnogo vodootliva/ N.M. Kachurin, Val.V. Senkus, T.V. Korcha-gina, V.V. Levkovskaja // Izvestija Tul'skogo gosudarstvennogo universiteta. Estestven-nye nauki. 2016. Vyp. 4. S. 98 - 104.
6. TU 2164-004-17809450-2008. Sorbent ugol'nyj MIU-S.
7. TU 2164-001-59998726-2005. Sorbent S-VERAD.
8. TU 0392-021-00493929-2005. Sorbent Sorbojl.
9. Burdova M.G., Levkovskaja V.V. Fil'tr-dezinfektant. Naznachenie i jekperi-mental'naja proverka ego dejstvija// Izvestija Tul'skogo gosudarstvennogo universiteta. Nauki o zemle. 2016. Vyp. 4. S.3-8.
10. FR 1.31.2005.01524, PND F 14.1:2:4.254-2009 Kolichestvennyj himicheskij analiz vod. Metodika vypolnenija izmerenij massovyh koncentracij vzveshennyh ve-shhestv i proka-lennyh vzveshennyh veshhestv v pit'evyh, prirodnyh i stochnyh vodah gra-vimetricheskim metodom - 9.
11. SP 32.13330.2012. Kanalizacija. Naruzhnye seti i sooruzhenija. Aktualiziro-vannaja redakcija SNiP 2.04.03-85.
12. GOST 2761-84. Istochniki centralizovannogo hozjajstvenno-pit'evogo vodo-snabzhenija. Gigienicheskie, tehnicheskie trebovanija i pravila vybora. M.: Standartin-form, 2006. S. 150.
13. Pit'evaja voda. Gigienicheskie trebovanija k kachestvu vody centralizovannyh sis-tem pit'evogo vodosnabzhenija. Kontrol' kachestva. Gigienicheskie trebovanija k obes-pecheniju bezopasnosti sistem gorjachego vodosnabzhenija. Sanitarno-jepidemiologicheskie pravila i nor-mativy SanPiN 2.1.4.1074-01: utv. 26 sent. 2001 g. i vvedeny Glavnym gos-udarstvennym sani-tarnym vrachom RF Onishhenko G.G. ot 26 sent. 2001 g. №24 s 1 janv. 2002 g.
14. SP 31.13330.2012 Vodosnabzhenie. Naruzhnye seti i sooruzhenija. Aktualizi-rovannaja redakcija SNiP 2.04.02-84.
15. Instrukcija po primeneniju sredstva «Gipohlorit natrija marki A» (proiz-vodstva OOO «Skoropuskovskij Sintez») dlja obezzarazhivanija vody. Instrukcija razra-botana v GU Nauchno-issledovatel'skom institute jekologii cheloveka i gigieny okruzha-jushhej sredy im. A.N. Sysina RAMN. Avtory.
16. Primenenie ozonirovanija v tehnologii ochistki podzemnyh i poverhnostyh vod ot rastvorennogo zheleza/ D.V. Dergunov, L.N. Savinova, N.A. Antonenko, L.Je.Shejnkman // Izvestija Tul'skogo gosudarstvennogo universiteta. Nauki o Zemle. 2017. Vyp. 1. S. 3 - 19.
