CC BY
119
Общетехнические и социальные проблемы
95
6. Станционные устройства автоматики и телемеханики / А. А. Казаков, В. Д. Бубнов, Е. А. Казаков. - М. : Транспорт, 1990. - 431 с. -ISBN 5-277-00951-5.
Статья поступила в редакцию 20.04.2010;
представлена к публикации членом редколлегии Вл. В. Сапожниковым.
УДК 628.3(088.8)
В. Г. Иванов, Н. А. Черников, О. М. Мусаев, Ш. Ш. Эргашев
СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ ЛОКАЛЬНЫХ ОЧИСТНЫХ СООРУЖЕНИЙ ПРЕДПРИЯТИЙ ЖЕЛЕЗНОДОРОЖНОГО ТРАНСПОРТА
Приведены результаты научно-исследовательских работ по совершенствованию локальных очистных сооружений железнодорожного транспорта. Детально представлены последние работы: устройство для сбора и удаления плавающих жидких веществ, предназначенное для работы в канализационных очистных сооружениях, и установка для очистки сточных вод с территории объектов железнодорожного транспорта.
нефтепродукт, поплавок, радиальный желоб, грузовая площадка, насосный агрегат, тонкослойный блок, фильтрация, сорбция, ионы тяжелых металлов.
Введение
Сточные воды предприятий железнодорожного транспорта содержат большое количество нефтепродуктов, поверхностно-активных веществ (ПАВ), ионов тяжелых металлов и других вредных веществ. В связи с этим создание малогабаритных, экономичных компактных моноблочных установок с устройствами для сбора и удаления нефтепродуктов с поверхности воды является актуальным.
Новизна научных исследований на кафедре «Водоснабжение, водоотведение и гидравлика» в этой области, как правило, подтверждается авторскими свидетельствами и патентами.
Патентные исследования на кафедре «Водоснабжение, водоотведение и гидравлика» ПГУПС проводятся в русле основных её научных направлений, сложившихся за более чем 100-летний период деятельности в области санитарной техники. Это прежде всего не потерявшие своей актуальности работы по гидравлическому удару и защите от него.
ISSN 1815-588 Х. Известия ПГУПС
2010/2
Общетехнические и социальные проблемы
Полученные патенты на противоударные приборы (дифференциального действия, пружинного и гидравлического типа), различные конструкции вантузов для выпуска воздуха, в частности с воздухофильтрующими элементами и др., широко применяются в настоящее время.
Большое количество изобретений предназначено для очистки загрязненных природных и сточных вод. Здесь прежде всего следует отметить различные типы отстойников и нефтеуловителей, нашедших широкое применение на транспорте и в системах водопроводноканализационного хозяйства (ВКХ). Особого внимания заслуживают уникальные разработки по искусственным адсорбентам на базе дешевого минерального сырья и методики их активации с приданием специфических сорбционных свойств.
В последние десятилетия проводятся исследования в области применения электрохимически активированных растворов для обеззараживания воды и дезинфекции сооружений ВКХ, а также подвижного состава и мест большого скопления людей (метро, вокзалов и т. п.).
На базе кафедральных исследований и в стиле традиции патентных исследований аспирантами кафедры совместно с научными руководителями были разработаны и запатентованы установка для очистки сточных вод и устройство для сбора и удаления плавающих жидких веществ.
1 Устройство для сбора и удаления плавающих жидких веществ
Существует установка для сбора нефти и нефтепродуктов с поверхности воды [1], которая включает нефтеуловитель с корпусом в виде несущей рамы с возможностью размещения на ней вращающихся барабанов.
Известная установка для сбора плавающих жидких веществ конструктивно разделена с устройствами для отвода и удаления собранной жидкости, что усложняет конструкцию в целом. В известном устройстве не исключается возможность забора нижних, более плотных слоев жидкости. Кроме того, сбор вязких плавающих продуктов в таком устройстве затруднен без проведения дополнительных мероприятий, например подогрева.
Наиболее близким по технической сущности к заявляемой полезной модели является устройство для улавливания нефти с поверхности воды [2], включающее плавучее судно, защитное ограждение, захватывающее устройство, емкость для сбора нефти и нефтепродуктов, стержни и нефтепровод с нефтеотводящим патрубком и состоящее из двух взаимосвязанных между собой и расположенных в горизонтальном направлении частей: приемного устройства и плавучего судна, которые представляют собой единый плавучий корпус.
ISSN 1815-588 Х. Известия ПГУПС
2010/2
Общетехнические и социальные проблемы
97
Известная установка имеет сложную конструкцию, не обеспечивает повышенную эффективность процесса сбора плавающих жидких веществ с поверхности воды.
Задача полезной модели - упрощение конструкции устройства для сбора и удаления плавающих жидких веществ различной плотности и повышение эффективности очистки поверхности за счет сбора и удаления более вязких фракций.
Технический результат достигается тем, что устройство для сбора и удаления плавающих жидких веществ имеет накопительную емкость, гибкий напорный трубопровод, дополнительно оснащена цилиндрическим поплавком с радиальными желобами в верхней части, а накопительная емкость установлена в центре цилиндрического поплавка, содержит грузовые площадки с фиксированными грузами, соединённые с поплавком, насосный агрегат, установленный в накопительной ёмкости с гибким напорным трубопроводом.
Правильное соотношение массы и объема устройства,
обеспечивающее его необходимую плавучесть, предотвращает
поступление воды в сборную емкость. Вибрация устройства во время работы насосного агрегата улучшает возможность сбора и удаления вязких плавающих продуктов. Для регулирования горизонтальности положения поплавка и его массы, от которой зависит высота отбираемого расчетного слоя плавающей жидкости, на поверхности устройства предусмотрены грузовые площадки с грузами, нанизанными на фиксирующие стержни.
Полезная модель поясняется прилагаемыми чертежами, где на рис. 1 изображено устройство в плане, на рис. 2 - устройство в разрезе.
Устройство для сбора и удаления плавающих жидких веществ содержит цилиндрический поплавок 1 с радиальными желобами 2 в верхней части поплавка 1, по верхней образующей которого предусмотрена сборная кромка 3. В центральной части поплавка 1 имеется накопительная емкость 4, в ней установлен насосный агрегат 5, соединённый с гибким напорным трубопроводом 6. Для регулирования массы поплавка 1 и горизонтальности его положения предусмотрены грузовые площадки 7 с грузами 8 и фиксирующими стержнями 9, соединённые с поплавком 1.
Предлагаемое устройство работает следующим образом.
С помощью грузов 8, располагаемых на грузовых площадках 7 и зафиксированных стержнями 9, регулируют горизонтальность положения поплавка 1 и его массу так, чтобы при слое плавающих жидких веществ менее 1-2 мм они не могли поступать в накопительную емкость 4. При достижении расчетного слоя плавающих жидких веществ от 0,10 м до 0,15 м они автоматически начинают поступать через сборную кромку 3 по радиальным желобам 2 в накопительную емкость 4. После этого автоматически включается в работу насосный агрегат 5, который
ISSN 1815-588 Х. Известия ПГУПС
2010/2
685щетехнические и социальные проблемы
откачивает собираемую жидкость по гибкому напорному трубопроводу 6. Плавающая жидкость поступает в накопительную емкость 4 до тех пор, пока ее слой не уменьшится до 1-2 мм. При этом насосный агрегат 5 автоматически выключается. Во время работы насосного агрегата 5 улучшаются условия для сбора плавающих жидких, в том числе и более вязких жидких продуктов, за счет вибрации поплавка 1.
Предложенное устройство имеет более простую конструкцию по сравнению с прототипом, при этом предотвращается поступление в накопительную емкость нижних, более плотных, слоев жидкости и обеспечивается возможность сбора и удаления вязких плавающих продуктов.
Рис. 1
Рис. 2
Расчет, подтверждающий предотвращение поступления в сборную емкость нижних, более плотных слоев жидкости
В соответствии с положением, проиллюстрированным рисунком 3, перед тем как плавающая жидкость начнет поступать по желобам в сборную емкость, общий вес устройства Р, равный весу вытесняемой жидкости, определится из выражения:
Р = 7LR\h - Л)рBg + nR2ApHg,
где R - радиус поплавкового устройства;
h - глубина затапливаемой части устройства;
Д - слой жидких плавающих продуктов, при котором они автоматически начинают поступать в сборную емкость; рв - объемная плотность воды; g - ускорение свободного падения; ря- объемная плотность плавающей жидкости.
ISSN 1815-588 Х. Известия ПГУПС
2010/2
Общетехнические и социальные проблемы
99
Как только первые порции жидких плавающих продуктов начнут поступать в сборную емкость, общая масса поплавкового устройства увеличится и он погрузится на некоторую величину.
При включении насоса, установленного над сборной емкостью, интенсивность поступления продуктов в сборную емкость станет равной производительности насоса, и так до тех пор, пока поплавковое устройство не займет крайнее нижнее положение (рис. 4). При этом слой плавающих жидких веществ станет минимальным расчетным 5, а сборная емкость и желоба будут заполнены собираемой жидкостью. Суммарный вес поплавкового устройства и находящейся в нем жидкости будет
Q =TiR\h - d)pBg + nR2dpHg,
где 5 - слой жидких плавающих веществ, при котором они автоматически перестают поступать в сборную емкость.
Максимальный вес жидкости, находящейся при этом в сборнике и желобах плавающего устройства, в соответствии с приведенными на рис. 4 обозначениями определится из выражения:
F = pHg ^(R — r)(nR2 + TZy/~Rr + nr2) + h-i(R-r)
nr2 -
-ф(др2 - nr2 )i(R - p) - ф
^ (p - r)(np2 + n-Jpr + nr2) - /(p - r)nF
где i - уклон радиального желоба;
ф - горизонтальная относительная площадь поплавкового устройства, не занятая желобами;
р - радиус части поплавкового устройства, выступающего над жидкостью.
Учитывая, что Q — Р + F, после алгебраических преобразований получаем, что слой плавающих жидких веществ, при котором они начнут поступать в сборную емкость,
i(R - r)(R2 + у1Яг-2г2 ) + 3 hr2 - /ср(р - r)(3Rp + 3 Rr + ^/pr - Зрг - 2p2 - 2 г2)
3*2(PB-P я)
После того как при откачивании жидких плавающих веществ в закрытых канализационных очистных сооружениях будет достигнут их минимальный слой 5, доступ плавающих веществ в сборную емкость прекратится, а как только будут откачаны последние порции продуктов из сборной емкости, поплавковое устройство станет еще легче и всплывет на некоторую величину.
ISSN 1815-588 Х. Известия ПГУПС
2010/2
ОООщетехнические и социальные проблемы
При слое плавающих жидких веществ А они снова начнут поступать в сборную емкость.
Если будет необходимость собрать и удалить плавающую жидкость при слое, меньшем А, нужно дать на поплавковое устройство временную нагрузку до тех пор, пока желоба и сборное устройство не наполнятся плавающей жидкостью. Затем устройство будет работать так, как описано выше.
2 Установка для очистки сточных вод
Существуют различные конструкции подобных установок, предназначенные для очистки сточных вод, снабженные механическим или сорбционным фильтром и тонкослойными элементами для предварительного качественного отстаивания поступающей на фильтрацию сточной воды.
Известна комбинированная моноблочная установка для очистки дождевого стока и загрязненных сточных вод, содержащая корпус с системами впуска и устройством для распределения сточной воды, поступающей в тонкослойные элементы с горизонтальным, восходящим или нисходящим движением потока, камеры фильтрования с неподвижным слоем или съемными блоками фильтрующей загрузки, элементами для перепуска и отвода обрабатываемой жидкости и устройствами для удаления осадка [3, рис. 74].
Однако данная установка не может обеспечить глубокую очистку сточных вод, требуемую в настоящее время, т. к. предусматривает доочистку сточных вод на механических фильтрах и не имеет устройства, предназначенного для сорбционной очистки.
Известна установка очистки ливневых сточных вод, описанная в [4]. Установка содержит приемный аккумулирующий резервуар, выполненный в виде горизонтально размещенного цилиндра, в котором установлены очистные сооружения, включающие пескосборные бункеры, первую ступень блока отделения взвешенных частиц и нефтепродуктов, выполненную в виде тонкослойного модуля из пучка труб, изготовленных из материала, обладающего высоким коэффициентом коалесценции, и вторую ступень блока отделения взвешенных частиц и нефтепродуктов, выполненную в виде емкости, заполненной свободно плавающими
ISSN 1815-588 Х. Известия ПГУПС
2010/2
Общетехнические и социальные проблемы
101
гранулами материала, обладающего высоким коэффициентом
коалесценции. Внутри приемного аккумулирующего резервуара
дополнительно установлен блок третьей ступени сорбционной очистки воды, в качестве сорбентов могут быть использованы цеолит, шунгизит, активный уголь. Подача сточной воды из резервуара на первую ступень блока в камеру с тонкослойным отстаиванием осуществляется погружным насосом, далее сточная вода поступает в сорбционный фильтр.
Как известно, применение трубчатых элементов различной формы во многих случаях приводит к перерасходу материалов и нестабильной работе из-за засорения осадком, также не решен вопрос удаления осевших загрязнений с поверхности дна резервуара. Сорбционный фильтр имеет незначительную сорбционную емкость. Из-за расположения сорбционного фильтра внутри резервуара регенерация и замена сорбентов будет способствовать его частому и длительному отключению. Установка дополнительного насоса для подачи сточной воды на первую ступень очистки может значительно усложнить эксплуатацию и привести к дополнительным затратам.
Известна установка для очистки жидкостей от масел и взвешенных веществ, описанная в [5]. Установка содержит трубу для подачи стоков, корпус, разделенный вертикальными перегородками на секции грубой очистки со средством для задержания масел и взвешенных веществ, тонкослойного разделения с блоком наклонных пластин и сбора очищенной воды, маслосборник, сообщающийся с нефтесборным лотком, систему для удаления осадка, секцию доочистки, размещенную после секции тонкослойного разделения с фильтрующим элементом, состоящим из слоя древесной муки, ограниченного сверху и снизу мелкоячеистой сеткой из нержавеющего металла. Наклонные пластины блока тонкослойного разделения выполнены гофрированными, покрытыми с одной стороны парафиновазелиновой смесью; Г-образные патрубки, направленные в нефтесборный лоток, соединены с разгрузочными отверстиями небольшого диаметра, выполненными в верхней части продольной стенки корпуса.
Из-за конструктивной нерешенности проблемы совмещения в одном моноблочном комбинированном сооружении тонкослойных элементов, механических и сорбционных фильтров, а также эффективной промывки и регенерации их, промывка предусматривается раздельная. Сорбционный фильтр невозможно расположить непосредственно за механическим фильтром и обеспечить его регенерацию, поэтому сорбционный фильтр размещают отдельно или предусматривают замену сорбционного фильтра новым после его истощения, что снижает качество очистки сточных вод, его производительность и усложняет эксплуатацию.
Наиболее близкой к предлагаемому техническому решению является установка «Свирь» [6, рис. 13.8], предназначенная для очистки дождевых
ISSN 1815-588 Х. Известия ПГУПС
2010/2
(ПШцетехнические и социальные проблемы
сточных вод, загрязненных частицами глины, песка и нефтепродуктов. Она представляет собой резервуар с расположенными в нем отстойником с тонкослойным блоком отстаивания при нисходящем движении потока, бункерным днищем и фильтром, средством подачи исходной сточной воды на вход отстойника, устройством для сбора и отвода очищенной воды в виде дренажа большого сопротивления, устройством для удаления осадка, промывки плавающего фильтра с отводом грязной промывной воды дренажем малого сопротивления. Сорбционный фильтр установки «Свирь» выполнен стоящим отдельно.
Очищаемая жидкость поступает в отстойную зону, где происходит выделение грубодисперсных частиц и плавающих нефтепродуктов, а также тонкодисперсных загрязнений, которые собираются нефтесборной поворотной трубой и отводятся из сооружения, причем тонкослойные элементы блока работают при нисходящем течении жидкости; затем вода поступает через перелив на механический плавающий фильтр и отводится из установки через трубчатые дренажи большого сопротивления на отдельно стоящий сорбционный фильтр, выполненный в виде стальной прямоугольной емкости.
Недостатком данной конструкции является отсутствие распределительных устройств перед блоком тонкослойного отстаивания, что при значительном объёме зоны грубой очистки не обеспечивает эффективного потокораспределения. Модуль тонкослойного отстаивания с нисходящим потоком, верхняя часть которого находится в зоне накопления нефтепродуктов, удаляемых периодически, не способен эффективно извлекать мелкие примеси, в нем не предусмотрено устройство для эффективного отвода выделяющихся нефтепродуктов, что будет сказываться на продолжительности работы фильтров; возможно взмучивание осадка в бункерах нисходяще-восходящим потоком жидкости, выходящей из тонкослойных элементов. Блок сорбционной очистки нельзя разместить в одном корпусе с отстойником и механическим фильтром из-за конструктивной невозможности приемлемого решения общей системы промывки и регенерации как механического, так и сорбционных фильтров. Эксплуатация установки, занимающей значительные площади, сопряжена с определенными трудностями.
Задача полезной модели: технический результат для повышения очистки сточной воды будет достигаться тем, что высокая эффективность очистки и доочистки сточных вод с увеличением производительности при сохранении качества очистки будет осуществляться за счет оптимального распределения потока между тонкослойными элементами. Для достижения более глубокой доочистки сточной воды после тонкослойного отстаивания предусмотрены также фильтры с плавающей загрузкой и с сорбционной
ISSN 1815-588 Х. Известия ПГУПС
2010/2
Общетехнические и социальные проблемы
103
загрузкой с использованием недорогих, эффективных сорбентов, позволяющих снизить стоимость очистки.
Представляется перспективным использование модифицированных адсорбентов на керамической основе. К ним относится, в частности, активированный алюмосиликатный адсорбент (ААА), обеспечивающий ряд удобств в использовании и имеющий множество положительных свойств, например регенерацию сорбентов непосредственно в фильтре.
На рис. 5 представлена схема предлагаемой установки для очистки сточных вод в разрезе, на рис. 6 - вид сверху.
Рис. 5
Установка для очистки сточных вод содержит: резервуар 1, устройство для подачи воды 2, поворотную трубу для удаления нефтепродуктов 3, ограничитель зоны накопления нефтепродуктов 4, блок с тонкослойными элементами 5, канал 6, перепускное устройство 7, механический фильтр 8, плавающую загрузку 9, водосливную разделительную стенку 10, перепускной трубопровод с обратным клапаном 11, распределительно-водосборный коллектор сорбционного фильтра 12, сорбционный фильтр 13, трубопровод для отвода регенерирующего раствора 14, загрузку активированного алюмосиликатного адсорбента 15, дренажное днище 16, дисковые
ISSN 1815-588 Х. Известия ПГУПС
2010/2
СО&цетехнические и социальные проблемы
распределительные устройства (вариант - дренажные щелевые колпачки) 17, трубопровод для подачи регенерирующего раствора 18, трубопровод для подачи промывной воды 19, трубопровод для отвода очищенной воды 20, водосборно-дренажную систему плавающего фильтра и для отвода промывной воды 21, бункер для осадка 22, жалюзийную решетку 23, трубопровод грязной промывной воды 24, трубопроводы для удаления осадка 25.
На основе патента разработана перспективная компактная установка для очистки производственных сточных вод, в настоящее время принятая к реализации. Эффективность установки по извлечению лимитирующего вида загрязнений - нефтепродуктов, а также тяжелых металлов определяется эффективностью процессов механической очистки, фильтрации и сорбции, в которых реализованы патентные разработки.
Скорость осаждения задерживаемых частиц в зоне механической очистки Uq позволяет разгрузить сорбционный фильтр и обеспечить его длительную и эффективную работу между циклами регенерации, а использование в качестве сорбционного материала доступного активированного алюмосиликатного адсорбента, опытное производство которого реализуется на базе Университета взамен дорогостоящего активированного угля, позволяет существенно удешевить себестоимость очистки сточных вод, обеспечить многократную качественную регенерацию сорбционного материала, не извлекая его из фильтра, существенно снизить расходы промывной воды и себестоимость процесса промывки и регенерации.
Скорость осаждения задерживаемых частиц в зоне грубой очистки и тонкослойного отстаивания
где Фо -
Vq -
2h -
Ln -а -
Q -
S -
коэффициент, учитывающий гидравлические параметры установки, зависящий от угла наклона блока тонкослойных элементов р, фо =f (Р, Vq);
средняя скорость движения воды в пределах блока тонкослойных элементов; глубина тонкослойных элементов; длина тонкослойных элементов;
угол наклона элементов к горизонту, обеспечивающий сползание осадка и эмульгированных частиц нефтепродуктов в зону накопления и удаления; расход сточных вод;
суммарная площадь эффективной поверхности блока
ISSN 1815-588 Х. Известия ПГУПС
2010/2
Общетехнические и социальные проблемы
105
тонкослойных элементов.
Предлагаемые разработки в зависимости от местных условий позволяют обеспечить извлечение до 90 % эмульгированных нефтепродуктов без предварительной обработки стоков реагентами и более 90 % - при обработке их химическими реагентами, что повышает эффективность последующего адсорбционного извлечения оставшихся растворенных нефтепродуктов и тяжелых металлов.
Моноблочное решение всей установки существенно уменьшает необходимые площади для размещения всего комплекса очистки сточных вод и особенно выгодно для условий реконструкции очистных сооружений действующих предприятий, а также строительства установок очистки дождевого и талого стока с территории объектов железнодорожного транспорта, что в последнее время выходит на передний план в реализации программ, направленных на защиту окружающей природной среды на предприятиях РЖД.
Заключение
Рассмотренные в статье локальные сооружения для очистки нефтесодержащих сточных вод (в частности, для предприятий железнодорожного транспорта) отличаются компактностью, экономичностью и оригинальностью, что подтверждается выданными патентами на полезные модели.
Считаем, что особенно ценно получение патентов в период работы над диссертациями; они являются безусловным свидетельством научной новизны и практической значимости работы аспирантов.
Библиографический список
1. Пат. 2217552, Российская Федерация МПК7 Е02В15/04, Е02В15/10. Устройство для удаления жидких плавающих загрязнений с поверхности воды / Евдокимов А. А., Евдокимова В. В., Смолянов В. М.; патентообладатель «Чистые технологии». -№ 2001114243/13; заявл. 23.05.2003; опубл. 27.11.2003. - 1 с.: ил.
2. Пат. 2323299 Российская Федерация МПК Е02В15/10, В63В35/32. Плавучая установка для сбора нефти и нефтепродуктов с поверхности воды / Петряков В. В., Корчагина О. В.; патентообладатель Петряков Владимир Владимирович. -№ 2006127769/03; заявл. 31.07.2006; опубл. 27.04.2008. RU №, Е02В15/10, В63В35/32, опубл. 2008.04.27. - 12 с.: ил.
3. Применение тонкослойных отстойников в целлюлозно-бумажной промышленности / Иванов В. Г., Семенов В. П., Симонов Ю. М. - М. : Лесная промышленность, 1989. - 176 с. - ISBN 5-7120-0174-8.
4. Пат. 2289548, Российская Федерация МПК С 02 F 1/40. Установка очистки ливневых сточных вод / Друцкий А. В., Смольский В. А., патентообладатель Друцкий Алексей Васильевич. - № 2005132542/15; заявл. 02.11.2005; опубл. 20.12.2006. - 1 с.: ил.
5. Пат. 2067081, Российская Федерация МПК6 С 02 F 1/40. Установка для очистки жидкостей от масла и взвешенных веществ / Шеховцов П. В., Шеховцов В. П.,
ISSN 1815-588 Х. Известия ПГУПС
2010/2
ООбщетехнические и социальные проблемы
патентообладатель Шеховцов Виктор Петрович. - № 94045172/25; заявл. 13.12.1994; опубл. 27.09.1996. - 4 с.: ил.
6. Водоотводящие системы промышленных предприятий / В. Г. Иванов, Н. А. Черников. - СПб. : ОМ-Пресс, 2007. - 244 с. - ISBN 5-901739-42-6.
Статья поступила в редакцию 02.04.2010;
представлена к публикации членом редколлегии В. И. Штыковым.
ISSN 1815-588 Х. Известия ПГУПС
2010/2
