CC BY
38
jekonomicheskie i jekologiche-skie problemy gornoj promyshlennosti, stroitel'stva i jenergetiki : sb. nauch. trudov 9-oj mezhdunar. konf. po problemam gornoj promysh-lennosti, stroitel'stva i jenergetiki, Minsk, 29-31 okt. 2013 g. : v 2 t. / Belorus. nac. tehn. un-t ; red. : A.B. Kopylov, I.A. Basalaj. Minsk, 2013. T. 1. S. 246-253.
5. Kologrivko, A.A., Bogoslavchik P.M. Ustojchivost' otkosov ot-valov, formiruemyh iz obezvozhennyh shlamov // Nauka - obrazovaniju, proizvodstvu, jekonomike: materialy Odinnadcatoj mezhdunar. nauch.-tehn. konf., Minsk, 19 apr. 2013 g. : v 4 t. / Belorus. nac. tehn. un-t ; redkol.: B.M. Hrustalev, F A. Romanjuk, A.S. Kalinichenko. Minsk, 2013. T. 3. S. 17 -18.
Kologrivko Andrei Andreevich, candidate of technical science, docent, upnkvk@,bntu.by, Republic of Belarus, Minsk, BelarusianNational Technical University
УДК628.166:628.315.1
ЗАКОНОМЕРНОСТИ ОЧИСТКИ СТОЧНЫХ ВОД ОТ ВЗВЕШЕННЫХ ВЕЩЕСТВ В ФИЛЬТРЕ-ОЗОНАТОРЕ
В.В. Левковская
Рассмотрена гипотетическая модель работы фильтра-озонатора, совмещающего в себе процессы фильтрования и обеззараживания. Определены параметры эффективной работы. Вычислены коэффициенты уравнения регрессии, определяющие работу фильтра-озонатора.
Ключевые слова: обеззараживание, фильтрование, фильтр-озонатор, регрессионной анализ, использование дробной реплики.
Компактные очистные сооружения блочного типа как правило включают в себя механическую и биологическую очистки. Эффект очищения и обеззараживания при этом составляет 90...95 %, что в очередной раз показывает необходимость специальной доочистки и обеззараживания сточных вод [1].
В настоящее время существуют локальные очистные сооружения с раздельными блоками доочистки и обеззараживания или вовсе их не предусматривающие. Например, в станции биологической очистки ЁРШ серии БС ECOS [2] доочистка осуществляется с помощью двухступенчатого фильтрования, где в качестве загрузки используются кассеты с синтетическими водорослями. После фильтра очищенная вода подается на обеззараживание, для чего предусмотрена установка дозирования гипохлорита натрия. Большинство компактных очистных сооружений не предусматривают обеззараживание очищенных сточных вод вовсе. Так, например, в индивидуальных очистных сооружениях ТОПАС [3] после вторичного отстойника осуществляется выпуск очищенных сточных вод
без их дезинфекции. Или при использовании септиков ИБЬУХ [4] в качестве доочистки предусматриваются дренажные рассеивающие выпуски, фильтрующие колодцы, фильтрующие траншеи с фильтрацией очищенной воды в песчаные и супесчаные грунты и песчано-гравийные фильтры для водонепроницаемых и слабофильтрующих грунтов.
Кроме бытовых сточных вод, в водоемы сбрасываются также и очищенные производственные сточные воды. Так как предприятия горнодобывающего производства занимают весомую долю в промышленности, то для примера очистки производственных сточных вод рассмотрены шахтные сточные воды, которые очищаются по физико-химическому методу. Схема очистки представлена на рис. 1 [5].
Рис. 1. Технологическая схема очистки вод шахты «Гусиноозерская»
ПО «Востокуголь» (Россия)
Физическая очистка в отстойниках усиливается подачей флокулян-тов, что способствует химическому взаимодействию тонкодисперсных и коллоидных частиц с реагентом с последующим повышением гидравлической крупности осаждения, а следовательно, и увеличению эффекта осветления.
Как видно, хозяйственно-бытовые и производственные сточные воды требуют доочистки и обеззараживания с целью сброса их в водоем или для повторного использования в системах оборотного водоснабжения.
По мнению автора, потребность улучшения экологической обстановки сопряжена с наличием доочистки и обеззараживания в технологиче-
ских схемах очистки сточных вод. Более того, объединение блоков доочи-стки и обеззараживания дает много преимуществ, о чем свидетельствует конструкция фильтра-озонатора [6], в котором контактная камера смешения озоно-воздушной смеси с фильтратом находится в центре корпуса фильтра. Время контакта озона со сточной водой увеличивается за счет прохождения озоно-воздушной смеси через фильтр верхней загрузки (рис. 2).
15
Рис. 2. Принципиальная схема фильтра-озонатора: 1 - корпус; 2 - верхнее отделение корпуса; 3 - нижнее отделение корпуса; 4 - насос; 5 - генератор озона; 6 - запорная арматура;
7 - датчики уровня; 8 - трубопровод подачи исходной воды;
9 - распределительная система подачи исходной воды; 10 - трубопровод подачи озоно-воздушной смеси; 11 - контактная
камера; 12 - трубопровод подачи промывочной воды; 13 - бак фильтрата очищенной сточной воды; 14 - трубопровод удаления избыточного озона; 15 - деструктор; 16 - трубопровод удаления загрязненной промывочной воды в канализацию; 17 - трубопровод выпуска очищенных и обеззараженных сточных вод; 18 - трубопровод подачи очищенной воды; 19 - резервуар исходной воды
Основными параметрами эффективной работы фильтра-озонатора являются следующие показатели: скорость фильтрования, крупность зерен, доза озона, время контакта озона.
Для выявления влияния этих факторов на базе математической теории планирования эксперимента [7] построена модель, где в качестве х1 принята скорость фильтрования, м/ч; х2 - крупность зерен, мм; х3 - доза озона, мг/л; х4 - время контакта озона, мин.
В работе использовался матричный подход к регрессионному анализу, а именно метод наименьших квадратов. Для выявления эффектов взаимодействия перечисленных факторов были найдены коэффициенты неполного квадратного уравнения регрессии
У0 = Ь0 + Ь1 x1 + Ь2x2 + ЬЗXз + Ь4x4 + Ь12(x1 x2 + Xзx4) + Ь13(x1 Xз + x2x4) + Ь14(x1 x4 + x2Xз) . (1)
В качестве параметра отклика уравнения был выбран показатель концентрации взвешенных веществ у0 в сточной воде после прохождения фильтра-озонатора.
Определение наилучших условий проведения эксперимента базировалось на научных работах проведенных ранее исследований, опубликованных в литературных источниках [8, 9].
После проведения ряда исследований работы фильтра результаты показали, что чем больше крупность фильтрующей загрузки, тем больше должна быть высота слоя загрузки при одинаковом качестве воды и равной скорости фильтрования и тем выше эффект очистки биологически очищенных сточных вод.
Для обеззараживания сточных вод используется метод озонирования, так как данный метод дезинфекции не приводит к увеличению солевого состава очищаемых сточных вод. В блоках доочистки сточных вод при озонировании обычно не используются высокие дозы озона (не более 5 мг/л). При окислении озоном трудно окисляемых органических веществ образуется значительное количество токсичного формальдегида.
Далее строилась сама матрица планирования (табл. 1), в которой ух' и у Iм - концентрации взвешенных веществ в фильтрате после фильтра-озонатора в параллельных опытах, а у1 - их среднее значение.
Таблица 1
Матрица планирования
Номер
опыта х1 х2 хз х4 ух' Ух" У1
1 2 0,8 1 15 5,4 6,7 6,05
2 3 0,8 1 10 7,8 9,4 8,6
3 4 1,2 2 10 8 8,5 8,25
4 5,3 1,2 3 10 8,6 10,1 9,35
5 7 2 3,5 5 9,2 11,3 10,25
6 9 3 3,5 4 12,3 5,8 9,05
7 10 3 4 4 16,7 16 16,35
8 12 3,5 4 4 16,9 17,7 17,3
Таблица 2
Оценка дисперсий среднего арифметического
Номер опыта 5_2
1 0,4225
2 0,64
3 0,0625
4 0,5625
5 1,1025
6 10,5625
7 0,1225
8 0,16
Сумма 13,635
В данном случае использовалась дробная реплика, предусматривающая сокращение числа опытов за счет той информации, которая не очень существенна при построении линейной модели.
Обработка результатов проводилась по следующей схеме.
1. Оценка дисперсий среднего арифметического в каждой строке матрицы (табл. 2) определяется по формуле
572 = 4=1
у ( _ - )
У 1 \У гд У г /
п(п-Т) (2)
где Ущ - концентрация взвешенных веществ в фильтрате после фильтра-озонатора; yi - среднее значение концентрации взвешенных веществ в
очищенной и обеззараженной параллельных опытов; п - количество параллельных опытов; д - номер параллельного опыта, q=1....2; I - номер строки матрицы плана, \ = 1 ... 8.
2. Проверка однородности дисперсий с помощью критерия Кохрена О определяется по формуле
N
в = 2 / У 2 (3)
г тяу / 1 г , ^)
г =1
в = 0,042.
Гипотеза об однородности дисперсий не отвергается, если экспериментальное значение критерия Кохрена О не превышает табличного.
Табличное значение критерия для восьми разных опытов и числа степеней свободы п-1=1 равно 0,679 (уровень значимости 0,02), т.е. дисперсии однородны, что послужило основанием для расчета оценки дисперсии воспроизводимости.
3. Расчет оценки дисперсии воспроизводимости произведен по формуле
N п . N
- У )2 I
= 1=1 д=1_= I=1 (4)
{У} т(п -1) N ' (4)
S2У} = 1,704
Число степеней свободы К(п-1)=8, где К- количество опытов, равное 8.
4. Определение коэффициентов регрессии производится по формулам
х.
-
11=1 У1
ь , (5)
7 N
-
х • х -
ь = ¿-^1=1' 1 ш 71
и]~ N
1=1 У -11 (6)
где хп - значение показателя из табл. 3, влияющего на эффективность работы фильтра-озонатора; хи7 - значение показателя двойных эффектов из табл.3.
Для определения коэффициентов регрессии необходимо построить расчетную матрицу (табл.3), показывающую возможные сочетания уровней факторов. Напомним, что в планировании эксперимента используются кодированные значения факторов +1 и -1, где +1 указывает, что значения показателя лежат в интервале варьирования, а -1, что они выходят за его рамки.
В уравнении регрессии (1) Ь0 есть среднее арифметическое значение параметра оптимизации. Чтобы его получить, необходимо сложить все у и разделить на число опытов. Чтобы провести эту процедуру в соответствии с формулой для вычисления коэффициентов, в матрицу планирования удобно ввести вектор-столбец фиктивной переменной х0, которая принимает во всех опытах значение +1.
Таблица 3
Расчетная матрица
Номер опыта Х0 х1 х2 хз х4 Х1Х2=ХзХ4 Х1Хз=Х2Х4 Х1Х4=Х2Хз
1 + 1 -1 -1 -1 -1 + 1 + 1 + 1
2 + 1 +1 -1 +1 -1 -1 + 1 -1
3 + 1 -1 -1 +1 + 1 + 1 -1 -1
4 + 1 -1 + 1 -1 + 1 -1 + 1 -1
5 + 1 +1 + 1 -1 -1 + 1 -1 -1
6 + 1 +1 -1 -1 + 1 -1 -1 + 1
7 + 1 -1 + 1 +1 -1 -1 -1 + 1
8 + 1 +1 + 1 +1 + 1 + 1 + 1 + 1
Оценки коэффициентов регрессии определены по формулам (5)
и (6):
Ьо=10,65; Ь4=0,3375;
Ь1=0,65; Ь12=-0,1875;
Ь2=2,6625; Ь1З=-0,325;
ЬЗ=1,975; Ь14=1,5375.
5. Проверка адекватности модели. В общем случае под адекватностью понимают степень соответствия модели тому реальному явлению или объекту, для описания которого она строится. Один из наиболее распространенных способов такого обоснования - использование методов математической статистики. Суть этих методов заключается в проверке выдвинутой гипотезы (в данном случае об адекватности модели) на основе некоторых статистических критериев. Одним из распространённых методов проверки адекватности модели является использование Б-критерия Фишера. Критерий Фишера определяется как отношение остаточной дисперсии к дисперсии, остаточная дисперсия определяется по формуле (7), а дисперсия опыта определена в п.3 по формуле (4).
Результаты расчета остаточной суммы квадратов (Лу )2 при проверке адекватности линейной модели приведены в табл. 4.:
2 _ЕГ=1(У - У* )2
^ (7)
где у - значение параметра оптимизации (концентрация взвешенных веществ), рассчитанного по уравнению регрессии (1); / - число степеней свободы, связанное с дисперсией адекватности,
_ 6,67 ,
/ _ N - (к +1), (8)
где к - число оцениваемых коэффициентов регрессии.
f = 8 - (4 +1) = 3,
F = & /4)> (9)
F = 3,91.
Таблица 4
Остаточная сумма квадратов
Номер опыта 1 д у mm
1 5,025 -1,025 1,050625
2 10,275 1,675 2,805625
3 9,65 1,4 1,96
4 11,025 1,675 2,805625
5 11,65 1,4 1,96
6 7 -2,05 4,2025
7 14,3 -2,05 4,2025
8 16,275 -1,025 1,050625
Сумма 20,0375
Рассчитанное значение F-критерия (9) сравнивается с табличным значением, определяемым числами степеней свободы f и N (п—1). Если экспериментальная величина F-критерия не превышает табличного значения, гипотеза об адекватности модели не отвергается.
Табличное значение F-критерия для числа степеней свободы числителя 3 и знаменателя 8 равно 4,1.
F=3,94<4,1 , значит, гипотеза адекватна.
6. Проверка значимости коэффициентов регрессии.
Поскольку план ортогонален, коэффициенты регрессии определяются с одной и той же дисперсией по формуле
4i=4} /N, (10)
4r0,21.
Величина t-критерия (критерий Стьюдента) для уровня значимости -0,05 и числа степеней свободы, с которым определялась s{- ¡, равна 2,306.
Для коэффициентов регрессии рассчитан доверительный интервал по формуле
Abj =±ts{bJ), (11) Abj = 1,064.
Коэффициент значим, если его абсолютная величина больше доверительного интервала.
Значимыми коэффициентами являются:
b0=10,65 (константа уравнения регрессии);
Ъ2=2,5525 (коэффициент параметра оптимизации крупности зерен);
Ъз=1,975 (коэффициент параметра оптимизации дозы озона);
Ъ14=1,5375 (коэффициент парного параметра оптимизации скорости фильтрования и времени контакта озона с водой).
Таким образом, можно записать уравнения регрессии для параметра оптимизации - концентрации взвешенных веществ. Уравнение регрессии имеет следующий вид:
у0 = 10,65 + 0,65^ + 2,65х2 +1,97х3 + 0,33х4 - 0,18(х1 х2 + х3х4) - (12)
- 0,3( х1 х3 + х2 х4) +1,53( х1 х4 + х2 х3).
Полученное уравнение (12) позволяет сделать вывод, что наиболее значимыми параметрами при работе фильтра-озонатора для достижения требуемого эффекта очистки являются крупность зерен х2 (мм) и доза озона х3 (мг/л), о чем свидетельствуют рис. 3 и 4.
Крупность зерен, мм
Рис. 3. Зависимость концентрации взвешенных веществ от крупности зерен загрузки
Как видно из рис. 3, наиболее приемлемой крупностью загрузки является размер 1,3.. .3,0 мм, при которой концентрация взвешенных веществ в фильтрате колеблется в пределах 8.10 мг/л. Более крупные фракции загрузки могут только обеспечить повышение производительности при явном снижении эффекта доочистки.
5 20-
До» озона, мг/л
Рис. 4. Зависимость концентрации взвешенных веществ от дозы озона
Согласно рис. 4 увеличение дозы озона более 2 мг/л не дает положительного эффекта снижения взвешенных веществ в фильтрате.
Наиболее эффективные показатели получили в опыте №1 (см. табл. 1) при следующих значениях: скорость фильтрования x¡=2 м/ч, крупность загрузки х^=0,8 мм, подача озона х3=1 мг/л и время контакта озона с водой х^=15| мин, где остаточная концентрация взвешенных веществ составляет 6,05 мг/л.
Таким образом, установлены закономерности доочистки и обеззараживания сточной воды в компактном сооружении фильтре-озонаторе с помощью регрессионного анализа для достижения требуемых технологических показателей.
Список литературы
1. Пресс-релиз ЮНЕСКО и механизма «ООН-водные ресурсы» №2014-21. Доклад Организации Объединенных Наций о развитии мировых водных ресурсов; растущий спрос на электроэнергию может оказать на водные ресурсы отрицательное воздействие [Электронный ресурс] / WWDR2014 Пресса. URL::/
2.Компания ECOS. Станции биологической очистки сточных вод ЕРШ закрытого исполнения. [Электронный ресурс] URL:http://www.ecos.ru/catalog/section8.php
3. Компания-производитель автономных установок очистки сточных вод Топол-Эко. Индивидуальные очистные сооружения ТОПАС. URL:http://www.topol-eco.ru/production/topas/
4. Строительно-производственная компания ООО «БиоПласт». Очистные сооружения Helyx [Электронный ресурс] URL: http://www.helyx.ru/ochistnye-soorujeniya-stochnyh-vod/
5. Сточные воды предприятий горной промышленности и методы их очистки: справочник / Л.Ф. Долина [и др.]. Днепропетровск: Молодежная экологическая лига Приднепровья, 2000. 61 с.
6. Патент РФ 151198 на полезную модель. МПК8 C02F1/78 Фильтр-озонатор / Р.А. Ковалев, М.Г. Бурдова, Б.Ф. Сальников, В.В. Левковская. Опубл. 27.03.2015. Бюл. № 1.
7. Адлер Ю.П., Маркова Е.В., Грановская Ю.В. Планирование эксперимента при поиске оптимальных условий. М.: Изд-во «Наука», 1976. 280 c.
8. Журба М.Г. Очистка воды на зернистых фильтрах. Львов: Вища школа, 1980. 200 с.
9. Ветошкин А.Г. Процессы и аппараты окружающей среды. М.: Изд-во «Высшая школа», 2008. 638 с.
Левковская Валентина Владимировна, инж., levkovskaya.valentina@yandex.ru, Россия, Тула, ОАО «Тулагипрохим».
REGULARITIES OF SEWAGE TREATMENT FROM SUSPENDED SOLIDS IN THE
FILTER-OZONIZER
V.V. Levkovskaya
A hypothetical model works of the filter-ozonizer combining filtration and disinfection processes was considered. Effective work options were identified. Regression coefficients of the equation defining work of the filter-ozonizer were calculated.
Reference
1. Press-reliz JuNESKO i mehanizma «OON-vodnye resursy» №2014-21. Doklad Organizacii Ob#edinennyh Nacij o razvitii mi-rovyh vodnyh resursov; rastushhij spros na je-lektrojenergiju mozhet oka-zat' na vodnye resursy otricatel'noe vozdejstvie/ WWDR2014 Pres-sa. URL::/
2.Kompanija ECOS. Stancii biologicheskoj ochistki stochnyh vod ERSh zakrytogo ispolnenija. URL:http://www.ecos.ru/catalog/section8.php
3. Kompanija-proizvoditel' avtonomnyh ustanovok ochistki stoch-nyh vod Topol-Jeko. Individual'nye ochistnye sooruzhenija TOPAS. URL:http://www.topol-eco.ru/production/topas/
4. Stroitel'no-proizvodstvennaja kompanija OOO «BioPlast». Ochistnye sooruzhenija Helyx. URL: http://www.helyx.ru/ochistnye-soorujeniya-stochnyh-vod/
5. Stochnye vody predprijatij gornoj promyshlennosti i metody ih ochistki: spra-vochnik / Dolina L.F. [i dr.]. Dnepropetrovsk: Molo-dezhnaja jekologicheskaja liga Pridne-prov'ja, 2000. 61 s.
6. Patent RF 151198 na poleznuju model'. MPK8 C02F1/78 Fil'tr-ozonator / R.A. Kovalev, M.G. Burdova, B.F. Sal'nikov, V.V. Levkovskaja. Opubl. 27.03.2015. Bjul. № 1.
7. Adler Ju.P., Markova E.V., Granovskaja Ju.V. Planirovanie jeksperimenta pri poiske optimal'nyh uslovij M.: Izd-vo «Nauka», 1976. 280 c.
8. Zhurba M.G. Ochistka vody na zernistyh fil'trah. - L'vov: Vishha shkola, 1980.
200 s.
9. Vetoshkin A.G. Processy i apparaty okruzhajushhej sredy M.: Izd-vo «Vysshaja shkola», 2008. 638 s.
Levkovskaya Valentina Vladimirovna, engineer, levkovskaya.valentina@yandex.ru, , Russia, Tula, PLC "Tulagiprochem".
