Оценка эффективности работы секции моноблочной установки и ее конструктивные решения

160

Общетехнические задачи и пути их решения

Заключение

Как показали исследования, наличие подземного этажа для гибких зданий заметно влияет на уровень относительных смещений, при этом абсолютные ускорения практически не изменяются [4]. Это обстоятельство свидетельствует о необходимости введения в надземные конструкции дополнительных демпфирующих устройств.

При жесткости конструкций подземного этажа, близкой к жесткости надземных конструкций, в зданиях с периодом колебания Т = 0,1...0,3 с наблюдался рост ускорений и, как следствие, увеличение сейсмической нагрузки на рассматриваемые здания.

Увеличение или уменьшение жесткости подземных этажей влияет также на поведение надземных конструкций здания, а именно: при увеличении жесткости наблюдается рост ускорений и снижение относительных смещений, при уменьшении жесткости парковки (подземного этажа) наблюдается снижение ускорений надземных конструкций и, соответственно, увеличение относительных смещений (подобно эффекту сейсмоизоляции).

Библиографический список

1. Теория колебаний / И. М. Бабаков. - М. : ГИТТЛ, 1958. - 628 с.

2. Прикладные численные методы в физике и технике / Т. Е. Шуп. - М. : Высшая школа, 1990. - С. 118.

3. Relevance of Absolute and Relative Energy Content in Seismic Evaluation of Structures / Erol Kalkan., Sashi K. Kunnath // Advances in Structural Engineering. - 2008. -Vol. 11. - PP. 1-18.

УДК 628.2

Ш. Ш. Эргашев

Петербургский государственный университет путей сообщения

ОЦЕНКА ЭФФЕКТИВНОСТИ РАБОТЫ СЕКЦИИ МОНОБЛОЧНОЙ УСТАНОВКИ И ЕЕ КОНСТРУКТИВНЫЕ РЕШЕНИЯ

В статье приведены оценки эффективности работы каждой секции комбинированной моноблочной установки с рекомендацией в случае необходимости повышения качества очистки сточных вод при повышенных концентрациях нефтепродуктов и взвешенных веществ в исходной воде с установкой тонкослойного отстойника с нисходяще-восходящим течением жидкости.

2011/4

Proceedings of Petersburg Transport University

Общетехнические задачи и пути их решения 161

тонкослойный блок, фильтрация, сорбция, установка для очистки сточных вод, нефтепродукты, взвешенные вещества.

Введение

Сточные воды предприятий железнодорожного транспорта являются опасными для окружающей среды. Они загрязнены в основном нефтепродуктами, взвешенными веществами, ионами тяжелых металлов, щелочами, кислотами и другими соединениями. По результатам статистической обработки, подавляющее количество объектов имеют производительность от 100 до 500 м /сут сточных вод и весьма примитивные местные очистные сооружения, не позволяющие использовать воду повторно. В связи с этим в Республике Узбекистан разработка недорогих типовых компактных высокоэффективных сооружений заводской готовности, обеспечивающих требуемое качество очистки сточных вод, на сегодняшний день является весьма актуальной.

1 Определение эффективности работы каждой секции моноблочной комбинированной установки

1.1 Определение эффективности очистки в блоке механического и тонкослойного отстаивания

Для локальной очистки сточных вод предприятий железнодорожного транспорта разработаны компактная моноблочная установка [1] и технологическая схема очистки сточных вод в таких установках с регенерацией сорбционного фильтра, загруженного активированным алюмосиликатным адсорбентом, запатентованным профессором Е. Г. Петровым [2].

Установка включает в себя зоны грубой механической очистки, тонкослойного отстаивания, плавающего механического фильтра с полистирольной загрузкой и сорбционного фильтра.

Для оценки эффективности работы соответствующих секций моноблочной установки рассмотрим особенности ее работы, ориентируясь на некоторые осредненные данные по загрязненности производственных и поверхностных стоков, образующихся на предприятиях железнодорожного транспорта. В частности, по нефтепродуктам для наиболее массовых предприятий железнодорожного транспорта эти концентрации составляют: локомотивных и вагонных депо - до 500 мг/л, пунктов подготовки вагонов -до 100 мг/л; в поверхностных стоках с территорий приемо-отправочных путей, а также локомотивных и вагонных депо - 300 мг/л; по взвешенным веществам загрязненность стоков находится в основном в диапазоне от 100 до 400...500 мг/л.

По нашим опытным данным, для условий Узбекистана исходные концентрации по нефтепродуктам для локомотивных депо и других предприятий составляют в основном 150...300 мг/л и по взвешенным веществам 200...400мг/л.

ISSN 1815-588Х. Известия ПГУПС

2011/4

162

Общетехнические задачи и пути их решения

Для оценки эффективности работы блоков установки принята загрязненность стоков по наиболее часто встречающимся нефтепродуктам (эфирорастворимым веществам) С^х = 300 мг/л, по взвешенным веществам

Сивсх = 400 мг/л. Производительность установки Q = 20 м3/ч.

Гидравлическая крупность задерживаемых частиц в зоне тонкослойного отстаивания Uo, мм/с, соответствующая требуемому эффекту Э, %, определяется по результатам изучения кинетики тонкослойного отстаивания сточной воды (рис. 1).

Рис. 1. Кинетика тонкослойного отстаивания эмульгированных нефтепродуктов:

1 - производственные сточные воды депо, Сисх = 100...150 мг/л; 2 - поверхностный сток, Сисх = 40 мг/л; 3 - то же, Сисх=70 мг/л; 4 - производственные сточные воды с предварительной обработкой сернокислым алюминием дозой 100...300 мг/л

Расчет тонкослойного блока механической очистки установки (рис. 2) производится на задержание частиц с минимальной гидравлической крупностью Uo, определяющей требуемую степень извлечения нефтепродуктов и взвешенных веществ с учетом выполненных исследований по распределению обрабатываемой жидкости в тонкослойном блоке, по зависимости

Uo Ф0.ср

Vq • 2h Ln •соба

Фо.ср 3,6

Q ,

S • соб а ’

2011/4

Proceedings of Petersburg Transport University

Общетехнические задачи и пути их решения

163

где фо.ср - коэффициент, учитывающий гидравлические параметры установки, зависящий от угла наклона блока тонкослойных элементов в,

Фо.ср = 1,24;

Vo - средняя скорость движения воды в пределах блока тонкослойных элементов, Vo = 3 мм/с;

2h - глубина тонкослойных элементов, 2h = 25 мм;

Ьп - длина тонкослойных элементов, Ьп = 1500 мм;

а - угол наклона элементов к горизонту, обеспечивающий сползание осадка и эмульгированных частиц нефтепродуктов в зоны накопления и удаления, а = 60о;

Q - расход сточных вод, Q = 20 м /ч;

S - суммарная площадь эффективной поверхности блока тонкослойных элементов, S = 30 м .

При производительности установки 20 м /ч гидравлическая крупность U0 ~ 0,124 мм/с.

В соответствии с найденными значениями U0 определяется эффект очистки от эмульгированных нефтепродуктов Э (см. рис. 1). Остаточное содержание растворенных и эмульгированных нефтепродуктов, поступающих на механический фильтр с пенополистирольной плавающей загрузкой, мг/л,

ст = С,+сп

100 - Э 100

где Ci - концентрация растворенных нефтепродуктов в исходом стоке; для производственных сточных вод от предприятий железнодорожного транспорта составляет, как правило, не более 2...10 мг/л;

Сд - концентрация эмульгированных нефтепродуктов в производственных стоках (do< 100 мм); обычно Сп не превышает 100...150 мг/л, а для поверхностного стока Сп = 40...70 мг/л.

Эффект задержания взвешенных веществ при тонкослойном отстаивании составляет не менее 80 %, значит на фильтрацию поступают сточные воды с концентрацией взвешенных веществ, мг/л,

С! = С

'ост

исх

100 - 80 100

После тонкослойного отстаивания производственные сточные воды содержат в основном эмульгированные и растворенные нефтепродукты. Соответственно средняя концентрация их составит, мг/л,

С

ост

6 +125 •

100 - Э 100

ISSN 1815-588Х. Известия ПГУПС

2011/4

164 Общетехнические задачи и пути их решения

При содержании растворенных нефтепродуктов С = 6 мг/л без обработки реагентами Э = 70 %, Снт< 43,5 мг/л, а при обработке реагентами

Э = 90 %, CL < 18,5 мг/л.

По литературным данным, при исходном содержании нефтепродуктов от 30 до 300 мг/л в зависимости от их дисперсного состава и условий формирования отстаивание может обеспечить снижение концентрации нефтепродуктов до 1-3 мг/л, в большинстве случаев она находится в пределах от 2 до 15 мг/л. При тонкослойном отстаивании в течение 20-30 минут в слое воды Нц = 100 мм концентрация эмульгированных и растворенных нефтепродуктов в поверхностном стоке снижается до 8-12 мг/л, что соответствует гидравлической крупности задерживаемых частиц Uo= 0,1 мм/с, грубодисперсные нефтепродукты всплывают в течение 1-2 мин.

Можно полагать, что количество растворенных и эмульгированных нефтепродуктов в поверхностном стоке с территорий предприятий железнодорожного транспорта и аналогичных им составляет не более 30-70 мг/л при общем содержании нефтепродуктов 500-300 мг/л. В производственном стоке содержится до 400 мг/л взвешенных веществ и не более 100-150 мг/л эмульгированных и растворенных нефтепродуктов с диаметром частиц < 100 мкм.

Таким образом, при исходной концентрации нефтепродуктов до 300 мг/л тонкослойные нефтеуловители обеспечивают очистку общего стока от 10 до 40 мг/л, что позволяет на осноновании приведенного выше расчета прогнозировать следующие исходные параметры для расчета блока фильтрации моноблочной установки:

Сх = 43,5 мг/л; С^ = 80 мг/л.

1.2 Определение эффективности очистки в блоке фильтрации

Как известно, для некоторых видов стоков фильтры с плавающей загрузкой в режиме безреагентной фильтрации обеспечивают эффект очистки по взвешенным веществам до 95 % при остаточном содержании взвешенных веществ в фильтрате до 2-5 мг/л, а нефтепродуктов до 70-80 %

[3].

Для расчета эффективности блока фильтрации принимаем ориентировочно эффект очистки по нефтепродуктам Сф п = 80 %, по взвешенным

веществам Сфвп = 90%. Тогда остаточное содержание соответствующих загрязнений, поступающих на блок сорбции, без введения реагентов ориентировочно составит не более Снсх = 8,7 мг/л, C^ = 8 мг/л.

2011/4

Proceedings of Petersburg Transport University

Общетехнические задачи и пути их решения

165

1.3 Определение эффективности очистки в блоке сорбционной очистки

Необходимая высота рабочего слоя адсорбента определяется требуемым качеством очистки сточных вод по лимитирующему виду загрязнений. Для стоков предприятий железнодорожного транспорта это, как правило, нефтепродукты, содержание которых может быть разным в зависимости от специфики предприятия. Проблемой является изъятие тонкодисперсных и растворенных фракций. Анализ возможных вариантов решения данной задачи позволяет сделать вывод о технологической и экономической целесообразности применения сорбционной очистки.

Проведенные экспериментальные исследования дали возможность определить уровень проскоковой концентрации нефтепродуктов в фильтрате. В качестве исходной сточной воды использовалась сточная вода после отстойников Ташкентского тепловозоремонтного завода.

Степень очистки стока во времени оценивалась изменением уровня про-скоковой концентрации нефтепродуктов и ионов тяжелых металлов в фильтрате, определяемой отношением Сф/Сисх, где Сф - концентрация нефтепродуктов в фильтрате, мг/л; Сисх - концентрация нефтепродуктов в исходной воде, поступающей на фильтрацию, мг/л. Следовательно, эта величина является безразмерной.

В результате математической обработки опытных данных, полученных на коротких слоях адсорбента, найдены осредненные значения динамических коэффициентов снижения эффективности Кф (рис. 2) для концентрации нефтепродуктов в исходной воде Снсх <

< 10 мг/л при температуре 20-25 оС и диапазоне скоростей фильтрации от 1 до 5 м/ч, которые в последующем были использованы для пересчета полученных данных на реальную высоту слоя сорбционного фильтра.

На основе аппроксимации Кф установлена зависимость относительной концентрации нефтепродуктов в фильтрате для пересчета на реальную высоту слоя сорбционного фильтра при рекомендуемой высоте слоя адсорбента в сорбционном фильтре Нс.ф от 1 до 1,6 м и концентрации нефтепродуктов С“х < 10 мг/л:

Рис. 2. Динамический коэффициент снижения эффективности очистки от скорости фильтрации

ISSN 1815-588Х. Известия ПГУПС

2011/4

166

Общетехнические задачи и пути их решения

С н

^ост

г

син

исх

ттд

Кф

Л3,33 Яс.ф

1 + К

ф J

где Сисх, С? - исходная и остаточная концентрации нефтепродуктов в

сточной воде, Снсх = 8,7 мг/л;

Нс ф - рабочая высота слоя сорбента, Нс ф = 1,2 м;

Кф - коэффициент снижения эффективности очистки стоков от нефтепродуктов в динамических условиях, зависящий при прочих равных условиях от скорости фильтрации, Кф = 0,9 при Vo = 4 м/ч.

С учетом задержания растворенных нефтепродуктов в секции сорбции их выход с очищенной водой определяется расчетом, предложенным выше, а взвешенные вещества ориентировочно определяются при эффекте задержания их в сорбционном фильтре не менее 80 %. Следовательно, в

очищенной воде может содержаться до C^ = 1,6 мг/л и С^сх = 0,5 мг/л.

Все основные расчетные параметры секций механической, фильтрационной и сорбционной очистки моноблочной установки показаны на рисунке 3.

Рис. 3. Схема установки для очистки сточных вод производительностью 20 м3/ч

2011/4

Proceedings of Petersburg Transport University

Общетехнические задачи и пути их решения

167

2 Оценка влияния эффективности очистки при нисходяще-восходящем течении жидкости в зоне тонкослойного отстаивания установки

Как известно, основная классификация тонкослойных отстойников по направлению движения воды предполагает возможность реализации горизонтального, радиального и вертикального течения воды в тонкослойных элементах.

Вертикальные тонкослойные отстойники проектируются с углом наклона 45-60° для удаления осадка и нефтепродуктов с поверхности элементов и бывают с восходящим и с нисходящим течением жидкости. При интегрировании дифференциальных уравнений движения всплывающих частиц для тонкослойных отстойников с различным направлением движения потока в пределах тонкослойных элементов [4] получено выражение для определения необходимой их длины:

L = V° 2h ± 2h • tg а,

u0 • cosa

где а - угол наклона тонкослойного блока к горизонту.

При расчете отстойников на задержание легких всплывающих примесей, имеющих плотность меньше плотности жидкости, второй член при восходящем течении берется со знаком плюс, а при осаждении тяжелых примесей с плотностью, большей плотности жидкости, - со знаком минус. Именно этим объясняется мнение о превосходстве отстойников с восходящим течением, когда требуется выделить из жидкости тяжелые примеси. В практике отстойники используются для выделения как легких, так и тяжелых частиц.

Очевидно, что в этом случае оценка влияния направления движения потока в тонкослойном блоке на эффективность его работы зависит от того, какие загрязнения в сточной воде являются преобладающими или лимитирующими - легкие или тяжелые. Этот вывод должен быть скорректированы с учетом влияния других факторов (условий распределения потока на входе в тонкослойный блок, конструктивных преимуществ и т. п.). Для установки предложенной конструкции при 2h < 25...50 мм и углах наклона блока к горизонту 30...60о увеличение или уменьшение необходимой длины элементов составляет 2,5...5 см, а гидравлическая крупность частиц Uo -2...5 %, что находится в пределах точности расчетов и не может существенно повлиять на эффективность работы отстойника.

Для установки предлагаемой конструкции с последующей доочисткой методом фильтрации выбор направления течения жидкости при проектировании секций тонкослойного отстаивания становится не принципиальным, так как нивелируется процессом фильтрации, и извлечение как нефтепродуктов, так и взвеси при отрицательном влиянии повышенной их

ISSN 1815-588Х. Известия ПГУПС

2011/4

168 Общетехнические задачи и пути их решения

концентрации на процесс фильтрации происходит при любых принятых направлениях течения.

В конструкции моноблочной комбинированной установки (рис. 4.) предусмотрено нисходяще-восходящее течение, обеспечивающее автоматическое взаимное исключение влияния этого фактора на эффективность работы тонкослойных элементов. В первом по ходу воды блоке преимущество получают легкие всплывающие фракции загрязнений, во втором - тяжелые осаждающиеся примеси.

Рис. 4. Схема моноблочной комбинированной установки с нисходяще-восходящим течением жидкости в тонкослойных элементах в зоне механической очистки:

1 - зона грубой механической очистки;

2 - блок тонкослойных элементов с нисходящим течением;

3 - то же, с восходящим течением жидкости;

4 - зона фильтрации с плавающей загрузкой;

5 - зона сорбционной очистки;

6 - устройство для удаления всплывающих веществ

Приведенные выше расчеты и соображения об эффективности работы отдельных секций предложенных моноблочных установок позволяют оценить влияние каждой секции на окончательный эффект очистки сточных вод предприятий железнодорожного транспорта и, изменяя их размеры, обеспечивать необходимые параметры очистки стоков.

Заключение

Моноблочное решение установки дает возможность существенно уменьшить необходимые площади для размещения всего комплекса очистки сточных вод. Это особенно выгодно при реконструкции очистных сооружений действующих предприятий и строительстве установок очистки дождевого и талого стока с территорий объектов железнодорожного транспорта, что в последнее время выходит на передний план при реализации программ, направленных на защиту окружающей природной среды.

2011/4

Proceedings of Petersburg Transport University

169

Общетехнические задачи и пути их решения Библиографический список

1. Пат. 86182, Российская Федерация МПК С 02 F 1/40. Установка для очистки сточных вод / Иванов В. Г., Черников Н. А., Эргашев Ш. Ш., патентообладатель Петербургский государственный университет путей сообщения. - № 2009116855/22 ; заявл. 24.05.2009 ; опубл. 27.08.2009. - 2 с.: ил.

2. Разработка технологий сорбционной доочистки сточных вод от ионов тяжелых металлов и нитратов : отчет о НИР (заключ.) : 367 / Петербургский гос. ун-т путей сообщения ; рук. и исполн. Е. Г. Петров. - СПб., 1993. - 51 с. - Инв. № 704257.

3. Пенополистирольные фильтры / М. Г. Журба. - М. : Стройиздат, 1992. - 175 с.

4. Совершенствование конструкции и методов расчета тонкослойных отстойников сточных вод / В. Г. Иванов, Г. П. Кугин, Ю. М. Симонов, И. А. Евстигнеев,

Л. Б. Гляденова. - М. : ВНИИПНЭНлеспром, 1979. - 48 с.

ISSN 1815-588Х. Известия ПГУПС

2011/4