Теоретические аспекты схем обработки осадка

Полный текст

Введение

Обработке осадка отстойных сооружений станций водоподготовки последние годы стали уделять больше внимания и отечественные, и иностранные ученые. Объемы осадка, образующегося в отстойниках, осветлителях, а затем в устройствах схем оборота промывных вод и сооружениях повторного использования, далеко не маленькие. Осадок, конечно, можно сбросить обратно в водоисточник, мотивируя тезисом «что взяли, то и вернули», но суммы экологических платежей при обнаружении в сбросной воде остаточных концентрации коагулянта (флокулянта), тяжелых металлов и т. п. наталкивают на мысль о возможности его обработки и утилизации.

Свод правил СП 31.13330.2021 по обработке осадка в п. 9.163 указывает на необходимость обезвоживания и складирования его «с или без предварительного сгущения». Для этого следует использовать «сгустители, накопители, площадки депонирования, замораживания и подсушивания осадка» [1]. Фактически предлагается его только складировать, но площади сооружений не бесконечны, и в конце концов возникает вопрос захоронения накопленного осадка. Несколько станций в РФ пошли по пути механического обезвоживания с последующим вывозом на полигоны ТКО. Хорошее решение, но стоимость оборудования и флокулянта, дополнительные энергозатраты не всегда под силу малым и средним станциям. И снова встает вопрос утилизации осадка.

Существуют примеры удачного решения с утилизацией в почвогрунте [2], строительных материалах [3–6] или в составе сорбента [7]. При этом практически всегда на такие примеры есть результаты единичных научно-исследовательских работ с конкретным видом осадка. Перед проектировщиком реконструируемой или строящейся станции очистки природных вод остается открытым вопрос, на какие научные аспекты опереться в проектировании сооружений обработки осадка. В научной литературе нам не удалось найти теории образования, обработки и утилизации сбросных вод от отстойных сооружений, а тем более от сооружений обработки сбросных (промывных) вод скорых фильтров. В данной статье приводим наше видение такой теории.

Методы

В качестве методов исследований применена декомпозиция схемы обработки осадка на этапы по качеству сбросной воды. На каждом этапе выделен основной процесс и выполнен поиск влияющих факторов на результативность процесса, а также существующих теорий такого процесса, а именно:

• этап образования – теория движения наносов, в частности формулы Г.В. Лопатина для определения количества взвешенных наносов (мутности) в реке [8];
• этап уплотнения – теория уплотнения осадка проф. Е.Ф. Кургаева [9];
• этап обезвоживания (в естественных условиях) – теория уплотнения осадка проф. Е.Ф. Кургаева, теория сушки акад. А.В. Лыкова [10], теория капиллярного поднятия Жюрена с развитием в работах Лапласа.

Результаты

Этапы жизненного цикла сбросных вод – образование, транспортировка, обработка и утилизация – формируют общую модель схемы их обработки. Модель включает в себя генезис сбросных вод в процессе промывки (удаления осадка) из отстойных сооружений, обработку (уплотнение, обезвоживание) и утилизацию (рис.1). В состав осадков включаем осадки отстойных сооружений и осадки сооружений обработки сбросных (промывных) вод.

 

Рис. 1. Концептуальная модель образования, обработки и утилизации сбросных вод отстойников и сооружений обработки промывных вод скорых фильтров и контактных осветлителей станций водоподготовки

 

Концептуальная модель образования, обработки и утилизации сбросных вод отстойников и сооружений обработки промывных вод скорых фильтров и контактных осветлителей станций водоподготовки показана на рис. 1.

Этапы в общем виде могут быть представлены функциями:

${Х}_1^{/}=f\left({К}_{\text{р}},h,i,n,U_{\text{ср}} \right)$,

${Х}_2^{/}=f\left({С}_0, V_{\text{л}},{\tau }_{\text{пер}}, h_0, \right)$,

${Х}_3^{/}=f\left(\text{ТО}\right)$,

${Х}_4^{/}=f\left(\text{Сu},\text{Zn},\text{Pb},{\text{ Al}}_{\text{2}}{\text{O}}_{\text{3}},{\text{P}}_{\text{2}}{\text{O}}_{\text{5}}{\text{,SiO}}_{\text{2}}\right)$,

где К_р – коэффициент разбавления осадка водой, подаваемой на промывку; h – средняя глубина потока, принимаемая равной высоте слоя осадка; i – уклон днища отстойника к сборному трубопроводу (коробу); n – коэффициент шероховатости днища отстойника; U_ср – средневзвешенная гидравлическая крупность частиц осадка; – время перемешивания осадка в уплотнителе; С₀ – массовая концентрация взвеси, поступающей в уплотнитель; V_л – скорость движения конца лопасти мешалки в уплотнителе; ТО – тип обезвоживания – механическое или в естественных условиях; Cu, Zn, Pb, Al₂O₃, P₂O₅, SiO₂  – концентрация в осадке соответствующих веществ и соединений.

В общем случае концентрация взвешенных частиц в потоке сбросной воды от отстойников зависит от вида системы удаления осадка, физических, в том числе реологических, свойств осадка, конструкции дна отстойника и т. д. Рассматривая в общем гидравлические системы удаления осадка для потока смываемого осадка, среднее значение концентрации взвешенных частиц в первом приближении можно определить по формуле Г.В. Лопатина:

${С}_0=\frac{4i{h}^{\mathrm{0,5}}}{U_{\text{ср}}{n}^2}$ (1)

где $U_{\text{ср}}=\frac{{\displaystyle {\sum }_{i=1}^n{U}_{\text{ср}i}{p}_i}}{\text{Р}}$; U_срi – гидравлическая крупность, подсчитанная по d_ср для i-й фракции; $d_{\text{ср}i}=\frac{d_{i-1}+d_i}{2}$; p_i – вес i-й фракции; Р – вес всего образца осадка.

Допуская, что слой осадка в процессе удаления равномерно уменьшается по длине отстойника, можно записать $d{С}_0^2={\left(\frac{4i}{U_{\text{ср}}{n}^2}\right)}^{2}dh,$ так как, h = h(τ) то

$d{С}_0^2={\left(\frac{4i}{U_{\text{ср}}{n}^2}\right)}^2{h}^{/}\left(\tau \right)d\tau ,$ (2)

где τ – время протекания процесса, с, в данном случае время удаления осадка из отстойника.

В работе [9] проф. Е.Ф. Кургаев отмечает, что при уплотнении осадка протекают следующие процессы:

• стеснённое осаждение не связанных между собой частиц хлопьевидной взвеси;
• образование сплошной пространственной структуры из этих частиц с постепенным уменьшением ее объема в результате уменьшения пор между частицами хлопьевидной взвеси;
• уплотнение хлопьевидных частиц осадка, сопровождающееся удалением свободной воды, заключенной в ячейках хлопьев и сжатием последних.

В уплотнитель осадок поступает с влажностью 99,0–99,8 %, фактически представляя собой высокомутную воду, а время нахождения в уплотнителе не превышает 1–3 сут. Выполненными на кафедре водоснабжения и водоотведения ДГТУ исследованиями установлено, что продолжительность уплотнения в первой области для осадка горизонтальных отстойников составляет 1–3 ч, а для осадка от сбросных вод скорых фильтров – 3–15 мин. Длительность же второй фазы уплотнения осадка отстойников в условиях реальных сооружений – в пределах от 3 ч до нескольких суток (высококонцентрированные минеральные осадки) и от 1 ч до 17 ч для осадка сбросных вод скорых фильтров. Следовательно, можно утверждать, что в уплотнителе наблюдается первая и вторая фазы уплотнения осадка.

Воспользовавшись уравнением для определения скорости осаждения частиц, нами предложено первую фазу (стадии) уплотнения описать уравнением

$-\frac{dh}{d{\tau }_I}=U_{\text{ср}}\frac{{\left(1-{С}_0\right)}^4}{1+{С}_0^2}.$ (3)

Знак «минус» указывает на уменьшение высоты взвешенного вещества в процессе стесненного осаждения. Интегрируя (3) в пределах τ = 0 h = h₀, τ_I = τ_I h = h_kI, получим

$h_0-h_{kI}=U_{\text{ср}}\frac{{\left(1-{С}_0\right)}^4}{1+{С}_0^2}{\tau }_I,$ (4)

где h₀ – начальная высота налива осадка; h_kI – критическая высота слоя осадка, соответствующая первой критической точке; C₀ – концентрация взвешенных частиц в объеме неуплотненного осадка; τ_I – время уплотнения осадка в первой фазе, или

$\frac{{С}_0}{{С}_{\text{н}}}=1-U_{\text{ср}}\frac{{\left(1-{С}_0\right)}^4}{1+{С}_0^2}{\tau }_I{h}_0^{-1} ,$ (5)

где C_н – концентрации взвеси в конце первой фазы или в начале второй фазы.

В свою очередь для второй фазы уплотнения предлагаем использовать зависимость, полученную Л.И. Нечаевой [11], в которой заменим высоты слоев на концентрации взвешенных веществ; принимая, что концентрация взвеси в слое декантированной воды много меньше концентрации взвеси в уплотняющемся осадке, получаем выражение изменения концентрации осадка С(τ) в слое осадка Н(τ):

$С\left({\tau }_{II}\right)={С}_{\text{н}}{\left[\frac{{С}_{\text{н}}}{{С}_{\text{к}II}}+\left(1-\frac{{С}_{\text{н}}}{{С}_{\text{к}II}}\right)e^{-a{\tau }_{II}^{\beta }}\right]}^{-1},$ (6)

где C_кII – концентрации взвеси в конце второй фазы; τ^β_II  – время уплотнения во второй фазе уплотнения.

Таким образом, уплотнение разбавленного при удалении из отстойников осадка в осадкоуплотнителе нами предлагается описывать системой уравнений:

$\left\{\begin{array}{c} \frac{{С}_0}{{С}_{\text{н}}}=1-U_{\text{ср}}\frac{{\left(1-{С}_0\right)}^4}{1+{С}_0^2}{\tau }_I{h}_0^{-1} .\\ С\left({\tau }_{II}\right)={С}_{\text{н}}{\left[\frac{{С}_{\text{н}}}{{С}_{\text{к}II}}+\left(1-\frac{{С}_{\text{н}}}{{С}_{\text{к}II}}\right)e^{-a{\tau }_{II}^{\beta }}\right]}^{-1}.\end{array}\right.$ (7)

Влияние перемешивания осадка в осадкоуплотненителе учитывается увеличением значения U_cp (U_cp = f(V_л, τ_пер)) (в первой фазе и величиной коэффициента α и показателя степени β во второй фазе уплотнения.

Обезвоживание осадка реализуется в двух вариантах – механическое обезвоживание и обезвоживание в естественных условиях. Эффективность механического обезвоживания зависит от вида применяемого оборудования, параметров его работы, дозы и вида флокулянта. Обезвоживание осадка в естественных условиях (иногда употребляют термин «сушка») описывается дифференциальным уравнением

$\frac{dV}{d\tau }=\frac{d{V}_{\text{c}}}{d\tau }+\frac{d{V}_{\text{ф}}}{d\tau }+\frac{d{V}_{\text{д}}}{d\tau }$ (8)

где V – общее содержание воды в осадке; V_с – объем воды, удаляемой с поверхности осадка вследствие испарения влаги; V_ф – объем воды, удаляемой в процессе фильтрования в дренажную систему; V_д – объем воды, удаляемой за счет декантации.

Применительно к площадкам обезвоживания, с установленными в них капиллярными патронами, уравнение (8) дополним слагаемым $\frac{d{V}_{\text{с.к.}}}{d\tau }$, учитывающим испарение с поверхности капиллярного патрона выше уровня воды, тогда

$\frac{dV}{d\tau }=\frac{d{V}_{\text{c}}}{d\tau }+\frac{d{V}_{\text{ф}}}{d\tau }+\frac{d{V}_{\text{д}}}{d\tau }+\frac{d{V}_{\text{с.к.}}}{d\tau }$, (9)

где V_c.к. – объем воды, испаряющейся в процессе сушки капиллярного материала.

При напуске осадка на поверхность площадки обезвоживания его уплотнение начинается со второй фазы и продолжается в третьей фазе, тогда удельный (на единицу площади) объем воды, образующейся за счет уплотнения осадка, будет:

$V_{\text{уд}}=\left\{\begin{array}{c}{h}_{kII}+\left(h_{\text{н}}- h_{kII}\right)\cdot e^{-\alpha {\tau }_{II}^{\beta }} h> h_{kII}\\ \left(60h_{kII}{C}_{\text{к}III}-80\right)K h\le h_{kII}\end{array}\right.$, (10)

где h_kII – высота слоя осадка, соответствующая окончанию второй фазы уплотнения, см; К – коэффициент уплотнения в третьей области, определяемый по графику 3.8 [11]; h_н  – высота начального слоя осадка; α – коэффициент, характеризующий содержание твердой фазы в осадке; β  – коэффициент, учитывающий содержание твердой минеральной фазы в осадке; C_kIII  – концентрация взвеси в конце третьей фазы.

Образовавшаяся при уплотнении вода удаляется путем декантирования с поверхности, фильтрования в дренажную систему и испарения с поверхности жидкости (до момента снижения уровня воды ниже уровня осадка). Но с учетом того, что скорость испарения значительно меньше скорости фильтрования и декантации, им можно пренебречь, тогда

$\frac{d{V}_{\text{ф}}}{d\tau }+\frac{d{V}_{\text{д}}}{d\tau }=h_{kII}+\left(h_{kII}-h_{\text{н}} \right)\cdot e^{-\alpha {\tau }_{II}^{\beta }}\left(\beta -1\right)\alpha {\tau }_{II}^{\beta -1}$, (11)

Принимая сушку осадка только за счет испарения воды с поверхности осадка,

$\frac{d{V}_{\text{c}}}{d\tau }={К}_{\text{об}}\cdot {Е}_{\text{м}}=12960{К}_{\text{об}}\left(l_0-l_{200}\right)\left(1+\mathrm{0,72}{V}_{200}\right)d\tau$, (12)

где К_об – модульный коэффициент обеспеченности, зависящий от климатических условий района строительства и требуемой степени обеспеченности; Е_м – величина слоя месячного испарения, мм; l₀ – упругость насыщенных водяных паров, мб; l₂₀₀ – средняя месячная абсолютная влажность воздуха на высоте 200 см от водной поверхности, мб; V₂₀₀ – средняя скорость ветра на высоте 200 см, м/с; τ – время, с.

Скорость сушки капиллярного материала:

$\frac{d{V}_{\text{с.к.}}}{d\tau }=F_{\text{к.п.}}\cdot \sum {Е}_{\text{м}}^{/}=\mathrm{2,07}\cdot {10}^6{F}_{\text{к.п.}}\cdot \sum \frac{l_0-l_1}{R_{\text{в.п.}}}d\tau ,$ (13)

где F_к.п. – площадь капиллярного поднятия по всем капиллярным материалам над уровнем воды в площадке, м²; ${Е}_{\text{м}}^{\text{/}}$ – величина слоя месячного испарения с поверхности капиллярного материала, расположенного выше уровня воды, мм; R_в.п. – коэффициент для внутренней поверхности; l₁ – абсолютная влажность воздуха над сушей для данного месяца, мб, согласно СП 131.13330.2020.

Совместное решение представленных уравнений модели обеспечивает полное описание процесса от момента образования сбросных вод влажностью 99,5–99,7 % до обезвоживания при конечной влажности ≈60 %. Утилизацию осадка также нам не удалось описать математически, поэтому разработан алгоритм принятия решения о направлении утилизации (рис. 2). Исследовав химический состав осадка и воспользовавшись предложенным алгоритмом, представляется возможным принять обоснованное решение о направлении(ях) утилизации осадка, учитывая заинтересованность потенциальных потребителей.

 

Рис. 2. Алгоритм выбора технологической схемы обработки осадка отстойников и промывных вод скорых фильтров

 

Обсуждение

Представленный подход к описанию схемы обработки осадка отстойников и сбросных вод основан на исследовании этапов жизненного цикла осадка на станциях водоподготовки. При этом факторами, влияющими на математическое описание процесса, выбраны как качественные показатели осадка, которыми трудно управлять, так и управляемые – способ обезвоживания, время перемешивания и скорости движения конца лопасти мешалки в уплотнителе. Определение зависимостей U_cp = f(V_л, τ_пер) и α, β = f(V_л, τ_пер) возможно по результатам экспериментов и является следующим этапом развития данной работы. Математическое описание процессов образования осадка, уплотнения и обезвоживания, приведенное в работе, представляет основу для методик расчета соответствующих сооружений обработки осадка.

В работе Ю.А. Рыльцевой [12] выполнено математическое моделирование процесса обезвоживания на площадке подсушивания (каменные капиллярные элементы) с целью оценки влияния высоты налива осадка, наличия или отсутствия дренажа, наличия или отсутствия капиллярных элементов на продолжительность обезвоживания осадка до влажности менее 30 %. Получены уравнения вида

${\tau }_{30\%}={\text{К}}_{\text{1}}+{\text{К}}_{2}h-{\text{К}}_{\text{3}}\text{Д}-{\text{К}}_{\text{4}}{\text{К}}_{\text{э}}$, (14)

где h – высота налива осадка, см; Д и К_э – соответственно параметры дренажа и капиллярных элементов, принимающие значение «+1» при наличии и «-1» при отсутствии.

Коэффициенты К₁, К₃ и К₄ являются функцией влажности осадка, принимающие значения для влажности осадка 88,4 % 46,25; 2,25; 3,75 соответственно, а для влажности 92,4 % 47,25; 9,25 и 4,5. Коэффициент К₂ от влажности не зависит и равен 7,5. Таким образом, с достаточной для инженерных расчетов точностью уравнение (14) принимает вид

${\tau }_{30\%}=\mathrm{46,75}+\mathrm{7,5}h-\left(\mathrm{0,99}W+\mathrm{7,03}\right)\text{Д}-\mathrm{4,12}{\text{К}}_{\text{э}},$ (15)

где W – влажность осадка, %.

Следовательно, выбор влияющих факторов на скорость обезвоживания осадка подтверждается эмпирически полученными результатами.

Выводы

Определены этапы жизненного цикла сбросных вод отстойников и сооружений обработки промывных вод скорых фильтров. Выявлены влияющие факторы на каждом из этапов. Сформирован алгоритм выбора технологической схемы обработки осадка отстойников и промывных вод скорых фильтров.

Получена математическая модель образования, уплотнения и обезвоживания в естественных условиях как основа моделирования процессов и методик расчета сооружений. Выбор влияющих факторов на скорость обезвоживания осадка подтверждается эмпирически полученными результатами.

Об авторах

Денис Александрович Бутко

Донской государственный технический университет

Автор, ответственный за переписку.
Email: den_111@mail.ru
ORCID iD: 0000-0002-3792-7198
SPIN-код: 9996-5343
Scopus Author ID: 57194440024

кандидат технических наук, доцент, заведующий кафедрой водоснабжения и водоотведения

Россия, 344003, г. Ростов-на-Дону, пл. Гагарина, 1

Список литературы

Дополнительные файлы