Автореферат Ю.О.Прутьяновой


УДК 628.33.358: 622.755                                          На правах рукописи

 

 

 

 

                                        

 

                                 Прутьянова    Юлия     Олеговна

    

 

 

 

 

 

 

          Усовершенствование  мембранной  технологии

    доочистки сточных вод  с применением  гидроциклона

 

 

 

           05.23.04Водоснабжение, канализация, строительные системы и    

                                       охраны водных ресурсов

    

 

 

 

 

                                                   Автореферат  

                         диссертации на соискание ученой степени

                                     кандидата  технических наук

 

 

 

                                                             

 

 

 

 

                                        Республика Казахстан

                                                Алматы,  2008

Работа выполнена в Казахском национальном аграрном университете

 

 

 

Научный руководитель:                 доктор технических наук

                                                          Касымбеков  Ж.К.

 

 

Официальные оппоненты:             доктор технических наук

                                                          Соатов У.А.                                                              

                                                          кандидат технических наук

                                                          Жумартов Е.Б.

 

 

 Ведущая организация                   Евразийский национальный университет

                                                          им.Л.Н.Гумилева

 

 

 

  Защита состоится «27 » декабря 2008года в  14.30 часов на заседании

диссертационного Совета Д14.61.25 при Казахском национальном техническом  университете имени К.И.Сатпаева по адресу: РК,050013

  г. Алматы,ул.Сатпаева,22.

  

     С диссертацией можно ознокомиться в библиотеке Казахского национального университета имени К.И.Сатпаева по адресу: РК,050013

 г. Алматы,ул.Сатпаева,22.

   

 

 

 

 

 

Автореферат разослан «  » ноября 2008г.

 

 

 

 

   Ученый секретарь

диссертационногосовета,

доктор технических наук                                                        М.Т.Жараспаев

                                           

 

 

 

ВВЕДЕНИЕ

 

Общая характеристика работы. Диссертационная работа направлена на улучшение функционирования мембранного биореактора за счет снижение преждевременного закупорывания пор и износа элементов очистного уст- ройства из-за влияния твердых примесей и взвещенных веществ при очистке сточных вод. Включает разработку усовершенствованного варианта гидроциклонно-мембранной схемы очистки сточных вод,результаты стендовых исследовании и испытании в производственных условиях. Изложены рекомендации по усовершенствованию и применению    гидроци- клонно- мембранной установки для очистки городских сточных вод.

Актуальность темы.  Проблемы рационального использования водных ресурсов,предотвращения и ликвидация последствий загрязнения водоемов и расширения систем оборотного водоснабжения  в Казахстане становятся актуальными, особенно в связи с бурным развитием городских инфраструктур. Например, только в  г.Астана, по перспективному плану развития на 2020г.,требуется увеличить обьем проектируемых канализационно-очистных сооружений до 92,7млн.м3/год. При этом, особо важное значение имеет освоение локальной схемы очистки городских сточных вод,которая позволяет значительно снизить  загрязненность окружающей среды, сократить затраты на водоподготовку,эффективно утилизировать уловленные продукты.

Как показывает мировая практика, одной из динамически развивающихся областей науки и техники в системах водоотведения становится технологии,связанные с использованием мембранного биореактора (МБР). Возможность широкого внедрения мембранных процессов  и агрегатов определяется прежде всего их положительным  влиянием на решение найболее острых технологических проблем по очистке сточных вод,высоким качеством проводимых мероприятий, стабильностью и прогнозируемостью характеристик очищенной воды.

Однако, как видно из опыта их эксплуатации за рубежом, так и  в нашей стране,большинство используемых конструкции мембранных установок подвергаются механическому загрязнению мембраны,снижению работоспособности и к преждевременному износу элементов очистного устройства,что значительно ухудшает их эксплуатационные  характеристики. Это особенно заметно при работе на очистных сооружениях,где не обеспечивается требуемый степень предварительной очистки от  твердых  механических частиц  и взвешенных веществ.

Исходя из вышеизложенного, следует считать, что вопросы усовершенствования мембранной технологии очистки сточных вод и улучшение эксплуатационных показателей существующих конструкции мембранных модулей представляют самостоятельную,социально значимую проблему,связанную с сохранением окружающей среды.

Диссертационная работа выполнена в соответствии с планом научно-исследовательских работ   МСХ РК по программе 042   «Прикладные научные исследования в области АПК» на 2006-2008гг( тема: «05.01.04.06.02. Разработка конкурентоспособной технологии очистки воды и оборотного водоснабжения на сельских перерабатывающих предприятиях») и проектов «Применение технологии МБР для модернизации КОС г.Астана» по заданию Департамента энергетики и комунального хозяйства г.Астана (2006-2008гг.), «Ликвидация накопителя сточных вод«Талдыколь» с рекультивацией земель (5/86-05-ТЭО.ПОВОС) г. Астана, 2007г.

Цель работы. Усовершенствование мембранной технологии доочистки городских сточных вод путем предварительного улавливания твердых примесей  и взвещенных веществ из обрабатываемого стока с помощью гидроциклона.

Для достижения поставленной цели решались следующие задачи:

·        изучить физико – химический состав исходных сточных вод на принятом обьекте исследования;

·        разработать усовершенствованный вариант гидроциклонно-мембранной схемы очистки сточных вод;

·        исследовать режим работы гидроциклона и установить технологическо-эксплуатационную характеристику  мембранного модуля с гидроциклоном и  без    него ;

·        изучить рабочей и качественней характеристики мембранного модуля при совместной  работе с гидроциклоном в производственных условиях;

·        разработать рекомендации по усовершенствованию и применению    водоочистной гидроциклонно- мембранной технологии.

Научная новизна

- установлены рациональные режимные параметры гидроциклона, входящего в схему мембранной  очистки сточных вод;

- определены технологические и качественные характеристики   мембранного модуля при совместной  работе с гидроциклоном и без него;

- усовершенствована методика расчета  основных элементов гидроциклона    и мембранного биореактора;

- разработаны рекомендации по усовершенствованию и применению гидроциклонно-мембранной технологии для очистки сточных  вод;

Научные положения, выносимые на защиту:

- относительный расход по сливу гидроциклона увеличивается по кривой  второго порядка,  а после   повышения давления более 200-220кПа зависимость стабилизируется.

- перегрузка гидроциклона со сгущенной массой приводит к нарушению перераспределения твердой фазы и снижению степени очистки воды до36%;

- линейное возрастание селективности при малых давлениях на входе и ее        устойчивость при низких концентрациях примесей после гидроциклона         характеризуются  практически во всех режимах работы  мембраны.

Практическая ценность.

 -обеспечивается рациональная работа по защите мембраны от механического загрязнения, приводящей к снижению ее работоспособности, преждевременному износу элементов очистного устройства;

 

-достигается стабильно высокое качество очищенной воды и экологическая выгода по сравнению с существующими вариантами очистки;

-применение новой технологий  способствует снижению стоимости и уменьшению капитальных и эксплуатационных затрат (на 10–15%). Очистные сооружения приобретают компактный вид и занимаемые площади ими уменьшаются до 50%, чем ныне действующие.

 

Разработанная «Гидроциклонно-мембранная установка» демонстрирована и положительно оценена на выставке, организованной в  г.Астане в рамках ШОС и XV конференции  министров образования СНГ (22-24.10.2008г.)

Реализация и внедрение Результаты разработанной и  исследованной  технологии и установки были внедрены в системе  коммунально -очистных сооружении г.Астана, ТОО «ВЭН» (2007г.), ГКП «Астана су арнасы», ТОО «Астана ТрансСтрой Монтаж» (2008г.). Разработанные рекомендации были переданы предприятиям и организациям, по их запросам,в том числе  кафедре « Инженерных систем» Евразийского национального университета им. Л.Н..Гумилева.

Апробация работы. Основное содержание работы и полученные результаты докладывались и обсуждались на Международной научно-практической конференции «Повышение конкурентоспособности сельскохозяйственного производства Казахстана:          проблемы, пути решения», КазНАУ (г.Алматы, 2007г.), на Международной научно- практической конференции «Современные проблемы и пути их решения в науке, транспорте, производстве и образовании (г.Одесса, 2007г.), на Международной научно-практической конференции «Проблемы инновационного и конкуренноспособного развития агроинженерной науки на современном этапе, КазНАУ (г.Алматы,2008г.)на Международной научно-практической конференции «Экологическая безопасность урбанизированных территорий в условиях устойчивого развития», МООС РК (г.Астана,2008г.- 2 доклада), на Международной  научно- практической конференции «Экологическая безопасность государств-членов ШОС» (г.Екатеринбург,2008),на Международной научно-практической конференции «Стоительство и архитектура в новом тысячелетии» (г.Алматы,2008).

Публикации.  По результатам исследований опубликованы 8 научных работ,в том числе 3 статьи в научных изданиях, рекомендованных Комитетом по контролю в сфере образования и науки МОН  РК.

Структура и объем работы.  Диссертация состоит из введения, 4 разделов, заключение и списка использованных источников из 117 наименований и приложений. Работа изложена на 126 страницах, содержит 54 рисунка и 16 таблицы.                                          

 

 

 

 

 

 

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

 

Во введении изложена актуальность темы и обоснована необходимость усовершенствования мембранной технологии очистки сточных вод.Это связано с тем,что большинство используемых конструкции мембранных установок подвергаются механическому загрязнению мембраны,снижению работоспособности и к преждевременному износу элементов очистного устройства.Отмечены научная новизна и практическая ценность полученных результатов.

В первой главе анализирован опыт применение мембранной технологии очистки сточных вод  и   существующих установок, результаты  ранее выполненных  научно – исследовательских работ по мембранной   биологической  очистке сточных вод, а также по механической очистке воды с использованием напорных и вакуумных     гидроциклонов.      

При оценке существующих технологии установлено,что отличительной  особенностью мембранной технологии является то, что в ней возможно рациональное сочетание биологической очистки с известной мембранной фильтрацией. За счет этого достигается отделение биомассы от воды на высоком уровне, соблюдение санитарно-эпидомологических норм, повышение концентрации активного ила.Установлено,что на мембранные элементы отрицательно влияют остаточные твердые механические частицы, имеющиеся в сточных водах после предварительной очистки.Они приводят к преждевременному износу элементов очистного рабочего органа, быстрому загрязнению мембраны

В анализируемых работах по применению мембранного  реактора предложены  и исследованы различные мероприятия по снижению истиряемостиповерхности мембраны и способы предварительного улавливания примесей. Более близкими к рассматрываемой теме являются имеющиеся  научные работы и технические решения по  очистке сточных и природных вод с использованием гидроциклонов.

В области водоотведения и очистки сточных вод найболее весомый вклад внесли такие ученые, как А. А. Фадеев, Н. Н. Худяков,  Н. А. Базякина, М.М.Калабина,С.Д.Яковлев, М.М.Мырзахметов, И.Абдурасулов, И.Сайдаминов, У.А.Соатов, Е.Б.Жумартов и др., а  вопросами мембранной технологии очистки сточных вод  результативно занимались Н.А.Платэ, А.Г.Первов, Ю.В.Павлов, Г.Г.Жабин  и другие.

Механизмы движения жидкости и твердых частиц  в напорных и вакуумных гидроциклонах и параметры, характеризующие их работу изучались многими учеными, в т.ч.как А.И.Поваров , М.Г.Акопов , Г.Тарьян , В.В.Найденко, А.М.Фоминых, А.И.Жангарин, А.А.Абдураманов, М.Ж.Дриссен, И.В.Скирдов, А.М.Мустафаев, Б.А.Бельгибаев, Ж.К.Касымбеков и другие.

Результаты анализа этих работ  послужили основой для дальнейшего усовершенствования мембранного биореактора и разработки устройства гидроциклонного типа, приспособленного для очистки сточных вод от различных примесей и взвещенных веществ.

Во второй главе приведен состав исходных сточных вод на канализационно-очистных сооружениях (КОС) г. Астаны до  и после очистки, изложены пути технологического решения поставленных  задач и теоретические предпосылки по обоснованию параметров  гидроциклонно-мембранной  водоочистной технологии.

При обследовании установлено, что городские сточные воды г. Астана, как сложные гетерогенные смеси, содержат примеси органического и минерального происхождения, которые находятся в нерастворенном, коллоидном и растворенном состоянии.  Качественный состав этих вод, принимаемых в сеть КОС г.Астаны, регулярно анализируется лабораторией «Астана Су арнасы» в соответствии требованиям «Правил приема производственных сточных вод в систему водоотведения г.Астаны». Этими правилами установлены следующие  значения допустимых концентраций: взвешенные вещества-370,0 мг/л, ХПК-436,4 мг/л, БПК-294,7 мг/л, плотный остаток-1044,0 мг/л, нефтепродукты-14,0мг/л, СПАВ 39,0 мг/л, фосфаты -11,0 мг/л, железо-9,0 мг/л.

В качестве способа утилизации части очищенных сточных вод предусматривается использование их для орошения лесонасаждений зеленой зоны г. Астана и перспективных тополиных плантаций, а также сброс в р.Нура или Есил. Оросительные сети с насосными станциями планируется обустроить на пяти участках с общей поливной площадью 21138,9 га.

Сущность  предлагаемого  способа доочистки сточных вод с применением мембранного модуля, снабженного  гидроциклоном заключается в следующем (рисунок 1). После очистки на песколовке сточная вода  подается в аэратор-биореактор , где растворенные вещества питаются бактерией. Затем производится дополнительная очистка воды в гидроциклоне от остатков дисперсных примесей и подача ее из биореактора  в ультрафильтрационный модуль  с помощью канализационного насоса.

Переток жидкой фазы через ультрафильтрацонную мембрану можно описывать, согласно Брусова Ю.,  уравнением Хагена — Пойзойле для потока через пористую структуру.

                                                  (1)

где r - радиус пор, - пористость мембраны,  z- толщина мембраны, Коэффициент  определяет форму пор. Для цилиндрических пор,на которые справедливо уравнение 1, =1

При этом, коэффициент разделения твердой фазы оценивается  отношениемконцентрации компонентов:

                          Кр= (Са,1а,2 )/(Св,1в,2);                                    (2)

 где Са,2 , Св,2 - концентрации компонентов А и В в пермеатах;

Обеспечение необходимого  расхода воды, поступающей к мембранному модулю  из гидроциклона устанавливается по формуле:

 

;                                (3)

Здесь, коэффициент К2 характеризует  как изменение расхода, так и размерности основных параметров  и потому подлежить определению в ходе экспериментов.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1-аэротенк (биореактор); 2-канализационный насос;3-гидроциклон; 4-электрокабель; 5-сливная линия гидроциклона; 6-резервуар для мембранного модуля; 7-мембранный модуль (блок); 8-компрессор; 9-вакуум-насос; 10-расходомер; 11-щит автоматического управления; 12-монометр; 13 -задвижка; 14-трос; 15-насадка для рециркуляции активного ила; 16-поплавок.

Рисунок 1. Схема очистки СТОЧНЫХ  ВОД по предлагаемому способу

                  (заявка на изобретение 2008/0866.1)

    

Для того чтобы оптимально регулировать технологическим процессом при работе, мембранный модуль испытательного стенда был установлен в отдельном резервуаре. 

В третьей главе  описана методика  испытания установки, изложены результаты опытов по исследованию режима работы гидроциклона и рабочие и качественные характеристики мембранной установки  при совместной  работе с гидроциклоном.

Методика испытания гидроциклона и его совместная работа была основана на методических предпосылках, использованных в предыдущих НИР,где проводились исследования аналогичного характера со сточными водами, а также на основе существующей «Методики технологического контроля работы очистных сооружений городской канализации.».М., Стройиздат.

Первоначально проведенное испытание выбранной базовой установки «Микродин-Надир» без гидроциклона (рисунок 2)  показали,что она имеет ограничение на твердые взвеси и поэтому не приспособлена для защиты рабочей поверхности мембран от воздействия дисперсных примесей и взвешенных вещеста.  Показатели ее по взвешенным веществам равнялись 27 – 30 мг/дм3,что значительно превышают ПДК для хозпитьевого и культурно – бытового водопользования. Процесс и степень загрязнение поверхности плоских мембранных элементов механическими примесями после испытаниия характеризуются илюстрацией,показанной на рисунке 3.

 

 

     Расходно-напорная характеристика гидроциклона, построенная по результатам  испытании его (рисунок 4 и 5) показывает,что при изменении давления на входе Рвх в пределах150,0 – 300,0 кПа, наблюдается увеличение расхода жидкости через сливной патрубок Qсл от 0,940 л/с до 1,167 л/с, а через песковое отверстие Qп.о – до 0,038л/с (при dп /dсл  =0,5-1,0).     

Идентичность изменения графиков зависимости Qсл=f(Рвх) и Qвх=f(Рвх) и отклонение абсолютных значений этих расходов всего на 2…5% подтверждают, что параметры гидроциклона особо не влияет на паспортные данные базового насоса. Более полное представление о напорно-расходной характеристике гидроциклона при работе на напорном режиме дают графики на рисунке 6 и процесс очистки,показанной на рисунке 7.  Приведенные зависимости относительных расходов Qсл/Qвх  и Qп.о/Qвх  от давления насоса на входе Рвх характерны для всех режимов работы напорного гидроциклона и они определяют функциональные изменения технологических параметров по осветлению и сгущению сточных вод.Стабилизация значений Qп.о/Qвх  с увеличением Рвх особенно приемлемо при необходимости подачи осветленной воды в резервуар, где установлен мембранный модуль. При уменьшении разгрузочных отношений гидроциклонной камеры до dп /dсл = 0,3…0,4 происходит снижение расхода. Однако, при этом, качественное изменение функции  сохраняется. Оказалось, что перепад давления в гидроциклоне  зависит также от     геометрического параметра гидроциклона. Увеличение диаметра пескового отверстия увеличивает потери давления до 16,0 кПа.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Исходя из вышеизложенного предлагается следующая формула для определения расхода гидроциклона

                          (4)

 где К1 – коэффициент, учитывающий параметры и режим работы гидроциклона, К1=18,0-22,0 (установлен опытным путем);

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Установленные сепарационные характеристики процессов по осветлению Ссл  и  сгущению Спо представлены на рисунке 8. Эти данные показывают, что при повышении содержания твердых фракции на входе гидроциклона с 86 до 91% (классов < 0.045 мм) происходит увеличение граничной крупности разделения с 0.02 до 0.07 мм и средневероятного отклонения с 0.04 мм   

При этом, среднее вероятное отклонение  определялось по формуле (для слива):

                       Еpm = ( d25d75 ) / 2,                                 (5)

где d25, d75 – средний размер класса, соответствующий на 25 и 75%, мм

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Как видно из рисунка 9, содержание твердого в исходных сточных водах изменяется в пределах от 1,9г/л до 3,0 г/л., а крупность частиц до 0,3мм.

   При этом,концентрация очищенного стока через сливной патрубок не превышает Ксл=0,135 мг/л и  улавливаются частицы диаметрами более 0,04-0,05мм, что позволяет защитить поверхность мембраны от абразивного истирания.В режиме перегрузки пескового отверствия гидроциклона  сгущенной массой происходит нарушение в перераспределении твердой фазы и снижение степени очистки воды до 20-36 %,когда высота «песчаной подушки» превышает 1/3 высоты гидроциклона с нижней части.

Удельная нагрузка сгущенной массы на песковое отверстие  определялась по формуле:

                                                          (6 )

где  - рабочая площадь пескового отверстия сгустителя, м2.

Установлено,что рациональный режим по сгущению обеспечивается при удельной нагрузке  qп =1,5-1,6 т/ч на 1см2  

Полученные сводные показатели очистки и доочистки сточных вод, при испытании установки с гидроциклоном, приведены в таблице 1.Как видно из этой таблицы, заметная разница в степени очистки  установлена  в показателях улавливания взвешенных веществ. Если, концентрация взвешенных веществ в очищенной воде установкой «Микродин –Надир» без гидроциклона составляла в пределах  2,1 -20,1 мг/л, то при работе с гидроциклоном она равнялась 0,95-2,15 мг/л.

 

Таблица 1. Сводные показатели очистки и доочистки сточных вод при испытании установки без гидроциклона и с ним.

 

№ п.п

 

 

Наименование компонента

 

 

Ед.

измер.

 

Показатели исходной воды  в аэротенке

 

Очистка  установ

кой «МикродинНадир»

 

Очистка 

совмест. с гидро

цикло

ном

 

ПДК

СанПиН

1

Взвешенные вещества

мг/л

 

126,0-

1410,0

 

    3,6

    20,0

    2,1

    6,0

   

   1,20

   1,15

    0,95

    2,15

   

Не более

0,75 от фон

2

Сухой остаток

мг/л

1040-

2200

  1000

   997

  1060

  1045

   860

   750

  1000

    998

1000

3

 Механические примеси                

мг/л

1449 –

2200

   0,490

   0,321

  0,296

  0,135

   0,102

   0,096

  

  -

                                                                                     

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 


Состав   механических  примесей в доочищенной воде,в зависимости от концентрации исходной,меняется в допустимых пределах.

Обьем фильтрата через модуль при работе с гидроциклоном составляет 1,03-1,21 л/мин,а полезный обьем – 0,83 – 0,94 л/мин (рисунок 11). Это показывает повышение указанных показателя на 20,0-25,0 % ,чем при работе  без гидроциклона. Целесообразность применение гидроциклона подтверждается также увеличением степени очистки на 20-25%, селективности мембраны до 98,8%  и снижением концентрации взвешенных веществ до 0,95-1,02 мг/л.

 Технологические показатели гидроциклона,установленные при стендовых испытаниях  (расход воды 0,940-1,164 л/с, давление 150-300кПа.), оказались достаточными для обеспечения вышеуказанного режима работы мембраны.

      В четвертой  главе приведены технологические параметры используемой установки в производственных условиях,  технико – экономические  показатели и  рекомендации по усовершенствованию и применению.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

      Испытания в производственных условиях проводились с использованием нового мембранного модуля с гидроциклоном (рисунок 12). Как показывают полученные зависимости удельной производительности мембранного модуля по очищенной воде (q, л/м2.ч) от давления ( Р,бар),при использовании гидроциклона достигнуто увеличение пропускной способности до 19,6 л/м3.ч и более,когда как при работе без гидроциклона она составляет 14,2-14,5 л/м3.ч (рисунок 13 ).    Было замечено, что после повышение давлениия более 225-230 бар выход пермеата стабилизируется и имеет тенденции к снижению. При равномерной подаче обработанной в гидроциклоне стока в резервуар выход воды из модуля колеблется в пределах 16,0-18,0 л/м3.ч.,что обеспечивает рациональный режим по доочистке. Установлено,что с увеличением проницаемости уменьшается селективность от 98,5 до 96,3% Обеспечение проточного режима разделения способствует снятию или уменьшению накопление растворимого вещества у поверхности мембраны и поддержания производственного процесса на необходимом уровне.

Вопросы регенерационной промывки для удаления из поверхностей мембран твердых загрязнений и коллоидной пленки не были рассмотрены,т.к. они не входили в задачи настоящей диссертации.Анализ полученных данных  подтверждает соответствия результатов стендовых испытании выбранному режиму работы в реальных условиях.

Согласно разработанной «Рекомендации...» при прооектировании,  насосно-силовое оборудование подбирается с учетом условии, что оно должно обеспечивать суммарный расчетный рас­ход воды в мембранном биореакторе(Qн). При этом производительность гидроциклона определяется по предлагаемой нами формуле 4. Расчет конструктивных и технологических параметров гидроциклонного аппарата производится по методике,изложенной в подразделе 4.3 диссертации.

В случае, когда неизвестно расходно-напорная характеристика базового насоса,то тогда расчет рекомендуется вести в следующей последовательности:

1.Необходимо задаваться основным  параметром гидроциклона,исходя из технологического регламента;

2. Вести расчет удельной гидравлической нагрузки на разгрузочные отверствия гидроциклона;

3.Определить расход воды и размеры гидроциклона по вышеизложенной методике.

При предварительном расчете параметров мембранного биореактора рекомендуется использовать программное обеспечение Biorect,изложенное в работе/116/.Она представляет собой удобный программный пакет для расчета, обладающий широким выбором кинетических уравнений

Технико-экономическая оценка была выполнена на основе сравнения используемых схем доочистки сточных вод  по следующим показателям:

коэффициента очистки воды (КОВ) по твердым частицам и взвешенным веществам,затраты на очистку сточной  воды и стоймости установок.

Если учитывать то,что годовая производительность по очищенной воде составляет в пределах 2550,0-3000,0 м3/год,  то себестоймость очистки 1м3 воды колеблется на уровне 375,0-450,0 тенге/м3. Это происходить из-за ограниченной возможности базового мембранного аппарата (70,0-85,0 л/ч). Поэтому, усовершенствованный вариант рекомендуется использовать преимущественно на локальных водоочистных сооружениях с малой производительностью. Полученные сравнительные характеристики установки « Микродин –Надир» приведены в таблице 2

 

    

Таблица 2.   - Сравнительные характеристики установок

Наименование установки

Стоймость, тенге.

Годовые

затраты ,

тенге/год

КОВ

м.п.

в.в.

Микродин –Надир с гидроциклоном

 

380000

 

953600

 

0,99

 

0,985

Микродин –Надир  без гидроциклона

 

340000

 

1213000

 

0,91

 

0,87

 

Снижение годовых затрат обьясняется тем, что при новом варианте замена изношенных мембран и расходы на восстановление уменьшаются до 30-40 %.

 Предполагаемый  годовой экономический эффект от применения мембранного биореактора с гидроциклоном на  расчетное количество(50шт) составляет 7,5 млн.тенге.

                                                     

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

 

1.Анализ НИР показывает,что  мембранный метод очистки стоков экономичен в эксплуатации и обеспечивает стабильное качество водоочистки с возможностью их повторного использования для технических целей.Однако,на мембранные элементы отрицательно влияют остаточные твердые механические частицы, имеющиеся в сточных водах после предварительной очистки.

2.Фактический качественный состав поступающих сточных вод на обьекте исследования(КОСг.Астаны) по рассматрываемым показателям не стабилен.Концентрации взвещенных веществ и сухого остатка после  очистки в аэротенке соответственно составляют – 16,6 -19,0мг/л и 1008,0-1090 мг/л. Загрязнение илов накопителя «Талдыколь» по аналогии с классификацией загрязнения почв соответствует допустимой категории.

 3.Установлено, что, при рациональном режиме работы гидроциклона, с повышением исходного давления в пределах150,0 – 300,0 кПа, наблюдается увеличение расхода жидкости через сливной патрубок от 0,940 л/с до 1,167 л/с, а через песковое отверстие – до 0,338л/с При этом, консистенция очищенного стока не превышает Ксл=0,135 мг/л, что позволяет предохранять поверхность мембраны от абразивного истирания.

4. При работе мембранного модуля с гидроциклоном обьем фильтрата варьируется в пределах 1,03-1,21 л/мин,а полезный обьем – 0,83 – 0,94 л/мин. Это показывает превышение указанных обьемов на 20,0-25,0 % ,чем при работе  без гидроциклона. 

5.Дополнительная подготовка  сточной воды к процессу доочистки повышает  очистную способность мембранных элементов за счет снижение нагрузки скопление дисперсных примесей на поверхности мембран.   Подтверждением тому является увеличение селективности мембраны до 98,8% и снижение концентрации взвешенных веществ до 0,95-1,02 мг/л.

6. Рациональный режим по доочистке с требуемой удельной производительностью в пределах 16,0-18,0 л/м3.ч. обеспечивается при равномерной подаче обработанной в гидроциклоне воды в резервуар с рабочим циклом по времени  8-10 мин.

7. Годовые затраты на очистку воды с использованием мембранного модуля и гидроциклона уменьшаются на 22,0-25,0% за счет снижения дополнительной промывки и замены изношенных мембран.

Оценка полноты решений поставленных задач. Поставленная цель перед диссертацией достигнута и задачи исследований решены. Результаты выполненных работ доведены до внедрения.

Разработка рекомендаций и исходных данных по конкретному использованию результатов.

Усовершенствованный вариант гидроциклонно- мембранного устройства рекомендуется использовать преимущественно на локальных водоочистных сооружениях с производительностью в пределах 70,0-85,0 л/ч.Разработанная методика по расчету гидроциклонов для очистки сточных вод может  быть использована при проектировании анологичных устройств во всех отраслях промышленности и охраны окружающей среды.

Оценка технико-экономической эффективности внедрения.

Установлено, что при гидроциклонном методе очистки стоков активность действия микроорганизмов в биореакторе не ухудшается, что позволяет сохранить интенсивный процесс биологической очистки.

Предполагаемый  годовой экономический эффект от применения мембранного биореактора с гидроциклоном на  расчетное количество(50шт) составляет 7,5 млн.тенге.

 Оценка технико-экономического уровня выполненной работы в сравнении с лучшими достижениями в данной области.

 Изучение режима  совместной работы мембранного модуля погружного типа и гидроциклона  на базе предлагаемого варианта очистки сточных городских вод проводится впервые. Установлено,что годовые затраты на очистку воды с использованием мембранного модуля и гидроциклона,в сравнении с передовой установкой « Микродин –Надир»  уменьшаются на 22,0-25,0% .

 

   СПИСОК ОПУБЛИКОВАННЫХ РАБОТ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

 

1.Касымбеков Ж..К.,Асанбеков Б.А.,Прутьянова Ю.О. Улучшение конструкции и расчет основных параметров устройства для очистки воды.// Матер. междун. научно-практ. конф. по повыш. конкурент. сельскоз. производства Казахстана ,КазНАУ- Алматы, 2006.с.243 -245.

2. Касымбеков Ж. .К., Прутьянова Ю.О.К вопросу доочистки сточных вод

г. Астана с использованием мембранных модулей и гидроциклонов// Научн. журнал КазНАУ «Исследоваия, результаты», - Алматы,2007.с.50-52.

3. Касымбеков Ж..К., Прутьянова Ю.О.Расчет гидроциклонной водоочистной установки// Матер. междун. научно- практич. конфер. по                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                            соврем.пробл.внауке,Одесса(Украина),2007.с.86-88.
4. Прутьянова Ю.О.О роли очистных сооружений в сохранении водных ресурсов // Матер. междун. научно-практ. конф. МООС РК, Астана,2008. с.16-18.

 5.Прутьянова Ю.О., Касымбеков Ж..К,Маханов М.М. Опыт применение мембранной технологии очистки промышленных и хозяйственно-бытовых сточных вод. //Вестник КазНТУ. - Алматы,2008,с.82-84.

 6. Прутьянова Ю. О. ,Ибраев Э.Т. ,АбировА.А. Применение мембранных технологий в процессах водоочистки // Матер. междун. научно-практ. конф.

  МООС РК. -Астана,2008.с.

 7. Касымбеков Ж.К.,Прутьянова Ю.О.Результаты  исследования гидроциклонно – мембранного биореактора для доочистки городских сточных вод // Вестник КазНТУ. – Алматы,2008. с.98-101.

 8. Касымбеков Ж. .К., Прутьянова Ю.О.,Ибраев Э.Т. Испытание напорной гидроциклонной установки для очистки сточных вод // Матер. Междун. научно-практ. конф.по пробл. инновац. и конкур. развития агроинж. науки», КазНАУ - Алматы,2008, с. 196-199.

 

                                        

 

                                          Тұжырым

 

                       Прутьянова    Юлия     Олеговна

 

      Сарқынды суларды толық тазалауға арналған мембраналық

         технологияны гидроциклон қолдану арқылы жетілдіру

 

      05.23.04.-Сумен қамту,канализация, құрылыстық жүйелер мен

                       су ресурстарын қорғау

 

Зерттеу нысанасы - мембраналық технология көмегімен тазаланатын қалалық және өндірістік сарқынды сулар.

Жұмыстың мақсаты - қалалық сарқынды суларды толық тазалауға арналған мембраналық технологияны, су ішіндегі қоспа заттарды гидроциклон көмегімен алдын ала ұстап қалу арқылы жетілдіру.

 Гидроциклонды сынақтан  өткеру әдістемелігі және оның мембрана қондырғысымен бірге жұмыс істеу режимі, бұрынғы зерттеулер негізінде жасалған ұсвныстар бойынша атқарылды.Ал, сарқынды сулармен жасалған тәжірибелер «Қалалық канализация тазалау құрылыстарының жұмысын технологиялық тексеру әдістемелігін» пайдаланып жүргізілді.

 Алғашқы гидроциклонсыз орнатылған «Микродин-Надир» қондырғысымен жүргізілген сынақтар оның тазалау кезінде мембрана бетін қоспа және  қалқынды заттардан қорғай алмайтыны  анықталған.

 Гидроциклон сипаттамалары көрсеткендей,оның кіре берісіндегі қысым мөлшері 150,0-300,0 кПа аралығында өзгергенде, тазаланған су көлемі 0,940 л/с-тен 1,167 л/с-ке дейін  көтерілген ( dп /dсл  =0,5-1,0 болған кезде).

Гидроциклондық камераның бөлінген заттарды сыртқа шығаратын түтіктері диаметрлерінің қатынасы    dп /dсл = 0,3…0,4 болғанда, қойыртпақ өтімі азаятыны көрсетілген. Осыған байланысты гидроциклондағы қысым шығыны да өзгереді.Гидроциклонның қоспаларды судан  механикалық ажырату сиппатамалары көрсеткендей, гидроциклон алқымындағы қатты заттар құрамы 86% -дан 91%-ға артқанда, ажыратудың шектеу ірілігі 0,02 мм-ден 0,07 мм-ге көбейеді. Бұл жағдайда, сорып алынған судың гранулометриялық құрамындағы қатты заттардың мөлшері 1,9 -3,0 г/л аралығында, ал қоспа қиыршықтарының ірілігі 0,3 мм-ге дейін өзгеретіні  анықталған.

 Гидроциклонмен жабдықталған «Микродин-Надир» қондырғысын сынақтан

өткізгенде судағы  қалқынды заттарды нәтижелі ұстауға қол жеткізілген.Мысалы,гидроциклонсыз тазалаған кезде, қалқынды заттар концентрациясы 2,1-20,1 мг/л болса, гидроциклонды қосқанда бұл көрсеткіш 0,95-2,15 мг/л-ге дейін төмен түскен.

Өндірістік жағдайда жүргізілген сынақтар нәтижесінен  байқалғандай, гидроциклон көмегімен жұмыс  істеген мембраналық қондырғының тазаланған су өткізу мүмкіндігі 19,6 л/м3.сағ. –қа жеткен, ол гидроциклонсыз тазаланған вариантта 14,2-14,5 л/м3.сағ. болатын.

Қондырғы қысымы 225-230 бар-дан асқанда тазаланған судың мөлшері бірқалыпты жағдайдан төмендеу фазасына түсе бастайтыны байқалған.

 Мембрана орнатылған резервуарға су гидроциклоннан бірқалыпты түскен жағдайда модулден таза судың шығуы 16,0-18,0 л/м3.сағ.-қа жеткен Бұл толық тазалаудың ұтымды режимін көрсетеді.

 Зерттеу кезінде былғанған мембраналарды тазалау мен оларды қалпына келтіру мәселелері арнайы түрде қаралмаған. Себебі- мұндай зерттеулерді жүргізу диссертация мақсатында көрсетілмеген.

 Алынған мәліметтерді салыстырып, сараптау, стендік зерттеу нәтижелерінің өндірістік жағдайдағы сынақтарға сәйкес келетінін көрсетеді.

 Құрастырылған «Ұсыныстарға...» сәйкес жобалау кезінде сорап және басқа құралдарды таңдау, мембраналық биореактордың су өнімділігін қамтамасыз ете алатын мүмкіндіктері бойынша атқарылуы тиіс.

 Есептеулер көрсеткендей, гидроциклонмен жабдықталған мембраналық модулдің сарқынды су  тазалауға кететін жылдық шығыны 22,0-25,0 %-ға азаяды. Бұл бүрынғыша былғанған мембрананы тазалауға, істен шыққан (қажалған) мембраналарды жаңалауға кететін қосымша шығындарды азайту негізінде іске асады.

Жетілдірілген және  зерттелген жаңа технология мен қондырғының нәтижелері Астана қаласының коммуналды тазарту құрылыстары жүйелерінде, соның ішінде «ВЭН» ЖШС (2007ж.), «АстанаСу арнасы» МКК, «Астана транс строй монтаж»ЖШС (2008ж.) өндіріске енгізілген. Жобалау және  есептеу ұсыныстары әртүрлі кәсіпорындар мен ұжымдардың сұраныстары бойынша, соның ішінде Л.Н. Гумилев атындағы Евразия ұлттық университетінің «Инженерлік жүйелер» кафедрасына  берілген.

 Диссертацияда зерттеу нәтижелерін айналма су көлемі көп емес өндіріс орындарындағы сарқынды суларды толық тазарту технологияларында пайдалануға болатыны көрсетілген.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

                                                    Summary

 

                                              Yuliya Prutyanova

 

Improvement of Membrane technology of final treatment using hydrocyclone

 

05.23.04 - Water supply and sewerage, construction systems and water conservation

 

Test subject is municipal and industrial wastewater processed by using membrane technology.

Test objective is to improve membrane technology of final treatment by collecting solid impurities and suspended materials from waste hole using hydrocyclone.

Methods of hydrocyclone testing and its usage are based on systematic backgrounds used in previous researches where similar tests with waste water were carried out. It was also based on existing sewage-purification facilities’ process inspection methods.

Initial testing of basic installation of Microdin-Nadir without hydrocyclone showed that it is not adjustable for membrane operating surface protection from impurities and suspended materials.

According to hydrocyclone pressure characteristics under the pressure changes at the input within 150,0-300,0 kPa, it reveals fluid consumption increase through emptying fitting from 0,940 l/sec to 1,167 l/sec, while through sandy hole up to 0,038 l/sec (dp/ dsl = 0,5-1,0). It has been found that while hydrocyclone chamber discharge rate reduction till dp/dsl = 0,3…0,4 consumption decline occurs. It turned out that the pressure loss in hydrocyclone ∆P also depends on geometric parameter of hydrocyclone.

Separation characteristics show solid content rise at the input of hydrocyclone from 86 to 91% (class< 0.045mm) and boundary separation size growth from 0.02 to 0.07 mm. The granulometric composition change was calculated where the content of solid particles in final waste water vary within 1,9 g/l to 3,0 g/l, and size of particles less than 0,3 mm.

While testing the installation Microdin-Nadir with hydrocyclone in indexes of suspended materials collection, noticeable difference in water treatment level was established. If the concentration of suspended materials in treated water without hydrocyclone installation is within 2,1 – 20,1 mg/l, while in the hydrocyclone testing it is 0,95-2,15 mg/l.

In production environment testing and its results confirm the advantages of suggested variant of treatment. Using hydrocyclone, full-capacity discharge growth was reached up to 19,6 l/m3.h, while without hydrocyclone it shows 14,2 -14,5 l/m3.h.

It was noted that after pressure rise for more than 225-230 bar the outlet of permeate stabilizes and has a tendency to reduction.  Uniform supply of treated water in hydrocyclone into reservoir, makes water discharge from module range within 16,0-18,0 l/m3.h, which provide efficient conditions for posttreatment.

It was mentioned that problems of regeneration washing of membrane surfaces from solid impurities and colloid film wasn’t considered, because they weren’t part of this dissertation.

Findings’ analysis confirms compliance of benchmark test’s results with chosen operating conditions in real-life behavior.

According to developed “recommendations”, in process of designing pumping equipment should be selected taking into consideration that it should provide total makeup of water in membrane bioreactor.

It turned out that membrane and hydrocyclone used water treatment reduces annual costs by 22,0-25,0% regarding to complementary washings reduction and worn-out membrane replacement.

Results and installations of developed and tested technology were introduced into the municipal-treatment facilities in Astana by VEN LLP (2007), Astana Su Arnacy PUC, Astana TransStroyMontazh LLP (2008).

Developed recommendations sent to enterprises and organizations, including chair of Engineering systems, Eurasian National University by Gumilev.

Further application field of results can be all existing waste water treatment sites of industrial enterprises with moderate water recycling