10933

ПТО РААСН

_________________________________________________________________________________

БЛОЧНО-МОДУЛЬНЫЙ ПРИНЦИП ФОРМИРОВАНИЯ И УНИФИКАЦИЯ СИСТЕМ ОЧИСТКИ СТОЧНЫХ ВОД

Л.Н. ГУБАНОВ, И.В. КАТРАЕВА, Е.А. МОРАЛОВА _______________________________

Анализ современных сооружений очистки сточных вод показывает, что наиболее рациональным является применение модульных систем, позволяющих создавать гибкие и вариативные технологии при нестационарных характеристиках подаваемых сточных вод [1,2]. Принцип модульности позволяет варьировать применение отдельных компонентов предлагаемой системы, адаптировать ее работу к новым условиям, а также повысить уровень унификации и сократить трудоемкость проектирования.

Оптимальный подбор модульных технологий очистки сточных вод неразрывно связан с решением задач унификации комплексных систем.

Важнейшими условиями правильной постановки и решения задач унификации является научно обоснованная декомпозиция аппаратов, сооружений и систем с проведением поэлементного функционально-стоимостного анализа.

При этом следует придерживаться принципа приоритетности функционального назначения, т.е. декомпозицию оборудования очистки сточных вод следует осуществлять по конструктивным узлам, непосредственно контактирующим со сточной водой и определяющим эффективность очистки.

Всем иерархическим системам водопользования присущи следующие признаки многоуровневой унификации:

-последовательное вертикальное расположение подсистем, составляющих данную систему,

-вертикальная декомпозиция;

-приоритет действий или право вмешательства подсистем верхнего уровня на

нижний;

-зависимость действий подсистем верхнего уровня от фактического исполнения нижними уровнями своих функций.

Следует выделить следующие основные принципы функционирования многоуровневых систем унификации:

-принцип интеграции, используемый при иерархическом упорядочении, позволяющий одновременно рассматривать процесс и его управление как единое целое, начиная с нижнего уровня, с таким расчётом, чтобы координация взаимодействующих подсистем содействовала достижению целей более высокого уровня;

-принцип стратификации, позволяющий создавать модели сложных систем с учётом физических подсистем, управленческих и экономических аспектов;

-принцип адаптации систем, повышение гибкости и надёжности при изменении внешнего воздействия.

Первые работы по созданию структуры многоуровневой унификации принадлежат В.А. Егорову и Б.И. Кнохинову [3]. Авторы обосновывали декомпозицию систем очистки сточных вод на пять уровней унификации:

Первый уровень – комплексные технологические схемы водопользования промышленных предприятий;

Второй – станции очистки природных и сточных вод; Третий – установки, обеспечивающие очистку одного потока производственных

сточных вод; Четвертый – функциональный узел, представляющий собой часть установки

очистки сточных вод;

_________________________________________________________________________________

280 Вестник ПТО РААСН, выпуск 20

ПТО РААСН

_________________________________________________________________________________

Пятый – составляющие элементы узлов (насосное оборудование, ёмкостное оборудование и т.д.).

Следует отметить, что предлагаемый вариант декомпозиции носит условный характер, количество уровней определяется степенью сложности объектов и конкретными задачами унификации.

Специалистами ННГАСУ была предложена методология шестиуровневой унификации комплексных систем водопользования промышленных предприятий [4].

На основе данной методологии рассмотрим декомпозицию объекта на уровни унификации на примере комплексной системы водопользования предприятия по производству технических бумаг из макулатуры (рис.1).

Первый уровень унификации – комплексная система водопользования предприятия (КСВ), включающая систему водоснабжения, питающуюся от городской водопроводной сети; сеть промышленной канализации; локальную систему очистки производственных сточных вод с возвратом очищенной воды в производственный цикл предприятия, сеть технического водоснабжения; сеть хозяйственно-бытовой канализации и систему утилизации твердых отходов.

Второй уровень унификации – система очистки производственных сточных вод (СВ), включающая ряд технологических модулей, от эффективности и надежности работы которых зависит функционирование всей системы: модуль механической очистки, анаэробный модуль, модуль мембранного биореактора (МБР), модуль обеззараживания, обратноосмотический модуль.

Третий уровень унификации – модуль очистки сточных вод (М). Разработка высокоэффективных технологических модулей на основе современных научнотехнических достижений в области очистки сточных вод, является наиболее перспективным направлением в совершенствовании систем очистки сточных вод промышленных предприятий.

Четвёртый уровень унификации - функциональные блоки (ФБ). На четвёртом уровне унификации рассматриваются аппараты и сооружения определённого технологического назначения. В нашем случае модуль МБР включает в себя блок подачи воды, блок подачи воздуха, непосредственно блок МБР и блок сбора очищенной воды.

Пятый уровень унификации – элементы функциональных блоков (ЭФБ).

В рассматриваемом случае функциональный блок МБР включает в себя: ёмкость МБР, погружные мембранные модули, систему аэрации, насосы, датчики.

Шестой уровень унификации – компоненты элементов функциональных блоков (КЭФБ). В рассматриваемом случае КЭФБ являются мембраны, трубки для сбора фильтрата, фитинги и др.

На пятом и шестом уровнях унификации предоставляется возможность всесторонне проанализировать все элементы функциональных блоков с позиций и функционального назначения, конструктивного и гидравлического совершенства, материалоёмкости, коррозионной и абразивной стойкости.

Конечные показатели очищенной воды являются результатом её последовательной обработки в отдельных модулях (горизонтальная декомпозиция), эффективность работы которых является суммарным результатом работы составляющих модуль сооружений или технологических процессов (вертикальная декомпозиция).

На каждом уровне декомпозиции системы может быть сформулирована своя задача оптимизации со своими критериями и методами решения.

Таким образом, унификация комплексных систем водопользования промышленных предприятий, построенных по блочно-модульному принципу, позволит успешно решать научно-технические задачи создания высокоэффективных, гибких автоматизи-

_________________________________________________________________________________

ПТО РААСН

_________________________________________________________________________________

рованных технологий, а также грамотно оптимизировать параметры установок на различных уровнях унификации.

Рис.1. Унификация комплексной системы водопользования предприятия по производству технических бумаг из макулатуры

_________________________________________________________________________________

282 Вестник ПТО РААСН, выпуск 20

ПТО РААСН

_________________________________________________________________________________

Библиография

1.Павлов, Д.В. Блочно-модульная система комплексной очистки промышленных сточных вод / Д.В. Павлов, В.П. Мешалкин, Л.И. Леонтьев, В.Т. Калинников. Во-

доочистка. 2013. № 7. С. 16-25.

2.Губанов, Л.Н. Теоретические основы создания гибких систем водопользования промышленных предприятий / Л.Н. Губанов, И.В. Катраева, М.В. Колпаков // Приволжский научный журнал. - 2010. - №2.

3.Егоров, В.А. Унификация как основа автоматизации и проектирования / В.А. Егоров, Б.И. Кнохинов. Электронная техника. 1982. Сер. 7. Вып. 2. С. 87-93.

4.Найденко, В.В. Очистка и утилизация промстоков гальванических производств / В.В. Найденко, Л.Н. Губанов // Нижний Новгород, «ДЕКОМ», 1999. – 364 с.

_________________________________________________________________________________

ПТО РААСН

_________________________________________________________________________________

ГЛУБОКАЯ ОЧИСТКА СТОЧНЫХ ВОД ОТ НЕРАСТВОРИМЫХ ПРИМЕСЕЙ ФИЛЬТРОВАНИЕМ ЧЕРЕЗ ПОРИСТЫЕ ПЕРЕГОРОДКИ

Л.Н. ГУБАНОВ, Д.Д. ГУБАНОВ _______________________________________________

Как правило, для глубокой очистки сточных вод от нерастворимых примесей (взвешенных веществ) применяются объемные фильтры с зернистой загрузкой. Однако применение таких фильтров проблематично по следующим причинам:

-необходимость регенерации большими объемами воды;

-сложность утилизации ценных материалов, содержащихся в сточных водах;

-громоздкость сооружений;

-высокие капитальные и эксплуатационные затраты.

Особенно проблематично применение зернистых фильтров в условиях существующих промышленных технологий из-за отсутствия необходимых площадей для их размещения.

Этих недостатков лишены, в значительной степени, пористые фильтрующие перегородки (мембраны). Среди них можно выделить тканевые, полимерные, металлокерамические, из порошковых металлов [1-3].

Применение этих материалов позволяет создавать высокоэффективные гибкие, компактные конструкции аппаратов простых и надежных в эксплуатации, поддающихся полной автоматизации.

Как показали исследования, наиболее перспективными являются мембраны из порошковых металлов.

Очистка сточных вод в процессе фильтрования через пористые мембраны происходит главным образом за счет задержания взвешенных веществ на поверхности фильтрующего материала.

Фильтрование через пористые перегородки по сравнению с объемными имеет совершенно другой механизм. При фильтровании через пористые перегородки задерживаемые частицы практически не проникают в толщу фильтрующего материала, а отлагаются на его поверхности, образуя слой взвешенных веществ, который, в свою очередь, обладает дополнительными фильтрационными свойствами, т.е. происходит образование системы: пористая перегородка – слой взвесей. Этот процесс можно охарактеризовать как двухслойное фильтрование: через слой сжимаемых (аморфных) или несжимаемых (кристаллических) взвесей и собственно фильтрационную перегородку.

Основой процесса фильтрования является разность давлений в пространствах над перегородкой и под перегородкой, которая достигается за счет избыточного давления. Разность давлений обусловливает проникновение жидкой фазы через перегородку

иотложение на ее поверхности твердой фазы.

Впроцессе фильтрования протекают несколько процессов. Основные из них: - проникновение жидкости через перегородку; - проникновение твердой фазы через перегородку;

-наращивание слоя взвесей на перегородке;

-проникновение частиц суспензии через слой осадка и пористую перегородку в

фильтр;

-проникновение частиц осадка через слой осадка в фильтровальную перегородку и забивание ее пор;

-изменение фильтрационных свойств слоя осадка (перекристаллизация, уплотнение, химические реакции);

-изменение фильтрационных свойств перегородки (для сжимаемых мембран).

_________________________________________________________________________________

284 Вестник ПТО РААСН, выпуск 20

ПТО РААСН

_________________________________________________________________________________

Процесс фильтрования характеризуется мгновенной (ῦ) и средней (ΰср) скоростью фильтрования:

Под скоростью фильтрования (ῦ, ΰср) принимают объем фильтрата (V), прошедший через единицу поверхности фильтрования (S) за время (τ).

Для несжимаемых осадков и перегородок скорость фильтрования прямо пропорциональна разности давлений (Р) и обратно пропорциональна вязкости жидкости

где Rп , Rо - сопротивление перегородки и осадка соответственно.

Сопротивление фильтровальной перегородки является постоянным (при условии, что она несжимаема). Сопротивление слоя осадка определяется его толщиной (ho) и удельным объемным сопротивлением (ro) и зависит от объема фильтрата (V), ранее

Различаются несколько основных условий проведения процесса фильтрования:

-фильтрование при постоянном перепаде давления и переменной скорости;

-фильтрование с постоянной скоростью и переменным перепадом давления;

-фильтрование с переменными скоростью процесса и перепадом давления.

В процессе фильтрования суспензии сопротивление фильтрованию возрастает. Изменение сопротивления фильтрованию связано с объемом прошедшего

фильтрата (V) зависимостью:

Уравнение (8) называется обобщенным уравнением фильтрования. Показатель степени (n) реально может принимать значения от ∞ до 2. При значениях (n) соответственно ∞, 0, 0,5, 1, 1.5 и 2 уравнение (8) описывает следующие виды фильтрования:

-фильтрование при постоянном сопротивлении;

-фильтрование с образованием осадка;

-фильтрование с закупориванием пор образующегося осадка;

-фильтрование промежуточного вида;

-фильтрование с постепенным закупориванием пор фильтровальной перегород-

ки;

- фильтрование с полным закупориванием пор фильтровальной перегородки.

_________________________________________________________________________________

ПТО РААСН

_________________________________________________________________________________

Уравнение для процесса фильтрования при постоянной разности давлений получается интегрированием обобщенного уравнения фильтрования (8) в пределах Rо – R и нескольких преобразований.

- между мгновенной скоростью и длительностью фильтрования:

Для фильтрования с постоянной скоростью перепад давления увеличивается (пропорционально увеличению общего сопротивления от Rо – R). Уравнение (15) записывается следующим образом:

Подставляя в уравнение (9) сопротивление, выраженное через скорость фильтрования, и продифференцировав полученное выражение, получают

Подставляя в уравнение (21) значение объема фильтрата V' = τ V, получают обобщенную зависимость изменения отношения разности давлений от времени:

_________________________________________________________________________________

286 Вестник ПТО РААСН, выпуск 20

ПТО РААСН

_________________________________________________________________________________

Библиография

1.Жужиков В.Н. Фильтрование. Теория и практика разделения суспензий. Мо-

сква: Химия. 1980, 400с.

2.Найденко В.В., Губанов Л.Н. Очистка и утилизация промстоков гальванических производств. Н.Новгород: «Деком», 1999, 368 с.

3.Л.Н.Губанов. Утилизация ценных компонентов из шлаков сточных вод гальванических производств. Международный научно-промышленный форум «Великие реки 2013». Н.Новгород.

_________________________________________________________________________________

ПТО РААСН

_________________________________________________________________________________

_________________________________________________________________________________

288 Вестник ПТО РААСН, выпуск 20

ПТО РААСН

_________________________________________________________________________________

_________________________________________________________________________________