Регенерация скорых фильтров водными растворами природного ПАВ от нефтепродуктов при переработке сточных вод

Во введении обоснована актуальность выбранной темы диссертационной
работы, сформулированы научная новизна и практическая ценность, представлены
основные положения, выносимые на защиту.
В первой главе приведен литературный обзор применяемых фильтрующих
материалов скорых фильтров, а также методов их регенерации и используемых для
этого целей реагентов. Произведен мониторинг аналитического контроля работы
Котляково-Коломенских очистных сооружений ГБУ «Промотходы».
На рисунке 1 показана динамика изменения концентрации НП на разных
стадиях очистки сточной воды.

Концентрация НПСтепень очистки
0,7
Концентрация НП в сточной воде, мг/дм3

0,59
0,6

0,50,48

0,4

0,29
0,3

0,2
0,1
0,1
41%47%65%
Поступающая водаОтстойникФильтрОчищенная вода
на очистку

Рисунок 1 – Динамика изменения концентрации НП в очищаемой воде на разных стадиях
очистки

По этим данным видно, что эффективность работы скорых фильтров по
отношению к НП составляет 47%, что в 1,2 раза эффективнее отстойников.
По результатам исследования проб фильтрующей загрузки скорого фильтра,
отобранных на Котляково-Коломенских очистных сооружениях перед стадией
регенерации, была построена диаграмма распределения НП в фильтрующем слое
скорого фильтра (рисунок 2).
Распределение НП по высоте
фильтрующего слоя
Высота фильтруюшего слоя, м

1,3

0,8

0,5

0,3

0246810121416
Концентрация НП в фильтрующей загрузке,мг/дм3

Рисунок 2 – Диаграмма распределения НП в фильтрующем слое скорого фильтра

Из диаграммы распределения НП в фильтрующей загрузке видно, что
наибольшее содержание НП в скором фильтре приходится на верхние слои
загрузки, концентрация НП на уровне 16 мг/дм3. Концентрирование НП в верхних
слоях приводит к кольматации загрузки и, как следствие, к снижению периода
фильтроцикла и ухудшению условий регенерации фильтра. Это позволяет сделать
вывод, что наиболее нагруженным аппаратом в системе очистки сточных вод
является скорый фильтр, на котором осуществляется финальная стадия очистки
сточной воды.
Аналитический обзор современных методов регенерации скорых фильтров
позволил определить их основные достоинства и недостатки. По итогам
проведенного обзора предложен альтернативный способ регенерации скорого
фильтра реагентным способом с применением ПАВ.
Первая серия экспериментов была направлена на определение моющей
способности растворов природного ПАВ в сравнении с растворами синтетических
ПАВ и водой. Отбор экспериментальных рецептур производился в соответствии с
критериями выбора веществ и рецептур (таблица 1).
Таблица 1 – Критерии выбора рецептуры для регенерации
По отношению к процессуПо отношению к воздействию на
окружающую среду
Смачиваемость поверхностиОтсутствие токсичного воздействия
Диспергирование нефтепродуктовБиоразлагаемость
Стабилизация отдельных загрязненийПриродное происхождение
Функциональность при низких концентрацияхВозможность легкой утилизации

В качестве природного ПАВ был выбран полисахарид гуммиарабик – камедь
акации, которая широко используется в пищевой и непищевой промышленностях.
Синтетические ПАВ, используемые в исследовании, представлены в таблице 2.
Моющую способность определяли по содержанию НП в отработанном
регенерирующем растворе по методике измерения нефтепродуктов в воде (ПНД Ф
14.1:2:4.128-98). Предварительно содержание НП было определено в кварцевой
загрузке по методике определения нефтепродуктов в почве (ПНД Ф 16.1:2.21-98).
Отмывку проводили на установке АВУ–6С, рисунок 3.

Рисунок 3 – Экспериментальная установка регенерации нефтезагрязненного кварцевого
песка

Пробы загрузки массой 50 г помещались в конические колбы (250 мл) и
заливались 100 мл раствора ПАВ, после чего закреплялись на платформе, которую
затем переводили в режим колебаний. Время регенерации составило 10 мин.
По истечении времени регенерации в пробе определяли остаточное
содержание НП (таблица 2).
Таблица 2 – Анализ концентрации нефтепродуктов в отработанном растворе
Раствор 1%Раствор 1%Раствор 1%Промывная вода
«Транс-нефть»СКАТ-УСгуммиарабика(дистиллированная вода)
Среднее значение концентрации НП в отработанных растворах, Сср, мг/дм3
7,178,238,004,94
Примечание – Концентрация НП в загрузке до промывки – 12 мг/дм3

Наилучшие результаты показали моющее средство СКАТ-УС на основе
синтетического ПАВ и 1%-й раствор гуммиарабика, природного ПАВ. Выход
нефтепродуктов в эти регенерирующие растворы, соответственно, в 1,66 и 1,61 раза
выше, чем у промывной воды и в 1,45 раза, чем у 1%-го раствора «Транс-нефть».
По результатам первой серии экспериментов был выбран гуммиарабик, природный
ПАВ, который полностью отвечает требованиям, предъявляемым к моющим
рецептурам, и соответствует критериям выбора ПАВ.
На основании литературного обзора и проведенного исследования работы
скорого фильтра была определена цель и поставлены задачи диссертационного
исследования.
Во второй главе определены объекты экспериментального исследования;
описаны методики пробоотбора исследуемых объектов и приготовления
регенерирующегорастворагуммиарабика;представленыметодики
количественного химического анализа нефтепродуктов в регенерирующем
растворе и кварцевой загрузке, результаты экспериментального исследования.
Количественные химические анализы определения НП выполняли на базе
аккредитованнойэкоаналитическойлабораторииГБУ«Промотходы».
Исследования по регенерации нефтезагрязненной фильтрующей загрузки
растворами ПАВ выполняли в лаборатории кафедры «Процессы и аппараты
химической технологии» Московского Политеха, где точность определяемых
показателей также гарантировалась.
Определяемыми параметрами явились: НП в объеме загрязненной
фильтрующей загрузки; НП в отработанном регенерирующем растворе и в
фильтрующей загрузке после регенерации.
Пробы нефтезагрязненной кварцевой загрузки были отобраны из
фильтрующего слоя скорого кварцевого фильтра Котляково-Коломенских
очистных сооружений ГБУ «Промотходы», остановленного на регенерацию.
Экспериментальное исследование должно было подтвердить моющую
способность гуммиарабика по отношению к нефтезагрязнениям; установить
диапазон рабочей концентрации растворов гуммиарабика; выявить степень
регенерации кварцевой загрузки и способность реагента разрушать первичный и
вторичный слои загрязнения
Эксперимент по определению рабочей концентрации регенерирующего
раствора гуммиарабика проводился по методике, описанной выше. Результаты
эксперимента представлены в таблице 3.

Таблица 3 – Анализ концентрации нефтепродуктов в отработанном
регенерирующем растворе
РастворРастворРастворПромывная вода
гуммиарабикагуммиарабика 1%гуммиарабика 5%(дистиллированная
0,5%вода)
Среднее значение концентрации НП в отработанных растворах, Сср, мг/ дм3
6,178,208,284,95
По итогам экспериментального исследования, установлено, что
эффективность регенерации растворами гуммиарабика (1%, 5%) в среднем в 1,6 –
1,67 раза выше по сравнению с дистиллированной водой.
В последующем был проведен эксперимент по определению степени
регенерации нефтезагрязненной кварцевой загрузки. Для эксперимента
предварительно определяли концентрацию нефтепродуктов в отобранной пробе
кварцевой загрузки в соответствии с методикой определения нефтепродуктов в
почве.
В ходе эксперимента определяли степень регенерации нефтезагрязненного
кварцевого песка растворами гуммиарабика 0,5%, 1% и 5%. В результате
графической обработки полученных данных найдена кинетическая зависимость
изменения концентрации нефтезагрязнений в процессе регенерации, описываемая
с помощью экспоненциальной зависимости, рисунок 4:
= 0 − ,(1)
где C – текущее содержание нефтепродуктов в пробе кварцевой загрузки, мг/дм3; С0
– начальное содержание нефтепродуктов в пробе кварцевой загрузки, мг/дм3; k –
безразмерная эмпирическая константа; t – текущее время, мин.
Результаты экспериментального исследования регенерирующей способности
гуммиарабика различной концентрации приведены на рисунке 4.

C, мг/дм3GA 100; 5%GA 100; 1%GA 100; 0,5%
6
R² = 0,9993
R² = 0,9941
R² = 0,9929
051015τ, мин20

Рисунок 4 – Кинетические кривые изменения содержания нефтепродуктов в пробе
кварцевой загрузки

Значения степени регенерации фильтрующей загрузки представлены
графически на диаграмме (рисунок 5).

Регенерационный раствор
нефтезагрязненной пробы
кварцевой загрузки, %
Сепень регенерации
50
10
Промывная вода0,5% раствор ГА1% раствор ГА5% раствор ГА

Рисунок 5 – Степень регенерации нефтезагрязненной пробы кварцевой загрузки фильтра
Степень регенерации пробы кварцевой загрузки 1% и 5% растворами
гуммиарабика определена на уровне 97–98%, что является удовлетворительным
результатом. Применение регенерирующего раствора с концентрацией 5% является
экономически не обоснованным, так как нужная степень достигается уже при
концентрации 1%.
По итогам первой серии экспериментов было установлено:
– рассматриваемое вещество способствует регенерации фильтроматериала;
эмульгирует и выделяет нефтепродукты в отдельную фазу.
– получена кинетическая зависимость изменения концентрации нефтезагрязнений
в процессе регенерации;
– рабочая концентрация реагента выбрана на уровне 1%, что отвечает ранее
установленным требованиям к регенерирующему раствору;
– определена степень регенерации кварцевого песка растворами гуммиарабика
равная 97 – 98%.
Во второй серии экспериментов производилось моделирование процесса
регенерации в лабораторных условиях, определение влияния различных факторов
на процесс регенерации.
В промышленных условиях режим обратной промывки скорого фильтра
происходит с интенсивностью, при которой фильтрующий слой переходит во
взвешенное(псевдоожиженное)состояние,котороехарактеризуется
значительными амплитудами колебания поверхности слоя, которые связаны с
расходами промывной жидкости, выходящими из слоя.
Гидродинамика промывки в псевдоожиженном слое моделировалась на
установке с виброприводом, преобразующим электрическую энергию в возвратно-
поступательные виброколебания (рисунок 6). Лабораторное моделирование
позволило воспроизвести процесс физически подобный поведению изучаемого
реального объекта (подобие спектра частот, амплитудного поля и касательных
напряжений) с помощью аналоговой модели. Вибрационное воздействие с
помощью специальных вибраторов позволяет перевести систему «загрязненный
кварц – регенерирующий раствор» в псевдоожиженное состояние за счет
сообщения ей вибрационной энергии.
В качестве дополнительных параметров, характеризующих качество
регенерации в псевдоожиженном слое, были взяты частота гравитационных
колебаний слоя и амплитуда.
При воздействии вибраций на слой появляются волны на поверхности слоя,
за счет чего увеличивается его высота. С увеличением частоты вибраций волны
более отчетливо визуализируются. С течением времени площадь поверхности
контакта фаз (зерен загрузки) увеличивается, что способствует интенсификации
процесса регенерации.
аб
Рисунок 6 – Экспериментальная установка с виброприводом (1 – тумблер частоты, 2 –
тумблер амплитуды)

Мерный стакан с пробой нефтезагрязненного кварцевого песка с
концентрацией НП 13,08 мг/дм3 и регенерирующими растворами помещали на
платформу вибропривода и фиксировали с помощью крепления. Эксперимент
проводился при температуре рабочего раствора 16 °С, время, отводимое на
регенерацию, – 5 мин.
Изменяемыми параметрами, влияющими на процесс регенерации, взяты
амплитуда колебаний и частота. Частота f была выбрана из принципа соблюдения
равенства частот собственных колебаний взвешенного слоя и вынужденных
колебаний вибропривода, т.е. порядка 1-10 Гц.
При моделировании процесса принимались следующие контролируемые
значения амплитуды – 0,25; 0,5; 1,0; 1,5 мм, так как при амплитуде А ≥ 2 мм на
поверхности фильтрующего слоя образовывались всплески раствора и кварца.
Влияние виброколебаний на эффективность регенерации оценивалось с
помощью среднего градиента скорости Gw, с-1:
·(2· · )2 · 2
= √(2)
· р ·
где · (2 · · )2 · 2 = – работа, затрачиваемая на регенерацию, Н·м, M –
масса загрузки и промывного раствора, кг; f – частота колебаний, с-1, A – амплитуда
колебаний вибропривода, м, Vр – объем регенерирующего раствора, м3; t – время
регенерации, с, µ – динамическая вязкость, Па·с.
Изменение степени регенерации нефтезагрязненной пробы кварцевого песка
во времени при различных значениях среднего градиента скорости показано
графически на рисунке 7.
По графику (рисунок 7), видно, что за короткий промежуток времени (5 мин),
наивысшая степень регенерации пробы кварцевой загрузки раствором
гуммиарабика, равная 97%, была достигнута при скоростном градиенте Gw=7,8 с-1,
при амплитуде колебаний – 1,5 мм.
Степень регенерации промывной водой при той же амплитуде и Gw =13,6 с-1
составила 65%.
R² = 0,9969
Промывная вода A=1,5 ммА=0,5 ммА= 1,0 ммА=1,5 ммА=0,25 мм
θR² = 0,995R² = 0,9992R² = 0,9976R² = 0,9949
1Gw = 7,8 с-1
0,9Gw = 5,2 с-1
0,8Gw = 2,6 с-1
0,7Gw = 1,3 с-1
0,6
Gw = 13,6 с-1
0,5
0,4
0,3
0,2
0,1
t, мин
012345
Рисунок 7 – Изменение степени регенерации нефтезагрязненной пробы кварцевого песка
во времени при различных значениях среднего градиента скорости

Это связано с тем, что разрушение осадка НП протекает интенсивнее в
присутствии ПАВ (кривая – А=1,5 мм) по сравнению с промывной водой (кривая –
Промывная вода), т.е. нужны меньшие напряжения сдвига в присутствии ПАВ для
отмывки НП за один и тот же промежуток времени. Это объясняется
разработанными модельными представлениями о взаимодействии ПАВ с НП на
кварцевой поверхности.
Для подтверждения полученных экспериментальных результатов и сравнения
гидродинамических условий был проведен расчет среднего градиента скорости
через взвешивающую силу.
·( з − )·(1− )·ℎ· ·
= √,(3)
· р ·
где L – высота взвешенного слоя, м (принимают в 1,5 – 2 раза выше неподвижного
слоя).
В расчете принимаем следующие значения параметров уравнения =0,28, для
загрязненной загрузки, h = 1,3 м, S=25 м2, L= 2,6 м, t=1200 c, Vр=4,1 м3. Подставляя
данные в уравнение (3), имеем значение среднего градиента скорости для
промывной воды в реальном аппарате – Gw = 13,9 с-1. Погрешность эксперимента на
вибростенде с промывной водой составила меньше 5%. Это говорит о
правомерности применения выбранной физической модели процесса регенерации
фильтрующего слоя.
Для оценки влияния виброколебаний на эффективность регенерации
фильтрующего слоя был введен безразмерный симплекс N. Симплекс N
представляет собой отношение взвешивающей гидродинамической силы к
приложенной силе виброколебаний Fвк.

= вз ,(4)
вк
где Fвз – объемная взвешивающая сила, выраженная через вес твердой фазы в
единице объема, Н.
Раскрывая физический смысл величин, имеем:
·( з − )·(1− )·ℎсл ·
=.(5)
· ·(2 · )2
где з , − плотности частиц кварца и воды, соответственно, кг/м3; ε – порозность
фильтрующей загрузки; hсл – высота неподвижного слоя, м; m – масса загрузки и
раствора, кг; A – амплитуда, м; f – частота, с−1.
С помощью уравнения (5) были выполнены числовые расчеты. Наивысшее
значение степени регенерации, 97%, достигается при числе N = 0,1.
Знания о влиянии колебаний на эффективность работы аппарата в
псевдоожиженном состоянии в промышленных условиях будут использованы для
автоматической системы регулирования и оптимизации процесса. Полученный
безразмерный симплекс N может применяться для оценки энергетических затрат и
эффективности процесса регенерации под воздействием колебаний.
В целях улучшения условий регенерации фильтрующей загрузки на
предприятиях иногда осуществляют подогрев промывной воды, поэтому при
выборе природного ПАВ было важно оценить температурные режимы
использования.
Регенерация раствором гуммиарабика ограничена температурным режимом,
так как активное вещество имеет в своем составе арабин-галактан-протеиновый
комплекс, который при повышении температуры свыше 60°С будет денатурировать
и образовывать осадок. Однако, нагрев регенерирующей среды экономически
невыгоден и может быть применим, как правило, при залповом сбросе
нефтепродуктов в очищаемую воду.
Выводы ко 2 главе:
– выбранные в качестве объектов исследования вещества и процессы достаточны
для изучения регенерации скорого фильтра доочистки промышленного и
ливневого стока с зернистой минеральной инертной загрузкой;
– определены условия, при которых достигается высокая степень регенерации
нефтезагрязненной фильтрующей загрузки раствором природного ПАВ;
– определена рабочая концентрация реагента. Отмечается эмульгирующая
способность реагента по отношению к диспергированному в воде, не связанному
с твердой фазой нефтепродукту;
– в ходе экспериментального исследования выявлены рациональные условия
проведения процесса регенерации.
В третьей главе представлены результаты математического моделирования
регенерации скорого фильтра с применением растворов природного ПАВ и расчет
константы регенерации скорого фильтра, зависящей от поверхностного натяжения
на границе «НП – регенерирующий раствор» и поверхностных свойств
фильтрующей загрузки.
С использованием модели Ф. Родеса было получено уравнение (6), которое
может быть использовано для описания кинетики регенерации нефтезагрязненной
минеральной загрузки, где коэффициент k характеризует перенос объема
нефтепродукта из фильтрующего слоя в регенерирующий поток.
· р
рс = 0 · (− ℎ )(6)
сл
где р – средняя скорость потока регенерирующего раствора, м2/с; hсл – высота
фильтрующего слоя, м.
Зная основные параметры работы фильтра, можно определить время,
затрачиваемое на регенерацию, преобразовав уравнение (6), взяв натуральный
логарифм от левой и правой части:
ℎ
пр = ln( 0 ) · · сл(7)
рср
Для раскрытия физического смысла коэффициента k были изучены
механизмы закрепления нефтепродуктов на поверхности кварца и действия ПАВ на
нефтезагрязнения. Для случая фильтрования сточной воды от НП было получено
уравнение, где сила адгезии частиц нефтезагрязнений к поверхности кварца
пропорциональна поверхностному натяжению на границе «НП – вода» и размерам
улавливаемых частиц.
= 4 нп−в 2 ,(8)
Таким образом, установлено, что для удаления нефтезагрязнений с
поверхности кварца необходимо снизить работу силы адгезии за счет уменьшения
угла смачивания кварца нефтепродуктами и повышения работы силы когезии.
Для случая промывки фильтра регенерирующим раствором сила адгезии
нефтезагрязнений будет зависеть от поверхностного натяжения на границе «НП –
регенерирующий раствор», нп−рр .
Введение в систему кварц-нефтепродукт гуммиарабика вызывает локальные
уменьшения пленки НП в точке ввода и ее утолщения по радиусу (рисунок 8).

Рисунок 8 – К механизму удаления нефтезагрязнений с поверхности зерна кварца

Со временем происходит разрыв пленки с образованием двух поверхностей
взаимодействия, возрастают силы когезии в образовавшихся пленках НП,
уменьшается поверхностное натяжение на границе «кварц – НП», смачивание,
соответственно, снижается. При этом происходит увеличение касательных
напряжений τ и отрыву капель НП при обратной промывке фильтра:
2 ≥ нп (9)
где Eнп – модуль упругости пленки нефтепродукта, Па; r – характерный радиус
частиц, м.
Таким образом:

р ℎ( ) ≥ нп−рр ,(10)
где Wр – средняя скорость в межпоровом пространстве, м/с; σнп-рр – поверхностное
натяжение на границе «НП – регенерирующая среда», Н/м; h –высота пленки НП, м.
Выражение (10) подтверждает тот факт, что параметр σнп-рр определяет работу
по отделению нефтезагрязнений поверхности зерна фильтрующей загрузки, что
было рассмотрено ранее в этой главе.
Для оценки снижения поверхностного натяжения был введен критерий :

= пав−нп(11)
нп−в
где σнп−в – поверхностное натяжение на границе «вода-НП», Н/м; пав−нп –
поверхностное натяжение на границе «ПАВ-НП», Н/м. Величина kσ, показывает во
сколько раз снижается поверхностное натяжение на границе «вода-НП», при
введении в систему ПАВ.
Поиск и определение безразмерной эмпирической константы kr проводились
в лабораторных условиях. Обработка результатов проводилась методом
наименьших квадратов, используя линейную зависимость уравнения (6):

– ln ( ) = ∗ ,(12)
где 1/t* – Отношение объемной скорости к объему фильтрующей загрузки может
быть заменено на (c-1). Расчеты показали, что для 1%-ного раствора гуммиарабика
тангенс угла наклона прямой k=0,21, а для промывной воды k = 0,04 (рисунок 9).
Значение k равно значению константы регенерации – kr.

GA, 1 %Промывная воды
4,5
3,5
R² = 0,98
ln(C0/C)

2,5
1,5

1R² = 0,9346
0,5
051015t, мин20

Рисунок 9 – Экспериментальное определение константы регенерации – 1% раствор
гуммиарабика, промывная вода
GA, 1 %GA, 1% эксп
4,5
R² = 0,9941
3,5
R² = 0,98
ln(C0/C)
2,5
1,5
0,5
05101520
t, мин
Рисунок 10 – Сравнение теоретически рассчитанного и экспериментально полученного
значения kr.

Погрешность сравнения теоретически рассчитанного и экспериментально
полученного значения kr составила не более 5 % (рисунок 10), что подтверждает
правомерность теоретических представлений о вышеизложенном механизме
регенерации и дает возможность управления процессом.
Зная kr по выражению (7) и используя данные экспериментального
исследования, было рассчитано время регенерации в присутствии ПАВ t= 289 с (5
мин).
Выводы к главе 3:
– проанализирована зависимость силы адгезии нефтепродуктов к кварцевому
песку с поверхностным натяжением на границе «НП – вода»;
– определена константа регенерации kr = 0,21. Погрешность сравнения
теоретически рассчитанного и экспериментально полученного значения kr
составляет не более 5%, что также говорит о правомерности теоретических
представлений о механизме регенерации;
– значение kr, было использовано при расчете времени регенерации t= 5 мин, время,
за которое гуммиарабик разрушает пленку нефтезагрязнений и переводит их в
жидкую фазу.
В четвертой главе описана технология регенерации скорого фильтра с
применением растворов гуммиарабика. Предлагается проводить процесс
регенерации в 2 стадии: верхняя промывка с интенсивностью подачи раствора на
поверхность фильтрующей загрузки 3–4 л/(с·м2), 2–3 мин, и обратная промывка с
интенсивностью 14–16 л/(с·м2), 5–8 мин. За время подачи раствора на поверхности
нефтезагрязнений образуется плотно адсорбционный слой гуммиарабика. Поток
обратной промывной воды с выбранной интенсивностью создает касательное
напряжение, что способствует срыву инкапсулированных гуммиарабиком
нефтезагрязнений.
Технологическая схема регенерации скорого фильтра по предлагаемой
технологии представлена на рисунке 11.

1 – Резервуар осветленных вод после песколовок; 2 – Скорый фильтр; 3 – Резервуар очищенных
вод; 4 – Резервуар промывных вод; 5 – Бак приготовления промывного раствора; 6 –Резервуар
сбора отработанных вод; 7 – Насосы. 1.0 – техническая вода; 1.1– осветленная вода после
отстойников; 1.2 – очищенная вода; 1.3.– промывная вода; 1.4 – регенерирующий раствор
гуммиарабика; 1.01 – отработанный раствор; 0.1 – гуммиарабик.

Рисунок 11 – Технологическая схема регенерации скорого фильтра с проведением
верхней реагентной промывки

Предложенный способ регенерации скорого фильтра растворами природного
ПАВ защищен патентом РФ № 2674911. Изобретение относится к области очистки
поверхностных и близких к ним по составу производственных стоков от
нефтезагрязнений фильтрованием.
Предложена методика расчета скорого фильтра с применением реагентной
регенерации, блок-схема на рисунке 12, которая отображает основные моменты
проектирования скорого фильтра с учетом его реагентной регенерации.
ПРЕДВАРИТЕЛЬНЫЙ РАСЧЕТ
(расчет по СНиП)
1. Выбор фильтрующего материала
(ζ);
2. Выбор режима работы
оборудования;
3. Производительность Q0.

РАСЧЕТ ИЛИ ОПРЕДЕЛЕНИЕ
1. ; ф =f(dз, hсл);
2. ф =f(Q, ф, пр , ст ).

СТАДИЯ ФИЛЬТРОВАНИЯ
(Определение)
1. Вид загрязняющего вещества;
2. Концентрация нефтепродуктов:
Cнач, Скон (ПДС).

Нет

1.Δp=max;
2. ГФ =min

Да

СТАДИЯ РЕГЕНЕРАЦИИ
(Определение)
1. СНП 0 , СНП 1.; СВВ 0 , СВВ 1.
2. σНП–В, σПАВ–НП

РАСЧЕТ ПАРАМЕТРОВ
РЕГЕНЕРАЦИИ
1. kr= f(kσ;ζ);

2. пр = ( ) · сл .
рср

Рисунок 12 – Блок – схема расчета скорого фильтра (на стадии проектирования и эксплуатации)
Период фильтроцикла является важным показателем, определяющим
бесперебойную работу скорого фильтра, зависящим от грязеемкости фильтрующей
загрузки, и как следствие от количества промывок.
Продолжительность периода фильтроцикла вычисляется:
·ℎ · ·Г
ф = ·( сл − Ф)(13)
где 0 − начальная концентрация загрязнений воде, мг/дм3; 1 – конечная
концентрация загрязнений в воде, мг/дм3; ГФ – грязеемкость фильтра, кг/м3; –
площадь фильтрующего слоя, м2; ℎсл – высота фильтрующего слоя, м; Q –
производительность фильтра, м3/ч.
Грязеемкость ГФ новой кварцевой загрузки без предварительной подготовки
составляет 600 – 750 г/м3. Как показывает практика, промывка фильтра
осуществляется тогда, когда объем загрязнений составляет 30–50 % свободного
объема пор загрузки, что соответствует 0,325 г/м3.
По результатам диссертационного исследования степень регенерации с
применением гуммиарабика в 1,49 раза выше водовоздушной регенерации (стр. 94
диссертации) и, как следствие, увеличивает грязеемкость в установившемся режиме
примерно на 29% (ГФ = 419 г/м3). Подставляя новое значение грязеемкости, в
уравнение (13), получаем значение фильтроцикла ф =11,9 ч, которое в 1,5 раза
выше периода фильтрацикла скорого фильтра с водовоздушной промывкой.
Увеличение периода фильтроцикла позволяет снизить количество промывок в
сутки, снизить расход промывных вод и расход электроэнергии, а также увеличить
срок службы фильтрующей загрузки. Согласно уравнению (13) возможно также
увеличение производительности фильтра при сохранении существующих
габаритов фильтра.
С учетом предлагаемой технологии регенерации скорого фильтра
предложено уравнение (14) для расчета скорых фильтров:

ф =(14)
ф · ( ст − пр 3 ) − 3,6 · пр ( пр1 · 1 − пр2 · 2 )
где ф – общая площадь фильтров, м2; Q – производительность фильтра в сутки, м3,
ст − продолжительность работы станции в течение суток, ч; ф − скорость
фильтрования при нормальном режиме, м/ч, nпр – количество промывок всех
фильтров за сутки; Iпр1 – интенсивность обратной промывки, л/(с·м2); Iпр2 –
интенсивность верхней промывки, л/(с·м2); t1– продолжительность обратной
промывки, ч; t2 – продолжительность верхней промывки, ч; t3–продолжительность
простоя фильтра из-за промывки: 0,33 ч –промывка водой, 0,2 ч – с применением
реагентов.
Технико-экономический расчет проводился по разработанной методике для
городских очистных сооружений очистки сточных вод производительностью до
20000 м3/ч. Расчет показал, что предлагаемая технология реагентной регенерации
позволяет сократить габариты скорого фильтра и сохранить ту же
производительность по обработке сточной воды, что в последующем позволит
сократить общую площадь, занимаемую очистными сооружениями в 1,5 раза.
Экономический анализ сравниваемых двух технологий был проведен на базе
показателя жизненного цикла LCC (Life cycle cost). Стоимость жизненного цикла
определялась по формуле:
= кап + ∑ =1( эксп ) · ,(15)
где кап – капитальные затраты, тыс. руб.; эксп – эксплуатационные затраты, тыс.
руб.; – коэффициент дисконтирования; N – количество периодов, в сумме равной
общей длительности жизненного цикла; i – период, равный 1 году.
Расчет показал (таблица 4), что затраты жизненного цикла LCC при
применении предлагаемой технологии регенерации скорого фильтра в 1,3 раза
меньше затрат традиционной водовоздушной промывки. Экономический эффект
составляет 600 тыс. рублей в год по ценам на 2019 г.

Таблица 4– Результаты расчета аппаратов и технико-экономическая оценка по
затратам жизненного цикла
ПараметрыВодовоздушнаяРеагентная
регенерациярегенерация
Производительность станции, Q, м3/сут18750,018750,0
Производительность фильтра, Qф, м3/ч150,0150,0
Высота фильтрующего слоя, h, м1,31,3
Эквивалентный диаметр зерна, dэкв, м1,221,22
Скорость фильтрования, wн, м/ч6-86-8
Число промывок в сутки, шт.3-41-2
Площадь фильтра, F, м22524
Количество фильтров, n, шт.86
Исходные данныеВодовоздушнаяРеагентная
регенерациярегенерация
Расчетный период, год10
Процентная ставка, %10
Годовой темп инфляции, %3,78
Коэффициент дисконтирования,0,5788
Капитальные затраты на строительство–210000,0
резервуара приготовления раствора, руб.
Капитальные затраты на верхнюю–800000,0
распределительную систему, руб.
Эксплуатационные затраты, тыс. руб./год4899977,272171787,47
Расчет затрат жизненного цикла
Капитальные затраты, руб.–800000,0
Эксплуатационные затраты, тыс. руб.2836106,81257030,6
ИТОГО затраты жизненного цикла2836106,82267030,6
сооружений, тыс. руб.
Основными критериями при выборе гуммиарабика в качестве активного
компонента регенерирующего раствора являлись его экологичность и возможность
легкой утилизации. Использование гуммиарабика не требует специальной
технологии утилизации, так как он полностью подвергается биологическому
разложению в природной среде.
Применение гуммиарабика в качестве активного компонента моющего
раствора позволит не только интенсифицировать процесс регенерации, но и
ускорить процесс биодеструкции нефтепродуктов илового осадка. Иловые осадки,
содержащие нефтепродукты с адсорбированным на поверхности гуммиарабиком, в
свою очередь будут являться подпиткой для бактерий препарата Олеварин. Такое
разложение будет способствовать устранению запахов, созданию благоприятного
микроклимата для аэробных бактерий.
Выводы к 4 главе:
– на основании технико-экономического обоснования экономический эффект
составляет 600 тыс. рублей в год по ценам на 2019 г., что в 1,3 раза эффективнее
в сравнении с водовоздушной регенерацией;
– разработана блок-схема работы и проектирования скорых фильтров с реагентным
способом регенерации;
– обоснована простота утилизации отработанных регенерирующих растворов
гуммиарабика.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
1. Разработана технология реагентной регенерации скорого фильтра, где в
качестве активного компонента используется гуммиарабик. Установлено, что
применение реагентной регенерации в 1,6 раза эффективнее водовоздушной
регенерации.
2. Определены основные кинетические параметры процесса регенерации –
время регенерации t =5 мин, и константа регенерации kr =0,21.
3. Разработана принципиальная технологическая схема работы скорого
фильтра с реагентным способом регенерации на примере реальных очистных
сооружений ГБУ «Промотходы».
4. Составлена блок-схема проектирования и работы скорого фильтра с
реагентным способом регенерации.
6. Выполнено технико-экономическое сравнение разработанной технологии с
применяемой технологией регенерации скорого фильтра на городских очистных
сооружениях производительностью до 20000 м3/сут. Затраты жизненного цикла
LCC при применении предлагаемой технологии регенерации скорого фильтра в 1,3
раза меньше затрат традиционной водовоздушной технологии. Экономический
эффект составляет 600 тыс. рублей в год по ценам на 2019 г.

ОСНОВНЫЕНАУЧНЫЕПУБЛИКАЦИИПОТЕМЕ
ДИССЕРТАЦИОННОГО ИССЛЕДОВАНИЯ: