о кафедре
научная деятельность
студентам
контакты

Научная деятельность   /  Основные научные направления  

ИНТЕНСИФИКАЦИЯ РАБОТЫ ФИЛЬТРОВАЛЬНЫХ СООРУЖЕНИЙ

В результате теоретических исследований разработаны математические модели работы дренажей фильтров, механизма промывки, сформулированы принципы её интенсификации и созданы новые конструкции и методы их расчета.

Рисунок 1

На кафедре разработан ряд конструкций (рис.1), основой которых является пористый полимербетон. Это бетон, изготовляемый из гранитного щебня (гравия) с эпоксидным связующим. Отличительными особенностями этого материала являются: стойкость к агрессивному воздействию воды, обработанной реагентами, низкое гидравлическое сопротивление, отсутствие суффозии зерен загрузки. Полимербетон из-за больших, чем в других материалах, размеров пор, значительно меньше подвержен кольматации взвесью

Технология изготовления элементов дренажей позволяет организовать их производство не только в заводских условиях, но и на очистной станции.

Преимущества разработанных конструкций:

  • можно увеличить высоту слоя загрузки за счет отказа от поддерживающих слоев гравия,
  • простота и низкая трудоемкость изготовления и монтажа (сокращение трудоемкости на 5-7 чел-часов на 1м2 площади),
  • исключается образование "мертвых зон" непромываемой загрузки,
  • низкое гидравлическое сопротивление сокращает энергозатраты на промывку (до 50 кВт-ч/год на 1м2 площади),
  • гидравлическая нагрузка на фильтры может быть увеличена на 10-20%, либо соответствующим образом сокращаются расходы воды на собственные нужды.

Исследования по интенсивным способам регенерации загрузки фильтров велись в двух основных направлениях: усовершенствование водовоздушной промывки и принципиально новый способ регенерации - чередующаяся промывка.

Предложена новая технология водовоздушной промывки, отличающаяся меньшим числом переключений расхода воздуха, что существенно упрощает эксплуатацию. Кроме того, рекомендовано повысить интенсивность подачи воды, что обеспечивает полное вытеснение воздуха из порового пространства, а это снижает потери напора и позволяет удлинить фильтроцикл.

Рисунок 2

При чередующейся промывке интенсивность подачи промывной воды по площади фильтра переменная - зоны повышенной и пониженной интенсивности чередуются по площади. В зонах повышенных скоростей частицы загрузки движутся вверх и опускаются в зонах пониженных скоростей. Образуются устойчивые замкнутые циркуляционные контуры, перемешивающие загрузку (рис.2). В результате устраняется гидравлическая сортировка загрузки (мелкие зерна вверху, а крупные - внизу) и одновременно растет эффективность промывки. Все это повышает грязеемкость фильтрующего слоя. Как показал опыт внедрения, появляется возможность увеличить скорость фильтрования (на 10-30%), не ухудшая качество очищенной воды, либо удлинить фильтроцикл и сократить расход воды на собственные нужды (на 20-30%).

Рисунок 3

Требования к системам отвода промывной воды из фильтров: возможно более полное удаление загрязнений из надзагрузочного слоя, равномерный отвод загрязненной воды с площади фильтра, минимальная высота надзагрузочного слоя, простота, надежность и экономичность конструкции. Существующие системы отвода этим требованиям не отвечают, поэтому на кафедре водоснабжения разработан ряд новых конструкций, в которых использован пористый полимербетон. К ним относятся (рис.3):

  1. Желоба разной формы;
  2. Пористые стенки;
  3. Пористые трубы.

Преимущества пористых отводных систем, подтвержденные опытом эксплуатации:

  • снижение уноса фильтрующей загрузки в 5-10 раз,
  • возможность более широкого диапазона варьирования расхода промывной воды без опасности "выброса" загрузки из фильтра,
  • более полное удаление загрязненной промывной воды из фильтра,
  • увеличение полезной производительности на 5-10%, сокращение расхода промывной воды на 10-20%.

Разработанные конструкции и способы можно использовать как для открытых, так и для напорных фильтров при любых видах фильтрующих, ионообменных и сорбционных материалов и методах их регенерации, при новом строительстве, реконструкции и интенсификации сооружений. Результаты разработок включены в ряд нормативных документов: СНиП 2.04.02.-84 и в пособие к нему, рекомендации по пористым полимербетонным дренажам (1983,1984,1989 г.г.), а также использованы в нескольких типовых проектах.

Как показал опыт эксплуатации (160 фильтров общей площадью более 11 тыс. м2 производительностью свыше 2 млн. м3/сут, 52 напорных механических, ионообменных и сорбционных фильтров), описанные разработки обеспечивают надежную работу в течение многих лет - первые фильтры эксплуатируются с 1975г.

АВТОНОМНЫЕ СИСТЕМЫ ПИТЬЕВОГО ВОДОСНАБЖЕНИЯ

С 1988г. на кафедре водоснабжения начаты исследования в новом направлении, связанном с получением питьевой воды высокого качества. Выбор этой проблемы обусловлен тем, что подавляющее большинство водоочистных станций предназначено для осветления и обесцвечивания в оды и не может удалить периодически появляющиеся микропримеси (соли тяжелых металлов, растворенную органику и т.п.). В связи с этим разработана новая концепция снабжения людей высококачественной питьевой водой - параллельно системе централизованного хозяйственно-питьевого водоснабжения создаются системы питьевого водоснабжения (СПВ). Главная задача таких систем - обеспечить население питьевой водой в количестве, необходимом только для питья и приготовления пищи. Поскольку расход этой воды в сотни раз меньше, чем в хозяйственно- питьевых системах, СПВ могут быть построены достаточно быстро и с небольшими капиталовложениями. Создание систем питьевого водоснабжения не означает, что требования к традиционным хозяйственно-питьевым водопроводам будут снижаться.

Основные результаты проведенных работ:

  • проведен технико-экономический анализ разных способов снабжения высококачественной водой,
  • сформулированы требования к системам питьевого водоснабжения,
  • разработаны 2 типа установок доочистки водопроводной воды (КВУ и ЛВУ), производительностями от 40 до 3000 л/ч,
  • установки прошли лабораторную и производственную апробацию и согласованы Минздравом и Госстандартом Украины,
  • разработаны "Рекомендации по проектированию, монтажу и эксплуатации систем питьевого водоснабжения".
  • установки внедрены в нескольких жилых домах и точках для реализации питьевой воды

Технологическая схема установок предусматривает:

  1. Предварительную очистку от крупной взвеси;
  2. Глубокую очистку от взвешенных и коллоидных примесей;
  3. Удаление солей тяжелых металлов;
  4. Сорбцию токсичных органических примесей;
  5. Ультрафиолетовое обеззараживание;
  6. Накопление очищенной воды.

Из водопроводной воды удаляются вредные примеси - соли тяжелых металлов, пестициды, поверхностно-активные вещества, нефтепродукты, галогенсодержащие соединения, радионуклиды. Одновременно снижается мутность, цветность и улучшается вкус воды (всего 19 показателей). Доочищенная вода соответствует требованиям ГОСТ 2874-82, СанПиН №136/1940 на питьевую воду и рекомендациям Всемирной организации здравоохранения.

Основные преимущества предлагаемых установок:

  1. Вода является источником многих веществ, необходимых для здоровья человека. Так, при низком содержании солей кальция и магния резко возрастает смертность от сердечно-сосудистых заболеваний. В отличие от установок мембранного типа или с использованием ионного обмена, установки КВУ и ЛВУ не меняют солевой состав воды - из нее удаляются только вредные примеси.
  2. Во многих компактных установках для очистки воды, которые появились на украинском рынке и в СНГ, объем сорбента очень мал. Поэтому такие установки позволяют устранить только запах и привкус воды. В установках КВУ и ЛВУ размеры фильтров увеличены, что позволяет обеспечить время контакта с сорбентом порядка 20 мин - это вдвое больше, чем в отечественных нормах.
  3. В подавляющем большинстве известных установок производительность блока очистки сильно зависит от давления в наружной сети и от водоразбора потребителя. В результате не выдерживаются основные технологические параметры - скорость движения воды оказывается большей, чем паспортная, время контакта с сорбентами и продолжительность обеззараживания - меньшими. Из-за этого ухудшается качество очищенной воды. Гидравлическая схема предлагаемых установок гарантирует невозможность превышения расчетных параметров процесса о чистки, независимо от давлений на входе и выходе.
  4. Конструкции установок безнапорные и выполнены из нержавеющих материалов, что повышает их надежность и снижает стоимость.
  5. Правилами эксплуатации установок предусмотрена периодическая промывка, что повышает качество очистки и ресурс загрузки.
  6. Установки автоматизированы, поэтому их эксплуатация не требует постоянного присутствия обслуживающего персонала.

ТЕХНИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ УСТАНОВОК

ПАРАМЕТР
ТИП УСТАНОВКИ
КВУ ЛВУ-3 ЛВУ-10 ЛВУ-20 ЛВУ-30
1. Производительность фильтра, м3 0,04 0,3 1,0 2,0 3,0
2. Размеры фильтра, м (диаметр/высота) 0,16-1,0 0,4-1,8 0,6/2,3 0,8-2,5 1,0/2,5
3. Емкость бака (в зависимости от условий эксплуатации), м3 0,07 -0,15
0,3 - 3,0
4. Мощность, потребляемая бактерицидной лампой, Вт до 40
до 100

 

Область применения установок:

  • торговые точки для отпуска воды в тару потребителя;
  • детские, медицинские учреждения, предприятия питания, гостиницы, дома отдыха и т. п.;
  • коттеджи, жилые дома, группы жилых домов;
  • технологические и питьевые нужды предприятий.

Весьма перспективно с позиций санитарной надежности, комфортности, а также и с экономических позиций применение установок в жилых домах (коттеджах).

МАТЕМАТИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ ВОДОПРОВОДНЫХ СООРУЖЕНИЙ

Широкое внедрение ПЭВМ в практику проектирования позволяет автоматизировать решение многих задач, часто возникающих при расчете систем водоснабжения и водоотведения. Традиционные методы требуют использования таблиц или номограмм, что снижает точность расчетов и увеличивает их трудоемкость.

Создана программа для гидравлического расчета напорных труб стандартного и произвольного диаметров. В основу их положены формулы Ф.А. Шевелева (для стандартных труб), а для труб произвольного диаметра использованы формулы Блазиуса и А.Д.Альтшуля.

Аквапайп - Расчёт труб стандартного диаметра
Аквапайп - Расчёт труб произвольного диаметра

Проектировщик задает расчетный расход, диаметр труб и шероховатость внутренней поверхности (для труб произвольного диаметра) и сразу получает скорость движения воды, гидравлический уклон и удельное сопротивление.

Исходные данные и результаты расчета
Параметр
Размерн.
Обознач. Величина
1 Расход м3 Qo 1,0
2 Автоматический ввод
минимального диаметра
    Ok
3 Диаметр трубы
задаваемый
м D  
4 Коэффициент
шероховатости
  n 0,012
5 Уклон трубы   io 0,007
6 Диаметр трубы
(автоввод)
м D 0,8
7 Нормальная глубина м hн 0,544
8 Наполнение   h/D 0,68
9 Скорость м/с V 2,76
10 Погрешность hн %   0,38
11 Погрешность расхода %   0,40

В приложении Microsoft Excel разработана программа расчета безнапорных канализационных труб. Пользователь вводит расход, шероховатость, уклон трубы и автоматически получает нормальную глубину, наполнение, скорость и погрешность определения глубины. Приводятся значения минимальных диаметров и уклона для принятого диаметра трубы, а также результаты проверки соответствия диаметра, скорости и уклона требованиям СНиП. При необходимости проектировщик имеет возможность изменить уклон и диаметр трубы.

Жирным шрифтом выделены данные, вводимые пользователем, остальные величины вычисляются автоматически.

Разработана методика расчета критической и нормальной глубин потока при равномерном движении для сечений правильной и неправильной форм. Для определения критической глубины проектировщик вводит расчетный расход, ширину канала понизу и откос для трапециевидных каналов, а для круглых труб - диаметр. Для расчета нормальной глубины дополнительно необходим уклон трубы и шероховатость. Для каналов неправильной формы, кроме того, вводятся координаты дна канала, после чего программа дает аналитическое описание формы дна (в виде двух полиномов второй степени), после чего получают критическую и нормальную глубину. Для упрощения расчетов используются стандартные надстройки Microsoft Excel "подбор параметра" или "поиск решения". Кроме того, могут быть использованы макросы.

Получены математические модели, описывающие:

  • движение жидкости в сборных пористых трубах при напорном и безнапорном режимах,
  • работу напорных сборных и распределительных трубопроводов (каналов) при непрерывном и дискретном изменении расхода.

Для реализации этих моделей используется пошагово-итерационный метод расчетов, позволяющий рассчитывать весьма сложные сборные пористые трубы с переменным расходом по пути. Метод дает возможность рассчитывать системы сбора и отвода воды при изменяющихся произвольно по длине потока сечении, уклоне, сопротивлении проницаемой стенки, отверстий или патрубков. На основе этого метода и математических моделей разработаны инженерные способы проектирования сборных и отводных систем водопроводных сооружений, а сейчас эти программы дорабатываются для упрощения их использования при проектировании.

Еще одно направление - математическое моделирование работы фильтровальных сооружений. Получены математические модели скорых напорных и безнапорных фильтров, а также контактных осветлителей. Эти модели могут описывать динамику изменения скорости фильтрования и уровней воды в фильтре, учитывающую влияние соседних фильтров (когда один из них промывается), а также при изменении мутности поступающей воды. Разрабатывается алгоритм управления работы фильтровальных сооружений, использующий оперативную информацию (динамика скорости фильтрования, мутности фильтрата и промывной воды). Предполагается создать самонастраивающийся алгоритм, дающий оператору рекомендации о продолжительности фильтроцикла и промывки. Отработка алгоритма производится с использованием математических моделей работы фильтровальных сооружений.

Следуя традициям основателей кафедры Г.Э. Басса и Г.П. Владыченко, сотрудники кафедры поддерживают творческие и дружеские контакты со многими учеными в области водоснабжения из стран СНГ - НИИ ВОДГЕО, НИИ КВОВ (Москва), Киевский, Московский, Санкт-Петербургский и Харьковский строительные университеты, Ровенский технический университет, Харьковская академия городского строительства и многие другие. Преподаватели кафедры выступают на наиболее крупных научных международных конференциях - ЭКВАТЭК (Москва), ЭТЭВК (Ялта) и других.

Сотрудники кафедры с помощью Одесского Водоканала и проектного института "Укрюжгипрокоммунстрой" систематически организуют республиканские и международные научно-технические конференции - "Питьевая вода-92", "Питьевая вода-94", "Питьевая вода-96", "Питьевая вода-98", "Вода-2000", "Вода-2003", "Вода-2005".

Кафедра поддерживает связи со многими Водоканалами и проектными организациями в Одессе, Киеве, Николаеве, Симферополе, Москве, Санкт-Петербурге, Кишиневе, Тбилиси и др. Результатами этих контактов является внедрение научных разработок кафедры. Кроме того, многие работники этих организаций являются выпускниками кафедры.