Знезалізнення води на пінополістирольних фільтрах із зростаючим шаром завислого осаду

Размещено на http://www.allbest.ru/

Рівненський державний технічний університет

05.23.04 - Водопостачання, каналізація

Автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук

Тема:

Знезалізнення води на пінополістирольних фільтрах із зростаючим шаром завислого осаду

Мартинов Сергій Юрійович

Рівне - 2001

Дисертацією є рукопис

Робота виконана в Інституті водного господарства Рівненського державного технічного університету Міністерства освіти та науки України.

Науковий керівник:

доктор технічних наук, професор Орлов Валерій Олегович, Інститут водного господарства Рівненського державного технічного університету, завідувач кафедри водопостачання та бурової справи.

Офіційні опоненти:

доктор технічних наук, професор Хоружий Петро Данилович, Інститут гідротехніки і меліорації УААН (м. Київ), завідувач відділу водопостачання і каналізації;

кандидат технічних наук, доцент Ковальчук Віктор Анатолійович, Інститут водного господарства Рівненського державного технічного університету, доцент кафедри каналізації і санітарної техніки.

Провідна установа: Київський національний університет будівництва і архітектури Міністерства освіти та науки України, кафедра гідравліки і водовідведення, м. Київ.

З дисертацією можна ознайомитись у бібліотеці Рівненського державного технічного університету за адресою: м. Рівне, вул. Приходька,75.

Вчений секретар спеціалізованої вченої ради, к.т.н., доцент Востріков В.П.

Загальна характеристика роботи

Актуальність теми. Забезпечення населення доброякісною водою відноситься до найважливіших світових проблем сьогодення. З усіх видів водних ресурсів найбільш цінними для водопостачання є підземні прісні води, тому що в загальному випадку вони є набагато чистішими за поверхневі, їх стік є більш стабільним, а якість (за виключення інфільтраційних) практично не залежить від погодних (сезонних) змін. Майже всі підземні водоносні горизонти України мають підвищений вміст іонів заліза, який коливається від 0,5 мг/л до 30 мг/л і більше (с.м.т. Рокитно - 6,0…32,0 мг/л, орендне підприємство “Санаторій Червона калина” Рівненської області - 12,2…17,8 мг/л) і потребують знезалізнення при використанні води для господарсько-питних цілей. Для сільської місцевості важливо мати просту та компактну установку, яка забезпечуватиме необхідну ступінь очищення води та працюватиме в автоматичному режимі, практично без участі обслуговуючого персоналу. Аналізуючи відомі методи знезалізнення води, можна зробити висновок про те, що при невеликій концентрації іонів заліза у вихідній воді досить добре зарекомендували себе пінополістирольні фільтри з висхідним потоком води. Такі фільтри прості в експлуатації, мають менший будівельний об'єм, промивка завантаження не потребує спеціальних промивних насосів чи водонапірних башт, менше металоємні і трубоємні, потребують меншого об'єму води на промивку завантаження. Тому необхідно більш детально вивчати саме цей напрямок очищення природних вод від заліза з метою покращення процесу очищення, розширення діапазону застосування. При значних концентраціях іонів заліза у вихідній воді можуть бути перспективними пінополістирольні фільтри із зростаючим шаром завислого осаду. Таким чином, є актуальним дослідження процесу знезалізнення води з великою концентрацією заліза на пінополістирольних фільтрах із зростаючим шаром завислого осаду.



Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Робота виконувалася у відповідності з постановою Кабінету Міністрів України №1269 від 17 листопада 1997 р. “Про програму розвитку водопровідно-каналізаційного господарства”, кафедральною тематикою Рівненського державного технічного університету “Розробка нових та вдосконалення діючих споруд для забору, очищення та транспортування води населеним пунктам та промисловим підприємствам” та госпрозрахункових договорів з різними водогосподарськими організаціями, в яких здобувач приймав участь як виконавець.

Метою даної роботи є розробка та наукове обґрунтування технології знезалізнення підземних вод з великою концентрацією заліза на пінополістирольних фільтрах із зростаючим шаром завислого осаду, що дозволить інтенсифікувати процес знезалізнення води, підвищити ефективність очищення води від сполук заліза, розширити діапазон використання підземних вод, які вміщують сполуки заліза.

З цією метою поставлені наступні задачі досліджень:

виконати аналіз існуючих технологій знезалізнення води;

дослідити роботу діючих станцій знезалізнення води з “важким” та “плаваючим” пінополістирольним завантаженням для встановлення доцільних типів завантаження;

розробити технологію знезалізнення води на пінополістирольних фільтрах із зростаючим шаром завислого осаду та конструкцію установки, в тому числі гідроавтоматичні установки для малих водопроводів;

експериментально встановити умови формування зростаючого шару завислого осаду;

дослідити основні характеристики зростаючого шару завислого осаду, його вплив на ефективність знезалізнення води;

дослідним шляхом встановити раціональні конструктивні та технологічні параметри роботи установки;

розробити рекомендації для розрахунку пінополістирольних фільтрів із зростаючим шаром завислого осаду та рекомендації для їх експлуатації.

Об'єкт досліджень - процес очищення води від сполук заліза.

Предмет досліджень - процес знезалізнення води на пінополістирольних фільтрах із зростаючим шаром завислого осаду.

Методи досліджень. Для досягнення поставленої мети використовувалося фізичне та математичне моделювання процесу знезалізнення води на пінополістирольних фільтрах із зростаючим шаром завислого осаду. Дослідження проводились з використанням сучасних методик проведення експериментів та методів обробки експериментальних даних (метод найменших квадратів, кореляційний аналіз).

Наукова новизна отриманих результатів:

запропоновано, досліджено та наукового обґрунтовано технологічну схему знезалізнення води на пінополістирольних фільтрах із зростаючим шаром завислого осаду;

експериментально встановлено технологічні умови формування зростаючого шару завислого осаду, основні характеристики та вплив зростаючого шару завислого осаду на ефективність знезалізнення води, основні характеристики роботи установки;

отримано математичну модель зростання шару завислого осаду в залежності від якості вихідної води, швидкості фільтрування і тривалості роботи установки.

Практичне значення отриманих результатів. Проведені дослідження дозволяють використовувати отримані дані для розрахунку і проектування технологічних та конструктивних параметрів очисних установок з пінополістирольними фільтрами із зростаючим шаром завислого осаду. Новизна розробок підтверджується патентом України №32074А “Фільтр для очистки води від заліза”. Матеріали дисертаційної роботи використовувалися при розробці рекомендацій на станцію знезалізнення на території підприємства “Рівнеоблводоканал” Рівненської області, реконструкцію станції знезалізнення м. Смєла Черкаської області, на станцію знезалізнення для орендного підприємства “Санаторій Червона калина” Рівненської області.

Особистий вклад здобувача. Наукові результати, які викладені в дисертаційній роботі, отримані на основі проведених досліджень роботи діючих станцій знезалізнення води та досліджень знезалізнення води на пінополістирольних фільтрах із зростаючим шаром завислого осаду, які проводилися особисто автором. Автором виконано математичну обробку дослідних даних на ПЕОМ з використанням програм пакету MS Office 97 та отримано залежності зростання втрат напору в установці та зростаючому шарі завислого осаду від часу, основні характеристики зростаючого шару завислого осаду від часу, концентрації заліза у вихідній воді та швидкості фільтрування. Визначено константи швидкості гомогенного окислення заліза в осаді в залежності від часу, швидкості фільтрування, концентрації загального заліза у вихідній воді. Запропоновано конструкцію установки для знезалізнення води із зростаючим шаром завислого осаду та розроблено рекомендації для її експлуатації.

Апробація результатів дисертації. Основні результати і головні положення дисертації доповідалися автором на Науково-практичних конференціях РДТУ 1999, 2000, 2001 років в м. Рівне, на V міжнародній НТК “Питьевая вода - 99” в м. Одеса в 1999 р., на НПК “Сучасні технології та устаткування для інтенсифікації роботи систем водопостачання та водовідведення України” в м. Києві в 1999р., на міжнародній НПК “Водне господарство: економіка, екологія, менеджмент” в м Рівне в 2000 р., на міжнародній НПК “Проблеми і перспективи очистки і повторного використання води” в м. Харків в 2000 р.

Публікації. Результати дисертації опубліковані в одній монографії, одному навчальному посібнику, п'яти статтях, чотири з яких опубліковані у фахових виданнях, десяти доповідях, тезах, інформаційних листках, одному патенту України.

Структура і об'єм дисертації. Дисертація складається зі вступу, шести розділів, загальних висновків, списку літератури із 142 найменувань і додатків. Загальний об'єм дисертації 153 сторінок, в тому числі 132 сторінок основного тексту, 22 таблиць, 57 рисунків.

Основний зміст роботи

У вступі обґрунтована актуальність роботи, визначено мету та задачі досліджень, відмічено наукову новизну та практичне значення, особистий внесок автора роботи, відомості про апробацію досліджень та публікації.

У першому розділі розглянуто умови формування підземних вод, які вміщують залізо. На основі робіт Ніколадзе Г.І., Румянцевої Л.П., Золотової Е.Ф., Асса Г.Ю., Мамонтова К.А., Апельцина І.Е., Клячко В.А., Олійника О.Я., Хоружого П.Д., Сафонова М.А., Орлова В.О., Приходько В.П., Шевчука Б.І., Квартенко О.М., Муромцева Л.М., Мілова М.О., Станкявічуса В.І., Кисельова С.К., Хомутецької Т.П. та ін. виконано аналіз існуючих методів знезалізнення води. Незважаючи на велику кількість робіт присвячених знезалізненню води практично відсутні достатньо розроблені прості, надійні та економічні установки знезалізнення води з великою концентрацією заліза.

Для знезалізнення води з великою концентрацією заліза рекомендовано такі методи:

1. глибока аерація з наступним відстоюванням та фільтруванням;

2. аерація, обробка в шарі завислого осаду та фільтрування;

3. вапнування, відстоювання в тонкошаровому відстійнику та фільтрування (водоочисна установка типу “Струя”).

Всі вони мало досліджені, складні та собівартість очищеної води висока. Найбільш сприятливою схемою може бути схема з освітлювачами із завислим осадом. В даній схемі основну кількість заліза повинен затримувати шар завислого осаду, який постійно слід відводити. Для спрощення даної технологічної схеми можна поєднати освітлювач із завислим шаром осаду та фільтр в одній споруді. В якості фільтрувального завантаження можна застосовувати “важке” щебеневе з великою швидкістю фільтрування (до 20 м/год) або “плаваюче” пінополістирольне завантаження для конструктивного спрощення установки. Кожен вищеописаний тип фільтра і завантаження має свої переваги. Зараз достатньо широко використовуються станції з щебеневим завантаженням та впроваджуються з пінополістирольним завантаженям. Їх ефективність слід перевірити на діючих станціях.

Спростити освітлювач із завислим осадом - фільтр можна відкинувши осадоущільнювач. При реагентному проясненні каламутних вод Орловим В. О. запропоновано використовувати фільтри із зростаючим шаром завислого осаду, який періодично відводиться одночасно із промивкою фільтруючого звантаження. В продовження цієї роботи, можна і для знезалізнення води з великою концентрацією заліза використовувати фільтри із зростаючим шаром завислого осаду.

Отже, пропонується знезалізнювати воду із великою концентрацією заліза наступним чином:

1. Окислення заліза реагентним або безреагентним способом.

2. Остаточний перехід двовалентного заліза в тривалентне, гідроліз і затримання в шарі завислого осаду. Особливістю даного осаду є те, що він на протязі роботи зростає, змінюються його характеристики.

3. Затримання невеликої кількості гідрооксиду в фільтруючому завантаженні. При цьому можливо використовувати різне завантаження. Тип завантаження може впливати на конструктивні особливості установки. Перевагу можна віддати піно-полістирольному завантаженню з висхідним фільтраційним потоком. Проте, практично відсутні дані про його довгострокове використання в виробничих умовах.

4. В цілому управління роботою установки проводити в гідроавтоматичному режимі, що дуже важливо для невеликих населених пунктів, з невеликими витратами води.

У другому розділі описується експериментальна установка для дослідження процесу знезалізнення води на пінополістирольних фільтрах із зростаючим шаром завислого осаду, методики проведення досліджень.

У третьому розділі порівнюється робота діючих станцій знезалізнення води із “плаваючим” пінополістирольним завантаженням (м. Баришевка) та із “важким” щебеневим завантаженням (станції зеналізнення “Горбаків” та “Новий двір” м. Рівного).

На фільтрах із завантаженням з гранітного щебеню не завжди забезпечується необхідна ступінь знезалізнення води на станціях знезалізнення м. Рівного. Так, нап-риклад, фільтрат необхідної якості отримується на протязі останніх 12…52 год фільтроциклу, що становить 12…52% від тривалості фільтроциклу. Для промивки фільтрів використовується велика кількість промивної води. Пінополістирольні фільтри на станції знезалізнення м. Баришівка постійно забезпечують необхідну ступінь знезалізнення води при невеликій кількості заліза у вихідній воді. Витрата промивної води вдвічі менша ніж у фільтрів з щебеневим завантаженням, відносно невелика вартість через відсутність будівлі, крім того вони прості, компактні, не потребують промивних насосів. Тому, в фільтрах із зростаючим шаром завислого осаду на завершальній ступені знезалізнення найбільш доцільно використовувати піно-полістирольне завантаження, яке може забезпечити необхідну ступінь очищення при невеликій концентрації заліза та компактність і простоту установки в цілому.

У четвертому розділі розглянуто теоретичні основи процесів знезалізнення води у водному розчині та зернистому завантаженні. На даний час загальної моделі знезалізнення води не має. Це можна пояснити складністю процесів, які відбуваються при знезалізненні води. В літературних джерелах рекомендацій щодо розрахунку ефекту знезалізнення води в зростаючому шарі завислого осаду не наводиться.

На наш погляд, при знезалізненні води на пінополістирольних фільтрах з шаром зростаючого завислого осаду, його висота в даний момент часу залежатиме від таких факторів

Н_ш = f(H₀, [Fe]₀, V, T, t°, K), (1)

де Н₀ - початкова висота завислого шару осаду;

[Fe]₀ - концентрація заліза у вихідній воді;

V - швидкість висхідного потоку;

Т - час від початку роботи установки; t° - температура води;

К - осереднений коефіцієнт реакції, який враховує фізико-хімічні показники вихідної води та осаду.

Олійником О. Я., Кисельовим С. К. розроблено модель, яка складається з двох взаємопов'язаних блоків: гідродинамічного (фільтраційного) і динаміки сполук заліза в фільтруючому пористому середовищі. Запропонована модель враховує взаємодію гідравлічних і фізико-хімічних процесів при фільтруванні (зміну гідравлічних властивостей середовища, нестаціонарність процесу знезалізнення, різні моделі кінетики масообміну і реакцій (гомогенної і гетерогенної) окислення, особливості впливу каталітичних і автокаталітичних властивостей сформованого середовища і т.п.) Як уже зазначалося, знезалізнення води на пінополістирольних фільтрах із завислим шаром осаду фактично є двоступеневим. Вихідна вода з концентрацією заліза [Fe]₀ проходить спочатку обробку в зростаючому шарі завислого осаду, і після проходження шару осаду концентрація заліза у воді становить [Fe]_ш. Далі відбувається друга ступінь очищення води в пінополістирольному завантаженні, після проходження якого концентрація заліза у воді становить [Fe]. Концентрацію заліза у фільтраті можна знайти за формулою

, (2)

де L - товщина шару фільтруючого завантаження, м;

v - швидкість фільтрування, м/год;

K₂ - коефіцієнт, який враховує вплив каталітичних властивостей фільтрувального завантаження на ефективність затримання домішок із води, год^-1;

[Fe] - концентрація заліза у фільтраті, мг/л;

[Fe]_ш - концентрація заліза перед завантаженням, мг/л.

Продовжуючи ці теоретичні положення запропоновано формулу визначення концентрації заліза у воді після проходження зростаючого шару завислого осаду

, (3)

де Н_ш - висота завислого шару осаду, м;

[Fe₀] - концентрація заліза у вихідній воді, мг/л.

Підставляючи вирази (1) та (3) в рівняння (2), отримаємо формулу для визначення концентрації заліза у фільтраті при знезалізненні води на пінополістирольних фільтрах із зростаючим шаром завислого осаду

(4)

Для забезпечення необхідної початкової висоти зростаючого шару завислого осаду після промивки, необхідно зв'язати висоту підфільтрового простору в залежності від інтенсивності та тривалості промивки.

Необхідну висоту підфільтрового простору можна визначити за формулою

Н_п.ф.=0,06It+h₀,(5)

де 0,06 - перевідний коефіцієнт;

І - інтенсивність промивки, л/(см²);

t - час промивки, хв.;

h₀ - початкова висота завислого шару осаду, м, яка залежить від фізико-хімічних показників води та швидкості висхідного потоку.

Повну висоту фільтра можна визначити за формулою

Н_ф.к.=Н_п.ф.+Н_з+Н_н.п.+0,5,(6)

де Н_з - висота фільтрувального завантаження, м;

Н_н.п. - висота надфільтрового простору, м.

Висота підфільтрового простору зростає при збільшенні тривалості і інтенсивності промивки (рис. 1). Інтенсивність та тривалість промивки фільтрувального пінополістирольного завантаження залежить від висоти та гранулометричного складу завантаження. Причому, при збільшенні висоти та діаметра зерен завантаження необхідна більша тривалість та інтенсивність промивки. Тому для зменшення висоти підфільтрового простору необхідно приймати мілкогранульне завантаження.

Так, при інтенсивності промивки 10 л/(см²) та тривалості промивки 2,5 хв., висота підфільтрового простору буде дорівнювати Н_п.п. = 0,06 10 2,5+0,5 = 2 м. При висоті фільтрувального завантаження 0,6 м та надфільтрового простору 0,5 м, загальна висота фільтрувальної колонки буде складати Н = 2+0,6+0,5+0,5 = 3,6 м.

У п'ятому розділі наведені результати досліджень роботи установки для знезалізнення води на пінополістирольних фільтрах із зростаючим шаром завислого осаду. На основі проведених досліджень можна стверджувати, що при невеликих концентраціях загального заліза у природній воді (до 10 мг/л) зростаючий шар завислого осаду не підтримується і розмивається. При цьому необхідна ступень знезалізнення води забезпечується на пінополіситрольному завантаженні. При значних концентраціях заліза у вихідній воді (більше 15 мг/л) пінополістирольні фільтри без зростаючого шару завислого осаду не знезалізнюють води до необхідної концентрації заліза у фільтраті, а при застосуванні пінополістирольних фільтрів з завислим шаром осаду забезпечується необхідна ступінь очистки води від заліза. Зростаючий шар завислого осаду зникає під час фільтроциклу при швидкості висхідного потоку більше 4 м/год.

При концентрації загального заліза у вихідній води більше 15 мг/л та швидкості фільтрування менше 4 м/год існує шар завислого осаду та не зникає на протязі всього фільтроциклу.

На рис. 2, 4 наведені результати досліджень по визначенню величин втрат напору в фільтрувальні колонці та в зростаючому шарі осаду, концентрації загального заліза у фільтраті, концентрації загального заліза у підфільтровому просторі на відстані 139 та 39 см від низу фільтрувальної колонки (рис.3, 4).

Втрати напору в зростаючому шарі завислого осаду, під час фільтроциклу змінювалися не значно (рис. 2, 4), і це підтверджується теоретичними розробками Кургаєва Е. Ф.

Швидкість зростання втрат напору у фільтрі із зростаючим шаром завислого осаду, як і швидкість росту завислого шару осаду підвищується при збільшенні швидкості висхідного потоку та концентрації заліза у вихідній воді (рис. 2,4)

Концентрація заліза у зростаючому шарі завислого осаду збільшується при зростанні завислого шару осаду (рис. 3, 5). При цьому, концентрація заліза у зростаючому шарі завислого осаду збільшується при збільшенні концентрації заліза у вихідній воді та зменшується при підвищенні швидкості висхідного потоку. пінополістирольний завислий знезалізнення вода

Якщо порівняти вміст загального заліза в осаді по висоті фільтрувальної колонки, то можна помітити, що він неоднаковий і більші значення спостерігалися в нижній частині зростаючого шару завислого осаду. Звідси можна зробити висновок про те, що густина твердої фази в осаді зменшується з низу до верху осаду. Цей висновок підтверджується результатами досліджень характеристик осаду (рис. 6, 7): питома та об'ємна концентрація осаду зменшується по висоті завислого шару осаду.

Основні показники завислого шару осаду

№п/п Найменування показника Позн. Розм. Значення

1. Температура t° C 6…15

2. Питома концентрація g₁ г/см³ 0,0081…0,0424

3. Об'ємна концентрація C₀ см³/см³ 0,028…0,088

4. Вміст твердої фази за масою в одиниці об'єму неущільненого осаду g₀ г/см³ 0,0004…0,0028

5. Густина неущільненої пластівце-подібної зависі g₀₂ г/см³ 1,0003…1,0020

6. Відношення об'єму води, яка включена в комірки пластівців зависі, до об'єму твердої фази в цих пластівцях Г₀ - 1231…3452

7. Відношення вмісту води та твердої фази в осаді за масою Г_в --363…2292

8. Швидкість осадження v_ч см/с 0,15…0,23

9. Еквівалентний діаметр d_ч мм 0,58…1,65

Отже, до складу осаду входить багато рідини, яка значно перевищує об'єм та масу твердої фази, що утворює осад. Густина осаду g₀₂ майже не відрізняється від густини води. І тому швидкість осідання невелика: 0,15…0,23 см/с. При цьому еквівалентний діаметр частинок осаду становив 0,58…1,65 мм. Вологість осаду складає 98…99,9%.

Ефект знезалізнення води в зростаючому шарі завислого осаду (рис. 8) при збільшенні його підвищується і становить 20…61%. Причому на протязі декількох годин від початку фільтроциклу ефект знезалізнення води в зростаючому шарі завислого осаду значно підвищується, а при досягненні певної висоти осаду, ефект знезалізнення стає майже постійним. За даними досліджень ефект знезалізнення води на пінополістирольному фільтрі із зростаючим шаром завислого осаду становить 98,5…99,6%. При цьому концентрація заліза у фільтраті становила 0,02…0,3 мг/л (рис. 3, 5) в залежності від швидкості висхідного потоку, концентрації заліза у вихідній воді та висоти зростаючого шару завислого осаду.

На основі проведених нами досліджень, для температури води 5…17°С, при концентрації заліза у вихідній воді 15…30 мг/л та швидкості висхідного потоку 2,5…4,0 м/год. отримана наступна залежність для визначення висоти завислого шару осаду з часом, при цьому похибка не перевищує 15%.

(8)

Підставляючи значення Н_ш, визначене за рівнянням (8) в формулу (3), отримаємо вираз для визначення концентрації заліза після очистки в завислому шарі осаду

(9)

Підставляючи формулу (8) в рівняння (4), отримаємо вираз для визначення концентрації заліза у фільтраті при знезалізненні води на пінополістирольних фільтрах із зростаючим шаром завислого осаду

(10)

Для інженерного розрахунку знезалізнення води необхідно правильно приймати константу К. Оскільки в процесі очищення води в завислому шарі осаду його висота змінюється та відбувається зміна його характеристик, нами досліджено зміну константу реакції знезалізнення для зростаючого шару завислого осаду К₁ на протязі фільтроциклу при різних значення швидкості фільтрування та концентрації загального заліза у вихідній воді. Константа К₁ (рис. 9) коливається в межах від 0,5 до 3 год^-1. Причому, в процесі зростання завислого шару осаду К₁ плавно збільшується. В результаті цього концентрація загального заліза після проходження завислого шару осаду з часом зменшується. З наведених результатів можливо також зробити висновок про те, що зі збільшенням концентрації загального заліза у вихідній воді та зменшенням швидкості К₁ збільшується.

При знезалізненні води на пінополістирольних фільтрах із зростаючим шаром завислого осаду, концентрація заліза перед фільтрувальним завантаженням в процесі роботи установки змінюється, оскільки із збільшенням шару осаду, ефект знезалізнення в ньому зростає. Тому нами встановлено значення К₂=14…25 год^-1 (константи реакції для пінополістирольного завантаження) при зміні концентрації заліза перед шаром завантаження.

У шостому розділі приведені особливості розрахунку пінополістирольних фільтрів із зростаючим шаром завислого осаду, описано конструкцію та принцип роботи запатентованого фільтра для знезалізнення води, а також виконано техніко-економічне обґрунтування використання пінополістирольних фільтрів із зростаючим шаром завислого осаду.

На рис. 10 представлена технічна схема фільтра із зростаючим шаром завислого осаду. Фільтр складається з корпусу 1 із фільтруючим плаваючим завантаженням 2, розподільної системи 3, трубопроводів 4 та 5 відповідно для подачі вихідної води і відводу фільтрату, регулятора швидкості фільтрування 6, сифона промивної води 7 з повітряною трубкою 8, один кінець якої приєднаний до місця перегину сифона 7, інший занурений в корпус 1 фільтра над розподільною системою 3, засобу для перемикання режимів роботи фільтра, який складається зі конусного гідрозатвора промивної води 9, трубопроводу наповнення вихідною водою 10 гідрозатвора 9, сифона спорожнення 11 гідрозатвора 9 та торцевої частини низхідної гілки сифона 7, розміщеної в гідрозатворі 9. В фільтрі 1 під шаром фільтруючого плаваючого завантаження розміщений додатковий зростаючий шар осаду 12.

Фільтр для очистки води від заліза працює наступним чином: вихідна вода по трубопроводу 4 подається в регулятор швидкості 6, звідки поступає в фільтр 1, де профільтрувавшись через додатковий шар осаду 12 та плаваюче фільтруюче завантаження 2, очищається від заліза і по трубопроводу 5 відводиться до споживача. По мірі росту додаткового шару осаду 12 та заробки фільтруючого елемента 2, втрати напору в останньому зростають. При цьому рівень води в регуляторі швидкості фільтрування 6 підвищується. Коли цей рівень досягає максимальної відмітки, яка розташована вище перегину сифона 7, частина води по трубопроводу 10 поступає в гідрозатвор 9. При наповненні гідрозатвора вище точки перегину сифона 11, останній починає відсмоктувати воду з гідрозатвора.

До моменту його спорожнення із сифона промивної води 7 виходить повітря. Вода із висхідної вітки сифона починає перетікати в низхідну вітку і заряджає сифон 7, який починає відсмоктувати воду із нижньої частини корпусу 1. В результаті освітлена вода із надфільтрового простору фільтра направляється вниз, відмиває фільтруючий елемент, виносить частину контактного шару з фільтра. Коли рівень води в надфільтровому просторі корпуса 1 падає нижче відмітки повітряної трубки 8, відбувається підсмоктування повітря і зрив вакууму в сифоні 7. Промивка закінчується. Вихідна вода знову починає надходити із регулятора швидкості фільтрування 6 на фільтр. Починається новий фільтроцикл. В цей же час сифон спорожнення 11 відсмоктує воду з гідрозатвора 9. При зниженні рівня рідини в гідрозатворі до відмітки нижче низу висхідної вітки сифона спорожнення 11, в останній поступає повітря і відбувається зрив вакууму, і сифон 12 також виключається з роботи. Залишки води із низхідної вітки сифона 7 стікають в гідрозатвор 9 і наповнюють його.

Для знезалізнення води на пінополістирольних фільтрах із зростаючим шаром осаду в якості фільтрувального завантаження рекомендується використовувати пінополістирольне завантаження з мінімальним діаметром 0,8 мм, максимальним - 1,5 мм, еквівалентним - 1,17 мм, коефіцієнтом неоднорідності - 1,29. Швидкість висхідного потоку потрібно приймати не більшою 4 м/год. Висоту підфільтрового простору рекомендується визначати за формулою (5).

Діаметр промивного сифону при знезалізененні води на пінополістирольних фільтрах із зростаючим шаром завислого осаду пропонується визначати за формулою

,(11)

де h - перевищеня перегину сифону над рівнем води в надфільтровому просторі, м.

При використанні пінополістирольних фільтрів із зростаючим шаром завислого осаду для знезалізнення води в порівнянні з водоочисною установкою типу “Струя”, приведені затрати на 36102 грн. менші, а економія бетону при використанні пінополістирольних фільтрів із зростаючим шаром завислого осаду становить 15,83 м³, арматури - 160,37 кг, сталі - 3942,54 кг, поліетилену - 1005,56 кг, води - 16,27 тис.м³/рік, електроенергії - 10678 квт-год/рік.



Загальні висновки

1. Обґрунтована доцільність розробки технології знезалізнення води з великою концентрацією заліза на пінополістирольних фільтрах із зростаючим шаром завислого осаду. Розроблена конструкція такої установки та проведені експериментальні дослідження її роботи.

2. На основі експериментальних досліджень визначено умови формування завислого шару осаду. При концентрації загального заліза у вихідній води більше 15 мг/л та швидкості фільтрування менше 4 м/год. існує шар завислого осаду та не зникає на протязі всього фільтроциклу. При швидкості висхідного потоку більше 4 м/год., шар завислого осаду швидко зникає і необхідна ступінь знезалізнення води не забезпечується.

3. В результаті виконаних досліджень встановлено основні характеристики шару завислого осаду: питома концентрація g₁ = 0,0081…0,0424 г/см³, об'ємна концентрація C₀=0,028…0,088 см³/см³, густина неущільненої пластівцеподібної зависі g₀₂ = 1,0003…1,0020 г/см³, швидкість осідання v_ч = 0,15…0,23 см/с, еквівалентний діаметр частинок d_ч = 0,58…1,65 мм.

4. Ефективність знезалізнення на пінополістирольному фільтрі із зростаючим шаром завислого осаду становить 98,5…99,8%, при цьому концентрація заліза у фільтраті задовольняє вимоги ГОСТ 2874-82 “Вода питьевая”. Ефект знезалізнення в шарі завислого осаду в перші години фільтроциклу швидко зростає від 20,0% до 55%, а потім лишається практично незмінним і становить 40…60%.

5. Виконано апроксимацію отриманих експериментальних даних та знайдено функціональну залежність швидкості зростання шару завислого осаду від початкового шару осаду, концентрації заліза у вихідній воді та швидкості висхідного потоку.

6. Для розрахунку пінополістирольних фільтрів із зростаючим шаром завислого осаду на основі експериментальних даних запропоновано формулу (10) для визначення концентрації заліза у фільтраті в залежності від якості вихідної води та швидкості висхідного потоку.

7. На основі експериментальних даних визначено константи реакції К₁ = 0,5…3 год^-1 для шару завислого осаду, та К₂ = 14…25 год^-1 для пінополістирольного завантаження при зміні концентрації заліза перед шаром завантаження.

8. Для визначення необхідної висоти підфільтрового простору при розрахунку пінополістирольних фільтрів із зростаючим шаром завислого осаду рекомендується використовувати номограму (рис. 1) або формулу (5).

9. Запропонована гідроавтоматична схема управління фільтром із зростаючим шаром завислого осаду. Виконано розрахунки для встановлення необхідного діаметра промивного сифону гідроавтоматичної установки. Встановлено, що промивні сифони гідроавтоматичних установок працюють з різним значенням максимально можливого вакууму у найвищій точці сифону. Для пінополістирольних фільтрів із зростаючим шаром завислого осаду в порівнянні з пінополістирольними фільтрами без завислого шару осаду, висота підфільтрового простору більша. На основі розрахунків помічено, що при збільшенні висоти підфільтрового простору стає зручніше підбирати діаметр промивного сифону в залежності від перевищення перегину сифону над рівнем води в надфільтровому просторі.

10. Економія матеріалів при використанні пінополістирольних фільтрів із зростаючим шаром завислого осаду для знезалізнення води в порівнянні з водоочисною установкою типу “Струя”, становить: бетону - 15,83 м³, арматури - 160,37 кг, сталі - 3942,54 кг, поліетилену - 1005,56 кг, води - 16,27 тис.м³/рік, електроенергії - 10678 квт-год/рік.

11. Результати досліджень використано при розробці рекомендацій на станцію знезалізнення на території підприємства “Рівнеоблводоканал” м. Рівного, реконструкцію станції знезалізнення м. Смела Черкаської області, на станцію знезалізнення для орендного підприємства “Санаторій Червона калина” Рівненської області.

Список опублікованих праць за темою дисертації

Монографії:

1. Орлов В.О., Зощук А.М., Мартинов С.Ю. Пінополістирольні фільтри в технологічних схемах водопідготовки. - Рівне: Видавництво РДТУ, 1999. - 144 с.

Статті у фахових виданнях:

2. Орлов В.О., Мартинов С.Ю. Знезалізнення води на гідроавтоматичній установці. // Вісник РДТУ. Зб. Наук. Праць. Вип.2. Ч.2. - Рівне, 1999, с.69-71.

3. Орлов В.О., Мартинов С.Ю. Визначення необхідного діаметра промивного сифону гідроавтоматичної установки. // Вісник РДТУ. Зб. Наук. праць. Вип.1 (3), Рівне, 2000. С.148-152.

4. Мартинов С.Ю. Техніко-економічна оцінка використання пінополістиролних фільтрів з шаром завислого осаду при знезалізненні води. // Вісник РДТУ. Зб. наук. праць. Вип.4(6). Рівне 2000, с.153-158.

5. Мартинов С.Ю. Моделювання процесу знезалізнення води на пінополістирольних фільтрах із зростаючим шаром завислого осаду. // Вісник РДТУ. Зб. наук. праць. Вип. 3(10). Рівне 2001, с. 157-163.

Патент:

6. Фільтр для очистки води від заліза. Патент України №98126750 UA. МПК 6В 01D 21/00 С 02F 1/64 / В.О. Орлов, А.М. Зощук, С.Ю. Мартинов (Україна). Заявлено 22.12.1998.

Інші статті, доповіді, тези доповідей, інформаційні листки:

7. Мартинов С.Ю., Орлов В.О. Знезалізнення і знефторювання води. В кн. Орлов В.О., Кравченко В.С. Сільськогосподарське водопостачання. - Рівне: Видавництво РДТУ, 1999. - с 100 - 105.

8. Орлов В.О., Зощук А.М., Мартинов С.Ю. Пінополістирльні фільтри з вис-хідним потоком. // Вісник “Енергозбереження Полісся”, №2, Рівне, 2000. с. 7-8.

9. Орлов В.О., Зощук А.М., Мартинов С.Ю. Очистка природних вод за технологічними схемами з пінополістирольними фільтрами. // Зб. доповідей НПК ”Сучасні технології та устаткування для інтенсифікації роботи систем водопостачання та водовідведення України” - Київ, 1999, с159-160.

10. Орлов В.О., Зощук А.М., Мартинов С.Ю., Кочмарський О.В. Матеріало- та енергозберігаючі технологічні схеми водопідготовки. // Зб.матер.V міжнар. НТК ”Питьевая вода-99” - Одеса, 1999, с.101-103.

11. Слепцов Г.В., Ставицкий А.Г., Орлов В.О., Мартынов С.Ю. Внедрение фильтров с плавающей загрузкой // “ЕТЕВК” (Екологія, технологія, економіка, водопостачання, каналізація). - Ялта. - 2001. - с.111…114.

12. Орлов В.О., Зощук А.М., Мартинов С.Ю., Кочмарський О.В. Сучасні технологічні схеми підготовки води. // Матеріали республіканської конференції ”Сучасні проблеми підвищення екологічної безпеки та економічності роботи систем водопостачання і каналізації”, Київ.2000. с. 32

13. Орлов В.О., Зощук А.М., Мартинов С.Ю. Матеріало- та енергозберігаючі технологічні схеми водопідготовки. // НПК ”Актуальні екологічні проблеми”. Зб. ”Водопідготовка та очистка стічних вод ”Рівне, 2000. С.18-20.

14. Орлов В.О., Зощук А.М., Мартинов С.Ю. Високоефективний пристрій для знезалізнення води. // НПК ”Актуальні екологічні проблеми ”.Зб.”Водопідготовка та очистка стічних вод ”Рівне, 2000.с.20-21.

15. Орлов В.О., Зощук А.М., Мартинов С.Ю. Високоефективний пристрій для знезалізнення води. // Рекламний проспект, РДТУ, Рівне,1999, 2 с.

16. Орлов В.О., Зощук А.М., Мартинов С.Ю. Материало- и энергосберегающие технологические схемы водоподготовки. // Рекламный проспект, РГТУ, Рівне,1999. 2 с.

17. Орлов В.О., Зощук А.М., Мартинов С.Ю. Матеріало- та енергозберігаючі технологічні схеми водопідготовки. // Інформац. листок Рівн. держ. ЦНТІ та ЕІ, № 37-99, 1999. 3 с.

18. Орлов В.О., Зощук А.М., Мартинов С.Ю. Високоефективний пристрій для знезалізнення води. Інформаційний листок Рівн. держ. ЦНТІ та ЕІ №38-99, 1999. - 2 с.

Анотація

Мартинов С.Ю. Знезалізнення води на пінополістирольних фільтрах із зростаючим шаром завислого осаду. - Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.23.04 - Водопостачання, каналізація. Інститут водного господарства Рівненського державного технічного університету, Рівне, 2001.

Запропоновано нову технологічну схему знезалізнення води з великою концентрацією заліза на пінополістирольному фільтрі із зростаючим шаром завислого осаду. Досліджено механізм процесу знезалізнення води на таких установках. Визначено умови формування зростаючого шару завислого осаду, його основні характеристики. Встановлено закономірності зростання завислого шару осаду, ефект знезалізнення води в зростаючому шарі осаду та в установці, втрати напору в зростаючому шарі осаду та в установці. Розроблено рекомендації на проектування і експлуатацію таких установок. Пінополістирольні фільтри із зростаючим шаром осаду впроваджуються в Рівненській та Черкаській областях.

Ключові слова: знезалізнення, фільтрування, зростаючий шар завислого осаду, пінополістирол.



Аннотация

Мартынов С.Ю. Обезжелезивание воды на пенополистирольных фильтрах с растущим слоем взвешенного осадка. - Рукопись

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук по специальности 05.23.04 - Водоснабжение, канализация. Институт водного хозяйства Ровенского государственного технического университета, Ровно, 2001.

Диссертация посвящена проблеме обезжелезивания воды с большой концентрацией железа на пенополистирольных фильтрах с растущим слоем взвешенного осадка.

Диссертация состоит из вступления, шести разделов, основных выводов, списка использованных литературных источников из 142 наименований, одного приложения, 22 таблиц и 57 рисунков.

В работе рассмотрены условия образования железосодержащих вод, основные методы обезжелезивания вод. Установлено, что из-за отсутствия достаточно надежных и простых установок для обезжелезивания воды с большой концентрацией железа, очень сложно решается проблема централизованного водоснабжения. Наиболее благоприятной схемой для обезжелезивания воды с большой концентрацией железа может быть схема с осветлителями и скорыми фильтрами. При реагентном осветлении мутных вод проф. Орлов В.О. предложил использовать фильтры с растущим слоем взвешенного осадка, который периодически отводиться во время промывки фильтрующей загрузки. В продолжение этой работы, возможно и для обезжелезивания воды с большой концентрацией железа использовать фильтры с растущим шаром взвешенного осадка. В качестве фильтрующей загрузки, возможно использовать “тяжелую” щебеночною с большой скоростью фильтрации (до 20 мг/л) или “плавающую” пенополистирольную загрузку с целью конструктивного упрощения установки. На основе обследований работающих станций обезжелезивания воды установлено, что щебеночные фильтры не всегда обеспечивают необходимую степень обезжелезивания воды, а фильтры с “плавающей” пенополистирольной загрузкой постоянно обеспечивают необходимую степень обезжелезивания воды при небольшом количестве железа в исходной воде. Поэтому, в фильтрах с растущим слоем взвешенного осадка наиболее выгодно использовать пенополистирольную загрузку.

В работе исследован механизм процесса обезжелезивания воды на таких установках, установлены их рациональные конструктивные и технологические параметры. Доказано, что растущий слой взвешенного осадка не исчезает во время работы установки при скорости восходящего потока меньше 4,0 м/час и содержании железа в исходной воде больше 15 мг/л. Определено основные характеристики растущего слоя взвешенного осадка. Установлено закономерности роста слоя взвешенного осадка, потери напора в установке, в растущем слое взвешенного осадка. Определены зависимости концентрации остаточного железа в воде после очистки в растущем слое взвешенного осадка и после очистки на пенополистирольной загрузке. Исследования показали, что предлагаемый метод - высокоэфективный (эффект обезжелезивания на такой установке достигает 99,8%, а эффект обезжелезивания в растущем слое взвешенного осадка достигает 65%) и его можно применять при концентрации железа в исходной воде больше 15 мг/л.

На основе теоретических наработок и полученных экспериментальных данных предложены уравнение для определения роста взвешенного слоя осадка со временем в зависимости от скорости восходящего потока, первоначальной высоты слоя, качества исходной воды, уравнения для определения концентрации железа после очистки в растущем слое взвешенного осадка та в установке в целом. Используя экспериментальные данные, определено константы реакции для растущего слоя взвешенного осадка и пенополистирольной загрузки при изменении концентрации железа перед слоем загрузки.

Сведения, приведенные в диссертации, отражены в печатных работах автора.

Ключевые слова: обезжелезивание, фильтрование, растущий слой взвешенного осадка, пенополистирол.



Summary

Martynov S.Y. Deironing of waters in expanded polystyrene filters with increasing suspended deposit layer. - Manuscript.

The dissertation of scientific degree of the engineering science by a specialty 05/23/04 - water supply, sewerage, Institute of Water Equipment Rivne State Technical University, Rivne, 2001.

Offered a new technological scheme deironing of water with big iron concentration in expanded polystyrene filters with increasing suspended deposit layer. Inquired into process mechanism deironing of water on such plants. Determined the forming conditions of increasing suspended deposit layer, his basic descriptions. Set growth conformities to natural laws increasing suspended deposit layer, effect deironing of water increasing suspended deposit layer, head losses in increasing suspended deposit layer and in plant. Developed the recommendations on projection and exploitation of such plants.

Such units inculcate in Rivne and Cherkaskiy regions.

Key words: Deironing, filtration, with increasing suspended deposit layer, expanded polystyrene.

Размещено на Allbest.ru

...