Інтенсифікація роботи споруд по очищенню води від сірководню

Размещено на http://www.allbest.ru/

Київський національний університет будівництва і архітектури

УДК 26816.094

Спеціальність 05.23.04 - водопостачання, каналізація

АВТОРЕФЕРАТ

дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата технічних наук

ІНТЕНСИФІКАЦІЯ РОБОТИ СПОРУД ПО ОЧИСТЦІ ВОДИ ВІД СІРКОВОДНЮ

Терновцев Олексій Віталійович

Київ - 2007

Дисертацією є рукопис.

Робота виконана в Київському національному університеті будівництва і архітектури Міністерства освіти і науки України.

Науковий керівник:

Тугай Ярослав Анатолійович кандидат технічних наук, доцент кафедри інженерних систем будівель і споруд Інституту післядипломної освіти Київського національного університету будівництва і архітектури.

Офіційні опоненти:

Хоружий Петро Данилович доктор технічних наук, професор, завідувач відділом сільськогосподарського водопостачання та каналізації Інституту гідротехніки і меліорації Української Академії аграрних наук.

Давиденко Олександр Іванович кандидат технічних наук, старший науковий співробітник, завідувач відділу Науково-дослідного і конструкторсько-технологічного інституту міського господарства Держбуду України.

Захист дисертації відбудеться 19.12.2007р. о 1300 год. На засіданні спеціалізованої вченої ради Д 26.056.07 при Київському національному університеті будівництва і архітектури за адресою: 03680, м. Київ, Повітрофлотський проспект 31, ауд.319.

З дисертацією можна ознайомитись у бібліотеці Київського національного університету будівництва і архітектури за адресою: 03680, м. Київ, Повітрофлотський проспект 31.

Відгуки на автореферат просимо надсилати у двох примірниках за підписом, завіреним печаткою, на адресу: 03680, м. Київ, Повітрофлотський проспект 31. КНУБА. Вчена рада.

Автореферат розісланий 15.11.2007р.

Вчений секретар спеціалізованої вченої ради, к.т.н., професор Василенко О.А.

Анотації

Терновцев О.В. Інтенсифікація роботи споруд по очищенню води від сірководню. - Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.23.04 - Водопостачання, каналізація. - Київський національний університет будівництва і архітектури. Київ, 2007.

Дисертація присвячена дослідженню технологій і методів, що підвищують ефективність очистки підземних вод від сірководню.

Аналіз існуючих методів виділення з води сірководню показав можливість їх інтенсифікації за рахунок використання гідроаераторів, кавітаторів та нових фільтруючих завантажень.

Запропонована можливість збільшення ефективності процесів дегазації, та фільтрування на очисних фільтрах зі спеціальним типом завантаження.

Розроблено теоретичні основи процесів очищення води від сірководню шляхом використання гідроаератора, кавітатора та запропонованого фільтруючого завантаження. Проведені дослідження дозволили визначити межи використання кожного з розглянутих методів.

Експерименти, проведені в лабораторних умовах та на діючій свердловині показали, що виділення з води сірководню відповідає теоретичним засадам, наведеним в роботі. Отримано кінетичні константи необхідні для розв'язання теоретичних рівнянь.

Розроблено методику розрахунку основних технологічних параметрів і характеристик процесу виділення з води сірководню за допомогою гідроаератора, кавітатора та окислювального завантаження.

Запропоновано технологію очистки води від сірководню. Виконано техніко-економічні розрахунки, запропоновано технологічні схеми.

Ключові слова: сірководень, гідроаератор, кавітація, фільтрування, модифіковане завантаження, ефект очистки, окислювальна потужність.

Терновцев А.В. Интенсификация работы сооружений по очистке воды от сероводорода. - Рукопись.

Диссертация на соискание научной степени кандидата технических наук по специальности 05.23.04 - Водоснабжение, канализация. - Киевский национальный университет строительства и архитектуры. Киев, 2007.

Диссертация посвящена исследованию методов и технологий, повышающих эффективность очистки подземных вод от сероводорода.

Анализ существующих методов удаления из воды сероводорода показал возможность их интенсификации за счет использования гидроаэраторов, кавитаторов и новых фильтрующих загрузок.

Предложена возможность увеличить эффективность работы устройств использующих физические методы дегазации, а также использование новой фильтрующей загрузки в очистных фильтрах.

Разработаны теоретические основы процессов очистки воды от сероводорода для гидроаэратора, кавитатора и предложенной фильтрующей загрузки. Проведенные исследования позволили определить границы использования каждого из рассмотренных методов.

Эксперименты, проведенные в лабораторныхх условиях и на действующей скважине, показали, что удаление из воды сероводорода соответствует теоретическим положениям, приведенным в работе. Получены кинетические константы, необходимые для решения теоретических уравнений. дегазація очисний фільтр

Разработана методика расчета основных технологических параметров и характеристик процесса удаления из воды сероводорода с помощью гидроаэратора, кавитатора и окислительной загрузки.

Предложена технология очистки воды от сероводорода. Выполнены инженерно-экономические расчеты, предложены технологические схемы.

Ключевые слова: сероводород, гидроаэратор, кавитация, фильтрация, модифицированная загрузка, эффект очистки, окислительная мощность.

Ternovtsev A.V. Constructions work of intensification for hydrogen sulphide removed from water. It is Manuscript.

Dissertation on the competition of scientific degree of candidate of technical sciences on speciality 05.23.04 is Water-supply, sewage system. It is Kiev national university of construction and architecture. Kiev, 2007.

Dissertation is devoted research of methods, promoting efficiency of cleaning of underground waters at the hydrogen sulphide.

The analysis of existent methods of hydrogen sulphide removed from water showed possibility of their intensification due to the use of hydroaerator, cavitator and new filtering loads.

It is suggested to multiply efficiency of work of physical methods of degassing, and use of new filtering load.

Theoretical bases of hydrogen sulphide removed processes were developed for hydroaerator, cavitator and offered filtering load. The conducted researches allowed defining the scopes of the use each of the considered methods.

Experiments, conducted in laboratory terms and on an water well, showed hydrogen sulphide removed corresponded theoretical positions to result in work. Kinetic constants necessary for the decision of theoretical equalizations are got.

The method of calculation of basic technological parameters and performances of hydrogen sulphide removed process was developed by hydroaerator, cavitator and oxidizing filters load.

Hydrogen sulphide removed technology is offered. Engineer-economic calculations are executed, technological charts are offered.

Keywords: hydrogen sulphide, hydroaerator, cavitation, filtration, modified load, cleaning effect, oxidizing power.

Загальна характеристика роботи

Актуальність теми. Інтенсивне забруднення поверхневих джерел промисловими підприємствами, битовими відходами, а також добривами, що змиваються з сільськогосподарських земель органічного та мінерального походження, призводить до того, що для питного водопостачання все частіше використовуються підземні води. Так, наприклад, в місті Києві, при відсутності особливих проблем з постачанням питної води населенню, організовано бюветне водопостачання з використанням підземних водоносних горизонтів.

Підземні води України різноманітні по своїм якісним показникам. В цих водах присутні значно більше допустимих концентрації заліза, марганцю, солі жорсткості та сірководень. Концентрації останнього в різних регіонах коливаються від 1 до 20 і більше мг/дм 3, що значно перевищує допустимі нормативи для використання таких вод в питному водопостачанні (норматив 0,05 мг/дм 3).

В південних районах України: Херсонській, Миколаївській та Одеських областях перевищення нормативного значення по сірководню складає більш ніж 100 разів.

Існуючі методи очищення води від сірководню потребують будівництва високо коштовних споруд - аераторів з різноманітним завантаженням, біологічних реакторів або окислювальних фільтрів, потребуючих значних капітальних затрат на їх будівництво і експлуатацію. Окрім того, ці споруди не завжди дозволяють отримати воду необхідної якості.

Таким чином, розробка нових методів і технологій, орієнтованих на інтенсифікацію очищення води від сірководню, а також різноманітних пристроїв та споруд для їх реалізації є актуальною проблемою пов'язаною з постачанням населенню доброякісної води.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Роботу виконано згідно державної програми "Про концепцію розвитку водного господарства України" і тісно пов'язано з планами держбюджетної тематики Київського національного університету будівництва і архітектури, на замовлення Міністерства освіти і науки України (№ держреєстрації 0199U000661).

Мета і задачі дослідженнь. Метою дисертаційної роботи є наукове обгрунтування та розробка методів і технологій інтенсифікації процесів видалення з підземних вод сірководню за допомогою кавітації, аерації гідроаератором та фільтрування на очисних фільтрах з модифікованим завантаженням.

Для досягнення зазначеної мети визначено такі задачі:

- провести критичний аналіз існуючих методів видалення з підземних вод сірководню;

- науково обгрунтувати та дослідити ефективність очищення води від сірководню з використанням гідроаератора і кавітатора;

- запропонувати математичну модель процесу видалення з води сірководню на фільтрах з модифікованим завантаженням;

- на основі експериментальних досліджень показників очищення підземних вод від сірководню, запропонувати фільтруюче завантаження з високими окислювальними властивостями;

- провести експериментальну перевірку очищення води від сірководню та науково обгрунтувати основні параметри роботи кавітатора, гідроаератора та окислювального завантаження;

- на основі аналізу теоретичних та експериментальних досліджень - розробити методіку інженерного розрахунку пристроїв і споруд для очищення підземних вод від сірководню.

Об'єкт досліджень - підземні води з вмістом сірководню до 20мг/дм 3.

Предмет досліджень - процеси видалення з води сірководню шляхом зміни парціального тиску газу та окислення на завантаженні.

Методи досліджень - науковий аналіз та експериментальні дослідження проведені на лабораторних установках з використанням модельних розчинів, та в реальних умовах на діючій водозабірній свердловині з використанням сучасних методик і обладнання; для оцінки експериментальних результатів використані математичні методи обробки отриманих даних.

Наукова новизна одержаних результатів.

- науково обґрунтовані та досліджені процеси видалення з підземних вод сірководню аерацією з використанням гідроаератора і кавітатора, та на фільтрах з модифікованим завантаженням;

- розроблено математичні моделі очистки води від сірководню аерацією, кавітацією та фільтруванням через модифіковане завантаження, що дозволило визначити основні технологічні параметри в залежності від різних факторів які характеризують та лімітують процес;

- на основі реалізації запропонованих математичних моделей отримані залежності для визначення технологічних параметрів процесу очистки води від сірководню.

Практичне значення одержаних результатів.

На підставі запропонованих методів очищення підземних вод від сірководню розроблені нові технології видалення сірководню аерацією, кавітацією і на фільтрах з модифікованим завантаженням, яке має окислювальні властивості. Визначено основні технологічні параметри процесів очищення води, які враховують особливості запропонованих технологічних рішень. В результаті проведених досліджень визначені області застосування запропонованих технічних рішень для гідроаератора, кавітатора та фільтруючого завантаження. Запропоновано фільтруюче-сорбційне завантаження, яке дозволяє збільшити окислювальну потужність, що приводить до скорочення площі очисних споруджень по очищенню води від сірководню фільтруванням.

На підставі реалізації запропонованих моделей розроблено методику розрахунку технологічних і конструктивних параметрів, наведені основні положення та рекомендації для вибору констант і коефіцієнтів, необхідних для реалізації цієї методики;

Застосування кавітаційної обробки води, що містить сірководень замість існуючих окисних фільтрів на діючій свердловині філії №1 ДПМФ "Артем", дозволило скоротити розміри очисної станції (при однакових показниках очищення води) і одержати значний економічний ефект.

Особистий внесок здобувача.

Наукові результати, які наведені в дисертації, отримані особисто здобувачем на підставі виконаного аналізу і оцінки існуючих методів очищення води від сірководню. Дисертанту належить розробка методик, організація експериментальних досліджень по очищенню води від сірководню аерацією, кавітацією та на фільтрах з модифікованим завантаженням. Розроблені математичні моделі видалення сірководню при обробці води в гідроаераторі, кавітаторі і на фільтрах з модифікованим завантаженням. Запропоновано модифікацію фільтруючих завантажень і визначені дози і сполуки необхідних для цього реагентів. Визначено області застосування запропонованих технічних рішень.

Апробація роботи.

Основні результати роботи та головні положення дисертації доповідалися: на науково-практичних конференціях Київського національного університету будівництва і архітектури (1998 - 2007рр), на IV міжнародної науково-технічної конференції "Питьевая вода - 98" (Одеса 1998г), на 58-59 науково-практичних конференціях Харківського державного університету будівництва та архітектури (Харків 2003, 2004рр), на XXXII науково-технічної конференції Харківської національної академії міського господарства (Харків 2004р).

Публікації.

За результатами проведених досліджень опубліковано 12 наукових праць, у тому числі 5 у фахових виданнях ВАК, у тому числі 7 без співавторів, отримано 2 патенти України.

Обсяг роботи.

Дисертаційна робота складається із вступу, шести розділів, висновків, списку використаної літератури та 2 додатків. Загальний обсяг роботи 160 сторінок. Дисертація містить 48 рисунків, 20 таблиць.

Основний зміст роботи

У вступі обґрунтовано актуальність роботи, сформульовано мету і задачі досліджень, об'єкт та предмет роботи, відмічено особистий внесок автора, обґрунтовано наукову новизну та практичне значення отриманих результатів.

У першому розділі наведені основні відомості щодо забруднення підземних вод сірководнем. Відзначено його негативний вплив на людину та різні споруди, наведені труднощі які виникають в технологічних процесах при використанні забрудненої сірководнем води.

Аналіз проведених досліджень очищення води від сірководню, якими у різні роки, займалися И.Э. Апельцин, А.А. Кастальский, В.А. Клячко, Л.А. Кульский, С.Н. Линевич, З.Ю. Мазяк, Г.И. Ніколадзе, О.Я. Олійник та ін. показує, що залежно від форми існування сірчистих сполук у воді методи її очищення від сірководню можуть бути розділені на три групи: видалення з води сірководню безреагентными методами; використання реагентів та фільтруючих завантажень з окислювальними властивостями та біохімічні методи, в яких очищення води від сірководню здійснюється за рахунок сульфатвідновлюючих бактерій закраплених на фільтруючому завантаженні. Визначені основні недоліки та переваги розглянутих методів та показано можливості їх вдосконалення. Показано, що інтенсифікація виділення з води розчинених газів та окислювальних процесів може бути досягнено за рахунок кавітації (Л.М. Грундель, М.А. Маргуліс, З.Ю. Мазяк, І.А. Карпінська, Л.І. Шевчук).

Наведено можливі умови виникнення процесу кавітації, її різновиди та характер впливу. Проведено аналіз сучасних наукових робіт по вивченню та застосуванню кавітації. Показано фізико-хімічні процеси, що відбуваються при дії кавітації на розчини.

На основі аналізу літературних джерел сформульовані задачі і напрямки досліджень, а також намічені шляхи вирішення проблеми.

Запропоновано замість існуючих споруд для фізичної дегазації використовувати гідроаератори та кавітатори.

У другому розділі проведено теоретичне обґрунтування процесів видалення з води сірководню. Запропоновано математичні моделі дегазації фізичними методами - аерацією та кавітацією. Для обґрунтування виділення з води сірководню окислювальним завантаженням розроблена математична модель зміни концентрації в воді сірководню по висоті фільтра.

Перехід газу з рідини в навколишнє середовище здійснюється в межах поверхонь розділу фаз рідина-повітря. У випадку використання гідроаератора загальна площа поверхонь розділу фаз залежить від кількості засмоктаного повітря потоком рідини, а у випадку, коли дегазація води здійснюється кавітацією, поверхні розділу фаз виникають за рахунок розриву щільності рідини.

Зміна концентрації розчиненого газу в рідині у випадку гідроаератора та кавітатора представлена рівняннями матеріального балансу, які записані з урахуванням існуючих уявлень про фізичну суть механізмів дегазації води шляхом зміни парціального тиску та фільтруванням крізь модифіковане завантаження.

Рівняння матеріального балансу для гідроаератора:

WрСр 0 + WпСп 0 = WрСр 1 + Wп [Cп 0 - Сп 1 + Cр 0 Cр 1 ]+Wг *r, (1)

а для аэратора - кавітатора:

WпCр 0 = WпCр 1 + Wг (Cр 0 - Cр 1) +Wг *r (2)

де Wр, Wп, Wг - відповідно об'єми рідини, повітря газу,

Ср 0, Сп 0 - концентрації газу в рідині та повітрі перед аератором,

Cр 1, Cn1 - концентрації газу в рідині та газовій фазі після кавітатора,

r - швидкість хімічної реакції.

Після виконаного аналізу, балансові рівняння (1,2) для подальшого використання доцільно представити в наступній диференціальній формі:

, (3)

де - концентрація газу.

Відповідно до теорії двошарового поглинання, перший член у правій частині рівняння (3) - рушійна сила аераційної дегазації може бути записаний:

, (4)

де - коефіцієнт десорбції газу.

У випадку, коли , що завжди має місце, рівняння (4) має вигляд:

. (5)

Інтегрування виразу (3) з урахуванням (5) при відсутності хімічної реакції здійснено в наступних граничних умовах , , ,

. (6)

Згідно аналізу існуючих даних, коефіцієнт десорбції газу прийнято з урахуванням закону Генрі, в залежності від наступних факторів: , V, ,. Використання аналізу розмірності дозволяє записати , де - константа швидкості десорбції газу;

Зміна концентрації сірководню в рідині при використанні в якості дегазатора гідроаератора або кавітатора без урахування хімічної реакції:

. (7)

Параметр визначається розрахунком на підставі експериментальних даних.

Загальний вміст сульфідних сполук Cs в воді визначається як Cs = [H2S] + [HS-] + [S2-].

Збільшення рН веде до зменшення H2S і збільшення HS- іонів, а при рН>9 в воді можуть знаходитись S2- іони. Виділення з води сірководню можливе як за рахунок зміни парціального тиску газу, так і за рахунок окислення. Інші сполуки можуть бути видалені з води тільки за рахунок окислення.

В процесі дегазації води за допомогою гідроаератора функцію окислювача виконує кисень повітря, а при використанні кавітатора - продукти розкладу молекул води.

Швидкість утворення продуктів окислення сірководню та сульфідів різними окислювачами відповідає кінетичному рівнянню першого порядку, рішення якого, як відомо, має вигляд:

, (8)

де - коефіцієнт швидкості окислення.

Дослідження показують, що значення лінійно залежать від виду окислювача та його кількості, оцінюємих параметром , який характеризується динамічним станом потоку за допомогою , тобто в рівнянні (8) приймаємо .

Очищення води від сірководню фільтруванням через завантаження з каталітичними властивостями здійснюється за рахунок кисню, який розчинений у воді та за допомогою окислювальних властивостей самого завантаження. Для складання математичної моделі окислення, в цьому випадку, прийняті наступні передумови:

- вода подається на фільтр очищеною від інших забруднень, крім сірководню. Отримані у воді після очистки завислі речовини відносяться до продуктів окислення тільки сірководню;

- швидкість окислення залежить від температури, рН та окислювальної потужності завантаження. Вплив цих факторів враховується константами відповідних реакцій;

- окислювальна плівка не відривається від поверхні завантаження в процесі очищення води, а лише змінює свої окислювальні властивості в часі;

- окислення сірководню проходить рівномірно в об'ємі завантаження.

Зміна кількості сірководню в воді, в разі фільтрування через окислювальне завантаження описується рівнянням балансу маси яке в спрощеному вигляді має вид:

. (9)

В рівнянні (9) ліва частина означає зміну в воді концентрації сірководню в часі, перший член правої частини рівняння являє собою зміну концентрації сірководню за товщиною фільтруючого завантаження а другий член відповідає хімічній реакції виникнення нерозчинних сполук.

Аналогічно (9) балансове рівняння для фільтруючого завантаження, де змінним параметром є окислювач, та балансове рівняння маси осаду який утворюється в фільтруючому завантаженні, мають вигляд:

, (10)

, (11)

де - середня пористість завантаження;

, , - відповідно: концентрація в воді сірководню, окислювальна потужність завантаження та кількість сірки отриманої в процесі очищення води;

- зміна кількості осаду в об'ємі завантаження з часом;

- характеризує кінетику обміну між завантаженням та об'ємом розчину.

Швидкість реакції у наведених рівняннях будемо вважати постійною. Реакція відбувається в гомогенній системі, що підтверджується результатами досліджень. Запишемо , де - константа швидкості процесу (). Тоді рівняння (9-11) мають вигляд:

; ; (12)

Початкові і граничні умови:

; ; ; ; ;

; ; ; ; .

В рівняння (12) введемо безрозмірні величини:

; ; ; ;

; ; ;

; ;

Загальні рішення наведених рівнянь приведено в дисертації.

Зокрема для часу запишемо:

, (13)

, (14)

. (15)

Для перевірки теоретичних положень по очистці води від сірководню та визначенню необхідних констант проведенні експериментальні дослідження.

У третьому розділі наведені і описані установки для проведення експериментальних досліджень, методики визначення основних параметрів технологічних процесів та обробки експериментальних даних. Для проведення досліджень в лабораторних умовах використовувались стенди обладнані гідроаератором, кавітатором та необхідним вимірювальним обладнанням. Визначались гідродинамічні характеристики на стендах в залежності від безрозмірного комплексу

,

де р втрати тиску, МПа; V - швидкість руху води, м/с; с - щільність води, кг/м 3. Для стенда, обладнаного гідроаератором, визначались втрати тиску в залежності від витрат води та підсмоктуваного повітря Qп/Qр в залежності від ki (Qп - витрати повітря, Qр- витрати рідини). Для стенда, обладнаного кавітатором, визначались: втрати тиску в залежності від витрати води, коефіцієнт ki в залежності від швидкості руху води, швидкість V, та значення цих параметрів при кавітації.

Вивчення процесу очистки води від сірководню за допомогою окислювального завантаження проводилось на стенді, який складався з фільтрувальної колонки діаметром 150 мм та висотою 1800 мм, завантаженою активованим вугіллям з нанесеним на ньому шаром диоксиду марганцю. Стенд обладнувався п'єзометричним щитом для визначення втрат тиску, пробовідбірниками та трубопроводами для промивки і регенерації фільтруючого завантаження. Попередніми дослідженнями встановлювались: втрати напору чистого фільтру в залежності від швидкості фільтрування, окислювальна потужність завантаження в залежності від часу регенерації, та кількість марганцю відсорбованого поверхнею завантаження.

Обробка експериментальних даних проводилась за допомогою комп'ютерної програми MathLab. Використовувались необхідні прибори та обладнання.

Перевірка результатів досліджень в лабораторних умовах проводилась на підземній воді реальної свердловини.

У четвертому розділі наведені результати експериментальних досліджень по очистці води від сірководню аерацією та кавітацією, отримані в лабораторних умовах. Вивчався вплив складу окислювача на очищення води від сірководню.

В процесі дослідів визначалась зміна концентрацій сірководню у воді в диапазоні вхідних концентрацій від 5 до 40 мг/л в залежності від рН середовища. При обробці води киснем, KMnO4, FeCl3, хлором та пероксидом водню, вивчалась зміна окислювально-відновлювального потенціалу в часі та ефективність очищення води.

Дослідження з різноманітними окислювачами дозволили визначити константу швидкості окислення в залежності від окислювально-відновлювального потенціалу:

k2 = 1,26 · 10-2Eh. (16)

Експериментальні дослідження по вивченню процесу очищення води від сірководню за допомогою гідроаератора дозволили визначити зміну концентрації в воді кисню, в залежності від кількості підсмоктуваного повітря та від параметра ki.

Кількість підсмоктуваного повітря визначається співвідношенням:

(17)

Формула (17) рекомендована при ki в межах 0,5...1,0.

Видалення з води сірководню аерацією за допомогою гідроаератора достатньо ефективно при значеннях рН<8,0. При збільшенні рН>8, газоподібний сірководень у воді практично відсутній, замість нього у воді знаходяться сульфідні сполуки, тому інтенсивність видалення сірководню зменшується. При рН<8 ефект досягається як за рахунок парціального тиску, так і за рахунок окислення. При рН>8,5 зміна сульфідних сполук у воді пов'язана тільки з процесом окислення. Зміна концентрації в воді сірководню в залежності від часу та ki наведена у вигляді графіка на рис. 1.

Зміна концентрації сірководню у воді, в залежності від основних показників процесу визначається за допомогою рівняння:

(18)

де в1 - емпіричний коефіцієнт, який залежить від рН середовища і може бути визначений за формулою:

. (19)

Межи застосування співвідношення (20) - рН=5...7,9 при рН>8,5 величину в1 слід приймати рівною нулю.

Використання гідроелеваторів для видалення із води сірководню може бути рекомендовано при концентрації у воді сірководню до 5 мг/л та значення рН < 8, що практично відповідає можливостям сучасних дегазаторів, завантажених кільцями Рашига або хордовими насадками.

Видалення з води сірководню кавітацією проходить за механізмом зміни парціального тиску та за рахунок окислювальних процесів. Але, на відміну від процесів, які проходять в гідроаераторі, окислювання здійснюється більш ефективно за рахунок продуктів разкладу води, отриманих в процесі кавітації. Дослідження концентрації кисню у воді, який є основним окислювачем при аерації в гідроаераторі, показало, що при кавітації кількість кисню зменшується, і тому прийняти його в якості основного окислювача недоцільно.

Окислення сульфідних сполук при обробці води кавітацією для різних значень ki, який характеризує процес кавітації, наведено на рис.2.

Показано, що збільшення ефекту кавітації приводить до зменшення часу, необхідного для окислення сульфідів.

Коефіцієнт, який характеризує швидкість хімічної реакції, як для гідроаераторів, так і для кавітаторів, може бути визначено за допомогою співвідношень:

- для гідроаератора: k2 = 0,45 + 1,1(ki - 0,5) (20)

- для кавітатора: k2 = 0,3 + ki . (21)



ki = 0,8; ki = 0,6; ki = 0,5

Рис 2. Зміна концентрації у воді сірководню в часі, рН=8,5; С 0=5,4мг/л

Значення параметру k2 визначено експериментально. При обробці води кавітацією, концентрація сірководню в воді зменшується в часі та в залежності від рН води, і для ki = 0.8 приведена на рис.3.

Ефективність видалення сірководню може бути визначено за формулою:, (22)

де 1' = f (рН) - безрозмірний параметр, який характеризує десорбцію при кавітації,

1' = 3 - 0,09рН 1,73. (23)

Результати досліджень обробки води кавітацією дозволили розширити межи використання фізичних методів дегазації до концентрації у воді сірководню 6,3 мг/л.

У п'ятому розділі наведені результати експериментальних досліджень роботи фільтруючого завантаження з окислювальними властивостями. Визначені коефіцієнти та параметри, що входять в рівняння математичної моделі дегазації води фільтруванням. Отримані залежності для розрахунку ефективності видалення з води сірководню по висоті фільтруючого завантаження, протягом фільтроциклу, та тривалість фільтроциклу. Вивчені можливості регенерації.

На основі критичного аналізу літературних матеріалів та експериментальних досліджень, проведених нами для фільтрів з окислювальним завантаженням, були визначені коефіцієнти та константи, які входять в рівняння математичної моделі та в розрахункові залежності.

Зміна концентрації сірководню по висоті фільтруючого завантаження в залежності від безрозмірного параметру по висоті фільтру для значень рН = 6,5 - 8,5 наведено на рис 4.



Зміна концентрації сірководню по висоті шару фільтруючого завантаження визначається за формулою:

, (24)

?= 30 мг/л; *= 10 мг/л; Ч=5 мг/л; рН =6,5

Рис. 5. Зміна окислювальної потужності фільтруючого завантаження від часу. =. Суцільна крива відповідають розрахунковій залежності (25), а точки - результатам лабораторних досліджень.

Вивчення процесу очищення води від сірководню в залежності від часу фільтрування для різних значень рН в діапазоні вхідних концентрацій сірководню 5…30 мг/л показує ефективність роботи окислюючого завантаження.

Зміна окислювальної потужності завантаження в часі визначається формулою:

(25)

і наведено на рис.5.

Вміст та вид сульфідної сполуки залежить від рН середовища. Тому зміна окислювальних властивостей фільтруючого завантаження також повинна залежати від рН. Вплив складу сульфідів на поведінку фільтруючого завантаження в вигляді залежності зміни фільтроциклу від рН води показано на рис.6.

Час захисної дії фільтруючого завантаження зменшується із збільшенням рН розчину та концентрації у воді сірководню. Таке положення пояснюється тим, що збільшення рН веде до збільшення концентрації сульфід-іону HS-. Досліджене та запропоноване фільтруюче завантаження, дозволяє очищати воду з концентрацією сірководню 5 мг/л близько 25 годин при рН 8,5.

У шостому розділі проведені дослідження з очистки води від сірководню на діючій свердловині з концентрацією сірководню 6,2 мг/л та продуктивністю 6,95 м 3/год.

Результати досліджень порівнювались з результатами, які були отримані на основі разрахунків по формулам для змін концентрацій сірководню при обробці води гідроаератором, кавітатором та за допомогою фільтрування. Відхилення дослідних даних від розрахункових для гідроаератора та кавітатора не перевищує ± 5%, а при обробці фільтруванням ± 6%.

В розділі наведено методики розрахунку очистки води за допомогою гідроелеватора, кавітатора та фільтруючого завантаження, а також техніко-економічні розрахунки.

Заміна аератора кавітатором дозволила отримати значний економічний ефект.

Загальні висновки

1. Проаналізовано дії різних механізмів і розглянуті особливості процесів видалення з води сірководню за умов зміни парціального тиску газу в рідині і, при його каталітичному окислюванні модифікованими завантаженнями.

2. Показано, що інтенсифікація процесу дегазації може бути досягнута збільшенням поверхонь контакту між рідкою й газоподібною фазами за рахунок розриву щільності потоку рідини в кавітаторі або при використанні підсмоктуваного повітря, що створює гідроелеватор.

3. На основі аналізу теоретичних і експериментальних даних показані області застосування фізичної дегазації та модифікованих фільтруючих завантажень, що мають окислюючі властивості.

4. На базі фізичних уявлень побудовані більш узагальнені математичні моделі видалення з води сірководню: аерацією гідроаератором; гідравлічним кавітатором; фільтруванням крізь шар модифікованого завантаження на фільтрі. Наведені моделі враховують різні фактори дегазації, що впливають на процес (ступінь насичення води повітрям, гідродинамічні особливості потоку, окисну потужність завантаження, кінетика реакцій).

5. Розроблено, теоретично обґрунтовано і експериментально перевірено технологію очищення води від сірководню гідроаератором. Отримано метод розрахунку необхідних параметрів. Зокрема допустимий вміст сірководню у воді - до 5,5 мг/л.

6. На основі проведених теоретичних та експериментальних досліджень показано, що застосування кавітації дозволяє інтенсифікувати процес фізичної дегазації і розширити межи ефективного очищення води від сірководню при початковому його вмісті до 6,3 мг/л.

7. Дослідження процесу видалення з води сірководню гідравлічним кавітатором дозволило розробити методику розрахунку і одержати необхідні співвідношення, що враховують вміст сірководню і сульфідів у воді.

8. Запропоновано нові фільтруючі завантаження для видалення з води сірководню. Визначена окислювальна потужність та ефективність роботи завантажень в залежності від різних якісних показників води.

9. Експериментально перевірена математична модель очищення води від сірководню завантаженням, що має окислюючі властивості. Отримані залежності дозволили розробити методику інженерного розрахунку зазначеного технологічного процесу очистки.

10. Проведено апробацію запропонованих методів розрахунку з використанням дослідних даних, одержаних у виробничих і лабораторних умовах. Результати розрахунків добре узгодяться з дослідними даними. Виконано впровадження на реальних об'єктах підземних водозаборів зі значним економічним ефектом.

Список опублікованих праць за темою дисертації

1. Терновцев А.В. Математическое описание процесса дегазации воды в насадке с повышенной шероховатостью.//- Коммунальное хозяйство городов. Вип.13.-К.-Техника.-1998.-С.73-75.

2. Терновцев О.В. Очистка води від сірководню за допомогою окислювачів.//-Вісник Рівненського державного технічного университету.-Вип.2.-Р.-2000.-С.143-146.

3. Терновцев О.В. Очистка підземних вод від сірководню.//-Гірничі, будівельні, дорожні та меліоративні машини.-Вип.56.-2000.-С.54-58.

4. Терновцев А.В. Удаление из воды сероводорода модифицированной загрузкой.// - Коммунальное хозяйство городов. Вип.27.-К.-Техника.-2001.-С.126-130.

5. Терновцев О.В. Очистка води від сірководню аерацією.//Меліорація і водне господарство. Вип..87.-К.-Аграрна наука.-2001.-С.203-208.

6. Тугай А.М., Терновцев О.В. Очищення води від сірководню та вуглекислоти//Вода. - Журнал МОНТАЖ+ТЕХНОЛОГІЯ. Вип.2.-К.-1998.-С.29.

Особистий внесок Терновцева О.В. полягає в розробці видалення з води сірководню та проведенні експериментальних досліджень.

7. Терновцев В.Е., Терновцев А.В. Очистка природных вод активними загрузками.//-Питьевая вода-98.-сборник материалов IV международной научно-технической конференции.-О.-1998.-С.127-131.

Особистий внесок Терновцева О.В. полягає в проведенні аналізу існуючих схем очистки природних вод та пропозицій по створенню фільтруючого завантаження з каталітичними властивостями.

8. Терновцев О.В. Обґрунтування процесу виділення з води сірководню кавітацією.//-Тези доповідей 61-ї науково-практичної конференції.-К.-2000.-С.15-16.

9. Тугай А.М., Терновцев О.В. Очистка води від сірководню за допомогою кавітації.// Тези доповідей 62-ї науково-практичної конференції.-К.-2001.-С.8-9.

Особистий внесок Терновцева О.В. полягає в спрощенні технологічної схеми очистки води від сірководню за рахунок використання кавітації. Розроблено механічний кавітатор та проведені його дослідження.

10. Терновцев А.В. Удаление из воды сероводорода с помощью гидроэлеватора.// Тезисы докладов 32 научно-технической конференции.-Х.-2004.-С 24-26.

11. Патент України на винахід №48334 А. /Фільтруюче-сорбційний матеріал для очищення води/. Терновцев О.В., Терновцев В.О., Зоря О.В. Заявл. 29.09.1998р. Опубл. 15.08.2002, Бюл.№8, 2002р.

Особистий внесок Терновцева О.В. полягає в розробці технології модифікації фільтруючого завантаження та визначенню області його застосування.

12. Патент України на винахід №48339 А. /Спосіб одержання фільтруюче-сорбційного матеріалу для очищення води/. Терновцев О.В., Терновцев В.О., Зоря О.В. Заявл. 28.09.1998р. Опубл. 15.08.2002, Бюл.№8, 2002р.

Особистий внесок Терновцева О.В. полягає в розробці технології регенерації фільтруючого завантаження і визначені доз та сполук необхідних для цього реагентів.

Размещено на Allbest.ru

...