автореферат диссертации по строительству, 05.23.04, диссертация на тему:Доочистка водопроводной воды активированным углем, модифицированным фуллеренами

005533403

На правах рукописи

сА

ГРУН Надежда Аркадьевна

ДООЧИСТКА ВОДОПРОВОДНОЙ ВОДЫ АКТИВИРОВАННЫМ УГЛЕМ, МОДИФИЦИРОВАННЫМ ФУЛЛЕРЕНАМИ

Специальность 05.23.04 - Водоснабжение, канализация, строительные системы охраны водных ресурсов

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание учёной степени кандидата технических наук

2 Б СЕН 2013

Санкт-Петербург

2013

005533403

Работа выполнена в ФГБОУ ВПО «Санкт-Петербургский государственный архитектурно-строительный университет» на кафедре водопользования и экологии

Научный руководитель: доктор технических наук, профессор

Ким Аркадий Николаевич

Официальные оппоненты: Фесенко Лев Николаевич,

доктор технических наук, профессор, ФГБОУ ВПО «Южно-Российский государственный политехнический университет (Новочеркасский политехнический институт) имени М. И. Платова», профессор кафедры «Водное хозяйство, инженерные сети и защита окружающей среды», Ростовская обл;

Акимов Леонид Иванович,

кандидат технических наук, доцент, ФГБОУ ВПО «Санкт-Петербургский государственный архитектурно-строительный университет», доцент кафедры химии

Ведущая организация: ФГБОУ ВПО «Санкт-Петербургский

государственный технологический институт (технический университет)»

Защита диссертации состоится 14 октября 2013 г. в 16й® часов на заседании диссертационного совета Д 212.223.06 при ФГБОУ ВПО «Санкт-Петербургский государственный архитектурно-строительный университет» по адресу: 190005, г. Санкт-Петербург, 2-я Красноармейская ул., д. 4, зал заседаний диссертационного совета (аудитория 219).

Телефакс: (812) 316-58-72 Email: rector@spbgasu.ru

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ФГБОУ ВПО «Санкт-Петербургский государственный архитектурно-строительный университет».

Автореферат разослан 13 сентября 2013 г.

Ученый секретарь диссертационного совета кандидат технических наук,

доцент Ь^4 Пухкал Виктор Алексеевич

I. ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность исследований. Централизованная обработка воды в г. Санкт-Петербурге позволяет обеспечить на выходе технологического цикла качество воды, соответствующее принятым санитарным нормам. Однако наличие в водопроводной воде соединений железа, железобактерий и других загрязнений, формирующихся вследствие транспортировки по трубам, находящимся в неудовлетворительном техническом состоянии, высокий остаточный уровень вредных веществ, а также опасность занесения в воду патогенной микрофлоры являются причинами несоответствия качества водопроводной воды требованиям нормативных документов. Вследствие того, что конечный потребитель не всегда получает воду питьевого качества, целесообразна так называемая дообработка (доо-чистка) водопроводной воды. Как правило, функцию дообработки водопроводной воды выполняют фильтры с сорбционной загрузкой, при этом наиболее эффективным являются активированные угли. Одним из направлений повышения сорбционной активности углеродных адсорбентов является введение в их состав модифицирующих добавок, характеризующихся специфическим электронным строением, что приводит к изменению электронного строения сорбентов и повышению их сорбционной активности. Известно, что введение фуллеренов в сорбенты приводит к значительному повышению их эффективности при поглощении растворенных в воде соединений. Помимо сорбционных свойств фулле-рены обладают бактерицидными свойствами. Технология введения фуллеренов в активированные угли, разработанная в СПбГТИ (ТУ), позволила получить новый сорбент - модифицированный активированный уголь (АУМ). Однако до настоящего момента не изучена возможность и эффективность практического применения АУМ для доочистки водопроводной воды, что делает данную работу актуальной.

Теоретическими основами работы стали исследования российских ученых, посвященных проблеме применения фуллеренов для модифицирования сорбентов: В.В. Самонина, M.JI. Подвязникова, В.Ю. Никоновой, Е.А. Спиридоновой, Е.М. Слуцкер, J1.H. Сидорова, A.A. Фомкина, В.И. Березкина, И.В. Викто-ровского и др.

Проведенный обзор существующих областей применения АУМ отражает недостаточную изученность эффективности использования АУМ в доочистке водопроводной воды. В качестве рабочей гипотезы выдвигается получение эффекта в результате применения АУМ в доочистке водопроводной воды по сравнению с исходным активированным углем.

Цель и задачи исследования.

Цель исследования — определение эффективности применения АУМ в доочистке водопроводной воды.

Объектом исследования является процесс сорбционной доочистки водопроводной воды.

Предметом исследования является доочистка исходной водопроводной воды модифицированным фуллеренами активированным углем.

Задачи исследования:

1.Разработать технологию исследования АУМ, применяемого для доочист-ки водопроводной воды.

2. Определить марку наиболее эффективного в доочистке водопроводной воды модифицированного активированного угля.

3.Сравнить эффективность использования АУМ и АУ для доочистки водопроводной воды.

4. Разработать методику регенерации АУМ, позволяющую максимально использовать сорбционную емкость АУМ при доочистке воды.

5.Изучить бактерицидные свойства АУМ при доочистке водопроводной воды.

6.Получить аналитические зависимости технологических параметров доочистки водопроводной воды на фильтрах с АУМ.

7.Разработать технологическую схему доочистки водопроводной воды на фильтрах с АУМ и дать экономическую оценку применения АУМ для доочистки водопроводной воды.

Методологической основой диссертационного исследования послужили статистический анализ и обобщение известных научных и технических результатов в области глубокой очистки и доочистки воды для питьевого водоснабжения; современные научно-исследовательские работы по модификации сорбентов фул-леренами; лабораторные исследования с использованием физико-химических методов анализа; обработка экспериментальных данных математическими методами с использованием ПЭВМ; методы математического моделирования.

Научная новизна исследований заключается в следующем:

1. Впервые проведены цикличные исследования модифицированных сорбентов различных марок при доочистке водопроводной воды; определена эффективность их работы; получены данные, позволяющие определить зависимости технологических параметров фильтрационной доочистки водопроводной воды АУМ.

2.Разработана оригинальная методика регенерации АУМ с применением окислителя, позволяющая максимально использовать сорбционную емкость АУМ.

3.Установлены бактериологические показатели (общее микробное число; общие шлиформные бактерии; термотолерантные колиформные бактерии; споры сульфитредуцирующих клостридий; колифаги) качества воды, обработанной АУМ.

4. Предложена технологическая схема доочистки с применением АУМ, подтверждена экономическая целесообразность применения АУМ.

Практическая ценность и реализация результатов исследований. Установлены параметры фильтрационной доочистки водопроводной воды на АУМ. Разработана методика регенерации АУМ с применением гипохлорита натрия. Представлены расчетные зависимости, позволяющие определить эффективность очистки воды на АУМ по окисляемости в зависимости от скорости фильтрования и высоты фильтрующей загрузки, а также продолжительность фильтроцикла в зависимости от скорости фильтрования и времени контакта обрабатываемой воды с АУМ. Разработана принципиальная технологическая схема доочистки водопроводной воды с помощью АУМ в качестве фильтрационной загрузки. Обоснована экономическая целесообразность применения АУМ в доочистке воды.

Инновационная НИР по теме «Кондиционирование питьевой воды с применением модифицированного активированного угля» проведена в 2009-2011 гг. за счет средств гранта № ИН8-08 (сч.540) СПбГАСУ. Научные исследования по теме «Поиск перспективных методов обработки воды» проведены по договору №03Ф-09-1/10 от 14.12.2010 г. с ЗАО «Аквапатент». НИР по теме «Регенерация активированного угля, модифицированного фуллеренами, применяемого для кондиционирования водопроводной воды» проведены в 2010 г. по договору с Комитетом по науке и высшей школе г.Санкт-Петербурга.

Подана заявка на патент №2012113161/05(019859) от 05.04.2012 года.

Разработанная технология доочистки воды с применением АУМ внедрена ООО «ТЕХНО-ЭКО», г.Санкт-Петербург, научно-инженерным центром «ПОТЕН-ЦИАЛ-2», г.Санкт-Петербург.

Результаты диссертационной работы использованы кафедрой «Химической технологии материалов и изделий сорбционной техники» СПбГТИ (ТУ) в учебном процессе.

Достоверность научных положений, выводов и рекомендаций обоснована применением классических положений теоретического анализа и моделирования исследуемых процессов; подтверждена экспериментальными исследованиями по стандартным методикам с использованием сертифицированного лабораторного оборудования и приборов, обеспечивающих требуемую точность и надежность результатов измерений; обеспечена использованием математических методов обработки экспериментальных данных с применением табличного процессора Microsoft Excel-2010.

Апробация работы. Основные положения диссертаций докладывались и обсуждались на: конференции профессоров, преподавателей, научных работников, инженеров и аспирантов СПбГАСУ (Санкт-Петербург, 2010 г.); 63-й международной научно-технической конференции молодых ученых и студентов СПбГАСУ (Санкт-Петербург, 2010 г.); 64-й Международной научно-технической конференции молодых ученых и студентов СПбГАСУ, посвященной 300-летию со дня рождения М.В .Ломоносова (Санкт-Петербург, 2011 г.); международной научно-практической конференции ФГБОУ ВПО ПГУПС (Санкт-Петербург, 2013 г.).

Публикации. Материалы диссертации опубликованы в 9 печатных работах, в том числе 2 работы опубликованы в изданиях, входящих в перечень ведущих рецензируемых научных журналов, утвержденный ВАК РФ.

Структура и объем диссертационной работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав с выводами по каждой из них, общих выводов. Диссертация содержит 122 страницы машинописного текста, 10 таблиц, 29 рисунков, 9 формул, 19 приложений и список использованной литературы из 130 наименований работ отечественных и зарубежных авторов.

Во введении сформулирована проблема и обоснована актуальность проводимых исследований, сформулированы цель и задачи, научная и практическая значимости. . . . ........ .....

В первой главе представлен анализ существующих методов доочистки воды, обзор основ теории сорбционных процессов. Представлены данные о фуллере-нах и фуллеренсодержащих сорбентах, а также схема модифицирования активированных углей фуллеренами.

Во второй главе представлены результаты поисковых исследований доочистки водопроводной воды АУМ; схема лабораторной фильтрационной установки. Показана недостаточная по сравнению с березовыми углями эффективность модифицирования кокосовых углей фуллеренами.

В третьей главе представлены результаты продолжительного фильтроцик-ла по обработке воды исходным и модифицированным фуллеренами березовым углем; результаты регенерации АУМ; а также исследований бактерицидного эффекта АУМ.

Четвертая глава работы посвящена анализу полученных экспериментальных данных, оценке эффективности применения АУМ в доочистке водопроводной воды.

II. ОСНОВНЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ И РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВАНИЙ ДИССЕРТАЦИИ, ВЫНОСИМЫЕ НА ЗАЩИТУ

1.Впервые проведены цикличные исследования модифицированных сорбентов различных марок при доочистке водопроводной воды; определена эффективность их работы; получены данные, позволяющие определить зависимости технологических параметров фильтрационной доочистки водопроводной воды АУМ.

Наиболее эффективными для удаления из воды молекулярно-растворимых веществ являются адсорбционные методы. С момента открытия фуллеренов в конце XX века в сорбционной технике созданы новые, фуллеренсодержащие материалы. Фуллерены являются молекулярными соединениями, принадлежащими к классу аллотропных форм углерода. Они представляют собой замкнутые сферы (С60) или сфероиды (С70, С84). В вершине каждого пяти- и шестичленника находятся атомы углерода. Из ряда фуллеренов наибольший интерес представляют молекулы С60, имеющие наибольшую симметрию, и потому наибольшую стабильность. Одним из способов повышения сорбционной емкости материалов является введение в их состав фуллеренов.

Д ля определения марки наиболее эффективного в доочистке водопроводной воды АУМ совместно с коллективом СПбГТИ(ТУ) проводилось модифицирование опытных образцов активированных углей. При выборе активированного угля для проведения исследований учитывались требования, предъявляемые к углям, применяемым в доочистке питьевой воды. В водоподготовке широко применяются березовый активированный дробленый уголь марки БАУ-А и кокосовый уголь. Для производства березового активированного угля применяется местное сырье.

Уголь марки БАУ-А и кокосовый уголь были выбраны для модифицирования фуллеренами и сравнительных исследований исходных и модифицирован-

ных углей одного типа и из одной партии. Производителем и поставщиком угля БАУ-А являлся ООО «Сорбент», г.Пермь, со следующими характеристиками: удельная поверхность 8уд=800 м2/г, объем микропор 4^=0,22 см3/г, объем мезо-пор Уме=0,14 см3/г, предельный объем сорбционного пространства Ws=0,36 см3/г.

Для модифицирования активированных углей был применен экстракт фул-леренов С5, представляющий собой смесь фулперенов С60(89 % масс.), С70 (10 % масс.) и высших фуллеренов (1 % масс.), удельная поверхность которого составляет 3 м2/г. В работе использовались фуллерены производства ОАО «ИЛИП» (г. Санкт-Петербург). Введение фуллеренов в состав исходных активированных углей проводили с использованием водного раствора фуллеренов заданной концентрации, стабилизированного краун-эфиром. Количество вводимого краун-эфира составляло 2 г на 1 кг активированного угля. Удаление стабилизатора из исходного активированного угля осуществлялось в воздушной среде при температуре 170 °С (температура кипения краун-эфира 135 °С) в течение 1 ч.

Для проведения исследований использовалась лабораторная фильтрационная установка, созданная в лаборатории очистки воды кафедры водоснабжения СПбГАСУ. Схема установки приведена на рис. 1.

Обязательным условием исследований было обеспечение одинаковых режимов фильтрации в колонках, аналогичных друг другу как по площади, так и по высоте фильтрующего слоя. В процессе фильтрования воды периодически производились одновременные отборы проб объемом 300 мл. В качестве контролируемых показателей исходной и очищенной воды были приняты наиболее характерные и оперативно определяемые показатели: рН, железо общее (Ре, мг/л), окис-ляемость перманганатная (Ок, мг/л) и цветность водопроводной воды (Ц, град).

На лабораторной фильтрационной установке было проведено два фильтро-цикла по сравнению доочистки водопроводной воды на колонках с исходным кокосовым углем (АУК0К0С) и кокосовым углем, модифицированным фуллеренами (АУМкокос), дискретно по 4 часа в день, при этом общая продолжительность каждого фильтроцикла составляла 16-20 часов. Конец фильтроцикла определялся ухудшением качества очищенной воды, в частности, когда прекращалось обесцвечивание воды. После каждого фильтроцикла проводилась обратная промывка колонок с углями. Эффективность очистки определялась по формуле: Эоч=(Сисх-Соч)/Сисх-100, %; где Эоч - эффективность очистки нормируемого вещества; Сисх - концентрация вещества перед подачей на фильтрующую колонку; Соч -концентрация вещества после обработки на фильтрующей колонке.

Приоритетными в работе были исследованиями очистки водопроводной воды модифицированным древесным активированным углем из местного сырья. Проводились исследования березового активированного угля марки БАУ-А (поставщик ООО "Сорбент"). На стадии поисковых исследований для оперативного получения опытных данных эффективности применения модифицированного фуллеренами березового активированного угля (АУМбер) предусматривалось фильтрование на колонках со скоростью - 2,5 м/ч и 1,5 м/ч. Было проведено 3 фильтроцикла, общая продолжительность каждого фильтроцикла составляла

20-22 часа. Усредненные результаты проведенных фильтроциклов представлены в табл. 1.

из бодопробода

Рис. I. Схема фильтрационной установки: 1 - фильтрационная колонка 043 мм, 11=600 мм с АУМ; 2 - фильтрационная колонка 043, мм Ь=600 мм с АУисх;

3 - переливная труба; 4 - штатив; 5 - загрузка активного угля Ь=320 мм;

6 - поддерживающий слой из кварцевого песка 11=50 мм; 7 - подача воды при промывке; 8 - отбор проб

Результаты исследования доочистки водопроводной воды показали, что, как правило, качество исходной водопроводной воды не соответствует требованиям СаНПиН 2.1.4.1074-01. Питьевая вода. При этом следует отметить, что рассматриваемые показатели качества водопроводной воды в европейских странах значительно жестче российских. По этой причине необходима доочистка водопроводной воды перед непосредственной подачей к потребителю. Было установлено, что фильтрация исходной воды на активированных кокосовых и березовых углях, в т.ч. модифицированных фуллеренами, позволяет получать воду питьевого качества. При этом результаты исследования доочистки водопроводной воды на ДУМ™' и АУ^'исх показали недостаточную по сравнению с березовыми углями эффективность модифицирования кокосовых углей фуллеренами. Причина этого заключается в наличии в структуре кокосовых углей большого количества микропор, забиваемых при модифицировании молекулами фуллеренов. В целом, при проведении коротких фильтроциклов по доочистке водопроводной воды на АУМбер и АУ&Р, АУМ61* эффективнее в доочистке в среднем на 12-15 %. Также

исследования доочистки на исходных и модифицированных коксовых и березовых активированных углях показали неэффективность обычной обратной промывки активированных углей.

Таблица 1

Сводные показатели качества воды, обработанной кокосовым и березовым исходным и модифицированным активным углем

Проба воды Усредненные показатели качества воды

железо общее, мг/л окисляемость, мг/л цветность, град

исходная водопроводная вода 0,23 - 0,65 3,2 - 4,6 10,0 - 29,3

вода, обработанная АУК0К0С 0,005 0,74 7,80

вода, обработанная АУМКОКОС 0,10 0,91 7,00

вода, обработанная АУЬерез 0,04 3,70 11,20

вода, обработанная АУМь<рез 0,005 2,50 7,40

Для определения эффективности работы березового модифицированного активированного угля в режиме реального водопотребления был проведен продолжительный фильтроцикл по обработке воды АУМ&Р и АУ6*9. Фильтрование производилось со скоростью 2,5 м/ч. Общий объем воды, обработанной на колонках с АУМ6®" и АУбср без замены сорбента, составил 4265 л, при этом общая продолжительность фильтроцикла была 1175 ч. Получены результаты содержания железа, цветности и окисляемости исходной воды и воды, обработанной АУМ^р и АУ&р. Графически представлены данные, а также зависимости эффективности очистки по содержанию железа, цветности и окисляемости исходной воды и воды, обработанной АУМ6^ и АУбер. Так, на рис. 2 показана зависимость эффективности очистки воды по цветности на АУМ6^ и АУ6е1>.

Результаты, полученные при проведении фильтроциклов по обработке исходной водопроводной воды АУМ6ер, позволили определить осредненные показатели эффекта очистки воды по окисляемости при высоте фильтрующего слоя 320 мм и скорости фильтрования 2,5 м/ч.

На основании полученных данных по методу экспертных оценок определен также эффект очистки исходной воды по окисляемости при различной высоте фильтрующего слоя и различных скоростях фильтрования. На рис. 3 графически представлена зависимость эффективности очистки на АУМбер от скорости фильтрования при различной высоте фильтрующей загрузки.

Так как грязевые нагрузки исходной обрабатываемой воды невелики, для проведения очистки модифицированными фуллеренами активированными углями, достаточно время контакта воды с сорбентом, меньшее, чем принятое в традиционной фильтрационной обработке воды. При этом эффективное время работы модифицированного фуллеренами активированного угля определяется предъявляемыми требованиями к качеству обработанной воды.

100

э-о СО

40

V

л 1

■ г й \ к / / \

¡Л* > \ ^ \ к . / ч

V

вода, обраб. —- АУМ -•- вода, обраб. АУ

500

1000 1500 2000

2500 3000 3500 4000 4500 Объем обработанной воды, л

Рис. 2. График зависимости эффективности очистки воды по цветности АУМ&Р и АУ^исх

V, м/ч

Рис. 3. Эффективность очистки исходной воды по окисляемости на АУМ64" при различной высоте фильтрующей загрузки и скорости фильтрования

На рис. 4 представлены полученные по методу экспертных оценок зависимости продолжительности фильтроцикла от скорости фильтрования и время контакта обрабатываемой воды с модифицированным фуллеренами активированным углем.

. У=2м/ч

■ У=3м/ч У=5м/ч

■ У=8м/ч У=10м/ч

Рис. 4. Продолжительность фильтроцикла при обработке исходной воды АУМ&Р при различной скорости фильтрования и времени контакта воды с АУМ&Р

Аппроксимация зависимостей технологических параметров доочистки водопроводной воды на фильтрах с активированным углем, модифицированным фуллеренами, производился в стандартном пакете Ехсе1-2010. Построение линий тренда и выбор вида функций (линейная; логарифмическая; полиномиальная 2-й степени; полиномиальная 3-й степени; степенная; экспоненциальная) проводились с учетом коэффициента детерминации.

В работе в графическом виде представлены линии тренда зависимости эффекта очистки воды по окисляемости на АУМ6^ от скорости фильтрования и высоты фильтрующей загрузки при различных видах функций и указаны функциональные зависимости и соответствующие им коэффициенты детерминации. Расчеты показали, что для полиномиальной функции 3-й степени коэффициент детерминации Я2=1. Зависимость эффекта очистки исходной воды по окисляемости на АУМг>ер при различной высоте фильтрующей загрузки и скорости фильтрования имеет вид (1):

у = -0,083х3 + 1,417х2 - 10,667х + 86,333 у = -0,029х3 + 0,604х2 - 7,758х + 91,333 у = -0,089х3 + 1,778х2 - 14,311х + 107,220 у = -0,069х3 + 1,431 х2 - 12,306х + 110,440 у = -0,099х3 + 2,035х2 - 16,064х + 119,780

(для Ь=0,32 м) (для Ь=0,50 м) (для Ь=1,00 м) (для Ь=1,50 м) (для Ь=2,0 м)

0)

где у - эффект очистки по окисляемости на АУМ6ер, %; х - скорость фильтрования, м/ч.

Аналогично были проанализированы зависимости продолжительности филь-троцикла от скорости фильтрования и времени контакта обрабатываемой воды с модифицированным фуллеренами активированным углем при различных видах функций. Также для полиномиальной функции 3-й степени коэффициент детерминации Я2=1. Получено, что зависимость продолжительности фильтро-цикла от скорости фильтрования и времени контакта обрабатываемой воды с АУМ641 выражается по формулам (2):

у = 0,083х3 - 4,Ох2 + 72,917х - 243,0 (для У=2 м/ч)

у = 0,059х3 - 3.189Х2 + 65,264х - 260,60 (для У=3 м/ч)

у = 0,018х3 - 1,525х2 + 46,782х - 319,14 (для У=5 м/ч)

у = 0,010х3- 1,183 IX2+ 49,404х-542,47 (для У=8 м/ч)

у = 0,004х3 - 0,55^ + 26,911х - 329,43 (для У=10 м/ч)

(2)

где у - продолжительность фильтроцикла на АУМбер, ч; х - время контакта обрабатываемой воды с АУМ6ер, ч.

2. Разработана оригинальная методика регенерации АУМ с применением окислителя, позволяющая максимально использовать сорбционную емкость АУМ.

При проведении продолжительного фильтроцикла на колонках с АУМбер в качестве пробной регенерации после фильтрования на колонках 3500 л воды была проведена химическая регенерация щелочью КОН 40 %. Результаты показали, что проведенная регенерация щелочью на эффективность очистки влияния практически не оказала. Для регенерации активных березовых углей с целью восстановления их сорбционной емкости был применен окислитель гипохлорит натрия, вводимый в воду перед подачей на колонки с адсорбентами. Доза активного хлора в воде с гипохлоритом натрия для регенерации определялась экспериментально. Для этого через колонки с АУМ64" и АУ6ер было пропущено 160 л исходной водопроводной воды с линейной скоростью 2,5 м/ч для снижения сорбционной емкости углей.

Снижение эффекта очистки по окисляемости до 30 % свидетельствовало о необходимости проведения регенерации; затем адсорбенты обрабатывались гипохлоритом натрия с заданной дозой активного хлора; после чего производилась обратная промывка колонок. Доза активного хлора варьировалась от 1 мг/л до 70 мг/л. Применение окислителя с малыми дозами активного хлора не оказали влияния на сорбционную емкость загрузки. Показатели качества обрабатываемой воды после регенерации АУМ6ер и АУ6ер позволили установить, что только после обработки колонок с углями водным раствором гипохлорита натрия с дозой активного хлора 70 мг/л, удалось добиться снижения цветности в водопроводной воде в режиме сорбции по сравнению с результатами ранее проведенных исследований. На рис. 5 и 6 графически представлены результаты исследований эффективности доочистки воды по цветности и содержанию железа общего.

О 50 100 150 200 250 300 350 400 »50

^ вода, обраб.АУМ объем обработанной воды, л

вода, обраб.АУ

Рис. 5. Эффективность очистки по цветности воды, обработанной АУМ&Р и АУ&рисх

-*- вода, обраб.АУМ Объем обработанной воды, л

—вода, обрабАУ

Рис. 6. Эффективность очистки по железу общему в воде, обработанной АУМ&Р

и АУ&рисх

Снижение эффективности очистки, получаемое при пропускании воды с гипохлоритом натрия через фильтрующие колонки, обусловлено окислением гуматов и других органических соединений, задержанных в порах углей на стадии сорбции и их выбросом в фильтрат, что, по сути, является регенерацией отработанных на стадии сорбции углей. Показано, что применение гипохлорита натрия в «классической» окислительно-сорбционной схеме обработки воды является менее эффективным, чем применение этого же реагента для регенерации углей периодически в больших дозах и кратковременно.

3. Установлены бактериологические показатели (общее микробное число; общие колиформные бактерии; термотолерантные колиформные бактерии; споры сульфитредуцирующих клостридий; колифаги) качества воды, обработанной АУМ.

Известно, что активированные угли представляют собой богатую питательную среду для микроорганизмов, что является причиной невозможности длительного использования углей для доочистки питьевой воды. Вместе с тем, есть данные о наличии бактерицидных свойств фуллеренов. Для определения эффекта очистки воды АУ6ср и АУМ64" от возможных бактериальных загрязнений проводилось исследование по следующей методике: в исходную водопроводную воду вводился заранее приготовленный раствор, содержащий кишечную палочку; после перемешивания вода подавалась на фильтровальные колонки. Через каждую колонку пропускалось по 5 л воды, содержащей кишечную палочку, затем отбирались пробы, исследуемые кафедрой сорбентов СПбГТУ. Результаты бактериологического анализа (КОЕ), проведенного СПбГТУ: исходная вода —100 шт/л; вода после АУ^исх - 460 шт/л; вода после АУМ6®" - 5 шт/л.

Также для исследований бактерицидного эффекта АУМ был смоделирован цикл водоочистки: в качестве исходной обрабатываемой воды использовалась вода из реки Фонтанки объемом 30 л, содержащая большое количество бактериальных загрязнений; перед подачей воды на колонки с АУМ®41 и АУ&Р исходная вода была обработана коагулянтом (А12(804)3) и отфильтрована. Содержание бактерий в пробах воды определялось специализированной лабораторией ЗАО "Центр исследования и контроля воды".

В качестве нормируемых бактериологических показателей были выбраны показатели по СанПиН 2.1.4.1074-01: общее микробное число; общие колиформные бактерии; термотолерантные колиформные бактерии; споры сульфитредуцирующих клостридий; колифаги. Для определения бактериальных загрязнений были отобраны пробы: исходной воды из открытого источника; исходной воды, обработанной коагулянтом и отфильтрованной; воды, обработанной коагулянтом, отфильтрованной и обработанной на колонке с АУМбер; воды, обработанной коагулянтом, отфильтрованной и обработанной на колонке с АУбер. Полученные результаты бактериологических исследований подтвердили наличие бактерицидных свойств у АУМ641, при этом следует отметить, что обработка воды на АУ6ер приводит к значительному росту колоний колиформных бактерий, количество которых не поддается определению.

Исследования подтвердили нестабильность качества водопроводной воды и необходимость ее доочистки; показали высокую эффективность использования модифицированных фуллеренами активных углей для доочистки водопроводной воды, загрязненной вследствие прохождения по водопроводным трубам низкого качества, превышающая эффективность доочистки на исходных углях до 30 % по цветности, содержанию железа и окисляемости. Установлено, что регенерация активных углей с применением водных растворов гипохлорита натрия увеличивает их сорбционную активность на 25 %, при этом эффективность очистки водопроводной воды после регенерации гипохлоритом натрия с дозой активного хлора 70 мг/л для модифицированных фуллеренами углеродных адсорбентов на 15 — 20 % выше, чем для исходных углей. Также подтверждено наличие бактерицидных свойств у АУМ по сравнению с АУ, при этом обработка воды на последних приводит к значительному росту колоний колиформных бактерий, количество которых не поддается определению. Наличие у АУМ ярко выраженных бактерицидных свойств позволяет рассматривать их как альтернативу импрегни-рованному серебром активному углю.

4. Предложена технологическая схема доочистки с применением АУМ, подтверждена экономическая целесообразность применения АУМ.

В работе представлена принципиальная (рис. 7) и технологическая схемы установки доочистки водопроводной воды с применением АУМ производительностью 1 м3/ч (рис. 8).

Технологическая схема установки доочистки производительностью 1 м3/ч предусматривает подачу воды из водопроводной сети через водомер (3) по трубопроводам из полипропиленовых труб (14) в напорный фильтр с АУМ (6).

Габаритные размеры фильтра определялись на основании производительности установки и скорости доочистки в пределах до 5 м/ч. Так, для заданной производительности установки доочистки подобран фильтр высотой 1721 мм, диаметром 555 мм, высота загрузки АУМ Ь=1,2 м. Площадь фильтрующей поверхности для выбранного фильтра составит: Рф=т12/4=0,2418 м2. Тогда скорость фильтрования составит: У=(3/Рф=4,1 м/ч.

к

Рис. 7 Принципиальная схема многоцелевой фильтровальной установки: 1 - напорный фильтр с загрузкой АУМ; 2 - бак доочищенной воды; 3 - бутыль с реагентом (гипохлорит натрия); В1 — холодный водопровод; К - канализация;

Р - реагент

Рис. 8. Схема установки доочистки водопроводной воды производительностью 1 м3/ч: 1 - бак доочищенной воды; 2 - насос погружной; 3 - водомер (2шт); 4 - бутыль с реагентом (гипохлорит натрия); 5 — насос-дозатор (микродозатор); 6 - напорный фильтр с загрузкой АУМ; 7 - манометры образцовые (2шт); 8,8*- ротаметр (2шт); 9 — датчик уровня (Зшт); 10 — насос погружной промывки фильтра; 11 — вентиль регулирующий; 12 - вентиль с электроприводом (2шт); 13 - пробоотборник (краны шаровые, 2шт); 14 - трубы полипропиленовые; К - канализация; Р — реагент

Из фильтра с АУМ предусмотрена подача доочищенной воды в бак дочищенной воды (1), откуда вода с помощью погружного насоса (2) подается к конечному потребителю.

Для возможности регенерации АУМ схемой многоцелевой фильтровальной установки предусмотрена подача насосом-дозатором (5) реагента из бутыли с гипохлоритом натрия (4). Производительность насоса-дозатора определяется по формуле (3):

0„Ло™ДД104ьр24Рр), (3)

где С2полн — полная производительность установки, м3/сут; Д^ - доза гипохлорита натрия, ^=70 г/м3; Ьр - концентрация раствора гипохлорита натрия, %; рр - плотность раствора гипохлорита натрия, т/м3.

Производительность насоса-микродозатора определялась для 25 % раствора гипохлорита натрия плотностью 1,574 г/м3 и составила (2яд=0,2 л/ч.

Подача воды из водопроводной сети предусмотрена в автоматическом режиме, по сигналу к вентилю с электроприводом (12) от датчика уровня в баке дочищенной воды (9). Также в автоматическом режиме осуществляется промывка фильтра - по сигналу от водомера к погружному насосу промывки фильтра с АУМ (10). Расход на обратную промывку фильтра для принятого автоматического клапана при давлении 1 бар составляет 8,0 м3/ч. Продолжительность одной

обратной промывки согласно данным завода-изготовителя клапана 10 мин. Тогда объем воды на одну промывку составиляет: \Упр=8-10/60=1,33 м3.

Так как в баке доочищенной воды, являющемся также источником воды на промывку, должен единовременно храниться объем на две промывки, минимальный объем бака дочищенной воды составляет \УшЬ=2-1,33=2,66 м3. К установке принят бак дочищенной воды объемом 3,0 м3. При промывке фильтра и переливе в баке доочищенной воды предусмотрен сброс воды в канализацию (К). До и после напорного фильтра устанавливаются манометры (7) для контроля давления в системе. Для определения качества исходной и доочищенной воды предусмотрена установка пробоотборников (13) до и после напорного фильтра с АУМ.

Спецификация оборудования для установки доочистки производительностью 1,0 м3/ч представлена в табл. 2.

Таблица 2

Перечень оборудования установки доочистки водопроводной воды производительностью 1,0 м3/ч

№ Наименование Тип, марка

1 бак доочищенной воды Aquatech 0-16-2120, Н=1860 мм, D=1525mm, V=3m3

2 насос погружной НВТ-360 с термозащитой с нижним забором воды (типа «Малыш») Q=l,08 м3/ч

3 счетчик холодной воды СХВ-15 dyl5

4 контейнер-резервуар полиэтилен. Двустеночный (с аварийным поддоном) ВСТ У=60л

5 насос-дозатор Seko РЕ-1,5.1,5 (dynamic time) Qmax=l,0 л/ч

6 напорный фильтр Canature2162/F75B1; Н=1721мм;О=555мм;У=344л;0=1м3/ч

7 манометры образцовые -

8,8* ротаметр поплавковый LZS-25 типа «трубка»

9 датчик уровня FS8-35-1-M-PVD, 70Вт

10 насос погружной промывки фильтра AL-KO SUB 15001, Qmax=l 1,5 м"7ч, Н=10 м; N=550Bt

11 вентиль регулирующий dy25

12 вентиль с электроприводом dy25

13 кран шаровый dyl5

14 трубопровод из пп труб dy25 Ekoplastik PPR PN10 32x3,0

15 трубопровод из пп труб dy 15 Ekoplastik PPR PN10 20x2,3

16 обратный клапан dy25

Аналитическая зависимость для запроектированной установки производительностью 1,0 м3/ч имеет вид:

Эок=-0,111У2+2,222УМ6,889У+113,780=74,23 %.

Продолжительность фильтроцикла определяется как: Тф = 0,05413 - 3,67812 + + 86,34Н- 499,75;

1=11^=1,2/4,1-60=17,5 мин.

Тф =0,054-17,53-3,678-17,52+86,341-17,5-499,75=175 ч.

Для установки доочистки производительностью 1,0 м3/ч объем обработанной воды с эффектом очистки по окисляемости не менее 74,23 %, составляет: >У=<3*Т =1-175=175 м3.

Общий объем воды, доочищенной за время работы АУМ (включая межреге-нерационные периоды), определяется по формуле: = 2,155\У=2,155(ЗТф;

ПОЛИ ' ' ^ т

где <3 - производительность установки доочистки с загрузкой АУМ; Тф - продолжительность фильтроцикла (до первой утилизации АУМ).

Объем воды, дочищаемой за время работы АУМ на установке доочистки производительностью 1,0 м3/ч, составляет: ^У'полн=2,155-1,0-175=377,1 м3.

Для оценки экономической целесообразности применения модифицированных фуллеренами березовых активированных углей для доочистки водопроводной воды произведен расчет капитальных и эксплуатационных расходов при до-очистке исходной водопроводной воды на установке производительностью 1,0 м3/ч. Расценки для расчета приняты среднерыночные для г.Санкг-Петербурга по состоянию на март 2013 г. Общие расходы на доочистку рассчитаны как сумма капитальных, эксплуатационных затрат, а также непредвиденных расходов (ремонт и замена оборудования): Цдум=К+1,02Э; где Цдум - общие затраты на доочистку воды на установке с использованием АУМ, руб; К-капитальные затраты, руб; Э - эксплуатационные затраты, руб; 1,02 - коэффициент, учитывающий непредвиденные эксплуатационные расходы (2 % от Э).

Общие затраты на производство 377,1 м3 доочищенной воды составят: Цдум=266 472 руб. Приняв срок эксплуатации установки доочистки с АУМ равным 5 лет, а время работы установки 6 ч/сут, общее количество фильтроциклов составит 62, общий объем обработанной воды=62-377,1=23 380 м3. Общая стоимость доочищенной воды определяется по формуле (4):

Цо6ш=(К-А)+(1,02Э+А)Ф, (4)

где Ц^—общие затраты на доочистку воды на установке с использованием АУМ в течение всего срока эксплуатации установки, руб; А - стоимость загрузки АУМ для установки доочистки, руб; Ф - количество фильтроциклов на АУМ в течение всего срока эксплуатации установки (в качестве одного фильтроцикла обработка воды на АУМ в промежутках между угилизациями АУМ). Тогда Ц^б 292 574 руб.

Следовательно, себестоимость 1 м3 воды, обработанной на установке доочистки с загрузкой АУМ, при работе установки в течение 5 лет, составляет 269 руб/м3.

Для определения экономического эффекта применения модифицированного активированного угля определена также себестоимость 1 м3 воды, обработанной на установке по схеме, представленной на рис. 8, с загрузкой АУ. Объем воды, обработанной в течение одного фильтроцикла до полной утилизации АУ, определяется по формуле (5):

™пата,АУ=2,155С>ТфАу (5)

^полнДу=2,155-1-131=282 М3.

Приняв в расчете срок эксплуатации установки доочистки с АУ также 5 лет, время работы установки 6 ч/сут, получено общее количество фильтроциклов=83, общий объем обработанной воды=23 404 м3.

Общая стоимость дочищенной на установке с АУ воды определяется как: Ц^ =(225 643-48 300) + (40 028-1,02+48 300)83=7 575 014 руб.

Щ Себестоимость 1 м3 воды, обработанной на установке доочистки с загрузкой АУ, составляет 324 руб/м3.

Таким образом, себестоимость воды, обработанной на установке доочистки производительностью 1,0 м3/ч с применением АУМ, при общем времени эксплуатации установок 5 лет, на 20,4 % ниже себестоимости 1 м3 воды, дочищенной на аналогичной установке с загрузкой АУ.

Общие выводы

1. Разработана технология исследования АУМ, основанная на лабораторных сравнительных анализах исходного и модифицированного угля в одинаковых условиях.

2. Результаты исследований показали, что для доочистки воды модифицирование фуллеренами наиболее целесообразно для березовых активированных углей, имеющих крупнопористую структуру.

3.Установлено, что применение модифицированного фуллеренами активированного березового угля для доочистки водопроводной воды позволяет увеличить до 30% эффективность очистки по цветности, содержанию железа и окис-ляемости по сравнению с исходным углем.

4. Разработана оригинальная методика периодической регенерации активированного угля, модифицированного фуллеренами, заключающаяся в применении водных растворов гипохлорита натрия с дозой активного хлора 70 мг/л при снижении эффекта очистки исходной воды по окисляемости до 30 %. При этом исследования показали, что регенерация гипохлоритом натрия для модифицированных фуллеренами углеродных адсорбентов на 15-20 % выше, чем для исходных углей.

5.Изучены бактерицидные свойства активированного угля, модифицированного фуллеренами, при доочистке водопроводной воды. Подтверждено наличие бактерицидных свойств у АУМ по сравнению с АУисх, так же показано, что обработка исходной воды на последних приводит к значительному росту колоний колиформных бактерий, количество которых не поддается определению.

6. Получены аналитические зависимости технологических параметров доочистки водопроводной воды на фильтрах с активированным углем, модифицированным фуллеренами.

7.Разработана технологическая схема доочистки водопроводной воды на фильтрах с активированным углем, модифицированным фуллеренами. Произведена оценка применения модифицированных фуллеренами активированных углей в доочистке питьевой воды; определена себестоимость 1 м3 водопроводной

воды, доочищенной на АУМ и АУ; обоснована целесообразность применения АУМ для доочистки водопроводной воды.

III. ОСНОВНЫЕ НАУЧНЫЕ ПУБЛИКАЦИИ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИОННОГО ИССЛЕДОВАНИЯ: публикации в периодических научных изданиях, рекомендованных ВАК РФ:

1.Грун, H.A. Исследование активированного угля, модифицированного фул-леренами, применяемого для кондиционирования водопроводной воды / А.Н. Ким, H.A. Грун // Вестник гражданских инженеров. - 2010. - №2(23) - С.146-150 (0,9 п.л./0,8 п.л.).

2. Грун, H.A. Модифицирование активных углей фуллеренами и их исследование в процессах кондиционирования водопроводной воды в режиме сорбция-регенерация / Самонин В.В., Никонова В.Ю., Ким А.Н., Грун H.A. // Известия СПбГТУ. - 2010. - №8(34) - С.77-80 (0,9 пл./0,3 п.л.).

публикации в других изданиях:

3.Грун, H.A. Доочистка водопроводной воды фильтрованием через модифицированный фуллеренами березовый активированный уголь / А.Н. Ким, H.A. Грун //Материалы международной научно-практической конференции, проведенной в ПГУПСе 23 апреля 2013 года. - 2013. - С.19-21 (0,5 п.л./0,3 п.л.).

4. Грун, H.A. Схемы регенерации модифицированного активированного угля / H.A. Грун // Материалы 64 Международной научно-технической конференции молодых ученых СПбГАСУ.-2011.-С.241-243 (0,3 п.л./0,3 п.л.).

5. Грун, H.A. Лабораторные исследования активированного угля марки БАУ-А, модифицированного фуллеренами, применяемого для кондиционирования водопроводной воды / А.Н. Ким, H.A. Грун // Материалы 67 научной конференции профессоров, преподавателей, научных работников, инженеров и аспирантов СПбГАСУ. - 2010. - С.42-46 (0,6 п.л./0,3 пл.).

6. Грун, H.A. Особенности определения показателей качества воды при доо-чистке активированным углем, модифицированным фуллеренами / H.A. Грун, Н.Д. Овсянникова, А.И. Николаева // Материалы 63 научной конференции студентов СПбГАСУ. - 2010. - С.37-39 (0,3 п.л./0,1 п.л.).

7. Грун, H.A. Проблемы кондиционирования водопроводной воды, пути их решения / Н.А.Грун, А.Н.Ким // Науковий вюник буд1вництва. — 2010. С.264-270 (0,9 п.л./0,7 пл.).

8. Грун, H.A. Результаты по доочистке водопроводной воды на фильтрах с березовым активированным углем, модифицированным фуллеренами / А.Н. Ким, H.A. Грун // Технологии мира. - 2013. - №02(50) - С.37-39 (0,7 п.л./0,5 пл.).

9. Грун, H.A. Дообработка водопроводной воды на фильтрах с сорбционной загрузкой, модифицированной фуллеренами / А.Н. Ким, C.B. Мурашев, H.A. Грун // Материалы конференции, посвященной памяти академика РАН и PA ACH Сергея Васильевича Яковлева - 2010. - С.68-81 (0,4 п.л./0,2 пл.).

Компьютерная верстка И. А. Яблоковой

Подписано к печати 09.09.13. Формат 60x84 1/16. Бум. офсетная. Усл. печ. л. 1,2. Тираж 120 экз. Заказ 99. Санкт-Петербургский государственный архитектурно-строительный университет.

190005, Санкт-Петербург, 2-я Красноармейская ул., 4. Отпечатано на ризографе. 190005, Санкт-Петербург, 2-я Красноармейская ул., 5.

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Санкт-Петербургский государственный архитектурно-строительный университет»

Грун Надежда Аркадьевна

ДООЧИСТКА ВОДОПРОВОДНОЙ ВОДЫ АКТИВИРОВАННЫМ УГЛЕМ, МОДИФИЦИРОВАННЫМ ФУЛЛЕРЕНАМИ

05.23.04 - Водоснабжение, канализация, строительные системы охраны водных ресурсов

04201363293

На правах

Диссертация

на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель:

доктор технических наук, профессор Ким А.Н.

Санкт-Петербург-2013 г.

ОГЛАВЛЕНИЕ

ОСНОВНЫЕ ОБОЗНАЧЕНИЯ И СОКРАЩЕНИЯ....................................................6

ВВЕДЕНИЕ..................................................................................................................................................................................................7

ГЛАВА 1 АНАЛИТИЧЕСКИЙ ОБЗОР................................................................................................................13

1.1 Дообработка водопроводной воды....................................................................................................................13

1.1.1 Способы дообработки питьевой воды..........................................................................................................13

1.1.2 Адсорбция загрязнений из питьевой воды ....................................................................................15

1.1.3 Сорбенты, применяемые для дообработки питьевой воды,

их основные свойства................................................................................................................................................................................20

1.1.4 Активированные угли в доочистке воды..............................................................................................22

1.1.5 Модифицированные адсорбенты в доочистке воды............................................................25

1.2 Фуллерены и фуллеренсодержащие материалы..........................................................................27

1.2.1 Свойства фуллеренсодержащих материалов..................................................................................27

1.2.2 Получение адсорбентов, модифицированных фуллеренами..........................30

1.3 Цель и задачи работы....................................................................................................................................................................37

ГЛАВА 2 ПОИСКОВЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ПРОЦЕССА ДООЧИСТКИ ВОДОПРОВОДНОЙ ВОДЫ АКТИВИРОВАННЫМ

УГЛЕМ, МОДИФИЦИРОВАННЫМ ФУЛЛЕРЕНАМИ......................................38

2.1 Применение модифицированных сорбентов для очистки воды..........................38

2.1.1 Модифицированные сорбенты в очистке водных сред................................................38

2.1.2 Выбор активированного угля для проведения исследований

по доочистке воды..........................................................................................................................................................................................42

2.2 Экспериментальная установка......................................................................................................................................43

2.2.1 Лабораторная установка для проведения исследований............................................43

2.2.2 Методика измерений. Погрешность............................................................................................................45

2.3 Лабораторные исследования доочистки водопроводной воды............................46

2.3.1 Проведение лабораторных исследований доочистки

водопроводной воды модифицированным активированным углем

из скорлупы кокосового ореха................................................................................................................................................46

2.3.2 Проведение лабораторных исследований очистки водопроводной Воды модифицированным древесным активированным углем..................... 49

2.4 Сравнение эффективности доочистки для разных

активированных углей....................................................................................... 55

2.5 Выводы по Главе 2.................................................................. 56

ГЛАВА 3 ДООЧИСТКА ПИТЬЕВОЙ ВОДЫ НА ФИЛЬТРАХ

С СОРБЦИОННОЙ ЗАГРУЗКОЙ, МОДИФИЦИРОВАННОЙ ФУЛЛЕРЕНАМИ, В РЕЖИМЕ СОРБЦИЯ-РЕГЕНЕРАЦИЯ............. 57

3.1 Проведение фильтроциклов для определения сорбционной емкости модифицированных фуллеренами активированных углей...................... 57

3.2 Пробная регенерация отработанных модифицированных

углей щелочью................................................................................................. 57

3.3 Регенерация отработанных модифицированных углей

гипохлоридом натрия........................................................................................ 58

3.4 Бактериологические исследования модифицированных фуллеренами активированных углей............................................................................... 62

3.5 Выводы по Главе 3................................................................... 66

ГЛАВА 4 АНАЛИЗ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ ДАННЫХ, РЕКОМЕНД АЦИИ ПО ИХ ПРИМЕНЕНИЮ И ОЦЕНКА

ЭФФЕКТИВНОСТИ В ДООЧИСТКЕ ВОДОПРОВОДНОЙ ВОДЫ .... 67

4.1 Обобщенные показатели экспериментальных данных,

их графическая интерпретация........................................................ 67

4.2 Аналитические зависимости технологических параметров доочистки водопроводной воды на фильтрах с активированным

углем, модифицированным фуллеренами...................................................... 71

4.3 Технологическая схема доочистки водопроводной воды на фильтрах

с активированным углем, модифицированным фуллеренам.................... 73

4.4 Определение себестоимости воды, доочищенной на установке

с модифицированным фуллеренами активированным углем..................... 80

ЗАКЛЮЧЕНИЕ .............................................................................................. 85

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ................................................................................ 87

Приложение А. ПАСПОРТ Уголь березовый активированный дробленый

марки БАУ-А по ГОСТ 6217-74 .......................................................... 99

Приложение Б. График ситового анализа березового

активированного дробленого марки Б АУ-А по ГОСТ 6217-74 .................. 100

Приложение В. Результаты исследований обработки воды АУМбер

и АУберисх (объем обработанной воды 4265 л).......................................... 101

Приложение Г. График зависимости содержания железа в исходной воде

и воде, обработанной АУМбер и АУберисх........................................... 103

Приложение Д. График зависимости цветности исходной воды

и воды, обработанной АУМбер и АУберисх........................................... 104

Приложение Е. График зависимости окисляемости исходной воды и воды,

обработанной АУМ6^ и АУберисх..................................................... 105

Приложение Ж. График зависимости эффективности очистки

воды по содержанию железа АУМбер и АУберисх........................................... 106

Приложение И. График зависимости эффективности очистки воды

по цветности АУМбер и АУберисх.................................................................. 107

Приложение К. График зависимости эффективности очистки воды

по окисляемости АУМбер и АУберисх............................................................ 108

Приложение Л. Бактериологические показатели качества исходной воды

из открытого источника (р.Фонтанка)....................................................... 109

Приложение М. Бактериологические показатели качества исходной воды,

обработанной коагулянтом и отфильтрованной на бумажном фильтре...... 110

Приложение Н. Бактериологические показатели качества воды,

обработанной коагулянтом, отфильтрованной и обработанной АУМ...... 111

Приложение П. Бактериологические показатели качества воды,

обработанной коагулянтом, отфильтрованной и обработанной АУисх...... 112

Приложение Р. Линии тренда зависимости эффекта очистки воды по окисляемости на модифицированных фуллеренами активированных углях от скорости фильтрования и высоты фильтрующей загрузки

при различных видах функций............................................................. 113

Приложение С. Линии тренда зависимости продолжительности фильтроцикла от скорости фильтрования и времени контакта обрабатываемой воды с модифицированным фуллеренами

активированным углем при различных видах функций................................ 116

Приложение Т. График обратной промывки напорного фильтра с загрузкой АУМ с автоматическим клапаном Б75 в зависимости

от напора, развиваемого насосом промывки.................................................... 119

Приложение У. Акт испытаний ФЦ ФЦСКЭ им.В.А.Алмазова 120

№376-А от 04.03.08 .......................................................................

Приложение Ф. Справка исх.№818 от 07.05.2013 ООО «ТЕХНО-ЭКО» об использовании НИР по доочистке водопроводной воды

активированным углем, модифицированным фуллеренами................... 121

Приложение X. Справка исх.№218 от 05.06.2013 о внедрении научно-инженерного центра «ПОТЕНЦИАЛ-2» .......................................... 122

ОСНОВНЫЕ ОБОЗНАЧЕНИЯ И СОКРАЩЕНИЯ

АУМ - активированный уголь, модифицированный

фуллеренами;

А У - активированный уголь исходный;

АУМсокос - кокосовый активированный уголь, модифицированный

фуллеренами;

А У0К0Сисх - исходный кокосовый активированный уголь;

- березовый активированный уголь, модифицированный фуллеренами;

А^^исх - исходный березовый активированный уголь;

Эоч - эффективность очистки нормируемого вещества; %

Сисх - концентрация вещества перед подачей на фильтрующую

колонку;

Соч - концентрация вещества после обработки на

фильтрующей колонке;

Ок - окисляемость перманганатная, мг/л

Ц - цветность, град

Ре - содержание железа общего, мг/л

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность исследований. Централизованная обработка воды в г.Санкт-Петербурге позволяет обеспечить на выходе технологического цикла качество воды, соответствующее принятым санитарным нормам. Однако наличие в водопроводной воде соединений железа, железобактерий и других загрязнений, формирующихся вследствие транспортировки по трубам, находящимся в неудовлетворительном техническом состоянии, высокий остаточный уровень вредных веществ, а также опасность занесения в воду патогенной микрофлоры являются причинами несоответствия качества водопроводной воды требованиям нормативных документов. Вследствие того, что конечный потребитель не всегда получает воду питьевого качества, целесообразна так называемая дообработка (доочистка) водопроводной воды. О целесообразности дообработки воды для целей питьевого водоснабжения в небольшом объеме (на порядок меньше принятой нормы водопотребления, составляющей в среднем 200 л на человека в сутки) говорилось на состоявшемся «Круглом столе», который назывался «Здоровье нации. Новые инициативы Роспотребнадзора и ГУЛ «Водоканал Санкт-Петербурга» в области водоснабжения населения».

Как правило, функцию дообработки водопроводной воды выполняют фильтры с сорбционной загрузкой, при этом наиболее эффективным являются активированные угли. Одним из направлений повышения сорбционной активности углеродных адсорбентов является введение в их состав модифицирующих добавок, характеризующихся специфическим электронным строением, что приводит к изменению электронного строения сорбентов и повышению их сорбционной активности. Известно, что введение фуллеренов в сорбенты приводит к значительному повышению их эффективности при поглощении растворенных в воде соединений. Помимо сорбционных свойств фуллерены обладают бактерицидными свойствами. Технология введения фуллеренов в активированные угли, разработанная в

СПбГТИ (Техническом университете), позволила получить новый сорбент — АУМ. Однако до настоящего момента не изучена возможность и эффективность практического применения АУМ для доочистки водопроводной воды, что делает данную работу актуальной.

Теоретическими основами работы стали исследования российских ученых, посвященных проблеме применения фуллеренов для модифицирования сорбентов: В.В. Самонина, M.JI. Подвязникова, В.Ю. Никоновой, Е.А. Спиридоновой, Е.М. Слуцкер, JI.H. Сидорова, A.A. Фомкина, В.И. Березкина, И.В. Викторовского и др.

Проведенный обзор существующих областей применения АУМ отражает недостаточную изученность эффективности использования АУМ в доочистке водопроводной воды. В качестве рабочей гипотезы выдвигается получение эффекта в результате применения АУМ в доочистке водопроводной воды по сравнению с исходным активированным углем.

Цель и задачи исследования.

Цель исследования - определение эффективности применения АУМ в доочистке водопроводной воды.

Объектом исследования является процесс сорбционной доочистки водопроводной воды.

Предметом исследования является доочистка исходной водопроводной воды модифицированным фуллеренами активированным углем.

Задачи исследования:

1. Разработать технологию исследования АУМ, применяемого для доочистки водопроводной воды.

2. Определить марку наиболее эффективного в доочистке водопроводной воды модифицированного активированного угля.

3. Сравнить эффективность использования АУМ и АУ для доочистки водопроводной воды.

4. Разработать методику регенерации АУМ, позволяющую максимально использовать сорбционную емкость АУМ при доочистке воды.

5. Изучить бактерицидные свойства АУМ при доочистке водопроводной воды.

6. Получить аналитические зависимости технологических параметров доочистки водопроводной воды на фильтрах с АУМ

7. Разработать технологическую схему доочистки водопроводной воды на фильтрах с АУМ и дать экономическую оценку применения АУМ для доочистки водопроводной воды.

Методологической основой диссертационного исследования послужили статистический анализ и обобщение известных научных и технических результатов в области глубокой очистки и доочистки воды для питьевого водоснабжения; современные научно-исследовательские работы по модификации сорбентов фуллеренами; лабораторные исследования с использованием физико-химических методов анализа; обработка экспериментальных данных математическими методами с использованием ПЭВМ; методы математического моделирования.

Научная новизна исследований заключается в следующем:

1. Впервые проведены цикличные исследования модифицированных сорбентов различных марок при доочистке водопроводной воды; определена эффективность их работы; получены данные, позволяющие определить зависимости технологических параметров фильтрационной доочистки водопроводной воды АУМ.

2. Разработана оригинальная методика регенерации АУМ с применением окислителя, позволяющая максимально использовать сорбционную емкость АУМ.

3. Установлены бактериологические показатели (общее микробное число; общие колиформные бактерии; термотолерантные колиформные бактерии; споры сульфитредуцирующих клостридий; колифаги) качества воды, обработанной АУМ.

4. Предложена технологическая схема доочистки с применением АУМ, подтверждена экономическая целесообразность применения АУМ.

Практическая ценность и реализация результатов исследований.

Установлены параметры фильтрационной доочистки водопроводной воды на АУМ. Разработана методика регенерации АУМ с применением гипохлорита натрия. Представлены расчетные зависимости, позволяющие определить эффективность очистки воды на АУМ по окисляемости в зависимости от скорости фильтрования и высоты фильтрующей загрузки, а также продолжительность фильтроцикла в зависимости от скорости фильтрования и времени контакта обрабатываемой воды с АУМ. Разработана принципиальная технологическая схема доочистки водопроводной воды с помощью АУМ в качестве фильтрационной загрузки. Обоснована экономическая целесообразность применения АУМ в доочистке воды.

Инновационная НИР по теме «Кондиционирование питьевой воды с применением модифицированного активированного угля» проведена в 20092011 гг. за счет средств гранта № ИН8-08 (сч.540) СПбГАСУ. Научные исследования по теме «Поиск перспективных методов обработки воды» проведены по договору №03Ф-09-1/10 от 14.12.2010 г. с ЗАО «Аквапатент». НИР по теме «Регенерация активированного угля, модифицированного фуллеренами, применяемого для кондиционирования водопроводной воды» проведены в 2010 г. по договору с Комитетом по науке и высшей школе г.Санкт-Петербурга.

Подана заявка на патент №2012113161/05(019859) от 05.04.2012 года.

Разработанная технология доочистки воды с применением АУМ внедрена ООО «ТЕХНО-ЭКО», г. Санкт-Петербург, научно-инженерным центром «ПОТЕНЦИАЛ-2», г. Санкт-Петербург.

Результаты диссертационной работы использованы кафедрой «Химической технологии материалов и изделий сорбционной техники» Санкт-Петербургского государственного технологического института (технического университета) в учебном процессе.

Достоверность научных положений, выводов и рекомендаций обоснована применением классических положений теоретического анализа и

моделирования исследуемых процессов; подтверждена экспериментальными исследованиями по стандартным методикам с использованием сертифицированного лабораторного оборудования и приборов, обеспечивающих требуемую точность и надежность результатов измерений; обеспечена использованием математических методов обработки экспериментальных данных с применением табличного процессора Microsoft Excel-2010.

Апробация работы. Основные положения диссертации докладывались и обсуждались на: конференции профессоров, преподавателей, научных работников, инженеров и аспирантов СПбГАСУ (Санкт-Петербург, 2010 г.); 63 международной научно-технической конференции молодых ученых и студентов СПбГАСУ (Санкт-Петербург, 2010 г.); 64 Международной научно-технической конференции молодых ученых и студентов СПбГАСУ, посвященной 300-летию со дня рождения М.В.Ломоносова (Санкт-Петербург, 2011 г.); международной научно-практической конференции ФГБОУ ВПО ПГУПС (Санкт-Петербург, 2013 г.).

Публикации. Материалы диссертации опубликованы в 9 печатных работах, в том числе 2 р