автореферат диссертации по строительству, 05.23.04, диссертация на тему:Деманганация и деферризация подземных вод озонированием

, . V . На правах рукописи

УЛЬД 1ЮШВД НАХМ7Д ШХАМЕД Ш

ДЕМАНГАНАНИЯ И ДЕШ7ИЗАЩЯ ПОДЗЕМШХ ВОД ОЗОНИРОВАНИЕМ

05.23.04 - Водоснабжение, канализация, отроительннв системы охраныводннх ресурсов

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой отепени кандидата технических наук

Москва - 1996

Работа выполнена б Московском государственной стропильном университете.

Научный руководитель Офщташше оппоненты

Ведущая организация

- акадмиек РомСА," ' профессор Николадзе Г.И. .

- доктор технических наук, профессор, академик РЖКА Еурба 1,!,Г.

- кандидат технических наук, ведущий научный сотр., академик РЖА Дракшскнй В.Л.

- ЛО ОТ ВДШШ инженерного оборудования •

Защита состоится 31 мая 1996 г. в 13-00 час. на заседания диссертационного совета К' 053.11.08 в Московском государственном строительном университете но адресу: 129337, Москва, Ярославское шоссе, '26, МГСУ, в ауд.

С диссертацией модно ознакомиться в библиотеке МГСУ»

Автореферат разослан

Л ■ 1996 г.

Ученый секретарь дассерташюиного совета

К -053*11.08 В.А.Орлов

• ОЩЛЯ 1АРА1СТЕИ1СТИКА. РАБОТЫ

Актуальность работы. Всемирная организация здравоохранения, подводя итоги XX столетия, приходах1 к выводу, что угроза существования шрового сообщества таится не столько в атомной опасное- ■ ти, сколько в катастрофгческой экологической ситуации. Одно из наиболее серьезных опасений вызывает недостаток питьевой поди, ее качественные измененгд, несоответствие саштарно-гпгеническш требования?.!, серьезные последствия использования недоброкачественной води для здоровья населения.' .

Во многих странах проблема обеспечения населения доброкачественной питьевой водой остается нерешенной, а в ряде регионов приобретает кризисный характер. Низкий уровень сапитарно-зпиде-мтологического благополучия населения ряда стран Африки, Азии, Ближнего Востока, Латинской Америки, ряда республик России в значительной степени определяется дефицитом п неудовлетворительным качеством литьевой воды., '..-.'."-

■■.'. Процесс получения и подачи населению кондициошгой питьевой води зависит от ряда факторов, основнш из которых является состояние систем водоснабжения и технология ее подготовки. Во многих регионах мира для нунд водоснабжения используются подземные воды высокой окясляемостл, содержащие кеяезо л марганец. Улучшение качества подобных вод представляет собой весьма сложную задачу, решить которую невозможно без применения сильных окислителей (хлор и его производные, озон) л щелочных реагентов (известь, сода).' Это вызвано тем, что в таких водах марганец и железо находятся в виде органических комплексов слогного состава. .

Применение предварительного хлорирования для разрушения гелезо-марганецорганическтг комплексов влечет за собой образование летучих хлорорганических соединений. Поэтому использование для этой цели озона является более перспективным как с технологической, так и с санитарно-гигиенической позиций. ;

Цель исследования заключается в теоретическом обосновании и экспериментальной проверке способа совместной деферризации и демангапации подземных вод с высокой окисляемостыэ озонированием и внедрение его в практику водохозяйственного строительства.

; Для реализаций поставленной цели в работе бит определены следующие основные задачи, результаты решения которых выносятся , на защиту: -'

- разработана в исследована в лабораторных условиях техно-? лшня совместной деферризации и деманганации подземных вод высоко® оздиаиятсяш озонированием, уточнена область ее щшмэнений;

ощрадапита основные факторы, влияициена цроцебо,выявлены^ ошпшбилввк авшя55ктивныв и технологические параметра установки!,, ©(йваиетинавдв» высокую еффективность ее работы;

- обобщен» результата исследований и разработана математическая- модель, процесса, получены формулы для расчета доз овона по достижению предельных допустимых концентраций яелеза в марганца в фильтрате;;

- испытан, новый, озонатор, работающийна факельном разряде и не нуждавшийся, в. предподгоговке воздуха, дня его рекомендации в предлагаемой технологии;

- разработаны!11Временные технические указания по устройству, расчету и проектированию установок совместной деферризации и деманганации подземных вод высокой окисляемости озонированием!

- выполнено технико-экономическое сравнение двух вариантов технологических схем деферризации и деманганации подземных вод.

Научная новизна работы заключается в следующем;

- предложена и изучена технология совместной деферризации и деманганации подземных вод повышенной окисляемости озонированием;

- определены и Исследованы факторы, влияющие па процесс, установлены его параметры и обоснована область щикзнешя предлагаемой технологии УКВ (улушания качества вода) г

- получены математические зазисшосяг вахобдаиа доз-озона;

* - г

- испытан новый озонатор, рабогаагщШ ша фзиелншкп разяще? и не нуздаащйся в Ередподгоюзке воздда^

Практическая ценность дгссэртащш: саашшгг зз сишадвдзиь. Шв>-работаны основы для прозктнроггшш- ¡г етщшивзакшк» удтанавш: соб>-местной деферризации и декаэгшзцшг подаегсшж вся пазшзшоЗ окисляемости озонированием с использование» озсЕатороз. на фзвзяъ-ном разряде, не требующих предподготовкв воздузса.

• Внедрение результатов» Составлены ЕГГ,. дозвлвящзе виедрать в практику результаты исследований.

Апробация работы. Основные^ положения диссертации ■долоаены на научно-технических конференциях и семинарах в Центральном

Российском Доме.Знаний, в Вологодском Политехническом институте н в НИИ КВОВ, а такке опубликованы в двух статьях.

Объем работы. Диссертация состоит, из введения, 5 глав, об-щях выводов и списка использованной литературы, приложений; из-

■ локена на 120. страницах машинописного текста, содержит 29 ри-. сунков я 11 таблиц. Список использованной литературы включает

■ 62 наименования.

На защиту.выкосятся:'

- результаты теоретических и экспериментальных исследований по обезкелезизанша и деманганации высокоокисляемых вод путем их аэрации, озонирования к фильтрования на фильтрах повышенной грязеедкости; . - '

- математическое описание процесса и расчетные формулы для ; определения доз озона;

рекомендации на проектирование .и технико-экономическое обоснование по внедрению технологии, совместной деферризации и демадаанации высокоокисляемой воды озонированием.

,'. : ■• . ... ., СОДЗРНШЕ РАБОТЫ, ,

Во введении обосновываются актуальность и значимость теш '-диссертации, формулируются цель и задачи исследований. •

■ В первой главе рассмотрен генезис подземных яелезо-марга-■' ' нецсодеряащих вод, методы совместного извлечения из воды железа и марганца, использование озона при кондиционировании подземных _ вод, озонаторы промышленного типа. ■

■ Во второй глазе изложены основные принципы1 процессов дефер-. ризашш и дегланганации воды, влияение природы соединений йелеза ;, - п марганца на процесс ДДВ, влияние бшсарбопатной щелочности воды, окислительно-восстановительного потенциала (Е), влияние рН, карбонатной яесткости воды, оксида углерода на процесс ДДВ, зли:/; яние органических веществ, температуры воды и ;ее удельного сопротивления, влияние келезо-'д марганобактерий, содержания азота

■ и хлоридов, влияние соединений серы и растворенного кислорода.

В третьей главе изложены методика исследований и дано описание лабораторных установок к приведены результаты эксперимен-

Больпшнство экспериментальных исследований были выполнены . в лаборатории кафедры водоснабдения МГСУ на лабораторных уста! новках на тштатах, содержащих аелёзо (П) и марганец (П) и ха-

6 ;'/ ..••'.• " ' /л..;:--

растеризующихся повышенной окксляемостьэ.

Учитывая направленность диссертационных изысканий, эксне—-риыентальнке установки состояли из контактной емкости периода- -ческого или непрерывного действия, бумакного или зернистого скорого фильтра и генератора озона (рис. I и 2). • ; .

В первой схеме воздух от компрессора подавался в осушитель, а затем постулат: в озонатор, далее озовдвоздушная смесь отводилась в контактную емкость, где происходило смешение вода с озо-новоздушной смесью. Остаточный озон улавливался ловушкой, содержащей раствор йодистого калия для определения дозы озона.

Имитаты изготавливали в специальном баке и подавали насосом в напорный бак, затем вода поступала в камеру смешения и после ее озонирования отводилась на песчаный фильтр. Кмататы готовили на дистилляте или на смеси дистиллята и нагрзяо-охяазден-ной водопроводной воды в отношении 1:1, в зависимости от требуемой величины рН исходной воды. Формирование в исходной воде комплексных соединений келеза и марганца достигали добавлением торфяной вытяшси или раствора гумата калия. Для получения нуж-. ного количества яелеза ш марганца в.имигахах использовали Ге204 7Н20 или МпЯ'Од 5Н20 соответственно. Для регулирования значения рН в имитатах добавляли серную кислоту. С целью подтверждения образования комплексов применяли красную кровяную соль К3Те(СЛ/)£, в результате чего не происходило синее окрашивание-, что свидетельствовало об образовании прочных комплексов.

Язрзач серия опытов проводилась на иг,штате, содержащем только ;:;элезо, с целью определения дозы озона, необходимой для раз-руиония келозиотнх комплексов и доокисления ввделившегося железа. Для решения этой задачи приготовляли имитаты различного состава (рН, щелочность, окисляемость и т.д.) с различными концентрациями зелеза.

Вторая серия опытов проводилась аналогично первой, но с со-. . дерганием в исходной воде только марганца в различных концентрациях. ... - . •'■••-.'"

Третья серля опытов была проведена по методике-первых двух, но при совместном содержании имитата гелеэа и марганца.

Результаты первой серпы экспериментов подтверждают, что железо удаляется озонированием и фильтрованием при низких значениях рН (рН^6,5) и высокой окисляемости (Ок 5= 6,5 мг02/л).

9\/ 12 / Г1У" " Щ1о ,з\1 и4

/' г-^--1 г/-- Ч / / —

Рно. { Первая лабораторная установка доит окисления вода

. 'VI 'Ч'. озоном: ''■•■■'■'.

1 - компрессор;

2 - подача воздуха; :

3 - патрон с селикогелем для осупения воздуха;'

4 — подача осушенного воздуха;, > /.': л ; 5 - генератор бзона, Озш-В;

6 - подача озоповоздушной снеси; . 7, 10 - диспергатори; ..' •. ' ' .

8 - литровый цилиндр; >•■■'.; • " .

9 - отвод остаточной озоповоздушпой смеси; , V II - ловуша о йодастш калием; . ..

; ; : 12 - отвод остальные компонентов воздуха V

(С02, Н , 0^); .■.'•'х", .

. 13 - подата охлаащавщей вода; ; 14 - отвод охдаадащей вода V V; . :

сор; 5 - озонатор факельного типа; 6 - ловушка; 7 - камера смешешк 8 - песчаный фильтр; 9 - пробоотборники; 10 - пьезометрический щит

Дозы озона, необходимые для разрушения яелезосрганичёских комплексов и доокисления келеза варьироввиивв ■зависимости от ■ рН, окисдяемости и содерхшия железа в исходной воде (табл. I).

Таблица I.

Лоза озона (мг/л) для удаления I мг/л .-келеза (П) Показатели качества исходной воды

рН °К №02/Л Щ, Т, мг—экв/л °С Время контакта , мин

1,2 6,5-6,6 8-9 1,0-1,2 9-11 8-12

1,35 6,6-6,9 10-12 1,2-1,3

1,60 6,9-7,0 12-14 Г,3-1,5

Результаты экспериментов второй серии показали, что марганец при отсутствии в исходной воде железа и при низких значениях рН (рН 7,4) и высокой окисляемости не удаляется при озонировании л фильтровании. Он удаляется этим методом только при рН ^ 7,4 л кисляемостк до 5 мгО^/л.

Для изучения процесса совместной деферризации и демангана-цип вода с повышенной огагслязмссткэ нами были проведены несколько серий экспериментов ка водах различного состава для определена дозы озона, выявления оптимального диапазона рН и щелочности исходной воды,. окисляемссти, продолжительности времени контакта . озона с обрабатываемой водой п установления соотношения концентра. дни нолсза (II) и марганца (П), при которых процесс дает надлека-- нщй эффект.

Результаты экспериментов показали, что при рН «<..6,7 железо удаляется, но марганец остается в фильтрате выше допустимой нормы (0,1 ыг/зг). При рН >■ 6,7 железо и марганец удаляются из воды при соблюдении отношения Гс(П) / Ип(П) = 2,0.. .3,0 (рис. 3, 4).

На этих графиках показаны результаты опнтов на четырех категориях вод различного состава (табл. 2).

Па графиках (рис. 3, 4) черкая линия показывает изменение содержания келеза в фильтрате, а серая линия - изменение содер- ■ нания марганца. Графики первой категории зод свидетельствуют о том, что при оптимальном отношении К = 2... 3 при низких значещг-ях рН<6,7, марганец остается в фильтрате в больсом количестве.

Опыты па четвертой категории вод показывают, что при К = 1,5 гелезо и марганец не удаляются, хотя рН >• 6,7. Ошт удаляются в

>'

1

г:, • * . -

. \ А V •ч ; \

У 1 >ч •л: V . ч ' > > ч \

V \ • ' > ^

:; > 6,5 6,6 6,7 6,8 6,9 7,0 7,1 Рис. 3 - . Влияние рН исходной воды при совместной удалении Ре(П)и М (П):

I

л> ь

с ;

.а-

...

- л.,. V : 'л V

Л .- \ 1- . -Ч ч .

ч.'. \ < '.: ;ч V : ч ч

>■ V // // ч ч- ч ч ^

V Ч ., N ---Чч. С "Ч —— -•—

' 4.

О 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10

Ее(П) Мп(П) ••

___ вторая категория .вод; • -Еио.!/; " . Влияние дозы озона при совместном

'''■ лении Ре и М

. • • первая категория вод;

..... ' V... третья категория вод: У ^

11 12 13

- • - - • четвертая категория вод ^

вторая категория вод, первая категория вод -

Таблица 2

Категории вод Качеств'о исходной воды Бр^мл Дл1,

" ." ■ ■ «■■■■■■■I I 1И.| ■■■ I ■ ■■! !!■ III «Я.. НЧАТ»__О.»

мг-экв/л К = Ге (П)/ Ш(П) ■" ок , мг 02/л. т, - контак- ">л та, + , ,1Г/Л мин

Первач 1,0-1,1 2,3 15-16,4 10-11 12 16-17,5

Вторая . 1,2-1,2 2,25 10 — 12 10-11

Третья ' 1,3 II' 12 7,9-8 ■

Четвертая 1,3 1,5 10-11 . — 9,4-10

том случае, если используются большие дозы озона, что невозможно оправдать с точки зрения экономики.

При совместном удалении яелеза (П) и марганца Ш) доза озона играет ваяную роль, ко не менее ваетуэ роль играет также от-чошение яелеза к марганцу в исходной воде, рН воды, щелочность, онисляемосзь-, время, контакта, температура воды л др. Для обьяс-кения этого влияния приведены графики на рис; 4, где показаны результаты обработки двух категорий вод, имеющих одинаковый состав воды, но отличающиеся по "К" (отношение яелеза к марганцу). Состав этих вод следующий: рН = 6,8; ОК = II игС^/л; Щ = 1.3 мг-экв/л; ±. = 12 мш; Т= П°С.

Лиши I пляэстрпруеЕ изменение содер-'ханля железа, а линия 2 - изменение содержания марганца в фильтрате. "Сплошной линией показаны результаты обработки воды прл К-ц = 2,25, а пунктирной линией - при Ко = 2,9. Из графиков видно, что яелззо и марганец • при поваленной окисдяемоетл (ОК >6,5 мг02/л) удаляются при соблюдении отношения Бэ(П) / ТЫП) = 2,0...3,0 при дозе озона -7,0...9,5 мг/л.

В четвертой главе рассматривается математическое моделирование процесса: постановка задачи, план эксперимента, обработка .результатов экспериментов, оценка достоверности полученных уравнений регрессии. В результате расчетом были получены следующие .• уравнения: ■ . ■ .

Те- = 2,34 + 0,51 Геисх - 0,06 М.-,ЕСХ - 0,02 Ок^ - 0,25 рНРгх

- о,зод03 (I)

М„ф = 1,52 - 0,05 Геисх I 0,59 Шиох +0,01 01слсх - 0,26 рНисх

- 0,11 Дю * • (2)

■" -;.'" . 12 •' ■ . • ■ ?де Гвф, Мпф - содержание яелеза и марганца в фильтрате; ; .

Ге,.сх, Мпксх, Ок.^, рНисх - показатели качества исходной воды;'

. Дсз- доза озона, мг/л.

Поскольку, марганец является соединением более трудноудаляемш,. чем аелезо, предлагаем ,'зести расчет дозы озона по марганцу, т.е. ■ по уравнению (2), которое преобразовано, но дозе озона

Д03 = 13,8 - 0,45 Реисх + 5,36 М"исх - 9,09 Мпф +

+ 0,09 0к..С}: - 2,35 рНксх (3)

В пятой главе приведено экономическое обоснование рекомендуемой технологии деферризации и деманганации.зод повышенной окисляемости озонированием. ;

Сравнение было произведено по приведенным затратам в ценах 1984 года. ' ' ; ., :. :.'л' • ,' • •. ■ ' \ •'.

Технико-экономическое сравнение было произведено для устано- ; вок с . суточной подачей .5 тцс.м3/сут для подземной воды со следующими показателями качества: содержание железа (П) к марганца (Я) соответственно 4,5 и 1,5 мг/л, оксида углерода 46 мг/л, сероводорода 1,2 мг/л, щелочность 1,2 мг-экв/л, Жесткость общая - 2,7 ыг-экв/л. •'"

Исходя из производительности установок и качества обрабатываемой воды сравнение было произведено по следующим двум вариан- V там (рис. 5); .'-. . '-"

Вариант I: аэрация - хлорирование - известкование и фильтрование на скорых фильтрах; ; .

Вариант Й": аэрация - озонирование :г фильтрование на скорых фильтрах, '. /'., V, ;' .. ..

Приведенные затраты для первого варианта - 47,96 тыс.руб.

Приведенные затратит для второго варианта - 42,74 тыс.руб.

Изложенное позволяет аключить, что предлагаемая технология экономичней. -':.•.•'•••"..'-

'; ; . • • ' 0БЦ5Е вывода г.

. I. Известные методы кондиционирования подземных гелезо-мар-•ганецсодержащих вод высокой озшСляемостн- характеризуются определенной сложностью и дороговизной, так как необходимо применять . сильные окислители (обычно хлор) и.щелочные;реагенты,.,что влечет '.:• за собой образование канцерогенных органических соединений. ,.

а) "■".;■■'■',■ ... .

да озшод* фпщрага соответственно; 2 - вакуумно-эжек-. циршнШ аппзраз? 3 - контактная камера; 4 - озонатор (¿^шнгсвсо стга;: 5 - фильтр; 7 - деструктор;

Й9 тазззбсзЕШ' схема: 1,6 - подача исходной вода псззои'.еиетрата соответственно; 2 - авкумяо-эаек-цгппиЗ1 аппарат; 3, 4 - хлораторное и известковое зкзяйство;, 5 - скорый фильтр

' 2. Предложена л исследована технология совместной деферризации п деманганации подземных вод повышенной окисляемости озонированием, область применешгя которой определяется следующими ' показателями: содержанием железа (П) и марганца (П) соответст-' вето до 20,0 п до 5,0 мг/л, их соотношение в пределах 2.. .3; окисляемость до 16 мг07/л;*рН^» 6,7; щелочность и бикарбонатная ■жесткость свыше -соответственно1 '1,05 и-2,0.мг-эта/л; окислительно восстановительный потенциал воды после аэрации не менее +0ДВ; содержание оксида углерода и сероводорода соответственно до 70,0 и до 2,0 мг/л; производительность установки - любая«, -

3. Выявлены основные факторы/ влияющий па процесс, к числу .. которых относятся: концентрации в воде нелепа и марганца и их соотношение, рН, щелочность, окисляемость, температура вода, продолжительность контакта озоповоздушпой-смеси и воды, доза озона. . .'.'/'•■ .....'"••'.• • '•■■'"."*'

4.. Использование в экспериментах озонатора на факельном '. разряде, не требующего' прздподго.ювки воздуха, показало,его .технологические и экономические преимущества перед озонаторами, работающими на коронном разряде.

5. На основании использования методики математического, планирования эксперимента получены уравнения,' связывающие основные факторы, влияющее на процесс, и получена формула для определегаш дозы озона. " ; „• ,--/.■

. 6. Предложена и апробирована технологическая схема, предус- • матривающая глубокую аэрацию воды на ванууьпю-экекциошом аппарате г .ее озонирование в контактпой камере и фильтрование па фильтре с двухслойной загрузкой. . . ' " •

7. Техшнсо-зкономическое сравнение традиционной технологии (аэрация, хлорирование, известкование, фильтрование) и предлагаемой (аэрация, озонирование, фильтрование) показало преимущество .последней.' -; ■ '-■•'.■".';•-" -''■;.:

8. По результатам исследований разработаны ."Временные технические указания на проектирований, строительство и эксплуатацию установок деманганации и деферризации воды озонированием".

Основные положения диссертации рпублинованы в следующих работах: ■;' .'■■'"■■•■■ \

I. Ульд М. Деферризация и деманганация вод с.повышенной окисляемостью озонированием. ЦРДЗ. Материалы семинара "Новые. '

тохшпескиб решения в облаоти водоснабжения, водоотведения и санитарной очистки городов", 1995.

2. Нпколадзе Г.И., Ульд М. Совместное извлечение марганца и железа при озонировании воды. ВШ1. Материалы конференции "Эколо-гпческио проблемы рационального использования и охраны водных ресурсов". Вологда, 1994.

Подписано в печать 14.05.96 г. Формат 60x84^16 Печать офсетная К-334__Объем I п.л.___Т.80_______Заказ/6/ Бесплатно________

Московский государственный строительный университет. Типография МГСУ. Москва, 129337, Ярославскоо шоссе, 26