автореферат диссертации по строительству, 05.23.04, диссертация на тему:Деманганация подземных вод фильтрованием через модифицированную загрузку

КИЕВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ СТРОИТЕЛЬСТВА И АРХИТЕКТУРЫ

РГ6 од

- г, ()>{{

• ' На правах рукописи

ДКНИДИ ХУССИН АЛИ

ДЕМАЛГЛНЛЦНЯ ПОДЗЕМНЫХ ВОД ФИЛЬТРОВАНИЕМ ЧЕРЕЗ МОДИФИЦИРОВАННУЮ ЗАГРУЗКУ

ОБ. 23. 04 - Водоснабжение, канализация, строительные euerem охраны водных ресурсов

ДьторН^лт диег^ртации hei соискание ученой степени . кнндиднт;ч технических Кяук

Ки*п— 1993'

Диссертацией является рукопись.

Работа выполнена в Киевском государственном техническом университете строительства и архитектуры.

Научный руководитель: кандидат технических наук, профессор Терновцев Виталий Емельянович. Официальные оппоненты:

1. доктор технических наук, профессор Заграй Ярослав Михайлович.

2. кандидат. технических наук, ведущий научный сотрудник НИКТИ Кулишенко Алексей Ефимович.

Ведущая организация: Государственное коммунадьное объединение Киев-Водоканал

• /<5

Защита состоится " ' " октября 1993 г. на заседании специализированного совета И 068.05.08 при Киевском государственной техническом университете строительства и архитектуры по адресу: 252037, Киев-37, Воздухофлотский проспект, 31.

С диссертацией мовно ознакомиться в библиотеке КГТУСий

Автореферат разослан.г.

Ученый сккретарь специализированного, совета

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность теш: Развитие негодного хозяйства выаывает интенсивное загрязнение окружающей среды и, в частности, поверхностных источников водопользования. В евяаи с этим возрастает тенденция к использованию подземных вод, как источника питьевой воды. Переход к применению подземных вод сталкивается со множеством проблем, одной из которых является проблема деманганации.

Присутствие ионов двухвалентного марганца во многих подземных водах превышает предельно допустимую концентрацию,(это относится как к Украине, так и к Сирии), чем и обусловлена необходимость их очистки .

Применение существующих методов деманганации воды во многих случаях не отвечают требованиям как по качеству очистки, так и по ее себестоимости.

Предлагаемый метод предусматривает деманганацию подземных вод фильтрованием , где в качестве основного- сооружения- испольау-' ются напорные фильтры, загружаемые модифицированной загрузкой. 1 Отличительная особенность данного способа заключается в отказе от реагентного хозяйства, что коренным образом улучшает условия труда обслужинаюнрго персонала на водоочистной станции. . Таким образом, применение предлагаемого способа решит проблему очистки воды от марганца для небольших населенных пунктов в условиях деффицита рабочего и технического персонала, требуемого в других схемах очистки.

Цель работы: Разработка, исследования и обоснование метода очистки воды от марганца, отличающегося надежностью и экономичностью.

Осковш« аадачи исследований. Для достижения поставленной

цели необходимо было решить с-дадующче аадачи.

- т. -

1) Разработать математическую модель процесса деманганации воды фильтрованием через модифицированную эагруэку.

2) Выбрать модификатор и изучить процессы его образования и нанесения на рабочую поверхность загрузки

3) Исследовать процесс удаления марганца фильтрованием черев модифицированную еагрувку при различных качественных показателях исходной воды,

4) Разработать технологический процесс очистки воды от мар-. ганца для небольших населенных пунктов' с помоиц>ю компактной установки, основным узлом которой является блок напорных фильтров, загруженных модифицированной загрузкой и подключаемых к скважине через систему трубопроводов - Удаление ионов двухвалентного марганца происходит в результате прохождения исходной воды через модифицированную загрузку напорных фильтров.

Б) Произвести технико-экономическую оценку разработанного технологического процесса. Научная новизна:

1. Предложен метод деманганации подземных вод фильтрованием черев керамзитовую загрузку.с модифицированной поверхностью.

2. Выбран и исследован оптимальный состав модификатора и предложена основа для его нанесения - керамзит.

3. Исследован процесс очистки воды от марганца с помощью модифицированной загрузки.

4. Изучены процессы физической и химической' адсорбции рабочей поверхности модифицированной аагруаки.

Б.. Разработана математическая модель деманганации воды фильтрованием ч^рез модифицированную загрузку.

Практическая ценность: Теоретически обоснована и эксперимен-

- о .

Тсчльно проверена технологии очистки поды От Мпг' фильтрованием через ът руьку со слоем •¡»•ррита марганца, даются высокий аффект

очистки, воды. Установлены режимы фильтрации и факторы, влиякнцие на ход процесса очистки. Разработана схема деманганации воды для небольших населенных пунктов, рекомендуемая для внедрения на Украине и в Сирийской Арабской республике.

Апробация работы: Основные положения и научные результаты диссертации докладывались на б" - !54-ой научно-технических конференциях Киевского инженерно-строительного института в 1991 - 1993 гг.

По теме диссертации опубликовано шесть научных работ. На зац^иту выносятся следующие основные полоюэния: 1. Математическая модель процесса деманганации воды фильтрованием через модифицированную ъагруаку.

Методика расчета напорного фильтра, загруженного модифицированной аагруакой.

3. Исследовании процесса образования модифицированной рабочей поверхности керамзитовой загрузки.

4. Последоьания процесса деманганации подземных вод различными загрузками при равличных параметрах исходной воды.

Б. Технико-зкокомич<->жие показатели очистки подземных вод от марганца фильтрованием через модифицированную загрузку. Объем работы. Лисеертация состоит из введения, пяти глав, общих выводом и рекомендаций, списка используемой литературы, включающего 14Г. наименований. Работа содержит 1Б0 страниц машинописного текста, в том числе ЗЯ рисунка, 9 таблиц, 14 страниц списка литературы. ■

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

В первой главе наложены теоретические основы процесса деманганации и приведен анализ научной информации, касавшейся пробле-

7'

мы очистки воды от Шл+марганца. Дано обоснование актуальности рассматриваемого направления. Обобщен существующей опыт в области деманганации подземных вод и дан прогноз дальнейшего развития этого важного направления.

На основании обвора литературы дается критическая оценка современного состояния вопроса деманганации подземных вод.

К настоящему времени разработаны и внедрены в практику различные методы очистки воды от марганца, но все эти методы основа--ны на'окислении двухвалентного марганца в трех- и четырехвалентный, с образованием гидрюксидов, растворимость которых при рН >7, меньше О,' 01 мг/л .

Суирствукнцие методы, деманганации классифицируются на беэре-агентные и реагентнне. К- числу беэреагентных методов удаления марганца из воды следует отнести: глубокую аэрацию с последующим отстаиванием и фильтрованием на скорых фильтрах; вакуумно-эжекци-онную аэрацию с последующим фильтрованием на скорых фильтрах; метод "Виредоке"; сорбцию на свежеобразованном гидроксиде железа.

К числу реагентных методов деманганации воды относятся окислительные с использованием хлора и его производных: озона, пер-манганата калия, технического кислорода, а также методы, предусматривающие использование щелочных реагентов.

Применение перманганата калия для очистки води от марганца практикуется' довольно широко, хотя этот метод увеличивает стоимость одного.кубического метра воды, так как появляется необходимость в постройке реагентного хозяйства для обслуживания ' водоочистной станции.' Кроме того, добавление перманганата калия увеличивает нагрузку на фильтры, ' в результате чего сокращается филь-троцикл.

И-тод фильтромжия аэрированной воды через загрузку, обработанную окиол>ми мпрТ'анцч имеет ряд недостатков заключавшихся в

- Б -

том, что образовавшийся слой гидрокеида железа и оксида марганца отрывается от поверхности загрузки при понижении рН воды, так как этот слой в основном держится за счет адгезионных свойств песчаной поверхности, зависящих от рН обрабатываемой воды. Кроме того, в этой технологии нарушается исходное качество фильтруемой воды из-за применения реагентов в процессе очистки. Наряду с технологическими сложностями данной технологии следует учитывать экономическую сторону, которая, как правило, играет не последнюю роль при выборе технологической схемы очистки.

Удаление марганца из подземных вод с применением биохимического метода представляет значительный интерес, но к сожалению, область его применения ограничена пределом исходной концентрации марганца в обрабатываемой воде до О,С мг/л.

Применяемые методы дс-манганации подземных вод по своим характеристикам имеют как определенные преимущества, так и недостатки. Многие известные методы являются не, только не экономичными, но во многих случаях и не достаточно эффективными.

Наиболее перспективным, на наш взгляд, методом очистки является метод фильтрования трганцесодержащих вод через модифицированную загрузку, так как он позволяет очищать воду до требований ГОСТ "Вода питьевая" без применения реагентов.

Во второй главе приведена математическая модель процесса де-манганнции подземных вод фильтрованием.

Опираясь на физико-химические процессы, протекающие при де-мннганации воды фильтрованием через модифицированную загрузку (табл.1), были составлены дифференциальные уравнения, учитывающие все факторы, влияющие на поверхность загрузки при фильтрации.

В основе математической модели, лежат уравнения, описывающие кинетику процесса деманганации воды фильтрованием через модифици-

п I ■

рованнуи загрузку. П-реход Мп""" в нерастворимое соединение, кото-

Л-.чш

КьгАМгпГОБАЯ ЗАГРУЗКА МОДИФИЦИРОВАН КАЯ ЗАГРУЗКА (МОДИФИКАТОР М-СРе 0 ) 2 3

• Слабая фивическая аЦСОибЦИй. ^ - 0 ПрИ рК - 6,9 ! ! ! ! 1 ! 1 1 ! | ПРИ ФИЛЬТРАЦИИ ПРИ ПРОМЫВКЕ

Пеовый этап Второй этап

шш, Ф^уу/ушШ Еасокий эффект очист ки воды от марганца, благодаря: 1-адсорбции, в результате: а) сходства между адсорбентом и адсорба-том; б)развитой удельной поверхности" модификатора; с)низкой изоэлектри-ческой точки модификатора, * - 0, рК-4,5 2-адгезии, в результате различных сил: а}молекулярных; 6}двойного электрического слоя; с)куллоновых. кой адсорбции и адгезии. Ускорение процесса пеоехода двухвалентного марганца в четырехвалентный в результате химической адсорбции (хе-мосорбции), что приводит к увеличению эффекта деманга-нации воды, так как нераство римые соединения марганца ускоряют процесс окисления двухвалентного марганца. Результаты химического, процесса можно выразить четез следующие «равнения: Мп20 +2Н 0 - Мп(ОН) +Н 50 4 2 2 2 4 >41(0Н) +№1(0Н) О^+ЗН^О мп о +1/го +4Н о «"гмпсон) 2 3 2 2. 4 марганца проиаходит* за счет: 1-воащающего хаотического движения зерен керамзита,что увеличивает вероятность их столкновения; 2-перепада давления между по верхностью загрузки и поверх ноетью поровых каналов; 3-силы восходящего потока; 4-поперечных силовых воздействий соседних частиц; 5-десорбции, в случае исполь эования чистой воды при промывки (рекомендуется использовать исходную воду для про мывки модифицированной загрузки для сохранения каталитического слоя гидрокеида марганца (Мп(ОН) )). 4

Табл. 1. Сизико-химические процессы происходящие на поверхности модифицированной и керамзитовой загрузок.

рованную эагруаку. Переход Мп в нерастворимое соединение, которое, оставаясь на поверхности вагруаки, выступает в роли катализатора, что способствует улучшению процесса очистки. Поэтому уравнение кинетики деманганации им^ет вид :

д-о

Ко Зм

до

б К

Зс

- о

(1)

л1.н v 31 vo л 31

Дифференциальное уравнение, описывающее процесс изменения

количества образованного гидроксида марганца, в зависимости от толщины слоя загрузки и времени фильтрации :

Г«

Ко Зм

Эй

6 к.

Эя

(2)

------------Т " ——-— — ——————- - шт }

(?1<Н V дь Уй о Ми 31

Определение потерь напор« в фильтре осуществляется по фор-

муле:

где

|| + II

роет

рост

равно :

О. ООГ1Г» 1 Г» Го йм у 7 t.

—■—-тог——

рост

где й

- 1

О. 00001С Со Км VI? 1

или I Но - —

рост

1X

(3)

(4)

Н

Ко

1 х

0.000П1С Со Зм у П I

-КГ^-

- 1

(Б)

"о ' —Т~- * Соотношение (Б) описывает кинетику роста потери напора, в слое модифицированной аагрузки в любой момент времени, где'учитываются все параметр« исходной воды и эагрузки.

Интегрирование дифференциальных уравнений (1) и (2) возможно при одном ограничении: зернистая загрузка фильтра должна быть однородной (нанесение слоя МпОГ^О^ превращает поверхность керамзитовой загрузки к'однородную, так как-увеличивает число адсорбционных центров на поверхности вагруаки, что и обеспечивает одина-

^»ч 'МП

--.. г,

С""-«--- -

ренциальных уравнений (1) и (г), после ряда преобразований, имеет вид : •

ОО

Ы - а1 (а1)

п-1

С - Со е - Тп, (6)

ПЧ (п-1)1

ко эм б к (-ьдп-1 где а - - , Ь--уг— г Тп - Тп-1--.

Л— ГО Щ

к*еОС-а1 ^ (а1)п _ьь (-1)(ЬЬ ,

В--(Ь1 - 1) ^ - е - 21, - +

Ь п-0 п! 1 т-0 т! *

к*еЬЪ-а1 (п+1)»1(а1)п _Ь(. с-!)"1 (ььГ ,

+ --- > _--- е - ----(7)

Ь п=и п1 . 1 гьО щ| 1

•В уравнениях:

Зо/Э1 - градиент концентрации Мп''4 в воде изменяющийся по толщине слоя, ва счет образования на поверхности адсорбционного каталитически активного слоя ив растворенного в воде Мпс+; Эс/^Ь-градиент

концентрации Мп в воде изменяющийся по времени; 5м-удельная поверхность верен модифицированной вагруэки, приходящегося на единиц объёма загрузки ;. С - содержание растворенного двухвалентного марганца в воде; - диаметр частицы гидроксида марганца; Уо - объём вагруэки; Тмп - плотность осадков гидроокиси марганца; К| - константа скорости окисления адсорбированного

Р+

Мп ; К - константа равновесия адсорбции .( адсорбционный коэффициент);' К0- К|К; К*- ?.,24 сО V (С0-С ); - площадь фильтра, м^; Со - общее количество марганца, поступающего на фильтр, мг/л; - динамическая вязкость, г/см, с; 1х - фактическая высота загрузки, м; V- скорость фильтрации м/ч ; 1 - высота слоя эагруа-, ки, которая определим теоретически по (¡ормул*, полученной из ос-'

нобного уравнения теории деманганации.

Полученные уравнения (5),(6),(7), дают возможность расчи-тать основные параметры установки предложенной для очистки подземных вод от марганца. Для определения высоты фильтрующего слоя предложена формула:

V (1пС0 - 1пС)

1--(8)

Ко 5м

Для определения продолжительности фильтроцикла (Ь) воспользуемся формулой (5). Тогда I равно.:

1п«нпр- +1 >

I - - , час, (9)

0,000616 о0Зму

где Нпр- предельно допустимая.потеря напора в фильтре, м.

Сопоставление теоретических данных с опытами, проведенными на экспериментальных установках, показывает, что значения, вычисленные по формулам (С), (в), и (9) совпадают, расхоедения не превышают 10

В третьей главе дано описание процесса приготовления модифи-.цированной загрузки , и найдены необходимые условия образования феррита марганца. Якспериментально установлено, оптимальное соот-

О I П.

ношение между ионами Гес и Мис , при котором образуется феррит марганца, обладающий, высокими адсорбционными и каталитическими свойствами по отношению к ионам двухвалентного марганца.

Основными моментами процесса приготовления модифицированной загрузки являются: приготовление ферритовой суспензии; приготовление дробленного керамзита; ■ смешивание ферритовой суспензии с керамзитом; сушка модифицированной загрузки.

Так как рабочая* способность модифицированной загрузки во многом зависит от качества модификатора ее поверхности, то для

этой цели проведен ряд исследований, при которых химическим путем получали разные модификаторы (МпОо, МпО Ге^Од, СиО Ге^Од, Г304),

с последующим нанесением их на поверхность керамзитовой загрувки. На рис.1, представлена технологическая схема получения ферритовой суспензии.

Рис. -1. Технологическая схема получения ферритовой суспензии

• Рентгеютструктурный анализ, образованного при различных условиях феррита марганца указывает на присутствие двухвалентного марганца в кристаллической структуре. Замещение двухвалентного железа в структура магнетита двухвалентным марганцем влечет эа собой д-ф|] 1мацию кристаллической решетки, что приводит к увеличении клпялитич^оких свойств ф'ррита марганца по сравнению с Магне-

ТИТОМ.

В целях решения поставленных задач по удалению марганца фильтрованием через модифицированную загрузку использовали различные лабораторные фильтровальные установки. В работе дается подробное описание экспериментальных установок, которые использовались для очистки ьоды фильтрованием и для получения феррита марганца. Конструкция фильтровальных установок позволила максимально сблизить лабораторные условия к производственным.

Приведены методики исследований, химических анализов и обработки экспериментальных данных. Исследования процесса демангана-ции воды фильтрованием проводились на экспериментальных установках, принцип работы которых сводит ошибки измерения до минимума, так как на установке сравнения различных видов вагруаок, все загрузки находились в равных условиях и имели одинаковые исходные параметры Фильтруемой воды.

Дли исследования процесса деманганации различными загрузками, использовали маргпнцеоодермлщие воды п широким пределом изменений исходных параметров. Для приготовления исходной воды в лабораторных условиях., мы использовали дистиллированную и водопроводную воду, с изменением ее параметров (Г'Н> концентрация

Oi

Mir , температура) в зависимости от проводимых, исследований.

Изменение концентрации марганца в исходной воде колеблется в широких пределах (до 16 мг/л).

Для приготовления растворов использовали сульфат марганца MnS04 GHgO класса Ч Д. А.

Для получения достоверных результатов о ходе ф>изико-химического процесса деманганации установлены погрешности проведенных экспериментов на кавдом этапе, так как в исследованиях имели место физические и химические измерения. Таким образом, определение <5'

содержания марганца в различных пробах осуществлялось с учетом погрешности измерений и на его основании сравнивается эффект де-. манганации различными вагрувками. Рабочая формула, используемая для определения содержания марганца, содержит в себе три прямых измерения, два для объема и один для концентрации, что способствует уменьшению погрешностей при проведении экспериментов с помощью точных приборов.

В четвертой главе представлены результаты экспериментальных исследований по определению основных закономерностей процесса де-манганации подземных вод.

Исследования проводились в два этапа: первый этап включал в себя сравнение эффектов очистки воды между загрузками, покрытыми различными модификаторами. Выбор модификатора, проводился на основании исследований, начальным этапом которых является поиск ' инертной вагруэки с развитой поверхностью, которая могла бы служить основой для нанесения модификатора. В результате поиска мы остановились на керамзите, который, имея развитую удельную поверхность и пористую структуру является наиболее эффективной основой для нанесения модификаторов.

Задача исследований состояла в подборе эффективной модифицирующей пленки , так как основой модифицированных загрузок являлся керамзит. Выбор эффективной модифицированной загрузки сводится к выбору'эффэктивного модификатора.'

Для определения оптимального модификатора использовалось несколько химических соединений, имеющих сродство к ионам двухвалентного марганца и, обладающих адсорбционными свойствами по отношению к ним. Выбор этих соединений опирался на теорию адсорбции и на факторы, влияющие на адсорбционные способности этих соединений при их нанесении на керамзитовую загрузку.

В качестве модификаторов окисления двухвалентного марганца,

в процессе сравнения работоспособности различных загрузок, использовали следующие химические соединения: 1) магнетит ГеСЖе^Од;

2) двуокись марганца МпО^; 3) феррит марганца МпОГврОд; 4) феррит

меди СиОГе?03.

В результате нанесения этих модификаторов на керамзитовую загрузку, получили модифицированные загрузки. Для наглядности процесса деманганации и сравнительной оценки работы загрузок, в качестве пятой загрузки использовали ^модифицированный' керамзит. Установка сравнения эффекта очистки воды различными загрузками включала пять сравниваемых колонок, работающих в одинаковых режимах фильтрации.

С увеличением скорости фильтруемой воды, наблюдается сниже-' ние эффекта очистки.(рост остаточной концентрации марганца). Это связано с тем, что при высоких значениях скорости ионы двухвалентного марганца находятся под действием двух сил: силы притяжения отрицательно заряженной поверхности модифицированной загрузки, ( ионы двухвалентного марганца положительно заряжены ) и силы, связанной с тем, что растворенные ионы марганца, находясь в движущем потоке воды, приобретают скорость растворителя (вода). Поэтому к поверхности загрузки будут притягиваться те ионы, у которых в силу обстоятельств; скорость уменьшается до оптимальной, только тогда происходит адсорбция этих ионов, а затем их окисление, благодаря высокому электрическому потенциалу поверхности загрузки и растворенному кислороду в фильтруемой воде. Растворенный двухвалентный марганец после окисления переходит в нерастворимые соединения, которые, в свою очередь, являются катализаторами окисления марганца. Образованные нерастворимые соединения также адсорбируются на поверхности загрузки, таким образом, .удельная поверхность модифицированной загрузки возрастает в ре-

вультате прикрепления каталитических соединений марганца на рабочую поверхность модифицированной загруэки. Увеличение скорости фильтрации воды сокращает время прибывания обрабатываемой воды в аагруэке, что и уменьшает вероятность столкновения компонентов

исходной воды с поверхностью аагруаки (молекулы Мпгч с молекулами поверхности модификатора).

Исходные показатели качества обрабатываемой воды играют главную роль в процессе очистки, поэтому для определения параметров технологического процесса проведен ряд экспериментов. Исходную, воду при разных значениях рН, фильтровали черев напорную установку, оставляя все остальные параметры фильтрации постоянными (скорость, концентрация Мп2| температура, крупность, высота слои). На основании экспериментальных исследований выяснены зависимости эффекта очистки и остаточной концентрации от рН исходной воды.

Анализируя, полученные результаты можно сказать, что с увеличением рН обрабатываемой воды увеличивается аффект очистки, а

О!

остаточная концентрация Мп в фильтрате уменьшается(рис.2). Объяснение этого явления напрямую связано с иэоэлектрическими точками модификаторов, нанесенных на поверхность керамзита. Графики

зависимостей эффекта очистки и остаточной концентрации Мп' + от рН исходной воды, построенные для керамзитовой эагрузки служат подтверждением -выше сказанного, так как иаоэлектрическая точка до рам -■зитовой загрузки при рН - 6,9 равна нулю. Это означает, что электрический отрицательный потенциал керамзитовой аагруаки при рН-6,9 имеет очень малое значение, поэтому поверхность керамзито-■ вой загруэки будет отрицательно варяжена только при значениях рН>6,9 и только после поверхность керамзитовой вагруоки

начинает адсорбировать положительно заряженные ионы двухвалентного марганца, где после адсорбции происходит их окисление раотио-

0. б 7 .7.6 ,8 8.5

рН ОБРАБАТЫВАЕМОЙ ВОДЫ РИС.2. ЗАВИСИМОСТЬ ЗМЕКТА ДЕМАНГАНАЦИИ ОТ рН ВОДЫ, ПРИ ПОСТОЯННОЙ ВЫСОТЕ ФИЛЬТРУЮЩЕЙ ЗАГРУЗКИ, ренным в воде кислородом. Таким .образом, высокий эффект очистки воды от марганца,' полученный на фильтрах с загрузками, модифицированными диоксидом марганца МпО£ и ферритом марганцем МпОГеоО^,

объясняется тем, что у этих веществ изоэлектрические точки находятся в пределах от 2 до 4, где значение обирго заряда поверхности равно нулю.

С увеличением ' рН воды увеличивается отрицательный заряд поверхности этих веществ, благодаря которому поверхность мож^т притягивать к себе положительно заряженные ионы двухвалентного мар-

ганца, способствовать его окислению и задержанию на поверхности . аагрузки и в её порах, в случае применения загрузки с пористой структурой (керамзит). ' Низкий аффект демангакации воды при фильтровании через пористую керамзитовую загрузку является результатом отсутствия модификатора на его поверхности. Средний аффект очистки у магнетита ГеОГв20д связан с тем, что у него сравнительно высокая изоэлектрическая точка, которая равна 6,5.

Более низкий эффект очистки воды от марганца, полученный при применении аагруэки, модифицированной СиОРе^Од вызван иэоэлектри-

ческой точкой, с одной стороны, и природой СиОРе^Од, с другой

стороны. Еще один, немаловажный фактор состоит в том, что соединение Си0Ре20д не имеет большого сродства к ионам марганца как,

например, при использовании' МгЮге^Од и М.1О0, у которых имеется

Р+-

сродство к ионам Мп ,что способствует интенсификации процесса адсорбции.

Исследовано влияние температуры исходной воды на процесс фильтрации. Дано объяснения этой закономерности и его взаимосвязь с другими параметрами исходной воды .

Подземные воды, находясь на больших глубинах сохраняют стабильную температуру, однако, нам представлялось важным определе-. ние поведения модифицированных загрузок при разных температурах исходной воды. С этой целью проведены эксперименты для определения закономерности деманганации воды различными загрузками при разных температурах. Интервал изменения температуры исходной воды колебался от 8 до 60°С. Результаты исследований показали, что

увеличение аффекта очистки в пределах от 10 до 30 С0 незначительное. и составляет 5,5% от начального значения (при использовании феррита марганца для модификации), а с ростом температуры ( с 30

до 50 С0 ), интенсифицируется процесс окисления двухвалентного марганца, что приводит к высокому эффекту очистки, где увеличение составляет 17,2%.

Рассмотрена закономерность влияния геометрической крупности на процесс деманганации, дано объяснение физико-химических предпосылок такого влияния и его связь с другими параметрами фильтрации.

Керамзитовая загрузка, после нанесения слоя модификатора (катализатор окисления), находясь в водной среде, образует гетерогенную дисперсную систему. На поверхности твердой фазы этой системы происходит процесс окисления двухвалентного марганца и переход его в четырехвалентный, вследствии ряда поверхностных явлений, описанных ранее, где нанесенная пленка (катализатор) выступает в качестве ускорителя химических реакций, происходящих на поверхности загрузки, т. е. на поверхности модификатора. Отсюда следует, что активность катализатора зависит от величины удельной поверхности, поэтому катализатор должен обладать пористой структурой или находиться в сильно раздробленном (высокодисперсном) состоянии.

Проведено исследование особенности промывки модифицированных загрузок, так как отличительной способностью модифицированных загрузок является развитая поверхность зерен. Но для того, чтобы понять особенности промывки модифицированных загрузок материал изложен в виде сравнения с традиционной загрузкой - кварцевым песком.

В исследованиях, проведенных нами над модификацией рабочей поверхности керамзитовой загрузки, уделяется внимание сохранению ее развитой поверхности. Так как острые выступы в шероховатой поверхности керамзитовой загрузки в результате нанесения слоя модификатора слегка сглаживаются, то это и обеспечивает уменьшение'

степени ее истираемости.

Нанесение ■ слоя модификатора увеличивает объемный вес керамзитовой загрузки на 10-25% в зависимости от пористости загрузки и применяемого модификатора. Увеличение объемного веса загрузки дает ьозможность увеличения интенсивности промывки, что и позволяет получить качественную регенерацию загрузки (рис.3).

Крупность зерен, мм рис.3. Зависимость интенсивности промывки от крупности верен керамзитовой и модифицированной, загрузок при 40-4К-ном расширении слоя ( эффект регенерации 100%, температура 10° С ). 1,£,3,-Дробленный керамзит с объемной насыпной массой гранулированного материала соответственно 276, С£б, 800 кг/м; 1а,2а,За -то же после нанесения слоя модификатора.

Результаты исследований показали, что величина интенсивности промывки изменяется в зависимости от объемной массы загрузки, и от природы нанесенного модификатора ( в . пределах от 4 до 1С

о

л/с. м ). Для оптимальной аагрузки крупностью (2,5-3,5 мм), интен-

сирность промывки составляет 12 л/с. м2, рекомендуемое время нро-

q п

мнрки 10 мин, расход воды на одну промывку У, 2 м'Ум^.

Приведены исследования закономерности потери напора в слое модифицированной эагрузки.

Образование нерастворимых соединений на поверхности загрузки уменьшает ее пористость, вплоть до заполнения пор. Это влечет за собой увеличение потери напора в толт? загрузки и в момент, когда потеря напора достигает максимально допустимого значения, прекращается подача воды на фильтр и наступает момент его промывки.

Отключение фильтра по достижению предельно допустимых значений потери напора улучшает процесс. эксплуатации очистных сооружении и гарантирует требуемое качество воды на выходе. Таким образом продолжительность фильтроцикла определяется как количество часов между началом пуска фильтра и моментом достижения предельно допустимых значений потери напора.

Определена, исходя из сравнения эффекта работы загрузок разной крупности, оптимальная крупность ( 2,5-3,С мм ), так как увеличение интенсивности восходящего потока воды обеспечивает качественную промывку загрузки, что невозможно получить при меньшей крупности. Кроме того, удельная поверхность при крупности вагруз-ки 2,5-3,5 мм, обеспечивает требуемый эффект очистки, который не удается получить при большей крупности.

Полученные результаты на экспериментальных установках, совпадают с теоретическими значениями, расхождение не превышает 10%.

В пятой главе выполнен технико-экономический рясчет предлагаемого метода деманганации подземных вод в виде сравнения с известным методом, при котором используется пермангянат калия для окисления. Количество обрабатываемой воды по базовому и предлага-

q

емому вариантам одинаково и равно "50 м /сут.

В состав очистных сооружений базового варианта входят: блок напорных фильтров, загружаемых крупнозернистым песком с диаметром зерен 1-Е мм и высотой фильтрующего слоя 1200 мм; реагентное хозяйство; ревервуар чистой воды; резервуар промывной воды.

Новое решение предусматривает деманганацию подземной воды фильтрованием через модифицированную загрузку. 13.состав очистных сооружений предлагаемой технологии входят: блок напорных фильтров, загружаемые керамзитом с модифицированной поверхностью с диаметром зерен 2,6-3,6 мм и высотой фильтрующего слоя 1.200 мм; резервуар чистой воды; резервуар промывной воды.

Результаты сравнения двух вариантов показывают, что годовой экономический эффект от внедрения предлагаемой технологии очистки ьоды от марганца на одной станции в ценах по'состоянию на 1 января 1990 года, составляет 14,143 тыс. руб.

ОСНОВНЫЕ выводи

1. На основании анализа существующих методов деманганации подземных вод и проведенных экспериментальных.исследований, показана эффективность применения' модифицированной загрузки для удаления марганца, как самостоятельный метод деманганации.

2. Полученные, в результате экспериментов,данные, подтвердили правильность математической модели, что дало возможность разработать методику расчета (плош/ади фильтров, высоты фильтрующего слоя,продолжительности фильтроцикла,потери напора), в вависимоети от исходных параметров воды.

3. Исследования, проведенные над процессом образования феррита марганца позволили установить оптимальные условия получения модификатора, имеющего высокие адсорбционные • и каталитически^ свойства.

4. Рентгеноструктурный анализ проб феррита марганца указывает на вхождение двухвалентного марганца в структуру магнетита с деформацией кристаллической решетки, что увеличивает адсорбционную способность загрузки.

5. Низкая изоэлектрическая точка модификатора, нанесенного на поверхность керамаита позволяет очищать при рН < 7.

6. Применение модифицированной загрузки интенсифицирует процесс окисления растворенного двухвалентного марганца, что приводит к высокому эффекту очистки воды.

7. Использование загрузки с пористой структурой (керамзит) в качестве подосновы для модификатора предотвращает образование ва-илованых зон в фильтре, что дает возможность использовать весь объем фильтра.

8. Отличительной особенностью предлагаемой технологии очистки воды от марганца фильтрованием через модифицированную загрузку является отсутствие реагентного хозяйства в технологической схеме.

9. Экономический эффект от внедрения предлагаемой технологии очистки воды от марганца на одной станции в ценах по состоянию на 1 января 1990 года, составляет 14,143 тыс.руб в год .

По.теме диссертации опубликовано шесть научных работ.

1. Джниди дуссин Али. К вопросу очистки воды от марганца //Тезисы докладов 52-й научно-практической конференции профессорско-преподавательского состава аспирантов и студентов. - Киев,• КИСИ, 1991.

2. Джниди Хуссин Али. Очистка воды от марганца //Тезисы докладов БЗ-й научно-практической конференции профессорско-преподавательского состава аспирантов и студентов. - Киев, КИСИ, 1992.

. 3. Лжниди Хуссии Али. Удаление марганца из . подземных' вод.//Тезисы докладов Б4-Й научно-практической.конференции про-,

фессореко-преподавательского состава аспирантов и студентов. Киев, КИСИ, 1993.

4. Терновцев В. Е. , Джииди Хуссин Али. Сушка модифицированной загрузки воздушно-термическим способом. //Тезисы докладов 54-й научно-практической конференции профессорско-преподавательского состава аспирантов и студентов. - Киев, КИСИ, 1993.

Б. Терновцев В. Е. , Джниди Хуссин Али. Деманганация подземных вод фильтрованием через модифицированную загрузку. Статья, принята к печати N 263-УК-93 УкрШИНГИ от 25. О?.. 93. '

6. Юрков Е. В. , Ддаиди Хуссин Али.. Сушка модифицированной загрузки ь кипш1|£М слое. Статья,, принята к печати И 263-УК-93 УкрШ-ИНТИ от 25. 02. 93.