автореферат диссертации по строительству, 05.23.04, диссертация на тему:Модификации загрузки зернистых фильтров в электрическом поле

МОСКОВСКИЙ ОРДЕНА ТРУДОВОГО КРАСНОГО ЗНАМЕНИ ШШЕИЕРНО-СТРОИТЕЛЬНЫИ ИНСТИТУТ ш.В.В.КУЙБЫШЕВА

На правах рукописи

АЛЬ ГАЗО ФЕЙСАЛ

МСДОИКАЦИЯ ЗАГРУЗКИ ЗЕРНИСТЫХ ФИЛЬТРОВ В ЗЛЕКТНИЕСКШ ПОЛЕ

Специальность 05.23.04 -

Водоснаб.тен: , канализация, строительные системы охрани водных ресурсов

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата техгагчеоких наук

Москва - 1991

Работа выполнена в Московском Ордена Трудового Красного Знамени инженерно-строительном институте им. В.В. Куйбышева.

Научный руководитель

Официальные оппоненты

- кандидат технических наук Б.Н. Фрог

- профессор, доктор технических наук С.А. Шуберт

- кандидат технических нчук В.В. Катаев

Ведущая организация

Защита состоигоя

- МосводоканалНШпроект, адрес : г.Москва, Плетешковский пер., д.З

■ 1 $ " ¿>

1991 г. в "

час

на заседании специализированного совета К 053,11.С8 в Московс инженерно-строительном институте им. В.В. Куйбышева по адресу 113П4, Москва, Шлюзовая наб., д. 8, МИСИ им. В.В. Куйбышева, пуд. № I$ •

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке института

Просим Вас принять участие в защите и направить Ваш отзы в двух экземплярах по адресу : 129337, Москва. Ярославское рс се, д. 26, ШКИ им. В'.В Куйбылева, ученый совет.

Автореферат разослан •м- ь 1991 г. /

Ученый секретарь специализированного совета кандидат технических наук, доцент

В.А. Орлов

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работ». Качество хозяйственно-питьевой воды, "--поступающей к. потребителю, определяется эффектом во очистки на коночном этапе, в качестве которого на водоочистных станциях слуют фильтры с зернистой загрузкой. Последняя но всегда обоо-печиБает выполнение своих задач, ссобегаю в отношении удаления из воды органических соединений алюминия и хлора, а также ряда примесей, попадеющих в водоисточники от промышле1инх предприятий ц агрокомплексов.

Поэтому весьма актуально разработать и внедрить метод повышения эффекта очистки води в зернистых фильтрах. ;;

Основная цель исследований заключалась в разработке указанного метода в качестве которого предложена реагентиая модификация зернистой загрузит фильтра в электрическом поле.

Для достиженья цели било принято:

- изучение механизма комплексного воздействия ,на процесо модификация химических реагентов и электрического поля;

- определегаш параметров процесса модификации;

- определение эффективности метода;

- теоретический анализ процессов комплексной модификации загрузки фильтра;

- разработка рекомендаций по реализации метода;

- определите некоторых техшгео-зконог/тсческих аспектов метода.

Научная новизна работа заключается в следующем:

- предложен комплексный метод модификации загрузки зернистого фильтра в электрическом поло;

- дани теоретические анализ и обоснова!Ш9 метода;

- определега1 сферы его применения;

- получит,' материалы для описания природы и мохакизма процессов комплексной модификации зернистой загрузни;

- разработаны методы расчета метода.

Практическая значимость:

- вследствие увеличения сил адгезии - значительное повышение эффекта очистки воды;

- уменьшение на 50% расхода реагентов на модификацию загрузки фильтров;

- увеличение длительности фильтроциклов и снижение расхода воды на промывку.фильтров в два раза по сравнению с модификацией загрузки без злектрополя;

- расширение сферы применения фильтров без предварительного отстаивания и обработки воды коагулянтами цри исходной' мутности воды до 100-150 мг/л.

г Внедрение - пока нет.

Апробация работы. В течение шести месяцев в 1990 г. проводились испытания метода на опытно-производственной установке на научной базе 1ЛИСИ б г.Осташкове.

Публикации. По результатам исследований принята и включена в публикацию в Л 7 журнала "Химия и технология воды" АН УССР в 1991 г. статья "Влияние электрического поля на коагулят".

Объем работы.Лдссв'ташя состоит из введения, пяти разделов, выводов, списка литературы и прилояеня. Работа изложена ка 124 отр. машинописного текста, содержит II таблиц, 21 рис., приложения. Список литературы включает 128 наименований.

На защиту выносятся следующие вопросы:

- теоретическое обоснование методы комплексной реагентной модификации загрузки зернистого фильтра в электрическом поле;

- результаты лабораторных и опытно-производственных исследований метода комплексной модификации загрузки фильтров в зернистом фильтре;

- рекомендации по реализации метода;

- технико-экономические аспекты метода.

: СОДЕРЕШЕ РАБОТЫ

Во введении даны краткая оценка проблемы и перечень методов, применяемых для ее решения; намечено направление исследований.

Первая глава имеет три раздела. В первых двух даны обобщение и анализ литературных материалов по реагентной модификации загрузки зернистого фильтра и по коагуляции в свободном объеме воды в электрическом поле. Наиболее крупные работы по первому вопросу принадлежат В.С.Оводовой, Г.И.Еиколадзе, В.В.Комкову, С.М.Левитину, а по второму - И.Л.Повху, Н.А.Бнчнну, В.И.Безру-ку, С.С.Духину, О.Г.Усъяров^.

На базе этих разделов била принята цель диссертации - повышение эффекта и экономичности работы зернистых фмьтров и обоснован метод ее достижения посредством реагентной модификации фильтрующей загрузки в комплексе с воздействием на нее и на реагент электрического поля. В третьем разделе сформулированы и детализированы задачи работы, соответствующие указанным в начале нашего автореферата целям.

Вторая глава такта имеет три раздела. В первом дана подробная разработка программы и методики исследовашй, а также чертеж опнтно-пропзводстветюго стецца для выполнения экспериментальных исследова:тй о подробными расчетами ого элементов.

Второй раздел посвящен лабораторным опытам по,изучению влияния электрического поля на физические параметры н свойства коагулята в свободном объеме. Опыты вели в двух стекляшгых цилиндрах. В каждом проводилась одинаковая обработка воды коагулянтов, причем, в одном из гак (эталонном) без электрического поля, а в другом - с полем. В качестве коагулянтов были использованы сульфат алюминия и хлорное жолезо, без добавки и с добавкой едкого натра, боз добавки и с добавкой тонкодиспорсной глины. После введения в воду указанных веществ и перемешивания во втором цилиндре размещали два перфорированных металчических электрода. Нижний электрод - у дна цилиндра служил катодом, а верхний (на 5 мм шшо уровня воды) - анодом. Тут ко включали систему элект-ропитатш и контроля и вели наблвдешгя и измерения: а) начала хлопьеобразования; б) момента образования верхней граш:цы слоя коагулятп; в) момента стабилизации веригой границы слоя осадка; г) прозрачности и величины р!1 осветленной вода; д) высоты слоя и объема осадка; о) массы твердой фазы в слоо осадка (весовым методом после фильтрования через бумаишй фильтр и высушивания осадка при 1С5°С).

Зятем вычисляли уделыше массы твердого вощества в осадко по формулам

. г/мя - ^ г/мл,

где: 6, и б» - массы сухого твердого вещества в осадке, полученном боз электрополя и с полем, г; Ь - высота слоя осадка, см; - площадь стеклянного цилиндра, см2; и - удель-

те массы твердого вещества в осадке без электрополя и о полем.

Измерения похазали, что электрическое поле увеличивает в полтора раза для сульфата алюминия, а для хлорного железа примерно на 9С$, что можно объяснить более благоприятными для действия поля электрическими свойствами коагулята железа.

Вторая серия опытов в цилищрах имела целью изучить влияние электрического поля на различные: стадиях процесса коагулирования и образования осадка. Для этого опыты вели в три этапа (цикла). В первом поле включалось на все время опыта, во втором -только после образования четкой верхней границы слоя коагулята и в тротьем - только после стабилизации высоты слоя осадка. В результате опытов установлено, что наибольшее влияние на величину Ч£, ■ имеет наложение электрополя в течение всего опыта, т.е. растворенного и коллоидного состояния фаз коагулята, Еде действуют электрофорез и поляризационная коагуляция до стабилизации объема осадка. Это оказывает влияние на характер начальных стадий структурообразования и способствует дегидратации структур коагулята.

На втором из указанных этапов - первичный осадок дополнительно уплотняется поляризационным снатием каркасов ячеек структур осадка и вытеснением из них воды. То же происходит и на третьем этапе, но в меньшей степени вследствие упрочнения и старения каркасов структур и увеличения гидравлических сопротивлений двияению воды, вытесняемой из слоя осадка.

В силу рассмотренных явлений наибольшее увеличение происходит при действии электрополя на коагулят в течение всего периода от начала до окончания рассмотренных этапов процесса.

Таким образом, в результате данных исследований получены данные по качественной и количественной характеристике природы и механизма явлений, происходящих при наложении электрического поля на'коагулят и влияющих на его свойства и параметры.

Во втором раздело даны результаты экспериментальных исследований в динамических условиях. Опыты вели на стенде, включающем в себя две модели фильтров, диаметром 100 мгл, высотой 2 м. Фильтрующая загрузка из песка имела крупность зерен 0,7-1,5 им, с эквивалентным диаметром 0,9 мм. В очищаемую воду из механической мешалки непрерывно дозировалась суспензия тонкодисперсной глины из расчета создания ¿сходной мутности воды 100 да/л. Рас-

ход воды чероз кавдый фильтр 60 л/чао, скорость фильтрации -7 м/час.

Методика экспериментов следующая. Загрузку моделей заполняли снизу вверх модифицирующими растворами сульфата алюминия, а затем на одной модели включали на 10 мин электрическое поле. После этого загрузки промывали обратным током воды и начинали процесс фильтрации, Кавдый час проводили определения: содержания взвеси в исходной воде и в фильтрате, потерь напора по высоте фильтров по пьезометрам,.расходов води через модели. Эпизодически определяли температуру п рН исходной и очищенной водн.

Фильтроцикл в каждой модели проводили до появления в очищенной воде мутности 3-3,5 мг/л о учетом большого пристеночного эффекта для моделей. Для наших моделей удельная площадь пристеночной зоны в 10 раз больше, чем для фильтра, диаметром I м.

. Модификации загрузок вели по вариантам концентраций растворов сульфата алшиния 0,5; I и 2%. Параметры электрополя имели варианты - сила тока 7 и 12 миллиампер/дм2; напряжение 30 и 60 вольт. . '

Испытания моделей вели по следующему режиму. После исчерпания осветляющей способности одной из моделей ее выключали из работы, а по исчерпании этой способности и у другой модели проводили обратные промывки обоих фильтров и начинали следующий цикл фильтрации.

Постепенно длительность фяльтроциклов уменьшалачь и пооле сокращения их до практически неприемлемых величин загрузки промывали, модифицировали, опять промывали и начинали новую серию опытов по указанным выше циклам.

Всего проведено три серии опытов о 4-5 циклами в каждой, а всего 14 циклов для модели с электрополем с общей длительностью фильтрации 366 часов и 12 циклов для модели без пбля с длительностью 188 часов.

По потерям напора были определены гидравлические уклоны. На рис. I приведены результаты определений для обеих моделей в функции от времени по каждому .циклу второй серии опытов. Гидравлические уклоны взятн для верхней части загрузок, так как ниже их значения уклонов роэко падают.

Постепегшое уменьшение длительности фяльтроциклов между промывками объясняется частичным удалением активной модифицирующей пленки промывной водой. Последующие модификации полностью вое-

— I к»

3»

КЗ а

-с Г)

о

2 В

1

\ \

1 \

1 1 ! 4

\ ! \ СА

> \

у 1 <ь ; з: го

-а ; о П .-■

1 ь » . 2-я сер 1 )ИЯ опытов

о

ю

*

«л

о

5

м

?

д

СП

ш

го

о

в

■Л.

м СП

е

е*

о

С*

м

к

с*

СП

а

-с о> ■к

о

сг •й-

-с»

1 1

- -■ 1 . 1

Л~Л »

1

СП

\ :

.....— __¿Е??

V

ч0 :

О -| о ----- --- \г -

(0 — зе — к>

-) "С

о Э 1

о э 1

■ л ? 1

2-я серия опытов

ы

а Ы

И -+>

г?

3

о 8

о 2

I

Ш , I

- 9 -

станавливают адгезионную способность фильтра.

По данным всех серий опытов были проведены расчеты удельных значений грязеемкости фильтров 6»д в кг/м2; расхода фильтрата м^/м2 и расхода коагулянта на модификацию К*д г/м3 воды.

Результаты этих расчетов, также как и приводошше выше длительности фильтрации в сериях опытов свидетельствуют о том, что модификация загрузки в электрическом поле гхо сравнешпо с модификацией без электрополя вдвое увеличивает качество очистки води, удельную грязеемкость фильтров и длительность фильтроциклов и вдвое С1шжаот расход промывной воды я потребность в коагулянте для модификации загрузки фильтра.

В третьей главе изложены теоретические аспекты процесса модификации зернистой загрузки в элоктрическом поле.

Сравнение полученных нами экспериментальных зависимостей гидравлических уклонов от времени для всех серий опытов показывает," что окончанию фшьтроцикла соответствует уклон t =6. Это означает, что остаточные пористости при этом одинаковы. Но так как скорости фильтрации и исходной мутности воды стабильны, а длительности фильтроциклов меняются, то следовательно, количество взвеси, задержанной загрузкой различна. При равенстве степени кольматацш загрузки, характеризуемой разностью исходной и конечной ее пористости am = ти -тОСт подобная закономерность может быть обусловлена лишь изменением массового содержания твердой фазы в осадке tto , кольматирующем загрузку.

Исходя из этого были проведены определения величин остаточной пористости то-, , объема осадка Woe и величины по следующей методике.

По формуле профессора Е.Ф.Кургаева был построен график i = . Затем по величине конечного гидравлического уклона, равного шести, определена остаточная пористость верхнего слоя загрузки, которая оказалась равной 0,24. С учетом неравномерности распределения кольматацип по высоте слоя средняя величина за-кольматировашюй пористости принята Дт = 0,21, а зная объем слоя загрузки Wc находим объем осадка, равный Woe'm,Wcm.

Далее по расходу воды за цикл и по исходному содержит в ней механических приесей находим массовое количество задерганной взвеси Gp г. Отсюда поделив Gp на Woe находим массовые содержат»! твердей фазы в осадке на зернах фильтра Х0 в г/мл.

- 10 -

Вычисления показали, что от цикла к циклу в каядой серии опытов величины У0 уменьшаются. Для загрузки с электрополем в среднем от максимума 0,78 г/мл до 0,28 г/мл, а без электрополя. от 0,51 до'0,15 г/мл. Среднее значение У, , в первом слу-ча"(»;:0-,б3'"г/ия, а во втором 0,33 г/мл, т.е. почти в два раза меньше. ;

Далее по методу профессора Е.ФЛСургаева были проведены вычисления весьма важного физического параметра - сил адгезии зерен загрузки. Ддя этого находим по известной формуле площадь поверхности ^ зерен загрузки в верхнем слое, зысотой 160 им. Зная указанный выше объем осадка, кольматирующего поры загрузки находим высоту слоя осадка, поделив данный объем на площадь получаем толщину слоя осадка. Она составила величину около 50 мкм. . .

Силу адгезии вычисляем по формуле

ЛАг * • Ь»в •'V. • 9 , дин

р

где д* - удельная площадь поверхности зерен загрузки - I см ; И« - высота слоя осадка, см; йв - указано ранее, г/мл; д = 981 см/сек2. ' .

Как показали расчеты, силы адгезия зерен загрузки также уменьшаются от цикла к циклу в кавдой серии опытов. Для загрузки с элоктрополем максимум /"»дг составлял около 4 дин, а минимум около 1,3 дин., в среднем около 2,6 дин. Для загрузки без электрополя соответствующее величины составляли 2,3; 0,5 и 1,4 дин.

Согласно данным Н.В.Оводовой в С.С Лошдого для гидрата окиси алгшния оилы адгезии составляют 1,4-1,7 ли::, что близко к нашим опредеюшм в опытах без электрополя. При наличии электрополя силы адгезии возрастают примерно вдвое, что соответствует рассмотренным вше соотношениям грязеемкостей, длительностей фильтроциклов и эф^юкта очистки воды. Следовательно, электрополе оказывает положительное влияние также на стойкость, прочное?ь и большую длительность сохранения эффекта модификации. Это указывает на возможное образование модифицирующей пленки из более сложных соединений, чем гидроокись алюминия.

В диссертации рассмотрено сие одно явление, могущее существенно влиять на процесс модификации загрузки фильтра в электрическом поло. Это образован, м гвдроксошя и эстафетная передача положительных зортдов протонов водорода в направлении от анода

к катоду. В результате может произойти усиление зарядов коагулята, образующих активную пленку на зернах загрузки и создание водородных связей между взаимодействующими коагулятом и зернами загрузки фильтра. Такая связь втрое больше, чем у сил Ван-дерваальса.

Вкратце мояно констатировать, что механизм процесса и эффективность модификации загрузки фильтра ь электрополе определяется не только электрофорезом и другими отмеченными ранее явлениями, но и комплексным воздействием поля на зерна загрузки и коагулят, их взаимодействием, активной сорбцией поверхностью зерен загрузки коллоидной фазы коагулята, возможным образованием особых активных соединений алюминия (или железа) и эстафетным механизмом изредачи положительных зарядов от анода к катоду.

■ Таким образом, получены не только количественные характерно-' тики процесса модификации, имеющие прикладное значение, по и освещение некоторых теоретических аспектов феноменологии процесса модификации загрузки фильтра в электрическом поле. Это расширяет и уточняет представления о природе и механизме процесса и позволяет установить некоторые его общие закономерности.

В четвертой главе даны рекомендации по технологическому и конструктивному решениям метода модификации фильтрующей зернистой загрузки в электрическом поле. Рекомендации следует рассматривать как предварительные и относящиеся только к одному реагенту - сульфату алшиния. Они подлежат дальнейшей разработке на базе исследований в лабораторных и производственных масштабах на разных по материалы и иным параметрам зернистых загрузках с использованием других видов реагентов и их сочетаний. При этом необходимо учитывать задачи очистки воды и требования к качеству очищенной воды.

В диссертации приведены две схемы оборудования электродами зернистых фильтров. 3 одном случае представлен фильтр с дренажной системой из перфорированных труб п с поддерзп-шагощим слоем из щебня-гравия. Здесь нижний электрод (катод) укладывается непосредственно па выравненную поверхность зернистого слоя. Нл второй схеме дренаяноэ устройство же от щелевые колпачки или пористые трубы. Здесъ катод укладывается на опоры. В обоих слу чаях верхние электроды (аноды) укладываются на опоры. Опоры сделаны в виде балок малого сечения из неэлектропроводного гатерса-

ла. Электроды устраиваются из металлических сеток с ячейками не менее 10 мм, не нарушающими гидравлику работы фильтров. Сетки должны иметь электропроводность и коррозионную стойкость-. В диссертации даны некоторые рекомендации по устройству покрытий поверхности металла оеток и по их обрашшшш. Крома того, даны указания по устройству роогоитного хозяйства для осуществления процесса модификации, а также рекомендащш по технологии процесса при использовашш для модификации-одного и двух реагентов. Для модификации загрузки зернистого фильтра сульфатом алюшпшя рекомендуются: крепость раствора 1%; сила тока 1,2 а/м2 площади фильтра, напряжение 50-70 вольт, длительность 10 г.ишут. При первичной обработке загрузки рекомендованы две повторило подпфика-ции, поело каядой из которых следуют обратные промывки загрузки. Последующая работз фильтра проводится по циклам фильтровагаш воды - промнвка-фильтровапие. Окончание кавдого цикла - по качеству фильтрата. Окончание серии циклов - при снижении их длительности до 12-16 часов. После этого проводится' модификация загрузки в электрическом поле.

В пятой главо приведен» некоторые технико-экономические показатели методы. С учетом специфики современного ценообразования данн лишь технологические параметры.

Для сравпшшя приняты очистка водн с мутностью 100 мг/л дая производительности станции 50 тис.ъР/сутки по трок варианта:.:: I) станция с горизонтальными отстоыш: а:.г.: и фильтрами с обработкой воды коагулянтом; '¿) станция о зе.очистымк фильтрами с реа-гентной их модификацией; 3) станция по г;.2 с модификащюЕ загрузки в электрическом поле. При атом 3-й вариант rio сравнению с первым дает годовую экономию коагулянта около полутора тысяч тонн и npoMimiioil води около 430 тыс.м^. Третий вариант по срав-нешш со вторым сокращает вдвое расход коагулянта и промывной води и значительно улучшает качество фильтрата. Расход элекаро-энергии на создашь электрополл штокен и составляет около 0,02 ватт на I м3 .".чищенной води.

ВШЗОДЫ

I. Создан iroEuii иетог повшешш эффективности и экономичности работы фильтров с ьорнистой загрузкой. Он состоит в г/одифика-ции загрузки растворами реагентов в электрическом поло.

2. Испытания показали, что данный метод по сравнению с обычной реагентной модификацией дает следующий эффект: вдвое увеличивает силы адгезии зерен загрузки, длительность фильтроциклов загрузки; вдвое снижает расход реагентов, промывной воды и электроэнергии (на эксплуатацию фильтров).

3. Установлены основные технические параметры метода, могущие служить исходными данными для проектирования и эксплуатации водоочистных сооружений.

4. Применение метода рекомендуется без коагулирования и предварительного отстаивания при мутнооти исходной воды до 100-150

мг/л. и цветности до 120°.

5. В результате экспериментальных и теоретических исследований составлена примерная феноменология природы и механизма процессов, создающих эффективные свойства пленки зерен загрузки в электрическом поле, позволяющая судить о закономерностях процессов.

6. Исследования по данному методу следует продолжить в области широкого спектра параметров качества исходной вода с целью разработки соответствующих этим параметрам оптимальных технических решений.

7. Даны рекомендации для модификации загрузки фильтра сульфатом алшиния: крепость раствора 1%\ сила тока 1,2 а/иг; напряжение 50-70 вольт; уделышй расход электроэнергии 0,02 ватт/м очищенной воды.

8. С учетом весьма значительных сил адгезии модифицированной загрузки гипотезируется возможность очистки воды от микропримесей и комплексных органо-минеральных вещество, что представляет собою однй из нерешенных в настоящее время проблем.

г

Подписано в печать 22.05.91 Формат 60x84 /16 Печ.офс. И-206 Объем Г уч.-изд.л. T.I00 Заказ^Л? Бесплатно

Ротапринт ШСИ им.В.В.Куйбышева