автореферат диссертации по строительству, 05.23.04, диссертация на тему:Модификация загрузки зернистых фильтров в электирическом поле

о

МОСКОВСКИЙ ОРДЕНА. ТРУДОВОГО КРАСНОГО ЗНАМЕНИ ШШШШО-СТЮ1ОТЛЬНЫЙ ИНСТИТУТ ш.В.В.КУЙБШЕЕА

На правах рукописи

МЬ ГАЗО ФЕЙСАЛ

МОдаЖАЦИЯ ЗАГРУЗКИ ЗЕРНИСТЫХ ФИЛЬТРОВ В ЭЛЕКТРИЧЕСКОМ ПОЛЕ

Специальность 05.23.04 -

Водоснабжэшю, канализация, строительные системы охраны водных ресурсов

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических паук

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.К. Фрог

- профессор, доктор технических наук С.А. Шуберт

- кандидат технических наук В.В. Катаев

Ведущая организация

Защите состоиюя

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

^ " & 1991 г. в " "

час.

на заседании специализированного совета К 053.II.C8 в Московски инженерно-строительном институте им. В,В. Куйбышева по адресу : 113114, Москва, Шлюзовая наб., д. 8, №ЮИ им. В.В. Куйбышева, ауд. Р & о2 .

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке института.

Просим Вас принять участие в защите и направить Ваш отзыв в двух экземплярах по адресу : 129337, Москва, Ярославское россе, д. 26, МЖИ им. В.В Куйбьсвева, ученый совет.

Автореферат разослан

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 еа очистки на конечном этапе, в качество которого на водоочистных станциях служат фильтры с зернистой загрузкой. Последняя но всегда обоо-печивает выполнение своих задач, особенно и отношении удалогаш из води органичеезенх соод :наний алкшния в хлора, а такта ряда примесей, попадающих в водоисточники от промшмешшх предприятий н агрокомплексов.

Поэтому весьма актуально разработать и внедрить метод повита пня эфоокта очистки води в зернистых фильтрах.

Основная цель исследований заключалась в разработке указанного метода в качестве которого предложена резгектиая модификация зернистой загрузки фчльтра в электрическом поло.

Для достижения цели било принято:

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

- определение параметров процесса моди$икоцим;

- оп редело шш эффективности метода;

- теоретический анализ процессов комплексной модификации загрузки фильтра;

- разработка рекомендаций по реализация метода;

- определение некоторых технико-экономических аспектов метода.

Научная новизна работи закллчаотся в следующем:

- предложен комплексный метод модифгеашга загрузки зернистого йяльтра в электрическом поле;

- дакн теоретические анализ и обоснование метода;

- определены сферы его применения;'

- пелучвш! материалы для описашш природы и шхакизма процессов комплексной модификации зернистой загрузки;

- разработай) методн расчета метода.

Практическая значимость:

- вследствие увеличения сил адгезии - значительное повнше-шю эффекта очистки води;

- уменьшение на 50/» расхода реагентов на модификацию загрузки фильтров;

- увеличение длительности фшьтроциклов и снижение расхода воды на прошвку, фиьтров в два раза по сравнению с модификацией загрузки боз рлектрополя;

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

г Внедрение - пока нет.

Апробация работы. В течение шести месяцев в 1Э90 г. проводились испытания метода на опытно-производственной установке на научной базе МЙСИ б г.Осташкове.

Дуб.тасмии. По результатам исследований принята и включена в публикацию з И 7 журнала "Химия и технология води" АН УССР в 1991 г. статья "Влияние электрического поля на коагулят".

Объем работа.Диссертация состоит из введения, пяти разделов, выводов, списка литературы и приложена. Работа изложена ка 124 стр. 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 аспекта метода.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

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

Первая удава имеет три раздела. В первых двух даны обобщение и анализ литературных материалов по реагентной модификации загрузки зернистого фильтра и по коагуляция 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.Бычину, В.Й.Безру-ку, С.С.Духику, О.Г.Усьяров,.

На базе этих разделов била принята цель диссертации - повышение эфйекта и экономичности работы зернистых <]>!Льтров п 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 легализированы задачи работы, соответствующие указанным в начале нашего автореферата целям.

Вторая ^лава такта ш/чет три раздела. В первом дана подробная разработка программы и методики исследоваюй, а также чертеж опыгно-производстЕвтюго стенда для выполнения экспериментальных исследований с подробными расчетами ©го элементов.

Второй раздел посвяшен лабораторным опытам по изучению влияния электрического поля ка фмкчасгага параметра и свойства коагулята в свободном объеме. Опыта вели в двух стеклянных цилиндрах. В каддом проводилась одинаковая обработка води коагулянтов, прячем, в одном из 1шх (эталонной) без электрического поля, а в другом - с полем. В качестве коагулянтов били .использованы сульфат олшшпш и хлорное жзлезо, без добавки и о добавкой едкого натра, боз добавил и с добавкой тоикодкспорсной глины. Поело введения в воду указанных веществ и перемешивания во втором цилиндре размещали два перфорированных мотшшгчэских электрода. Нижний электрод - у дна цилиндра служил катодом, а верхний (на 5 мм Ю!ке уровня воды) - анодом. Туг яо включали систему олекг-ропиташш и контроля и вели наблюяештя и измерения: а) начала хлопьеобразоваиия; б) момоста образовать верхней грткиу слоя коагулята; в) момента стсбилизащги верхней границы слоя осадка; г) прозрачности и величины рН осветленной води; д) высоты слоя и объема осадка; о) кассы твердой фазы в слоо осадка (весовым истодом поело фильтрования чорез бумажный фиьтр и высушивания осадка при 1С5°С).

Затем вычисляли уделъшю массы твердого вещества в о с ада о по формулам

' ^ Г/Ш! И - ^ Г/МЛ,

где: б, и бэ - массы сухого твердого вещества в осадке, полученном без элактрополя я с полем, г; Ь - высота слоя осадка, см; + - площадь стеклянного цилиндра, см2; й< п - удель-

ине массы твердого вещества в осадке без злектрополя и с полам.

Измерения показали, что электрическое поле увеличивает в полтора раза ¿ля сульфата алюминия, а для хлорного железа примерно на 902, что мозсно объяснить более благоприятными для действия поля электрическими свойствами коагулята железа.

Вторая серия опытов в цилиндрах имела целью изучить влияние электрического поля на различит стадиях процесса коагулирования и образования осадка. Для этого опыты вели б три этапа (цикла). В первом поле включалось на все время опита, во втором -только посла образования четкой верхней границы слоя коагулята и в третьем - только после стабилизации высоты слоя осадка. В результате опытов установлено, что наибольшее влияние на величину Я,' имеет наложение электрополя в течение всего опыта, т.е. растворенного и коллоидного состояния фаз коагулята, где действуют электрофорез и поляризационная коагуляция до стабилизации объема осадка. Это оказывает влияние на характер начальных стадий структурообразоваяия и способствует дегидратации структур коагуляте.

На втором из указанных этапов - первичный осадок дополнительно уплотняется поляризационным сжатием каркасов ячеек структур осадка и вйтеоненаем из них води. То ке происходит и на третьем этапе, но в меньшей.степени вследствие упрочнения и старения каркасов' структур и увеличения гидравлических сопротивлений движению воды, вытесняемой из слоя осадка.

В силу рассмотренных явлений наибольшее увеличение происходит при действии алектроноля 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 налоя®кии 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 юл, высотой 2 м, Оильтруккцая загрузка из песка имела крупность зерен 0,7-1,5 мм, С эквивалентным диаметром 0,9 мм. В очищаемую воду из механической мешалки непрерывно дозировалась суспензия тонкодисперсной глины из расчета создания доходной мутности воды 100 мг/л. Рас-

- ? -

ход поды через каздый фильтр 60 л/час, 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 млн электрическое поле. После этого загруэки прошвали обратным током вода и начинали процесс фильтрации» Каэднй час проводили определения: содержания взвеси в исходной воде и в фильтрате, потерь напора по высоте фильтров по пьезометрам, расходов води через модели. Эпизодически определял! температуру и рН исходной и очинённой воды.

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

. Модификации загрузок вели по вариантам концентраций растворов сульфата алкмпшя 0,5; I и 2%. Параметры электрополя имели варианты - сила тока 7 и 12 миллиампер/дм2; напряжэние 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 а1 начинали следующий цикл фильтрации.

Постепенно длительность фильтрощшлов уменыпалачь и после сокращения их до практически неприемлемых величин загрузки проливали, модифицировали, опять промывали и начинали новую серию опытов по указанным вига циклам.

Всего проведено три серии опытов о 4-5 циклами в катаой, а всего 14 циклов для модели с электрополем с общей длительностью фильтрации 366 часов и 13 циклов для модели без поля с длительностью 188 часов.

По потерям напора были определены гидравлические уклони. На рис. I приведены результаты определений для обоих моделей в функции от времени по кяядому,циклу второй серии опытов. Гидравлические уклони взяты для верхней части загрузок, так как нижа их значения уклонов резко падают.

Постеленное уменьшение длительности фильтроциклов меяду про-?лывками объясняется частичным удалением активной модифицирующей пленки промывной водой. Последующие модификации полностью вое-

Зависимость t"f (С) по циклам

0 2 4 6 8 10 U И 16 IS 20 22 24 25 ZS 30 32 54 36 38 40 42 44

часы

Г / 3 / 2

< / /1 < f ° о £

У / с о се X

! ' V и к • СМ

— :----- — без эле к гропс

V

10 12 14 Рне.-ï------

IS

20 22 часы

24

5

- 9 -

стапавливают адгезионную спосос5ность фильтра.

По данным всех серий опытов били проведет расчеты удельных значений грязеемкости фильтров Б кг/м2; расхода фильтра-

та мЭ/м2 и расхода коагулянта на модификацию г/м3 воды.

Результаты этих расчетов, также как и приведенные вышз дли-телыюсти фильтрации в сериях опытов свидетельствуют о том, что модификация загрузки в электрическом поле по сравнению с модификацией без электрополя вдвое увеличивает качество очистки воды, удельную трязеещость фильтров и длительность фильтроциклов и вдвое снижает расход промывной воды и потребность в коагулянте для модификации загрузки фильтра.

В третьей главе изложены теоретические аспекты процесса модификации зернистой загрузга в электрическом иоле.

Сравнение полученных наш экспериментальных зависимостей гидравлических уклонов от времени для всех серий опытов показывает,' что окончанию фшгьтроцикла соответствует уклон Í =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, задерганной загрузкой различна. При равенстве степе-, ни кольматащга загрузки, характеризуемой разностью исходной и конечной ее пористости лт=ти -гпОСТ подобная закономерность может бить обусловлена лишь изменением массового содержания твердой фазы в осадке Y» , кольматирутацем загрузку.

Исходя из этого были проведены определения величин остаточной пористости гПоот , объема осадка Woe и величины У« по следующей методике.

По формуле профессора Е.Ф.Кургаева был построен график i -f (m) . Затем по величина конечного гидравлического уклона, равного шести, определена остаточная пористость верхнего слоя загрузки, которая оказалась равной 0,24. С учетом неравномерности распределешш кольматацни по высоте слоя средняя величина эа-кольматированной пористости принята Am = 0,21, а зная объем слоя загрузки Wc находим объем осадка, равный wot=am,w0r,ui.

Далее по расходу воды за цикл к по исходному содержанию в ней механических прьлесей находим массовое количество задерганной взвеси GP г. Стсвда поделив GP на Woe находим массовые содержания твердой фазы в осадке на зернах фильтра в г/мл.

- 10 -

Вычисления показали, что от цикла к циклу в каждой серии опытов величины уменьшаются. Для загрузки с электрополем,

в среднее от максимума 0,78 г/мл до 0,28 г/мл, а без злектропо-ля. от 0,51 до'0,15 г/мл. Среднее значо!ше У, , в первом слу-чаоО.БЗ'гЛи, а во втором 0,33 г/мл, т.е. почти в два раза меньше. . .

Далее по методу профессора Е.Ф.Кургаева были проведены вычисления весьма важного физического параметра - сил адгезии зерен загрузки. Дня этого находим по известкой формуле площадь поверхности fs зерен загрузки в верхнем слое, зысотой 160 мм. Зная указанный выше объем осадка, кольматирущего 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 формула -

Лдг * -И«-*.- 9 , дин

о

где д^ - удельная площадь поверхности зерен загрузки - Г см*1;

- высота слоя осадка, см; - указано ранее, г/мл; д = 981 см/сек2. ■ .

Как показали расчеты, силы адгезии зерен загрузки также уменьшаются от цикла к циклу в кавдой серии опытов. Для загрузки с элоктрополем максимум /'адг составлял около 4 дин, а минимум около 1,3 дин., в среднем около 2,6 дин. Для загрузки без зле-ктрополя соответствующее величины составляли 2,3; 0,5 и 1,4 дин.

Согласно данным Н.В. Оводовой в С .С .Воюцкого для гидрата окиси алюминия силы адгезии составляют 1,4-1,7 дет, что близко к нашим опредениш в опытах боз элвктрополя. Гри наличии электрополя силы адгезии возрастают примерно вдвое, что соответствует рассмотренным выше соотношешши грязеемкостей, длительностей фильтроциклов и эффекта очистки воды. Следовательно, электрополе сказывает положительное влияние гакжз на стойкость, прочность и большую длительность сохранения эффекта модификации. Это указывает на возможное образование модифицирующей пленки из более сложных соединений, чем гидроокись алюмшшя.

В диссертации рассмотроно еще одно явление, могущее существенно влиять на процесс модификации загрузки фильтра в электрическом поло. Это образован. J гидроксония и эстафетная передача положителымх зарядов 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 меяду взаимодействующими коагулятом и зернами загрузки фильтра. Такая связь втрое больше, чем у сил Ван-дорваальса.

Вкратце можно констатировать, что механизм процесса и эффективность модификации загрузки фильтра е электроиоле определяются 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 толеза) и эстафетным механизмом передачи положительных зарядов от анода к катоду.

■ Таким образом, получены не только количественные характерно-1 тики процесса модификации, имеющие прикладное значение, по и освещение некоторых теоретических аспектов феноменологии процесса модификации загрузки фяльтра 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 водн.

В диссертации приведены две схеш оборудования электродами зернистых фильтров. В одном случае представлен фильтр с дренажной системой из перфорированных труб и с поддеришающим слоем из щебня-гравия. Здесь гашшй электрод (катод) укладывается непосредственно на выравненную поверхность зернистого слоя. Ил второй схеме дренажное устройство имеет неловко колпачки или пористые трубы. Здесъ катод укладывается на опоры. В обоих слу чаях верхние электроды (аноды) укладываются нэ опоры. Опоры сделаны в виде балок малого сочения из ноэлектропроводного га терка-

ла. Электроды устраиваются из металлических соток о 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 сеток и по их обрамлению. Кроме того, даны указания по устройству роогептного хозяйства для осуществления процесса модификации,.. а также рекомендации по технологии процесса при использовании для модификации-одного и двух реагентов. Для модификации загрузки зернистого фильтра сульфатом алюминия рекомендуются: крепость раствора 1%; сила тока 1,2 а/м2 площади фильтра, напряжение 50-70 вольт, длительность 10 минут. При первичной обработке загрузки рекомендованы две повтор!ше подкЗика-ции, поело каэдой из которых следуют обратные промывки загрузки. Последующая работа фильтра проводится по циклам фильтрования воды - промывка-фильтрование. Окончание кавдого цикла - по качеству фильтрата. Окончашю серии циклов - при снижении их длительности до 12-16 часов. После этого проводится модификация загрузки в электрическом поле.

В пятой главо приведены некоторые технико-экономические по- . казатели методы. С учетом специфики современного ценообразова-шш даш лишь технологическно параметры.

Для сравнения приняты очистка воды с мутностью 100 мг/л для производительности станции 60 тыед^/суткн по трем варианта:.:: I) станция с горизонтальными отстоннк _ai.ni и фильтрами с обработкой води коагулянтом; 2) стапцнл о зергг.стыык (фильтрами с реа-гентной их модификацией; 3) станция по п.2 с модификацией загрузки в электрическом поле. При этом 3-й вариант по сравнению с первым дает годовую экономия коагулянта около полутора тысяч тонн и промывной воды около 430 тыс.г.)3. Третий вариант по Сравнению со вторим сокращает вдвое расход коагулянта и промывной воды и значительно улучшает качество фильтрата. Расход электроэнергии на создайте электрополя ничтоясен и составляет около 0,02 ватт на I ь? ?>чищенной води.

вшзоди

I. Создан новый метог повышения ¡эффективности и экономичности работы фильтров с зернистой загрузкой. Он состоит в модификации загрузки растворами реагентов в электрическом поле.

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

3. Установлены основные технические параметры метода, могущие служить исходными данными для проектирования и эксплуатации водоочист1шх 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 природа 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.

Ч. Даны рекомендации для модификации загрузки фильтра сульфатом алюминия: крепость раствора 1%; сила тока 1,2 а/м ; нап^я-аение 50-70 вольт; удельный расход электроэнергии 0,02 ватт/ы очищенной воды.

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

Подписано в печать 22.05.91 Формат 60x84Vl6 Леч.офс. И-206 Объем Í уч.-изд.л. Т.100 Заказал? Бесплатно

Ротапринт МИСИ им.В.В.Нуйбышепа