автореферат диссертации по строительству, 05.23.04, диссертация на тему:Очистка подземных вод Дальнего Востока на установках двухступенчатого фильтрования

петербургский государственный университет путей сообщения

ОЧИСТКА ПОДЗЕМНЫХ ВОД ДАЛЬНЕГО ВОСТОКА НА УСТАНОВКАХ ДВУХСТУПЕНЧАТОГО ФИЛЬТРОВАНИЯ

05.23.04 — Водоснабжение, канализация, строительные системы охраны водных ресурсов

РГБ ОД

- 2 ЯНВ 1995

АНТОНОВ Леонид Ананьевич

удк 628,162.1

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

санкт петербург 1994

Работа выполнена на кафедре «Водоснабжение и водо-отведение» Петербургского государственного университета путей сообщения.

Научный руководитель —

заслуженный деятель науки и техники Российской Федерации, доктор технических наук, профессор, академик РААСН В, С. ДИКАРЕВСКИИ

Официальные оппоненты:

заслуженный деятель науки и техники Российской Федерации, доктор технических наук, профессор Ю. А. ИЛЬИН;

кандидат технических наук, доцент А. Н. КИМ

Ведущая организация—ПИ «Хабаровскгражданпроект».

Защита диссертации состоится 24 января 1995 г. в 13 ч 30 м на заседании специализированного совета К. 114.03.04 по присуждению ученой степени кандидата технических наук в Петербургском государственном университете путей сообщения по адресу: 190031, Санкт-Петербург, Московский проспект, 9, ауд. 8-108.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Университета.

Автореферат разослан « декабря 1994 г.

Отзыв на автореферат, заверенный печатью, просим направлять по адресу совета Университета.

Ученый секретарь специализированного совета кандидат технических наук

О. А. ПРОДОУС

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Темпы добычи подземных вод все время возрастают, что объясняется высокой надежностью и устойчивостью подземного стока, возможностью более качественной и экономичной их очистки по сравнению с сильнозагрязненными поверхностными источниками. Водоотбор из подземных источников в нашей стране увеличивается за каждые семь - десять лет в три раза.

Чаще всего препятствует использованию подземной воды для питьевого и промышленного водоснабжения наличие в ней ионов железа и марганца. Повышенное содержание ионов железа и марганца придает воде металлический или вяжущий привкус, при контакте с воздухом - окраску, вызывает зарастание водопроводных сетей и водоразборной арматуры, является причиной брака во многих отраслях промышленности. Нормами ГОСТ ограничено содержание ионов железа в питьевой воде до 0.3 мг/дм3, а марганца - до 0.1 мг/дм3.

Подземные воды Дальнего Востока, несмотря на наличие разветвленной гидрографической сети, являются основным источником водоснабжения городов и поселков. Подземные водоисточники, содержащие железо и марганец, имеются на всей территории страны, а в дальневосточном регионе распространены повсеместно.

На сегодняшний день в условиях Дальнего Востока нашли широкое применение несколько схем очистки, а именно: упрощенная аз-рация, "сухая" фильтрация, метод "УУШШ" и двухступенчатое фильтрование с глубокой аэрацией перед первой ступенью. Все эти методы были разработаны и хорошо работают в средней полосе России.

Анализ работы действующих станций очистки Дальнего Востока показал, что многие из них работают неудовлетворительно уже при средней концентрации ионов железаг-^10 - 15 мг/дм3; до 18 мг/дм3) и марганца (0.3 - 0.5 мг/дм3); тогда, как очень часто встречаются подземные воды с повышенным содержанием железа (25 - 30 мг/дм3) и марганца (0.7 -1.5 мг/дм3).

В практике обезжелезивания подземных вод известен метод двухступенчатого фильтрования. Он позволяет более эффективно удалять соли железа. Вместе с тем данный метод имеет отдельные недостатки. К наиболее существенным относятся недостаточная гря-зеемкость и неэффективное распределение грязевых нагрузок между ступенями фильтра. Также не было проведено испытаний этого мето-

- 3 -

да для специфичных подземных вод Дальнего Востока, содержащих соли железа в высоких концентрациях и попутное загрязнение в виде солей марганца.

В связи с этим разработка и исследование эффективных безре-агентных методов очистки воды, а именно двухступенчатого фильтрования, является актуальной научно - технической задачей для данного региона.

Часто, уже в процессе эксплуатации станции очистки, выясняются ошибки, допущенные при проектировании. Они выражаются в неправша ном выборе метода очистки,воды. Нередки случаи, когда приходится делать дополнительные капиталовложения для перестройки и-: реконструкции станций обезжелезивания. Существенно повысить качество принимаемых решений на этапе проектирования позволит использование: новых информационных технологий; а именно, работы по созданию экспертных систем. В настоящее время создано и успешно эксплуатируется большое количество подобных систем, хорошо себя зарекомендовавших и способных принести большую выгоду в плане сокращения финансовых и трудовых затрат при принятии решения.

Целью данной работа является разработка новой технологической схемы двухступенчатого фильтрования и исследование ее работы в условиях Дальнего Востока на местном фильтрующем материале; а также разработка научно - методологического обоснования при выборе метода очистки подземных вод с использованием новых, информационных технологий.

Для достижения поставленной цели в процессе работы решались следующие задачи:

- оценить современный уровень научных разработок и внедрения в области очистки подземных вод Дальнего Востока безреагент-ными методами;

- на основании анализа работы действующих станций очистки подземных вод определить необходимые требования к фильтрующей загрузке и предложить местный фильтрующий материал, "наиболее полно им отвечающий;

- обосновать и апробировать схему двухступенчатого фильтрования для очистки подземных вод Дальнего Востока от железа и марганца;

- экспериментально определить границы варьирования параметров фильтрования с использованием местного фильтрующего материа-

- 4 -

ла;

- построить математическую модель процесса двухступенчатого фильтрования;

- на основе экспериментальных данных построить технологическую модель двухступенчатого фильтрования;

- выполнить поверочные эксперименты на природных водах Дальнего Востока с использованием полупроизводственной установки двухступенчатого фильтрования;

- разработать и построить экспертную систему по выбору наилучшего метода очистки подземных вод.

- выполнить технико - экономическую оценку разработанной схемы очистки.

Научная новизна:

- разработана и экспериментально проверена на природных подземных водах Дальнего Востока новая технологическая схема двухступенчатого фильтрования, предназначенная для очистки подземных вод с высоким содержанием солей железа и марганца, которая отличается от подобных схем использованием контактного осветлителя на первой ступени фильтра;

- в результате использования планового факторного эксперимента и технологического моделирования получены эмпирические зависимости, связывающие содержание железа' и марганца в фильтрате с основными технологическими параметрами фильтрации при использовании местного фильтрующего материала - гранодиорита;

- определены границы применения напорного и безнапорного вариантов установки при очистке подземных вод от железа и марганца в условиях дальневосточного региона;

- разработан и реализован в виде программы для компьютера 1Ш РС лабораторный прототип экспертной системы продукционного типа с обратной цепочкой вывода, предназначенный для выбора метода обезлселезивания подземных вод.

Практическая ценность. Применение двухступенчатого фильтрования для очистки подземных вод Дальнего Востока на предлагаемых установках расширяет область применения безреагентных методов очистки воды от железа и марганца.

Разработанные двухступенчатые фильтры характеризуются стабильностью качества фильтрата; повышенной грязеемкостью загрузки; расширенными границами области применения (безнапорный вариант: FeoбIц < 25 мг/дм3, Мп < 1 мг/дм3; напорный вариант: Ре0бщ <

- 5 -

1 30 мг/дм3, Мп < 1.5 мг/дм3); увеличенным временем фильтроцикла;

буферными свойствами, заключающимися в возможности удаления сопутствующих железу загрязнений. Полученные эмпирические зависимости выведены с учетом особенностей Дальнего Востока (сложный состав подземных вод; местный фильтрующий материал).

.Использование экспертной системы в области очистки подземных вод повышает качество принимаемых проектных решений с мень-| ними трудозатратами. Созданная автором система уже сегодня с

I достаточной степенью достоверности подтверждает большинство при-

нимаемых методов обезжелезивання при проектировании станций очистки подземных вод.

Результаты исследований в совокупности с разработанными технологическими схемами внедрены в проектную практику, о чем получены подтверждающие справки.

Апробация работы. Основные положения и результаты работы были представлены и обсуждены на научных конференциях ПГУПСа, ДВГАПСа и на совещании комитета экологии и природных ресурсов Хабаровского края.

Публикации. По теме диссертации опубликовано четыре печатные работы и два информационных листка Хабаровского ДНШ.

Объем и структура работы. Диссертационная работа состоит из введения,'пяти глав, заключения, списка литературы (166 наименований) и приложений.

Изложена на 152 страницах машинописного текста, содержит 24 рисунка и 12 таблиц.

Автор благодарит к.т.н., ст. науч. сотр. С.Н.Фомина за научное руководство исследованиями, результаты которых изложены в | главе 3, также за ценные замечания, высказанные им при написании

диссертации.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность работы и дана ее общая характеристика.

В первой главе показаны особенности подземных вод Дальнего Востока; приведены основные соединения железа и марганца; сделан обзор научно - технической литературы, посвященной безреагентным методам очистки подземных вод от железа и марганца; сформулиро-

- б -

ваны задачи исследования.

В большинстве случаев подземные воды Дальнего Востока имеют сложный состав. Это повышенное содержание закисного железа (до 55 мг/дм3) и марганца (до 2 мг/дм3), малая минерализация (100 -250 мг/дм3), общая жесткость 1-3.5 мг-экв/дм3, окисляемость 1.5 - 6.3 мг/дм3 Ог, сероводород до 1 мг/дм3, аммиак 0.08 - 4.0 мг/дм3, хлориды 0.6 - 1.6 мг/дм3, сульфаты 25 - 50 мг/дм3, небольшое содержание кальция (7.5 - 23.6 мг/дм3), общая щелочность 1.5 - 4.0 мг/дм3, отсутствие фтора, свободная углекислота до 200 мг/дм3, рН=5.7 - 6.8, температура^ - 4 град.

Причиной высоких концентраций растворенного железа в подземных водах района является своеобразие природных условий, формирующих бескислородную обстановку, благоприятную для мобилизации и накопления железа.

В гидрогеологическом отношении район представляет собой часть сложного Средне - Амурского артезианского бассейна межгорного типа. Во впадинах, где рыхлые кайнозойские отложения лежат практически горизонтально, распространены поровые, Пластова -поровые и трещинно - пластовые воды напорного и безнапорного типов. Во внешних областях питания бассейна развиты грунтовые трещинные воды. Можно выделить несколько горизонтов залегания подземных вод. Это зона аэрации, современные четвертичные отложения, верхне- и среднечетвертичные отложения, плиоцен - нижнечетвертичные отложения, миоцен нижнечетвертичные эффузивы, палеоген - миоценовые отложения и породы фундамента.

Главными источниками водоснабжения являются водоносные горизонты и комплексы, заключенные в рыхлых четвертичных, рыхлых и слабо уплотненных неогеновых, палеогеновых, реже верхнемеловых отложениях чехла артезианского бассейна, в пределах которых сосредоточены основные запасы подземных вод.

Эксперименты, проведенные А.И.Труфановым и К.П.Каравановым показали, что преобладающая часть железа (60 - 80 %) находится в виде катионов и представлена двух- и трехвалентным железом и его гидролитическими формами ([ГеОН]+, СРе(0Н)г]+)•

Существующие водоочистные сооружения Дальнего Востока,' выполненные по традиционным схемам, не всегда работают удовлетворительно. Основными причинами этого являются сложный химический состав подземных вод; одновременное присутствие высококонце'нтри-рованных солей железа и марганца; высокий темп прироста отложе-

- 7 -

ний железа на зернах загрузки; ошибки при выборе метода очистки подземных вод; использование неэффективных материалов в качестве загрузки фильтров.

Проблемой удаления высокогсонценгрированных солей железа из подземных вод занимались Н.Д.Артеменок, И.Э.Апельцин, М.А.Милов, К.А.Мамонтов, А.М.Пердина, Г.И.Николадзе, В.И.Станкявичус, Ми-хайлик Л.Г. и другие исследователи. Ими было предложено использовать двухступенчатое фильтрование.

Михайлик Л.Г. рекомендует следующие параметры работы фильтров (при рН исходной воды в пределах 6.7 - 7.6): скорость фильтрования на первой ступени 8-12 м/ч, высота слоя загрузки 1.6 - 2.2 м, диаметр зерен загрузки 1 - 2.5 мм; скорость фильтрования на второй ступени 5-7 м/ч, высота слоя загрузки 1 - 1.5 м, диаметр зерен загрузки 0.5 - 1 мм. Направление фильтрации на обоих ступенях: сверху - вниз. В.И.Станкявичус рекомендует использовать на фильтрах первой ступени загрузку диаметром 1.8 -2.5 мм. Эти рекомендации справедливы для подземных вод, содержащих только соединения железа. К недостаткам предложенной конструкции относятся малая грязеемкость первой ступени фильтра и неэффективное .расположение двух ступеней по высоте.

Для очистки подземных вод Дальнего Востока, содержащих высокие концентрации железа и марганца, предлагается схема с восходящей фильтрацией на первой ступени и нисходящей на второй с использованием упрощенной аэрации перед каждой ступенью фильтра (си. рис. 1). Такая компоновка обеспечивает минимальный перепад уровней воды между фильтрами первой и второй ступеней. Кроме этого восходящая фильтрация на первой ступени позволяет увеличить грязеемкость фильтра в 3 - 4 раза и несколько улучшить степень рч^ткр. Об этом говорят исследования, проведенные Г.И.Николадзе на модели контактного осветлителя. В соответствии с работами, эгрго, автора, на первой ступени фильтра должно задерживаться не менее 15 - 18 мг/дм3 железа. Вторая ступень фильтра работаем как обычный скорый фильтр доочистки с упрощенной системой аэрации. В качестве материала загрузки фильтра лучше всего подходит гранодиорит местного Корфовского месторождения, который хорошо зарекомендовал себя в практике очистки воды из поверхностных источников.

Эффективность использования гранодиорита при очистке подземных вод Дальнего Востока была доказана Е.В.Сошниковым. Грано-

- 8 -

Схема установки двухступенчатого фильтрования

Водослиб

7ер5ая тпень \ Желоб ^ Вторая ступень

/

• ,, » * г— /

Исходная Мг пот аэрации , / ь 4 к * * I ' 1 * ' * * ' * * ! • ' 1 Г V • ' 1 • 4 1 £ . 1 Т 1 * с ♦ / Фильтрат

' рис. 1.

циоритовый песок обладает большой гидравлической крупностью, поверхностью зерен, химической устойчивостью. Он имеет следующие карактерисгики: плотность 2.64 - 2.75 г/см3; прочность на сжатие > 1000 кг/см3; прочность на удар (на копре Пзджа) 8.5; водопог-кощение 0.2В X; объемная масса 1.34 г/см3; межзерновая пористость 0.46 - 0.54.

Во второй главе изложена методика проведения лабораторных экспериментальных исследований, описаны полученные результаты и эделаны выводы о ходе процесса очистки. Целью экспериментов было определение возможности и условий применения предлагаемой схемы зчистки подземных вод, а также построение линейной модели провеса в виде полинома первой степени.

Опыты были проведены в лаборатории гидравлики Хабаровского 1нститута Транспортного Строительства Дальневосточной Государственной Академии Путей Сообщения.

Высотная схема лабораторной экспериментальной установки по-сазана на рис. 2. Основу ее составляют две фильтровальные колон-м с внутренним диаметром 90 мм. и высотой 1540 мм. каждая. Пло-аль фильтрования каждой колонки равна 0.0064 м2. Одна из коло- 9 -

Высотная схема лабораторной усшанодки

рис. 2\

- ю -

нок приподнята относительно другой на 720 мм. для обеспечения необходимого перепада уровней воды между первой и второй ступенями фильтра. В нижнюю часть колонки, имитирующей первую ступень, встроен перфорированный и заглушённый с одной стороны патрубок, служащий для подачи исходной аэрированной воды. В верхней части, на расстоянии 1470 мм. от дна фильтра, встроен патрубок для подачи воды на фильтр второй ступени.

В нижнюю часть колонки, имитирующей вторую ступень фильтра, встроен перфорированный и заглушённый с одной стороны патрубок, служащий для отвода чистой воды. Фильтрация на второй ступени осуществлялась сверху вниз с переменным уровнем воды над загрузкой. Опыты проводились с искусственно приготовленной водой. Материал загрузки,- гранодиорит крупностью 1.2 - 2 мм для первой ступени и 0.6 - 1.2 мм для второй ступени.

Были получены следующие уравнения регрессии:

[ре] =1.779-0.764*

Нх-0.95

0.25

+0.896*

У-10

+0.946*

ГРе1-22.5

7.5

-0.311*

+0.494*

Hi.-0.95

0.25 У-10

У-10 -0.196* И\-0.95 [Ре]- -22.5

) 5 0.25 < У 7 5

[Ре]-22.5

7.5

(1);

Шп] =0.948+0.04*

V- ю

-0.033*

У-10

+0.32*

№-22.5

7.5

+0.495*

Шп]-1

0.5

5

[Ре]-22.5

[Ре] =0.223-0.019*

7 ¡.5 Н\-0.95

0.25

+0.108*

У-10

-0.078*

//2-0.95

0.25

-0.038*

0.25 - 11 -

+0.108* [Ре]-22.5

[Ре]-22.5

7.5

(2);

7.5

-0.048*

Шп] =0.325-0.14*

'[Ре]-22.5 «2-0.95

7.5 > > 0.25 \ /

(3);

»1-0.Эй

0.25

-0.113*

Иг-0.95

-0.118*

0.25 У-10

+0.168*

+0.034* ' Шп]-1

У-10

0.5

5

-0.015*

+0.075*

№3-22.5

И\-0.95

7.5

I

0.25

[Ре]-22.5

7.5

'[ре]~22.5Л

7.5

(4).

где [Ре] - содержание железа в воде после первой ступени фильтра, мг/дм3;

[Мп]' - содержание марганца в воде после первой ступени фильтра, ыг/дм3;

[Ре]" - содержание железа в воде после второй ступени фильтра, мг/дм3;

[Мп]" - содержание марганца в воде после второй ступени фильтра, мг/дм3;

[ре] - содержание железа в исходной воде, мг/дм3;

Шп] - содержание марганца в исходной воде, мг/дм3; - высота загрузки первой ступени фильтра, м;

Яг - высота загрузки второй ступени фильтра, м;

V - скорость фильтрации, м/час.

После раскрытия скобок и упрощения уравнения (1) - (4) были приведены к следующему виду:

[Ре] --1.582+1.У84*Н%+0.119*У+0.094*(Ре]-0.249*11х*У-

-0.105*Нх*[Ре]+0.013*У*[Ре], (5)

Шп]' =-1.28-Ю.028*УЮ.052* [ Ре]+0.99*[Мп]-

-0.00088*У*[Ре], (б)

[Ре] "=-0.929*0.38*1к+0.022*У+0.058* [РеПО. 264*112,-

-0.02*Нх*£Ге]-0.026*Вг*[Ге], (7)

Шп]"- -0.223-0.38*Н\+0.078*^+0.049* [Ре]-О.452*Н-г+

+0.336»[1>!п]-0.008*Н1*[Ре]-0.003*У*1Ре],, (8)

По результатам экспериментов была составлена технологическая схема обезжелезивания - деманганации подземных вод на установках двухступенчатого фильтрования, которая приведена на рисунке 3.

Исходная вода перед каждой ступенью фильтра далека от предельной насыщенности кислородом воздуха. По стехиометрическому соотношению на окисление 1 мг двухвалентного железа расходуется 0.143 мг кислорода. Отсюда следует вывод о том, что количество растворенного кислорода в воде перед первой ступенью фильтра мало, по сравнению с концентрацией кислорода, требуемой для полного окисления и гидролиза железа. Процесс обезжелезивания на первой ступени идет до тех пор, пока не израсходуется весь растворенный в воде кислород. Этот вывод соответствует области применения контактных осветлителей с упрощенной аэрацией для обезжелезивания подземных вод (содержание железа не более 15..18 мг/дм3). Кроме того этим объясняется малая степень влияния высоты слоя загрузки первой ступени фильтра на концентрацию железа в фильтрате после второй ступени.

Вода после первой ступени установки содержит остаточную концентрацию железа в количестве 25. .40 7. от исходного содержания, и подвергается дополнительной аэрации перед второй ступенью. Вторая ступень работает как обычный скорый фильтр обезжелезивания с упрощенной системой аэрации. Остатки железа после дополнительной аэрации окисляются и гидролизуются в толще загрузки. Необходимо отметить, 'что все вышеизложенное справедливо для максимального содержания железа (20..30 мг/дм3), выходящего за границы применения обычного скорого фильтра с упрощенной аэрацией; тогда, как при малом содержании железа в исходной воде, процесс обезжелезивания может закончиться уже на первой ступени фильтра. Чем больше растворенного в воде железа задержится на первой ступени фильтра, тем раньше наступят физико"- химические условия для очистки воды от марганца на второй ступени. Формулы (3) и (4) показывают, что процесс окисления марганца может начаться и на первой ступени фильтра, однако это в большой степени зависит от исходной концентрации железа (/ТеЛ. Отсюда следует, что реакция окисления и гидролиза марганца может начаться лишь при достижении незначительных концентраций железа в воде (0.05..0.1 мг/дм3).

В третьей главе приведены результаты исследований работы

- 13 -

Технологическая схема обезжелезиванин - деыаигапации

исходная

бодй

■О'.

ОН

"X

\\ \

а

он~

/у У/

Мп

о-о/г

Фильтрам

1 - осадок железа; 2 - зона сорбции железа; 3 - осадок марганца; 4 - зона сорбции марганца; 5 - чистая загрузка.

рис

. 3

установки двухступенчатого фильтрования в натурных условиях. Эксперименты были проведены на действующих водозаборах подземных вод, находящихся в поселке Троицкое Нанайского района ([Ре]*8 мг/дм3), станции "Приамурская" Хабаровского края ([Ре] мг/дм3; мг/дм3) и на Большом Усурийском острове ((Ре]^38

мг/дм3). Результаты экспериментов приведены в таблице 1.

Таблица 1

Результаты экспериментов

Место проведения эксперимента Исходная вода,, мг/дм° Фильтрат, мг/дм3 Результаты расчета по формулам, иг/т Ошибка, %

пос. Троицкое, Нанайского р-на рН=6.8 Ре=8 С0о=65 а =2.3 1 Ре2^0.05 Ре'^0.09 Ре =0.04 б 21

станция "Приамурская" рН=б.З Те* 18 т=1.4 . 002=180 Мп\-0.97 Мп-0.07 Ре'„=С.23 Ре,'0.03 Мп„=1.17 № =0.05 21 29 17 27

Большой Уссурийский Остров рП-6.9 Ге=33 МП-0 Ре1=2.72 Ре =0.8 Ре'„=2.19 Ре =0.64 24 26

В целом, натурные эксперименты подтвердили теоретические выводы, сделанные при лабораторном исследовании метода двухступенчатого фильтрования. Проанализировав результаты эксперимента можно сделать выводы о преимуществе схемы двухступенчатого фильтрования по сравнению с методом упрощенной аэрации:

- увеличенное время фильтроцикпа;

- лучшая степень очистки;

- компактность установки;

- возможность очистки воды сложного состава.

Открытую безнапорную схему очистки следует применять при содержании железа в исходной воде до 20 мг/дм3 и марганца до 1

- 15 -

мг/дм3. При больших концентрациях железа (до 30 мг/дм3) и марганца (до 1.5 мг/дмэ), а также в случаях, когда необходимо максимально увеличить время фильтроцикла,- целесообразно использовать напорную схему двухступенчатого фильтрования (.см. рис. 4).

Напорный вариант двухступенчатой очистки аэратор 2

'рис. 4.

Порядок работы установки следующий. Исходная вода от скважины, проходя через аэратор 1 насыщается кислородом воздуха. Затем она поступает на фильтр 1 и фильтруется в направлении снизу - вверх со скоростью Б - 15 м/ч. После выхода из фильтра 1 вода подвергается дополнительной аэрации на аэраторе 2 и поступает на фильтр 2. Направление фильтрации на фильтре 2 сверху - вниз с такой же скоростью, как и на фильтре 1. Аэратор 3 из работы выключен.

Проведенные эксперименты показали, что скорость прироста потерь напора на первой ступени установки примерно в два раза выше, чем на второй ступени. Отсюда следует, что предельные потери напора, равные б м, на фильтре 1 наступят гораздо раньше, чем на фильтре 2. После достижения предельных потерь напора фильтр 1 выключается на промывку. Направление движения воды меняется на противоположное. Исходная вода, проходя через аэратор 3, насыщается кислородом воздуха и поступает на фильтр 2, где фильтруется в направлении снизу - вверх через загрузку, "заряженную" соединениями марганца. Эти соединения, ¡сак «оказывают работы Г.Ю.Асса, Т.И.Вохотко, Ч.Джайлса, В.В.Комкова, Г.М.Комму-нара и других исследователей, каталитически влияют на окисление и гидролиз железа. Далее вода подвергается дополнительной аэра-

- 16 -

ции на аэраторе 2 и фильтрации сверху - вниз на фильтре 1. Как показывают работы вышеприведенных авторов, остатки окислов железа на загрузке также каталитически влияют на реакцию окисления марганца. Аэратор 1 из работы выключен.

В четвертой главе выявлены предпосылки создания экспертной системы, разработана структура оболочки с обратной цепочкой вывода и создан лабораторный прототип экспертной системы. В большинстве случаев подземные воды Дальнего Востока имеют сложный состав, выходящий за границы рекомендаций СНИП. Очистить воду такого состава методом упрощенной аэрации в подавляющем большинстве случаев невозможно. Здесь возникает проблема научно -методологического обоснования выбранного метода очистки, поскольку от этого зависит эффективность, стоимость и надежность очистки воды. Большую помощь в этом может оказать использование вычислительной экспертной системы, оперирующей знаниями специалистов в данной предметной области и способной давать рекомендации к принятию решений на уровне этих специалистов. Работами по данной тематике известны такие авторы, как Р.Левине, Д.Дранг, Б.Эделсон, Ж.-Л.Лорьер, К.Таунсенд, Д.Фохт, Д.Уотермен и другие.

Главная цель разработки экспертной системы - регистрация узкопредметных знаний эксперта - профессионала в базе знаний и обеспечение доступа к ним; моделирование профессиональных знаний об определенном аспекте действительности. Оболочка экспертной системы реализована на языке Turbo Prolog-, база знаний содержит шесть гипотез, один конечный узел и шестьдесят три правила. Гипотезы,- это конечные цели, или заключения, к которым система способна прийти в результате работы. Конечные узлы,- это заранее известные исходные данные. Правила,- это особым образом структурированные знания. В разработанную базу знаний вошли сведения, изложенные в главе 1 диссертации, а также основные положения СНИП 2.04.02-84.

В пятой главе дано технико - экономическое обоснование схемы двухступенчатого фильтрования по сравнению с методом упрощенной аэрации в условиях Дальнего Востока. К расчету было принято два варианта забора, очистки и подачи воды в городскую сеть водоснабжения. По первому варианту очистка воды предусмотрена методом двухступенчатого фильтрования; по второму - упрощенной аэрацией. Сравниваемые варианты были приняты на основании научно -исследовательской работы по очистке подземных вод для увеличения

- 17 -

подачи воды в водопроводную сеть города Хабаровска. Расчетный расход воды питьевого качества - 100000 м3/сут. Результаты технико - экономических расчетов в ценах 1989 года приведены в таблице г.

Экономический эффект от внедрения двухступенчатых фильтров для очистки подземных вод от железа и марганца выражается в снижении капитальных затрат за счет сокращения числа фильтров, уменьшении высоты фильтрующей загрузки и размеров здания. Возможно также снижение эксплуатационных затрат, а именно затрат на электроэнергию. Это вызвано тем, что двухступенчатое фильтрование расширяет область действия упрощенной аэрации. Поэтому для целей водоснабжения можно использовать ближайший к населенному пункту источник подземных вод, что в свою очередь снижает расто-яние и расходы на транспортировку воды.

Таблица 2

Результаты расчетов технико - экономической эффективности

Наименование показателя Варианты

Первый Второй

1. Капитальные вложения, руб. 2. Годовые эксплуатационные расходы, руб. 3. Приведенные затраты, руб. 4. Себестоимость 1 м3 воды, коп/мэ 5. Годовой экономический зффект, руб. 1347000 273000 475000 0.8 271000 2134000 426000 746000 1.3

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ И ВЫВОДЫ

1. Для Дальнего Востока существуют своеобразные природные условия, формирующие бескислородную обстановку, которая очень благоприятна для мобилизации и накопления железа. К таким природным условиям относятся рельеф, климат, гидрография, почвы, растительность и т.д. В связи с этим в регионе сформировался гидрокарбонатный состав подземных вод при низкой минерализации, малой жесткости, .кислой реакции и одновременном присутствии в высоких концентрациях железа (в среднем 26 мг/дм3, до 55 мг/дм3)

- 18 -

и марганца (до 1.8 - 2.2 мг/дм3). Преобладающая часть железа (в среднем 60 - 80 X) находится в виде катионов. Остальные соединения железа заряжены отрицательно или не имеют заряда. Катионная часть железа представлена двух- и трехвалентным железом и его гидролитическими формами (ГГеОШ+, СРе(0Н)-г]л).

2. Существующие водоочистные сооружения Дальнего Востога, выполненные по традиционным схемам, не всегда работают удовлетворительно.. Основными причинами этого является сложный химический состав подземных вод; одновременное присутствие высококонцентрированных ионов железа и марганца; высокий темп прироста отложений железа на зернах загрузки; ошибки при выборе метода очистки подземных вод; использование неэффективных материалов в качестве загрузки фильтров.

Для повышения качества очистки, расширения границ применения безреагентных методов очистки предлагается технологическая схема двухступенчатого фильтрования высотном с восходящей фильтрацией на первой ступени и с нисходящей на второй; аэрация -перед каждой ступенью фильтра. Такая высотная схема обеспечивает минимальный перепад уровней воды между фильтрами первой и второй ступеней. Кроме этого восходящая фильтрация на первой ступени позволяет увеличить грязеемкость фильтра в 3 - 4 раза и несколько улучшить степень очистки.

В качестве материала загрузки фильтра лучше всего использовать гранодиорит местного Корфовского месторождения, который хорошо зарекомендовал себя в практике очистки воды из поверхностных источников. Он имеет высокую гидравлическую крупность, большую поверхность зерен; обладает большой химической устойчивостью.

3. На основе экспериментального анализа, проведенного в лабораторных и натурных условиях, было выявлено преимущество схемы двухступенчатого фильтрования по сравнению с методом упрощенной аэрации, применяемым в практике очистки подземных вод Дальнего Востока. Это преимущество заключается в лучшей степени очистки; расширении границ области применения метода; повышенной грязеем-кости загрузки фильтра и, вследствие этого, увеличенное время фильтроцикла; проявлении буферных свойств, заключающееся в возможности удаления сопутствующих железу загрязнений. Улучшение степени очистки воды достигается за счет применения дополнительной аэрации и использования более мелкой загрузки на второй сту-

- 19 -

пени фильтра.

4. В результате проведенных экспериментов были выведены эмпирические зависимости, связывающие качество фильтрата с основными технологическими параметрами фильтрации при использовании гранодиорита в качестве фильтрующей загрузки, а также получена технологическая схема очистки воды. Осаждение ионов железа и марганца в толще загрузки идет двумя сорбционными фронтами. Вначале гидролизуется растворенное железо, а затем марганец. Основная масса железа (около 70 Z), будучи более сорбируемым элементом,. задерживается на первой ступени фильтра.

5. Открытую безнапорную схему очистки следует применять при содержании железа в исходной воде до 20 мг/дм3 и марганца до 1 мг/дм3. При больших концентрациях железа (до 30 мг/дм3) и марганца (до 1.5 мг/дм3), а также в случаях, когда необходимо максимально увеличить время фильтроцикла,- целесообразно использовать напорную схему двухступенчатого фильтрования.

6. На основе теоретического анализа была доказана эффективность и возможность использования экспертной системы в области выбора наиболее рационального метода очистки подземных вод. Используя язык программирования Turbo Prolog был спроектирован и построен демонстрационный прототип экспертной системы продукционного типа, обладающий следующими особенностями:

- обратная цепочка рассуждений;

- нечеткая логика;

- вывод объяснения КАК и ПОЧЕМУ;

- описывающие строки являются объектами рассуждения;

- в посылках правил допускаются реляционные выражения.

7. Экономический эффект от внедрения двухступенчатых фильтров для очистки подземных вод Дальнего Востока от железа и марганца выражается в снижении капитальных затрат за счет сокращения числа фильтров, уменьшении высоты фильтрующей загрузки и размеров здания. Возможно также снижение эксплуатационных затрат, а именно затрат на электроэнергию. Это вызвано тем, что двухступенчатое фильтрование расширяет область действия упрощенной аэрации. Поэтому для целей водоснабжения можно использовать ближайший к населенному пункту источник подземных вод, что в свою очередь снижает расстояние и расходы, связанные с транспортировкой воды.

По теме диссертации опубликованы следующие работы:

1. Антонов Л.А., Дикаревский B.C., Фомин С.Н. Опит удаления железа и марганца из подземных вод Дальнего Востока // Межвуз. сб. науч. тр. /Хабаровский ин-т инженеров ж.-д. трансп., 1992. -с .34-39.

2. Антонов Л.А. Оптимизация выбора схемы очистки природных вод. // Тезисы докладов 53-й научно - технической конференции с участием студентов, молодых специалистов и ученых / Санкт-Петербургский гос. ун-т путей сообщения, 1993. - с. 72-73.

3. Антонов Л.А., Фомин С.Н. Обоснование выбора схемы очистки подземных вод. // 38-я научно - техническая конференция и семинар - совещание главных инженеров железной дороги Дальневосточного региона ДВГАПС / Дальневосточная гос. акад. путей сообщения, 1993 г. -с. 33-34.

4. Антонов Л.А., Дикаревский B.C. Перспективы использования двухступенчатого фильтрования для очистки подземных вод Дальнего Востока. // Тезисы докладов 54-й научно - технической конференции с участием студентов, молодых специалистов и ученых / Санкт-Петербургский гос. ун-т путей сообщения, 1994. -с. 60-61.

5. Антонов Л.А., Сошников Е.В., Фомин С.Н. Установка для обезжелезивания природных вод с большим содержанием железа. //Информационный листок N 137-93 Хабаровского центра научно -технической информации.

6. Антонов Л.А., Фомин С.Н. Экспертная система по выбору метода обезжелезивания. //Информационный листок N 205-93 Хабаровского центра научно - технической информации.

Подписано к печати V. Формат 60x84- Бумага для

шюкит.апп. Печать офсетная. Усл.п.л.1,18 Тирак 100 экз. Ьаказ

190031,Московский, пр.,9, г.С-Ц^тербург