автореферат диссертации по строительству, 05.23.04, диссертация на тему:Разработка технологии обезжелезивания подземных вод на ненонолистирольно - цеолитовых фильтрах.

КИЇВСЬКИЙ НАЦІОНАЛЬНИЙ УНІВЕРСИТЕТ БУДІВНИЦТВА І АРХІТЕКТУРИ

На правах рукопису ХОМУТЕЦЬКА ТЕТЯНА ПЕТРІВНА —

УДК 628.162.1

РОЗРОБКА ТЕХНОЛОГІЇ ЗНЕЗАЛІЗНЕННЯ ПІДЗЕМНИХ ВОД НА ПІНОПОЛІСТИРОЛЬНО - ЦЕОЛІТОВИХ ФІЛЬТРАХ

05.23.04 - Водопостачання, каналізація

АВТОРЕФЕРАТ

дисертації на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук

Київ - 2000

Робота виконана в Інституті гідротехніки і меліорації УААН та Київському національному університеті будівництва і архітектури Міністерства освіти та науки України.

Науковий керівник. ОЛІЙНИК ОЛЕКСАНДР ЯКОВИЧ

доктор технічних наук, професор, член - кореспондент НАН України, завідувач кафедри гідравліки і водовідведення . Київського національного університету будівництва і

архітектури

Офіційні опоненти: ГІРОЛЬ МИКОЛА МИКОЛАИОВИЧ

доктор технічних наук, професор, завідувач кафедри Рівненського державного технічного університету

КРИВОНОГ ОЛЕКСАНДР ІВАНОВИЧ . кандидат технічних наук, старший науковий співробітник

Інституту гідромеханіки НАН України

Провідна установа: Харківський державний технічний університет будівництва і

архітектури

Захист дисертації відбудеться «£ї» О V 2000р. о 13 год. на засіданні спеціалізованої вченої ради Д26.056.07 при Київському національному університеті будівництва і архітектури за адресою: 03037. м.Київ, Повітрофлотський просп., 31. АудЛіСС

З дисертацією можна ознайомитись у бібліотеці Київського національного університету будівництва і архітектури за адресою: 03037. м.Київ, Повітрофлотський просп., 31.

Відгуки на автореферат просимо надсилати у двох примірниках за підписом, завіреним печаткою, на адресу: 03037. м.Київ, Повітрофлотський просп., 31. КНУБА. Вчена рада.

Автореферат розісланий «22» О 3 2000р.

Вчений секретар спеціалізованої вченої ради, к.т.н., професор

О.А.Василенко

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність роботи. Одним із напрямків покращання забезпечення населення доброякісною водою є розширене використання підземних вод, які надійно захищені від забруднень з поверхні землі.

В Україні перевищення регламентованого ГОСТом (0,3 мг/л) вмісту заліза в підземних водах досягає 50% розвіданих запасів. Найбільше розповсюджені води з вмістом заліза до 10 мг/л (найчастіше - З...5мг/л).

Сьогодні для знезалізнення підземних вод розроблено і використовується на практиці велика кількість технологій і конструкцій водознезалізнюючих установок. Але всі вони мають ряд недоліків. Вони або металоємні та дорогі у будівництві,або ненадійні в роботі та складні в експлуатації. Крім того, недостатня ефективність роботи споруд, що застосовуються для знезалізнення підземних вод в локальних системах водопостачання, обумовлює необхідність пошуку нових технічних рішень.

Таким чином, проблема розробки технології знезалізнення підземних вод, що дозволила б інтенсифікувати процес видалення заліза з води, створення та широкого використанім водознезалізнюючих установок, які б забезпечували високу якість очищення води, були б надійними в експлуатації, простими в обслуговуванні та мали б мінімальні будівельні та експлуатаційні витрати, є актуальною.

Робота виконувалась в памках державної програми по темі 03.02 «Розробити і впровадити технології та технічні засоби очищення і використання природних та стічних вод в системах сільськогосподарського водопостачання і каналізації», а також госпрозрахункових договорів з виробничими управліннями Держводгоспу України.

Мета роботи - розробити і науково обгрунтувати технологію знезалізнення підземних вод на пінополістирольно - цеолітових фільтрах, що дозволить інтенсифікувати процеси видалення заліза з води та підвищити ефективність роботи водоочисних станцій.

Для досягнення поставленої мети були визначені наступні задачі:

- виконати аналіз існуючих технологій знезалізнення підземник вод, проаналізувати роботу відомих діючих водознезалізнюючих установок заводського виготовлення та узагальнити досвід їх експлуатації;

- розробити технологію знезалізнення підземних вод та нову конструкцію компактної водозпезалізнюючої установки з висхідним фільтруванням води через піпополістирольний та цеолітовий фільтри;

- дослідним шляхом встановити її раціональні конструктивні і технологічні параметри; діаметри гранул і товщину' завантаження, швидкість фільтрування води і тривалість фільтроциклу, інтенсивність і тривалість промивки фільтрів;

- експериментально встановити закономірності зміни втрат напору та ефективності знезалізнення води від різних факторів при її висхідному фільтруванні через пінополістирольний і цеолітовий фільтри;

- розробити рекомендації по розрахунку основних вузлів установки, проектно-конструкторську документацію для їх серійного випуску та рекомендації по їх експлуатації.

Наукова новизна:

- запропоновано, досліджено і науково обгрунтовано технологічну схему знеза-лізнення підземних вод з висхідним фільтруванням води через пінополістироль-но - цеолітові фільтри;

- дослідним шляхом визначено раціональні конструктивні та технологічні параметри пінополістирольно - цеолітових фільтрів;

- побудовано математичну модель зміни втрат напору у завантаженні пінополіс-

тирольного і цеолітового фільтрів від якості вихідної води та швидкості і тривалості висхідного фільтрування; .

- експериментально встановлено закономірності зміни втрат напору і ефективності знезалізнення води від різних факторів при висхідному фільтруванні води через пінополістирольний і цеолітовий фільтри;

- розроблено методику інженерного розрахунку пінополістирольно - цеолітових фільтрів

Практична иіивість і реалізація результатів роботи.

Розроблена технологічна схема і конструкція установки для знезалізнення води (рішення про видачу патенту на винахід № 97063176 від 18.03.99), яка базується на висхідному фільтруванні води через пінополістирольний і цеолітовий фільтри, більш ефективна у порівнянні з тими, що застосовуються.

Розроблені технічні умови на проектування і експлуатацію таких водо-знезалізнюючих установок і проектно - конструкторська документація.

Матеріали дисертації використовувались ВАТ «Укрводпроекг» при реконструкції станції знезалізнення води на Червонослобідському спиртзаводі Макарівського району Київської області та Дніпропетровським облводгоспом при будівництві установки для знезалізнення води.

Експлуатація установок показала їх високу ефективність очистки води і надійність роботи. Порівняно з відомими водознезалізнюючими установками вони мають такі переваги: не потрібні промивні насоси, не відбувається прогресуюча кольматація фільтрувального завантаження, установки довговічні, дешеві у будівництві і прості в експлуатації.

Особистий внесок здобувача. Наукові результати, які викладені в дисертації, отримані особисто автором на основі проведеного аналізу методів знезалізнення підземних вод, технологічних схем станцій знезалізнення води та конструкцій відомих водознезалізнюючих установок, узагальнення досвіду їх

роботи га проведения лабораторних досліджень. Особисто виконано математичну обробку отриманих результатів за допомогою ПЕОМ у програмі «EXEL» та отримано залежності змін втрат напору і ефективності знезалізнсиня води від різних факторів. Побудовано математичну модель зміни втрат напору у завантаженні пінополістирольного і цеолітового фільтрів від якості вихідної води та швидкості і тривалості висхідного фільтрування, розроблено методику інженерного розрахунку пінополістирольно - цеолітових фільтрів. Запропоновано нову конструкцію компактної водознезалізнюючої установки з пінополістирольним і цеолітовим фільтрами при висхідному фільтруванні вихідної води (особистий внесок здобувача - 40%) та розроблено рекомендації по її експлуатації.

Апробація роботи. Основні положення і окремі розділи роботи доповідались на науково - практичних конференціях: «Актуальні проблеми водного господарства» (Рівне, 1997), «Вода - проблеми і рішення» (Дніпропетровськ, 1998), «Вода: экология и технология. Экватек - 98» (Москва, 1998), «Нтьевая вода -98» (Одесса, 1998), «ЭТЭВК» (Ялта, 1999).

Результати роботи відображені у звітах науково - дослідних робіт.

Публікації. За результатами проведених, досліджень опубліковано 11 друкованих праць.

Структура і об’єм дисертації. Дисертація складається із вступу, п'ят розділів, списку літератури з 161 найменуванням і додатків. Робота викладена на 177 сторінках, містить 33 таблиці і 34 матюнки.

ЗМІСТ РОБОТИ

У вступі наводиться стисла характеристика дисертаційної роботи.

В першому та другому розділах дана оцінка кількісного і якісного стану підземних вод, що використовуються в комунальному водопостачанні, зроблено аналіз існуючих методів знезалпнения води на основі робіт Апельцина I.E., Клячко В.А.,ОлійникаО.Я.,Ніколадзе ГЛ., Сафонова М.А., Сергеева Ю.С., Юркова Є.В., Гіроля ММ, Кулішенко 0.10., Остапенко В.Т., Кравченко Т.Б., Пивовара М.Г., Кривонога 0.1, Дзюби С.В., Журби М.Г., Станкявічуса В.М., Мамонтова К.А.,Мінца Д.М., Мілова М.A., Орлова В.О., Кисельова С.К., Асса Г.Ю., Золотової Г.Ф.. Терновцепа В.О., Хоружого П.Д., Муромцева Л.М., Руденко Г.Г., Квартенко О.М., Кітнера Г., Халле К., Холлюти Дж„ Грохмана А. та ін.; проаналізовано основні технології знезалізнення підземних вод та конструктивні особливості діючих установок і вказано, що основним напрямком вдосконалення технології очистки підземних вод с розробка методу очистки води і конструкції установки, які дали б можливість: комплексної очистки підземних вод від шкідливих домішок; застосування легких плаваючих і сорбційних фільтруючих матеріалів; використання біологічного методу окислення заліза і перевод) його з днохнатенпіої форми в тривалентну; простоти експлуатації і обслу-

говування при відсутності реагентів, повітрядувок і промивних насосів; невеликої вартості установки і собівартості очистки води.

Цим вимогам відповідає компактна водоочисна установка (КВУ), в якій фільтруючим завантаженням використовуються дрібнозернистий плаваючий спінений полістирол та природний сорбент - цеоліт.

В установці фільтрувати води здійснюється зішзу догори; при цьому нижній пінополістирольний фільтр виконує роль контактного і освітлювального фільтра, в якому відбувається контактна коагуляція і затримується основна маса колоїдних частинок із гідроксиду заліза, а верхній сорбційний цеолітовий фільтр виконує роль зворотного фільтру, що перешкоджає виносу у фільтровану воду частинок спіненого полістиролу, а також у ньому відбувається додаткове очищешія води. Крім того, у підфільтровому просторі установки накопичується осад із гідроксиду заліза, який сприяє швидкому переходу заліза із двохвалєнт-ної форми в тривалентну та створенню крупних пластівців, що знаходяться в завислому стані, як в освітлювачі, або випадають в осад,, як у відстійнику. Промивання фільтру здійснюється у зворотному напрямку чистою або вихідною водою зверху вниз.

В заключенні наведені мета та задачі наукових досліджень по вивченню оптимальних конструктивних і технологічних параметрів цієї установки.

В тре тьому поілілі показано, що якість очищеної води Сф і втрати напору на фільтрах Ііф залежать від наступних основних параметрів: вмісту заліза у вихідній воді С„; діаметрів сіє та неоднорідності К„ частинок фільтрувального завантаження; товщини фільтруючої засипки 1ф; швидкості Уф та тривалості Тф фільтрування води. Отже, знайти оптимальні конструктивні і технологічні параметри фільтрів можна лише на основі експсриментальїшх досліджень.

Для правильного вибору потрібного плану дослідів, побудови математичного описання процесу знезалізнення води на пінополістирольно - цеолітових фільтрах та вибору найкоротшого шляху до оптимуму використовувався метод Бокса - Уілсона, при якому всі фактори на протязі кожного досліду підтримувалися постійними, а якість вихідної води контролювалася.

Експериментальна установка (рис.1) була змонтована в селі Юрівка Київської області. В основу методики проведення лабораторних досліджень покладено вимоги, щоб кількість вимірювань досліджуваїшх параметрів повинна бути не менше трьох, а точність вимірювання всіх параметрів - рівнозначною.

Для дослідження застосовувався полістирол марки ПСВ. Після розсіювання по фракціям було підготовлено три типи фільтрувального завантаження, які відрізнялися між собою діаметрами гранул і їх неоднорідністю, а також проведено аналіз гранулометричного складу та визначено характерні діаметри частинок пінополістирольного і цеолітового фільтрів (табл.1).

Рис.1. Схема лабораторної установки для експериментальних досліджень роботи пінопол¡стирольно - цеолітових фільтрів: 1 - аераційний бачок постійного рівня води; 2- повігрявіддільник; 3 - корпус фільтру; 4 - щит п’еюметрів; 5 -подача вихідної води; 6 - переливна труба; 7 - підфільтровий простір; 8 - пінополістирол; 9 - колосникова решітка; 10 - цеоліт; 11 - трубка для випуску і впуску повітря; 12 - подача води на промивку; 13 - відведення чистої води; 14 - вимірювальний бак; 15 - пробовідбірники; 16 - регулюючий вентиль.

Таблиця 1.

Характерні діаметри гранул фільтрувального завантаження в лабораторній установці_______________________________________________________________________

Фільтрувальне завантаження Характерні діаметри гранул, мм Коефіц. неоднорід ності, К„

матеріал тип 10 СІ50 СІ80 4

піно- полі- стирол 1 0,57 1,48 2,25 1,87 3,95

2 1,62 3,18 4,08 3,22 2,52

3 2,3 3,4 4,7 4,0 2,04

цеоліт - 3,2 5,5 6,5 6,22 1,91

Покаїано, що насичення досліджуваної підземної води киснем при її зне-залізненні можливо і доцільно виконувати методом спрощеної аерації, яка здійснювалась шляхом її розбризкування з висоти 0,5 м.

Оскільки якість вихідної води, що подавалась на лабораторну установку з водонапірної башти під час проведення дослідів змінювалась, то для кожного досліду контролювався вміст заліза у вихідній воді Св та визначалась ефективність зиезалізпешія.

Втрати шпору в кожному шарі фільтрувального завантаження вимірювались за допомогою шкали п'єзометрів 4, а для визначення зміни якості води під час її висхідного фільтрування вона відбиралась за допомогою пробовідбірників 15. Швидкість фільтрування води підтримувалась постійною регулюючим вентилем 16, Витрата води, яка проходила через фільтр, Офі, а отже і швидкість її фільтрування Уфі визначалась об’ємним способом за допомогою секундоміра і вимірювального бака 14, а також знаючи внутрішній діаметр фільтра сіф. Для запобігання пухирцевої кольматації у підфільтровому просторі 7 при висхідному фільтрувати аерованої підземної води на піиополістирольно - цеолітових фільтрах повітрявіддільїшки розраховуються із умови перебування води в ньому не менше 1 хвилини і швидкості руху води не більше 0,05м/с. Згідно цих вимог внутрішній діаметр повігрявідаільника 2 повинен бути не менше

6п~6ф][^’ (0 де Уфм - максимальна швидкість фільтрувати води, м/год; сІ„ і <1ф - діаметри труб відповідно повітрявіддільника і фільтра, м.

Довжина шляху руху води в повітрявіддільнику від мінімального рівня води в ньому (на початку фільтроциклу) до точки подачі води в підфільтровий простір повинна бути не меншою \2

V*

1П —

60

, (2)

*п у

Якщо умова (2) не виконується, то потрібно збільшити діаметр повітрявіддільника (1„ або зменшити величину Уф.м.

У четвертому розділі наведено результати лабораторних досліджень роботи установки для знезалізнення води з піиополістирольно - цеолітовими фільтрами. Дослідження гідравлічних характеристик фільтрів показали, що в чистому фільтрувальному завантаженні втрати напору для шарів однакової товщини і при постійній швидкості фільтрування с однаковими, епюра втрат напору по товщині фільтру має вигляд прямої лінії; гідравлічні похили від швидкості фільтрування мають лінійну залежність, а робота фільтру здійснюється при ламінарному режимі фільтрувати.

Графік залежності коефіцієнту фільтрації пінонолістирольних фільтрів від еквівалентного діаметру іранул при висхідному фільтруванні води має приблизно вигляд прямої лінії.

При роботі фільтра його гідравлічні похили і коефіцієнти фільтрації значно змінюються і в часі, і по довжині шляху фільтрування води (рис.2). Воші залежать від кількості забруднень, що знаходяться в порач фільтрувального завантаженій. Ці забруднення відкладаються нерівномірно по шляху фільтрування води.

Тф*0

Довжина шляху фільтрування води Іі, мм

б)

з

~Ег

я

ь-

л

.5 ' -Є-

з

'■§■

ф

о

ъ:

Довжина шляху фільтрування води Іі, мм

Рис.2 Графіки зміни гідравлічних похилів (а) та коефіцієнтів фільтрації (б) на про ті фільтроциклу і но довжині шляху висхідного фільтрування води через пінополістирольнс завантаження 2-го типу при V,), = 9,Зм/год і Тф; відповідно 0; 16; 24 і 40 годин.

Загальна маса затриманого гідроксиду заліза, яка припадає на їм3 фільтрувального завантаження даного шару Оч, кгАг, називається середньою питомою брудомісткістю в данин момент часу Т,^ і внзначасться за формулою і-/№ . -

0,00191

^*У і ф ФІ ' вх.у вих.у) ( і

Ч

де 0,00191 - перевідний коефіцієнт; Сю і Св1кі0 - середній вміст заліза, відповідно при вході води в даний (і - ий) шар фільтру і виході з нього, мг/л; 1, - тов-

щина дшюго фільтруючого шару, м.

Залежність між коефіцієнтом фільтрації пінополістирольного фільтру з ВИСХІДНИМ рухом ВОДИ І середньою ПИТОМОЮ брудомісткістю Кфч = Г (вц) ви-значаєгься графіком на рис.З, на якому чітко виділяються три зони: «зарядки» фільтру; перехідна зона; корисної роботи. Ця залежність описується лінійними рівняннями:

а) для зони «зарядки» фільтру, коли Од < СГО1П:

Кфу — Кф, - Зібу, (4)

б) для зон» корисної роботи фільтру, коли Су > Отіп:

^фі^ Кф тпт “ *^2 (^1,] " ^!ї!іп ) (5)

де К^о і Кфтш - коефіцієнти фільтрації, м/год, відповідно в чистому фільтрувальному завантаженні і при накопиченні в їм3 даного шару забруднень величиною Стіп, що дорівнює абсцисі критичної точки Е, яка утворюється при перетині прямих ліній 1 і 3 (рис.З);

аі і а2 — кутові коефіцієнти, які характеризують вплив забруднень Єц на зміну коефіцієнтів фільтрації відповідно в зоні <зарядки» фільтру і в зоні корисної його роботи, м4/кг-год.

Питома брудомісткість шару Є, кг/мЗ

Рис.З Графік залежності Кфі0 = ґ (01}) для пінополістирольного фільтрувального завантаження 2-го типу: 1 - зона «зарядки» фільтру; 2 - перехідна зона; 3 - зона корисної роботи фільтру.

Величини Кф0; Кф™; 0П1ІП; аі; а2 залежать від пористості фільтрувального завантаження, тобто крупності його гранул і!с, а також швидкості фільтрування води Уф. Для досліджуваного фільтрувального завантаження ці параметри дорівнюють: Кф0 = 199 м/год; Кф,пі„ = 18 м/год; Стіл = 1,76 кг/м3; аі = 103 м4/кг-год; а2 = 0,9 м4/кг-год.

Отже, якщо відоме значенім коефіцієнту фільтрації даного фільтруючого шару Кф у, то втрати напору визначають за відомою формулою

ьіґ-М

и ІҐ

Ф-У

N

(6)

Перевірка цієї формули показала, що похибка при обчисленні не перевищує 5%.

Дослідження показали, що технологія знезалізненпя підземних вод із спрощеною аерацією та висхідним фільтруванням води через пінополістирольно

- цеолітове завантаження е високоефективною (велнчина Сс досягає 99,5%). Її можна застосовувати при вмісгі заліза у вихідній воді більше 10 мг/л.

В табл.2 наведено результати досліджень і розрахунків технологічних характеристик фільтрувального завантаження 2-го типу для Уф = 9,3 м/год.

Таблиця 2

Результати технологічних досліджень і розрахунків пінополістирольно -

Найменування показників Розрахункові зи фільт аченпя для довжини шляху рування води,мм

0 200 500 800 1000

Матеріал фільтру пінополістирол цеоліт

Вміст заліза у воді, Сфі.і, мг/л, для часу роботи фільтру, Т,і, і, год 0 9,16 4.51 1,0 0,32 0,21

16 5.86 3,45 0,85 0,27 0,18

24 10,63 5,32 0,76 0,23 0,18

40 9.74 2,55 0,27 0,16 0,05

Ефективність знеза-лізнення води Сс, „ %, для часу роботи фільтру Т*,, год 0 0 50,8 89,1 96,5 97,7

16 0 41,1 85,5 95,4 96,9

24 0 50,0 92,9 97,8 98,3

40 0 73,8 97,2 98,4 99,5

11о даним цієї таблиці побудовано графіки залежності Сф ^ = Г (іі; Тф]) та Ом і = ї (І.; Тф і)> які представлено на рис.4 і 5.

Як бачимо з графіків па рис.5, ефективність знезалізнеїшя води Се в значнії! мірі змінюється по шляху руху води, а в одній і тій же точці дещо збільшується з часом фільтрування води Тф.

Довжина шляху фільтрування води її, мм

Рис.4 Графік залежності СфЧІ = Г (1„ Т((| х) для фільїрувального завантаження 2-го типу при Уф = 9,3 м/год: 1 - припустима норма вмісту заліза у питній воді; 2, 3,4 і 5 - графіки вмісту заліза в окремих шарах фільтрувального завантаження відповідно після 0, 16, 24 і 40 годин роботи фільтру.

Довжина шляху фільтрування води її, мм

Рис.5 Графік залежності Се.ц = Г(1^ для фільтрувального завантаження 2 - го типу при Уф = 9,3 м/год: 1; 2; 3 і 4 - графіки зміни ефективності знеза-лізнешія води по довжині шляху фільтрування !, відповідно після 0; 16; 24 і 40 годин роботи фільтру.

Дослідження покачали, що ефективність знезалізнення води зростає ііри збільшенні у порах фільтру осаду із гідроксиду заліза, який е каталізатором прискорення переходу заліза із двохвалептної форми в тривалентну.

Формулу (3) можна записати у такому вигляді

О ¡о=0,00191-Уф-Т (7)

‘і

Оскільки із збільшенням значень 1і буде зменшуватись відношення Се^/1„ то отже буде зменшуватись середня питома брудомісткість фільтрувального завантаження (а > р на рис.5).

Максимальна тривалість фільтроцнклу при стабільному вмісті заліза у вихіднії! воді Св із умов затримання у фільтрі максимальної кількості забруднень борта* без погіршення якості фільтрованої води (Сф < С„ ) визначається за формулою

_523,6-1ф-Об

Т*т« = V .Г .Г----------------’Г0Д ( )

ф 8 Є.Ср

де Сеср - середня ефективність знезалізнення води на протязі фільтроцнклу, в долях одиниці.

Дослідження показали, що максимальна кількість забруднень, яка була затримана фільтром у розрахунку на їм3 фільтрувального завантаження, становила Сортах = 12,74 кг/м3, з них 25 - ЗО % гідроксиду заліза випадало в осад у підфільтровому просторі, а в порах фільтру з еквівалентним діаметром 3...4 мм максимально затримувалось 7-8 кг/м3 забруднень.

Дослідженнями встановлено закономірності зміни технологічних параметрів фільтрувального завантаження в часі і просторі від різних факторів. Так, початкова ефективність знезалізнення води Сс0 зростає із зменшенням швидкості фільтрування води У<(| і збільшенням залишкової питомої брудомісткості фільтру С6р ф, а обробка гранул пінополістирольного завантаження розчином марганцевокислого калію майже в два рази підвищує величину Се.

Тривалість «зарядки» свіжого фільтру залежить від вмісту заліза у вихідній воді Св і швидкості її фільтрування Вона триває до накопиченім у порах фільтру мінімальної кількості гідроксиду заліза, величина якої визначається за формулою

......

1000

де А - величина мінімальної питомої брудомісткості, що припадає па одиницю швидкості надходження двохвалентного заліза на їм2 площі фільтра, яку в середньому можна приймати для фільтрувальних завантажень з сі« = 3...4 мм рівною 20 год/м; С„ - С„- глибина знезалізнення води, мг/л.

Ібр.тіп~---------------------> кг/м (9)

Інтенсивність покращання якості фільтрованої води Рс та інтенсивність відкладання осадів в порах фільтра Ро визначаються за формулами С -С

Рс = —^-----І+1 , мг/л-м (10)

п йі

Р0 = -!*,г/и (11)

і

де С; та Сіп - якості фільтрованої води на вході і виході із і-го шару фільтра товщиною І;, мг/л; С, - маса забруднень, г, що затримуються в цьому шарі.

Дослідження показали, що значення Рс та Рс по шляху фільтрування води значно зменшуються. Так, наприклад, після 24 годин роботи величина Рс в першому шарі фільтра товщиною 0,2м більш ніж в 100 разів більша, ніж в четвертому шарі такої ж товщини.

Для забезпечення нормативної якості фільтрованої води товщина пінопо-лістирольного фільтрувального завантаження повинна бути не меншою значення, отриманого за формулою Кисельова

1ф3-1п~в--,м (12)

де К - коефіцієнт, який враховує вплив каталітичних властивостей фільтрувального завантаження на ефективність затримання із води домішок, що в ній знаходяться. Розрахунки показали, що для пінополістирольних фільтрів з висхідним рухом води величину К можна приймати в межах 35...40 1/год.

Що стосується цеолітового фільтрувального завантаження, то аналізи свідчать, що у ньому відбувається глибоке доочищення води, а також поліпшення її органолептичних показників (запах і присмак).

Дослідження процесу промивки фільтрувального завантаження показали, що інтенсивність вимивання забруднень Іс, тобто маса гідроксиду заліза, яка вимивається за 1 хвилину з 1 м2 площі фільтра, кг/хв-м2, залежить від часу Іпр, хвилин, та інтенсивності qПp, л/с-м2, промивки, а також питомої брудомісткості фільтра П0р п, кг/м3, перед промивкою і визначається за формулою

Іо = 0,06ч„р-Сг , кг/хв-м2 (13)

де вг — вміст гідроксиду заліза у промивній воді, кг/м3.

Дослідження показали, що при інтенсивності промивки qпp = 17 л/с-м2 з низхідним рухом води приблизно 80% всіх забруднень вимивались з фільтра за перші дві хвилини, а за три послідуючі хвилини промивки вимивалась решта, всього біля 20% гідроксиду заліза. Тому фільтр рекомендується промивати з інтенсивністю qПp = 20 л/с-м2 на протязі ІІф = 2 хвилин.

Щоб не виконувати «зарядку» фільтра після його промивки в ньому повинна залишатись мінімальна кількість гідроксиду заліза, яка визначається за формулою (9).

В п’ятому розділі описана загальна технологічна схема КВУ, наведено розрахунки і конструювання вузлів очисної станції, приготування фільтрувального завантаження та рекомендації по експлуатації і технічному обслуговуванню установки.

Матеріали дисертації були впроваджені при реконструкції станції знезалі-знеїшя води на Червонослобідському спиртзаводі Макарівського району Київської області і будівництві станції знезалізнеінш води для дитячого санаторію в селі Мішурін Рог Дніпропетровської області. Технічні умови на проектування і експлуатацію водознезалізнюючих установок по розробленій технології передано ВАТ «Укрводпроект». .

Анх'ііз роботи цих установок виявив такі їх переваги порівняно з установками інших типів:

а) компактність установок, простота у їх виготовленні і обслуговуванні;

б) велика ефективність знезалізнення води (до 99%) та висока і стабільна якість очищеної води;

в) відсутність прогресуючої кольматації фільтрувального завантаження;

г) не потрібні промивні насоси, повітрядувки, реагенти;

д) невелика вартісь установки і собівартість очищення води.

ОСНОВНІ висновки

1. Обгрунтована доцільність розробки технології знезалізнення підземних вод в локальних водопроводах на пшополістирольно - цеолітових фільтрах з висхідним фільтруванням води. Розроблена конструкція такої установки та виконано лабораторні дослідження її роботи для трьох типів фільтрувального завантаження, які відрізнялися між собою діаметрами гранул і їх однорідністю.

2. Доведено, що робота фільтрів здійснюється при ламінарному режимі фільтрування, а гідравлічні похили і коефіцієнти фільтрації значно змінюються в часі та по довжині шляху фільтрування і залежать від середньої питомої бру-домісткості в даному шарі фільтрувального завантаження.

3. Встановлено залежності між коефіцієнтом фільтрації пінополістироль-ного фільтра з висхідним рухом води і середньою питомого брудомісткістю Кф.ц= 1’ ((¡,Д що визначається графіком на рис.З, па якому виділено три зони: «зарядки» фільтру; перехідна зона; корисної роботи. Ці залежності описуються лінійними рівняннями (4) і (5), а втрати напору на фільтрі - формулою (6).

4. Встановлено закономірності зміни технологічних параметрів фільтрувального завантаження в часі і в просторі від різних факторів:

- початкова ефективність зпезалізнешія води Сет зростає із зменшенням швидкості фільтрування води Уф і збільшенням залишкової питомої брудоміст-кості фільтру Gep.cp.; обробка гранул пінополістирольного завантаження розчином марганцевокислого калію майже в два рази підвищує величину Ссо;

- тривалість «зарядки» свіжого фільтру залежить від вмісту заліза у вихідній воді С„ і швидкості її фільтрування Уф; вона триває до накопичення у порах фільтру мінімальної кількості гідроксиду заліза Ggp.mm, величина якої визначається за формулою (9);

- інтенсивність покращання якості фільтрованої води Рс та інтенсивність відкладення осадів в порах фільтра Ро, які визначаються відповідно за формулами (10) і (11) по шляху фільтрування води значно зменшуються: після 24 годин роботи величина Рс в першому шарі фільтра товщиною 0,2 м більш ніж в 100 разів більша ніж в четвертому шарі такої ж товщиіш.

5. Максимальна тривалість фільтроциклу Тф та_ч при стабільному вмісті заліза у вихідній воді С„ визначасгься за формулою (8) із умов затримання у фільтрі максимальної кількості забруднень Обр п„их без погіршення якості фільтрованої води (Сф < Сн).

6. Для забезпечення нормативної якості фільтрованої води товщина фільтрувального завантаження повинна бути не меншою значення, отриманого за формулою (12), в якій коефіцієнт К для пінополістирольних фільтрів з висхідним рухом води слід приймати в межах 35 - 40 1/год.

7. Показано, що інтенсивність вимивання забруднень lG, тобто маса гідроксиду заліза, яка вимивається за 1 хвилину з їм2 площі фільтра, кг/хв-м2, визначається за формулою (13) і залежить від часу tnp та інтенсивності q„p промивки, а також питомої брудомісткості фільтра G6pn перед промивкою.

8. Розроблено рекомендації на проектування і експлуатацію водознезаліз-нюючих установок з пінополістирольно- цеолітовими фільтрами.

Розроблену технологію знезалізнення підземних вод впроваджено при реконструкції водоочисної станції Червонослобідського спиртзаводу Макарівсько-го району Київської області та будівництві водознезалізнюючої установки в дитячому пансіонаті с. Мішурін Рог Дніпропетровської області.

Ці рекомендації використовуються інститутом «Укрводпроект» при проектуванні систем водопостачання в сільських населених пунктах та підприємствах агропромислового комплексу.

СПИСОК ОПУБЛІКОВАНИХ ПРАЦЬ ЗА ТЕМОЮ ДИСЕРТАЦІЇ

1. Хомутецька Т.П. Дослідження і розрахунок водознезалізнюючих установок з пінополістирольно - цеолітовими фільтрами // Меліорація і водне господарство, - K., 1999, - Bim. 86, -с. 161 - 165.

2. Хомутецька Т.П. Розрахунок параметрів знезалізнешш води при висхідному фільтруванні через пінополістирольно - цеолітові фільтри. «Коммунальное хозяйство городов»// Респ. меж - вед. Научно - техн. сб. Вып. 19. - Киев: Техника, 1999г. с. 141 - 143.

3. Xоружий П.Д., Хомутецька Т.П. Розширення використання підземних вод // Водне господарство України, 1997, № 1, с.21 -22.

4. Хоружий П.Д., Муромцев Л.М., Хомутецька Т.П., Чарний Д.В., Петренко Т А. Сучасні проблеми сільгоспводопостачання і шляхи їх вирішення // Актуальні проблеми водного господарства. Том 2., Рівне, 1997,с.85-87.

5. Хоружий П.Д., Муромцев J1.M., Хомутецкая Т.П., Петренко Т.А., Чар-ный Д.В. Компактные водопроводные установки в системах сельхозводоснаб-жения //Матернаты Ш-го Международного конгресса: «Вода: экология и технология». - Москва, 1998, с.337-338.

6. Хоружий П.Д., Хомутецкая Т.П., Шевелев А.И., Кручешок В.Д. Новые технологические схемы очистки природных вод в системах сельскохозяйственного водоснабжения // Материалы IV Всеукраинской научно - практической конференции «Вода - проблемы и решения», -- Днепропетровск, 1998, с. 135136.

7. Хоружий П.Д., Хомутецкая Т.П., Яковенко Ю.П. Установки для глубокой очистки воды в локальных системах водоснабжения // Сборник материалов IV Международной научно - технической конференции «Питьевая вода - 98», -Одесса, 1998, с.132-136.

8. Хомутецька Т.П. Сучасний стаи і перспективи використання підземних вод в системах сільгоспводопостачання // Международная научная конференция: Сборник научных статей под ред. ГІ.И.Коваленка и А.П.Лихацевича. - Киев, 1998, с.57-59.

9. Хомутецкая Т.П. Очистка природных вод на компактных водоочистных установках с пенополистирольно - пеолитовыми фильтрами // Сборник материалов научной конференции. - Минск, 1998, с. 183-190.

10. Хоружий П.Д., Хомутецька Т.П. Дослідження процесу знезалізнення підземних вод па установках з пінополістирольно - цеолітовими фільтрами // Збірка доповідей Міжнародного конгресу «ЕТЕВК’99», Ялта, 1999, с. 26 - 28.

11. Олійник О.Я., Хомутецька Т.П. Дослідження висхідного фільтрування підземних вод при їх знезалізненні // Збірка доповідей Міжнародного конгресу «HTfc!BK’99», Ялта, 1999, с. 31 - 33.

АНОТАЦІЇ

Хомутецька Т.П. Розробка технології знезалізнення підземних вод на пі-нополістирольно - цеолітових фільтрах. -Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.23.04 - Водопостачання, каналізація. Київський національний університет будівництва і архітектури, Київ, 2000.

Запропонована нова технологічна схема знезалізнешія води та розроблена конструкція нової компактної водознезалізнюючої установки (КВУ), яка базується на висхідному фільтруванні води через пінополістирольний і цеолітовий. Досліджений механізм процесу знезалізнення води на таких установках та визначено їх раціональні конструктивні і технологічні параметри. Встановлено закономірності змін втрат напору та ефективності знезалізнення води від різних факторів при висхідному фільтруванні води через пінополістирольний і цеолітовий фільтри. Розроблені технічні умови на проектування і експлуатацію таких водознезалізнюючих установок та проектно - конструкторська документація. Такі установки побудовані і успішно експлуатуються в Київській і Дніпропетровській областях.

Ключові слова: підземні води, знезалізнення, пінополістирол, цеоліт, висхідне фільтрування.

Хомутецкая Т.П. Разработка технологии обезжелезивания подземных вод на иенополистирольно - цеолитовых фильтрах. - Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук по специальности 05.23.04 - Водоснабжение, канализация. Киевский национальный университет строительства н архитектуры, Киев, 2000.

Диссертация состоит из вступления, пяти разделов, основных выводов, списка использованных литературных источников из 161 наименованием, 3 приложений, 33 таблиц и 34 рисунков.

Диссертация посвящена вопросам проектирования и эксплуатации установок для обезжелезивания воды в локальных системах водоснабжения.

В работе проанализированы современное состояние вопросов, основные технологии обезжелезивания подземных вод и конструкции водообезжелези-вающих установок.

Установлено, что наиболее перспективным направлением усовершенствования технологии очистки воды от железа является применение легких плавающих и сорбционных фильтрующих материалов с восходящим фильтрованием через них проаэрированной воды. Это обеспечивает простоту эксплуатации и обслуживания установки при небольшой ее стоимости и отсутствии реагентов, воздуходувок и промывных насосов.

С этой целью предложена новая технологическая схема обезжелезивания воды и разработана конструкция новой компактной водообезжелезивающей установки (КВУ), которая базируется па восходящем фильтровании воды через пенополистирольный и цеолитовый фильтры.

В работе исследован механизм процесса обезжелезивания воды на таких установках и установлены их рациональные конструктивные и технологические параметры. Доказано, что работа фильтров осуществляется при ламинарном режиме фильтрования, а гидравлические уклоны и коэффициенты фильтрации значительно изменяются во времени и по длине пути фильтрования и зависят от средней удельной грязеемкости слоя фильтрующей загрузки. Установлены закономерности изменений потерь напора и эффективности обезжелезивания воды от разных факторов при восходящем фильтровании воды через пенополистирольный и цеолитовый фильтры. Исследования показали, что такая технология является высокоэффективной (эффективность достигает 99,5 %) и ее можно применять при содержании железа в исходной воде более 10 мг/л.

На основе теоретических и экспериментальных исследований установлено, что начальная эффективность обезжелезивания воды увеличивается с уменьшением скорости фильтрования воды и увеличением остаточной удельной фязеемкости фильтра, а продолжительность его «зарядки» зависиг от содержания железа в исходной воде. Она продолжается до накопления в порах фильтра минимального количества гидроксида железа, величина которого прямо пропорциональна скорости фильтрования воды и глубине ее обезжелезивания.

Создана методика инженерного расчета конструктивных и технологте-ских характеристик воздухоотделителя и пенополистиролыю - цеолитового фильтра.

Обоснована экономическая целесообразность применения водообезжеле-зивающих установок с пенополистирольно - цеолитовыми фильтрами и разработаны рекомендации на их проектирование и эксплуатацию, которые используются институтом «Укрводпроект» при проектировании станций обезжелезивания воды.

Разработанная технология обезжелезивания подземных вод путем их восходящего фильтрования через пенополистирольно - цеолитовые фильтры внедрена на действующих системах водоснабжения в Киевской и Днепропетровской областях.

Сведения, приведенные в диссертации, отражены в печатных работах автора.

Ключевые слова: подземные воды, обезжелезивание, пенополистирол, цеолит, восходящее фильтрование.

Khomutetska T.P. Development of technology of underground water deironing on cellular-polystyrene and ceolite filters. - Manuscript.

The thesis is submitted to obtain the Candidate of scicnce Degree, technical (Ph.D), on speciality 05.23.04. - Water supply and sewerage systems. Kiyv National university for construction and architecture, Kiyv, 2000.

New engineering scheme of iron deprivation in water is being offered and design of new iron deprivation in water unit has been developed on the level of invention. Operation of the unit is based on the filtration of ascending water in cellular-polystyrene and ceolite filters. The process of iron deprivation in water has been probed on the units and determined their operational design and technological parameters. There also have been determined the relationship of changes of water head losses and effectiveness of iron deprivation in water depending upon different factors under ascending water filtration through cellular-polystyrene and ceolite filters. Technical conditions for designing and operation of the units of iron deprivation in water as well as project and design documents are worked out. Such units have been installed and successfully run in Kiyv and Dnepropetrovsk regions.

Key words: ground waters, iron deprivation in water, cellular-polystyrene, ceolite, ascending filtration.