Основна частина

Вступ

Ключові слова: знезалізнення, пінополістирол, аерація, засипка, фільтр

Будівництво

Архітектура та будівництво

Гранул, які є відходами виробництва, для знезалізнення підземних вод

Дослідження пінополістирольних фільтрів з підвищеною крупністю

К ЧЕРТУ ВСЁ! БЕРИСЬ И ДЕЛАЙ!

Технический редактор Н.Лиспцына

Корректор О. Ильинская

Компьютерная верстка К. Свищев

Художник обложки М. Соколова

Подписано в печать 30.06.2006. формат 84х108/32

Бумага офсетная №1. Печать офсетная

Объем 4,5 печ, л. Тираж 15000 экз. Заказ № 4599

Альпина Бизнес Букс

123060, Москва, а/я 28

Тел. [phone]

e-mail: [email protected]

Отпечатано в ОАО «ИПК «Ульяновский Дом печати»

432980, г. Ульяновск, ул. Гончарова, 14

Сільське населення північно-західних областей України споживає воду, що видобувається з підземних горизонтів. Але досить часто такі води не відповідають вимогам до питної води, оскільки містять у своєму складі підвищену концентрацію заліза (до 2 мг/дм³ і більше), сірководню та вільної вуглекислоти. Одним із найбільш простих і техніко-економічних методів знезалізнення води є метод спрощеної аерації та фільтрування на фільтруючому субстраті.

В останні роки нормативні вимоги до концентрації заліза в питній воді стали більш жорсткими, що вимагає покращення роботи знезалізнюючих споруд.

На даний час запропонована досить велика кількість різних за принципом дії і конструкцією пристроїв і споруд для знезалізнення води, головним компонентом у яких є фільтри. Всі вони мають певні свої переваги і недоліки, різні конструкції та типи засипок.

Таким чином, є актуальним визначення напрямків оптимізації роботи водоочисних споруд для знезалізнення підземної води з метою зменшення експлуатаційних витрат на їхнє обслуговування та зниження вартості влаштування станцій знезалізнення.

Об’єктом дослідження в даній роботі розглядається процес знезалізнення води з концентрацією заліза до 2 мг/дм³ на пінополістирольних фільтрах з висхідним фільтраційним потоком води. Предметом дослідження є параметри роботи пінополістирольних фільтрів у схемах знезалізнення води методом спрощеної аерації та фільтрування з використанням гранул пінополістиролу підвищеної крупності.

Для досягнення поставлених цілей використовувалися такі методи:

1) експерементальний – для дослідження параметрів процесу знезалізнення при різних швидкостях фільтрування та концентраціях заліза у вхідній воді в лабораторних та виробничих умовах.

2) аналітично-статистичний – для оцінки одержаних результатів у лабораторних і виробничих умовах та їхньої математичної обробки.

Наукова цінність отриманих результатів полягає в тому, щовперше було обґрунтовано доцільність використання крупногранульованої пінополістирольної засипки еквівалентним діаметром 2,8 мм із гранул, що є відходами промислового виробництва, для знезалізнення води з концентрацією заліза до 2 мг/дм³; практична цінність роботи заключається в тому, що було визначено раціональні значення технологічних параметрів пінополістирольної крупнозернистої засипки із гранул промислового виробництва еквівалентним діаметром 2,8 мм, яка рекомендується для виробництва.

Останнім часом при очищенні води себе добре зарекомендували фільтри з пінополістирольною засипкою. В порівнянні з іншими фільтрами вони більш дешевші, простіші в експлуатації та будівництві, не вимагають промивних місткостей та насосів, мають мінімальну кількість розподільних систем.

Простота конструкції пінополістирольних фільтрів з висхідним рухом води дозволяє в короткі терміни здійснити реконструкцію існуючих або будівництво нових фільтрів із невеликими матеріальними затратами. Конструкція фільтрів є раціональною та ресурсозберігаючою, що дає можливість її серійного виробництва та використання для знезалізнення води в багатьох регіонах України.

Значний вклад у розвиток питання знезалізнення води та фільтрування зробили вітчизняні та зарубіжні вчені, такі як М.Д. Мінц, О.Я. Олійник, Г.І. Ніколадзе, В.Г.Ільїн, С.І.Мороз, В.О. Орлов, М.Г. Журба, М.М. Гіроль, П.О. Грабовський, П.Д. Хоружий, С.Ю. Мартинов, Н.Л. Мінаєва, Fewtrell, Livingstone, R.O. Hallberg, Zalewski та інші.

Ефективність процесу знезалізнення води в досить великій мірі залежить від типу параметрів фільтруючої засипки. Потрібного вихідного матеріалу, який виготовлявся б промисловістю як засипка для пінополістирольних фільтрів, немає. Спінювання полістирольних гранул до потрібного діаметру проводиться в лабораторних умовах.

Виготовити засипку потрібного гранулометричного складу можна у невеликих кількостях для завантаження фільтрів станції знезалізнення. Для отримання необхідної фракції пінополістиролу використовується п’ята та четверта фракція заводського полістиролу, який попередньо розсівається на ситах для отримання потрібної фракції, після спінювання та просушування знову просівається. У результаті до 50% полістиролу практично викидається. Процес спінювання засипки у лабораторних умовах доволі довготривалий та складний. Вартість засипки, виготовленої під замовлення, є вищою, ніж при серійному виробництві, тому потрібно переходити на виробничий продукт, який отримується з полістиролу на підприємствах по виготовленню пінополістирольних теплоізоляційних плит.

На даний час налагоджено серійний випуск пінополістирольної засипки промислового виробництва найменшим еквівалентним діаметром 2,8 мм, хоча гранули пінополістиролу такого розміру відносять до крупногранульних, які раніше ще не досліджувалися.

Крупногранульована засипка, так як і дрібногранульована, може очищувати воду до нормативних значень у певних умовах. Проте потрібно підібрати оптимальні параметри засипки: її висоту, гранулометричний склад, швидкість фільтрування, напрямок фільтрування, вміст заліза у воді, що подається на очистку, тривалість фільтроциклу, при яких буде забезпечений ефект знезалізнення. Тому є потреба в дослідженні такої засипки та її обґрунтуванні щодо питань очистки води від сполук заліза.

Застосовування в якості фільтруючого шару спінених гранул полістиролу промислового виробництва сприяє вирішенню проблеми знезалізнення води з концентрацією заліза до 2 мг/дм³, проте існує обмеження по застосуванню такої засипки для певного типу вод за фізико-хімічними показниками, швидкістю фільтрування, концентрацією заліза і вихідній воді та ін.

Таким чином, є актуальним визначення параметрів роботи пінополістирольних фільтрів для знезалізнення підземної води з використанням крупногранульованої пінополістирольної засипки промислового виробництва з врахуванням більш жорстких вимог до якості питної води. Для вирішення зазначеного було змонтовано лабораторну модельну установку фільтра.

Схему лабораторної установки для знезалізнення води наведено на рис.1.

1 – трубопровід подачі водопровідної води на установку, 2 – бачок простійного рівня, 3 – вентиль для регулювання швидкості фільтрування на установці, 4 – ємкість для дозування розчину вапняного молока, 5 – трубопровід подачі розчину вапняного молока, 6 – ємкість для дозування розчину заліза, 7 – дозатор розчину заліза, 8 – трубопровід подачі розчину заліза, 9 – змішувальна лійка, 10 – повітрявідділювач, 11 – пробовідбірник вихідної води, 12 – трубопровід підведення води до установки, 13 – фільтрувальна колона, 14 – ємкість для збору фільтрату (промивний бачок), 15 – трубопровід відведення фільтрату, 16 – пінополістирольна засипка, 17 – утримуюча решітка, 18 – п’єзометричні трубки, 19 – щит п’єзометрів, 20 – промивний трубопровід із шаровим краном, 21 – калібрувальна рейка для визначення розширення засипки під час промивки.

Рис.1. Схема лабораторної установки для знезалізнення води

При дослідженню процесу знезалізнення через кожні 0,5 год визначалися швидкість фільтрування, лужність води, втрати напору в фільтруючій засипці, концентрація заліза у вихідній воді та фільтраті. У середині кожного фільтроциклу знімалися фізико-хімічні показники води. Дослідження проводилися на модельному розчині, який утворювали шляхом додавання у воду сірчано-кислого заліза та вапняного молока. Концентрація заліза знаходилася в межах 1–2 мг/дм³.

При швидкостях фільтрування менших 4 м/год спостерігається незначна зміна втрат напору в процесі фільтрування, а при швидкостях 8 та 9 м/год якість фільтрату не відповідала нормативним вимогам, тому в дослідженнях були прийнято діапазон швидкостей фільтрування в межах 4–7 м/год.

Дослідження змін втрат напору проводилися для діапазону швидкостей від 4 до 7 м/год при концентраціях заліза у вихідній воді – 1...2 мг/дм³.

Залежність зміни втрат напору у фільтруючій засипці від тривалості фільтрування у фільтруючій засипці в діапазоні швидкостей фільтрування 4–7м/год при концентрації заліза у вихідній воді понад 2,0 мг/дм³ з повною промивкою засипки зображено на рис. 2.

Рис 2. Залежність зміни втрат напору від тривалості фільтрування при швидкості 4–7 м/год з повною промивкою засипки та концентрації заліза у вихідній воді 2,0 мг/дм³

За фільтроцикл тривалістю 8 год втрати напору у фільтруючій засипці з повною її промивкою при концентрації заліза у вихідній воді С^вх=2,0 мг/дм³ для швидкості 4 м/год зростали з 6,0 до 7,8 см і склали за фільтроцикл – 1,8 см, для 5 м/год – від 7,3 до 9,2 см та становили 1,9 см, для швидкості 6м/год зростали від 8,4 до 10,6 см і склали 2,2 см, для 7 м/год – від 9,3 до 11,7см і за весь фільтроцикл становили відповідно 2,4 см.

Втрати напору та вміст заліза у фільтраті знімалися в початковий момент часу і через 0,5 години. За фільтроцикл були знято 17 значень та побудовано довірчий інтервал з вірогідністю 5%. По закінченню кожного фільтроциклу пінополістирольна засипка повністю промивалася впродовж 2,5–3,0 хв.

Залежність якості фільтрату від тривалості фільтрування в діапазоні швидкостей 4–7 м/год та концентрації заліза у вихідній воді 2,0 мг/дм³ з повною промивкою засипки показано на рис 3.

Рис. 3. Залежність якості фільтрату від тривалості фільтрування при швидкості 4–7 м/год дм³ з повною промивкою засипки та концентрації заліза у вихідній воді 2,0 мг/дм³

Дослідження проводилися при значенні у вихідній воді рН_вих=7,45–7,6. У фільтраті водневий показник становив рН_філ=7,45–7,75.

При концентрації заліза у вихідній воді 2,0 мг/дм³ спостерігалася відповідність нормативних значень для швидкостей фільтрування 4–7 м/год. Для діапазону швидкостей фільтрування 4–7 м/год на 8-й годині фільтроциклу якість фільтрату знаходиться в межах 0,17–0,11 мг/дм³. Ефект знезалізнення становив 90–91%.

По закінченню фільтроциклу проводилася промивка засипки фільтра. Інтенсивність промивки складала 16–17 дм²/с*м², тривалість – 120–140 с.

Подальші дослідження, проведені при неповній промивці фільтруючої засипки, що тривала 25–35 с, показали, що неповністю вимиті сполуки заліза додатково доочищують воду. При неповній промивці інтенсивності дещо нижчі і становлять 15–16 дм²/с*м², щоб неповністю вимивати сполуки заліза із засипки. У зв’язку з цим, проведено ряд фільтроциклів, здійснюючи попередньо неповну промивку засипки.

Дослідження змін втрат напору проводилися для діапазону швидкостей від 5 до 7 м/год при концентраціях заліза у вихідній воді – 1–2 мг/дм³. При цьому постійно спостерігалося за зовнішнім виглядом пінополістирольної засипки.

Залежність зміни втрат напору у фільтруючій засипці від тривалості фільтрування з швидкостями фільтрування 5–7 м/год та неповною промивкою засипки при концентрації заліза у вихідній воді 2,0 мг/дм³ зображено на рис. 4.

Рис 4. Залежність зміни втрат напору від тривалості фільтрування при швидкості 5–7 м/год з неповною промивкою засипки та концентрації заліза у вихідній воді 2,0 мг/дм³

Залежність якості фільтрату від тривалості фільтрування при діапазоні швидкостей 5–7 м/год з неповною промивкою засипки та концентрації заліза у вихідній воді 2,0 мг/дм³ представлено на рис. 5.

Рис. 5. Залежність якості фільтрату від тривалості фільтрування при швидкості 5–7 м/год з неповною промивкою засипки та концентрації заліза у вихідній воді 2,0 мг/дм³

Ефект очистки дещо кращий при неповній промивці засипки, ніж при повній, хоча після 70 годин фільтрування без повної промивки спостерігався викид у фільтрат сполук заліза, вміст яких становив 0,30–0,35 мг/дм³ і більше. Така якість фільтрату переставала відповідати нормуючому показникові 0,2мг/дм³. Крім того, після 60 годин фільтрування у нижніх шарах засипки почали з’являтися зцементовані грудочки, утворені гранулами пінополістиролу та колоїдами заліза. Як показують дослідження, при накопиченні сполук заліза у засипці утворюються камінці досить міцної структури, і через деякий час може відбутися повна цементація засипки. Це може призвести до порушення процесу знезалізнення, або й неможливості його проведення. Засипку з камінцями чи грудочками сполук заліза потрібно регенерувати, щоб уникнути її цементації.

Знезалізнення підземних вод на пінополістирольних фільтрах із крупнозернистою засипкою рекомендується проводити при швидкості фільтрування до 7 м/год з концентрацією заліза до 2 мг/дм³, ефект очистки забезпечується згідно діючих вимог до питної води (С_ф≤0,2 мг/дм³).

Висновки

У науково-дослідній роботі наведене нове вирішення наукового завдання вдосконалення технології та технічних засобів підготовки води для господарсько-питних потреб, що полягає в обґрунтуванні знезалізнення води за одноступеневою схемою очищення залізовмісних вод із використанням пінополістирольних фільтрів з підвищеною крупністю гранул, які є відходами промислового виробництва, що дозволило підвищити ефективність процесу фільтрування, поліпшити процес знезалізнення води, здешевити вартість влаштування зернистих фільтрів.

Вперше обґрунтовано доцільність використання крупногранульованої пінополістирольної засипки еквівалентним діаметром 2,8 мм промислового виробництва для знезалізнення води з концентрацією заліза до 2 мг/дм³.

За результатами дослідження встановлено, що пінополістирольна засипка повинна промиватися повністю, в окремих випадках можна її регенерувати неповністю, при цьому може, навіть, деякий період покращуватися якість фільтрату, але з плином часу засипка кальматується і ефективність знезалізнення погіршується.

Можлива експлуатація пінополістирольних фільтрів як при повній промивці, так і при неповній, але через два-три фільтроцикли потрібно обов’язково промити фільтр повністю. При неповній промивці можливе фільтрування із швидкостями вище 7 м/год, але такий режим роботи фільтрів не може бути постійним.

Дата добавления: 2015-06-26