КИЇВСЬКИЙ НАЦІОНАЛЬНИЙ УНІВЕРСИТЕТ

БУДІВНИЦТВА І АРХІТЕКТУРИ

ВЕЛИЧКО СВІТЛАНА ВІТАЛІЇВНА

УДК 628.161.2:546.72

ЗНЕЗАЛІЗНЕННЯ ПІДЗЕМНИХ ВОД НА ФІЛЬТРАХ З СТІЛЬНИКОВИМ КОРДІЄРИТОВИМ ЗАВАНТАЖЕННЯМ

Спеціальність 05.23.04 – Водопостачання , каналізація

АВТОРЕФЕРАТ

дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата технічних наук

Київ – 2007

Дисертація є рукопис.

Робота виконана у Київському національному університеті будівництва і архітектури Міністерства освіти та науки України.

Науковий керівник: Тугай Ярослав Анатолійович

кандидат технічних наук, доцент кафедри інженерних систем будівель і споруд інституту післядипломної освіти Київського національного університету будівництва і архітектури.

Офіційні опоненти: ХОРУЖИЙ ПЕТРО ДАНИЛОВИЧ

доктор технічних наук, професор, завідувач відділом сільськогосподарського водопостачання та каналізації інституту гідротехніки і меліорації Української Академії аграрних наук;

КРИВОНОГ ОЛЕКСАНДР ІВАНОВИЧ

кандидат технічних наук, старший науковий співробітник відділу гідродинаміки гідротехнічних споруд інституту гідромеханіки Національної Академії наук України.

Провідна установа: Національний університет водного господарства та природокористування Міністерства освіти і науки України (м. Рівне).

Захист дисертації відбудеться 06.06. 2007р. о 13 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 26.056.07 при Київському національному університеті будівництва і архітектури за адресою: 03680, м. Київ, Повітрофлотський просп., 31, ауд. 319.

З дисертацією можна ознайомитись у бібліотеці Київського національного університету будівництва і архітектури за адресою: 03680, м. Київ, Повітрофлотський просп., 31.

Відгуки на автореферат просимо надсилати у двох примірниках за підписом, завіреним печаткою організації, на адресу: 03680, м. Київ, Повітрофлотський просп., 31, КНУБА, Вчена рада.

Автореферат розісланий 03.05.2007р.

Вчений секретар спеціалізованої

вченої ради, к.т.н., професор Василенко О.А.

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми. З метою покращення забезпеченості населення якісною питною водою все більш актуальним є використання підземних вод, які більш захищені від антропогенного впливу ніж поверхневі. В той же час підземні води в деяких областях України характеризуються підвищеним вмістом заліза (більше 0,3мг/дм3). Надмірна кількість заліза у питній воді негативно впливає на стан здоров’я людини, спричиняє появу неприємного запаху, каламутності, забарвлення води, призводить до заростання водопровідних труб.

Найбільш розповсюдженим методом знезалізнення води є фільтрування крізь зернисте завантаження з природних чи штучних матеріалів з швидкістю фільтрування до 10м/год. Недоліком фільтрування крізь насипне завантаження є значне зростання втрат напору за рахунок зменшення пористості в результаті накопичення осаду в порах завантаження та як результат скорочення фільтроциклу; забивання розподільчої системи дрібними частками завантаження та поступова втрата завантаження за рахунок винесення часток з робочої зони. Для видалення з води іонів заліза використовуються технології та установки, запроектовані на велику продуктивність та вхідну концентрацію іонів заліза С01 2,5мг/дм3.

В сучасних умовах стрімко зростає частка локальних об’єктів, що вимагає нових технологічних рішень, розрахованих на малу продуктивність. Для установок малої продуктивності (Q< 1м3/год) з концентрацією іонів заліза до 2,0 мг/дм3 найбільш сприйнятним є стільникове кордієритове завантаження, що дозволяє збільшити швидкість фільтрування води та економічну ефективність установки, зменшити втрати напору в установці. Однак відсутність наукового обґрунтування та методики інженерного розрахунку основних технологічних параметрів знезалізнення підземних вод на стільникових кордієритових фільтрах не дозволяє широко використовувати такий метод. Тому проблема розробки технологій знезалізнення підземних вод з концентрацією до 2,0 мг/дм3, які дозволяють інтенсифікувати процес видалення забруднювача, надійних в експлуатації, простих в обслуговуванні з мінімальними будівельними та експлуатаційними витратами є актуальною.

Зв`язок роботи з науковими програмами, планами, темами.

Робота виконана у зв’язку з державною програмою “ Про концепцію розвитку водного господарства України” і пов’язана з планами держбюджетної тематики Київського національного університету будівництва та архітектури за замовленням Міністерства освіти та науки України. (Державний реєстраційний номер 0196U016057).

Мета і задачі дослідження. Метою дисертаційної роботи є наукове обґрунтування і розробка методів і установок для очищення підземних вод від іонів заліза.

Для досягнення зазначеної мети визначено такі задачі:

- провести аналіз забруднення підземних вод іонами заліза та існуючих методів знезалізнення підземних вод;

- розглянути фізико-хімічні основи знезалізнення підземних вод на стільникових кордієритових фільтрах та визначити фактори, що впливають на ефективність знезалізнення;

- запропонувати математичну модель процесу знезалізнення підземних вод фільтруванням на стільниковому кордієритовому завантаженні;

- визначити вплив конструктивних параметрів фільтруючого стільникового кордієритового завантаження, швидкості фільтрування та концентрації іонів заліза у вхідній воді на ефективність знезалізнення підземних вод;

- на основі наукового аналізу, теоретичних та експериментальних досліджень розробити методику інженерного розрахунку конструктивних і технологічних параметрів знезалізнення на фільтрах з стільниковим кордієритовим завантаженням;

- провести апробацію запропонованої методики розрахунку основних конструктивних параметрів на реальній підземній воді.

Об'єкт досліджень – підземні води з вмістом заліза до 2,0 мг/дм3.

Предмет досліджень – процес знезалізнення підземних вод на фільтрах з стільниковим кордієритовим завантаженням.

Методи досліджень – науковий аналіз та експериментальні дослідження на лабораторних установках з модельними розчинами та реальною підземною водою за допомогою сучасних фізико-хімічних методик та обладнання; для оцінки дослідних даних – математичні методи обробки даних; проведення порівняльного аналізу дослідних даних з результатами теоретичних досліджень.

Наукова новизна одержаних результатів:

- розроблено, досліджено та науково обґрунтовано метод знезалізнення підземних вод на фільтрах з стільниковим кордієритовим завантаженням;

- запропоновано математичну модель знезалізнення підземних вод на стільникових кордієритових фільтрах, на основі реалізації якої з залученням дослідних даних одержані залежності для визначення розподілу корцентрації іонів заліза по довжині завантаження, розподілу концентрації осаду по довжині завантаження та в часі, втрат напору;

- оцінено вплив різних факторів на ефективність знезалізнення підземних вод на фільтрах з стільниковим кордієритовим завантаженням та по запропонованим залежностям визначено основні технологічні параметри, за яких процес знезалізнення проходить найефективніше.

Практичне значення одержаних результатів.

Розроблений метод знезалізнення води фільтруванням крізь стільникове кордієритове завантаження. Використання запропонованого методу дозволяє суттєво збільшити швидкість фільтрування та зменшити втрати напору в установці.

Запропоновані рекомендації для інженерного розрахунку основних технологічних параметрів стільникового кордієритового завантаження, а саме: тривалості фільтроциклу, вмісту заліза на виході з фільтру та концентрації осаду в фільтрі протягом фільтроциклу а також втрат напору в установці. Отримані закономірності дозволяють використати їх для розрахунків і проектування нових установок знезалізнення підземних вод з вмістом заліза до 2,0мг/дм3. Запропоновані рекомендації дають змогу без проведення додаткових експериментальних досліджень визначити технологічні та конструктивні характеристики надійної роботи установки.

Результати дисертаційної роботи впроваджені ВАТ “Чернігівводбуд”. Використання запропонованого методу знезалізнення підземних вод на стільниковому кордієритовому завантаженні дозволило знизити концентрацію заліза від 1,4 мг/дм3 до 0,2 мг/дм3, всі інші контрольовані показники якості води відповідали нормам на питну воду.

Особистий внесок здобувача

Викладені в дисертації наукові результати отримані особисто здобувачем на основі проведеного аналізу існуючих методів видалення заліза з підземних вод і виконаних наукових та експериментальних досліджень. Автору належить розробка методики проведення, організація лабораторних досліджень та обробка отриманих результатів. Обгрунтована математична модель стосовно процесу знезалізнення підземних вод на стільникових кордієритових фільтрах. Визначені вхідні параметри та константи, необхідні для розрахунків. Одержані залежності для визначення основних параметрів установки: конструктивних розмірів, ефективності знезалізнення, тривалості фільтроциклу, втрат напору.

Апробація результатів дисертації.

Основні положення і окремі розділи дисертації доповідались на науково-практичних конференціях Київського національного університету будівництва і архітектури ( м. Київ 2000, 2002, 2005, 2006 рр.), на міжнародній науково-практичній конференції “Сучасні проблеми охорони і раціонального використання водних ресурсів та очистки природних і стічних вод” (м. Миргород, 2001р.), на науково-технічних конференціях “Проблеми водного господарства” Національного університету водокористування та природокористування (м. Рівне 2002, 2006р.).

Публікації.

За результатами проведених досліджень опубліковано 10 наукових праць, в тому числі 7 у фахових виданнях ВАК, в тому числі 7 без співавторів.

Обсяг роботи.

Дисертація складається із вступу, п’яти розділів, загальних висновків, списку використаної літератури з 155 найменувань і 1 додатку. Робота викладена на 142 сторінках, рисунків – 36, таблиць – 19.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

У вступі наведена стисла характеристика дисертаційної роботи, розкрита актуальність проблеми знезалізнення підземної води на стільникових кордієритових фільтрах, сформульована мета і визначені задачі досліджень, висвітлена наукова новизна і практичне значення результатів.

У першому розділі наводиться оцінка стану забруднення підземних вод в Україні. Проведено аналіз наукових робіт, присвячених методам та установкам для знезалізнення підземних вод. Наведені фізико-хімічні основи знезалізнення підземних вод. Розглянуті існуючи моделі та методи розрахунку параметрів очисних фільтрів.

Аналіз робіт Олійника О.Я., Ніколадзе Г.І., Хоружего П.Д., Тугая А.М., Журби М.Г., Кульського Л.А., Терновцева В.О., Юркова Є.В., Кисельова С.К., Золотової Е.Ф., Асса Г.Ю., Орлова В.О., Станкявічюса В.Н., Кривонога О.І., Комунара Г.М., Мінца Д.М., Кулішенко О.Ю., Джаста Г., Холлюта Д., Колле В. та інших дозволив виявити основні тенденції в очищенні підземних вод від іонів заліза, визначити найбільш прогресивні методи, виявити актуальність і необхідність подальшого їх розвитку.

Основними недоліками фільтрів з насипним завантаженням є порівняно мала швидкість фільтрування (до 10м/год), великі розміри установок, значне збільшення гідравлічного опору протягом фільтроциклу.

Використання пористої матриці з кордієриту (2MgO2Al2O35SiO2) у вигляді стільників з наскрізними каналами (комірками) розміром 1х1 мм та 1,36х1,36мм дозволяє збільшити швидкість фільтрування води та продуктивність установки, отримати значний ефект знезалізнення води, суттєво зменшити втрати напору в установці. Проте наукове обґрунтування знезалізнення фільтруванням крізь стільникове кордієритове завантаження і методика розрахунку основних технологічних параметрів установки відсутні.

На основі аналізу літературних джерел сформульовані мета та задачі досліджень.

У другому розділі наведені результати досліджень фізико-хімічних властивостей кордієриту та запропонована математична модель знезалізнення підземних вод на фільтрах з стільниковим кордієритовим завантаженням.

Дослідження зміни структури поверхні модифікованого кордієриту методом ядерно-магнітного резонансу (ЯМР) показали, що модифікація поверхні кордієриту 5% гідроксидом калію не руйнує каркас, збільшує питому поверхню кордієриту та сприяє ефективному видаленню іонів заліза з води.

З врахуванням існуючого уявлення про механізми процесу знезалізнення води фільтруванням на основі відомої і загальної трикомпонентної математичної моделі знезалізнення води на фільтрах з насипним завантаженням, розробленої О.Я. Олійником і С.К. Кисельовим, запропоновано і використано в подальшому аналізі модель стосовно видалення заліза на стільниковому кордієритовому завантаженні. В моделі враховано особливості стільникового кордієритового завантаженні, які полягають в тому, що на відміну від насипних типів завантажень фільтрів, стільникові структури з кордієриту мають жорсткі стінки з постійним по довжині та в об’ємі перерізом з наперед заданими конструктивними розмірами.

Математична модель динаміки сполук заліза на фільтрах з стільниковим кордієритовим завантаженням як і на інших фільтрах враховує фізико-хімічні процеси міграції заліза в розчині (конвективний перенос), кінетику обміну , накопичення та трансформації іонів заліза в розчині та на поверхні завантаження. З врахуванням , і в умовах достатнього забезпечення процесу киснем (С2>3…5 мг/дм3), математична модель складається з рівнянь матеріального балансу, записаних відносно концентрацій заліза в розчині С та в твердій фазі :

для заліза (концентрації та )

, (1)

, (2)

для гідроксиду заліза (концентрації та)

, (3)

, (4)

де ; - концентрація іонів заліза в розчині, мг/дм3; К1 – константа швидкості адсорбції іонів заліза на поверхні завантаження, год-1; - константа швидкості гомогенного окислення в розчині і гетерогенного окислення іонів заліза на поверхні завантаження, год-1; К0 – константа швидкості осадження, год-1; а – константа швидкості відриву часток гідроксиду заліза від поверхні завантаження в розчин, год-1; - константа швидкості прилипання (осідання) часток гідроксиду заліза до поверхні завантаження, дм3/мггод; - швидкість руху рідини в комірках кордієритового завантаження, м/год; - концентрація осаду гідроксиду заліза в одиниці об’єму завантаження, г/дм3; - гранична концентрація гідроксиду заліза в одиниці об’єму завантаження, г/дм3.

Відомо, що при складанні математичної моделі загального матеріального балансу речовини окрім конвективного переносу речовини зі швидкістю руху в комірках vк слід було враховувати дифузійний перенос з коефіцієнтом дифузії D. Проте на основі проведеного аналізу робіт багатьох авторів Кисельовим С.К. була виконана оцінка впливу дифузійного члену на кінцеві розрахунки технологічних параметрів фільтрів знезалізнення води та встановлено, що дифузійним членом можна знехтувати (похибка не перевищує 10%).

Як відомо (О.Я. Олійник, С.К. Кисельов) аналітичне рішення наведеної системи рівнянь для визначення концентрацій іонів заліза по висоті фільтру та в часі у розчині і концентрації осаду в твердій фазі виконано при наступних початкових і граничних умовах:

при і , , , ;

при і ,

та має вигляд:

, (5)

.

Для основного (активного) режиму роботи кордієритового фільтру (, ) з рівняння (5) отримуємо:

, (6)

, (7)

де ; , , - висота завантаження, м; - узагальнююча константа швидкості окислення іонів заліза, в діапазоні виконаних досліджень прийнято К=78 год-1 ; - концентрація заліза Fe2+ у вхідній воді; Сф – концентрація заліза у фільтраті (на виході), мг/дм3;

Концентрація (кількість) осаду гідроксиду заліза, що утворився, і динаміка його накопичення по висоті завантаження та в часі може бути розрахована по залежності:

, (8)

де - емпіричний коефіцієнт, що враховує особливості роботи стільникового кордієритового завантаження для очищення підземних вод,

, (9)

, (10)

де .

В третьому розділі наведена методика проведення гідрохімічних досліджень, описана схема лабораторної установки, проведено планування експериментів та наведена методика математичної обробки отриманих результатів.

Для вибору потрібних планів дослідів використовувався відомий метод Бокса-Уілсона. Оцінена величина похибок, що виникають при обробці результатів. Перевірка однорідності дисперсії проводилась за критерієм Кохрена, а адекватність отриманої моделі реальному процесу – за критерієм Фішера.

Створена експериментальна установка для вивчення процесу знезалізнення підземних вод на фільтрі з стільниковим кордієритовим завантаженням, підібрані вимірювальні прилади та обладнання.

Вибрана найдостовірніша та найпридатніша для застосування методика визначення концентрації іонів заліза у воді. Визначення концентрацій заліза у воді виконувалось колориметричним способом з роданідом калію на приборі КФК-3.

У четвертому розділі наведені експериментальні дослідження роботи стільникового кордієритового завантаження, модифікованого 5% розчином гідроксиду калію. Визначені коефіцієнти та параметри, що входять в рівняння математичної моделі знезалізнення води. Отримані залежності для розрахунку ефективності видалення іонів заліза з води протягом фільтроциклу, тривалості фільтроциклу. Вивчені можливості регенерації. Проведені гідравлічні дослідження, визначені залежності для розрахунку втрат напору в прямолінійній і компактній установках.

Рис.1. Зміна концентрації гідроксиду заліза по довжині завантаження і в часі, отримані по залежності (8) (суцільні криві) та в результаті лабораторних досліджень (точки).

На основі критичного аналізу літературних матеріалів та наших експериментальних досліджень для фільтрів з стільниковим кордієритовим завантаженням нами були визначені коефіцієнти та константи, що входять в рівняння математичної моделі та присутні в розрахункових залежностях. Методики та залежності для розрахунку констант представлені в дисертаційній роботі.

За даними лабораторних досліджень фільтру з стільниковим кордієритовим завантаженням були встановлені закономірності зміни концентрації осаду гідроксиду заліза продовж фільтроциклу та значення максимальної концентрації осаду:=1,3г/дм3 .

Рис.2. Розподіл концентрації по довжині фільтру: 1- гранули

пінополістиролу de=4,82 мм; 2 – гравійно-піщане завантаження de=0,75…1,5мм; 3 - стільникове кордієритове завантаження ак=1 мм; 4 – модифіковане керамзитове завантаження de=2,0…3,5 мм; 5 – гранули пінополістиролу de=1,91мм.

Для визначення емпіричного коефіцієнта та перевірки теоретичної залежності (8) була проведена серія дослідів по визначенню кількості осаду заліза, що відкладається вздовж завантаження для періодів роботи фільтру t=8год; 14; 20 год. Кількість заліза визначалась методом спектрального аналізу на спектрографі зі схрещеною дисперсією.

В результаті досліджень була визначена залежність для емпіричного коефіцієнту , що входить в залежність (8):

(11)

Результати досліджень та порівняння з залежністю (8) з урахуванням емпіричного коефіцієнту представлені на рис. 1.

Відхилення значень концентрації гідроксиду заліза, отриманих дослідним шляхом, від значень розрахованих за формулою (8) не перевищує 5%.

Характер графіків на рис.1 показує, що більш інтенсивне накопичення осаду відбувається в початкових секціях кордієритового завантаження, що підтверджує загальні висновки теоретичної моделі та досліди ряду авторів на інших типах завантаження фільтрів.

За залежністю (6) на рис.2 побудовані графіки , на які нанесені експериментальні точки, отримані з робіт різних авторів та дослідження на кордієритовому завантаженні. Результати розрахунків за теоретичною залежністю в цілому задовільно узгоджуються з дослідними даними. Найбільша ефективність вилучення іонів заліза спостерігається при відносній довжині фільтруючого завантаження . При цьому розподіл концентрації в досліджуваному нами кордієритовому фільтрі (3) досить близько співпадає з найбільш розповсюдженими гравійно-піщаними (2), керамзитовими (4) та пінополістирольними (5) завантаженнями з малими еквівалентними діаметрами гранул (рис.2).

Ефективність очищення води фільтруванням протягом фільтроциклу, як відомо, визначається за формулою:

. (12)

Досліджувався вплив швидкості руху води в комірках та вхідної концентрації іонів заліза на ефективність знезалізнення та тривалість фільтроциклу, в результаті чого визначено, що зі збільшенням швидкості та концентрації вхідного забруднювача зменшується ефективність очистки і тривалість фільтроциклу (рис.3,4).

Тривалість фільтроциклу визначається часом захисної дії фільтру, тобто часом роботи фільтру до моменту збільшення концентрації іонів заліза на виході з фільтру до гранично допустимого значення 0,3мг/дм3.

Ефективність роботи кордієритового фільтру в період стабільної роботи визначається за формулою:

, (13)

За даними наших досліджень тривалість фільтроциклу стільникових кордієритових фільтрів на відміну від насипних фільтрів не регламентується різким збільшенням втрат напору, а визначається часом захисної дії фільтру, .

Для інженерного розрахунку тривалості фільтроциклу стільникового кордієритового фільтру нами використана залежність для визначення тривалості захисної дії фільтру:

, (14)

де - емпіричний коефіцієнт, що отриманий на основі експериментальних даних шляхом послідовного введення незалежних змінних С01 , vк , ак :

, (15)

де – коефіцієнт, що характеризує фізико-хімічні властивості води, стільникового кордієритового завантаження і визначений за даними наших досліджень; розмірність величин С01 – г/дм3, ак – мм, vк – м/год.

Тривалість фільтроциклу у вигляді функцій , , розрахована по залежності (14) (суцільна лінії) та за відомою формулою Мінца Д.М. (пунктирні лінії) наведені на рис. 3, 4. На графіки нанесені дослідні точки. Встановлено, що розрахунки за залежністю (14) дають результати, що близько співпадають з розрахунками за залежністю Мінца Д.М. та дослідними даними. Отже для інженерних розрахунків можна використовувати формулу (14), що суттєво полегшує інженерний розрахунок тривалості фільтроциклу.

Рис.3. Залежність тривалості фільтроциклу Тф від вхідної концентрації С01 при l=0,7м, vк=25м/год: 1 – за формулою (14); 2 – за формулою Мінца Д.М.

Рис.4. Залежність тривалості фільтроциклу Тф від швидкості фільтрування vк при l=0,7м, ак=1мм: 1 – за формулою (14); 2 – за формулою Мінца Д.М.

Дослідження впливу швидкості фільтрування та вхідної концентрації іонів заліза на тривалість фільтроциклу показало, що велика тривалість фільтроциклу досягається при концентрація іонів заліза у вхідній воді – до 2,0 мг/дм3 (рис.3) та швидкості фільтрування – до 25 м/год (рис.4).

Дослідження різних способів регенерації відпрацьованих стільникових кордієритових структур показали, що найбільш технологічним способом регенерації є контакт з 1-н розчином хлориду натрію впродовж 12 годин з наступним відмиванням чистою водою, зниження ефективності знезалізнення води на стільниковому кордієритовому завантаженні після його регенерації не перевищує 6,25%.

Одним з важливих технологічних параметрів роботи фільтру є втрати напору.

Отримані експериментальні дані, щодо визначення втрат напору в чистому фільтрі та їх зміни в процесі накопичення осаду в комірках завантаження , дозволили рекомендувати з достатньою для інженерних розрахунків точністю формулу для розрахунку втрат напору в фільтрі:

, (16)

де - поправочний коефіцієнт, який залежить від параметру . Виконаний для існуючих фільтрів з різним завантаженням аналіз (О.Я. Олійник, С.К. Кисельов) показав, що в більшості практичних випадків при можна приймати ; - безрозмірний коефіцієнт, що розраховується за формулою КисельоваС.К., для стільникового кордієритового фільтру =0,2; - втрати напору в чистому фільтрі, залежність для визначення втрат напору в чистому фільтрі представлена в дисертаційній роботі; - середня по довжині фільтру l концентрація осаду, що визначається залежністю:

. (17)

Рис.5. Втрати напору в фільтрі при ак=1мм, l=0,7м, С01=1,5мг/дм3: 1 –vк=25м/год; 2 - vк =50м/год.

На рис.5 наведені втрати напору в стільниковому кордієритовому фільтрі розраховані за залежністю (16) та отримані в дослідах. Відхилення не перевищує 5%.

У п’ятому розділі на основі реалізації запропонованої математичної моделі розроблена методика розрахунку основних технологічних параметрів установки знезалізнення підземних вод. Визначені типорозміри окремих елементів та їх вартість, розроблені вказівки, щодо заходів безпеки, монтажу та технічного обслуговування, та виконані техніко-економічні розрахунки.

Концентрацію іонів заліза в фільтраті протягом фільтроциклу можна визначити за залежністю (7). Але довжина завантаження, що входить в рівняння (7) прямо впливає на розрахунковий об’єм профільтрованої води , м3, який залежить від вхідної концентрації заліза С01 та об’єму завантаження , де fп – площа перерізу завантаження, дм2. Залежність співвідношення розрахункового об’єму профільтрованої води до об’єму завантаження W/wзаввід вхідної концентрації визначається за рис.6.

Рис.6. Залежність об’єму профільтрованої води від вхідної концентрації заліза при vк=25м/год: 1 – ак=1мм; 2 – ак=1,36мм.

Інженерні розрахунки дозволяють визначити доцільні конструктивні і технологічні параметри фільтрів, а саме: розмір комірок, довжину завантаження, кількість структур завантаження в перерізі, концентрацію заліза у фільтраті, максимальну тривалість фільтроциклу, розрахунковий об’єм профільтрованої води та загальні втрати напору. Алгоритм розрахунку представлений на рис.7.

Апробація запропонованої методики розрахунку проведена шляхом співставлення результатів розрахунків з дослідними даними, в лабораторних умовах на природній підземній воді, з вхідною концентрацією іонів заліза С01=1,4мг/дм3 і загальною жорсткістю Жз=7,2мг-екв/дм3.

Наведений в дисертаційній роботі порівняльний аналіз свідчить, що запропонована методика розрахунку дозволяє достовірно і надійно визначити конструктивні та технологічні параметри фільтру знезалізнення води з стільниковим кордієритовим завантаженням. Відхілення тривалості фільтроциклу, за результатами досліджень на природній воді від розрахованих за теоретичною залежністю (14) не перевищує 10%, що можна вважати достатнім для інженерних розрахунків.

Рис. 7. Алгоритм інженерного розрахунку стільникових кордієритових фільтрів.

Техніко-економічні розрахунки, в діапазоні витрат 0,5-0,8 м3/год, С01=1,5мг/дм3 показали: приведена вартість стільникового кордієритового фільтру в 1,35-1,9 рази менше ніж існуючі технології знезалізнення підземних вод на фільтрах з каталітичним окисленням перманганатом калію та вугільно-піщаних фільтрах.

Зниження вартості одного кубічного метру води при використанні установки знезалізнення підземних вод з стільниковим кордієритовим завантаженням порівняно з найбільш розповсюдженими установками знезалізнення води з вугільно-піщаним завантаженням складає 35%.

ЗАГАЛЬНІ ВИСНОВКИ

1. На підставі аналізу літературних даних щодо сучасних методів знезалізнення підземних вод встановлено, що більшість установок базується на дрібнозернистому завантаженні, розраховані на велику продуктивність. Розробка ефективних локальних установок для очищення води з концентраціями іонів заліза 0,5-2,0 мг/дм3, зручних та надійних в експлуатації є актуальною.

2. Встановлено, що найбільш ефективним для видалення з води іонів заліза є стільникове кордієритове завантаження, модифіковане 5% розчином гідроксиду калію.

3. Запропонована математична модель знезалізнення води на фільтрах з стільниковим кордієритовим завантаженням, на основі якої отримані залежності для визначення концентрацій іонів заліза на виході з фільтру, розподілу осаду гідроксиду заліза по довжині завантаження та в часі та втрат напору.

4. Визначино максимальну концентрацію гідроксиду заліза, коефіцієнти та константи, що входять в рівняння математичної моделі і в розрахункові залежності знезалізнення підземних вод на стільникових кордієритових фільтрах.

5. Науково обгрунтовано та експериментально підтверджено, що в однорідному стільниковому кордієритовому фільтрі співвідношення осаду гідроксиду заліза в початкових структурах фільтру з останніми структурами складає 2,5:1. Встановлено, що динаміка зміни концентрації іонів заліза в досліджуваному фільтрі досить близько співпадає з найбільш розповсюдженими гравійно-піщаними, керамзитовими та пінополістирольними завантаженнями з малими еквівалентними діаметрами гранул.

6. Отримані залежності для розрахунків ефективності очищення води на стільникових кордієритових фільтрах Еф, тривалості фільтроциклу Тф. Встановлено, що ці параметри залежать від вхідної концентрації іонів заліза у воді С01, швидкості фільтрування vк, розмірів комірок ак, довжини фільтруючого завантаження l.

7. Встановлено, що в стільникових кордієритових фільтрах тривалість фільтроциклу на відміну від насипних фільтрів визначається часом захисної дії фільтру, а не терміном досягнення граничних втрат напору, на установці доцільно очищати воду, в якій вміст заліза не перевищує 2,0 мг/дм3 при швидкості фільтрування 25 м/год.

8. На основі теоретичних та експериментальних досліджень розроблена методика інженерних розрахунків основних технологічних параметрів, які дозволяють більш надійно обґрунтувати доцільні технологічні і конструктивні параметри фільтрів з стільниковим кордієритовим завантаженням.

9. Розроблена технологічна схема знезалізнення підземних вод на фільтрах з стільниковим кордієритовим завантаженням. Впровадження схеми проведено ВАТ “Чернігівводбуд”. В процесі експлуатації встановлено, що установка працює надійно та забезпечує зниження концентрації іонів заліза до 0,2мг/дм3 та амонію до 0,5мг/дм3.

СПИСОК ОПУБЛІКОВАНИХ ПРАЦЬ ЗА ТЕМОЮ ДИСЕРТАЦІЇ

1.

2.

3.

4.

5.

6.

7.

8.

9.

10.

АНОТАЦІЯ

Величко С. В. Знезалізнення підземних вод на фільтрах з стільниковим кордієритовим завантаженням – Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.23.04 – Водопостачання, водовідведення. - Київський національний університет будівництва і архітектури, Київ, 2007.

Дисертація присвячена розробці та дослідженню установки знезалізнення підземних вод з стільниковим кордієритовим завантаженням. Встановлено, що найпоширенішим методом знезалізнення підземних вод є фільтрування крізь насипне завантаження з швидкістю фільтрування до 10м/год. Запропоноване стільникове кордієритове завантаження дозволяє збільшити швидкість фільтрування води в установці та зменшити втрати напору. Досліджено фізико-хімічні властивості кордієритового завантаження, модифікованого 5% розчином гідроксиду калію. Теоретично обгрунтовано та експериментально підтверджено ефективність знезалізнення води на фільтрах з стільниковим кордієритовим завантаженням. Встановлено, що ефективність очищення води від іонів заліза на кордієритових фільтрах залежить від довжини завантаження, вхідної концентрації заліза, швидкості фільтрування та розміру комірок завантаження. Запропоновано математичну модель знезалізнення підземних вод на фільтрах з стільниковим кордієритовим завантаженням. Отримані залежності для визначення концентрації іонів заліза та осаду по довжині завантаження і в часі, тривалості фільтроциклу та втрат напору. Отримані емпіричні коефіцієнти та константи, що входять в рівняння математичної моделі і в розрахункові залежності. Досліджено регенерацію кордієритового завантаження 5,8% розчином хлориду натрію.

Розроблено методику інженерного розрахунку технологічних параметрів виробничої установки. Виконано техніко-економічні розрахунки фільтру з стільниковим кордієритовим завантаженням. Результати роботи використано ВАТ “Чернігівводбуд” в житловому будинку та ВАТ “Укрводпроект” в проекті дитячого садка в смт Кожанка.

Ключові слова: підземна вода, знезалізнення, ефективність, фільтрування, тривалість фільтроциклу, втрати напору, кордієрит.

АННОТАЦИЯ

Величко С. В. Обезжелезивание подземных вод на фильтрах с сотовой кордиеритовой загрузкой. – Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук по специальности 05.23.04 – Водоснабжение, канализация. Киевский национальный университет строительства и архитектуры, Киев, 2007.

Диссертация посвящена разработке и исследованию установки обезжилезивания подземных вод с сотовой кордиеритовой загрузкой.

В работе выполнен аналитический обзор существующих методов обезжилезивания подземных вод. Определено, что наиболее распространенным методом обезжилезивания подземных вод является фильтрование через насыпную загрузку. Существующие установки рассчитаны на большую производительность, скорость фильтрования не превышает 10м/ч, а также наблюдается резкое увеличение потерь напора в процессе работы установки.

Предлагаемая сотовая кордиеритовая загрузка, модифицированная 5% раствором гидроксида калия, позволяет увеличить скорость фильтрации воды и уменьшить потери напора в установке. Метод обезжилезивания воды на сотовой кордиеритовой загрузке основан на способности кордиерита к ионному обмену и селективности к ионам железа.

В работе исследован механизм обезжилезивания воды на кордиеритовой загрузке, установлены технологические параметры, которые влияют на эффективность удаления железа из подземных вод.

Исследования показали, что предлагаемый метод – высокоэффективный. Эффект очистки составляет 85 – 96% при начальной концентрации железа до 2,0мг/дм3.

Разработана математическая модель процесса обезжилезивания подземных вод на фильтрах с сотовой кордиеритовой загрузкой. Реализация модели позволила определить влияние различных факторов на эффективность процесса очистки. Проведенные исследования показали, что существенное влияние на эффективность очистки имеют начальная концентрация железа в воде, скорость фильтрования, длина загрузки и размер ячеек загрузки. Экспериментально подтверждено, что оптимальными параметрами технологического процесса есть скорость движения воды в ячейках 25м/ч, начальная концентрация железа до 2,0мг/дм3, общая жесткость воды до 7,5 мг-екв/дм3.

Предложена методика расчета основных технологических параметров установки: конструктивных размеров загрузки, эффективности обезжилезивания, продолжительности фильтроцикла, расчетного объема профильтрованой воды, потерь напора.

Исследован процесс регенерации кордиеритовой загрузки 5,8% раствором хлорида натрия.

Проведена апробация полученных в результате реализации модели зависимостей с использованием данных лабораторных исследований и натурных исследований на подземной воде.

Выполнены технико-экономический расчет предложенной установки обезжилезивания воды, который показывает снижение стоимости одного кубического метра води при обезжилезивании на установке с сотовой кориеритовой загрузкой на 35%.

Сведения, приведенные в диссертационной работе, отражены в печатных работах автора.

Ключевые слова: удаление железа, подземная вода, эффективность, потери напора, фильтроцикл, кордиерит.

RESUME

Velychko S. V. Iron removing of underground water on the filter with cellular cordierite loading. – Manuscript.

The thesis on competition of scientific degree of a candidate of technical science on a speciality 05.23.04 – Water supply, sewerage. Kiev national university of construction and architecture, Kiev, 2007.

The thesis deals with working out and research of filter with cellular cordierite loading. It is marked, that widespread method of removing iron from underground water is filtration through filled loading with 10m/h filtration speed.

The suggested cellular cordierite loading allow to increase filtration velocity and reduce loss of head.

In work the mechanism of iron removing from underground water on the filter with cellular cordierite loading was established. The mathematical model of iron removing from underground water on the filter with cellular cordierite loading was constructed and realised.

The process or regeneration of loading by 5,8 % solution of sodium chloride was investigated.

It is developed an engineering method of calculation of the basic technological parameters of cellular cordierite filter. The effect of clearing achieves 86-96%. Limiting filtration velocity 25m/h, initial iron concentration 2,0 mg/l were obtained.

The approbation or realised model has been produced with using of experimental data and natural underground water. The results of work were used by JSC “Chernigivvodbud” in dwelling house and JSC “Ukrvodproekt” in the kindergarten design in Kozhanka urban village.

Key words: iron removing, underground water, effectiveness, filtrocycle duration, head losses, cordierite.