КИЇВСЬКИЙ НАЦІОНАЛЬНИЙ УНІВЕРСИТЕТ
КИЇВСЬКИЙ НАЦІОНАЛЬНИЙ УНІВЕРСИТЕТ
БУДІВНИЦТВА І АРХІТЕКТУРИ
Кисельов Сергій Костянтинович
УДК 628.515
МОДЕЛЮВАННЯ І РОЗРАХУНКИ ЗНЕЗАЛІЗНЕННЯ
ВОДИ НА ОЧИСНИХ ФІЛЬТРАХ З ВРАХУВАННЯМ
ЗМІНИ ГІДРАВЛІЧНИХ ВЛАСТИВОСТЕЙ ЗАВАНТАЖЕННЯ
05.23.04 – Водопостачання, каналізація
Автореферат
дисертації на здобуття наукового ступеня
кандидата технічних наук
Київ – 2000
Дисертацією є рукопис.
Робота виконана в 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: ОРЛОВ ВАЛЕРІЙ ОЛЕГОВИЧ
доктор технічних наук, професор, завідувач кафедри водопостачання Рівненського державного технічного університету.
КРИВОНОГ ОЛЕКСАНДР ІВАНОВИЧ
кандидат технічних наук, старший науковий співробітник Інституту гідромеханіки НАН України.
Провідна установа: Інститут гідротехніки і меліорації, відділ сільськогосподарського водопостачання і каналізації, Українська академія аграрних наук (м. Київ).
Захист дисертації відбудеться 18 жовтня 2000 р. о 14 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д26.056.07 при Київському національному університеті будівництва і архітектури за адресою: 03037, м. Київ, Повітрофлотський просп., 31,
З дисертацією можна ознайомитись у бібліотеці Київського національного університету будівництва і архітектури за адресою: 03037, м. Київ, Повітрофлотський просп., 31.
Автореферат розісланий 18 вересня 2000 р.
Вчений секретар спеціалізованої
вченої ради Василенко О.А.
Загальна характеристика роботи
Актуальність роботи. Відомо, що на значній території нашої країни основним джерелом забезпечення населення питною водою є підземні води, використання яких для водопостачання в порівнянні з поверхневими водами має ряд суттєвих переваг технологічного і економічного характеру. Проте в багатьох областях України, зокрема в областях західного регіону, значні водоносні горизонти, які залягають на глибині 50-150 м, мають склад заліза у воді більше 1 мг/л (переважно до 10 мг/л), що суттєво перевищує нормативні вимоги до питної води. Найбільш розповсюдженим методом вилучення сполук заліза з води є фільтрування через зернисте завантаження з природних чи штучних зернистих матеріалів в спеціальних установках, основним технологічним елементом яких є фільтр. Метод фільтрування з використанням для забезпечення киснем процесу знезалізнення способу спрощеної аерації в порівнянні з іншими методами має більш високі техніко-економічні показники. Разом з тим, існуючі методи розрахунку знезалізнення на очисних фільтрах недосконалі, бо не враховують багато процесів і факторів і тому не дозволяють в повному обсязі і надійно обгрунтувати конструктивні і технологічні параметри очисних фільтрів. Тому актуальною проблемою, яка направлена на підвищення ефективності і надійності знезалізнення води фільтруванням поряд з удосконаленням технологічних засобів очистки, зокрема використання в якості завантаження нових матеріалів, які мають більш високі сорбційні і каталітичні властивості і використання більш досконалих технологій фільтрування, є, головним чином, розробка обгрунтованих методів розрахунку параметрів знезалізнення, які базуються на більш досконалих фізичних і математичних моделях, що описують гідравлічні і фізико-хімічні процеси вилучення заліза на очисних фільтрах. Побудова таких моделей повинна грунтуватись і враховувати особливості гідродинамічного режиму фільтрування, теорію тепломасопереносу і складні кинетики масообміну між фазами і хімічних реакцій в розчині і на твердій фазі. Реалізація таких моделей чисельними і аналітичними методами з залученням дослідних даних різних авторів дозволить створити надійну розрахункову базу для використання в інженерній практиці.
Робота виконувалась в рамках державної програми “Про програму розвитку водопровідно-каналізаційного господарства” (Постанова Кабінету Міністрів України №1269 від 17.11.97 р.), а також програм і тем наукових досліджень НАН України і Київського національого університету будівництва і архітектури.
Метою роботи є розробка більш досконалих і надійних методів розрахунку знезалізнення води на очисних фільтрах на основі сформульованих і реалізованих математичних моделей з широким залученням для їх оцінки і апробації експериментальних досліджень.
Задачі дослідження:
-
вивчити механізми і особливості вилучення сполук заліза на очисних фільтрах з різним завантаженням в умовах спрощеної аерації з метою створення фізичної (концептуальної) моделі знезалізнення води фільтруванням;
-
побудувати на її основі математичну модель знезалізнення з врахуванням взаємного впливу основних гідравлічних і фізико-хімічних факторів;
-
на підставі реалізаціїї математичної моделі чисельними і аналітичними методами розробити інженерну методику розрахунку конструктивних і технологічних параметрів знезалізнення на очисних фільтрах з різним завантаженням і оцінити вплив окремих факторів і вихідних характеристик на технологічний режим їх роботи;
-
з використанням запропонованих методик та інших підходів визначити необхідні для виконання розрахунків вихідні параметри і коефіцієнти і виконати апробацію розрахункових залежностей з залученням для цієї мети дослідних даних різних авторів.
Обєкт дослідження підземна вода, що забруднена сполуками заліза загальним вмістом до 10 мг/л, в тому числі двовалентним не менше 70%.
Предмет дослідження знезалізнення води на очисних фільтрах на основі методу спрощеної аерації з врахуванням зміни гідравлічних властивостей завантаження.
Методи дослідження фізичне і математичне моделювання процесів знезалізнення при фільтруванні, використання чисельних і аналітичних методів розвязку окремих задач, використання розроблених спеціальних методик і підходів обробки існуючих дослідних даних при визначенні різних констант і коефіцієнтів, а також при апробації запропонованих методів розрахунку.
Наукова новизна роботи:
-
обгрунтована і побудована загальна математична модель вилучення заліза з води на очисних фільтрах, яка враховує взаємодію гідравлічних і фізико-хімічних процесів при фільтруванні (зміну гідравлічних властивостей середовища, нестаціонарність процесу знезалізнення, різні моделі кінетики масообміну і реакцій (гомогенної і гетерогенної) окислення, особливості впливу каталітичних і автокаталітичних властивостей сформованого середовища і т.п.);
-
розроблені чисельні і аналітичні методи розрахунку параметрів знезалізнення на очисних фільтрах і проведена оцінка впливу основних факторів і вихідних характеристик (режимів фільтрування і аерації, дифузійно-дисперсійного переносу, прийнятих кінетичних моделей реакцій окислення і масообміну, типу і параметрів завантаження і т.п.) на процес очистки;
-
одержані загальні залежності для визначення зростання гідравлічного напору в залежності від динаміки накопичення осаду в обємі фільтра при постійній швидкості фільтрування і проведена їх експериментальна оцінка;
-
проведено визначення вихідних параметрів і коефіцієнтів з залученням дослідних даних і використанням спеціальних методик їх обробки.
Практична цінність і реалізація результатів роботи. Проведені дослідження дозволяють використати їх результати для більш надійного обгрунтування, розрахунку і проектування технологічних і конструктивних параметрів очисних фільтрів з різним завантаженням при знезалізненні підземних вод з врахуванням ряда факторів і процесів, які раніше або взагалі не приймались до уваги, або враховувались недостатньо. Складені рекомендації по методиці розрахунку знезалізнення на очисних фільтрах, показані порядок і послідовність їх використання в різних умовах роботи очисних фільтрів. Матеріали дисертації використовувались ВАТ “Укрводпроект” при виконанні розрахунків в проектах реконструкції станції знезалізнення води на Червонослобідському спиртзаводі Макарівського району Київської області та Науково-інженерним центром “Потенціал-4” ГЗОВ станції знезалізнення підземних вод в м. Корець Рівненської області. Запропоновані розрахункові рекомендації дозволили без проведення додаткових експериментів визначити необхідні технологічні і конструктивні характеристики очистки.
Особистий внесок здобувача. Наукові результати, які викладені в дисертації, отримані особисто автором на основі аналізу існуючих моделей, методів розрахунку і результатів ексериментальних досліджень знезалізнення води на очисних фільтрах. Особисто виконано обгрунтування фізичних і математичних моделей процесу, розробку методів розрахунку основних параметрів знезалізнення і зроблена оцінка впливу різних факторів на роботу очисних фільтрів. Проведені дослідження по вибору і визначенню вихідних параметрів і коефіцієнтів, які необхідні для виконання розрахунків. Розроблені рекомендації для впровадження і виконана їх широка апробація з використанням існуючих дослідних даних.
Апробація роботи. Основні результати і окремі розділи роботи доповідались: на 59-й, 60-й, 61-й науково-технічних конференціях КНУБА (Київ – 1998, 1999, 2000 рр.), на зїзді Гідроекологічного товариства України (Київ – 1997 р.), на науково-технічній конференції “Актуальні проблеми водного господарства” (Рівне – 1997 р.), на Міжнародній конференціїї “Сучасні проблеми теорії фільтрації” (Рівне – 1998 р.).
Публікації. За результатами дисертаційної роботи опубліковано 7 друкованих праць, в тому числі 4 без співавторів.
Структура і обєм дисертації. Дисертація складається з вступу, пяти розділів, загальних висновків, списку літератури з 134 найменувань і 7 додатків. Загальний обсяг роботи 158 сторінок, в тому числі 135 сторінок основного тексту, 9 таблиць, 34 рисунки.
Основний зміст роботи
У вступі обгрунтована актуальність роботи, визначено мету та задачі дослідження, відмічено наукову новизну та практичну значимість, особистий внесок автора роботи, відомості про апробацію досліджень та публікації.
В першому розділі виконано аналітичний огляд стану проблеми, викладені загальні принципи і існуючі технології вилучення сполук заліза за допомогою фільтрування, в тому числі, на основі спрощеної аерації води, відзначені роль і внесок вчених різних країн в дослідженні цієї проблеми. Детально розглянуті фізико-хімічні процеси і можливі трансформації сполук заліза в очисних фільтрах, особливості протікання гомогенної і гетерогенної реакцій окислення з розглядом їх каталітичних і автокаталітичних особливостей, які відбуваються внаслідок утворення на поверхні зерен і в поровому просторі завантаження осаду гідроксиду заліза.
Важливим є розгляд і вивчення особливостей очистки води при зміні гідравлічних властивостей завантаження внаслідок накопичення в пористому просторі осаду, що призводить до збільшення гідравлічного опору і втрат напору в завантаженні. Показано, що дослідження цього питання, як і ефективності очистки води від сполук заліза, що в цілому повязано з вибором таких основних технологічних параметрів очисних фільтрів, як тривалість захисної дії і час досягнення граничної втрати напору , вирішувались переважно експериментальним шляхом для конкретних умов і фільтрів з прийнятим типом завантаження і режимом фільтрування (Сєргєєв Ю.С., Юрков С.В., Терновцев В.О., Хоружий П.Д., Пивовар М.Г., Кривоног О.І., Орлов В.О., Муромцев Л.М., Хомутецька Т.П., Руденко Г.Г., Шеренков І.А., Парияр Ч.Б., Кулішенко О.Ю., Остапенко В.Г., Сафонова М.А., Квартенко О.Н., Асс Г.Ю., Журба М.Г., Золотова Г.Ф., Мінц Д.М., Ніколадзе Г.І., Станкявічюс В.Н., Ден-Хойпінь та ін.).
Показано, що існуючі теоретичні підходи і моделі в основному стосуються визначення залишкової концентрації заліза в фільтрі. В якості основної математичної моделі приймається двокомпонентна модель знезалізнення (Мінц Д.М., Станкявічюс В.Н.), яка, як показав її аналітичний аналіз, може бути використана лише в обмежених умовах на початковій стадії і при незмінних параметрах фільтрування і властивостей пористого середовища. Більш повні трикомпонентні моделі знезалізнення, які реалізовані при деяких обмеженнях для окремих випадків в умовах постійних швидкості фільтрування і пористості середовища, розглянуті при внутрішньопластовому знезалізненні, яке здійснюється в присвердловинній зоні при відкачці підземної води (Олексієв В.С., Коммунар Г.М., Лукнер Л.). При цьому безпосередньо процес окислення моделювався відомими рівняннями Джаста Г., Холлюта Дж., Колле В.
На основі виконаного аналізу даних теоретичних і експериментальних досліджень робиться висновок про необхідність подальшого вдосконалення моделей і розробка на їх основі надійних інженерних методів розрахунку знезалізнення на очисних фільтрах, що дозволило для вирішення цих питань сформулювати конкретні задачі досліджень.
У другому розділі на основі існуючого уявлення про фізичну суть механізмів процесу знезалізнення води фільтруванням (фізичної моделі процесу) розглянута постановка і виконано обгрунтування узагальненої математичної моделі з врахуванням всіх факторів, що мають суттєвий вплив на динаміку очищення води від сполук заліза і головне зміни при цьому гідравлічних властивостей завантаження (гідродинаміки фільтрування). Власне, модель складається з двох взаємозвязаних блоків: гідродинамічного (фільтраційного) і динаміки сполук заліза в фільтруючому пористому середовищі. Гідродинамічний блок моделі, який звязує гідродинамічні і гідрохімічні характеристики потоку складається з двох рівнянь рівняння фільтрації і рівняння нерозривності потоку, які складені з врахуванням зміни властивостей середовища. Якщо виходити з того, що відповідно чисельним дослідженням для різних типів завантаження режим фільтрування буде лінійним, який відповідає відомому закону Дарсі, і поперечний переріз фільтра по висоті не змінюється , то в умовах жорсткого режиму напірної фільтрації (рідина і пористе середовище нестисливі) одномірне рівняння фільтрації має вигляд
, , , (1)
де , відповідно коефіцієнти фільтрації закольматованого і чистого фільтру, напір фільтуючої рідини, функція, що залежить від міри заповнення очисного фільтру осадом гідроксиду заліза. В результаті обробки і аналізу дослідних даних, проведеному нижче в четвертому розділі дисертаційної роботи, для різних типів завантаження функцію можна виразити так
, (2)
де масова концентрація (кількість) осаду гідроксиду заліза в твердій (нерухомій) фазі в одиниці обєму фільтра, дослідний коефіцієнт, який залежить від типу і параметрів завантаження. Вводячи в залежність (2) відомі технологічні та інші параметри , і , отримаємо
Загальна математична модель динаміки сполук заліза при фільтруванні, яка наведена в дисертаційній роботі і була реалізована чисельними методами, враховує фізико-хімічні процеси міграції різних сполук заліза в розчині (дифузійний і конвективний переноси), різні (лінійні і нелінійні) кінетики обміну і накопичення, трансформації різних форм заліза в поровому розчині і на зернах завантаження. Проведений аналіз процесу знезалізнення на фільтрах з різним завантаженням показав, що внесок дифузійного члена буде незначним і їм в розрахунках можна знехтувати, а також дозволив обгрунтувати в загальній математичній моделі найбільш доцільні моделі кінетики обмінних процесів і реакцій окислення в розчині і на твердій (нерухомій) фазі.
У третьому розділі на підставі розробленої математичної моделі сформульовані і розглянуті більш прості моделі для двох можливих випадків (стадій) процесу знезалізнення води. В межах першої стадії на початку процесу має місце гомогенне окислення переважно в розчині і починає сорбуватись з розчину на зернах завантаження спочатку залізо, а потім і кисень. В межах другої основної стадії окислення відбувається переважно на твердій фазі з утворенням каталітичної плівки і осаду з часток гідроксиду і можливий їх відрив і перенесення в нижні шари фільтру. Крім того, існуючою технологією очистки передбачається підтримування на протязі всього фільтроциклу (до промивки фільтру) сталої швидкості фільтрування , що досягається необхідним збільшенням напору на подолання додаткового гідравлічного опору за рахунок утворення осаду в завантаженні. Таким чином, в системі рівнянь основної моделі в умовах гомогенної стадії приймаємо , , і, враховуючи, що на початковій стадії процесу , тобто можна вважати .
Однією з основних технологічних характеристик очисного фільтру є втрати напору внаслідок накопичення осаду і при цьому збільшення гідравлічного опору, що в цілому призводить до зменшення швидкості фільтрування. Хоча в дисертаційній роботі на основі розробленої гомогенно-гетерогенної моделі окислення розглянуті обидві можливі технологічні схеми (випадки) фільтрування, а саме при сталому вихідному напорі на фільтрі (рівняння (12)) і при додержанні сталої (незмінної) швидкості фільтрування, яка дорівнює початковій для чистого фільтру (рівняння (13)), подальша методика розрахунку втрат напору була розроблена для другої технологічної схеми, яка в основному використовується при роботі очисних фільтрів. Тоді для однорідного фільтру, виконавши інтегрування рівняння (13) при , одержимо залежності для визначення втрат напору :
по висоті фільтру
В четвертому розділі для реалізації і використання запропонованих математичних моделей і методів розрахунку наведені результати значної роботи по визначенню вихідних параметрів і коефіцієнтів, які входять в ці моделі і розрахункові залежності. Значення останніх, а також рекомендації по їх визначенню одержані на основі критичного аналізу і оцінки наведених в літературі матеріалів і даних теоретичних і, в основному, експериментальних досліджень очистки води від сполук заліза фільтруванням, їх обробки з використанням розроблених моделей і спеціальних методик. Зокрема, була складена методика для визначення залежності коефіцієнту фільтрації від концентрації осаду гідроксиду заліза, який накопичується в завантаженні. Внаслідок обробки чисельних дослідних даних встановлено, що ця залежність має складний нелінійний характер, проте досить задовільно апроксимується експоненціальною функцією, в якій особливості процесу фільтрування в умовах накопичення осаду в фільтрі з різним завантаженням враховується дослідним коефіцієнтом . Для різних типів і характеристик завантаження одержані значення цього параметру (табл.1), які пропонуються приймати при реалізації розроблених моделей і методів розрахунку. Для завантаження з пісчано-гравелистих матеріалів, які покриті залізною плівкою чи оброблені (иодифіковані) розчином різних металів, значення коефіцієнтів можна приймати . Окремий параграф цього розділу присвячений аналізу і оцінкам існуючих залежностей і дослідних даних по вивченню коефіцієнту фільтрації чистого (незакальматованого) фільтру для різних типів завантаження. Результати обробки дослідних даних для деяких матеріалів завантаження узагальнені в табл. 1.
Таблиця 1
Значення коефіцієнту фільтрації і дослідного
Слід відзначити, що наведені в табл. 1 значення коефіцієнтів фільтрації цілком відповідають значенням , визначеним за відомими формулами М.Павчича і Козені-Кармана, які рекомендовані для використання в інженерних розрахунках.
Для розрахунку динаміки сполук заліза на підставі існуючої в літературі інформації і обробки дослідних даних для різних типів і розмірів завантаження запропоновані рекомендації по визначенню і , які входять в рівняння кінетик окислення, і констант , і , які входять в рівняння кінетик обмінних процесів. Зокрема встановлено, що константа швидкості гомогенного окислення в розчині значно залежить від розчину, збільшуючись зі збільшенням , особливо при . В межах 6.5…7.0 константа змінюється від 0.7 до 2.2 , а рядом авторів пропонується приймати в розрахунках . Аналіз існуючих дослідних даних показав, що для різних типів завантаження при знезалізненні води по схемі спрощеної аерації константа має досить стале значення, яке змінюється в межах . Відзначено також, що і температура для процесів, що протікають в області гетерогенних каталітичних реакцій окислення мають значно менший вплив ніж в попередньому випадку. Важливим моментом при виконанні розрахунків є визначення константи швидкості адсорбції на зернах завантаження . Константа залежить від типу завантаження, її питомої поверхні і особливо від міри покриття поверхні завантаження залізною плівкою. Показано, що в умовах чистого зернистого завантаження з різних матеріалів константа в 4…5 разів буде меншою ніж в завантаженнях, модифікованих чи повністю покритих активною плівкою з гідроксиду заліза. Тому недивно, що в період зарядки фільтра по мірі накопичення часток гідроксиду заліза на зернах завантаження якість очистки кращає і досягає найбільшого ефекту при повному покритті поверхні активною залізистою плівкою. Після цього процес гетерогенного окислення стабілізується, і на протязі значного розрахункового періоду параметр практично не збільшується і в розрахунках його можна приймати незмінним і примірно рівним узагальненому параметру , оскільки . Внаслідок виконаного аналізу і обробки чисельних дослідних даних багатьох авторів для різних типів і розмірів завантаження, а також режимів фільтрування були одержані конкретні значення параметра , які для деяких завантажень наведені в табл. 2
Таблиця 2
Значення параметру для різних типів завантаження
№ | Тип завантаження | ,
1 | Керамзит, модифікований феритом марганцю , мм |
40 ... 42
2 | Гравійно-пісчана, зерна якої вкриті залізистою плівкою
при м/ч и мм,
при м/ч и мм,
при м/ч и мм. |
36
25 ... 30
45 ... 48
3 | Гранули пінополістирола, вкриті залізистою плівкою
мм,
мм,
мм. |
48 ... 50
40 ... 45
8 ... 8.5
4 | Клиноптилолітовий пісок мм. | 22 ... 25
Що стосується констант і , що входять в рівняння (10) і (11), то в дисертаційній роботі наведені наближені рекомендації по їх визначенню. Крім того була проведена оцінка вкладу членів рівнянь, в які входять ці параметри, на процеси знезалізнення в цілому. Досить важливим параметром, який входить в рівняння моделі і розрахункові формули, є гранична масова концентрація (гранична кількість осаду) . Виходячи з фізичного уявлення і результатів дослідів, сформульовані деякі умови і положення, при яких кількість накопиченого осаду можна вважати граничним для прийнятих схем фільтрування. Виходячи з цього, а також проведеного аналізу існуючих в літературі матеріалів одержані конкретні рекомендації по визначенню концентрації і технологічного параметру .
Хоча наведений в наступному розділі порівняльний аналіз показав, що використання в розрахунках рекомендованих значень констант і коефіцієнтів дав цілком задовільні результати, наукові дослідження по їх визначенню необхідно продовжити.
В пятому розділі на основі реалізації чисельними і аналітичними методами запропонованих математичних моделей розроблені інженерні рекомендації по розрахунку основних технологічних характеристик знезалізнення підземних вод і параметрів очисних фільтрів. При цьому в розділі сформульований ряд положень і критеріїв, якими необхідно керуватись при виконанні цих розрахунків.
Методика розрахунку містить в собі визначення основних технологічних характеристик очистки: ефективність вилучення заліза , формування (накопичення) осаду гідроксиду заліза , зростання втрат напору по висоті фільтру і в часі, а також встановити такі важливі часові параметри, як час (тривалість) захисної дії фільтра і час досягнення заданої (допустимої) за технологією величини втрат напору .
На рис. 1 складено алгоритм (схему) інженерного розрахунку знезалізнення води на очисних фільтрах, де показано послідовність і хід виконання, а також можливість розгляду різних варіантів рішення задачі, зокрема визначення необхідної робочої висоти фільтру, типу і розмірів зерен завантаження, обгрунтувати найбільш доцільний технологічний режим роботи фільтра, коли . Для окремих випадків передбачено використання спрощеної методики розрахунку. Для зручності виконання розрахунків на підставі запропонованих залежностей побудовані розрахункові графіки, які дозволяють визначити концентрації , і втрати напору в окремих розрахункових випадках.
Наведені теоретичні розрахункові методики одержали широку апробацію шляхом співставлення результатів розрахунків з чисельними дослідними даними, одержаними в лабораторних і виробничих умовах різними авторами при різних режимах фільтрування, типах і параметрах завантаження. Зокрема, виконаний порівняльний аналіз показав, що для рекомендованих значень , і розбіжність між розрахунковими і дослідними значеннями концентрацій в фільтраті для різних типів завантаження не перевищує 10%. На рис. 2 наведено розподіл концентрації по висоті фільтру для модифікованого керамзитового (крива 1) і гравійно-пісчаного (крива 2) завантажень, які в лабораторних і виробничих умовах були досліджені Ден-Хойпінь, В.О.Терновцевим і В.І.Станкявічюсом.
Аналогічні криві для пінополістирольного завантаження мм (крива 1) і мм (крива 2) наведені на рис. 3. дослідні дані в лабораторних умовах одержані Л.М.Муромцевим і П.Д.Хоружим. Як бачимо з цих рисунків, результати розрахунків в цілому задовільно узгоджуються з дослідними даними. Істотна увага в дослідах при знезалізненні води фільтруванням приділялась визначенню зростання втрат напору , причому, переважно загальних втрат напору в фільтрі і тільки в окремих випадках вивчався розподіл втрат напору по висоті завантаження фільтру . В існуючих експериментах часто визначення втрат напору обмежувалось їх значеннями, коли зростання ще можливе, тобто очисні можливості фільтру ще не були вичерпані, і тільки в окремих дослідах була досягнута стабілізація, коли зростання спочатку швидко уповільнювалось і потім майже зовсім припинялось. При цьому процес очистки значно погіршується і тому фільтр доцільно виводити на промивку. На рис. 4 для завантаження з волокнисто-пористого поліетилену (ВПП) показано зростання втрат напору в фільтрі . Одержані О.І.Кривоногом дослідні дані були взяті до і після промивки фільтру. Як бачимо період зарядки чистого фільтру складає близько 24 години, а зростання ще не закінчилось.
На рис. 5 показано зростання втрат напору в фільтрі з пінополістирольним завантаженням. Як бачимо, період “зарядки” чистого фільтру в цьому випадку складає десь 36 годин, а після годин зростання практично закінчується, і, як показав аналіз дослідних даних, якість очистки (фільтрату) різко погіршала. На рис. 6 для цього ж фільтру з пінополістирольним завантаженням показано розподіл втрат напору по висоті фільтру при годин. Як бачимо, і в цьому випадку результати розрахунків відносно добре погоджуються з дослідними даними.
В цілому, проведена апробація дозволяє зробити висновок про достатню достовірність і надійність запропонованих моделей і методів розрахунку.
Загальні висновки
1.
Проаналізована дія різних механізмів і вивчені особливості процесів знезалізнення, що відбуваються в умовах міграції і трансформації багатокомпонентної системи в пористому середовищі з врахуванням обмінних явищ між твердою (нерухомою) і рідинною фазами і гідродинаміки потоку в фільтрі.
2.
На підставі зробленого аналізу обгрунтована фізична (концептуальна) модель вилучення сполук заліза фільтруванням в умовах насичення забрудненої підземної води киснем методом спрощеної аерації.
3.
На базі фізичної моделі побудована більш загальна і досконала математична модель, яка складається з двох взаємозвязаних блоків: гідродинамічного (фільтраційного) і динаміки сполук заліза в фільтруючому пористому середовищі з врахуванням впливу різних факторів на процес знезалізнення (нестаціонарність процесу, дифузійне перенесення, різні моделі обмінної кінетики між фазами, конструктивні особливості завантаження і т.д.).
4.
Для гомогенної і гетерогенної стадій окислення одержані аналітичні рішення задачі, загальна нестаціонарна математична модель реалізована чисельними методами, окремі випадки цієї моделі чисельно-аналітичним методом.
5.
Одержано рівняння гідравліки фільтрування при знезалізненні з врахуванням зміни фільтраційних властивостей завантаження. З залученням дослідних даних фільтрування в різному завантаженні встановлено характер залежності коефіцієнту фільтрації від масової концентрації осаду гідроксиду заліза.
6.
Розроблена інженерна методика розрахунку технологічних і конструктивних параметрів очисних фільтрів і запропоновані рекомендації по реалізації цієї методики для різних стадій і умов очистки.
7.
Проведена оцінка окремих факторів і вихідних характеристик (параметрів фільтрування і завантаження, прийнятих кінетик окислення і обміну, наявність каталітичної плівки) на технологічний режим роботи очисних фільтрів.
8.
На підставі критичного аналізу і оцінки дослідних даних, які є в літературі, їх обробки стосовно запропонованих моделей і методів, наведені рекомендації по вибору параметрів і коефіцієнтів, що входять в рівняння і розрахункові залежності. Оцінено вплив на них різних факторів (
середовища, температура і т.д.).
9.
Виконана апробація запропонованих методів розрахунку з залученням експериментальних досліджень різних авторів для різних типів завантаження фільтру. Результати теоретичних розрахунків добре узгоджуються з дослідними даними. Здійснено практичне впровадження розробок на реальних обєктах, що дозволило більш надійно обгрунтувати технологічні і конструктивні параметри очисних фільтрів при знезалізненні води.
Список опублікованих праць за темою дисертації
1.
Киселев С.К. Изменение фильтрационных свойств загрузки фильтра при обезжелезивании воды // Меліорація і водне господарство. К., 1997 вип. 84. С. 190-194.
2.
Калугин Ю.И., Киселев С.К., Олейник А.Я. Моделирование удаления железа из воды фильтрованием с учетом изменения фильтрационных свойств среды // Доповіді НАНУ. – 1998. - №7. – С. 183-187.
3.
Киселев С.К. Фильтрация загрязненных вод через пористые среды//Вісник Укр. держ. акад. водн. госп. “Сучасні проблеми теорії фільтрації”. – Рівне. – 1998. – С. 78-82.
4.
Киселев С.К., Олейник А.Я. Гидродинамическая модель фильтрования при очистке подземных вод от соединений железа // Прикладна гідромеханіка – К. – 1999 – т.1(73), №1 – С. 20-25.
5.
Киселев С.К. Методика расчета удаления железа фильтрованием через различные загрузки // Гидравлика и гидротехника К. 1999. вып. 60. С. 63-67.
6.
Киселев С.К., Олейник А.Я. Моделирование обезжелезивания воды фильтрованием с учетом изменения фильтрационных свойств загрузки // Тези доповідей 2-го зїзду Гідроекологічного товариства України К. 1997. т. 2. С. 208-210.
7.
Кисельов С.К. Визначення гідравлічного напору на очисних фільтрах при знезалізненні води // Тези доповідей 61-ої наук. практ. Конференції КНУБА К. 2000. С. 38-39.
Анотація
Кисельов С.К. Моделювання і розрахунки знезалізнення води на очисних фільтрах з врахуваннях зміни гідравлічних властивостей завантаження. Рукопис.
Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.23.04 Водопостачання, каналізація. Київський національний університет будівництва і архітектури, Київ, 2000.
Виконано фізичне і математичне моделювання процесів знезалізнення підземної води на очисних фільтрах з врахуванням зміни гідравлічних (фільтраційних) властивостей завантаження. Модель складається з двох взаємозвязаних блоків: гідродинамічного (фільтраційного) і динаміки сполук заліза в фільтруючому середовищі. Розглянуті окремі випадки загальної моделі при гомогенній і гетерогенній стадіях окислення. Проведена реалізація запропонованих математичних моделей чисельними і аналітичними методами, на основі яких розроблена інженерна методика розрахунку основних технологічних і конструктивних параметрів очисних фільтрів. Запропоновані рекомендації по вибору параметрів і коефіцієнтів, що входять в рівняння і розрахункові залежності. Зроблена оцінка впливу основних факторів і вихідних характеристик на параметри очистки. Проведена широка апробація запропонованих методів розрахунку з залученням існуючих дослідних даних.
Ключові слова: знезалізнення, фільтрування, сполуки заліза, завантаження, модель, розчин, осад, втрати напору.
Аннотация
Киселев С.К. Моделирование и расчеты обезжелезивания воды на осистных фильтрах с учетом изменения гидравлических свойств загрузки. Рукопись.
Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук по специальности 05.23.04 Водоснабжение, канализация. Киевский национальный университет строительства и архитектуры, Киев, 2000.
Диссертация посвящена проблеме удаления соединений железа из подземной воды методом фильтрования в условиях упрощенной аэрации.
На основе выполненного анализа установлено, что существующие методы расчета обезжелезивания на очистных фильтрах несовершенны, не учитывают многие факторы процесса и поэтому не позволяют в полном объеме и надежно обосновать технологический режим их работы. Рассмотрение существующих представлений и изучение механизмов процесса позволило сформулировать физическую (концептуальную) модель и на ее основе обосновать и построить общую математическую модель удаления железистых соединений из воды фильтрованием. Модель состоит из двух блоков: гидродинамического (фильтрационного) и динамики соединений железа, что позволило учесть взаимодействие гидравлических и физико-химических процессов при фильтровании. Рассмотрены частные случаи общей модели при гомогенной и гетерогенной (основной) стадиях окисления. Общая модель реализована численными методами, для частных моделей получены аналитические решения, позволяющие вычислить основные параметры обезжелезивания на очистных фильтрах. Проведенный анализ полученных решений позволил оценить влияние основных факторов и исходных характеристик (режимов фильтрования и аэрации, диффузионно-дисперсионного переноса, принятых кинетических моделей реакций окисления и массообмена, типа и параметров загрузки и т.д.) на процесс очистки. Для более общей модели, описывающей процесс гомогенно-гетерогенного окисления железа кислородом, получены приближенные аналитические методы определения изменения концентраций железа в растворе и накопление осадка гидроксида в загрузке по высоте фильтра и во времени. Учитывая важность и отсутствие в литературе обоснованных рекомендаций, существенное внимание в работе было уделено исследованию потерь гидравлического напора в условиях накопления осадка в загрузке, что в итоге приводит к уменьшению коэффициента фильтрации и пористости загрузки. Для основной технологической схемы фильтрования с постоянной скоростью разработан аналитический метод расчета потерь напора в фильтре, позволяющий вычислить не только общие потери напора в фильтре, но и их изменение по высоте фильтра и во времени.
Для возможности реализации приведенных математических моделей и выполнения расчетов была проведена большая работа по определению количественных значений исходных параметров и коэффициентов, которые входят в эти модели и расчетные зависимости. В результате обработки многочисленных опытных данных по специально предложенной методике установлена закономерность и предложена зависимость коэффициента фильтрации от концентрации осадка гидроксида железа, в которой особенности фильтрования в условиях накопления осадка в фильтре с различными загрузками учтены полученным в работе опытным коэффициентом. Для расчетов динамики соединений железа на основании обработки опытных данных, а также имеющейся в литературе информации даны рекомендации по определению различных параметров, входящих в уравнения кинетик реакций окисления и обменных процессов.
На основе полученных численных и аналитических решений разработана инженерная методика расчета основных технологических характеристик процесса обезжелезивания подземных вод и параметров очистных фильтров. Сформулирован ряд положений и критериев, которыми необходимо руководствоваться при использовании предложенной методики. Составлен алгоритм (схема) инженерного расчета, показывающий последовательность и ход выполнения расчетов и предусматривающий рассмотрение различных вариантов решения задачи. Апробация расчетных методик выполнена с широким привлечением результатов опытов, полученных в производственных и лабораторных условиях при различных режимах фильтрования, типа и параметров загрузки. Результаты теоретических расчетов хорошо согласуются с опытными данными. Результаты исследований использованы при проектировании конкретных объектов систем водоснабжения.
Ключевые слова: обезжелезивание, фильтрование, соединения железа, загрузка, модель, раствор, осадок, потери напора.
Resume
Kiselev S.K. Modeling and calculations of water iron removal by purifying filters taking into account the changes of loading hydraulic properties. Manuscript.
The dissertation on competition of a scientific degree of the candidate of engineering science by a specialty 05.23.04 water supply, water drains, Kiev national university of building and architecture.
A physical and mathematical simulation of the processes of underground water iron removal by purifying filters is made taking into consideration loading hydraulic (filtration) properties. A model consists of two interrelated pools: hydrodynamical (filtration) and iron substances denamics in porous media. Special cases of the general model are considered at homogeneous and heterogeneous stages of oxidation. The proposed models are solved by numerical and analitical methods. On the basis of these solutions a technique is developed to calculate main technological and constructive parameters of purifying filters. A number of recomendations are offered to found parameters and coefficients used in the model and final relationships. The evaluation of the basic factors and discharge characteristics influence is performed on the purification parameters. A wide verification of the proposed calculation methods are carried out involving the present-day experimental data.
Key words: iron removal, filtration, iron substances, loading, model, solution, precipitation, head loss.
