Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1. Обзор методов обезжелезивания сточных и природных вод. 11
1.1. Отрицательное воздействие ионов железа в сточных и природных водах на живую природу и здоровье человека.
1.2. Методы снижения содержания ионов железа в сточных и природных водах. 14
1.2.1. Окислительные и каталитические методы. 14
1.2.2. Модификация фильтрующих материалов. 20
1.2.3. Электрохимические методы. 22
1.2.4. Обезжелезивание путем корректировки рН воды. 24
1.2.5. Ионообменные методы. 25
1.2.6. Другие (малоупотребительные) методы обезжеле-зивания природных и сточных вод . 25
1.3. Активные фильтрующие материалы. 26
1.4. Искусственные фильтрующие материалы. 31
1.5. Выводы. Цели и задачи исследования. Рабочая гипотеза. 32
ГЛАВА 2. Исследование процесса удаления изсточных и природных вод фильтрацией в искусственных зернистых материалах . 38
2.1. Аппаратура для проведения исследований. 38
2.2. Методика измерений. 41
2.3. Предварительное исследование образцов искусственных фильтрующих материалов и сравнение их работы с работой природных обезжелезивающих фильтрующих материалов. 42
2.4. Искусственный фильтрующий материал с подщелачивающими свойствами. 44
2.5. Искусственный фильтрующий материал с подщелачивающими и каталитическими свойствами . 52
2.6. Искусственный фильтрующий материал на основе отходов горно - обогатительных комбинатов. 56
2.7. Физико - химические и механические характеристики искусственных фильтрующих материалов. 63
2.7.1 Определение плотности, пористости и механической прочности искусственного фильтрующего материала 63
2.7.2 Определение химической стойкости искусственного фильтрующего материала 66
2.7.3 Анализ вытяжки из искусственного фильтрующего материала на возможность перехода микроэлементов, содержащихся в нем, в воду в процессе фильтрования. 68
2.8. Выводы. 69
ГЛАВА 3. Математическое планирование эксперимента. 73
3.1. Выбор определяющих факторов для построения модели для определения составов разработанных фильтрующих материалов. 73
3.1.1. Выбор определяющих факторов для построения модели для определения составов разработанных фильтрующих материалов. 75
3.1.2. Выбор определяющих факторов для построения модели процесса фильтрации на искусственных фильтрующих материалах . 79
3.2. Планирование эксперимента и построение моделей для определения составов разработанных материалов и процесса фильтрации воды. 84
3.2.1. Планирование эксперимента и построение модели для определения составов разработанных материалов. 87
3.2.2. Планирование эксперимента и построение модели процесса фильтрации. 93
3.3. Выводы. 97
ГЛАВА 4. Практическое применение результатов исследования. 98
4.1. Разработка технологии очистки и обезжелезивания воды для гостиничного комплекса «Турсунт», г. Урай. 98
4.2. Разработка технологии очистки и обезжелезивания оборотной воды для спортивного плавательного бассейна, г.Бузулук. 102
4.3. Разработка технологии очистки и обезжелезивания воды для административного здания, г.Урай. 110
4.4. Разработка технологии очистки и обезжелезивания воды для Ледового дворца, г. Когалым . 112
4.5. Выводы и рекомендации по применению активных искусственных фильтрующих материалов. 115
Заключение 117
Библиографический список использованной
Литературы 119
- Другие (малоупотребительные) методы обезжеле-зивания природных и сточных вод
- Искусственный фильтрующий материал с подщелачивающими и каталитическими свойствами
- Выбор определяющих факторов для построения модели процесса фильтрации на искусственных фильтрующих материалах
- Разработка технологии очистки и обезжелезивания воды для Ледового дворца, г. Когалым
Другие (малоупотребительные) методы обезжеле-зивания природных и сточных вод
Электрохимический способ удаления железа из воды предложен немецкими учеными [116]. Автор предлагает удалять посредством электролиза. Электроды выполняют из графита, процесс ведется при напряжении от 3 до 10В при постоянном токе. За счет образования на катоде ионов ОН" и анодного окисле-ния Fe" образуются FeOOH и Fe304, которые могут быть выделены из раствора. Максимальное снижение содержание ионов железа составляет 70 %.
Электрокоагуляция, как метод обезжелезивания, описана в [52, 68]. Обезжелезивание производится выделившемся коагулянтом из растворимого электрода при повышенной плотности тока, рН исходной воды более 6,8, рас-ход электроэнергии составляет 40 - 60 Вт ч на 1 м обрабатываемой воды. Экспериментальными исследованиями [106, 122], посвященными выбору материала и оптимальной форме электродов установлено, что для обезжелезивания воды в качестве анодов, целесообразно применять алюминий или железо, а в качестве катодов - медь, латунь или никелированную медь. При использовании электродов трубчатой или проволочной формы эффект обезжелезивания в 2 раза выше, чем при применении плоских электродов. Для оптимальных условий процесса в воде должны быть посторонние примеси, что также осложняет применение этого способа для обезжелезивания природных питьевых вод. Применение коагулянта возможно на стадии отстаивания реагентным способом [65]. В качестве коагулянта используется полиалюминий хлорид.
Указывается [52], что при небольших количествах обрабатываемой воды метод электрокоагуляции можно использовать и для глубокого ее обезжелезивания. Для этого требуются повышенные расходы алюминия и электроэнергии. Электрокоагуляция целесообразна лишь в случае комплексной очистки воды и удаления из нее не только соединений железа, но и других загрязнений (взвешенных веществ, органических веществ, водорослей, соединений кремния и др-)
В зимнее время содержание кислорода в воде понижено, поэтому для нормального протекания процесса очистки воды от железа электрокоагулированием требуется вводить дополнительный окислитель - кислород воздуха, который нагнетается компрессором непосредственно в электрокоагулятор через специальный патрубок [68]. Также в [68] указывается, что исследованиями, проводимыми в зимний период, установлено, что в условиях низких температур требуется повышенная плотность тока.
Были проведены исследования технологической схемы обезжелезивания воды с электрокоагулятором и электролизером для образования гипохлорита натрия, вводимого до электрокоагулятора [68]. Наиболее удовлетворительные результаты были получены при плотности тока 0,15 - 0,2 А/дм . Расход элек-троэнергии - 0,13 - 0,25 кВт ч на 1 м обрабатываемой воды.
Влияние рН воды на процесс обезжелезивания в источниках [68, 102] рассматривается параллельно с влиянием содержащейся в воде свободной углекислоты на степень диссоциации
Отмечают [68], что при отсутствии кислорода (или вообще окислителей), процесс обезжелезивания может происходить в том случае, когда рН воды больше рН равновесного насыщения воды карбонатом железа при достаточно высокой щелочности среды или при рН больше 10,3, когда в осадок выпадает гидрат закиси железа. Скорость окисления железа (II) сильно возрастает с увеличением рН воды и концентрации в ней растворенного кислорода, что описывается уравнением Джаста [68]:
Обезжелезивание воды путем корректировки рН рассматривается во многих источниках [52, 68, 69, 82, 88, 89]. Известкование применяется при содержании в воде больших концентраций железа (более 25 мг/л) или присутствии сернокислого железа [52, 68]. Известкование можно проводить путем фильтрации железо и марганцевосодержащей воды через известковую загрузку. Загрузка растворяется и через некоторое время выбрасывается, как не подлежащая регенерации. Метод дорогой. Предложено проводить очистку сточных вод, содержащих ионы тяжелых металлов, путем добавления гидроксильных ионов, в частности добавления гидроксида кальция [88] и силикатов кальция [45]. Однако такой процесс требует больших затрат. Авторы предлагают производить осаждение добавлением бетонной или цементной крошки [77, 88]. После установления соответствующей щелочности при определенном соотношении компонентов осуществляют контакт бетонно - цементной крошки с загрязненной водой.
В [52, 68, 71, 102] рекомендуется метод обезжелезивания катионировани-ем в том случае, если требуется глубокое умягчение воды (если не требуется, то применяется Са - катионирование, которое увеличивает содержание кальция в очищаемой воде). На катионитовом фильтре может быть задержано только железо, находящееся в ионной форме. Обезжелезивание ионообменным способом производят фильтрацией железосодержащей воды на фильтрах, загруженных сульфоуглем или Са - катионотом. Регенерацию загрузки производят 5 % - ным раствором поваренной соли. Периодически необходимо осуществлять промывку загрузки 1 % - ным раствором ингибированной кислоты.
Искусственный фильтрующий материал с подщелачивающими и каталитическими свойствами
Полученные результаты показывают, что требуемого подщелачивания воды, а, следовательно, и высокого обезжелезивающего эффекта при фильтрации воды через образец на основе цемента не наблюдается. Для того, что бы исключить слишком высокое подщелачивание воды рационально будет использовать кремнефтористый натрий, который свяжет часть образующейся щелочи по реакциям: Прочность фильтрующего материала зависит от геля Si02, образующегося в результате гидролиза жидкого стекла, и геля кремниевой кислоты Si(OH)4, образующегося в результате связывания свободной щелочи кремнефтористым натрием, которые уплотняются и цементируют зерна наполнителя. Для обеспечения достаточной прочности материала содержание кремнефтористого натрия в нем должно составлять 3-20 % от содержания жидкого стекла [104]. В результате экспериментов по влиянию процентного содержания составляющих образца на его обезжелезивающие свойства и прочность установлен оптимальный состав искусственного обезжелезивающего фильтрующего материала, который в качестве носителя содержит порошкообразный мел, а в качестве активной композиции смесь жидкого стекла и кремнефтористого натрия при следующем соотношении компонентов, мае. %: При данном соотношении компонентов содержание кремнефтористого натрия в образцах составляет 3,24 - 19,8 % от содержания жидкого стекла, что соответствует результатам исследований приведенным в [104]. Предлагаемый активный обезжелезивающий фильтрующий материал получают следующим образом. Порошкообразный мел смешивают любым известным способом с кремнефтористым натрием и жидким стеклом в указанных выше соотношениях. Полученной смесью заполняют форму и сушат при комнатной температуре в течение 1 сут, затем проводят термическую обработку при температуре 120 - 130 С в течение 20 - 30 часов. Полученный материал дробят и отсевают фракцию необходимую для фильтрации.
Примеры составов активного обезжелезивающего подщелачивающего материала, эффективность обезжелезивания и сравнение с природным обезже-лезивающим материалом - силицированным кальцитом (санитарно - эпидемиологическое заключение № 77.99.04.571.Д.000274.01.02 от 22.01.02 г.) представлены в таблице 4.
Эксперимент по фильтрованию проводился при скорости фильтрации воды от 2,0 м/ч до 3,25 м/ч. Для фильрации была приготовлена модель сточной воды горно - добывающего производства: рН = 5,0 - 6,6; содержание железа 3,0 - 6,7 мг/л; содержание меди 5,0 - 6,0 мг/л; содержание сульфат-ионов 30-40 мг/л).
Из данных таблицы 4 видно, что первая промывка фильтрующего материала № 2 была произведена через 46 часов после начала фильтрации одновременно с силицированным кальцитом. Работа силицированного кальцита и фильтрующего материала № 2 сопровождалась регулярными промывками в связи с появлением железа в фильтрате через каждые 45 - 70 часов работы. Однако качество фильтрата после фильтрующего материала № 2 было несколько лучше, чем после силицированного кальцита. Фильтрующий материал № 3 проработал 123 часа без регенерации. В дальнейшем образец промывался каждые 120 часов. Из данных таблицы видно, что лучшими обезжелезивающими свойствами обладает данный фильтрующий материал (материал № 3) за счет более стабильного подщелачивания воды. Фильтрующий материал № 3 содержит 8,47 % кремнефтористого натрия от жидкого стекла (фильтрующий материал № 2 только 3,24 % кремния), что стабилизирует растворимость материала (фильтрующий материал № 2 сильно растворяется в первые часы работы).
Результаты испытаний предлагаемого фильтрующего материала показывают, что его использование позволяет достигнуть 100 % - ного обезжелези-вающего эффекта.
Фильтроцикл искусственного фильтрующего подщелачивающего материала в объемах профильтрованной воды на объем фильтрующего материала № 3 представлен на рисунке 2. Как видно из графика выход материала на рабочий режим при котором происходит 100 % - ное обезжелезивание происходит после пропускания 100 объемов воды на объем фильтрующего материала. Фильтроцикл материала составляет 200 объемов воды на объем фильтрующего материала. После чего материал необходимо промывать. Во время регенерации происходит очистка фильтрующего материала от накопившейся гидроокиси железа, однако железосодержащая пленка на поверхности зерен загрузки сохраняется. Это позволяет выходить фильтрующему материалу на рабочий режим сразу же после промывки (в фильтрате наблюдается полное отсутствие железа). Закрепление пленки на фильтрующем материале объясняется его подщелачивающими свойствами. Известно, что величина рН влияет на способность фильтрующего материала удерживать железосодержащую пленку. При повышении рН эта способность возрастает [70, стр. 34]. Благодаря подщелачивающим свойствам фильтрующий материал на основе жидкого стекла хорошо удерживает пленку из железа, т.к образуются прочные связи между фильтрующей загрузкой и сформировавшимися гидроксидами железа, в то время как на фильтрующих материалах, не обладающих подщелачивающими свойствами, железосодержащая пленка не удерживается на загрузке при промывке и выносится с промывной водой. При длительном фильтровании подщелачивающие свойства фильтрующего материала снижались, однако на зернах фильтрующего материала образовалась пленка из ионов и оксидов двух- и трех- валентного железа, активно интенсифицирующая процесс окисления и выделения железа из воды [69, стр. 308]. рН фильтрата достигло значения рН исходной воды после пропуска 800 объемов воды. Обезжелезивающие свойства материала сохранились и с прекращением подщелачивания благодаря активной каталитической пленке на его поверхности (рис. 2).
Выбор определяющих факторов для построения модели процесса фильтрации на искусственных фильтрующих материалах
Обезжелезивающие фильтры Ф1.1 и Ф1.2 диаметром 0,64 м заполнены двухслойной фильтрующей загрузкой: 1 слой - активный искусственный фильтрующий материал, обладающий подщелачивающими и каталитическими свойствами. Предназначен для задержания основного количества железа. Обезжелезивание происходит в два этапа: адсорбция ионов закисного железа катализатором на поверхности зерен искусственного фильтрующего материала с образованием пленки сложного химического состава и образование гидроокиси железа за счет увеличения значения рН воды. Высота слоя - 30 см. 2 слой - активный фильтрующий природный материал - силицированный кальцит. Предназначен для сорбции ионов железа, не задержавшихся в первом слое, и гидроокиси железа, сформировавшейся в первом слое. Высота слоя - 1 м. При этом, не смотря на то, что для задержания механических примесей и ржавчины перед фильтрами Ф 1.1 и Ф 1.2 установлен магнитный фильтр, процесс обезжелезивания характеризуется значительным темпом прироста потерь напора, поэтому фильтр выводят на промывку по достижению предельной потери напора. Фильтр Ф1.3 загружен гранулированным активированным углем и предназначен для задержания органических примесей. Постоянное давление в водопроводе обезжелезенной воды В 10 осуществляется станцией автоматического водоснабжения на базе насоса HI. Функционально установка делится на пять взаимосвязанных частей. 1 .Обезжелезивающие фильтры Ф 1.1 и Ф 1.2 . Корпус фильтра цилиндрической формы из листовой нержавеющей стали марки 12х18н10Т ГОСТ 5632-72 диаметром 0,64 м и высотой 2 м. Корпус снабжен двумя люками. Верхний люк предназначен для загрузки фильтрующего материала, ревизии верхнего распределительного устройства и контроля уровня загрузки. Через нижний люк выполняют монтаж нижнего распределительного устройства, а также выгрузку отработанного фильтрующего материала при ремонтных работах. Нижнее распределительное распределительное устройство представляет собой систему горизонтально расположенных перфорированных трубок обмотанных сеткой с ячейкой 0,6 мм из нержавеющей стали. Задачей распределительной системы является равномерное взрыхление толщи фильтрующей загрузки при промывке. Фильтр снабжен полнопроходной запорной арматурой из нержавеющей стали и контрольными манометрами на входе и выходе, по разности показаний которых можно судить о росте гидродинамического сопротивления фильтрующей загрузки и, соответственно, по необходимости проводить промывку фильтра от накопившейся гидроокиси железа. Фильтр снабжен клапаном - воздухоотделителем УВ для отвода скапливающегося в процессе фильтрации воздуха и предохранительным клапаном КП, который при повышении давления в фильтре более 0,3 МПа сбрасывает воду в канализацию и тем самым защищает корпус фильтра от разрыва. 2. Сорбционный фильтр Ф 1.3 конструктивно выполнен аналогично фильтру Ф1, только на верхнее распределительное устройство надета сетка из нержавеющей стали с ячейкой 0,65 мм. 3. Резервуар чистой воды Б, состоящий из двух сообщающихся между со бой с помощью крана емкостей, общим объемом 3,5 м предназначен для снабжения чистой водой водоразборную сеть потребителя. В качестве первой емкости приспособлен фильтр D 1.5 м от существующих очистных сооруже ний, а вторая емкость представляет собой герметичный сосуд из листовой не ржавеющей стали марки 12х18Н10Т с крышками. В стенку резервуара встроен кран с поплавком, перекрывающий подачу исходной воды на фильтрацию при заполнении резервуара Б. С помощью переливной магистрали происходит сброс воды в канализацию при аварийном переполнении резервуара Б. 4. Стабильное давление в водопроводной сети В 10, обеспеченное насос ной станцией в допустимых техническими характеристиками пределах, контро лируется по манометру.
Для автоматического отключения насосной станции при отсутствии воды в резервуаре Б предусмотрен датчик сухого пуска. Для увеличения ресурса работы насосной станции HI в схему водоразбора включен гидробак АК.
В режиме фильтрации вода поступает в фильтр через верхнее распределительное устройство, проходит фильтрующую загрузку и через нижнее распределительное устройство выходит из фильтра очищенной. Промывка фильтра предусматривает изменение направления тока воды через фильтр на противоположный. В этом случае вода через нижнее распределительное устройство с большим напором проникает сквозь толщу фильтрующей загрузки, интенсивно перемешивается и выносит грязь в виде гидроокиси железа через верхнее распределительное устройство в канализацию. В установке заложен принцип промывки чистой водой из емкостей Б с использованием промывного насоса Н2. Для более интенсивной и эффективной промывки применена водовоздушная промывка с подачей воздуха от компрессора КМ. Данный компрессор относится к классу безмасляных, что позволяет применять его при подготовке питьевой воды. Обратный клапан исключает попадание воды в компрессор.
Разработка технологии очистки и обезжелезивания воды для Ледового дворца, г. Когалым
Обезжелезивающие фильтры Ф1 и Ф2 выполнены из нержавеющей стали марки 12Х18Н10Т ГОСТ 5632 - 72. Диаметр фильтров 0,64 м, высота 2 м, высота загрузки 1,5 м. Корпусы фильтров снабжены двумя люками диаметром 200 мм. Верхний люк предназначен для загрузки и контроля уровня. Нижний - для доступа к распределительной системе, выгрузке, осмотра и ремонта. Для отвода воздуха, скапливающегося в верхней части фильтра, имеется воздухоотделитель УВ. Фильтры установлены по независимой параллельной схеме, что позволяет при необходимости выключить из работы один из них, не останавливая работу другого.
Активные искусственные фильтрующие материалы были применены при создании: - установки очистки и обезжелезивания воды Ледового дворца, г. Когалым; - установки очистки и обезжелезивания воды гостиничного комплекса «Турсунт», г. Урай - оборотной системы водоснабжения спортивного плавательного бассейна г.Бузулук; - установки очистки и обезжелезивания воды для административного здания, г.Урай; - локальных очистных сооружений подготовки питьевых вод вахтовых по селков г.г. Урай, Когалым, Сургут. Качество воды после установок обезжелезивания воды соответствует требованиям СанПиН 2.1.1074 -01. Это позволяет сделать вывод о том, что применение искусственных фильтрующих материалов в установках обезжелезивания поднимает качество очистки воды без внедрения дополнительных элементов в технологические схемы. Фильтр с искусственным фильтрующим материалом должен располагаться первым в технологической схеме обезжелезивания. Обезжелезивающий фильтр может быть полностью загружен искусственным фильтрующим материалом или комбинацией природного фильтрующего материала с искусственным. В этом случае искусственный фильтрующий материал должен располагаться верхним (при фильтрации сверху вниз) для того, что бы начался процесс образования гидроокиси железа, который может завершиться в природном фильтрующем материале. Сформировавшаяся гидроокись железа хорошо задерживается природными фильтрующими материалами. Результаты промышленного внедрения искусственных фильтрующих материалов, приведенные в работе, представляют практический интерес при проектировании новых и реконструкции существующих установок очистки воды от железа, очистных сооружений канализации промышленных предприятий, оборотных систем водоснабжения бассейнов. 1. В диссертационной работе теоретически обоснована и экспериментально подтверждена возможность снижения содержания железа в сточных и природных водах на искусственных фильтрующих материалах с заданными свойствами. 2. Предложен новый способ утилизации отходов горно - обогатительного производства депонированием их в состав искусственных фильтрующих материалов. 3. Разработаны три состава активных искусственных фильтрующих материалов фильтрующий материал, обладающий подщелачивающими свойствами; фильтрующий материал, обладающий подщелачивающими и каталитическими свойствами; фильтрующий материал на основе отхода горно - обогатительного производства. 4. Исследованы химические и физико - механические характеристики разработанных материалов. Результаты физико - механических испытаний показали, что разработанные искусственные фильтрующие материалы по своим характеристикам соответствуют требованиям, предъявляемым к фильтрующим материалам. Химическими испытаниями искусственных фильтрующих материалов в различных средах установлено, что выщелачивание опасных элементов из испытуемых образцов не превышает предельно допустимых концентраций их в питьевой воде. 5. Выполнено математическое планирование двухфакторного эксперимента и построены две математические модели: - математическая модель для определения составов разработанных искусственных фильтрующих материалов; - математическая модель процесса фильтрации воды с использованием искусственных фильтрующих материалов; 6. Практическая значимость работы состоит: - в получении фильтрующих материалов с заданными свойствами; - в разработке и реализации в различных отраслях народного хозяйства технологии удаления железа из сточных и природных вод; - в снижении отрицательного антропогенного воздействия осадков сточных вод горно-обогатительного производства путем депонирования этих осадков в состав искусственных фильтрующих материалов; - в снижении отрицательного антропогенного воздействия соединений железа в сточных водах на живую природу за счет доведения качества стоков по железу до нормы; - в снижении экологической напряженности за счет вовлечения в водообо-рот природных вод, ранее не соответствующих требованиям, предъявляемым к составу и свойствам воды в водоемах рыбохозяйственного назначения. 7. Результаты выполненных в диссертации теоретических и экспериментальных исследований использованы при разработке технологических регламентов и рабочих проектов: установки очистки и обезжелезивания воды Ледового дворца, г. Когалым; установки очистки и обезжелезивания воды гостиничного комплекса «Турсунт», г.Урай (рис. 4); оборотной системы водоснабжения спортивного плавательного бассейна г.Бузулук (рис. 5); установки очистки и обезжелезивания воды для административного здания, г.Урай; локальных очистных сооружений подготовки питьевых вод вахтовых поселков г.г. Урай, Когалым, Сургут.
