Содержание к диссертации
Введение
1. Существующие технологии подготовки питьевой воды из маломутных 10
1.1. Особенности поверхностных источников маломутных высокоцветных вод .10
1.2. Анализ технологий очистки маломутных высокоцветных вод . 12
1.3.Постановка задачи 32
2. Оптимизация процесса очистки воды и расчет реакторов-осветлителей и фильтров 35
2.1 .Особенности фильтрования во взвешенном слое загрузки. 35
2.1.1. Реактор-осветлитель новой конструкции .35
2.1.2. Физическая модель процесса очистки воды в реакторе - осветлителе .39
2.2. Методика оптимизации и расчета реакторов-осветлителей. 45
2.2.1. Установка для проведения исследований 45
2.2.2. Теоретические основы очистки воды во взвешенном слое загрузки 48
2.2.3. Разработка методики оптимизации и расчета реактора-осветлителя 60
2.3. Выбор методики моделирования и расчета фильтров. 67
2.4. Выбор фильтрующего материала 73
Выводы 77
3. Исследование процессов очистки маломутных высокоцветных вод из поверхностных источников . 4 80
3.1. Исследование окислительного и коагуляционного метода очистки воды .80
3.2. Экспериментальные исследования очистки воды в реакторе-осветлителе
3.2.1. Экспериментальная установка
3.2.2. Исследования по очистке высокоцветных маломутных вод.
3.2.3. Определение оптимальных параметров работы реактора-осветлителя .
3.3. Исследования по очистке маломутных высокоцветных вод фильтрованием
3.4. Исследования очистки и утилизации промывных вод
Выводы.
4. Разработка эффективной технологии очистки маломутных высокоцветных вод из поверхностных источников
4.1. Рекомендуемая технологическая схема очистки маломутных высокоцветных природных вод
4.2. Производственные испытания разработанной технологии .
4.3. Рекомендации по проектированию и эксплуатации сооружений очистки маломутных высокоцветных вод.
4.4. Технико-экономические показатели разработанной технологии
Выводы .
Заключение
Список литературных источников
- Анализ технологий очистки маломутных высокоцветных вод
- Физическая модель процесса очистки воды в реакторе - осветлителе
- Экспериментальные исследования очистки воды в реакторе-осветлителе
- Производственные испытания разработанной технологии
Введение к работе
Актуальность темы. Обеспечение населения доброкачественной питьевой водой является одним из важнейших факторов национальной безопасности в области охраны здоровья. В Российской Федерации эта проблема остаётся нерешенной, в ряде случаев она приобретает кризисный характер. Уже сейчас в отдельных регионах страны установлена прямая корреляционная зависимость между качеством и количеством потребляемой воды, состоянием здоровья и уровнем заболеваемости населения. Наряду с тенденцией ухудшения качества воды в источниках ужесточены нормативные требования к качеству питьевой воды.
Одной из важных проблем водоснабжения в России и за рубежом является очистка высокоцветных маломутных речных вод. Более трети поверхностных источников России характеризуются высокой цветностью воды, достигающей более 500 град, при мутности не более 25 мг/л. Поверхностные воды большую часть года характеризуются низкими температурами, многие из них имеют повышенную цветность при малой мутности, что затрудняет коагуляционную очистку воды.
Анализ работы водоочистных станций ряда городов России показал невозможность эффективной очистки маломутных высокоцветных вод из поверхностных источников до нормативного качества существующими традиционными методами. Очистка маломутных высокоцветных вод в свободном объеме отстойников не эффективна. Для интенсификации очистки таких вод используют осветлители со взвешешшм осадком, контактные осветлители или ирефильтры. Однако при низких температурах в осветлителях со взвешенным осадком затруднено образование и поддерживание взвешенного слоя осадка, а для регенерации загрузки контактных осветлителей и префильтров требуется большой расход промывной воды. При очистке маломутных цветных вод в периоды низких температур воды для достижения необходимого качества очистки требуется использование повышенных доз коагулянта, что приводит к увеличению содержания остаточного алюминия в очищенной воде выше нормативного. Применение окислителей требует значительных капитальных и эксплуатационных затрат и не всегда эффективно при высокой цветности воды.
Кроме того, важной экологической проблемой является очистка и утилизация промывных вод, образующихся в процессе подготовки питьевой воды. Решение данных вопросов для водоподготовительных сооружений маломутных высокоцветных вод из поверхностных источников требует проведения специальных исследований.
Таким образом, проблема эффективной подготовки питьевой воды из поверхностных источников маломутных высокоцветных вод с учетом экологических вопросов изучена недостаточно и практически не решена.
Цель исследования. Разработка эффективной комплексной технологии очистки маломутных высокоцветных вод поверхностных источников для
питьевого водоснабжения с решением экологических вопросов.
Для достижения поставленной цели в работе поставлены и решены следующие задачи:
1 .Провести литературный обзор современного состояния проблемы очистки маломутных высокоцветных вод поверхностных источников традиционными методами.
2.Исследовать закономерности и особенности реагентной очистки маломутных высокоцветных вод в различных условиях;
3.Изучить процесс очистки воды во взвешенном слое загрузки в реакторе-осветлителе новой конструкции. Разработать методику оптимизации и расчета реакторов-осветлителей.
4.Исследовать процесс фильтрования маломутных высокоцветных вод после реакторов-осветлителей.
5.Изучить методы обработки и утилизации промывных вод реакторов-осветлителей и фильтров, Разработать эффективный метод обработки промывных вод;
б.На основе анализа данных экспериментальных исследований и теоретических расчетов разработать комплексную технологию очистки маломутных высокоцветных вод поверхностных источников и выполнить технико-экономическую оценку предлагаемой технологии.
Объект исследования. Процессы очистки маломутных высокоцветных вод осветлением в слое взвешенной контактной загрузки и фильтрованием.
Предмет исследования. Факторы, влияющие на эффективность очистки маломутных высокоцветных вод во взвешенном слое загрузки и фильтрованием.
Научная новизна. В результате проведенных исследований впервые:
- установлены закономерности и особенности реагентной очистки воды в слое
взвешенной загрузки в реакторе-осветлителе;
разработана методика расчета реакторов-осветлителей, учитывающая их гидравлические и конструктивные особенности;
предложен эффективный способ очистки промывных вод реакторов-осветлителей и фильтров;
разработана комплексная бессточная технология очистки высокоцветных маломутных вод из поверхностных источников.
Достоверность теоретических положений основана на применении методов теоретического анализа и проведении необходимого объема экспериментов, а так же патентной чистотой предложенных технических решений. Для решения конкретных задач использованы фундаментальные уравнения гидравлики. Анализ качества воды проводился стандартными физико-химическими методами исследований.
Практическая значимость. На основании результатов исследований:
- разработана комплексная технология очистки маломутных высокоцветных
вод с учетом их особенностей, позволяющая получить высокое качество
питьевой воды при минимальных затратах, отличающаяся высокой степенью
надежности, простотой эксплуатации и универсальностью;
- разработана и внедрена новая технология очистки промывных сточных вод
и активный фильтрующий материал (Активный Розовый Песок), позволяющие
снизить эксплуатационные расходы водоподготовительных сооружений.
- проектному институту «Гипроводхоз» (г. Новосибирск), а также СП
«Росводоканал» (г. Новосибирск) выданы рекомендации, которые
использованы при проектировании, строительстве и наладке
водоподготовительных сооружений.
Новизна и практическая значимость разработок подтверждена двумя патентами РФ.
Научные положения и результаты, выносимые на защиту:
результаты исследований по реагентной очистке маломутных высокоцветных вод во взвешенном слое загрузки реактора-осветлителя;
методика расчета реакторов-осветлителей на оптимальный режим работы;
технология утилизации промывных вод реакторов-осветлителей и фильтров водоподготовительных сооружений;
комплексная бессточная технология очистки маломутных высокоцветных вод
Апробации работы. Основные результаты исследований, изложенные в работе докладывались и обсуждались на Международном семинаре, ОАЭ, Шарджа, 2006 г., Международном конгрессе ЭКВАТЕХ - 2008 «Вода: экология и технология», г. Москва, 2008 г., Международных научно-практических конференциях «Водоснабжение и водоотведение: качество и эффективность» (г.Кемерово, 2007-2010 гг.), Международной научно-практической конференции «Чистая вода - 2009», г. Кемерово, 2009 г., Всероссийской конференции «Актуальные проблемы строительной отрасли», г. Новосибирск, 2009 г., V Международной научно-производственной конференции «Решение проблем экологической безопасности в водной отрасли», г. Новосибирск, 2009 г., III Всероссийской научно-технической конференции, посвященной 80-летию НГАСУ (Сибстрин), г. Новосибирск, 2010 г.
Реализация результатов работы. Разработанная технология внедрена при рекопструкщш водоподготовительных сооружений в г. Куйбышеве Новосибирской области.
Результаты диссертационной работы использованы при проектировании водоподготовительных сооружений проектным институтом «Гипроводхоз» (г. Новосибирск), при наладке сооружений СП «Росводоканал» (г. Новосибирск), а так же при выполнении научных исследований и в учебном процессе ГОУВПО Новосибирский государствешшй архитектурно-строительный университет (Сибстрин).
Публикации. Основное содержание диссертации изложено в 20 печатных работах, включая 2 патента на изобретения РФ и 5 работ, опубликованных в реферируемых журналах, рекомендованных ВАК Минобразования и науки РФ.
Личный вклад автора. Автор непосредственно участвовал в разработке методик и проведении экспериментов, анализе и обсуждении результатов.
Объем и структура работы. Диссертация состоит из введения, 4 глав, заключения, списка использованных источников, насчитывающего 132 библиографические ссылки, и приложений. Она изложена на 191 странице, содержит 26 рисунков и 22 таблицы. В приложении приведены справки и акты об испытаниях и внедрении разработанной технологии.
Анализ технологий очистки маломутных высокоцветных вод
Наиболее распространенным способом очистки низкотемпературных маломутных высокоцветных поверхностных вод от природных и антропогенных загрязнений является их реагентная обработка коагулянтами и флокулянтами с последующей двухступенчатой сепарацией в отстойниках (или осветлителях со взвешенным осадком) на первой ступени и зернистых фильтрах на второй ступени очистки. Применяется также одно или двухступенчатое фильтрование с применением контактных осветлителей или префильтров и скорых зернистых фильтров.
Повышение эффективности реагентной очистки во многом зависит от правильного выбора комбинации реагентов и доз, учитывающих качество очищаемой воды, дополнительно вводимых сопутствующих материалов и методов обработки, технологической схемы и конструкций водоочистных сооружений.
Процесс коагуляции является наиболее широко применяемым на практике приемом подготовки поверхностных вод для их очистки от мутности, цветности, органических и неорганических, природных и антропогенных загрязнений (взвешенных, коллоидных и растворенных). От того, как осуществляется этот процесс на водопроводной станции, в основном зависит эффективность очистки и качество питьевой воды. При правильно проведенном процессе коагуляции и осветлении воды можно полностью удалить взвешенные вещества, снизить цветность воды до необходимого уровня, уменьшить концентрацию общих органических загрязнений, характеризуемых показателем перманганатной окисляемости, на 50-65%. При коагулировании удаляются истинно растворенные микрозагрязнения, такие, например, как СПАВ от 30 до 100 %, фенолы, амины, а также нефтепродукты, пестициды от 10 до 90% и радиоактивные вещества на 70 - 90% [2].
Очистка воды коагулированием и флокулированием представляет собой сложный физико-химический процесс, на эффективность протекания которого оказывают влияние многочисленные факторы. Прежде всего -правильный выбор дозы коагулянта, качество воды: количество и дисперсность взвешенных, коллоидных частиц; ионный состав, щелочность и температура воды; количество растворенных органических соединений и т.д.
Изменение качества исходной воды по сезонам года требует оперативного и в ряде случаев радикального изменения режима обработки воды, особенно при использовании коагулянтов, имеющих узкий диапазон значений некоторых параметров процесса и малую эффективность при низкой температуре осветляемой воды. В результате во многих случаях качество очищенной на водопроводных станциях воды не отвечает нормативным требованиям по ряду показателей.
Как правило, наибольшие трудности с проведением коагулирования воды возникают в паводковый период, когда вода имеет еще низкую температуру, и резко возрастает количество загрязнений. Соответственно возрастает нагрузка на очистные сооружения. Кроме того, ухудшение процесса коагуляции происходит при коагулировании маломутных цветных вод в холодное время года [2].
Интенсификация процесса коагулирования и осветления воды возможны путем подбора вида, комбинации и доз применяемых реагентов, учитывающих качество очищаемой воды, состав и конструктивные параметры водоочистных сооружений, и технологические условия водообработки. В настоящее время имеется большой ассортимент коагулянтов: сульфат алюминия, разные виды оксихлорида алюминия, смешанные коагулянты, содержащие катионы (А1 и Fe), (А1 и Na), коагулянты-флокулянты, а также различные виды»флокулянтов анионного и катионного типов[3, 4]. Поэтому для каждого конкретного случая могут быть выбраны наиболее эффективные сочетания видов реагентов и определены их дозы.
На большинстве действующих водоочистных сооружений России в технологии водоочистки в качестве коагулянта применяется сульфат алюминия (GA). СА показал достаточно высокую технологическую эффективность при очистке, например, москворецкой, и волжской воды. До настоящего времени он остается «базовым» коагулянтом в« системе водопровода многих городов, хотя при этом используется также и оксихлорид алюминия (ОХА). Сульфат алюминия наряду с его достоинствами и относительно невысокой себестоимостью изготовления, имеет ряд недостатков, которые особенно проявляются в условиях низких температур обрабатываемой воды.
Прш очистке маломутных цветных вод в периоды низких температур воды, незначительного щелочного резерва для достижения необходимого эффекта очистки, требуется использование повышенных доз. СА, что приводит к увеличению содержания остаточного алюминия в очищенной воде. С другой стороны, при низком показателе рН в процессе гидролиза сульфата алюминия уменьшается содержание гидроксида алюминия А1(ОН)3 в воде, который обладает высокой адсорбционной и адгезионной способностью. Одновременно возрастает содержание соединений Al2(OH)4S04 и A1(OH)S04, которые менее активны и плохо осаждаются. Это приводит к их выносу и также увеличению содержания остаточного алюминия [5]. Для корректировки рН нередко требуется подщелачивание воды после ее обработки сульфатом алюминия (введением соды после отстойников перед скорыми фильтрами или перед резервуарами чистой воды в схеме с контактными осветлителями). В связи с ужесточающимися нормативными требованиями по остаточному алюминию (до 0,2 мг/л по рекомендациям ВОЗ), проблема является весьма серьезной. Присутствие в питьевой воде повышенных концентраций остаточного алюминия, неблагоприятно воздействует на организм человека и является причиной ряда тяжелых заболеваний. Из-за своей высокой нейротоксичности алюминий, содержащийся в питьевой воде, является фактором, влияющим на причины болезни Альцгеймера [6, 7]. Соли алюминия могут связываться с ДНК и РНК. Влияние алюминия на элементы крови определяет возникновение анемии. Токсичность алюминия для костной системы связана со снижением синтеза коллагена и замедлением процессов минерализации, что ведет к повышенной хрупкости костей.
В настоящее время имеется большое количество экспериментальных данных, выполненных различными исследователями, и накоплен определенный опыт производственного применения различных видов оксихлоридов (ОХА) или полиоксихлоридов (ПОХА), которые имеют ряд преимуществ в сопоставлении с сульфатом алюминия.
Жидкий ОХА используется с 90-х годов при водоподготовке в городах Новосибирск, Нижний Тагил, Новоуральск, Кемерово, Новокузнецк, Прокопьевск и др.
Физическая модель процесса очистки воды в реакторе - осветлителе
Рассмотрим принципиальную схему реактора-осветлителя (рис.2.2.). Очищаемая вода подается в цилиндрический сосуд под давлением, которое удерживает зерна контактной массы во взвешенном состоянии в области (1-Г, 2-2 )- В воду добавляются реагенты, способствующие образованию комплексов коагулянта и взвешенных частиц, сорбирующих примеси в воде. Хлопья коагулированных соединений, проходя через слой взвешенной контактной массы, оседают на поверхности ее зерен, тем самым, способствуя удержанию вновь поступающих хлопьев. Процесс носит нестационарный характер, критериальным завершением которого является соотношение концентраций взвешенных частиц и примесей в исходной и очищенной воде, превышающее нормативные показатели качества воды. После этого контактная масса промывается (регенерируется), и цикл очистки возобновляется [36].
Раб очая скорость движения воды через слой взвешенной контактной массы подбирается таким образом, чтобы в начальный момент очистки слой оставался неподвижным, но его отдельные зерна относительно друг друга находились в постоянном низкоамплитудном колебательном движении. Затем в результате накопления осадка хлопьев коагулянта и примесей воды слой контактной массы увеличивается. При этом вследствие автоматического сохранения относительной пористости слоя гидравлическое сопротивление в области 1-Г, 2-2 остается неизменным.
Для численного исследования рассматриваемой практической ситуации необходимо разработать ее физическую модель. Построение этой модели осуществляется с использованием аппарата гидродинамики и теории пограничного слоя, молекулярно-кинетической теории процессов переноса.
В области I (до сечения 1-Г) происходит процесс коагуляции частиц примеси. Столкновение частиц приводит к образованию частиц большого размера (хлопьев). Данный процесс изменяет распределение частиц по размерам (массе) и может быть описан с помощью кинетической модели на основе решения уравнения Л.Больцмана для функции распределения [37] df _ г где/- функция распределения; J— интеграл столкновений.
Проведем физическую оценку средней длины свободного пробега для сферической частицы. Пусть п - числовая концентрация частиц примеси, d -диаметр сферических частиц, d 0,1 мм = 10"4 м по данным эксперимента. Примем, что примесь взвешена в воде, т.е. ее средняя плотность р « ри 0 -103 —j равна плотности воды. 2 м Объем частицы VQ = —— = — 10" м 5,2 10 м . 6 6 Масса частицы тч0 = рпр V0 = 5,2 10 10 кг. Г - ОП MZ - П 1 П-2 К2 Исходная примесь имеет концентрацию ь0—zu —z-iu j-, л м Q тогда п = — = 3,8 10 ж # Сечение взаимодействия частиц (J — nd . т0 Тогда оценка для длины свободного пробега частицы примеси, движущейся в воде Л = v,o3 (м)5 что сравнимо с протяженностью области I по высоте. Для более точного описания можно использовать метод Монте-Карло для численного моделирования движения частиц при условии введения параметра - числа Кнудсена [38]: Kn = J L (2.2) где L - характерный раздел области. В области II находится взвешенная контактная масса, состоящая из отдельных частиц, выступающих в роли центров коагуляции частиц примеси. Представляется целесообразным рассмотреть 3 фазы работы фильтра.
Первая фаза представляет собой работу фильтра вначале накопления хлопьев гидроксида. Во 2 фазе межзерновое пространство заполняется гидроксидным осадком и слой контактной массы увеличивается вплоть до формирования сплошной устойчивой структуры хлопьев осадка и зерен массы. При этом процесс очистки проходит аналогично работе обьиного песчаного фильтра с плотным стационарным слоем загрузки. В течение 2, самой продолжительной по времени, фазы качество задержания взвесей и очистки воды сохраняется стабильно высоким. Третья фаза работы фильтра характеризуется ухудшением качества фильтрованной воды вследствие достижения предельного гидравлического сопротивления и частичного разрушения ранее накопленного осадка касательными напряжениями сдвига на поверхности зерен контактной массы. При выносе взвешенных гидроксидных частиц из слоя выше санитарной нормы фильтроцикл заканчивается, и реактор-осветлитель выводится на регенерацию.
Для предварительной оценки физической модели рассмотрено условие нахождения частиц слоя взвешенной контактной массы в равновесии. Отдельная частица находится под действием силы тяжести, выталкивающей силы (силы Архимеда) и силы сопротивления при движении в вязкой среде. Пусть v - скорость сферической частицы относительно воды, R -радиус частицы, [л - коэффициент вязкости воды, гпч - масса частицы, V --пВ? - объем, сила сопротивления по закону Стокса Fc =6TTJURV, (рис.2.2), р- плотность воды
Экспериментальные исследования очистки воды в реакторе-осветлителе
Исследовательские работы по очистке воды фильтрованием начались в бывшем СССР в середине 1930 годов Р.Х. Азерьером, В.М. Папиным, В.Г. Турчиновичем и продолжились в В.А. Клячко, Е.Ф. Кургаевым, Г.Н. Никифоровым и др. [47-52]. Систематическое изучение природы, механизма и закономерностей процесса осветления воды при ее движении через зернистые загрузки і водоочистных фильтров проведено Д.М. Минцем, В.ГГ. Криштулом, С.А.Шубертом в АКХ им. К.Д. Панфилова [40; 53-55]. На основе их исследований, а также работ К. Айвеса, В.А. Клячко [50,56], В. Мацкрле [57] и Ю.М. Шехтмана [58] сложились основы физических представлений о фильтрационном процессе. Эти представления и аппарат инженерного расчета, предложенный в 60 годах Д.М. Минцем [40], были использованы рядом исследователей для дальнейшего совершенствования методик моделирования и расчета скорых зернистых фильтров. К ним относятся: Веницианов Е.В. [59], Аюкаев Р.И. [60], Журба М.Г. [61], Бабенков Е.Д. [62], Мартенсен В.Н. [63], Мельцер В.З. [64] Фоминых A.M. [65] и др.
По теоретической модели К. Айвеса причина уменьшения задерживающей способности слоев загрузки при фильтровании заключается в изменении их геометрической структуры в процессе накопления осадка, при котором возрастает истинная скорость движения воды через загрузку [56]. Однако, по данным Фоминых А.М, определено, что в состоянии предельного насыщения загрузки осадком истинная скорость возрастает незначительно и не может быть причиной ухудшения качества очистки воды фильтрованием [65]. К тому же, в указанной модели не учитываются структурные свойства осадка, образуемого в толще загрузки, а полученные К. Айвесом зависимости сложны и не позволяют вести расчет и оптимизацию работы фильтров.
В ряде теорий фильтрования структурные свойства осадка тесно связаны с процессом очистки воды [66-72]. Так, Е.В. Веницианов рассматривает при движении воды через загрузку две составляющие потока: струйное и циркуляционное течение [69]. Свойства осадка в загрузке фильтра зависят от места формирования и определяют две формы осадка вымываемый и невымываемый. Зона фильтра, накапливающая вымываемую форму осадка, называется активной, а наполнение невымываемого осадка происходит в пассивных зонах. Пассивные, или застойные зоны образуются в области контакта зёрен загрузки. В течение фильтроцикла пассивная зона увеличивается, активная — уменьшается, скорости потока возрастают и в определённый период количество выносимого осадка превышает допустимое и фильтроцикл заканчивается. В данной теории основным фактором процесса очистки воды фильтрованием является истинная скорость, что не подтверждается опытом [46]. Кроме того, у Е.В. Веницианова нет связи теории с обоснованной методикой моделирования и расчёта фильтров.
В соответствии с физической моделью Е.Д. Бабенкова по ходу движения воды в слоях загрузки при коагуляции создаются условия для формирования агрегатов частиц, способных заклинивать поры. Сначала первичные частицы под действием молекулярных и электростатических сил закрепляются на зёрнах загрузки в так называемой гидродинамической "тени", то есть с тыльной стороны зёрен. Затем, прилипая к первичным частицам, загрязнения образуют цепочные агрегаты (дендриты), концы которых закреплены, а остальная часть свободна. При некоторой критической длине дендриты разрываются и их обрывки закупоривают поры. Рыхлые обрывки, пропуская воду, задерживают загрязнения и первичные частицы, миновавшие загрузку. В процессе фильтрования сопротивление потоку растёт, осадок сжимается, поровый канал уменьшается, увеличиваются скорости в соседних каналах, и происходит "прорыв" с выносом осадка до тех пор, пока к устью поры не подойдёт новый агрегат, способный к заклиниванию поры. Эта модель связывает кинетику процесса фильтрования со структурно-механическими характеристиками осадка. Недостатком теории "прорывной фильтрации" является переоценка влияния изменения истинной скорости. Кроме того, образование дендритов резко ухудшило бы равномерность распределения воды по площади фильтра, а следовательно снизило бы качество фильтрата, что нарушает физическую модель процесса фильтрования [70, 71].
По теории фильтрования Д.М. Минца эффект осветления каждым элементарным слоем загрузки является суммарным результатом двух противоположных процессов: изъятия частиц из воды и закрепления их на зернах загрузки под действием сил прилипания, отрыва ранее прилипших частиц и переноса их в нижележащие слои загрузки под влиянием гидродинамических сил потока. Таким образом, физическая модель процесса принимается аналогично динамике сорбции вещества с параллельным переносом фронта концентрации загрязнений вдоль слоя загрузки с постоянной скоростью [40]. Из такой модели следует, что осадок должен распределяться по толщине фильтрующей загрузки равномерно. Опыт же показывает, что максимальное количество осадка задерживается в первом по ходу движения воды слое загрузки, а затем количество осадка уменьшается до полного прекращения его накопления. Фактически же в первом по ходу движения воды слое в начальный период фильтрования идет в основном только процесс прилипания частиц без его разрушения до момента достижения предельного насыщения. При дальнейшем фильтровании и накоплении осадка происходит нарастание касательных напряжений сдвига на поверхности зерен при обтекании их потоком, разрушение осадка и вынос его в далее лежащие слои загрузки [54].
Д.М. Минцем разработан метод расчета фильтров на оптимальный режим их работы по параметрам технологического моделирования, основанного на использовании эталонной модели с заданными параметрами фильтрующей загрузки d , т0 и технологическими параметрами V , ц, juo, С/С0 [54]. По результатам технологического моделирования определяются параметры 6 , (a/b) , A , (h/t) , которые пересчитываются на реальный фильтр.
По мере заиливания фильтрующего слоя при определенном моменте времени, называемом временем защитного действия, наступает ухудшение качества фильтрата по концентрации взвеси в нем ниже установленного санитарного предела и фильтроцикл прекращается. Фильтроцикл может быть прерван также при достижении предельной потери напора, равной располагаемому напору, который условно принимается равным 2,5-3 м.
Критерием оптимального режима работы фильтра является равенство продолжительности защитного действия загрузки фильтра t3 и времени достижения предельной потери напора tH. Это приводит к неоправданному занижению диаметра зерен загрузки, снижению грязеемкости фильтрующих загрузок и производительности фильтров.
Производственные испытания разработанной технологии
Экспериментальные исследования эффективности окислительного и коагуляционного метода очистки- поверхностной речной воды с применением различных видов реагентов выполненные в полупроизводственных условиях подтвердили основные результаты лабораторных исследований. Установлено также следующее: 1 . Первичная обработка исходной высокоцветной природной воды окислителями необходима для ее предварительного обеззараживания и поддержания санитарного состояния очистных сооружений. Она также повышает эффективность последующего коагулирования воды. 2. Дозы гипохлорита натрия и перманганата калия для первичной обработки воды должны быть ограничены 5 и 10 мг/л соответственно для выполнения нормативных требований на остаточное содержание свободного хлора в питьевой воде (0,5 мг/л) [4]. Применение повышенных доз хлора также приводит к образованию в воде токсичных антропогенных вторичных продуктов окисления. 3. В результате воздействия озона органические вещества в высокоцветной воде могут разрушаться с образованием токсичных соединений; в первую очередь альдегидов и кетонов. Альдегиды обладают канцерогенной активностью, увеличивают вероятность образования хлорорганических побочных продуктов и представляют опасность для здоровья людей. Как следует из опыта Мосводоканала, применение озона не только дорого, но и не позволяет исключить даже предварительное хлорирование из-за ненадежности очистки воды от гидробионтов, выявилась также негативная тенденция увеличения численности зоопланктона в воде, обработанной озоном [92, 93]. 4. С учетом дороговизны применения в качестве окислителей перманганата калия и озона в дальнейших исследованиях по очистке поверхностных вод базовым реагентом принят электролитический и химический гипохлорит натрия. 5. Применение флокулянта Праестол 650-ТР увеличивает продолжительность фильтроцикла, сокращает расход коагулянта на 15-20%. 6. Для достижения высокого качества очищенной воды, отвечающего требованиям СанПин 2.1.4.1074-01 «Питьевая вода...» необходима технология очистки, включающая предварительное окисление, коагулирование, осветление, фильтрование и обеззараживание. 7. Применение реактора-осветлителя позволяет снизить дозу коагулянта, требуемую для достижения питьевого качества очищенной воды на 50-70%. 8. В контактной массе реактора-осветлителя задерживается значительная часть образовавшегося гидроксидного осадка, соответственно снижаются нагрузки по взвеси на фильтры и до 3 раз увеличиваются продолжительности фильтроциклов. 9. При одинаковом качестве очищенной воды доза оксихлорида алюминия в 2 раза ниже дозы сульфата алюминия, считая по АІ2О3. При этом продолжительность фильтроцикла в 2 раза короче. Это свидетельствует о накоплении в порах загрузки фильтров большего объема рыхлого гидроксидного осадка при использовании в качестве коагулянта ОХА и согласуется с результатами предварительных лабораторных исследований об образовании такого же по свойствам осадка в свободном объеме отстойников. 10. Снижение продолжительности фильтроциклов при использовании в качестве коагулянта ОХА приводят к увеличению объемов промывной воды и снижению полезной производительности сооружений водоочистки, образование же повышенного объема осадка усложняет проблему его обработки и утилизации. 11. При дозах свыше 70 мг/л применение в качестве коагулянта СА имеет преимущество по содержанию остаточного алюминия в очищенной воде по сравнению с ОХА.
Технологическим преимуществом применения ОХА по сравнению с СА является хорошее растворение при низких температурах воды. При использовании СА требуется подогрев воды для приготовления его раствора в зимнее время. Однако вышеперечисленные недостатки ОХА, а также его относительно высокая стоимость, трудности транспортировки в жидком виде при транспортировке зимой, высокая коррозионная активность в отношении трубопроводов реагентного хозяйства снижают преимущества ОХА в отношении СА.
Для выяснения целесообразности применения оксихлорида алюминия и сульфата алюминия при различной температуре и качестве речной воды в различные сезоны года в период 2006-2009 г.г. на НФС г. Куйбышева проведены специальные исследования. Графики зависимости цветности и мутности очищенной воды от доз коагулянтов в летний и зимний период года приведены на рис. 3.7. Анализ графиков показывает, что применение в качестве коагулянта оксихлорида алюминия в 2-3 раза снижает его дозу по сравнению с сульфатом алюминия при очистке воды от мутности в любой период года. При снижении цветности воды оксихлорид также имеет 2 кратное преимущество по дозам коагулянта зимой. Однако, летом, при высоких дозах коагулянта, оксихлорид алюминия не только теряет свое преимущество перед сульфатом алюминия по дозам, но и не позволяет обеспечить нормативную цветность питьевой воды (20 град. ПКШ) [4]. Обобщенные результаты исследований эффективности очистки воды р. Омь в различные сезоны года за все периоды исследований приведены в табл. 3.3.
