Технология обесцвечивания природных вод фильтрованием через алюмосиликатный адсорбент, активированный соединениями магния Петров, Евгений Георгиевич

Введение к работе

1.1. Актуальность проблемы

При использовании природных вод поверхностных водоисточников для целей хозяйственно-питьевого водоснабжения наибольшие сложности возникают с очисткой маломуткых цветных вод. характерных для Северного и Северо-Западного регионов Европейской части России и большинства районов Западной и Восточной Сибири.

Коагулирование высокоцветных вод требует, как правило, больших доз коагулянта. При низких температурах воды, когда гидролиз замедляется, коагуляция идет вяло, неэффективно, образуются комплексные соединения гумусовых веществ с алюминием, повышающие его растворимость. Кроме того, образующийся в результате коагуляционного процесса' осадок весьма гшдратирован, с низкой концентрацией твердой фазы. Его основу составляет продукт гидролиза вводимого в воду коагулянта, что явно не рациональна при одноступенчатой схеме очистки воды, когда вся грязевая нагрузка приходится на фильтровальные сооружения.

В последние годы получены многочисленные данные, указывающие на алюминий как на этиологический фактор в развитии 'специфических заболеваний: повреждения кожи, нервные нарушения, склероз, умственная недостаточность, нарушения желудочно-кишечного тракта, уменьшение роста, околопочечный грану-ломатоз. фиброзный перитонит.

Дефицит, кальция и магния в пище и воде, ' что также 'характерно для северных регионов, повышает адсорбцию алюминия в толстом кишечнике .и его накопление в центральной нервной системе, особенно в сером веществе головного мозга.

В связи с вышеизложенным проблема очистки природных зод без применения коагулянтов и прежде всего сульфата алюминия является весьма актуальной. Решение данного вопроса' позволит упростить эксплуатацию сооружений, повысить надежность процесса очистки и качество очищенной воды, особенно по токси-

кологическим показателям, а такке практически исключить возможность загрязнения водоемов алюмосодержащими соединениями (отходами).

Очистка природных вод фильтрованием без предварительной обработки ее коагулянтами известна и применяется уже- давно. Однако при этом из воды с ограниченной эффективностью извлекается только взвесь. Используемые в фильтровальных сооружениях адсорбенты, прежде всего цеолиты и активированнвй уголь, цветность практически не устраняют.

Для осуществления стабильного процесса обесцвечивания природных вод требуются фильтрующие материалы* с повышенной поверхностной активностью по отношению к компонентам цветности, способные к восстановлению своей обесцвечивающей активности посредством технологически несложной регенерации, проводимой непосредственно в фильтровальных сооружениях.

1.2. Цель и задачи работы

Целью данной работы является разработка новой технологии очистки природных маломутных цветных вод для получения воды питьевого качества без предварительной обработки ее ко*-агулянтами.

В соответствии с поставленной целью сформулированы следующие основные задачи исследования.

1.2.І. Обосновать физико-химические представления о механизме обесцвечивания природных вод на поверхности раздела жидкой и твердой фаз, основанного на природных свойствах гумусовых веществ образовывать коллоидные органо-минеральные комплексы в щелочной среде (рН ^ 8).

1.2.2. Обосновать выбор эффективных видов глинистых минералов для создания алюмосиликатных адсорбентов с высокой поверхностной активностью.

1.2.З.' Обосновать выбор рационального способа изготовления гранулированных алюмосиликатных адсорбентов.

1. Разработать основные принципы формирования рационального композиционного состава алюмосиликатных фильтрующих материалов.

2. Теоретически и экспериментально обосновать соот-

ветствие процесса обесцвечивания природных вод на алюмосили-катном адсорбенте общим закономерностям динамики сорбции из жидких сред.

6. Разработать метод расчета процесса обесцвечивания природных вод с последующей оптимизацией параметров.

7. Разработать метод восстанозления обесцвечивающей активности фильтрующей загрузки из алюмосилікатного адсорбента.

8. Проверить на производстве эффективность разрабо-' тайной технологии сорбционного сбесцвечпзанпя природных дод.

Работа выполнена на кафедре ."Водоснабжение и водоотзе-дение" Петербургского государственного университета путей сообщения в рамках Общесоюзной целевой научно-технической программы 0.85.02 "Создать и освоить прогрессивные системы водного хозяйства промышленности и населенных мест, предотвращающие загрязнения водных объектов" (Постановление ГКНТ от 30.10.85. N555) по заданию 02.09Т "Разработать и освоить технические средства к технологический процесс обесцвечивания природных, вод фильтрованием через алюмосиликатный адсорбент на двух промышленных установках - поселки Кат-Озеро и Полярный Круг" (Приказ МПС N 48Ц ОТ 25.12.85),

1.3. Научные положения, выносимые на защиту

Предметом защиты является теоретическое к экспериментальное обоснование комплекса вопросов, касающихся разработанной автором технологии сорбционного обесцвечивания природных вод фильтрованием.

На защиту выносятся: '

обоснование сущности и механизма процесса обесцвечивания природных вод при взаимодействии компонентов гумусовых веществ с катионами щелочно-земельных металлов (магнием и кальцием); - '

способы изготовления адсорбентов из природных глинистых минералов, активированных соединениями магния и кальция;

закономерности обесцвечивания природных вод Фильтрованием через алюмосиликатный адсорбент, активированный магнием; '

технология регенерации адсорбента;

метод расчета процесса сорбционного обесцвечивания . воды и регенерации адсорбента, с оптимизацией конструктивных

и технологических параметров.

і!4. Научная новизна.

Научную новизну работы составляют:

развитие физико-химических представлений о механизме обесцвечивания природных вод и образования коллоидной системы гуматов как результате взаимодействия-гукусовых веществ с обменными катионами щелочно-земельных металлов, входящими в состав кристаллической решетки глинистых минералов; "

обоснование и выбор типов-глинистых минералов, пригодных для создания алювдсиликатных. адсорбентов с высокой поверхностной активностью;

разработка способа изготовления фильтрующих материалов из глинистого сырья с использованием тарельчатых грану-ляторов, аппаратов псевдоожиженного слоя и горизонтальных вращающихся печей;

разработка принципов физико-химического модифицирования гранулированных материалов, оптимизация композиционного состава алюмосиликатных адсорбентов и технологических параметров их изготовления;

- разработка новых методик и аппаратурного оформления для оценки технологических характеристик активированных фильтрующих материалов;-

теоретическое и экспериментальное -обоснование соответствия процесса обесцвечивания природных вод фильтрованием Через алюмосиликатный адсорбент, активированный магнием, общим закономерностям динамики сорбции из жидких сред;

формулировка и построение феноменологической и математической моделей процесса сорбционного обесцвечивания природных вод Фильтрованием;

разработка метода расчета и оптимизации технологических и конструктивных параметров процесса сорбционного обесцвечивания природных вед*фильтрованием:

.- по материалам диссертации получены 16 авторских сви-

детельств на изобретения и четыре патента (Франция. Германия. Великобритания. Финляндия).

1.5. Обоснованность и достоверность научных положений, выводоз и рекомендаций

Обоснованность и достоверность приведенных з диссертации научных положений, выводов и рекомендация базируются на использовании известных теоретических разработок, физически. достоверных математических моделей, обширном экспериментальном материале, полученном автором в результате многодетных исследований, положительных результатах эксплуатации' еодоо-чистных сооружений, реконструированных или вновь построенных по рекомендациям автора. Надежность.и эффективность конструктивных решений и разработанной технологии обесцвечивания воды подтверждены опытом работы сооружений.

і:6. Практическая значимость и реализация

Практические результаты работы представлены:

предложением новой технологии сорбционной очистки природных и промышленных сточных вод с использованием высокоэффективного алюмосилікатного адсорбента (см. "Технические указания на проектирование, наладку и эксплуатацию установок для обесцвечивания природных вод фильтрованием через алюмо-силикатный адсорбент, активированный магнием,- в хозяйственно-питьевом водоснабжении на железнодорожном транспорте", ЦС МПС РФ, гигиенический сертификат 3163 от и согласование Минздрава РФ N 23-01-17-237 от S.05.89);

действующими .предприятиями по изготовлению промышленных партий активированного алюмосилікатного адсорбента по технологии, разработанной и предложенной диссертантом (ОПСК ДСК-2, Санкт-Петербург; ПО "Электрофарфор", г. Великие Луки)-;

снижением в 1,4-1,5 раза приведенных затрат при очистке высокоцветных вод с одновременным улучшением токсикологических показателей очищенной воды в части снижения в ней остаточного алюминия - А1³⁺ и повышении экологической безопасности водоемов из-за ликвидации необходимости исполь-

зования сульфата' алюминия в технологическом процессе водоочистки.

Научные разработки диссертанта реализованы: на Мурманском отделении Октябрьской железной дороги - установка по обесцвечиванию воды из озера на ст. Кат-Озеро, техническая документация ка водоочистную установку ст. Полярный Круг, на Сосногорско'ы отделении Северной железной дороги - водоочистные сооружения питьевого водоснабжения станции и поселка Ки^-кунь. Ка условиях хоздоговора совместно с АО "Лчнгипротранс" выполняется проект на реконструкцию городских водоочистных сооружений питьевого водоснабжения г. Буй-Костромской обл. Осуществлено промышленное изготовление водоочистных фильтров индивидуального пользования "Сорби-1" и "Сорби-2" для' доочистки водопроводной воды и очистки природной воды из рек и озер. По научным рекомендациям диссертанта после реконструкции пущены в эксплуатацию по сорбционной технологии очистки промышленные установки для очистки гальваностоков на' ПО "Реостат" и АО "Импульс" г. Великие Луки. АО "Авангард" г. Петрозаводск. Построены .и действуют две промышленные установки по производству активированного алюмосиликатного адсорбента.

1.7. Апробация и публикации

Теоретические и экспериментальные разделы диссертационной работы обсуждались и получили одобрение на научно-технических советах ЦС МПС э 1984-1937 гг.. на научно-практических конференциях ЛИИЖТа (С.-Петербург. 1984-1994), ЛИСИ (С.-Петербург. 1985.-1995), ХИИТа (г. Харьков, 1986. 1987). КуИСИ(г. Цуйбиаев, J986). ПГУ (г. Петрозаводск, 1986), Украинского института инженеров водного хозяйства (г. Ровно, 1983); На Всесоюзном научно-техническом совещании "Очистка природных и сточных вод" (Москва, ВНИИ ВОДГЕО), на втором международном симпозиуме "Автоматизация водоснабдительных и канализационных сооружений и систем" (г. Варна, Болгария): на советско-американской научно-технической конференции "Проблемы качества питьевой воды" (МоскЕа, 1989); на Республиканской научно-технической конференции "Пути решения региональных проблем охраны окружающей среды и рационального ис-

пользования природных ресурсов в КАССР" \г. Петрозаводск, 1987);'на научно-технических конференциях "Проблемы и достижения в области создания малоотходных физико-химических производств и очистки воды" (Ленинград, 1991) и "Проблемы, достижения и практический опыт получения особо чистой зодь: для различных производств" (С.-Петербург, 1992); на Международном конгрессе-выставке "Экология России" (Москва, 1993); на выставке-семинаре "Чистая вода" (С.-Петербург,. 1992); на Второй Международной научно-технической конференции "Актуальные проблемы фундаментальных наук" (Москва, 1994): на Международном симпозиуме "Реконструкция - Санкт-Петербург 2005" (С.-Петербург, 1994).

По материалам диссертации опубликовано белее 40 работ,
получены 16 авторских свидетельств на изобретения и 4 патен
та в четырех странах (Франция, Германия, Великобритания,
Финляндия). .

Результаты теоретических исследований, изложенные з диссертации, получены автором лично. В экспериментальных работах, проводимых з лабораторных и ог.ытне-промыпленных условиях,' вместе с диссертантом принимали участие соискатели и научные сотрудники ОНКЛ кафедры БпЗ ПГУПС А.Ф.Фадеев, 0. В. Базилева, Н. В. Новикова, 'А. Г.. Виноградов.

3 организации промышленного ' производства адсорбента участвовали М.В.Клюев. А.А.Демиденко, И. А.Мехнецоз (ОПСК ДСК-2, С.-Петербург), А.И.Марковская (ПО "Злактрофарфор", г. Великие Луки).

При проведении опытно-промышленных испытаний большое содействие оказано Ю.А.Ермаковым (ПО ЖКХ. г. Буй), Ю. П.ЕОти-феевым (ПУЕКХ. г. Петрозаводск). В.Б:Лукашенко'и Б.Г.-Рихтером (ПО "Водоканал", г. Великие Луки).

В процессе внедрения сорбииснней технологии очистки вы-сокоцзетнкх природных зол на объектах-водоснабжения непосредственное содействие сказали СМ. Левитин, В:А.Ероньян-(служба водоснабжения Октябрьской ж.д.), А.И.Грибанов (отдел водоснабжения Сезеэнсй ж. д.).

Диссертация (тем 1) представлена на 430 с, содержит 58 рисунков, 74 таблицы и состоит из введения, девяти глав, заключения, списка литературы из 250 наименований.

В приложениях (том 2) даны обзорные части исследований, " методики испытаний, диаграммы и графики экспериментальных исследований, акты внедрения, .сертификаты и другие материалы.