Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1 Аналитический обзор 13
1.1 Дообработка водопроводной воды 13
1.1.1 Способы дообработки питьевой воды 13
1.1.2 Адсорбция загрязнений из питьевой воды 15
1.1.3 Сорбенты, применяемые для дообработки питьевой воды, их основные свойства 20
1.1.4 Активированные угли в доочистке воды 22
1.1.5 Модифицированные адсорбенты в доочистке воды 25
1.2 Фуллерены и фуллеренсодержащие материалы 27
1.2.1 Свойства фуллеренсодержащих материалов 27
1.2.2 Получение адсорбентов, модифицированных фуллеренами 30
1.3 Цель и задачи работы 37
ГЛАВА 2 Поисковые исследования процесса доочистки водопроводной воды активированным углем, модифицированным фуллеренами 38
2.1 Применение модифицированных сорбентов для очистки воды 38
2.1.1 Модифицированные сорбенты в очистке водных сред 38
2.1.2 Выбор активированного угля для проведения исследований по доочистке воды 42
2.2 Экспериментальная установка 43
2.2.1 Лабораторная установка для проведения исследований 43
2.2.2 Методика измерений. Погрешность 45
2.3 Лабораторные исследования доочистки водопроводной воды 46
2.3.1 Проведение лабораторных исследований доочистки водопроводной воды модифицированным активированным углемиз скорлупы кокосового ореха з
2.3.2 Проведение лабораторных исследований очистки водопроводной Воды модифицированным древесным активированным углем 49
2.4 Сравнение эффективности доочистки для разных активированных углей 55
2.5 Выводы по Главе 2 56
ГЛАВА 3 Доочистка питьевой воды на фильтрах с сорбционной загрузкой, модифицированной фуллеренами, в режиме сорбция-регенерация 57
3.1 Проведение фильтроциклов для определения сорбционной емкости модифицированных фуллеренами активированных углей 57
3.2 Пробная регенерация отработанных модифицированных углей щелочью 57
3.3 Регенерация отработанных модифицированных углей гипохлоридом натрия 58
3.4 Бактериологические исследования модифицированных фуллеренами активированных углей 62
3.5 Выводы по Главе 3 66
ГЛАВА 4 Анализ экспериментальньгх данных, рекомендации по их применению и оценка эффективности в доочистке водопроводной воды 67
4.1 Обобщенные показатели экспериментальных данных, их графическая интерпретация 67
4.2 Аналитические зависимости технологических параметров доочистки водопроводной воды на фильтрах с активированным углем, модифицированным фуллеренами 71
4.3 Технологическая схема доочистки водопроводной воды на фильтрах с активированным углем, модифицированным фуллеренам 73
4.4 Определение себестоимости воды, доочищенной на установке с модифицированным фуллеренами активированным углем 80
Заключение 85
Список литературы 87
- Сорбенты, применяемые для дообработки питьевой воды, их основные свойства
- Выбор активированного угля для проведения исследований по доочистке воды
- Пробная регенерация отработанных модифицированных углей щелочью
- Технологическая схема доочистки водопроводной воды на фильтрах с активированным углем, модифицированным фуллеренам
Введение к работе
Актуальность исследований. Централизованная обработка воды в г. Санкт-Петербурге позволяет обеспечить на выходе технологического цикла качество воды, соответствующее принятым санитарным нормам. Однако наличие в водопроводной воде соединений железа, железобактерий и других загрязнений, формирующихся вследствие транспортировки по трубам, находящимся в неудовлетворительном техническом состоянии, высокий остаточный уровень вредных веществ, а также опасность занесения в воду патогенной микрофлоры являются причинами несоответствия качества водопроводной воды требованиям нормативных документов. Вследствие того, что конечный потребитель не всегда получает воду питьевого качества, целесообразна так называемая дообработка (доочистка) водопроводной воды. Как правило, функцию дообработки водопроводной воды выполняют фильтры с сорбционной загрузкой, при этом наиболее эффективным являются активированные угли. Одним из направлений повышения сорбционной активности углеродных адсорбентов является введение в их состав модифицирующих добавок, характеризующихся специфическим электронным строением, что приводит к изменению электронного строения сорбентов и повышению их сорбционной активности. Известно, что введение фуллеренов в сорбенты приводит к значительному повышению их эффективности при поглощении растворенных в воде соединений. Помимо сорбционных свойств фуллерены обладают бактерицидными свойствами. Технология введения фуллеренов в активированные угли, разработанная в СПбГТИ (Техническом университете), позволила получить новый сорбент – модифицированный активированный уголь (АУМ). Однако до настоящего момента не изучена возможность и эффективность практического применения АУМ для доочистки водопроводной воды, что делает данную работу актуальной.
Теоретическими основами работы стали исследования российских ученых, посвященных проблеме применения фуллеренов для модифицирования сорбентов: В.В. Самонина, М.Л. Подвязникова, В.Ю. Никоновой, Е.А. Спиридоновой, Е.М. Слуцкер, Л.Н. Сидорова, А.А. Фомкина, В.И. Березкина, И.В. Викторовского и др.
Проведенный обзор существующих областей применения АУМ отражает недостаточную изученность эффективности использования АУМ в доочистке водопроводной воды. В качестве рабочей гипотезы выдвигается получение эффекта в результате применения АУМ в доочистке водопроводной воды по сравнению с исходным активированным углем.
Цель и задачи исследования.
Цель исследования - определение эффективности применения АУМ в доочистке водопроводной воды.
Объектом исследования является процесс сорбционной доочистки водопроводной воды.
Предметом исследования является доочистка исходной водопроводной воды модифицированным фуллеренами активированным углем.
Задачи исследования:
-
Разработать технологию исследования АУМ, применяемого для доочистки водопроводной воды.
-
Определить марку наиболее эффективного в доочистке водопроводной воды модифицированного активированного угля.
-
Сравнить эффективность использования АУМ и АУ для доочистки водопроводной воды.
-
Разработать методику регенерации АУМ, позволяющую максимально использовать сорбционную емкость АУМ при доочистке воды.
-
Изучить бактерицидные свойства АУМ при доочистке водопроводной воды.
-
Получить аналитические зависимости технологических параметров доочистки водопроводной воды на фильтрах с АУМ
-
Разработать технологическую схему доочистки водопроводной воды на фильтрах с АУМ и дать экономическую оценку применения АУМ для доочистки водопроводной воды.
Методологической основой диссертационного исследования послужили статистический анализ и обобщение известных научных и технических результатов в области глубокой очистки и доочистки воды для питьевого водоснабжения; современные научно-исследовательские работы по модификации сорбентов фуллеренами; лабораторные исследования с использованием физико-химических методов анализа; обработка экспериментальных данных математическими методами с использованием ПЭВМ; методы математического моделирования.
Научная новизна исследований заключается в следующем:
-
Впервые проведены цикличные исследования модифицированных сорбентов различных марок при доочистке водопроводной воды; определена эффективность их работы; получены данные, позволяющие определить зависимости технологических параметров фильтрационной доочистки водопроводной воды АУМ.
-
Разработана оригинальная методика регенерации АУМ с применением окислителя, позволяющая максимально использовать сорбционную емкость АУМ.
-
Установлены бактериологические показатели (общее микробное число; общие колиформные бактерии; термотолерантные колиформные бактерии; споры сульфитредуцирующих клостридий; колифаги) качества воды, обработанной АУМ.
-
Предложена технологическая схема доочистки с применением АУМ, подтверждена экономическая целесообразность применения АУМ.
Практическая ценность и реализация результатов исследований. Установлены параметры фильтрационной доочистки водопроводной воды на АУМ. Разработана методика регенерации АУМ с применением гипохлорита натрия. Представлены расчетные зависимости, позволяющие определить эффективность очистки воды на АУМ по окисляемости в зависимости от скорости фильтрования и высоты фильтрующей загрузки, а также продолжительность фильтроцикла в зависимости от скорости фильтрования и времени контакта обрабатываемой воды с АУМ. Разработана принципиальная технологическая схема доочистки водопроводной воды с помощью АУМ в качестве фильтрационной загрузки. Обоснована экономическая целесообразность применения АУМ в доочистке воды.
Инновационная НИР по теме «Кондиционирование питьевой воды с применением модифицированного активированного угля» проведена в 2009-2011 гг. за счет средств гранта № ИН8-08 (сч.540) СПбГАСУ. Научные исследования по теме «Поиск перспективных методов обработки воды» проведены по договору №03Ф-09-1/10 от 14.12.2010 г. с ЗАО «Аквапатент». НИР по теме «Регенерация активированного угля, модифицированного фуллеренами, применяемого для кондиционирования водопроводной воды» проведены в 2010 г. по договору с Комитетом по науке и высшей школе г.Санкт-Петербурга.
Подана заявка на патент №2012113161/05(019859) от 05.04.2012 года.
Разработанная технология доочистки воды с применением АУМ внедрена ООО «ТЕХНО-ЭКО», г.Санкт-Петербург, научно-инженерным центром «ПОТЕНЦИАЛ-2», г.Санкт-Петербург.
Результаты диссертационной работы использованы кафедрой «Химической технологии материалов и изделий сорбционной техники» Санкт-Петербургского государственного технологического института (технического университета) в учебном процессе.
Достоверность научных положений, выводов и рекомендаций обоснована применением классических положений теоретического анализа и моделирования исследуемых процессов; подтверждена экспериментальными исследованиями по стандартным методикам с использованием сертифицированного лабораторного оборудования и приборов, обеспечивающих требуемую точность и надежность результатов измерений; обеспечена использованием математических методов обработки экспериментальных данных с применением табличного процессора Microsoft Excel-2010.
Апробация работы. Основные положения диссертации докладывались и обсуждались на: конференции профессоров, преподавателей, научных работников, инженеров и аспирантов СПбГАСУ (Санкт-Петербург, 2010 г.); 63 международной научно-технической конференции молодых ученых и студентов СПбГАСУ (Санкт-Петербург, 2010 г.); 64 Международной научно-технической конференции молодых ученых и студентов СПбГАСУ, посвященной 300-летию со дня рождения М.В.Ломоносова (Санкт-Петербург, 2011 г.); международной научно-практической конференции ФГБОУ ВПО ПГУПС (Санкт-Петербург, 2013 г.).
Публикации. Материалы диссертации опубликованы в 9 печатных работах, в том числе 2 работы опубликованы в изданиях, входящих в перечень ведущих рецензируемых научных журналов, утвержденный ВАК РФ.
Структура и объем диссертационной работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав с выводами по каждой из них, общих выводов. Диссертация содержит 122 страницы машинописного текста, 10 таблиц, 29 рисунков, 9 формул, 19 приложений и список использованной литературы из 130 наименований работ отечественных и зарубежных авторов.
Сорбенты, применяемые для дообработки питьевой воды, их основные свойства
Одним из выдающихся достижений конца 18 века в России является открытие адсорбции древесным углем растворенных веществ, сделанное академиком Петербургской академии наук Товием Егоровичем Ловицем [71].
Адсорбция (от лат. ad - на и sorbio - поглощаю) является процессом накопления на поверхности твердых частиц (сорбента) молекул растворенного в воде вещества (сорбата). В зависимости от характера сорбционного взаимодействия адсорбата и адсорбента различают физическую адсорбцию, активированную адсорбцию и хемосорбцию.
Физическая адсорбция обусловлена силами межмолекулярного взаимодействия Ван-дер-Ваальса, не избирательна, полностью необратима, протекает с высокой скоростью и имеет сравнительно низкую теплоту адсорбции. Адсорбция протекает молекулярно, т.е. преимущественно адсорбируются соединения в недиссоциированном состоянии.
Активированная адсорбция обусловлена взаимодействием адсорбата и адсорбента с образованием поверхностного соединения особого рода, характерного тем, что молекулы адсорбента, вступившие во взаимодействие с молекулами адсорбата, остаются в кристаллической решетке адсорбента. Активированная адсорбция избирательна, как правило, протекает медленно (с повышение температуры скорость адсорбции заметно возрастает), необратима и характеризуется высокой теплотой адсорбции. Хемосорбция — обычная химическая реакция, протекающая на поверхности адсорбента и сопровождающаяся выделением теплоты, эквивалентной теплоте химической реакции
При сближении с поверхностью сорбента молекул сорбата происходит уменьшение их свободной энергии, минимум энергии наблюдается на расстоянии г0, называемом равновесным. Дальнейшее сближение тормозится силами отталкивания ядер атомов, входящих в состав молекул [1,6,16, 50].
Важнейшая особенность процессов сорбции - это существование равновесия между фазами в сорбционной системе, которое определяется только физико-химическими свойствами системы и является ее термодинамической характеристикой. Состояние равновесия в сорбционной системе является предельным случаем. Как правило, процессы сорбции протекают в неравновесных условиях. Неравновесность в системе приводит к перераспределению вещества в пространстве в времени. Кинетика сорбции описывает массоперенос в фазах и между фазами, а также факторы, влияющие на него [13,14,42].
Выделение сорбата из раствора — результат двух противоположных и конкурирующих взаимодействий: притяжения к поверхности сорбента и гидратации, т.е. взаимодействия с молекулами воды. Работа, затрачиваемая на выделение молекул из раствора, равна понижению их свободной энергии AGadc. Чем больше понижается свободная энергия, тем активнее идет сорбция. Сорбция эффективна, если AGadC не превышает 16-18 кДж/моль [16].
Д.Гиббс ввел понятие избыточной адсорбции, являющейся превышением концентрации поглощаемых молекул в сорбенте соответственно их концентрации в растворе в данный момент и к моменту достижения равновесия. Величина избыточной адсорбции: r=(Cl-C2) W/m, где СІ; С2 — концентрация молекул в растворе в данный момент и в момент равновесия; W - объем воды; m - масса сорбента.
Равновесие между молекулами в растворе и молекулами, связанными поверхностью адсорбентов, в условиях постоянства температур, выражается уравнением изотермы адсорбции И.Ленгмюра: a=aQ0 bc/(l+bc), где а , -емкость монослоя, т.е. количество сорбата, сорбированного Ім.кв. поверхности (или 1 г сорбента) при условии полного заполнения этой поверхности слоем сорбата толщиной в одну молекулу (постоянная величина); а - то же фактическая в равновесном состоянии; с - равновесная концентрация извлекаемых молекул в растворе; b - постоянная величина, зависящая от вида адсорбируемых молекул.
Уравнение Ленгмюра характеризует состояние термодинамического равновесия при равенстве скоростей адсорбции и десорбции (процесс, обратный адсорбции) [16, 50, 51, 59].
Способность твердого тела к поглощению обусловлена величиной удельной поверхности, зависящей, в свою очередь, от его пористости.
Классификация пор по размерам, в настоящее время официально принятая Международным союзом по теоретической и прикладной химии (IUPAC), предложена Дубининым М.М. Согласно данной классификации существуют микропоры (размер менее 2 нм), мезопоры (размер 2-50 нм) и макропоры (размер более 50 нм). Для адсорбции в микропорах характерен главным образом механизм объемного заполнения. Механизм адсорбции в мезопорах заключается в последовательном образовании адсорбционных слоев (полимолекулярная адсорбция), которое завершается заполнением пор по механизму капиллярной конденсации. Макропоры служат транспортными каналами, подводящими молекулы поглощаемых веществ к адсорбционному пространству гранул активированного угля [29, 60].
Микропоры принято подразделять на очень узкие — т.наз. ультрамикро-поры, для которых характерен эффект возрастания адсорбции,— и супермикропоры, которые находятся в интервале между ультрамикропорами и мезопорами. Каждый тип пор соответствует характерным адсорбционным свойствам [2, 29, 115]. Основные сведения о сорбционных свойствах материала и характере сорбции на нем могут быть получены из изотерм сорбции, характеризующих зависимость сорбционной способности А от At концентрации С сорбируемого компонента при постоянной температуре: A=f(C). Брунауэр, Эммет и Теллер (БЭТ) на основании кинетической модели адсорбционного процесса Ленгмюра выделили пять основных изотерм сорбции. Формы изотерм сорбции представлены на Рисунке 1.
Выбор активированного угля для проведения исследований по доочистке воды
Для определения марки наиболее эффективного в доочистке водопроводной воды модифицированного активированного угля в соответствии с п. 1.3 Главы 1 данной работы совместно с коллективом СПбГТИ(ТУ) проводилось модифицирование опытных образцов активированных углей [81]. При выборе активированного угля для проведения исследований учитывались требования, предъявляемые к углям, применяемым в доочистке питьевой воды. Так, в настоящее время в водоподготовке широко применяются березовый активированный дробленый уголь марки БАУ-А и кокосовый уголь. Для производства березового активированного угля применяется местное сырье.
Уголь марки БАУ-А и кокосовый уголь были выбраны для модифицирования фуллеренами и сравнительных исследований исходных и модифицированных углей одного типа и из одной партии. Производителем и поставщиком угля БАУ-А являлся ООО «Сорбент», г.Пермь, со следующими характеристиками: удельная поверхность Буд = 800 м2/г, объем микропор VMH = 0,22 см /г, объем мезопор VME = 0,14 см3/г, предельный объем сорбционного пространства Ws = 0,36 см3/г. Для модифицирования активированных углей был применен экстракт фуллеренов Сх, представляющий собой смесь фуллеренов Сбо (89 % масс), С7о (10 % масс.) и высших фуллеренов (1 % масс.) удельная поверхность которого составляет 3 м2/г. В работе использовались фуллерены производства ОАО «ИЛИП» г. Санкт-Петербург. Состав фуллереновой смеси, которая образуется в результате экстракции фуллеренов о-ксилолом из фуллереновой сажи, от партии к партии изменяется незначительно, содержание фуллеренов С6о составляет 10±2 % масс.
Введение фуллеренов в состав исходных активированных углей проводили с использованием водного раствора фуллеренов заданной концентрации, стабилизированного краун-эфиром. Количество вводимого краун-эфира составляло 2 г. на 1 кг активированного угля. Удаление стабилизатора из исходного активированного угля осуществлялось в воздушной среде при температуре 170 С (температура кипения краун-эфира 135 С) в течение 1 ч.
Для проведения исследований использовалась лабораторная фильтрационная установка, созданная в лаборатории очистки воды кафедры водоснабжения СПбГАСУ. Схема установки приведена на Рисунке 10.
Лабораторная установка позволяла моделировать работу сорбционного фильтра. Исследования проводились в динамических условиях, приближенных к реальным условиям работы фильтров с угольной загрузкой.
Подача исходной воды в установку осуществлялась из существующей системы внутреннего холодного водоснабжения лаборатории. Для предотвращения слеживания активированного угля в процессе фильтрации производилась периодическая промывка обратным током воды из системы водоснабжения. в канализацию
Рисунок 10. Схема фильтрационной установки 1 - фильтрационная колонка 043 мм, h=600 мм с АУМ; 2 -фильтрационная колонка 043, мм h=600 мм с АУисх; 3 - переливная труба; 4 - штатив; 5 - загрузка активного угля h=320 мм; 6 - поддерживающий слой из кварцевого песка h=50 мм; 7 - подача воды при промывке; 8 - отбор проб.
Т.к. все проводимые исследования носили сравнительный характер исходного и модифицированного углей, обязательным условием исследований было обеспечение одинаковых режимов фильтрации в колонках, аналогичных друг другу как по площади, так и по высоте фильтрующего слоя. В процессе фильтрования воды периодически производились одновременные отборы проб объемом 300 мл. В качестве контролируемых показателей исходной и очищенной воды были приняты наиболее характерные и оперативно определяемые показатели: рН, железо общее (Fe, мг/л), окисляемость перманганатная (Ок, мг/л) и цветность водопроводной воды (Ц, град).
Измерение водородного показателя производили на рН-метре фирмы Наппа с точностью, требуемой ГОСТ 27384-2002 «Нормы погрешности измерений показателей состава и свойств» (разброс полученных значений нескольких измерений одной пробы не превышал ±0,2 % от полученного значения).
Измерение цветности и содержание железа проводилось на фотоколориметре КФК-2МП. Для необходимой точности измерений прибор прошел поверку в ГУП «ТЕСТ-СПб». Также бьша произведена градуировка прибора: в соответствии с требованиями ГОСТ 52769-2007 «Методы определения цветности» была построена хром-кобальтовая шкала цветности и выстроен градуировочный график с необходимыми поправками.
В результате измерение показателей цветности и железа удовлетворило требованиям ГОСТ 27384-2002; норма погрешности измерений (значение верхней и нижней границ наибольшего допустимого интервала) должно составлять ± 25%, в то время как показатели в данных исследованиях имели погрешность ниже 6%.
Особенности измерения цветности заключались в тщательности подготовки прибора к измерениям, в частности, подготовки кювет: помимо требуемых мер их очистки каждый раз вычислялась поправка при одном и том же растворе в обеих кюветах.
При измерении содержания ионов железа по ГОСТ 4011-72 «Методы измерения массовой концентрации общего железа» к вышеперечисленному прибавилась необходимость точности соблюдения методик по взвешиванию и дозированию реагентов.
Пробная регенерация отработанных модифицированных углей щелочью
Выбор аналитического выражения функций зависимостей технологических параметров доочистки водопроводной воды на фильтрах с активированным углем, модифицированным фуллеренами, производился в стандартном пакете Excel-2010 построением линий тренда и выбором вида функций (линейная; логарифмическая; полиномиальная 2-й степени; полиномиальная 3-й степени; степенная; экспоненциальная). Под трендом понимается закономерная, неслучайная составляющая временного ряда, являющаяся некоторой функцией достаточно простого вида, описывающая «среднее поведение» ряда или процесса. В качестве математического критерия наилучшего вида и количественного значения коэффициентов использовался коэффициент детерминации, определяемый как доля дисперсии зависимой переменной, объясняемая рассматриваемой моделью зависимости, т.е. объясняющими переменными. Чем ближе значение коэффициента детерминации к 1, тем сильнее зависимость, что интерпретируется как соответствие модели данным. Модели с коэффициентом детерминации выше 80% признаются достаточно хорошими. Значение коэффициента детерминации 1 означает функциональную зависимость между переменными.
В Приложении Р в графическом виде представлены линии тренда зависимости эффекта очистки воды по окисляемости на АУМбер от скорости фильтрования и высоты фильтрующей загрузки при различных видах функций. Также на графиках в Приложении Р указаны функциональные зависимости и соответствующие им коэффициенты детерминации. Расчеты показали, что для полиномиальной функции 3-й степени коэффициент детерминации R2=l. у = -0,083х3 + 1,417х2 - 10,667х + 86,333 у = -0,029х3 + 0,604х2 - 7,758х + 91,333 у =-0,089х3 + 1,778х2-14,3 Их + 107,220 у = -0,069х3 + 1,431х2 - 12,306х + 110,440 у = -0,099х3 + 2,03 5х2 - 16,064х + 119,780 Следовательно, зависимость эффекта очистки исходной воды по окисляемости на АУМбер при различной высоте фильтрующей загрузки и скорости фильтрования имеет вид (1). (1) (для h=0,32 м) (для h=0,50 м) (для h= 1,00 м) (для h= 1,5 Ом) (для h=2,0 м) где у - эффект очистки по окисляемости на АУМбер, %; х - скорость фильтрования, м/ч. В Приложении С в графическом виде представлены линии тренда зависимости продолжительности фильтроцикла от скорости фильтрования и времени контакта обрабатываемой воды с модифицированным фуллеренами активированным углем при различных видах функций. Также на графиках в Приложении С указаны функциональные зависимости и соответствующие им коэффициенты детерминации. Расчеты показали, что для полиномиальной функции 3-й степени коэффициент детерминации R2=l.
Получаем, что зависимость продолжительности фильтроцикла от скорости фильтрования и времени контакта обрабатываемой воды с АУМбер имеет вид (2). (для V=8 м/ч) (для V=l Ом/ч) J где у - продолжительность фильтроцикла на АУМбер, ч; х - время контакта обрабатываемой воды с АУМбер, ч. 4.3 Технологическая схема доочистки водопроводной воды на фильтрах с активированным углем, модифицированным фуллеренами
Одной из задач данной работы была разработка технологии и технологической схемы многоцелевой фильтровальной установки. Принципиальная схема многоцелевой фильтровальной установки 1-напорный фильтр с загрузкой АУМ; 2-бак доочищенной воды; 3-бутыль с реагентом (гипохлорит натрия); В1 - холодный водопровод; К канализация; Р-реагент Принципиальная схема предусматривает подачу воды из водопроводной сети в напорный фильтр с АУМ (1), из которого прошедшая доочистку вода подается в бак дочищенной воды (2), откуда поступает в систему водоснабжения к конечному потребителю. Предусмотренный схемой бак дочищенной воды выполняет функцию накопителя полезного объема воды с учетом равномерной дискретной работы фильтров доочистки и неравномерности водопотребления, а также накопителя воды для промывки фильтра с АУМ.
Для регенерации АУМ предусмотрена подача реагента из бутыли с гипохлоритом натрия (3). Схема также предусматривает сброс воды в канализацию (К) при промывке фильтра и переливе в баке доочищенной воды.
На основании принятых принципиальных решений разработана технологическая схема фильтровальной установки производительностью 1 м3/ч (см.Рисунок 26).
Схема установки доочистки водопроводной воды производительностью 1 м3/ч 1-бак доочищенной воды; 2-насос погружной; 3-водомер (2шт); 4— бутыль с реагентом (гипохлорит натрия); 5-насос-дозатор (микродозатор); 6-напорный фильтр с загрузкой АУМ; 7-манометры образцовые (2шт); 8,8 — ротаметр (2шт); 9-датчик уровня (Зшт); 10-насос погружной промывки фильтра; 11-вентиль регулирующий; 12-вентиль с электроприводом (2шт); 13-пробоотборник (краны шаровые, 2шт); 14—трубы полипропиленовые; К канализация; Р-реагент
Технологическая схема установки доочистки производительностью 1 м3/ч предусматривает подачу воды из водопроводной сети через водомер (3) по трубопроводам из полипропиленовых труб (14) в напорный фильтр с АУМ (6). Габаритные размеры фильтра определялись на основании производительности установки и скорости доочистки в пределах до 5 м/ч. Так, для заданной производительности установки доочистки подобран фильтр высотой 1721 мм, диаметром 555 мм, высота загрузки АУМ h=l,2 м. Площадь фильтрующей поверхности для выбранного фильтра составит: Рф=жг74=3,14-0,5552/4=0,2418 м2, где d - диаметр фильтра доочистки, м. тогда скорость фильтрования определяется как: V=Q/F =1/0,2418=4,1 м/ч, где Q - часовая производительность установки доочистки, м3/ч
Технологическая схема доочистки водопроводной воды на фильтрах с активированным углем, модифицированным фуллеренам
Подача воды из водопроводной сети предусмотрена в автоматическом режиме, по сигналу к вентилю с электроприводом (12) от датчика уровня в баке дочищенной воды (9). Также в автоматическом режиме осуществляется промывка фильтра - по сигналу от водомера (при достижении заданного объема воды, прошедшей доочистку в соответствии с разделом 4.2 данной работы) к погружному насосу промывки фильтра с АУМ (10). Согласно графику промывки, представленному в Приложении Т, расход на обратную промывку фильтра для принятого автоматического клапана при давлении 1 бар составляет 8,0 м3/ч. Продолжительность одной обратной промывки согласно данным завода-изготовителя клапана 10 мин. Тогда получаем объем воды на одну промывку: Wnp=8T0/60=l,33 м3.
Т.к. в баке доочищеннои воды, являющемся также источником воды на промывку, должен единовременно храниться объем на две промывки, минимальный объем бака дочищенной воды составит Wmin=2-1,33=2,66 м3. К установке принят бак дочищенной воды объемом 3,0 м3.
При промывке фильтра и переливе в баке доочищеннои воды предусмотрен сброс воды в канализацию (К). До и после напорного фильтра устанавливаются манометры (7) для контроля давления в системе. Для определения качества исходной и доочищеннои воды предусмотрена установка пробоотборников (13) до и после напорного фильтра с АУМ.
Спецификация оборудования для установки доочистки производительностью 1,0 м7ч представлена в Таблице 7. Перечень оборудования установки доочистки водопроводной воды производительностью 1,0 м3/ч № Наименование Тип, марка 1 бак доочищеннои воды Aquatech 0-16-2120, Н=1860 мм, D=1525MM, V=3M3 2 насос погружной НВТ-360 с термозащитой с нижним забором воды (типа «Малыш») Q=l,08 м3/ч 3 счетчик холодной воды СХВ-15 dyl5 4 контейнер-резервуар полиэтилен, двустеночный (с аварийным поддоном) ВСТ У=60л 5 насос-дозатор Seko РЕ-1,5.1,5 (dynamic time) Qmax=l,0 л/ч 6 напорный фильтр Canature2162/F75B1; Н=1721мм;В=555мм;У=344л;(2=1м3/ч 7 манометры образцовые 8,8 ротаметр поплавковый LZS-25 типа «трубка» 9 датчик уровня FS8-35-1-M-PVD, 70Вт 10 насос погружной промывки фильтра AL-KO SUB 15001, Qmax=ll,5 м3/ч, H=10 M;N=550BT 11 вентиль регулирующий dy25 12 вентиль с электроприводом dy25 13 кран шаровый dyl5 14 трубопровод из пп труб dy25 Ekoplastik PPRPN10 32x3,0 15 трубопровод из пп труб dyl5 Ekoplastik PPRPN10 20x2,3 16 обратный клапан dy25 В соответствии с алгоритмом, описанным в разделе 4.2 данной работы, определяем зависимость эффекта очистки исходной воды по окисляемости на АУМбер при высоте фильтрующей загрузки h=l,2 м и скорости фильтрования V=4,l м/ч. С помощью линий тренда графика зависимости эффекта очистки по окисляемости от скорости фильтровании (Рисунок 27) определяем, что наибольший коэффициент детерминации (R2=l) соответствует полиномиальной функции 3-й степени.
Для определения продолжительности фильтроцикла на установке доочистки производительностью 1,0 м /ч согласно разработанной технологии построен график (см.Рисунок 28), нанесены линии тренда для определения типа зависимости с наибольшим коэффициентом детерминации. линейная функция: У = 7,3333х +24,667 R2 = 0,968 экспоненциальная функция: у = 67,657е436х R2 =0,9123 логарифмическая функция: у = 147,8Ln(x) -261,2 R2 0,9806 степенная функция: у = 11,871хв928 R2 =0,9526 полиномиальная функция 2-й степени: у = -ОДЗбх2 + 13,163х - 30,042 R2 =0,9754 полиномиальная функция 3-й степени: у = 0,054х3 - 3,6776х2 + 86,341х - 499,75 R2 = l 250,0 V=4,l м/ч Линейный (V=4,l м/ч) Экспоненциальный (V=4,l м/ч) Логарифмический (v=4,l м/ч) — Степенной (V=4,l м/ч) — Полиномиальный (V=4,l м/ч) —— Полиномиальный (V=4,l м/ч)
Получаем, что для скорости фильтрования 4,1 м/ч для полиномиальной функции 3-й степени R2=l. Тогда продолжительность фильтроцикла определяется как: j (5) Тф = 0.054Г - 3.678Г + 86,34И - 499,75; где Тф - продолжительность фильтроцикла, ч; t - время контакта обрабатываемой воды с АУМ, мин; t=h/V= 1,2/4,1-60= 17,5 мин. Тф=0,054-17,53-3,677-17,52+86,341-17,5 т99,75=175 ч= 7 сут.
Для установки доочистки производительностью 1,0 м /ч, получаем, что объем обработанной воды с эффектом очистки по окисляемости не менее 74,23%, составит: \ =0ТФ=1-175=175 м3. Следовательно, первая регенерация загрузки будет производиться по сигналу от водомера при достижении объема обработанной воды 175 м3. После окончания регенерации будет осуществляться обратная промывка фильтра. На основании результатов исследований и с помощью метода экспертных оценок получено относительное снижение объема обрабатываемой воды после каждой из проводимых регенераций, представленные в Таблице 8.
