Введение к работе
Актуальность темы. Темпы добычи подземных вод все время возрастают, что объясняется высокой надежностью и устойчивостью подземного стока, возможностью более качественной и экономичной их очистки по сравнению с сильнозагрязненными поверхностными источниками. Водоотбор из подземных источников в нашей стране увеличивается за каждые семь - десять лет в три раза.
Чаще всего препятствует использованию подземной воды для питьевого и промышленного водоснабжения наличие в ней ионов железа и марганца. Повышенное содержание ионов железа и марганца придает воде металлический или вяжущий привкус, при контакте с воздухом - окраску, вызывает зарастание водопроводных сетей и водоразборной арматуры, является причиной брака во многих отраслях промышленности. Нормами ГОСТ ограничено содержание ионов железа в питьевой воде до 0.3 мг/дм3, а марганца - до 0.1 мг/дм3.
Подземные воды Дальнего Востока, несмотря на наличие разветвленной гидрографической сети, являются основным источником водоснабжения городов и поселков. Подземные водоисточники, содержащие железо и марганец, имеются на всей территории страны, а в дальневосточном регионе распространены повсеместно.
На сегодняшний день в условиях Дальнего Востока нашли широкое применение несколько схем очистки, а именно: упрощенная аз-рация, "сухая" фильтрация, метод "VYRED0X" и двухступенчатое фильтрование с глубокой аэрацией перед первой ступенью. Все эти методы были разработаны и хорошо работают в средней полосе России.
Анализ работы действующих станций очистки Дальнего Востока показал, что многие из них работают неудовлетворительно уже при средней концентрации ионов железа-flO - 15 мг/дм3; до 18 мг/дм3) и марганца (0.3 - 0.5 мг/дм3); тогда, как очень часто встречаются подземные воды с повышенным содержанием железа (25 - 30 мг/дм3) и марганца (0.7 -1.5 мг/дм3).
В практике обезжелезивания подземных вод известен метод двухступенчатого фильтрования. Он позволяет более эффективно удалять соли железа. Вместе с тем данный метод имеет отдельные недостатки. К наиболее существенным относятся недостаточная гря-зеемкость и неэффективное распределение грязевых нагрузок между ступенями фильтра. Также не было проведено испытаний этого мето-
да для специфичных подземных вод Дальнего Востока, содержащих соли железа в высоких концентрациях и попутное загрязнение в виде солей марганца.
В связи с этим разработка и исследование эффективных безре-агентных методов очистки воды, а именно двухступенчатого фильтрования, является актуальной научно - технической задачей для данного региона.
Часто, уже в процессе эксплуатации станции очистки, выясняются ошибки, допущенные при проектировании. Они выражаются в неправильном выборе метода очистки ,воды. Нередки случаи, когда приходится делать дополнительные капиталовложения для перестройки yir- реконструкции станций обезжелезивания. Существенно повысить качество принимаемых решений на этапе проектирования позволит использование: новых информационных технологий; а именно, работы по созданию экспертных систем. В настоящее время создано и успешно эксплуатируется большое количество подобных систем, хорошо себя зарекомендовавших и способных принести большую выгоду в плане сокращения финансовых и трудовых затрат при принятии решения.
Целью данной работ является разработка новой технологической схемы двухступенчатого фильтрования и исследование ее работы в условиях Дальнего Востока на местном фильтрующем материале; а также разработка научно - методологического обоснования при выборе метода очиртки подземных вод с использованием новых, информационных технологий.
Для достижения поставленной цели в процессе работы решались следующие задачи:
оценить современный уровень научных разработок и внедрения в области очистки подземных вод Дальнего Востока безреагент-ными методами;
на основании анализа работы действующих станций очистки подземных вод определить необходимые требования к фильтрующей загрузке и предложить местный фильтрующий материал, "наиболее полно им отвечающий;
обосновать и апробировать схему двухступенчатого фильтрования для очистки подземных вод Дальнего Востока от железа и марганца;
экспериментально определить границы варьирования параметров фильтрования с использованием местного фильтрующего материа-
ла;
построить математическую модель процесса двухступенчатого фильтрования;
на основе экспериментальных данных построить технологическую модель двухступенчатого фильтрования;
выполнить поверочные эксперименты на природных водах Дальнего Востока с использованием полупроизводственной установки двухступенчатого фильтрования;
разработать и построить экспертную систему по выбору наилучшего метода очистки подземных вод.
выполнить технико - экономическую оценку разработанной схемы очистки.
Научная новизна:
разработана и экспериментально проверена на природных подземных водах Дальнего Востока новая технологическая схема двухступенчатого фильтрования, предназначенная для очистки подземных вод с высоким содержанием солей железа и марганца, которая отличается от подобных схем использованием контактного осветлителя на первой ступени фильтра;
в результате использования планового факторного эксперимента и технологического моделирования получены эмпирические зависимости, связывающие содержание железа '-Й марганца в фильтрате с основными технологическими параметрами фильтрации при использовании местного фильтрующего материала - гранодиорита;
определены границы применения напорного и безнапорного вариантов установки при очистке подземных вод от железа и марганца в условиях дальневосточного региона;
разработан и реализован в виде программы для компьютера 1Ш PC лабораторный прототип экспертной системы продукционного типа с обратной цепочкой вывода, предназначенный для выбора метода обезжелезивания подземных вод.
Практическая ценность. Применение двухступенчатого фильтрования для очистки подземных вод Дальнего Востока на предлагаемых установках расширяет область применения безреагентных методов очистки воды от железа и марганца.
Разработанные двухступенчатые фильтры характеризуются стабильностью качества фильтрата; повышенной грязеемкостыо загрузки; расширенными границами области применения (безнапорный вариант: Fe06m < 25 мг/дм3, Мп < 1 мг/дм3; напорный вариант: FeQ6m <
ЗО мг/дм3, Мп <, 1.5 мг/дм3); увеличенным временем фильтроцикла; буферными свойствами, заключающимися в возможности удаления сопутствующих железу загрязнений. Полученные эмпирические зависимости выведены с учетом особенностей Дальнего Востока (сложный состав подземных вод; местный фильтрующий материал).
.Использование экспертной системы в области очистки подземных вод повышает качество принимаемых проектных решений с меньшими трудозатратами. Созданная автором система уже сегодня с достаточной степенью достоверности подтверждает большинство принимаемых методов обезжелезивания при проектировании станций очистки подземных вод.
Результаты исследований в совокупности с разработанными технологическими схемами внедрены в проектную практику, о чем получены подтверждающие справки.
Апробация работы. Основные положения и результаты работы были представлены и обсуждены на научных конференциях ПГУПСа, ДВГАПСа и на совещании комитета экологии и природных ресурсов Хабаровского края.
Публикации. По теме диссертации опубликовано четыре печатные работы и два информационных листка Хабаровского ДНШ.
Объем и структура работы. Диссертационная работа состоит из введения,'пяти глав, заключения, списка литературы (166 наименований) и приложений.
Изложена на 152 страницах машинописного текста, содержит 24 рисунка и 12 таблиц.
Автор благодарит к.т.н., ст. науч. сотр. С.Н.Фомина за научное руководство исследованиями, результаты которых изложены в главе 3, также за ценные замечания, высказанные им при написании диссертации.