CC BY
19
УДК 628.16
ИССЛЕДОВАНИЕ ТЕХНОЛОГИИ ДВУХСТУПЕНЧАТОГО РЕАГЕНТНОГО ФИЛЬТРОВАНИЯ ПРИРОДНОЙ ВОДЫ
О.Б. Говоров*, А.В. Елсуков**, А.О. Говорова***
* ООО Научно-технический центр «ФОНСВИТ», г. Балашиха, Россия, ** Российский университет транспорта (МИИТ), г. Москва, Россия *** Национальный исследовательский Московский государственный строительный университет (НИУ МГСУ), г. Москва
Аннотация.
Статья посвящена технологии двухступенчатого реагентного фильтрования природной воды. В качестве фильтрующей загрузки пре-фильтра рекомендуется использовать дробленный пенопласт, фильтра - клиноптилолит. Выполнен анализ фильтрующих загрузок, технологических параметров работы фильтровальных сооружений и результатов исследования процесса реагентного осветления и обесцвечивания воды двухступенчатым фильтрованием.
Ключевые слова:
природные воды, качество воды, мутность, цветность технология очистки, двухступенчатое фильтрование, загрузка из дробленого пенопласта, клинопти-лолит
История статьи:
Дата поступления в редакцию 19.06.21
Дата принятия к печати 22.06.21
03
г
м О
-I
м
Э СО
Введение
Поверхностные водоисточники характеризуются различным физико-химическим составом, формирование которого происходит под воздействием не только природных, но и антропогенных факторов.
При постоянном ухудшении качества природной воды и ужесточении требований к степени ее очистки зачастую традиционные технологии очистки, базирующиеся на применении горизонтальных отстойников или осветлителей со слоем взвешенного осадка на первой ступени и фильтрами на второй не всегда обеспечивают требуемое качество воды, особенно в условиях изменчивости её физико-химического состава. В связи с этим требуется использование более гибких технологических схем очистки воды, в том числе реализующих многоступенчатое фильтрование.
При мутности природной воды до 300 мг/л и цветности до 120 град. согласно СП 31.13330.2012 рекомендуется наряду со схемой: горизонтальный отстойник-скорый фильтр применять технологическую схему с контактным префильтром и фильтром. Такая технология отличается гибкостью, возможностью оперативно изменять режим очистки при изменении качества воды водоисточника, надежностью, а также пониженными капитальными затратами по сравнению с другими технологическими двухступенчатыми схемами очистки воды [1]. Для оптимизации фильтрационного процесса с изменяющимися параметрами исходной воды помимо других технологических приемов необходимо также создавать условия для накопления наибольшего количества взвешенных веществ в поровом пространстве загрузки при больших скоростях движения жидкости. Оптимальные условия для этого обеспечивают, прежде всего, высокий коэффициент формы зерна, развитая поверхность и большая пористость фильтрующей загрузки.
< со
о
а
О со О
О «
0 н га т
1
<и
с
>
н
и X
?? I
* I
и С с; о
Ш Ц
. о
3*
< <и , н СО щ О 5
а
О со
О |_
ш
о
I
га и о
и ^
и и
Методы и материалы
В качестве загрузки префильтра использовалась полимерная плавающая загрузка [2, 3] из гранул дробленого пенопласта, а в качестве загрузки фильтра - клиноптилолит (рис. 1).
а) б) в)
Рис. 1. Общий вид фильтрующей загрузки: 1 - дробленый пенопласт; 2 - дробленый пенополистирол; 3 - клиноптилолит;
На рис. 2 представлена схема экспериментальной установки, состоящая из префильтра и фильтра с диаметром каждого по 400 мм. Высота моделей фильтров составляла 3,0 м, высота фильтрующего слоя префильтра не превышала 0,8 м, а фильтра - 1,2 м. Крупность загрузки префильтра в опытах составляла 1,7-2,8 мм, фильтра - от 0,6 до 1,7 мм. Установка была оборудована реагентным блоком, смесителем, пробоотборниками, пьезометрами и запорно-регулирующей арматурой. Исходная речная вода предварительно замутнялась речным илом и смешивалась с торфяной суспензией, содержащей одновременно частицы взвеси с диаметром 0,001 - 0,8 мм. Скорость фильтрования изменялась в пределах от 5 до 12 м/ч. Продолжительность фильтроцикла определялась мутностью фильтрата после первой ступени в пределах 20-40 мг/л, а после второй ступени - достижением потери напора 2,7 м, регламентированных высотной схемой установки.
Рис. 2. Схема экспериментальной установки двухступенчатого фильтрования: 1 - дозатор коагулянта; 2 - дозатор взвеси; 3 - смеситель; 4, 5 - префильтр и фильтр; 6 - дробленый пенопласт; 7 - клиноптилолит; 8 - подача исходной воды; 9 - пьезометры
Промывка префильтра и фильтра производилась с расчетной интенсивностью соответственно 20 и 16 л/с-м2 и требуемой степенью расширения слоя загрузки (до 40%).
Результаты и обсуждение
Особенностью нового материала префильтра из пенопласта, получаемого дроблением на специальной установке пенопластовых блоков и плит является менее выраженная зависимость плотности гранул от их диаметра, поскольку куски пенопласта имеют примерно одинаковую кажущуюся плотность (25-40 кг/м3).
В таблице 1 приведены данные по свойствам пенопластовой загрузки. Установлено, что загрузка из дробленого пенопласта имеет насыпную массу в 3,7-6,5 раза меньше, удельную поверхность в 1,3-1,6 раза больше, пористость, определенную после предварительного замачивания гранул, выше на 16-30% чем загрузки из вспененных гранул полистирола [3].
В качестве загрузки фильтра используется клиноптилолит, который является одним из распространенных видов цеолитов.
Таблица 1
Физико-механические свойства фильтрующей загрузки из дробленого пенопласта
03
г
м О
Средний диаметр гранул, мм Средняя насыпная масса, кг/м3 Пористость, % Средняя кажущаяся плотность, кг/м3 Удельная поверхность, м2/г
0,5-5,0 28 48-66 27 106
СО
Цеолиты - природные материалы вулканического происхождения с характерным ажурным алюмокремнекислым каркасом, которые образует систему полостей и каналов. Важными свойствами цеолитов являются их высокая адсорбционная способность и способность к катионному обмену без нарушения кристаллической структуры. У клиноптилолита проявляются сорбционные свойства по отношению к ионам тяжелых металлов, радиоактивным элементам и органическим соединениям природного происхождения.
Подтверждением выше сказанного служат результаты авторов [4] по изучению эффективности со :
о 2
цеолита в отношении соединений цветности, перманганатной окисляемости, алюминия, цинка и II <5
О I-
радиоактивных элементов. щ го
Сравнительный анализ различных фильтрующих материалов - дробленого кварца, горелой по- 2 5
роды и клиноптилолита свидетельствует о том, что показатели истираемости, измельчаемости и о >
: Н
химической стойкости последнего не превышают действующих нормативов, а также отражают их ** ^
высокие прочностные свойства. 5 т
О с!
О С
с; о
Ш Ц
. о
СО I
По данным [3] использование клиноптилолита с характеристиками, приведенными в таблице 2 позволяет обеспечить стабильное осветление воды в диапазоне мутности от 19 до 84 мг/л с производительностью в 1,6-2 раза больше, чем фильтра с кварцевым песком.
Результаты совместной работы префильтра и фильтра в двухступенчатой схеме с различными ™ £
< <и
скоростями и качеством воды приведены в таблице 3. *
Сй (Ц О 5 а I
О 5
м Ш
Й ° О 4
|- и ■ ^
Ш и ■ о
О ^
Таблица 2
Рекомендуемая характеристика фильтров с загрузкой из клиноптилолита
Высота слоя, Размер гранул, мм К н V, q,
м макс мин. экв. м/ч л/сек м2
0,8-1,0 0,6 1,3 0,9 2,0 7 14
1,1-1,3 0,7 1,5 1,0 1,9 9 15
1,4-1,7 0,7 1,8 1,2 1,8 13 16
Примечание: К - коэффициент неоднородности; v - скорость фильтрования, q - интенсивность про-
н
мывки
Таблица 3
Эффективность процесса очистки воды двухступенчатым фильтрованием
Ступени очистки Мутность воды, мг/дм3 Цветность воды, град. Скорость фильтрования, м/ч Продолжительность фильтроцикла минимальная, ч
Исх. Фильтрат Исх. Фильтрат
Префильтр До 50 2-15 20-40 15 10-12 24
100-200 20-30 50-100 30 7-10 18
250-350 30-45 110-130 50 5-7 12
Фильтр До 20 До 1,5 До 25 10 8-10 24
20-40 До 1,5 30-55 20 6-7 10
Опытами установлено, что при скорости фильтрования в префильтре 10-12 м/ч, мутности исходной воды до 50 мг/л суммарный эффект осветления двухступенчатого фильтрования воды достигает 97%, мутность фильтрата после второй ступени не превышает 1,5 мг/дм3. Продолжительность фильтроциклов первой и второй ступени составляет 24 ч.
При повышении мутности воды, поступающей на префильтры до 200 мг/л и уменьшении скорости до 10 м/ч, перед второй ступенью мутность воды достигала 20-40 мг/л, а продолжительность филь-троцикла при мутности фильтрата 1,5 мг/дм3 не превышала 10 ч. Увеличение скорости фильтрования в 1,5 раза вызывало ухудшение показателей мутности фильтрата на обеих ступенях в среднем за фильтро-цикл в 2 раза и приводило к его сокращению до 6-8 часов.
Выводы
При разработке технологии очистки природной воды, физико-химический состав которой формируется под воздействием природных и антропогенных факторов и отличается изменчивостью в течение года обосновано применение двухступенчатого фильтрования. Предложено в качестве загрузки пре-фильтра использовать дробленый пенопласт, обладающий большей удельной поверхностью и пористостью по сравнению с пенополистирольной загрузкой, а в качестве загрузки фильтра - клиноптилолит, обладающий высокими адсорбционными и прочностными свойствами. Анализ результатов исследования показал, что применение двухступенчатого реагентного фильтрования позволяет получить стабильный эффект осветления и обесцвечивания в течение 12-24 часов и диапазоне скоростей фильтрования от 5 до 12 м/ч при мутности до 350 мг/л, цветности до 130 град.
ЛИТЕРАТУРА
1. Мельцер В.З., Фильтровальные сооружения в коммунальном водоснабжении. - М.: Стройиздат, 1995. -176 с. [Melzer V.Z., Filtration facilities in communal water supply. Moscow: Stroyizdat, 1995. (In Russ.)].
2. Говорова Ж.М., Говоров О.Б. Водоочистные сооружения, установки и технологии с плавающей полимерной загрузкой (опыт создания и внедрения) // Водоснабжение и санитарная техника. - 2018. - № 9: 14-23. [Govorova Zh.M., Govorov O.B. Water treatment plants, installations and technologies with floating polymer loading (experience in creation and implementation). Vodosnabzheniye i sanitarnaya tekhnika / Water supply and sanitary engineering. 2018; 9: 14-23. (In Russian)].
3. Журба М.Г. Водоочистные фильтры с плавающей загрузкой. Научное издание. Вологда. 2011. С. 536. [Zhurba M.G. Floating loading water purification filters. Scientific publication. Vologda. 2011. (In Russ.)].
4. Ватин Н.И., Чечевичкин В.Н., Чечевичкин А.В., Шилова Е.С. Применение цеолитов клиноптилолитового типа для очистки природных вод // Инженерно-строительный журнал. - 2013. - № 2(37). - С. 81-88. [Vatin N.I., Chechevichkin V.N., Chechevichkin A.V., Shilova E.S. Application of clinoptilolite type zeolites for natural water purification. Inzhenerno-stroitel'nyy zhurnal / Engineering and construction journal. 2013; 2 (37):81-88. (In Russian)].
Просьба ссылаться на эту статью следующим образом:
О.Б. Говоров, А.В. Елсуков, А.О. Говорова. Исследование технологии двухступенчатого реагентного фильтрования природной воды. — Системные технологии. — 2021. — № 39. — С. 5—9.
RESEARCH OF THE TECHNOLOGY OF TWO-STAGE REAGENT FILTRATION OF NATURAL WATER
O.B. Govorov*, A.V. Elsukov**, A.O. Govorova***,
* Scientific-technical center «FONSVIT» JSC, Balashikha, Russia
** Russian University of transport (MIIT), Moscow, Russia
***Moscow State University of Civil Engineering (National Research University) (MGSU), Moscow
О
cû
1-
и
-Û
с;
ш
1-
S
О
a
1-
и
О
Z
м
Û
-1
M
Э
CÛ
Abstract.
The article is devoted to the technology of two-stage reagent filtration of natural water. It is recommended to use crushed polystyrene foam as the filtering load of the prefilter, and clinoptilolite as the filter. The analysis of filtering loads, technological parameters of the filtering facilities and the results of the study of the process of water purification by two-stage filtration has been carried out.
Key words.
natural waters, water quality, turbidity, color purification technology, two-stage filtration, loading from crushed foam, clinoptilolite.
Date of receipt in edition: 19.06.21 Date o f acceptance for printing: 22.06.21
< CO
О a О
CO
О
CD «
0
H
га т
1
<U
с
>
н
и X
о I * I
U С
Ç О ш Ç . о
3*
< <и
, H СО щ О S
о.
о
ей
о
ш
о
I
га и о
и
и и
