Математическая модель очистки природной воды в осветлителе установки с плавающей фильтрующей загрузкой с учётом влияния дозы реагента Текст научной статьи по специальности «Экологические биотехнологии»

3. Слепокуров А.С. Геоэкологические и инновационные аспекты развития туризма в Крыму / Слепокуров А.С. - Симферополь: СОНАТ, 2000. - 160 с., ил.

4. Интернет-сообщество о дизайне Novate.Ru [Электронный ресурс] / Режим доступа к статьям: http://www.novate.ru/blogs/category/architecture/.

5. Тетиор А.Н. Строительная экология / Тетиор А.Н. - К.: Будiвельник, 1992. - 160 с., ил.

6. Супруненко Ю.П. Горы зовут... (Горно-рекреационное природопользование). - М.: Тровант, Ин-т геогр. РАН, 2003. - 368 с.

7. Яландина Н.М. Принципы сосуществования природы естественной и искусственной [Электронный ресурс] /Яландина Н.М. - Известия вузов. Архитектон. - 2009. - Вып. 22. - Режим доступа к статье: http://archvuz.ru/2008_2/5.

8. Поморов С.Б. Аттрактивность - фундаментальная характеристика ландшафтов при проектировании рекреационных объектов и систем. //Ползуновский альманах. -Барнаул: АлтГТУ. - 1999. - Вып.1- С. 130-140.

УДК 628.16.004

МАТЕМАТИЧЕСКАЯ МОДЕЛЬ ОЧИСТКИ ПРИРОДНОЙ ВОДЫ В ОСВЕТЛИТЕЛЕ УСТАНОВКИ С ПЛАВАЮЩЕЙ ФИЛЬТРУЮЩЕЙ ЗАГРУЗКОЙ С

УЧЁТОМ ВЛИЯНИЯ ДОЗЫ РЕАГЕНТА

Боровский Б.И., д.т.н., профессор; Котовская Е.Е., ассистент

Национальная академия природоохранного и курортного строительства

В работе представлены результаты обобщения экспериментальных данных очистки воды поверхностного источника централизованного питьевого водоснабжения по показателю мутность. Очистка воды проводилась на крупномасштабной фильтровальной установки, состоящей из осветлителя - рециркулятора, фильтрующей части и сорбционной колонны. Получены математические модели очистки природной воды в осветлители - рециркуляторе с учетом влияния дозы различных реагентов: сернокислый алюминий, хлорное железо, полвак. Рассмотрен вопрос эффективности очистки природной воды поверхностного источника централизованного питьевого водоснабжения.

Осветлитель - рециркулятор осадка, установка с плавающей фильтрующей загрузкой; реагенты; доза реагента; природная вода; эффективность очистки.

Введение

При подготовке питьевой воды из природных источников централизованного водоснабжения используется система, состоящая из осветлителей и фильтрующих устройств. Эти устройства компактно объединены в установке с плавающей фильтрующей загрузкой, показавшей положительные результаты. Максимальная степень очистки природной воды зависит, как известно, от дозы реагента.

Анализ публикаций В работе [1] для установки, совмещающей процессы осветление воды и фильтрование, выполненной по патенту [2], получены модели очистки природной воды, как в осветлителе, так и в фильтре. Для фильтра учтено влияние дозы реагента, а для осветлителя такого учёта нет. В монографии [3] отсутствует количественный анализ влияния дозы реагента (коагулянта) на работу осветлителя. Автор считает, что полученный им критерий сепарации справедлив «при нормальных условиях работы осветлителя: при правильном бесперебойном дозировании коагулянта, при отсутствии разбивания хлопьев коагулированной взвеси и частых, резких колебаний производительности осветлителя и температуры воды». В работах [4-6] также нет количественного анализа влияния дозы реагента (коагулянта) на работу осветлителя. Такой анализ проведен в работе [7], где

(а Л

получены зависимости вида С р = / — , где С - концентрация загрязнений на выходе из

С

о у

осветлителя, мг/л; а - доза реагента, мг/л; С0 - концентрация загрязнений на входе в

осветлитель, мг/л. Зависимости работы [7] и результаты исследований [1] позволяют составить модель очистки воды в осветлителе.

Цель и постановка задачи исследований

Цель данной работы - формирование и анализ математической модели очистки природной воды в осветлителе с учётом влияния дозы реагента. Оценить эффективность очистки природной воды при помощи полученных математических моделей.

Методика исследований

Выполнены экспериментальные исследования по очистке воды от мутности и органических загрязнений на крупномасштабной фильтровальной установке (КФУ), включающую в себя осветлитель рециркулятор осадка, фильтрующую часть и сорбционную колонну. Результаты экспериментов были обработаны с использованием корреляционно -регрессионного анализа.

Результаты и их анализ

На рис.1 приведена схема крупномасштабной фильтровальной установки, выполненной в соответствии с патентом Украины [8].

18 19

мг/л; С0

Рис.1. Крупномасштабная фильтровальная установка: 1 - корпус установки; 2 - трубопровод подачи воды для очистки; 3

трубопровод

отвода очищенной воды; 4 - нижняя камера - осветлитель -рециркулятор для взвешенного осадка; 5 - слой взвешенного осадка; 6 - плавающая фильтрующая

загрузка; 7 - верхняя камера; 8 - сгуститель шлама; 9 - рециркулятор осадка; 10 -трубопровод для отвода шлама; 11 - задвижка на трубопроводах 2, 3, 10; 12 -пьезометр; 13 - сорбционная колонна; 14 - загрузка сорбционной колонны активированным углем марки АГ-3, высотой 1,2 м; 15 - трубопровод отвода промывной воды; 16 - воздухоотделитель; 17 - смеситель; 18 - бак суспензии замутнителя; 19 - бак дозатора коагулянта (реагента); 20 - сифон; 21 - трубопровод отвода очищенной воды из сорбционной колонны; 22 - трубопровод подачи воды на промывку загрузки; 23 - трубопровод перелива из верхней камеры 7.

Крупномасштабная установка (рис.1) отличается от исследованной в работе [1] только дополнением сорбционной колонны 13, заполненной активированным углём 14. Сорбционная колонна позволяет очистить воду от органических примесей, которые при хлорировании образуют в питьевой воде химические соединения, отрицательно влияющие на здоровье человека.

Установка для очистки воды работает следующим образом. Очищаемая вода подается в корпус установки 1, через трубопровод подачи воды 2. Также в трубопровод 2 дозируется коагулянт и по потребности - замутнитель (раствор бентонита). При прохождении воды через нижнюю камеру 4, при добавлении коагулянта, происходит образование скоагулированных частиц, которые благодаря прохождению через рециркулятор осадка (осветлитель) 9 образуют слой взвешенного осадка 5. При прохождении воды сквозь плавающую грубозернистую загрузку 6, происходит окончательное очищение от загрязнений в верхней камере 7. Очищенная вода выходит из верхней камеры 7, через трубопровод отвода очищенной воды 3 при открытии задвижки 11. Излишний осадок 5 из нижней камеры 4 для взвешенного осадка поступает в рециркулятор осадка 9, затем в сгуститель шлама 8 и удаляется из сгустителя шлама 8 при поступлении сигнала от пьезометров 12 и после открытия задвижки 11 на трубопроводе для отвода шлама 10 во время регенерации. Далее вода, очищенная от взвешенных веществ, по трубопроводу 3 поступает в фильтровальную колонну 13 и фильтруется через загрузку 14, затем отводится по трубопроводу 21 в сток. Подачу воды на промывку загрузки осуществляли по трубопроводу 22. Промывку плавающей фильтрующей загрузки осуществляли при открытии задвижки 11 на сифоне 20.

Корпус установки выполнен из трубы круглого сечения ё=300мм и имеет общую высоту 4100 мм. Высота рециркулятора (осветлителя) составляет 1200 мм. Высота плавающей фильтрующей загрузки тоже 1200 мм, крупность зерен 1,5 ^ 3,0 мм. По высоте фильтрующего слоя в корпус врезаны штуцеры (ё = 3 мм), к которым подключены пьезометры для контроля потерь напора в слоях загрузки с целью определения момента необходимой промывки фильтрующей загрузки.

В исследовании использованы три реагента: сернокислый алюминий, хлорное железо и полвак.

В работе [1] для течения в осветлителе получен скоростной комплекс:

Е (<V р)ш ^107

К у =■

иу

2

где е = 9,81 ■м~ ускорение свободного падения; и-кинематическая вязкость с с

ш 3 г- .. м < мг

воды; ш - м - объём рециркулятора; у---скорость восходящего потока воды; С0---

с л

кг

исходная концентрация загрязнений природной воды; р---плотность воды.

л

В работах [1, 7] показано, что, как и в случае критерия сепарации [3], комплексы Ку,

ё й С Ср Э — определяют остаточную концентрацию загрязнении С , а не степень очистки-. Это

С0 С0

(

позволило получить для указанных выше реагентов зависимости вида С = / Для сернокислого алюминия:

К„

ё

С

V 0

С р = 612,09 •

К

1,981

V

1 - 3684,807 •

С

V 0

у

- 0,258

у

+15,096,

(1)

при индексе корреляции 0,71 (корреляционная связь сильная [9]), критерии Стьюдента 2,25 > Iст = 1,94 (корреляционная связь существенная [9]); для хлорного железа:

С р = 57,851 • К0

1 + 3,36'

V С0

Л2

- 0,15

(2)

при индексе корреляции 0,815 (корреляционная связь сильная [9]) и критерии Стьюдента 2,46 > 1ст = 2,13 (корреляционная связь существенная[9]);

для полвака

С р = 157,09К

0,507

(

1 - 0,75

ё

С

(3)

0 У

индекс корреляции 0,908 (корреляционная связь сильная [9]) и критерии Стьюдента 3,75 > Iст = 2,13 (корреляционная связь существенная [9]).

Влияние дозы реагента на эффективность очистки природной воды в осветлителе КФУ при использовании сернокислого алюминия, хлорного железа и полвака рассмотрено

в работе [7]. При оптимальных дозах реагентов проанализируем их влияние на

Ср

эффективность очистки природной воды в осветлителе. Зависимости отношения - от

С0

комплекса Кv, рассчитанные с помощью приведенных формул, представлены на рис. 2. По формулам (1-3) вычислялась величина С , а значение С0 находилось по критерию Кv, при этом принималась наиболее часто использованная скорость V = 0,0014 м / с .

Ср/Со

0,2 0,3 0,4

Рис.2. Зависимость эффективности очистки от комплекса :

1-сернокислый алюминий; 2- хлорное железо; 3-полвак.

0,576

0,528

Из рисунка видно, что наибольшая эффективность очистки соответствует хлорному железу, ему уступают сернокислый алюминий и полвак.

Выводы

1. Получены математические модели очистки природной воды в осветлителе с учётом влияния доз реагентов: сернокислый алюминий, хлорное железо и полвак.

2. Показано, что в осветлителе наибольшая эффективность очистки воды соответствует хлорному железу, ему уступают сернокислый алюминий и полвак.

Список использованных источников

1. Боровский Б.И. Составление математических моделей очистки промывных вод скорых фильтров водоочистной станции «Петровские скалы» с использованием установки с плавающим фильтрующим слоем / Б.И. Боровский, С.Д. Бойчук, Е.Е. Котовская // Сборник докладов Международного Конгресса «ЭТЭВК - 2009», Ялта, 2009, -С. 97-104.

2. Декларацшний патент на корисну модель № 7595. Прояснювач для очищення води / М.М. Проль, С.Д. Бойчук, В.О. Мяюшев, O.G. Котовська, вщ 16.12.2004 7 B01D21/00, опубл. 15.06.2005, бюл. №6.

3. Кургаев Е.Ф. Основы теории и расчета осветлителей/ Е.Ф.Кургаев- М.: Госстройиздат, 1962. - 164 с.

4. Кульский Л.А. Теоретические основы и технология кондиционирования воды/Л. А.Кульский - К.: Наукова думка, 1980. - 564 с.

5. Кульский Л.А.Проектирование и расчет очистных сооружений водопроводов/Л.А. Кульский, М.Н. Булава, И.Т.Гороновский, П.И. Смирнов. - К.: «Будiвельник», 1972. -424 с.

6. Фрог Б.Н. Водоподготовка / Б.Н.Фрог - М.: Изд. МГУ, 1996.- 680 с.

7. Боровский Б.И. Моделирование влияния дозы реагента на эффективность очистки природной воды в осветлителе установки с плавающим фильтрующим слоем/ Б.И.Боровский, Е.Е.Котовская //Строительство и техногенная безопасность, 2012, вып. 41.- Симферополь, С. 55-59.

8. Патент на корисну модель №45093. Пристрш для очищення води / O.G. Котовська, вщ 25.05.2009. C02F1/00, B01D25/00, публ. 26.10.2009, бюл. №20.

9. Вознюк С.Т. Основы научных исследований / С.Т. Вознюк, С.М.Гончаров, С.В.Ковалёв. - К.: Вища школа, 1985. - 192 с.