Сравнение экономической эффективности различных коагулянтов при очистки природных вод Текст научной статьи по специальности «Математика»

УДК 628.1

СРАВНЕНИЕ ЭКОНОМИЧЕСКОЙ ЭФФЕКТИВНОСТИ РАЗЛИЧНЫХ КОАГУЛЯНТОВ

ПРИ ОЧИСТКИ ПРИРОДНЫХ ВОД

Котовская Е.

ФГАОУ ВО «Крымский федеральный университет имени В.И. Вернадского», Академия строительства и архитектуры (структурное подразделение), Адрес: г. Симферополь, ул. Киевская, 181. E-mail: energia-09@mail.ru

Аннотация. В работе представлены математические модели реагентного фильтрования для коагулянтов: «сернокислый алюминий», «хлорное железо», «Полвак», «ПолиДАДМАХ». При помощи этих математических моделей проведены оптимизация дозы коагулянтов и выбор оптимального коагулянта.

Ключевые слова. Оптимизация процесса очистки, математическая модель, реагентное фильтрование, экспериментальная установка, степень очистки.

Введение

Качество жизни человека имеет прямую связь с состоянием его здоровья. В свою очередь здоровье человека прямо пропорционально качеству воды, потребляемой им. На качественный состав воды муниципальных водопроводов влияет множество факторов, таких как: состояние источников централизованного водоснабжения (ИЦВ), степень их загрязнения, динамика их возобновления и самоочищения, технология очистки природных вод и ее составляющие, обеззараживание, качественное хранение, транспортирование и распределение.

Данная работа посвящена одному из процессов технологии очистки. На рынке товаров, используемых для подготовки питьевой воды, имеется значительный ассортимент новых реагентов. Для корректного выбора того или иного коагулянта необходима оценка его эффективности и сравнение с другими традиционными коагулянтами, применяемыми в водоподготовке.

Анализ публикаций

На водопроводных очистных сооружениях (ВОС) наибольшее распространение получили коагулянты сернокислый алюминий, хлорное железо. Данные реагенты не всегда эффективны, например, в паводковые периоды или в период пониженных температур коагулянт сернокислый алюминий обладает недостаточно эффективными свойствами, при этом на ВОС не проводится достаточной очистки по показателю «мутность» [6, 8].

Так же при применении «сернокислого алюминия», в воде, прошедшей очистку остается повышенное содержание остаточного алюминия. Отметим, что остаточный алюминий обладает мутагенным эффектом, воздействует на центральную нервную систему и способствует появлению болезни Альцгеймера [7]. Также к недостаткам традиционных коагулянтов относится:

- малое содержание полезного компонента;

- образование значительного количества осадка при их использовании в схемах с отстойниками;

- плохая растворимость в воде при приготовлении раствора коагулянта;

- слеживаемость коагулянта при сухом хранении и т. д.

Все это предопределило направление исследования, по поиску наиболее эффективного коагулянта, которому были бы не свойственны перечисленные недостатки, и минимизированы эксплуатационные затраты.

Цель и постановка задачи исследований

Цель данной работы - сравнение экономической эффективности применения современных высокомолекулярных коагулянтов с традиционными в схеме очистке воды поверхностных ИЦВ. Для достижения основной и сопутствующей цели были сформулированы и выполнены ряд задач:

- разработка технического решения по созданию биопозитивной конструкции для удаления взвешенных веществ и органических соединений с установленной эффективностью процесса очистки;

- формирование критериев процессов осветления, уточнение критериев процессов фильтрования и сорбции при очистке вод поверхностных ИЦВ от антропогенных загрязнений;

- моделирование процессов очистки поверхностных вод ИЦВ при использовании различных коагулянтов;

- обобщение экспериментальных данных по выбранным критериям и полученной математической модели;

- оптимизирование параметров очистки от взвешенных веществ и органических соединений по эколого-экономическим критериям.

Методика исследования

В работах [1, 2] представлены основные результаты исследования, составлена

математическая модель реагентного фильтрования на крупномасштабной фильтровальной установки (КФУ) схема которой представлена на рис. 1.

Крупномасштабная фильтровальная

установка, разработанная по патенту [3, 4], состоящая из первой ступени, включающей в себя осветлитель - рециркулятор осадка и слой фильтрующей плавающей пенополистирольной загрузки и второй ступени, фильтровальной колоны, загруженной активированным углем марки АГ-3.

Рис. 1. Крупномасштабная фильтровальная установка

1 - корпус установки; 2 - трубопровод подачи воды для очистки; 3 - трубопровод отвода очищенной воды; 4 - нижняя камера - осветлитель-рециркулятор; 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; 20 - сифон; 21 - трубопровод отвода очищенной воды из сорбционной колонны; 22 - трубопровод подачи воды на промывку загрузки; 23 - трубопровод перелива из верхней камеры 7

Установка для очистки воды (рис. 1) 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 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 выполняли при открытии задвижки 11 на сифоне 20.

Корпус установки выполнен из трубы круглого сечения 0=300 мм и имеет общую высоту 4300 мм. Высота плавающей фильтрующей загрузки 1200 мм, крупность зерен 1,5...3,0 мм.

По высоте фильтрующего слоя в корпус врезаны штуцеры (йш=3 мм) к которым подключены пьезометры для контроля потерь напора в слоях загрузки.

После проведения экспериментальных исследований результаты были обработаны и обобщены при помощи стандартных статистических методов [5].

Результаты и их анализ

Обработки экспериментальных данных, разработка основных критериев процесса очистки, обобщение аналитических зависимостей, получение математических моделей реагентного фильтрования на крупномасштабной фильтровальной установки представлены в работах [1, 2].

Общее выражение, описывающее процесс очистки воды в КФУ с применением коагулянта «сернокислый алюминий», имеет индекс корреляции 0,766 (сильная корреляционная связь [5]):

0,02 + \ 9,46 + 460 ■ ^

1 -3685-I--0,258 I

0,1717 - 0,4 -I с— 0,51

3,1 ■

0,031

(1)

где С0, кг/м - начальная концентрация взвеси в воде на входе в установку; С, кг/м3 -конечная концентрация взвеси на выходе из установки; Ср, кг/м3 - конечная концентрация взвеси на выходе из осветлителя - рециркулятора осадка; Ку - скоростной критерий; V, м/ч - скорость движения воды в фильтре; t, ч - продолжительность

с

С Ср с

/

С С С

^р

с

1,29

ф

■л

фильтрования; -ф, м - высота слоя фильтрующей загрузки; й, кг/м - доза реагента.

Выражение для процесса очистки с применением коагулянта «хлорное железо» имеет индекс корреляции 0,848 (сильная корреляционная связь[5]):

57,851 ■ К,0'138 ■ 1 + 3,36

— = Ср. х — =

-0,15

0,127 + 3,52 ■ I —— 0,49 1 - 945,2^ - 0,0114

— = х С

0,093■! —- I -0,075 ■ ехр1 0,005-106,9■

В интервале значений критерия й/Со от 0,0001 до 0,0055 получено следующее выражение, при индексе корреляции 0,968.

1 / 1-0,623 ,- 1-0,687

— 1 = 0,0026361—-| + 0,000453-- 0,09581

В интервале значений критерия й/Со от 0,0055 до 0,021 получено следующее выражение, при индексе корреляции 0,935 (сильная корреляционная связь[5]):

— | = 575,47-1 —1 -0,0001035-

(2)

Для процесса очистки с применением коагулянта «Полвак» получено следующее выражение, индекс корреляции 0,752 (сильная корреляционная связь [5]).

(3)

Для описания процесса, протекающего в фильтрующей части установки с применением коагулянта «ПолиДАДМАХ» получены

соотношения (4) и (5).

- 0,0664.

Полученные математические модели применим для оценки эффективности испытанных коагулянтов при очистке поверхностных вод ИЦВ от антропогенных загрязнений. При расчетах примем Со=100 мг/дм3, скорость фильтрации у=6,1 м/ч (0,0017 м/с), скоростной комплекс Ку=0,21. Для коагулянтов приняты оптимальные условия по комплексам й/Ср (й/Со) и -ф/уг (табл. 1). При помощи полученных математических моделей (1), (2), (3), (4), (5) для четырех коагулянтов оценим эффективность каждого коагулянта и стоимости оптимального коагулянта. При расчетах приняты параметры, отработанные в ходе экспериментальных исследований: (=72 ч; у=6 м/ч; С0=300 мг/дм3; (в установке -ф=1,2 м; 1У=30м3). В результате расчетов строим зависимость С/Со=/(й/Со) (рис. 2-6), которые позволят оптимизировать выбор коагулянта.

Таблица 1

0,576 Л

й

С

х

С С С

^0 ^0 р

С

0,687

С

уг

р

0,528 Л

0.507

157,09а у ' | 1 - 0,75

х

С С С и0 и0

С

1,4

Коагулянт й/Со й/Ср -ф/уг С/Со

Сернокислый алюминий 0,258 0,51 0,031 0,052

Хлорное железо 0,15 0,49 0,0023 0,059

Полвак 0,866 0,9 0,004 0,013

ПолиДАДМАХ 0,0055 - 0,025 0,011

Рис. 2. Зависимость С/Со от й/Со для коагулянта «сернокислый алюминий».

Рис. 3. Зависимость отношения С/Со от й/Со для «хлорного железо».

Рис. 4. Зависимость отношения С/Со от

ФСо для коагулянта «Полвак». 0.14

0.0013 0.0028 0.0037 0.00* 0.0055 <1/С,

Рис. 5. Зависимость отношения С/Со от й/Со для коагулянта «ПолиДАДМАХ» в диапазоне от 0,001 до 0,0055.

Рис. 6. Зависимость отношения С/Со от й/Со для коагулянта «ПолиДАДМАХ» в диапазоне от 0,0055 до 0,021

Для каждого коагулянта по графикам, приведенным на рис. 2-6, определяется необходимая доза й при трех заданных значениях остаточной концентрации загрязнений С=0,5; 1; 1,5 мг/дм3 . Результаты расчетов приведены в таблице 2.

Таблица 2

С, мг/дм3 й, мг/ дм3

«сернокислый алюминий» «хлорное железо» «Полвак» «ПолиДАДМАХ»

0,5 - 1,275 9,9 0,0495

1 - 0,87 13,65 0,03

1,5 3,75 0,48 16,5 0,027

Приведенные (табл. 2) данные использованы для проведения дополнительных расчетов (табл. 3) при расходе очищаемой воды в течении фильтроцикла 30 м3.

Таблица 3

Реагент й/С0 й, мг/дм3 й, кг Стоимость, руб./тонн Затраты, руб

С=1,5 мг/л (С/Со=0,1)

«сернокислый алюминий» 0,258 3,87 0,1161 23000 2,670

«хлорное железо» 0,0175 0,2625 0,0078 37000 0,289

«Полвак» 0,84 12,6 0,378 40000 15,120

«ПолиДАДМАХ» 0,0014 0,021 0,00063 175000 0,110

С=1 мг/л (С/С0=0,066)

«хлорное железо» 0,03 0,45 0,0135 37000 0,499

«Полвак» 0,76 11,4 0,342 40000 13,68

«ПолиДАДМАХ» 0,002 0,03 0,0009 175000 0,158

С=0,5 мг/л (С/С0=0,033)

«хлорное железо» 0,05 0,75 0,0225 37000 0,833

«Полвак» 0,73 10,95 0,329 40000 13,16

«ПолиДАДМАХ» 0,003 0,045 0,00135 175000 0,236

Из анализа табл. 3 следует, что применение

коагулянта сернокислого алюминия не позволяет

достичь высокой степени очистки. Наиболее

экономически выгодным является применение

коагулянта «ПолиДАДМАХ». При применении

коагулянта «ПолиДАДМАХ», скоагулированный

осадок имеет большую плотность, соответственно и

малый объем, что упрощает регенерацию

отстойников. Так же для применения традиционных

коагулянтов требуется реагентное хозяйство,

включающее в себя: растворные и расходные баки;

систему насосов-дозаторов. А при применении

коагулянта «ПолиДАДМАХ» установка по его

1 2

приготовлению и дозированию занимает 3 м , проста в эксплуатации. На основании изложенного, целесообразно использование коагулянта «ПолиДАДМАХ».

Выводы

1. В работе представлены математические модели определения степени очистки воды на полупроизводственной фильтровальной установки в зависимости от содержания исходных загрязнений для коагулянтов: «сернокислый алюминий», «хлорное железо», «Полвак», ПолиДАДМАХ.

2. Показана оптимизация выбора дозы коагулянта, а также его вида.

3. На основании данных приведенных в табл. 3. видно, что при равных условиях применения и заданной степени очистки наиболее экономически выгодным является коагулянт ПолиДАДМАХ.

Список литературы

1. Котовская Е. Е. Определение оптимальных доз коагулянта ПолиДАДМАХ при очистке природных вод в системе централизованного водоснабжения / Е. Е. Котовская // Строительство и техногенная безопасность. Сб. науч. трудов. —

Симферополь: НАПКС, 2009. — Вып. 27. — С. 87— 92.

2. Котовская Е. Е. Математическая модель очистки природной воды в установке с плавающей фильтрующей загрузкой с учётом влияния дозы реагента в осветлителе / Е. Е. Котовская // Науковий вюник будiвництва. Зб наук. праць. — Харшв, 2012. — Вип. 70. — С. 301—307.

3. Пат. 7595 Украша, Б0Ю 21/00. Прояснювач для очищення води / М. М. Проль, С. Д. Бойчук, В. О. Мямшев, О. £. Котовська. — № и20041210372; заявл. 16.12.2004; опубл. 15.06.2005, Бюл. № 6.

4. Пат. 45093 Украина, МПК СО2Б 1/00, Б01Б 25/00. Установка для очистки воды/ Котовская Е.Е., заявитель и патентообладатель НАПКС. - № и200905184, заявл. 25.05.2009 г.; опубл. 26.10.2009 г., Бюл. №20.

5. Возный С.Т., Гончаров С.М., Ковалев С.В. Основы научных исследований: - К.: Вища шк., 1985. - 192 с.

6. Педашенко Д.Д., Обработка воды реагентами ПолиДАДМАХ и «Аква-АуратТМ10» для водоснабжения г. Ростова-на-Дону. / Д.Д. Педашенко, Л.Н. Божко // Водоснабжение и санитарная техника-Москва, 2005. №10 часть 2. — С. 21—23.

7. Чувилин В.Н. Повышение барьерной роли водопроводных очистных сооружений г. Самары / В.Н. Чувилин, А.К. Стрелков, П.Г. Быкова, А.Д. Смирнов // Водоснабжение и санитарная техника — Москва, 2006. — №9, часть 2. — С. 9—12.

8. Деметков В.В. НПП «СЛАФ» новые возможности в технологических процессах обработки воды. / В.В. Деметков // Вода и водоочистные технологии - Киев, 2006. №3. — С. 52—54.

Kotovskaya E.

COMPARING ECONOMIC EFFICIENCY OF DIFFERENT COAGULANTS IN WATER

PURIFICATION

Summary. The paper presents a mathematical model for filtration of chemicals coagulants: «aluminium sulfate», «ferrum chloride», «Polvak». «PolyDADMAC». With the help of these mathematical models of optimization of doses of coagulant and coagulant optimal choice.

Key words: Cleaning process optimization, mathematical model, reactive filtration, the experimental setup, the degree of purification.