СРАВНИТЕЛЬНАЯ ОЦЕНКА ЭКСПЛУАТАЦИИ ФИЛЬТРУЮЩИХ ЭЛЕМЕНТОВ В СИСТЕМАХ ДЕЦЕНТРАЛИЗОВАННОГО ВОДОСНАБЖЕНИЯ Текст научной статьи по специальности «Строительство и архитектура»

УДК 628.16

Курбатов А.Ю., Аверина Ю.М., Кузин Е.Н., Ветрова М.А.

СРАВНИТЕЛЬНАЯ ОЦЕНКА ЭКСПЛУАТАЦИИ ФИЛЬТРУЮЩИХ ЭЛЕМЕНТОВ В СИСТЕМАХ ДЕЦЕНТРАЛИЗОВАННОГО ВОДОСНАБЖЕНИЯ

Курбатов Андрей Юрьевич - канд. техн. наук, ассистент кафедры инновационных материалов и защиты от коррозии РХТУ им. Д.И. Менделеева 125047, Москва, Миусская площадь дом 9. andreikurbatov@yandex.ru Кузин Евгений Николаевич - канд. техн. наук, доцент кафедры промышленной экологии РХТУ им. Д.И. Менделеева 125047 Москва, Миусская площадь дом 9

Аверина Юлия Михайловна - канд. техн. наук, доцент кафедры инновационных материалов и защиты от коррозии РХТУ им. Д.И. Менделеева 125047 Москва, Миусская площадь дом 9

Ветрова Маргарита Александровна - магистр 2-го года обучения кафедры инновационных материалов и защиты от коррозии РХТУ им. Д.И. Менделеева 125047 Москва, Миусская площадь дом 9

В статье рассмотрены особенности практического применения методов фильтрации, используемых в процессах доочистки воды объектов децентрализованного водоснабжения. Проведено сравнение эффективности и технологических особенностей засыпных фильтров и керамических ультрафильтрационных мембран. Определены и охарактеризованы основные достоинства и недостатки указанных фильтрующих элементов, сформировано заключение о наибольшей перспективности применения ультрафильтрационных керамических мембранных фильтров в процессах децентрализованной водоподготовки.

Ключевые слова: водоснабжение, очистка, фильтрация, керамические мембраны

COMPARATIVE ASSESSMENT OF OPERATION OF FILTERING ELEMENTS IN DECENTRALIZED WATER SUPPLY SYSTEMS

Kurbatov A.Y., Kuzin E.N.,AverinaJ.M., Vetrova M. A. D. Mendeleev University of Chemical Technology of Russia

The article discusses the features of the practical application offiltration methods used in the processes ofpost-treatment of water in decentralized water supply facilities. The efficiency and technological features of the charge filters and ceramic ultrafiltration membranes are compared. The main advantages and disadvantages of these filtering elements are identified and characterized, a conclusion is drawn on the most promising use of ultrafiltration ceramic membrane filters in decentralized water treatment processes.

Keywords: water supply, purification, filtration, ceramic membranes

Проблема очистки природной воды от растворённых соединений железа, марганца, солей жёсткости и сероводородаособенно актуальна для жителей загородных домов и владельцы малых предприятий. В основе водоснабжения подобных объектов лежит использование грунтовой или артезианской воды, качество которой зачастую не соответствует минимальным требованиям безопасности [1].

В основе простейшей системы очистки подобной воды лежит фильтрация воды через «баллонные» фильтры с различными фильтрующими, каталитическими или

ионообменными загрузками. Ключевым

достоинством подобных фильтрующих систем является одновременное протекание процессов окисления растворенных металлов (железо и др.) и фильтрация образовавшихся нерастворимых частиц.

Основным недостатком такой технологии водоподготовки является необходимость регулярной регенерации загрузки различного рода химическими реагентами, а также необходимость периодической полной замены загрузки вследствие физического

износа частиц и потери каталитических или ионообменных свойств.

С точки зрения экологии наиболее привлекательными являются безреагентные методы очистки воды - аэрация воздухом, озонирование или физические методы обработки воды (акустические, магнитные, кавитационные) с последующей фильтрацией на керамических или полимерных фильтрах. Ключевым преимуществом подобных технологий является модульное исполнение, позволяющее повышать количество степеней очистки присоединяя дополнительные модули. При необходимости после окисления и фильтрации могут быть добавлены модули адсорбционной очистки и ультрафиолетового обеззараживания [2-4].

Основной задачей данной работы является сравнение технических характеристик классических песчаных «баллонных» фильтров и керамических ультрафильтрационных мембран.

На первом этапе эксперимента была проведена оценка влияния фракционного состава песчаной загрузки (0,1 - 1,5 мм) на эффективность фильтрации различных загрязняющих веществ. Окисление растворенных соединений железа проводили при

помощи гидродинамического кавитатора, что позволило отказаться от применения различных реагентов, озона и предварительной аэрации воды [57].

С учетом особенностей процесса регенерации фильтрующей загрузки из кварцевого песка (обратная промывка), характеристики движения потока жидкости будут в первую очередь зависеть от геометрических характеристик частиц применяемого кварцевого песка. Принципиальная схема установки, которая используется в экспериментах, представлена на рисунке 1. Оценку уровня загрязнённости

А

№

Шо . ^

—+—[хь

ГА1

т

Ф

№

1 *

щ

фильтрующей загрузки проводили по изменению входного давления на фильтре (в случае потери свойств - возрастание давления).

В ходе эксперимента были получены данные по эффективности очистки воды от заданных загрязняющих веществ в зависимости от размера фильтрующей загрузки. Результаты экспериментов представлены в таблице 1. Исходные параметры обрабатываемой воды: рН - 7,21; минерализация -275±10 мг/л; железо - 1,34 мг/л; жесткость - 6,73 мг-экв/л.

кг

ГХЫ>-нСь

(я£>

ею

-{ХН

Рис. 1 - Гидравлическая схема работы модуля фильтрации на основе кварцевого песка с ручным управлением Н2, Н3 - насосы повышающего давления, Е3 - емкость с очищенной водой, ВН2, ВН3, ВН4, ВН6, ВН7 - краны, КО1 - обратный клапан, М2, М3 - манометры, Ф2 - фильтр, ГА1 - гидроаккумулятор, РД1 - реле давления.

Таблица 1.

_Оценка эффективности очитки воды в зависимости от размера фильтрующей загрузки

№ п/п

Физико -химические показатели качества

Фракции частиц кварцевого песка, мм

0,1-0,2

0,2-0,63

0,5-0,8

0,5-1,0

0,8-1,4

рН, ед.

7,21

7,21

7,21

7,21

7,21

Минерализация, мг/л

274,01

268,14

267,89

275,24

279,87

Железо общее, мг/л

0,12

0,07

0,08

0,1

0,13

Жесткость общая, мг-экв/л

6,19

6,05

5,98

6,17

6,25

Как видно из данных таблицы 1 максимальная эффективность очистки достигается при использовании фильтрующей загрузки с размером 0,2-0,63 мм. Регенерация фильтра в процессе обратной промывки позволяла на 100 % восстановить фильтрующие свойства загрузки.

По результатам эксперимента были сформулированы следующие выводы: использование фильтров с песчаной загрузкой имеет ряд особенностей (размер загрузки, линейная скорость фильтрации и пр.), а процесс регенерации загрузки возможен только при условии соблюдения псевдоожиженного слоя фильтрующего материала.

Использование частиц кварцевого песка с размером <0,2 мм позволит существенно повысить эффективность фильтрации, при определённых условиях эксплуатации фильтра (промывка, взрыхление) будет происходить их вынос из фильтра, что приведет к необходимости добавки новой фильтрующей загрузки. Основным преимуществом использования в качестве фильтрующего материала кварцевого песка является его низкая стоимость.

1

2

3

4

Рисунок 2 - общий вид применяемых керамических мембранных фильтров. А - фильтр в сборе, Б - трубчатые керамические мембраны

В качестве альтернативного метода фильтрации были использованы керамические мембранные элементы. Общий их вид представлен на фотографии (Рисунок 2). Отличительной особенностью подобных фильтров является точность регулирования давления.

Данные по эффективности очистки воды при использовании керамических мембранных фильтров представлены в таблице 2.

Из данных таблицы 2 видно, по своей эффективности керамические мембранные фильтры не уступают, а по ряду веществ и превосходят фильтры с кварцевой загрузкой.

Таблица 2.

Показатель рН Минерализация, мг/л Железо общее, мг/л Жесткость общая, мг-экв/л

Значение 7,21 267,2 0,03 6,12

Заключение

Проводя сравнительный анализ двух типов фильтрующих элементовможно сформулировать следующие выводы:

Кварцевый песок: наиболее дешевый тип фильтрующей загрузки, однако его применение осложнено необходимостью постоянного контроля за уровнем фильтрующей загрузки, сложностью процессов обслуживания и регенерации, необходимостью организации резервуара накопителя промывной воды, и значительными габаритами фильтрующего оборудования.

Керамические_мембранные_элементы:

относительно дорогостоящая установка,

максимально простая и автоматизированная в эксплуатации, отличающаяся повышенной эффективностью и компактностью. Именно простота обслуживания и эксплуатации, а также высокая эффективность делают данный тип фильтров наиболее перспективным для применения в системах децентрализованной очитки воды.

Работа выполнена в рамках программы поддержки молодых ученых-преподавателей РХТУ им. Д.И.

Менделеева (Заявка ^2020-015)

Список литературы

1. Фрог Б.Н., Первов А.Г. Водоподготовка: учебник для вузов - Москва: Издательство Ассоциации строительных вузов (АСВ), 2014. - 507 с.

2. Громовласов А.А., Копылов А.С, Пильщиков А.П. Водоподготовка: процессы и аппараты. - М.: Энергоатомиздат, 1990. - 272 с.

3. Водоподготовка: Справочник. / Под ред. д.т.н., С.Е. Беликова. М.: Аква-Терм, 2007. - 240 с.

4. Хохрякова Е.А. Фильтры для очистки воды М.: Аква-Терм, 2013. — 102 с.

5. Аверина Ю. М., Курбатов А. Ю., Джессу Лубо И.С., Ветрова М. А. Гидродинамическая обработка природной воды // Успехи в химии и химической технологии. — 2018. — Т. 32, № 1. — С. 43-45.

6. Averina J.M., Zhukov D.Y., Kurbatov A.Y., Kaliakina G.E., Panfilov V.I. Methods of intensification of iron-containing natural water purification processes//International Multidisciplinary Scientific GeoConference SGEM. 2018. Т. 18. № 1.5. С. 345-350.

7. Аверина Ю.М., Терпугов Г.В., Никитин В.А., Канделаки Г.И. Керамические трубчатые мембраны в качестве диспергирующего материала//Успехи в химии и химической технологии. 2010. Т. 24. № 2 (107). С. 47-51.