CC BY
40
Вестник ТГАСУ № 3, 2008
ВОДОСНАБЖЕНИЕ, КАНАЛИЗАЦИЯ, СТРОИТЕЛЬНЫЕ СИСТЕМЫ ОХРАНЫ ВОДНЫХ РЕСУРСОВ
УДК 628.161. 2:546.72.001.57 И. В. БАРСКАЯ,
О.Д. ЛУКАШЕВИЧ, докт. техн. наук,
ТГАСУ, Томск
ТЕХНОЛОГИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ ПРОЦЕССА ОЧИСТКИ ВОДЫ ОТ СОЕДИНЕНИЙ ЖЕЛЕЗА
Предлагаются варианты лабораторной установки для проведения технологического моделирования процесса очистки воды, загрязненной железом и марганцем в ионной форме в виде комплексных и органических соединений. Использование моделирования позволяет на предпроектной стадии выбрать оптимальную систему водоподготовки, соответствующую специфическому химическому составу воды в водоисточнике.
В связи с сильным загрязнением поверхностных вод многими нормативными документами Минздрава рекомендовано отдавать предпочтение более чистым в отношении биологического и химического загрязнения подземным водам. В северных районах, как правило, эти воды содержат большое количество ионов железа и марганца в разных формах. Зачастую комплексные и коллоидные соединения этих металлов не поддаются удалению традиционными способами. Выбор технологической схемы очистки железистых подземных вод должен основываться не только на глубоком изучении химического состава и свойств исходной природной воды, но и на исследовании ее химического поведения в сооружениях водоподготовки и водопровода, особенно при контакте с воздухом, стенками оборудования. Даже происходящее естественным образом при аэрации удаление из воды растворенного СО2 и обогащение кислородом воздуха связано с протеканием сложных физических, химических и биохимических процессов, зависящих от многих факторов и специфических для каждого водоисточника. Интенсификация желательных и подавление нежелательных процессов и явлений такого рода - важная производственная задача, решение которой связано с адекватной оценкой характеристик воды, основанной на результатах технологического моделирования. Нашей целью было создание установки для проведения технологического моделирования процесса очистки воды, содержащей различные загрязнения, в том числе растворенные примеси железа и марганца в присутствии органических веществ, учитывающей изменение состава загрязнений в воде во времени.
© И.В. Барская, О.Д. Лукашевич, 2008
Для технологического моделирования процесса очистки воды от твердых частиц загрязнителей в научно-технической литературе предлагаются разнообразные модельные установки. Их объединяет наличие технологического узла, в котором созданы условия для образования и осаждения взвешенных частиц устойчивой или неустойчивой взвеси, и узла, обеспечивающего фильтрование суспензии через слой зернистого материала, а также оборудования для измерения скорости потока воды и гидравлического сопротивления, возрастающего по мере накопления удаляемых из воды частиц в межзерновом пространстве загрузки фильтра [1-5]. Ниже нами рассмотрены те из них, которые в наибольшей степени соответствуют исследуемому нами типу природных вод, а именно подземных вод с высоким (более 5 ПДК) содержанием железа в присутствии других природных загрязнителей: марганца, кремния, фенолов, гуминовых веществ. Различие установок, описанных в работах [1-4], заключается в том, что они выполняются из разных материалов (колонки изготавливают из оргстекла, пластиковых и стеклянных трубок и т. д.), имеют разные размеры и конструкцию. Например, в работе [3] предложены опорное основание из металлического профиля, колонна, вращающаяся вокруг оси опоры, стропильный узел с тросом и др. Хотя предложенная установка выполнена сборно-разборной, транспортабельной, что позволяет ее быстрый монтаж и демонтаж, она не решает ряда обозначенных нами проблем.
Все перечисленные типы модельных установок частично решают технические проблемы через совершенствование конструкций узлов. На практике же в процессе моделирования возникают совсем другие задачи. Наш опыт экспериментальной работы с разными природными водами показал, что зачастую при близких показателях качества исходной воды требуется использовать иные (усовершенствованные в технологическом плане), отличные от традиционных, модельные установки, учитывающие индивидуальные особенности воды. Так, требуется оценка необходимого и достаточного времени контакта загрязняющих воду веществ с кислородом и/или озоном, выяснение концентрации последних, установление условий, при которых образуется осадок в виде легко удаляемых крупных хлопьев и т. п. [6]. Вышеперечисленные установки не решают задачи определения оптимального режима окисления растворенных примесей в случае загрязнения воды железом и марганцем в присутствии органических веществ. Именно такие примеси характерны для подземных вод Западно-Сибирского, Северо-Западного регионов.
Для проведения предварительных технологических испытаний при выборе способа очистки подземной воды от железа, а также воды, содержащей другие загрязнения (в том числе и органические вещества), нами предложено два варианта установок [7], включающих в себя узел аэрации 1, камеру-реактор для формирования осадка 2 и узел фильтрации 3 (рис. 1, 2).
По первому варианту исполнения установка включает в себя: подводящий трубопровод исходной воды 4; узел аэрации, выполненный в виде соединенной в циркуляционный контур камеры аэрации 5, содержащей рассеиватель в виде воронки 6, и трубопровод для отвода непрореагировавшего воздуха или озона 7, насос 8 и эжектор-смеситель (воды с воздухом или озоном) 9; камеру-реактор для формирования осадка 2, оборудованную переливным тру-
бопроводом 10; последовательно соединенные фильтровальные колонки 11, 12, 13, заполненные фильтрующим материалом 14, уложенным на поддерживающий слой 15, и оборудованные пробоотборниками 16, 17, 18; щит с пьезометрами 19; трубопроводы для подачи и отвода промывной воды 20 и 21, соответственно; трубопровод для отвода фильтрата 22.
исходная вода
Рис. 1. Блок-схема установки для технологического моделирования процесса очистки воды
В случае если в технологической схеме по очистке воды требуется более интенсивная аэрационная обработка, нами предлагается (по второму варианту) дополнительно использовать узел аэрации в виде соединенных в циркуляционный контур двух стеклянных трубок 23, 24, заполненных стеклянными кольцами Рашига, при этом первая трубка соединена с трубопроводом подачи воздуха или озона 25 и с трубопроводом для подачи исходной воды 4, а вторая - с камерой-реактором для формирования осадка 2, включающей в себя трубопровод для отвода непрореагировавшего воздуха или озона 26.
Входящий в установку дополнительно узел аэрации позволяет определить оптимальный режим окисления растворенных примесей в случае загряз-
нения воды железом и марганцем в присутствии органических веществ, а камера-реактор служит для формирования осадка, его осаждения и частичного удаления.
Рис. 2. Варианты установок для технологического моделирования процесса очистки воды
И в первом, и во втором варианте узел аэрации выполняет одну и ту же функцию, несмотря на разное конструктивное исполнение. В целом, установка и по первому и по второму варианту решает одну и ту же поставленную задачу.
Установка учитывает все свойства воды, в том числе изменение состава загрязнений в течение времени, и поэтому может быть применена для исследования процессов очистки воды, содержащей различные загрязнения, в том числе и органические вещества.
Входящие в установку узлы и оборудование позволяют осуществить все операции, необходимые для проведения технологического моделирования процесса очистки воды, загрязненной железомарганцевыми комплексными соединениями в присутствии органических веществ, и обеспечивают такое время контакта воды с кислородом, которого достаточно для инициирования процессов окисления и гидролиза соединений двухвалентного железа с образованием осадка гидроксида.
Эффективность использования предложенной модельной установки изучена экспериментально. Технологические испытания проводились сравнением обработки одной и той же исходной воды на известных [3] и предлагаемой [7] модельных установках. Полученные результаты показали, что при времени предварительной обработки воздухом (или озоном) 5 мин и скорости
фильтрования 5 м/ч степень очистки от железа Реобщ и марганца Мп+2 на известных установках составила 70,5-83,3 и 0 % соответственно, а на предлагаемой установке (оба варианта) - 93,3 и 60 % соответственно. При этом показатели перманганатной окисляемости при исходном ее значении 5 мг О/ дм3 после очистки составили: на известной установке 4,5-4,8 мг О/ дм3, а на предлагаемой установке 1,5 мгО/ дм3, что свидетельствует о лучшем разложении и удалении органических веществ.
Таким образом, эффективность предложенного технического решения, относящегося к устройствам для технологического моделирования процесса очистки воды, показана экспериментально. Теоретическое обоснование приведено в работе [6]. Предложенная модель лабораторной установки более приемлема для проектно-изыскательских работ или для выработки рекомендаций по оптимизации существующей технологической схемы, если она перестала удовлетворять требованиям по очистке воды до нормативного качества. Задача решена благодаря тому, что входящий в установку дополнительно узел аэрации позволяет определить оптимальный режим окисления растворенных примесей в случае загрязнения воды железом и марганцем в присутствии органических веществ, а камера-реактор служит для формирования осадка, его осаждения и удаления. Установка учитывает все свойства воды, в том числе изменение состава загрязнений в течение времени, и поэтому может быть применена для исследования процессов очистки воды, содержащей различные загрязнения, в том числе и органические вещества.
Библиографический список
1. Кульский, Л.А. Технология очистки природных вод / Л.А. Кульский, П. Строкач. - Киев : Вища школа, 1981. - С. 211-212.
2. Фоминых, А.М. Методика технологического моделирования и расчет скорых фильтров и контактных осветлителей / А.М. Фоминых // Изв. вузов. Строительство и архитектура. - 1982. - № 11. - С. 109-116.
3. Методики проведения технологических изысканий и моделирования процессов очистки воды на водопроводных станциях / ОАО «НИИ Коммунального водоснабжения и очистки воды», ООО «ВОДКОММУНТЕХ». - М. : Изд-во ГУП «ВИМИ», 2001. - 57 с.
4. Кинебас, А.К. Мобильная установка для моделирования процесса очистки питьевой воды / А.К. Кинебас, Л.П. Русанова, Г.Н. Иванов // Водоснабжение и сантехника. - 2007. -№ 8. - С. 10-12.
5. Кичигин, В.И. Моделирование процессов очистки воды : учебное пособие / В.И. Кичи-гин. - М. : Изд-во АСВ, 2003. - 230 с.
6. Лукашевич, О.Д. Совершенствование хозяйственно-питьевого водопользования для повышения уровня его экологической безопасности (на примере районов Западной Сибири) / О.Д. Лукашевич ; под. ред. Г.М. Рогова. - Томск : Изд-во Том. гос. архит.-строит. ун-та, 2006. - 350 с.
7. Установка для технологического моделирования процесса очистки воды (варианты) : Пат. на полезную модель Рос. Федерация: 37088. ПК7 С 02 Б 1/72. № 3137171; Лукашевич О. Д., Алгунова И.В., Гончаров О.Ю.; опубл. 10.04.2004 в Б.И. №10. - 2004. - С. 686-687.
180
Вестник ТГАСУ № 3, 2008
O.D. LUKASHEVICH, I.V. BARSKAYA
TECHNOLOGICAL MODELING OF THE PROCESS OF WATER PURIFICATION FROM IRON CONTAINED ADMIXTURES
Some variants of the laboratory adjustments for technological modeling of the process of water purification that is polluted by iron manganese complex compounds having organic substances are suggested.
УДК 6.28.112.2 (571.1) + 556.11.003
В.К. ПОПОВ, докт. геол.-минер. наук, профессор,
А.В. БОЧАРОВ, аспирант,
ТГАСУ, Томск
СОСТОЯНИЕ ВОДОСНАБЖЕНИЯ Г. ТОМСКА И ЭКОЛОГО-ЭКОНОМИЧЕСКИЕ ПОСЛЕДСТВИЯ
В статье проводится анализ ситуации, связанной с водоснабжением жителей областного центра, обозначены общие проблемы и тенденции развития в природопользовании на примере Обь-Томского междуречья, намечены основные пути решения.
Еще из школьного курса известно, что большинство ресурсов на земном шаре ограниченно, а отнесение питьевой воды к стратегическим запасам планеты делает все более актуальной проблему изучения, учета и бережного отношения к этому жизненно важному ресурсу. Необходимо отметить, что в Европе средний уровень водопотребления на человека составляет 150-200 л/сут. В Сибири этот показатель равен 275-370 л/сут. При этом только 5 % подаваемой воды расходуется на приготовление пищи, 5 % - на мытье посуды, 3 % - на уборку квартиры, а 77 % - на коммунальные услуги (туалет, ванна, душ). С одной стороны, централизованное водоснабжение позволило решить проблему обеспечения потребителя питьевой водой, с другой стороны, учитывая, что на нужды пищеприготовления и использования для внутреннего потребления расходуется лишь малая часть ресурса, становится актуальным вопрос ежегодно увеличивающейся стоимости воды и понимание необходимости не только экономии данного ресурса, но и рассмотрения вопросов раздельного водоснабжения. Однако и в стоимостном выражении себестоимость ресурса в Европе кратно превышает аналогичный российский показатель, и это стимулирует потребителей более экономно относиться к данному ресурсу.
Не секрет, что на сегодняшний день единственным в своем роде локальным монополистом в части оказания услуг в г. Томске по обеспечению потребителей питьевой водой является муниципальное предприятие «Томск-водоканал». Уникальность данного предприятия обусловлена тем, что оно
© В.К. Попов, А.В. Бочаров, 2008
