Знезалізнення підземних вод в баштах-колонах з пінополістирольним фільтром

Размещено на http://www.allbest.ru/

НАЦІОНАЛЬНИЙ УНІВЕРСИТЕТ ВОДНОГО ГОСПОДАРСТВА ТА ПРИРОДОКОРИСТУВАННЯ

АВТОРЕФЕРАТ

дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата технічних наук

ЗНЕЗАЛІЗНЕННЯ ПІДЗЕМНИХ ВОД В БАШТАХ-КОЛОНАХ З ПІНОПОЛІСТИРОЛЬНИМ ФІЛЬТРОМ

МІНАЄВА Наталія Леонідівна

УДК 628.16

05.23.04 - Водопостачання, каналізація

Рівне - 2010

Дисертацією є рукопис.

Робота виконана в Національному університеті водного господарства та природокористування (НУВГП) Міністерства освіти і науки України.

Науковий керівник:

доктор технічних наук, професор

ОРЛОВ Валерій Олегович,

Національний університет водного господарства та природокористування, завідувач кафедри водопостачання і бурової справи.

Офіційні опоненти:

доктор технічних наук, професор

ГРАБОВСЬКИЙ Петро Олександрович,

Одеська державна академія будівництва і архітектури, професор кафедри водопостачання;

кандидат технічних наук, доцент

ЮРКОВ Євгеній Вікторович,

Київський національний університет будівництва і архітектури, доцент кафедри водопостачання і водовідведення.

Захист відбудеться « 23 » квітня 2010 р. о 1400 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 47.104.01 в Національному університеті водного господарства та природокористування за адресою: 33028, м. Рівне, вул. Соборна, 11.

З дисертацією можна ознайомитися в бібліотеці НУВГП за адресою: 33000, м. Рівне, вул. Приходька, 75.

Автореферат розісланий « 21 » березня 2010 р.

Вчений секретар спеціалізованої

вченої ради, к.т.н., доцент В.П. Востріков

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

підземний вода пінополістирольний фільтр

Актуальність теми. Водопостачання більшості сільських населених пунктів України проводиться із підземних джерел, при цьому в багатьох випадках вода не відповідає встановленим нормам щодо вмісту в ній заліза, марганцю, розчинених газів тощо. Присутність заліза у воді робить її непридатною для пиття і використання в побутових і виробничих цілях.

Значна частина сільських населених пунктів та невеликих промислових підприємств мають централізовані системи водопостачання, в яких регулюючою спорудою є металеві водонапірні башти системи Рожновського. В наш час в зазначених населених пунктах гостро постало питання підготовки води, тобто, при необхідності, потрібно видаляти надлишкове залізо, сірководень, вільну вуглекислоту та інші домішки. Така очисна споруда малої продуктивності повинна бути компактною, достатньо дешевою та простою в експлуатації. Для зазначених умов однією з найбільш перспективних споруд водопідготовки є установки для знезалізнення баштового типу, де безпосередньо всередині металевої водонапірної башти вбудовано фільтр для очистки води.

Досвід розробки, впровадження, будівництва станцій баштового типу в Україні, Росії, Білорусі та інших країнах існує з 1978 р. Залежно від призначення розроблено ряд станцій баштового типу, які працюють в ручному та гідроавтоматичному режимах. Сюди відносяться установки Десна, БВУ-200, ФОВ, тощо. Проте всі вони мають складність в будівництві та експлуатації, значну кількість розподільних та дренажних систем, потребу у промивних насосах та резервуарах для накопичення промивної води і таке інше.

Баштові установки застосовуються при вмісті заліза у вихідній воді до 10 мг/л, при цьому двовалентного повинно бути не менше 70 %; рН більше 6,5; лужність не менше (1+Fe2+/28) мг/л; вільної вуглекислоти СО2 менше 80 мг/л. Така конструкція дозволяє не тільки очищувати воду, а і створює регулюючий об'єм та необхідний напір у водопровідній мережі. Проте поєднання водонапірної башти з пінополістирольним фільтром у єдину споруду, умови її роботи ще недостатньо вивчені та обґрунтовані.

Робота виконана в рамках кафедральної теми „Розробка нових та вдосконалення діючих споруд для забору, очищення та транспортування води населеним пунктам та промисловим підприємствам” (номер державної реєстрації 0108U008519), терміни виконання роботи 01.01.2007 - 31.12.2011 р., де здобувач є виконавцем розділу «Дослідження режиму промивки фільтрів з плаваючою засипкою», та госпдоговірної теми „Розробка технологічної схеми станції знезалізнення води, видалення сірководню та вільної вуглецю” з терміном виконання з 09.08.2004 по 30.12.2005 р. з Бохоницькою сільською радою.

Метою дисертаційної роботи є удосконалення технології та технічних засобів знезалізнення підземних вод на установках, які дозволяють суміщати водоочисні споруди з металевими водонапірними баштами в системах водопостачання сільських населених пунктів.

Задачі досліджень:

- аналіз існуючих технологічних схем знезалізнення води в баштових установках, де суміщено напірно-регулюючу та водознезалізнюючу споруди в системах сільськогосподарського водопостачання;

- встановлення оптимальних параметрів знезалізнення підземних вод з концентрацією заліза до 5 мг/л аерацією та фільтруванням на пінополістирольному фільтрі з перервним фільтроциклом;

- обґрунтування гранулометричного складу комбінованої пінополістирольної засипки фільтра;

- визначення параметрів циклічності у роботі металевих водонапірних башт на існуючих водопровідних мережах сільських населених пунктів;

- визначення параметрів промивки пінополістирольної засипки для забезпечення якісної регенерації та подальшого функціонування фільтру;

- дослідження ефективності знезалізнення води на установці баштового типу у виробничих умовах.

Об'єкт досліджень - процес водопостачання та водопідготовки у сільських населених пунктах, живлення яких здійснюється з підземних джерел з загальною концентрацією заліза у воді до 5 мг/л.

Предмет досліджень - режими та параметри сумісної роботи водонапірної установки баштового типу з пінополістирольним фільтром, яка працює у перервному режимі водоподачі.

Методи досліджень. В процесі роботи використовувався комплексний метод досліджень, що включає фізичне та математичне моделювання процесів знезалізнення води, аналітичний метод розрахунку, експериментальний та розрахунково-аналітичний методи визначення параметрів роботи споруд. При плануванні та проведенні досліджень, розробці аналітичних залежностей, аналізі результатів досліджень використовувались методи гідравлічних розрахунків та статистичної обробки отриманих даних.

Наукова новизна отриманих результатів:

- удосконалено технологічну схему знезалізнення води в баштовій напірно-регулюючій споруді з пінополістирольним фільтром, яка працює у перервному режимі роботи;

- вперше обґрунтовано доцільність використання комбінованої пінополістирольної засипки, що складається із 80% гранул з більшим еквівалентним діаметром та меншою питомою густиною, отриманих за допомогою пари, та 20% гранул з меншим еквівалентним діаметром та більшою питомою густиною, одержаних за допомогою киплячої води, в баштах-колонах з пристроєм для знезалізнення води;

- вперше визначено основні параметри фільтрування і промивки пінополістирольної засипки, що працює у перервному режимі роботи;

- удосконалено залежності для визначення відносного розширення плаваючої пінополістирольної засипки у процесі промивки фільтрів за умов змінного напору.

Практична значимість роботи:

1. Проведені дослідження дають змогу використовувати отримані дані для розрахунку і проектування башт-колон з пінополістирольним фільтром для знезалізнення підземних вод. Новизна розробок підтверджується патентами України на корисну модель № 10199 "Башта-колона з пристроєм для знезалізнення води" та № 13509 "Гідроавтоматична фільтрувальна установка".

2. Матеріали дисертації використовувалися при розробці рекомендацій на реконструкцію металевої водонапірної башти у с. Бохоники Вінницької області.

3. Розроблено методику оцінки гранулометричного складу пінополістирольної засипки, шляхом вимірювання діаметрів гранул за допомогою мікроскопа.

Особистий внесок автора:

Наукові результати і головні положення, що викладені у даній роботі були отримані на основі експериментів по вивченню роботи діючих водонапірних башт та установок для знезалізнення води. Виконано експериментальні дослідження на моделі баштової установки з пінополістирольним фільтром. Автором зроблена математична обробка дослідних даних на комп'ютері із застосуванням програми “EXEL” та отримано залежності зміни втрат напору, концентрації заліза у фільтраті від тривалості фільтроциклу, характеристику процесу регенерації засипки та кінетику виносу забруднень. Отримано емпіричні формули по визначенню відносного розширення плаваючої фільтрувальної засипки при її регенерації. Розроблено конструкцію баштової установки для знезалізнення води, що також дозволяє проводити реконструкцію існуючих водонапірних башт, шляхом вбудування аератора та пінополістирольного фільтра, надано рекомендації для її експлуатації.

Апробація результатів досліджень. Основні результати досліджень апробовані автором на міжнародній науково-практичній конференції «Сучасні проблеми охорони довкілля, раціонального використання водних ресурсів та очистки природних і стічних вод» в м. Миргород у 2004 році,VIII міжнародній науково-технічній конференції «Применение пластмасс в строительстве и городском хозяйстве» в м. Харків у 2008 році та ХХХІV науково-технічній конференції викладачів, аспірантів і співробітників ХНАМГ в м. Харків у 2008 р.

Публікації. По темі дисертаційної роботи опубліковано 13 праць, в тому числі 1 одноосібно, з них 10 статей у фахових виданнях та 3 тез доповідей. Одержано 2 патенти на корисну модель.

Структура та обсяг дисертаційної роботи. Дисертація викладена на 164 сторінках, у тому числі 130 сторінках основного тексту, містить 39 таблиць і 56 рисунків та складається із вступу, шести розділів, загальних висновків, додатків на 16 сторінках та списку вітчизняної та іноземної літератури із 155 назв на 17 сторінках.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

У першому розділі «АНАЛІТИЧНИЙ ОГЛЯД ЛІТЕРАТУРИ З ТЕХНОЛОГІЇ ЗНЕЗАЛІЗНЕННЯ ВОДИ НА ПІНОПОЛІСТИРОЛЬНИХ ФІЛЬТРАХ ТА БАШТОВИХ УСТАНОВКАХ» виконано огляд стану питання і вибір напрямку досліджень. Розглянуто питання використання підземних джерел для водопостачання сільських населених пунктів, а також проблему якості води.

Проведено огляд найбільш відомих методів видалення заліза з води та область їх використання. Наведено схеми установок для знезалізнення підземних вод. Встановлено, що для нових чи реконструйованих станцій знезалізнення найбільш широке застосування мають фільтри в якості засипки яких використовують спінений полістирол. Перевагами плаваючих засипок перед традиційними піщаними є те, що по ефективності очистки плаваючі засипки не поступаються звичайним важким, проте покращуються умови промивки засипки, при якій проходить більш повне і швидке видалення затриманого в порах тяжкого осаду гідроксиду заліза, значно легше здійснюються операції по завантаженню фільтрів, заміні, гідравлічному транспортуванню, можлива регенерація її в окремих ємностях.

Розглянуто теоретичні основи процесу знезалізнення на пінополістирольних фільтрах. Відзначено, що значний вклад в розвиток цього питання внесли такі вчені як О.Я. Олійник, Г.І. Ніколадзе, В.О. Орлов, М.Г. Журба, М.М. Гіроль, П.О. Грабовський, П.Д. Хоружий, О.М. Квартенко, Є.В.Юрков.

Відмічено, що на даний час однією з найбільш перспективних конструкцій є станції знезалізнення баштового типу, тобто такі, де безпосередньо всередині металевої водонапірної станції встановлено фільтр для очистки води. Відзначено пріоритет таких вчених України як В.О. Орлов, Є.В. Юрков, В.О. Терновцев, С.В. Дзюба, М.М.Гіроль, П.Д. Хоружий, Л.Н. Муромцев, В.П. Хоружий в проектуванні та впроваджені баштових установок для знезалізнення води.

Проведено патентний пошук станцій баштового типу розроблених в Україні, Росії та інших країнах. Особливо відмічено вдалі розробки баштових установок з різними фільтруючими матеріалами та наведені їх технологічні схеми, вказані недоліки даних варіантів споруд очистки.

Наведена мета та сформульовано задачі наукових досліджень.

В другому розділі «ЕКСПЕРИМЕНТАЛЬНІ УСТАНОВКИ ТА МЕТОДИКИ ПРОВЕДЕННЯ ДОСЛІДЖЕНЬ» обрано напрямок, розроблено експериментальні установки та методики досліджень.

На рис. 1 наведено схему лабораторної установки по вивченню технологічних параметрів процесу знезалізнення.

При дослідженнях процесу знезалізнення через кожні 0,5...1,0 год визначалися швидкість фільтрування, рН фільтрату, втрати напору у колоні, вміст заліза у вихідній воді та фільтраті. Як правило, всередині кожного фільтроциклу визначали фізико-хімічні показники води. Усі лабораторні дослідження проводилися на модельному розчині, який утворювали шляхом додавання у воду висококонцентрованого розчину сірчанокислого заліза та вапна. Концентрація заліза у воді, що подавалась на очистку знаходилася в межах 1...5 мг/л.

В якості фільтрувального матеріалу використовується спінений полістирол типу ПСВ-С (підтип ПСВ-СN-А). Фільтрувальна засипка має наступні параметри: мінімальний діаметр гранул становить 0,8 мм, максимальний - 1,5 мм, еквівалентний діаметр рівний 1,17 мм, коефіцієнт неоднорідності 1,29. Висота фільтрувальної засипки становить 0,8 м. При дослідженнях установка працювала у перервному режимі, тобто протягом одного фільтроциклу можливо декілька зупинок в роботі фільтра на досить тривалий час.

При вивченні гідравлічних характеристик пінополістирольної засипки в експериментальній колонці досліджувались гранулометричний склад та фізичні характеристики пінополістиролу, відносне розширення засипки, швидкість фільтрування, інтенсивність промивки та втрати напору.

На рис. 2 наведена технологічна схема запроектованої установки для знезалізнення води. Дослідження у виробничих умовах проводилося на установці, яка побудована в с.Бохоники Вінницької області в 2005 році.

З цією метою була реконструйована металева водонапірна башта типу Рожновського із загальним об'ємом баку 15 м3, діаметром стовбуру 1,2 м та висотою - 12 м. Тривалість реконструкції будівельною бригадою із 4 чоловік становила 2 доби.

Установка працює наступним чином: при фільтруванні засувки 7, 8 відкриті, засувка 6 закрита. Вихідна вода з трубопроводу 3 вільно виливається з висоти не менше 0,5 м у повітрявідділювач 9, при цьому взаємодіє з киснем повітря, яке поступає через вентиляційні отвори 13, двовалентне залізо окислюється, а утворений гідроксид заліза затримується в фільтрувальній засипці. Рівень води в повітрявідділювачі 9 поступово збільшується, що забезпечує виділення повітря та регулювання швидкості фільтрування. Після повітрявідділювача 9 вода перепускається під змінним тиском у нижню частину стовбуру башти 1, піднімається, проходить крізь пінополістирольну засипку 12 і, вже очищеною, подається в бак башти 2, звідки по трубопроводу 4 забирається споживачам.

Промивка проводиться очищеною водою. При цьому засувки 7, 8 закриваються, а 6 відкривається. Вода з баку башти 2 під вільним напором проходить крізь утримуючу решітку 11 та фільтрувальну засипку 12, розпушуючи її та промиваючи. Брудна вода по трубопроводу 5 відводиться у каналізацію.

В якості фільтрувальної засипки використовувалася комбінована пінополістирольна засипка типу ПСВ-С (підтип ПСВ-СN-А), що приблизно на 80% складається із гранул спінених парою на виробництві та просіяна на ситі з діаметром отворів 5 мм, 20% - спінені киплячою водою у лабораторних умовах з тривалістю спінення 1 хв. Одержаний за допомогою пари пінополістирол має значний розмір та невелику питому густину. При спіненні в лабораторних умовах можливе отримання гранул невеликого еквівалентного діаметру та значної питомої густини одна з головних переваг такого пінополістиролу - більш розвинута питома поверхня гранул, яка легко змінюється в процесі їх спінювання. Проте порівняно з пінополістиролом, що отриманий на виробництві, вартість його є значно вищою. Комбінована засипка дозволяє забезпечити необхідний ефект знезалізнення та є порівняно дешевою та простою у виготовленні. Товщина засипки складає 1,0 м. Загальний об'єм пінополістиролу, що необхідний для роботи установки Wпп=1,77 м3.

Перевагами даної схеми є необхідний ефект знезалізнення, запобігання виносу пінополістиролу, порівняно великий регулюючий об'єм очищеної води, невелика металоємкість, простота конструкції, що не потребує складних операцій при виготовлені та монтажі деталей, немає необхідності у промивних насосах.

Також в цьому розділі представлені загальні методики визначення загального та тривалентного вмісту заліза у воді, визначення гранулометричного складу засипки за допомогою мікроскопу, методи приготування пінополістиролу та обробки дослідних даних.

У третьому розділі «ДОСЛІДЖЕННЯ РЕЖИМУ РОБОТИ МЕТАЛЕВИХ ВОДОНАПІРНИХ БАШТ» наведено аналіз режимів роботи башт Рожновського з об'ємом баку 15 та 25 м3 у сільських населених пунктах, водопостачання яких здійснюється з артезіанських свердловин з подачею води через водонапірні башти у водопровідну мережу.

Відмічено, що режим роботи водонапірних башт - перервний. Середня тривалість одного включення складає 1,4...2 год, зупинки - 0,25...2,5 год у денний час. В нічну пору насос майже не працює. В більшості випадків у свердловинах населених пунктів встановлено насоси марки ЕЦВ з подачею 10 м3/год. Виявлено, що середньодобова тривалість роботи насосного агрегату складає 6...10 год.

Отримано дані по середньодобовій тривалості роботи башт протягом року на основі досліджень та аналізу щомісячної витрати електроенергії на обслуговування насосного агрегату.

Одержано графіки режимів роботи металевих башт протягом доби, що в подальшому будуть визначальними при моделюванні та проведенні досліджень технологічних параметрів процесу знезалізнення у лабораторних умовах.

В четвертому розділі «ДОСЛІДЖЕННЯ РЕЖИМУ ПРОМИВКИ ФІЛЬТРІВ З ПЛАВАЮЧОЮ ЗАСИПКОЮ» проведено теоретичне дослідження режиму промивки плаваючої пінополістирольної засипки.

В процесі роботи було отримано гранулометричний склад комбінованої пінополістирольної засипки, що використовувалася у баштовій установці у с. Бохоники, та визначено основні фізичні показники використаного пінополістиролу. Утворена засипка мала наступні показники: еквівалентний діаметр dе=3,65 мм і коефіцієнт неоднорідності К=1,78 та насипну густину 18,2 кг/мз, питому густину 100 кг/мз, поруватість 52%.

Для вивчення характеристики розширення зернистих матеріалів в процесі промивки фільтра використовувалися відомі залежності:

(1)

де m - поруватість зернистого шару; Rе - критерій Рейнольдса ; Аr - критерій Архімеда

(2)

(3)

де v - швидкість руху промивної води, м/с; м - кінематичний коефіцієнт в'язкості промивної води, м2/с; св, сп - густина води та питома густина спінених гранул полістиролу кг/м3; g=9,81 м/с2 - прискорення вільного падіння; d - діаметр спінених гранул, м.

Оскільки для підземних вод температура води цілорічно є стабільною і знаходиться в межах 8...13оС, то з достатньою мірою точності можна прийняти стабільні значення св=1000 кг/м3 та м= 0,0000013 м2/с. Тоді формули (2, 3) трансформуються в

(4)

(5)

де І - інтенсивність промивки, л/с*м2.

Після перетворень та вирішення рівняння Девідсоном наводиться наступна залежність для визначення параметра m, що описує процес промивки зернистих фільтруючих засипок:

(6)

Існує інший різновид залежності (6) запропонований Тодесом, що через свою відносну простоту набув найбільшого поширення:

(7)

Проте це рівняння досить недосконале і потребує доопрацювання. Так, Мягким Д.Д. було запропоновано змінити показник степеня загального виразу на число 0,18:

(8)

Зв'язок між відносним розширенням засипки та величиною змінної поруватості m описується рівнянням

(9)

В процесі досліджень було встановлено, що запропоновані залежності (6) - (8) не досить точно описують процес промивки пінополістирольної засипки, особливо якщо фільтр працює із змінним напором. В результаті досліджень було отримано формули для визначення змінної поруватості в залежності від основного параметра промивки - інтенсивності, при цьому потік води на промивку є низхідним.

Найбільш повно описує процес промивки фільтрів з плаваючою засипкою та постійним напором над утримуючою решіткою залежність:

(10)

Для випадків промивки плаваючої засипки із змінним напором отримано:

(11)

Підставимо отримані формули у вираз (9), тоді для випадку промивки фільтра з постійним напором формула (10) трансформується в

(12)

Якщо промивка фільтра з плаваючою засипкою виконується із змінним напором над утримуючою решіткою, коректним буде вираз:

(13)

В отриманих залежностях , тобто відносне розширення пінополістирольної засипки залежить лише від інтенсивності промивки, діаметра, питомої густини гранул фільтруючої засипки та початкової пористості.

Експериментальні дослідження в даному напрямку виконувались для двох варіантів фільтрувальної засипки. В першому випадку використовувався спінений у промислових умовах парою пінополістирол з еквівалентним діаметром dе=1,246 мм, коефіцієнтом неоднорідності К=2,46 та насипною густиною сп=70 кг/мз. В другому випадку використовувалась комбінована засипка, що мала наступні показники: еквівалентний діаметр dе=1,38 мм, коефіцієнт неоднорідності К=4,13 та насипну густину сп=61кг/мз, поруватість 43%.

На рис.3 наведено графіки залежності відносного розширення пінополістирольної засипки від інтенсивності промивки фільтра, які були отримані в лабораторних умовах та розраховані за формулами (12) і (13).

Штриховими лініями нанесено межі для дослідних даних з граничною ймовірністю 0,95. Як видно з рис.3, графіки е=f(І) для випадків, з постійним та змінним напором над утримуючою решіткою майже співпадають з отриманими за емпіричними формулами. Відносна похибка становить не більше 5 % для обох випадків. Усі досліди проходили перевірку значимості коефіцієнтів за критерієм Стьюдента та нормальності розподілу відносного розширення засипки.

При дослідженні гідравлічного режиму роботи фільтра була отримана залежність коефіцієнта опору засипки з від числа Рейнольдса Re та визначено критичне значення Reкр, що дорівнює 1,35.

В п'ятому розділі «ЛАБОРАТОРНІ ДОСЛІДЖЕННЯ ПРОЦЕСУ ЗНЕЗАЛІЗНЕННЯ НА УСТАНОВКАХ З ПІНОПОЛІСТИРОЛЬНИМ ФІЛЬТРОМ» наведено результати лабораторних досліджень процесу очистки води на фільтрі з пінополістирольною засипкою. В процесі дослідженнях використовували перервний фільтроцикл. При цьому задавалися різні тривалості роботи tроб=1,5…3,5 год, різні тривалості зупинки tзуп=0,25…2 год установки та різні швидкості фільтрування Vф=3,5…9 м/год. Періодичність включення установки визначалася згідно аналізу отриманих даних роботи водонапірних башт та насосних агрегатів.

В процесі роботи через кожні 0,5 год визначалися швидкість фільтрування, втрати напору, концентрація заліза у вихідній та очищеній воді. З інтервалом 1 год визначалося значення рН. За отриманими результатами було побудовано графіки концентрації заліза у фільтраті (рис.4) від тривалості фільтроциклу.

В цілому якість фільтрату є задовільною. Найгірші значення цього показника спостерігаємо на початку фільтроциклів. Проте через 0,5-1 год роботи установки концентрація заліза у фільтраті не перевищує 0,3 мг/л. Також погіршення якості фільтрату спостерігається після тривалих зупинок у фільтроциклі (дане явище спостерігається майже у кожному досліді). Проте, через 0,5 год роботи кількість заліза у отриманій воді значно зменшується. Отже, тривалі та часті зупинки в процесі знезалізнення погіршують очисний ефект.

Також було встановлено, що при швидкості фільтрування Vф?8 м/год після першої зупинки концентрація заліза у очищеній воді перевищує допустиму норму та поступово збільшується. Найкращий ефект знезалізнення (до 99%) був отриманий при швидкостях фільтрувального потоку 5…7 м/год та тривалості зупинок менше 1,5 год.

Промивка фільтрувальної пінополістирольної засипки проводилася при досягненні граничних втрат напору або при концентрації заліза у очищеній воді більше 0,3 мг/л. Промивка фільтра здійснювалася низхідним потоком очищеної води з баку установки. В процесі дослідження через кожні 0,5 хв відбиралися проби води на визначення вмісту заліза, а також визначалися інтенсивність промивки та відносне розширення засипки.

На рис.5 наведено графіки залежності концентрації заліза у промивній воді від тривалості промивки для різних фільтроциклів.

Якщо промивка проводилася відразу після закінчення фільтроциклу, то максимальне значення концентрації заліза в промивній воді спостерігалося на 0,5-2,5 хв від початку промивки (в залежності від інтенсивності). В таких випадках засипка повністю промивалася за 2,5-4 хв.

Якщо перед процесом промивки була значна зупинка, то для таких випадків на графіках спостерігається два піки, менший з яких припадає на перші 0,5 хв від початку промивки. Тоді засипка промивається за 3 - 4 хв при Ісер=10...14 л/с*м2, та за 2,5-3 хв при Ісер більше15 л/с*м2.

В шостому розділі «ДОСЛІДЖЕННЯ ПРОЦЕСУ ЗНЕЗАЛІЗНЕННЯ У ВИРОБНИЧИХ УМОВАХ ТА РЕКОМЕНДАЦІЇ ДЛЯ ВПРОВАДЖЕННЯ БАШТИ-КОЛОНИ З ПРИСТРОЄМ ДЛЯ ЗНЕЗАЛІЗНЕННЯ ВОДИ» наведено результати дослідження процесу знезалізнення на діючій установці у с.Бохоники.

Результати хімічного аналізу підземної та очищеної води приведені в табл. 1. Дата проведення досліджень 18 червня 2007 р. Установка працювала з швидкістю фільтрування 5,3 м/год.

Таблиця 1

Результати хімічного аналізу проб артезіанської та очищеної води, взятих безпосередньо після башти у с.Бохоники

Показники	Одиниці	Підземна	Очищена
			2 год	48 год	96 год
рН	од. рН	7,35	-	-	7,3
Лужність	мг-екв/дм3	8,1	-	-	7,8
Жорсткість	мг-екв/дм3	7,3	-	-	6,7
Залізо загальне	мг/дм3	2,17	0,12	0,09	0,05
Залізо тривалентне	мг/дм3	0,85	0,1	0,08	0,05
Залізо двовалентне	мг/дм3	1,32	<0,05	<0,05	<0,05
Окисність перманганатна	мгО2/дм3	0,736	-	-	0,88
Сухий залишок	мг/дм3	510	-	-	505

В процесі роботи установки також були проведенні дослідження по визначенню вмісту заліза у промивній воді від тривалості промивки для установки у с.Бохоники. Отримані результати наведені на рис.6. Дата проведення дослідів 13 березня 2006 р.

На рис.7 наведено графік, що показує вміст загального та тривалентного заліза у вихідній воді та ефект знезалізнення для баштової установки за весь час її роботи.

Отже, за весь період роботи впровадженої баштової установки концентрація заліза у фільтраті не перевищувала 0,3 мг/л.

Як показали дослідження, використання запропонованої конструкції у системах сільськогосподарського водопостачання забезпечує якісну підготовку води для питних та господарсько-побутових потреб. Простота конструкції установки, можливість використання існуючих металевих башт, відсутність необхідності в будівництва споруд та металомістких корпусів фільтрів створюють умови для впровадження даних установок у серійне виробництво для систем водопостачання невеликих населених пунктів або окремих промислових об'єктів.

В дисертації розроблено рекомендації на проектування башти-колони з пінополістирольним фільтром та експлуатацію даної конструкції, які ґрунтуються на результатах досліджень та існуючих нормативних документів на проектування фільтрів з плаваючими засипками.

Розроблено локальний кошторис на виготовлення та монтаж башти-колони з пінополістирольним фільтром та об'ємом баку 25 м3. Згідно з розрахунками кошторисна вартість будівництва баштової установки становить 137,234 тис. грн. Вартість вбудування аератора та пінополістирольного фільтра в уже існуючу башту Рожновского з діаметром стовбуру 1,2 м становить 24,773 тис.грн.

ЗАГАЛЬНІ ВИСНОВКИ

1. У дисертаційній роботі наведено нове вирішення наукової задачі, що виявляється в необхідності удосконалення технологій та технічних засобів підготовки води для населених пунктів, живлення який здійснюється підземною водою, яка вирішена науковим обґрунтуванням суміщеної роботи водонапірної башти з пінополістирольним фільтром з врахуванням перервного режиму водоподачі. Наведене вирішення наукової задачі дозволяє покращити роботу системи водопостачання з баштами-колонами і забезпечувати населені пункти та підприємства більш якісною водою при мінімальних затратах ресурсів на її знезалізнення.

2. На підставі аналізу літературних джерел встановлено, що існує ряд баштових установок, проте вони є досить складними в експлуатації, дорогими та мають ряд інших недоліків.

3. Встановлено, що водонапірні башти на існуючих водопроводах сільських населених пунктів працюють в перервному режимі роботи з мінімальною тривалістю включення насоса від 1,5 год, тривалість зупинок складає від 15 хв і більше.

4. Запропоновано використання комбінованої пінополістирольної засипки, що складається приблизно на 80% із великих гранул із малою питомою густиною спінених гострою парою у виробничих умовах, 20% - спінені киплячою водою та мають значно менший діаметр.

5. Виконано апроксимацію результатів експериментальних досліджень та отримано дві емпіричні залежності (12) та (13) по визначенню відносного розширення пінополістирольної засипки, що характеризують процес її промивки.

6. Визначено, що при роботі установки з перервним режимом та концентрації заліза у вихідній воді до 5 мг/л ефект знезалізнення становить до 99% при швидкості фільтрування менше 8 м/год. Погіршення якості фільтрату спостерігається після тривалих зупинок у фільтроциклі (більше 1,5 год). Проте, через 0,5 год роботи кількість заліза у фільтраті значно зменшується і становить менше 0,3 мг/л.

7. При швидкості висхідного фільтраційного потоку більше 8 м/год після першої зупинки концентрація заліза у вихідній воді різко збільшується і очищена вода стає непридатною для господарсько-побутових потреб.

8. Визначено, що при промивці пінополістирольної засипки відразу після закінчення фільтроциклу вона промивається за 3-4 хв при Ісер=10...14 л/с*м2 та за 2,5-3,0 хв при Ісер більше 15 л/с*м2. У випадку, якщо промивка проводилася після тривалої зупинки, то на графіках е=f(І) спостерігається два піки, перший з яких припадає на перші 0,5 хв від початку промивки.

9. Розроблена конструкція башти-колони та виконані необхідні лабораторні та виробничі дослідження її роботи.

10. Результати досліджень використані на впровадженій башті-колоні з пінополістирольним фільтром для знезалізнення води у с.Бохоники Вінницької області.

СПИСОК ОПУБЛІКОВАНИХ ПРАЦЬ ЗА ТЕМОЮ ДИСЕРТАЦІЇ

Визначення гранулометричного складу пінополістирольного завантаження фільтрів для знезалізнення води / В.О. Орлов, С.Ю. Мартинов, Н.Л. Мінаєва, Ю.П. Валігуліна // Вісник НУВГП: Збірник наукових праць. - Рівне, 2004. - випуск 3 (27). - С. 264-270. (Особистий внесок Мінаєвої Н.Л. полягає у розробці методики та отримані гранулометричного складу спіненого та неспіненого полістиролу).

Мінаєва Н.Л. Дослідження режиму промивки фільтрів з плаваючою засипкою / Н.Л. Мінаєва // Вісник НУВГП: Збірник наукових праць. - Рівне, 2007. - випуск 4, (41). - С. 169-176.

Орлов В.О. Виготовлення плаваючих пінополістирольних засипок для водоочисних фільтрів / В.О. Орлов, Н.Л. Мінаєва, М.М. Трохимчук // Вісник НУВГП: Збірник наукових праць. - Рівне, 2009. - випуск 1 (45). - С. 130-135. (Особистий внесок Мінаєвої Н.Л. полягає у отриманні фізичних характеристик та гранулометричного складу пінополістиролу).

Орлов В.О. Визначення перевищення перегину промивного сифона над рівнем води в гідроавтоматичній установці з пінополістирольним фільтром / В.О. Орлов, Ю.І. Гордієнко, Н.Л. Мінаєва ?? Вісник НУВГП: Збірник наукових праць. - Рівне, 2004. - ч.1, Випуск 4 (28). - С. 162-169. (Особистий внесок Мінаєвої Н.Л. полягає у отримані залежностей втрат напору від тривалості фільтроциклу).

Орлов В.О. Визначення перевищення перегину промивного сифона над рівнем води в пінополістирольному фільтрі / В.О. Орлов, Ю.І. Гордієнко, Н.Л. Мінаєва // Труди міжнародної НПК «Сучасні проблеми охорони довкілля, раціонального використання водних ресурсів та очистки природних і стічних вод» (Миргород 20-23 квітня 2004 р.) / М-во освіти і науки України, Товариство «Знання» Україна [та ін.] - К. : Знання, 2004. - С.153-155. (Особистий внесок Мінаєвої Н.Л. полягає у отримані залежностей втрат напору від тривалості фільтроциклу).

Орлов В.О. Впровадження установок для знезалізнення води баштового типу в системи водопостачання сільських населених пунктів / В.О. Орлов, С.Ю. Мартинов, Н.Л. Мінаєва // Вісник НУВГП: Збірник наукових праць. - Рівне, 2007. - випуск 2 (38). - С. 257-263. (Особистий внесок Мінаєвої Н.Л. полягає у отриманні залежностей концентрації заліза у промивній воді від тривалості промивки).

Орлов В.О. Знезалізнення води на пінополістирольному фільтрі при пульсуючому режимі роботи / В.О. Орлов, Н.Л. Мінаєва, Н.О. Терещук // Вісник НУВГП: Збірник наукових праць. - Рівне, 2007. - випуск 3 (39). - С. 181-187. (Особистий внесок Мінаєвої Н.Л. полягає у розробці методики та отриманні залежностей втрат напору, концентрації заліза у вихідній та очищеній воді від тривалості фільтроциклу).

Орлов В.О. Знезалізнення води на установці баштового типу з пінополістирольним фільтром / В.О. Орлов, Н.Л. Мінаєва // Коммунальное хозяйство городов. Научн.-техн. сборник. - К. : Техніка, 2007. - вип.79. - С. 237-241. (Особистий внесок Мінаєвої Н.Л. полягає у розробці технологічної схеми).

Орлов В.О. Металеві башти з пінополістирольним фільтром у сільських населених пунктах / В.О. Орлов, А.М. Зощук, Н.Л. Мінаєва, М.М. Трохимчук // ХХХІV научно-техническая конференция предподавателей, аспирантов и сотрудников ХНАГХ: программа и тезисы докладов, ч.1. (Харьков, 12-14 мая 2008 г.) / М-во образования и науки Украины, Харк. нац. акад. Городского хозяйства. - Х., 2008. - С.152-156. (Особистий внесок Мінаєвої Н.Л. полягає (Особистий внесок Мінаєвої Н.Л. полягає у отриманні залежностей концентрації заліза у вихідній та очищеній воді від тривалості фільтроциклу).

Орлов В.О. Розробка технологічної схеми знезалізнення води на установці баштового типу / В.О. Орлов, С.Ю. Мартинов, Н.Л. Мінаєва // Вісник НУВГП: Збірник наукових праць. - Рівне, 2005. - випуск 3 (31) - С. 307-315. (Особистий внесок Мінаєвої Н.Л. полягає у розробці технологічної схеми).

Підготовка питної води на пінополістирольних фільтрах в сільських населених пунктах / В.О. Орлов, С.Ю. Мартинов, В.О. Зощук, Н.Л. Мінаєва, С.Л. Кусковець, С.І. Абрамович // Вісник Одеської державної академії будівництва та архітектури. - Одеса, 2005. - Вип.19. - С. 144-149. (Особистий внесок Мінаєвої Н.Л. полягає у розробці технологічної схеми баштової установки).

Орлов В.О. Знезалізнення води на установці баштового типу з пінополістирольним фільтром / В.О. Орлов, Н.Л. Мінаєва // Применение пластмасс в строительстве и городском хозяйстве : материалы VІІІ Междугородной научно-технической конференции (Харьков 1-30 декабря 2007 г.) / М-во образования и науки Украины, Харк. нац. акад. городского хозяйства - Харьков : ХНАГХ, 2008. - С. 99-103. (Особистий внесок Мінаєвої Н.Л. полягає у отриманні залежностей концентрації заліза у вихідній та очищеній воді від тривалості фільтроциклу).

Реконструкція металевих башт в сільських населених пунктах / В.О. Орлов, С.Ю. Мартинов, Н.Л. Мінаєва, М.М. Трохимчук. // Ресурсоекономні матеріали, конструкції, будівлі та споруди. Збірник наук. праць. - Рівне, 2008. - вип.16, ч.1. - С. 388-393. (Особистий внесок Мінаєвої Н.Л. полягає у визначенні технологічних параметрів роботи баштової установки).

Пат. 10199 Україна, МПК7 С 02 F 1/64, В 01 D 24/00 Башта-колона з пристроєм для знезалізнення води / Орлов В.О., Мінаєва Н.Л.; заявник і патентовласник Національний університет водного господарства та природокористування. - № 200502021; заявл. 04.03.2005 ; опубл. 15.11.2005, Бюл. № 11. (Особистий внесок Мінаєвої Н.Л. полягає розробці технологічної схеми з встановленням пінополістирольного фільтра у нижній частині стовбуру башти).

Пат. 13509 Україна, МПК7 С 02 F 1/64 Гідроавтоматична фільтрувальна установка / Орлов В.О., Мартинов С.Ю., Зощук В. О., Мінаєва Н. Л., Абрамович С. І.; заявник і патентовласник Національний університет водного господарства та природокористування. - № 200505931; заявл.16.06.2005 ; опубл.17.04.2006, Бюл. № 4. (Особистий внесок Мінаєвої Н.Л. полягає у розробці технологічної схеми з встановленням імпульсного крану).

АНОТАЦІЯ

Мінаєва Н.Л. Знезалізнення підземних вод в баштах-колонах з пінополістирольним фільтром. - Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук із спеціальності 05.23.04. - водопостачання, каналізація. Національний університет водного господарства та природокористування. Рівне, 2010.

На підставі аналізу сучасного стану забезпечення сільських населених пунктів якісною питною водою та вирішення проблеми суміщення існуючих споруд на водопровідній мережі та очисних фільтрів запропонована конструкція башти-колони з пристроєм для знезалізнення води, що дозволяє проводити реконструкцію металевих водонапірних башт та є відносно дешевою, легкою в проектуванні та експлуатації. Запропонована конструкція впроваджена у с.Бохоники Вінницької області у 2005 р. Наведено аналіз режимів роботи металевих водонапірних башт. Одержано залежності для визначення змінної пористості при промивці плаваючої фільтруючої засипки із постійним та змінним напором над утримуючою решіткою. Наведені результати лабораторних досліджень технологічних параметрів процесу знезалізнення при роботі установки у режимі рваного фільтроциклу та гідравлічних характеристик пінополістирольної засипки. Проведені експериментальні дослідження на працюючій баштовій установці у с.Бохоники та отримано результати, що підтвердили ефективність роботи запропонованої конструкції. Розроблено рекомендації з проектування та експлуатації башти-колони з пристроєм для знезалізнення води. Наведені локальні кошториси на будівництво запропонованої конструкції та реконструкцію башти з об'ємом баку 25 м3.

Результати впроваджуються в практику водопостачання сільських населених пунктів України.

Ключові слова: пінополістирольна засипка, баштова установка, рваний фільтроцикл, ефект знезалізнення, відносне розширення засипки.

АННОТАЦИЯ

Минаева Н.Л. Обезжелезивание подземных вод в башнях-колонах с пенополистирольным фильтром. - Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук по специальности 05.23.04. - водоснабжение, канализация. Национальный университет водного хозяйства и природопользования. Ровно, 2010.

На основании анализа современного состояния обеспечения сельских населенных пунктов качественной питьевой водой и решения проблемы совмещения действующих сооружений на водопроводной сети и очистных фильтров установлено, что есть варианты башенных водоочистных установок, но они имеют ряд недостатков. В работе предложена конструкция башни-колоны с приспособлением для обезжелезивания воды, которая не только очищает воду, но и создает регулирующий запас и необходимый напор в водопроводной сети. Данная конструкция позволяет проводить реконструкцию существующих башен за 2-3 дня и является относительно дешевой и простой в проектировке и эксплуатации. Предложенная установка была внедрена в производство в населенном пункте Бохоныки Винницкой области. С этой целью была реконструирована металлическая водонапорная башня Рожновского с высотой ствола 12 м и объемом бака 15 м3.

Лабораторные эксперименты проводились на установке, которая состоит из бака-смесителя, воздухоотделителя, пенополистирольного фильтра и бака, где собирается вода на промывку. В экспериментах использована комбинированная пенополистирольная загрузка, в которой 80 % гранул имеют больший размер и меньшую насыпную плотность (вспенены в производственных условиях парой), а 20% - меньший эквивалентный диаметр и относительно большую насыпную плотность (вспенены в лабораторных условиях кипящей водой). Такая загрузка позволяет получить не только необходимый эффект обезжелезивания, но и является относительно дешевой и легко доступной.

Подан анализ режимов работы металлических водонапорных башен, которые работают по схеме водоснабжения из скважины через башню в распределительную сеть. Определено длительность роботы насоса и продолжительность остановок. Анализ показал, что водонапорные башни работают в прерывном режиме, где работу насоса сменяет остановка, причем продолжительность работы, как и остановок, могут быть разными.

Получены эмпирические зависимости по определению относительного расширения при промывке плавающей загрузки с постоянным и переменным уровнем воды над удерживающей решеткой. Проведены исследования режимов фильтрования и найдено критическое значение числа Рейнольдса, при котором фильтр переводиться в режим промывки.

Проведены экспериментальные исследования технологических параметров процесса обезжелезивания при роботе установки в прерывчатом режиме. Длительность роботы фильтра составляла 1…3,5 ч., а продолжительность остановок 0,25…2 ч. Скорость фильтрования становила 3,5…9 м/час, а концентрация железа в исходной воде - 2…5мг/л. Максимальный эффект обезжелезивания до 98 % наблюдался при скорости фильтрования 5-7 м/час и длительностью остановок до 1 часа. При фильтровании со скоростью больше 8 м/час качество фильтрата резко ухудшается. Частые и длительные остановки также дают ухудшение очищенной воды. Получены зависимости потерь напора, концентрации железа на входе и выходе от длительности фильтроцикла. Также изучалась концентрация железа в промывной воде и время промывки установки при различных интенсивностях.

Проведены эксперименты на работающей башне-колоне с пенополистирольным фильтром в населенном пункте Бохоныки и получены результаты, которые подтвердили эффективность предложенной конструкции. В качестве фильтрующего материала использована комбинированная загрузка с эквивалентным диаметром 3,65 мм. Толщина фильтровального материала составляла 1 м. За все время исследования концентрация железа в очищенной воде не превышала 0,3 мг/л.

Разработаны рекомендации по проектированию и эксплуатации башни-колоны с пенополистирольным фильтром. Просчитаны локальные сметы на строительство установки и реконструкцию действующих водонапорных башен с объемом бака 25 м3. Стоимость постройки башни-колонны с пенополистирольным фильтром составляет 137,234 тис. грн. Стоимость реконструкции готовой металлической башни составляет 24,773 тис. грн.

Основные результаты работы внедряются в практику водоснабжения и водоочистки сельских населенных пунктов Украины.

Ключевые слова: пенополистирольная загрузка, башенная установка, прерывный фильтроцикл, эффект обезжелезивания, относительное расширение загрузки.

THE SUMMARY

Minaeva N.L. De-ironing ground water at the tower-column with polystyrene filler. - A manuscript.

The thesis for a Candidate of Engineering Science degree on specialty 05.23.04 - water supply and sewage. - National University of Water Management and Nature Resources Use, Rivne, 2010.

On the reasons of contemporary condition analysis of ensuring qualitative drinkable water in village and the problem of combining existing edifice at water supply system and cleaning filters decision; and to install the construction of tower-column with de-ironing water device. It allows to conduct reconstruction of water pumping tower, it is relatively cheap in design and exploitation. The offers construction was introduced in the village of Bohonuku in Vinnitska region in 2005. The analysis of metal water tower working conditions was introduced. Dependences of changing porosity in flushing the swimming filters filler with constant and changeable head above the keeping fender were received. The results of laboratory investigation of technologic parameters the de-ironing process on lacerated working conditions and hydraulics characteristic of polystyrene filler were obtained. Experiments at working tower unit at the Bohonuku village were conducted and results of the offered device effectiveness were confirmed. Recommendations on projection and maintenance of tower-column with de-ironing water device are worked out. Local calculations for building existing construction and reconstruction of this tower with capacity 25 m3 were obtained.

The results of water supply and water treatment are put into practice in Ukrainian villages.

Key words: polystyrene filler, tower unit, lacerated working conditions, the effect of de-ironing, filler's relative dilatation.

Размещено на Allbest.ru