Во введении рассмотрена актуальность работы и дано обоснование области применения безреагентных водоочистных технологий с учетом качества воды в природных поверхностных водоисточниках Китая, указаны научная новизна и практическая ценность диссертационной работы.

В главе 1 "Анализ современного состояния качества воды в водоисточниках и существующих систем подготовки воды в Китае" отмечено, что практически все анализируемые поверхностные водоисточники Китая (табл.1) в существенной степени подвержены природным и антропогенным загрязнениям. К ним относятся: мутность, цветность, перманганатная окисляемость, ХПК, фенолы, нефтепродукты, хлорорганические соединения и пр. В ряде случаев в воде обнаруживаются пестициды, марганец и другие соединения. Все водоисточники имеют повышенную бактериальную загрязненность.

За последние 20 лет техногенное воздействие на природную среду региона превратило, даже такой мощный водоток, как р. Янцзы в приемник сточных вод.

Существующие технологии подготовки питьевой воды, забираемой из таких водоисточников рассчитаны на снижение до нормативов мутности, цветности и бактериальной загрязненности воды и не в должной мере обеспечивают снижение таких загрязнений воды, как органические соединения, тяжелые металлы, нефтепродукты, фенолы, поверхностно - активные вещества. На современных водопроводных очистных станциях Китая традиционные реагентные технологии, базирующиеся в основном на отстаивании и фильтровании, дополняются озонированием и сорбцией. Ряд технологий предусматривает ввод дополнительных окислителей, коагулянтов и флокулянтов, использование промежуточных регулирующих водоемов, двойное озонирование и другие технологические приемы.

На основании анализа эффективности работы существующих станций очистки природных вод в Китае и странах СНГ сделан вывод о том, что для небольших объектов водопотребления с производительностью до 500-1000 м³/сут одним из перспективных путей решения проблемы подготовки поверхностных вод для технических и питьевых целей является использование безреагентных методов осветления и сорбции, реализуемых на компактных установках заводского изготовления.

Глава 2 "Обоснование безреагентной фильтрационной очистки поверхностных вод" посвящена теоретическому обоснованию безреагентной технологии фильтрования водных суспензий через зернистые многослойные инертные и сорбционные загрузки и выбору фильтрующих материалов.

Таблица 1. Показатели качества воды в поверхностных водоисточниках Китая

Примечания: Условные обозначения: М - мутность; Ц - цветность; ПО - перманганатная окисляемость; НП - нефтепродукты; Ф - фенолы

Надежность работы зернистых фильтров, эффект очистки природных вод на них во многом зависят от свойств фильтрующих материалов.

Д. т. н. Ильиным В.Г. и д. т. н. Журбой М.Г. в 1964-1970 годах было создано новое научное направление в области очистки воды фильтрованием через плавающие гранулированные полимерные загрузки. В настоящее время разработано свыше 100 различных конструкций фильтров и комбинированных установок с плавающей загрузкой (ФПЗ), нашедших широкое применение в технологических схемах очистки природных и сточных вод, применяемых в странах СНГ, США, Англии, Чехии и других. Благодаря преимуществам пенополистирольной плавающей загрузки перед традиционными кварцевыми и другими загрузками с плотностью зерен больше плотности воды, экономия эксплуатационных затрат от их применения на станциях водоочистки, по сравнению с обычными зернистыми фильтрами, достигает в среднем от 20 до 45%.

Дальнейшее развитие это направление получило после создания фильтров с пенопласто-волокнистой загрузкой (ФПВЗ) (д. т. н. Говорова Ж. М.), которые в большей степени реализованы в технологических схемах обезжелезивания подземных вод и доочистки сточных вод. Оценка современного научно-технического уровня в области очистки воды на пенополистирольных (пенопластовых) и волокнистых фильтрах подтвердила целесообразность создания и исследования водоочистных фильтров с осветлительно - сорбционным комбинированным фильтрующим слоем, позволяющим интенсифицировать работу и расширить область применения фильтровальных сооружений в целом.

Основным отличием и существенным преимуществом такой многослойной загрузки является то, что в процессе фильтрования через осветлительные инертные слои происходит сжатие верхнего волокнистого слоя и формирование его межзерновой структуры за счет выталкивающей силы Архимеда нижнего гранулированного пенополистирольного слоя, а в сорбционном плотном слое - глубокая доочистка от коллоидных и растворенных примесей органического, в том числе - антропогенного происхождения. В процессе промывки слои комбинированной загрузки расширяются только за счет энергии нисходящего и восходящего потока чистой промывной воды без дополнительных электроприводов и механических конструкций.

Усиление антропогенных нагрузок на водоисточники с одной стороны, повышение требований СанПиН 2.1.4.1074-01 (Россия) и GB5749-85 (Китай) к качеству питьевой воды, и сложившаяся экономическая ситуация в Китае с другой, обуславливают необходимость дальнейшего усовершенствования существующих фильтровальных осветлительно-сорбционных технологий и сооружений для очистки природных вод.

Эта идея реализована автором в разработанной конструкции фильтра с трехслойной инертной плавающей гранульно-волокнистой и тяжелой сорбционной загрузками. Очистка водных суспензий на таком фильтре осуществляется при их последовательной подаче воды снизу вверх через пенополистирольно-волокнистую загрузку, где вода освобождается от грубодисперсных и частично коллоидных примесей, а затем - через слой сорбционного материала (активированный уголь, глинт, цеолит и др.), где происходит извлечение антропогенных примесей за счет их сорбции на поверхности зерен.

Наиболее целесообразным представляется применение таких фильтров при безреагентной очистке вод, в том числе содержащих антропогенные примеси, для небольших объектов водоснабжения.

В главе 3 "Гидравлические закономерности работы осветлительно - сорбционного фильтра" приведены результаты исследований с различными гранулометрическими составами загрузок ОСФ в режимах фильтрования и промывки.

Исследования проводили на экспериментальных стендах (рис.1), смонтированных в лабораториях очистки природных вод ФГУП "НИИ ВОДГЕО" и Московском государственном строительном университете. В режиме фильтровании вода подавалась последовательно снизу вверх через слои недробленого пенополистирола, капроновых волокон и сорбционного материала из активированного угля или глинта. При промывке инертного гранулированно-волокнистого слоя под действием нисходящего потока воды происходило расширение пенополистирольной и волокнистой загрузок, а при подаче воды через среднюю дренажную систему снизу вверх - под действием восходящего потока воды происходило расширение и отмывка сорбционной загрузки. После исчерпания сорбционной емкости активированный уголь заменялся на новый.

Рис.1. Экспериментальный стенд

1 - бак исходной воды; 2 - воздухоотделитель; 3 - корпус фильтра; 4 - пенополистирольная загрузка; 5 - волокнистая загрузка; 6 - сорбционная загрузка; 7 - пробоотборник; 8 - механическая мешалка с электроприводом; 9 - поплавковый дозатор; 10 - удерживающая сетка; 11 - доска пьезометров; 12 - бак промывной воды; 13 - трубопровод подачи чистой воды; 14 - трубопровод исходной воды; 15 - трубопровод отвода фильтрата; 16 - трубопровод отвода промывной воды после сорбционной загрузки; 17 - трубопровод отвода промывной воды после пенополистирольно-волокнистой загрузки

На основе результатов выполненных экспериментов по изучению гидравлических закономерностей работы ОСФ были построены графические зависимости в координатах lgз_э = f (lgRe_э) для разного состава комбинированных загрузок с учетом коэффициентов поверхности волокнистого слоя г и формы гранул б (рис.2,3), где з_{э -} эквивалентный коэффициент сопротивления; Re_{э -} эквивалентный чисел Рейнольдса.

С учетом ранее полученных зависимостей для пенополистирольного гранулированного слоя (д. т. н. Журба М. Г.), волокнистого слоя из полимерных нитей (д. т. н. Говорова Ж. М.) и кварцевой загрузки (д. т. н. Минц Д.М. и д. т. н. Шуберт С. А.), автором на базе собственных экспериментальных данных были предложены расчетные формулы для определения начальных потерь напора в чистой комбинированной трехслойной загрузке из гранул недробленого пенополистирола, синтетических волокон и активированного угля при восходящем фильтровании (h_{о. в}):

, (1)

при нисходящей промывке пенополистирольно-волокнистой загрузки (h_{о. н})

(2)

и восходящей промывке слоя активированного угля (h_{о. в. уг}):

(3)

В формулах (1) - (3): L_п, L_уг - толщина слоя пенополистирола и угля, м; б - коэффициент формы гранул; m_{0 -} пористость загрузки, доли единицы; L_{сл -} длина волокон в сжатом состоянии, м; г - коэффициент поверхности волокнистого слоя; ц - коэффициент наполнения объема зоны волокнистого слоя волокнами; d_{э. п}, d_{э. уг. -} эквивалентный диаметр гранул и зерен соответственно, м; d_{э. вл} - эквивалентный диаметр нити волокна, м; х_в, х_{н -} скорость восходящего и нисходящего потока воды соответственно, м/ч; х_{в. пр -} скорость восходящего промывного потока воды, м/ч.

Рис.2. Зависимость lgз_э = f (lgRe_э) для слоев пенополистирольной (1-4), волокнистой (10-13) и сорбционной загрузок из глинта (5, 7,9) и угля (6,8) при восходящем фильтровании

1 - d_n = 1,2 мм, L_n = 0,42 м; 2 - d_n = 1,7 мм, L_n = 0,6 м; 3 - d_n = 2,5 мм, L_n = 0,75 м; 4, 5, 6 - обобщенные прямые с учетом коэффициента формы гранул б; 7 - d_г = 1,5 мм, L_г = 0,35 м; 8 - d_уг = 1,5 мм, L_уг = 0,5 м; 9 - d_г = 2,5 мм, L_г = 0,4 м; 10 - обобщенная прямая с учетом коэффициента поверхности слоя г; 11 - L_сл = 0,18 м, ц = 0,3; 12 - L_сл = 0,25 м, ц = 0,25; 13 - L_сл = 0,16 м, ц = 0,2

Формулы (1) и (2) справедливы при значениях чисел Рейнольдса: Re_{э. п} = 0,17-2,14, Re_{э. н. п} = 0,2-7,37, Re_{э. вл} = 0,9-11,2, Re_{э. н. вл} = 1,4-54,7, Re_{э. уг} = 0,5-4,4 и для осветлительно-сорбционных слоев загрузки со следующими характеристиками: d_{э. п} = 0,7-4 мм, d_{э. вл} = 1,8-2 мм, d_{э. уг} = 2-3 мм, ц = 0,2-0,3, х_в = 2,2-23,9 м/ч и х_н = 2,6-85,6 м/ч. Формула (3) справедлива в диапазоне значений Re_{э. уг} = 0,6-27,5 и при х_{в. пр} = 2,9-89,9 м/ч. Отклонения значений потерь напора, рассчитанных по формулам (1) - (3) и фиксируемых во время экспериментов, не превысили 15%.

Рис.3. Зависимость lgз_э = f (lgRe_э) для слоев пенополистирольной (1-3), волокнистой (9,10) и сорбционной загрузок из глинта (4-6) и угля (7,8) при промывке

1 - d_n = 1,2 мм, L_n = 0,42 м; 2 - d_n = 1,7 мм, L_n = 0,6 м; 3, 4, 8 - обобщенные прямые с учетом коэффициента формы гранул б; 5 - d_г = 1,5 мм, L_г = 0,4 м; 6 - d_г = 2,5 мм, L_г = 0,4 м; 7 - d_уг = 1,5 мм, L_уг = 0,35 м; 9 - обобщенная прямая с учетом коэффициента поверхности слоя г; 10 - L_сл = 0,25 м, ц = 0,15

В главе 4 "Исследование процессов безреагентного осветления и обесцвечивания воды" приведены результаты технологических исследований осветлительно-сорбционных процессов очистки воды.

Для этих целей в лаборатории экспериментальный стенд (рис.1) был дополнен блоком приготовления и дозирования замутнителя.

С целью определения влияния устойчивости частиц примеси в исходной воде на эффективность работы осветлительно-сорбционного фильтра были проведены опыты с водными суспензиями с различным размером частиц взвеси и их кинетической устойчивости (тонкой глины, ила, муки и талька). Результаты опытов показали, что наиболее высокую кинетическую устойчивость частиц суспензий среди исследованных имела суспензия замутненная тонкой глиной, самую низкую устойчивость - замутненная илом.

Экспериментальные исследования, проведенные на воде, замутненной предварительно отстоенной суспензией ила, с мутностью в разных фильтроциклах от 30 до 250 мг/л и скоростями фильтрования от 0,5 до 5,0 м/ч показали, что в течение 8 часов и более при мутности исходной воды до 30 мг/л и скорости фильтрования 0,5-1 м/ч, может быть обеспечено снижение мутности в фильтрате до 3 мг/л. Такая вода по нормативам GB5749-85 Китая может быть использована для питьевых нужд. С увеличением скорости фильтрования воды до 5 м/ч и нагрузки по взвешенным веществам в ней до 250 мг/л, наблюдается ухудшение качества очищенной воды по взвеси до 26,4 мг/л, что, однако, позволяет использовать ее во многих производствах для технических нужд.

Рекомендуемая толщина пенополистирольного слоя с d_п = 1,2-1,5 мм может быть принята равной 0,8-1 м. Толщину волокнистого слоя (для капрона с d_вл = 1,8-2 мм) следует принимать в пределах 0,4-0,5 м. При этом величина коэффициента наполнения волокон в корпусе фильтра должна варьироваться в пределах от 0,2 до 0,3. Толщину угольной загрузки с d_уг = 1-2 мм следует принимать в пределах 0,8-1 м.

Величина грязеемкости комбинированного слоя в опытах достигала 8,22 кг/м². Распределение задержанных минеральных загрязнений определяемых по мутности в пенополистирольном, волокнистом и угольном слоях загрузки в течение фильтроциклов распределялось для трех слоев загрузки соответственно в пределах 93; 4 и 3% от общего количества задержанных загрязнений.

При интенсивности промывки пенополистирольно-волокнистой загрузки в нисходящем потоке воды равной q = 15 л/с·м² и относительном расширении слоя 25-30% основная масса загрязнений удаляется в течение 4-5 мин. Для слоя сорбционной загрузки, которая промывается чистой водой в восходящем потоке, требуемые значения основных параметров процесса промывки составляют q = 8 л/с·м² и t_пр = 5-7 мин. При этом относительное расширение слоя угля в опытах не превышало 15-20%.

Результаты опытов по обесцвечиванию воды, разбавленной торфяной вытяжкой показали, что в течение 8 часов при мутности исходной воды до 10 мг/л, цветности до 50 град. и скорости фильтрования до 1,5 м/ч, обеспечивается снижение мутности в фильтрате до 3 мг/л, цветности до 15 град, а с увеличением скорости фильтрования исходной воды до 5,0 м/ч, мутности до 55 мг/л и цветности до 65 град. мутность в фильтрате снижается до 26 мг/л, цветность - до 28 град.

При обесцвечивании воды с большей мутностью исходной воды (М>50 мг/л) возрастает эффективность обесцвечивания воды. Это может быть объяснимо частичной сорбцией органических гуминовых веществ на частицах замутнителя (ил), которые в свою очередь более эффективно задерживаются на поверхности гранул и волокон инертного слоя.

Эффективность безреагентного осветления и обесцвечивания воды на каждом из трех слоев загрузки фильтра приведена на рис.4 (а, б).

а) б)

Рис. 4. Эффективность послойного осветления (а) и обесцвечивания (б) воды на осветлительно-сорбционном фильтре

С_о = 50.55 мг/л, Ц_о = 60.65 град.; 1 - х = 1,5 м/ч; 2 - х = 3,0 м/ч; 3 - х = 5,0 м/ч

В ходе экспериментов было установлено, что при относительно постоянной концентрации органических примесей, обуславливающих цветность исходной воды по мере увеличения числа фильтроциклов, средней продолжительностью от 12 до 14 часов, эффективность сорбционной способности угля марки АГ-3 уменьшается. При этом эффективность обесцвечивания снижается примерно на 2-5% с каждым новым фильтроциклом. Через 12-15 фильтроциклов требуется частичная замена и добавление сорбционной загрузки.

Глава 5 "Испытание осветлительно-сорбционного фильтра в производственных условиях и технико-экономическое обоснование его конструктивного оформления" освещает результаты испытаний полупромышленного фильтра на рекуперированной воде в гостинице "Цуйгун" в г. Пекине и технико-экономических расчетов напорных и безнапорных конструкций фильтров с различными вариантами размещения загрузки.

Анализ результатов исследований процесса очистки рекуперированной воды близкой по своему качеству к сильно загрязненным водам поверхностных источников Китая (таблица 2) на ОСФ с загрузкой из гранул пенополистирола крупностью 0,7-2 мм, толщиной слоя 1,2 м; волокнистых нитей с d_вл = 0,5 мм, l_сл = 0,5 м и ц = 0,2 и угля с гранулами цилиндрической формы 1,5 х 2,5 и l_сл = 1 м показал, что при х до 2 м/ч и продолжительности фильтроцикла 12-14 часов очищенная вода после ее обеззараживания по основным показателям соответствовала требованиям нормативов Китая, что подтверждено соответствующим Актом испытаний.

Для технико-экономического сравнения были выбраны напорный и безнапорный варианты конструкций ОСФ с различным размещением осветлительно-сорбционных загрузок и производительностями станций от 100 до 1000 м³/сут.

Результаты технико-экономических расчетов (рис.5) показали, что при производительностях станций до 350 м³/сут приведенные затраты примерно одинаковы для безнапорных и напорных фильтров. При производительностях станций от 350 до 1000 м³/сут экономичнее вариант с напорными конструкциями ОСФ.

Таблица 2. Результаты исследований процесса очистки рекуперированной воды

Рис.5. Приведенные затраты при различных производительностях фильтровальных станций 1, 2 - приведенные затраты; 3, 4 - капиталовложения; 5, 6 - эксплуатационные затраты; 1, 3, 5 - напорная конструкция; 2, 4, 6 - безнапорная конструкция

Общие выводы