Geum.ru

Геоэкологическая безопасность хозяйственно-питьевого водопользования в верхнем и среднем приобье

Вид материалаАвтореферат
Запах, баллы
Нитраты (по NO3), мг/дм
Подобный материал:
1   2   3   4   5   6   7   8   9   10


№
Показатели качества, единицы измерения
Гигиенический норматив

Скважина 1

Вода исходная./ очищенная
Скважина 2

Вода исходная/ очищенная

1

Запах, баллы
Не более 2
3/1
3(сероводор.)/1

2
Мутность, мг/дм3
1,5
2,2/<0,5
1,71/<0,5

3
рН
6-9
7,5/7,0
8,4…6,9/6,95

4
Жесткость, ммоль/дм3
7
6,52/4,76
6,8/6,8

5
Окисляемость перманганатная, мгО/дм3
5
1,14/0,5
1,28/0,8

6
Азот аммонийный (N), мг/дм3
<2
0,42/0
0,1/0

7

Нитраты (по NO3-), мг/дм3
<45
0,1/0,1
1,5/0,48

8
Нитриты, мг/дм3
<3
0,003/0



9
Сульфаты, мг/дм3
500
7,5/7,5



10
Хлориды, мг/дм3
350
6,2/6,2



11
Железо, мг/дм3
0,3

1,65/0,13
4,28/0,12

12
Марганец, мг/дм3
0,1

0,28/0
0,18/0,10

13
Сухой остаток, мг/дм3
1000
407/352
338…410/390

14
Кремний (по Si), мг/дм3
10
11,0/9,0
11,6/10

15
Кальций, мг/дм3
от 30 до 140
103,2/88,2



16
Магний, мг/дм3
от 5 до 85
16,4/4,3



17
Щелочность, ммоль/дм3
0,5…6,5
6,95/6,25



18
Цинк, мг/дм3
<3
3х10-3/1,7х10-3



19
Медь, мг/дм3
<1
7х10-4/3х10-4



20
Свинец, мг/дм3
<0,03
2.2х10-4/1,0х10-4



21
Хром, мг/дм3
<0,05
0,02/<0,05



22
Ртуть, мг/дм3
<0,0005
5х10-5/3х10-5



23
Фенол, мг/дм3
<0,001
<0,001/<0,001




зрения на механизмы этих процессов не существует. В большинстве случаев математическое описание их осуществляется феноменологически. Это дает возможность увязать теоретические выкладки с практическим их использованием для определения параметров фильтров [Д.М. Минц, М.Г. Журба, А.М. и В.А. Фоминых]. Вместе с тем суть протекающих процессов не до конца раскрывается, т.к. детальное изучение возможно только при выделении и оценке факторов, определяющих процесс, т.е. на основании измерения и описания процесса захвата, удержания и отрывания частиц взвеси в зернистом фильтрующем материале, рассматривая интегральный результат всей суммы факторов.

Нами на основе анализа процессов, происходящих при фильтрации малоконцентрированных суспензий, создана математическая модель фильтрационной очистки воды от механических примесей с помощью скорого фильтра с пористой загрузкой. Модель описывает напорную фильтрацию жидкости, перенос мелких частиц примесей с потоком жидкости, прилипание и отрыв частиц примесей от поверхности зерен загрузки (кольматацию и суффозию), изменение пористости и проницаемости пористой среды. Рассматриваемая система представляется в виде совокупности следующих частей: зерна загрузки (0); подвижная жидкость, находящаяся в проточных порах (1); взвешенные частицы примесей, перемещающиеся вместе с потоком жидкости (2); неподвижная жидкость, связанная с осевшими частицами (3) и неподвижные частицы примесей, осевшие на поверхность пор (4), рис.11.

Предполагается, что жидкость и примеси несжимаемы, скорость движения частиц в потоке равна действительной скорости жидкости. Осевшие частицы имеют рыхлую структуру и переводят подвижную жидкость в неподвижное состояние. Пористость осадка ε считается постоянной. Скорость фильтрации суспензии определяется законом Дарси:

, (1)

где k – проницаемость среды, зависящая от насыщенности осадка; µ – вязкость суспензии, зависящая от объемной доли взвешенных частиц; P – давление; x – координата вдоль потока; SФ - объемная доля порового пространства, занимаемого частью системы (Ф=1–4).

Система уравнений, определяющая изменение объемных долей SФ и распределение давления P вдоль фильтра, записывается в виде:

, (2)

, (3)

, (4)

, (5)

, (6)

где т0 –пористость загрузки в отсутствии кольматации; J13 – плотность потока жидкости из части системы 1 в часть 3 результате кольматации и суффозии; J24, J42 – плотность потока частиц вследствие кольматации и суффозии; t – время.

Плотность потока кольматации прямо пропорциональна объемной доле частиц в подвижной части системы и линейно увеличивается с ростом скорости фильтрации U:

, (7)

где α, α1 – параметры скорости оседания частиц на поверхность зерен загрузки. Плотность потока суффозии возрастает с ростом градиента давления и увеличением объема накопившегося к данному моменту времени осадка:

, (8)

где β, β1 – параметры скорости подъема частиц с поверхности пор. Плотность потока жидкости из подвижного состояния в неподвижное определяется разностью потоков кольматации и суффозии:

. (9)

Зависимость вязкости суспензии от доли взвешенных частиц определяется формулой:

, (10)

где µ0– вязкость воды.

Осаждение частиц примесей на поверхность зерен приводит к уменьшению проницаемости среды k. Для описания зависимости проницаемости от величины проточной пористости используются экспериментальная зависимость, выражаемая формулой:

, (11),

где k0 – начальная проницаемость загрузки фильтра.

На основе предложенной модели созданы численные алгоритмы и разработаны компьютерные программы, с помощью которых было проведено компьютерное исследование фильтрационной очистки воды от механических примесей и определены закономерности, связывающие кольматацию пространства пор с ростом гидравлического сопротивления фильтра. Результаты моделирования представлены на рис. 12-14. Фильтрация суспензии сопровождается накоплением осадка, снижением проницаемости среды и ростом градиента давления (рис. 12). Накопление осадка происходит первоначально во входной части фильтра. По мере достижения предельного насыщения граница области отложений перемещается в направлении потока. При продвижении области отложений к выходу из фильтра возрастает давление, необходимое для поддержания постоянной скорости фильтрации, и увеличивается количество примесей вышедших из фильтра. В зависимости от режима фильтрации и параметров массопереноса возможно две причины завершения работы фильтра: достижение предельного давления или превышение концентрации примесей в фильтрате заданного значения.

Соответствие результатов компьютерного моделирования экспериментальным данным, представленным в литературе и полученным автором, свидетельствует о правильности модели.

На основании проведенного исследования рассчитана пористость осадка - 250, что говорит об образовании очень рыхлой структуры, этим объясняется трудность дальнейшего обезвоживания. Сделан вывод, что основная нагрузка приходится на первый по ходу потока загрязненной воды слой фильтрующего материала.

В
Степень очистки, %

Время обработки,ч

Рис. 15. Влияние высокочастотной электрообработки на степень очистки воды
результате моделирования и физико-химического исследования свойств осадка показано, что для увеличения грязеемкости фильтра необходимо оптимизировать режим коагуляции и осаждения с тем, чтобы увеличить объемную долю твердой фазы осадка (уменьшить пористость осадка). С этой целью исследованы режимы электрообработки воды для направленного воздействия на электрохимические процессы при удалении загрязнителей (электроактивация процессов коагуляции, адсорбции осаждения, электрокаталитическая деструкция органических веществ).

В лабораторных условиях изучено действие частотного электрохимического нейтрализатора оригинальной конструкции. В отличие от традиционных электрохимических аппаратов, действующих как электролизеры, используемое устройство позволяет воздействовать на загрязнители воды импульсами специальной формы. Устройство представляет собой многоэлектродную систему, к двум электродам присоединены 4-6 пластин на расстоянии 4-5мм. Суммарная площадь электродов составляла 320 см2. Эффективная (действующая) плотность тока достигала 1-1,5 А/дм2, что на 2 порядка ниже, чем у устройств, работающих на промышленной частоте. Для пары пластин процесс выглядит так. В течение 1с на один из железных электродов подается импульс положительной полярности с частотой 100 Гц, при этом генерируются ионы Fe2+. После этого в течение 10с на оба электрода подаются мощные импульсы (25кГц). Мощные электроимпульсное воздействие разрушает устойчивые формы кремния, железо-органические и марганец-органические комплексы. На следующем этапе на второй электрод подаются 100 Гц импульсы в течение 1с, а затем вновь 25кГц на оба электрода в течение 10с. Весь период воздействия составляет 24с. Под действием электрических импульсов частицы, находящиеся в воде, деформируются и поляризуются. Изменяются заряды ионов, снижается их гидратация, повышается вероятность столкновения и возможность сближения частиц. Все это способствует формированию центров кристаллизации, соосаждению кремния, кальция, магния, железа. Полевое воздействие на агрегативную и седиментационную устойчивость коллоидных частиц, особенно обладающих большой магнитной восприимчивостью, ускоряет коагуляцию, кроме того, изменяется смачиваемость поверхностей, ускоряются и усиливаются адсорбционные процессы.

В 4 главе также предложена установка для проведения имитационного моделирования и технологических изысканий для оптимизации выбора технологии очистки воды, имеющей сложный состав загрязнителей (патент 37088).

В главе 5 выполнен анализ тенденции привлечения в качестве фильтрующих материалов заменителей кварцевого песка (керамзитов, горелых пород, шлаков (вулканических и металлургических), углей (активированных, антрацита), цеолитов и исследована возможность использования кремний-содержащих отходов. Рассмотрено современное состояние проблемы утилизации осадков сточных вод, показаны пути интенсификации выделения и утилизации осадков промывных вод станций обезжелезивания, в том числе использование железосодержащих осадков промывных вод для очистки бытовых сточных вод.

Истощение освоенных месторождений кварцевого песка и низкие технологические показатели некоторых фильтрующих материалов, а также высокие цены на рекламируемые импортные и отечественные новые материалы и большие расходы на транспортировку делают актуальным поиск эффективных местных природных и искусственных минералов, удовлетворяющих требованиям ГОСТа: устойчивых к износу, химически стойких, не выделяющих вредных веществ при контакте с водой.

Сравнение химического и минералогического состава природных минералов, пригодных для использования в качестве фильтрующих загрузок, и сырья для производства синтетических пористых материалов показывает их сходство. Основными компонентами состава являются оксиды кремния (45-65 %), алюминия (15-25 %), железа (6-10 %), кальция (6-8 %) (Табл.7).