Разработка технологии адсорбционной очистки поверхностных вод для питьевых целей 25. 00. 36 Геоэкология
| Вид материала | Автореферат диссертации |
- Осадков для очистки поверхностных ливневых и талых вод, 59.67kb.
- Разработка технологии очистки сточных вод текстильных предприятий с целью их повторного, 442.22kb.
- Сравнительная оценка соответствия региональных питьевых подземных и поверхностных вод, 69.24kb.
- Разработка технологии очистки нефтесодержащих сточных вод с использованием смешанного, 309.65kb.
- Разработка комбинированной технологии очистки хозяйственно-бытовых сточных вод для, 309.18kb.
- Технологическая схема очистки хозяйственно-бытовых сточных вод г. Кыштыма, 49.54kb.
- Анализ временной динамики и пространственной изменчивости качества поверхностных вод, 402.73kb.
- Алексеева Кафедра «Технология неорганических веществ», 239.16kb.
- Физико-химические методы очистки сточных вод Малкова С. В., Машкова С. А., Шапкин, 45.75kb.
- Реферат установка для очистки сточных вод, 11.06kb.
УДК 628.161.2; 628.16.081.32 На правах рукописи
Мусабеков Ахметбек Ахылбекович
Разработка технологии адсорбционной очистки
поверхностных вод для питьевых целей
25.00.36 – Геоэкология
Автореферат
диссертации на соискание ученой степени
кандидата технических наук
Республика Казахстан
Шымкент, 2010
Работа выполнена в Южно-Казахстанском государственном университете
им. М. Ауезова
Научный руководитель: доктор технических наук
Алтынбеков Ф.Е.
Научный консультант: доктор технических наук
Сатаев М.И.
Официальные оппоненты: доктор технических наук
Бестереков У.Б.
кандидат технических наук
Шегенбаев А.Т.
Ведущая организация: Алматинский институт энергетики и связи
Защита состоится «31» мая 2010 г. в 10 00 часов на заседании диссертационного совета Д 14.23.02 при Южно-Казахстанском государственном университете им. М.О. Ауезова по адресу 160012, г. Шымкент, пр. Тауке-хана, 5, ЮКГУ, главный корпус, ауд. 342.
С диссертацией можно ознакомится в библиотеке Южно-Казахстанского государственного университета им. М.О. Ауезова по адресу: 160012,
г. Шымкент, пр. Тауке-хана, 5, главный корпус, ауд.215.
Автореферат разослан «29» апреля 2010г.
Ученый секретарь
диссертационного совета, д.т.н. Анарбаев А.А.
Введение
Общая характеристика работы. Проблема обеспечения пресной водой актуальна для многих стран, в частности для государств Центрально-Азиатского региона. В Южном Казахстане проблема обеспечения населения качественной питьевой водой наряду с природным дефицитом водных ресурсов усугубляется неудовлетворительным техническим состоянием систем водоснабжения, что приводит к ухудшению санитарно-эпидемиологической обстановки и росту заболеваемости. Каждый второй житель Казахстана употребляет некачественную питьевую воду. Ситуация осложняется тем, что многие загрязняющие вещества в воде, контролирующими службами, не определяются. Проводимый ими мониторинг качества воды не в полной мере отражает степень пригодности воды для питьевого водоснабжения.
В республике фактически нет водоемов или источников, пригодных для использования без предварительной очистки. Неблагоприятная экологическая обстановка, недостаточная защищенность системы хозяйственно-питьевого водоснабжения от воздействия токсичных промышленных и других отходов в настоящее время создают реальную угрозу сокращения или даже полного прекращения подачи воды в ряде городов и других населенных пунктов, что может вызвать большую социальную напряженность. Для обеспечения безопасного качества питьевой воды нужны безотлагательные меры.
В результате бедственного состояния систем водоснабжения во многих городах и населенных пунктах республики не обеспечивается бесперебойное снабжение населения водой, а ее качество не соответствует санитарно-гигиеническим требованиям, отвечающим критериям безопасности для человека. По данным Всемирной Организации Здравоохранения, продолжительность жизни людей на 70% зависит от качества потребляемой воды.
В связи с этим особенно актуальной является разработка и внедрение перспективной, безотходной и высокоэффективной адсорбционной очистки поверхностных вод, являющихся источником питьевого водоснабжения.
Актуальность темы. Очищенная вода должна соответствовать нормируемым требованиям Всемирной Организации Здравоохранения, Комитета по охране окружающей среды EPA (США), Совета ЕС и СанПиН РК 2.1.4.1074-01. Такую высокую степень чистоты питьевой воды можно получить только при использовании современных технологий для очистки воды. Одним из таких эффективных методов глубокой и тонкой очистки вод является адсорбционная технология. В отличие от существующих аппаратурно-технологических решений, адсорбционная технология обеспечивает получение глубоко очищенной воды из городских сетей водоснабжения, а также из питьевых водоемов.
Анализ теоретического и экспериментального материала по исследованию структуры адсорбционных слоев, учитывающие пористые слои с четко упорядоченной и хаотической структурой показал, что при адсорбционной очистке необходим учет структурной характеристики адсорбционного слоя – порозности. Полученные в этом направлении результаты необходимы при разработке технологии адсорбционной очистки поверхностных вод, являющихся источником питьевой воды, что обуславливает актуальность темы диссертации.
Разработка новых подходов оценки состояния водных объектов используемых для их классифицирования или ранжирования с использованием критериев оценки качества, гигиенической классификации водных объектов по степени загрязнения, системы санитарно-гигиенического нормирования, сохранения структуры и функциональных особенностей всей экосистемы в целом, критериев санитарно-гигиенической оценки опасности загрязнения питьевой воды и источников питьевого водоснабжения химическими веществами, оценки загрязнения питьевой воды на соответствие гигиеническим нормативам, величинам, рекомендуемым ВОЗ обеспечивает выполнение основных функций оценки класса качества воды, объяснению и прогнозированию наблюдаемых в природе явлений.
Работа выполнялась в соответствии с планом НИР ЮКГУ им. М.О. Ауезова г/б НИР Б-ФТС-5-96 «Методология оценки экологической эффективности предприятий и создание ресурсосберегающих технологий» 1996–2000 гг., координационным планом НИР ЮКГУ им. М.О. Ауезова БТИ-05-5 «Обеспечение экологической безопасности состояния окружающей среды адсорбционными и мембранными методами очистки водных и газовых потоков» 2006–2009 гг.
Цель работы: Количественная и качественная экологическая оценка загрязнения поверхностных вод и разработка адсорбционного метода их очистки.
Для достижения этой цели были поставлены следующие задачи:
- экологическая оценка качества воды и водохранилища Торлан Сузакского района по степени загрязнения;
- исследование кинетики адсорбционной очистки поверхностных вод и механизма взаимодействия загрязняющего вещества с адсорбентом;
- разработка модели адсорбционной очистки поверхностных вод в неподвижном слое и структуры пористых адсорбционных слоев;
- разработка оптимальных условий и усовершенствование технологии адсорбционного метода очистки поверхностной воды;
- опытно-промышленная проверка достоверности основных положений и выводов.
Научная новизна работы:
- дана экологическая оценка антропогенной нагрузки на источники питьевого водоснабжения и опасности загрязнения питьевой воды Сузакского района с учетом аккумуляции веществ, общего фона загрязнения, сезонных особенностей природно-климатической зоны;
- установлены закономерности влияния природных факторов, на фоне которых проявляется токсичность загрязняющих веществ на качественные и количественные зависимости адсорбционной способности активированных углей;
- на основе теории фрактальных кластеров предложено уравнение для расчета порозности слоя, учитывающее средний радиус кластера, фрактальную размерность кластерной структуры и показатель анизотропии слоя адсорбента.
Научные положения, выносимые на защиту:
- результаты экспериментальных исследований адсорбции загрязняющих веществ в неподвижном слое и регенерации активированного угля;
- оценка загрязнения питьевой воды на соответствие гигиеническим нормативам и качества воды по комплексной экологической классификации качества поверхностных вод водохранилища Торлан Сузакского района;
- моделирование адсорбционной очистки в неподвижном слое адсорбента и структуры пористых адсорбционных слоев;
- адсорбционная технология очистки поверхностных вод и разработка эффективной адсорбционной установки.
Практическая ценность. Дана оценка экологической ситуации и рассчитаны показатели уровня токсической загрязненности водных экосистем, оценка качества воды и ее классификация по комплексной экологической классификации качества вод открытых водоемов.
Разработан адсорбционный метод очистки поверхностных вод, предложена эффективная конструкция адсорбционного устройства (предварительный патент РК № 18435) и предложены практические рекомендации по рациональному выбору конструктивных и режимных параметров адсорбера.
Апробация практических результатов. Технология адсорбционной очистки поверхностных вод и адсорбер с неподвижным слоем адсорбента апробированы в опытно–промышленном масштабе при очистке поверхностных вод, являющихся источником водоснабжения питьевой водой в ГКП «Шолак-Корган-Су» Сузакского района Южно-Казахстанской области. Ожидаемый эколого-экономический эффект от внедрения результатов данной работы и аппаратурной модернизации составляет 4080960 тенге.
Апробация работы. Результаты работы докладывались и обсуждались на международных научно-методических, научно-практических конференциях: «Топорковские чтения», (г. Рудный, 2006г.); «Келешек-2006», (г. Жезказган, 2006г.); «Актуальные проблемы экологии и природопользования в Казахстане и сопредельных территориях», (г. Павлодар, 2006г.); «Научное пространство Европы-2007», (г. Днепропетровск, 2007г.); «Экологическая безопасность урбанизированных территорий в условиях устойчивого развития», (г. Астана, 2007г.); «Образование и наука в XXI веке - 2008», (г. София, 2008г.); «Химия в строительных материалах и материаловедение в XXI веке», (г. Шымкент, 2008г.), «Исследование, разработка и применение высоких технологии в промышленности», (г. Санкт-Петербург, 2009г.), «Ауезовские чтения-8» (г. Шымкент, 2009г.).
Структура и объем диссертации. Диссертационная работа изложена на 121 страницах машинописного текста. Состоит из введения, основной части, которая включает 4 раздела, 34 рисунков, 29 таблиц, заключения, списка использованных источников 143 наименований и приложений на 10 страницах.
Публикации. По теме диссертации опубликовано 15 печатных работ, из которых 5 в изданиях, рекомендованных Комитетом по контролю в сфере образования и науки МОН РК, 9 в материалах международных конференций и получен 1 предварительный патент РК.
Основная часть
Во введении дана краткая оценка современного состояния решаемой проблемы, основание и исходные данные для разработки темы, обоснование необходимости проведения научно-исследовательской работы, сведения о планируемом научно-техническом уровне разработки, сведения о метрологическом обеспечении научно-исследовательской работы. Показаны актуальность и новизна темы, связь данной работы с другими научно-исследовательскими программами, а также приведены данные о структуре и объеме диссертации.
В первом разделе дан анализ литературных данных по современному состоянию и перспективам применения адсорбционной очистки поверхностных вод. Представлено современное состояние экологической оценки степени загрязнения поверхностных вод. Рассмотрены теоретические основы адсорбционного разделения водных потоков, очистки поверхностной воды и перспективы применения адсорбционных технологий очистки вод. На основании проведенного анализа сформулированы цели и осуществлена постановка задач исследования.
Второй раздел посвящен разработке адсорбционной очистки поверхностных вод, являющихся источником питьевого водоснабжения. Разработана конструкция адсорбера, позволяющая повысить эффективность установки, увеличить коэффициент использования полезного объема аппарата и степень обработки адсорбционной ёмкости адсорбента в слое, стабильность качества очищенного потока и компактность установки. Адсорбер, содержит корпус, камеру контакта адсорбента с очищаемым потоком, штуцеры для подачи и отвода потока, штуцеры для подачи и отвода регенерирующего агента, патрубок, объединяющий штуцеры для отвода потока и подачи регенерирующего агента, люки для загрузки и выгрузки адсорбента. Адсорбционная установка дополнительно снабжена установленной по оси установки вертикальной камерой контакта адсорбента с потоком, имеющей круглое сечение и соединенное с патрубком для отвода потока и подачи регенерирующего агента, при этом нижняя часть стенок внутренней камеры выполнена сплошной. За счет установки дополнительной внутренней камеры контакта адсорбента с очищаемым потоком повышается эффективность установки, увеличивается коэффициент использования полезного объема установки и степень обработки адсорбционной ёмкости адсорбента в слое, стабилизируется качество очищенного потока при максимальной компактности установки, уменьшается образование застойных и неиспользуемых зон.
Определено влияние скорости водного потока и времени очистки на поглощаемость хлора активированным углём, где оптимальными факторами режима являются: время процесса очистки – 0,5 часов; скорость водного потока – 0,0028 м/с. Установлены зависимости концентрации сульфатов в очищенной воде от равновесной концентрации и зависимость адсорбции фторидов от равновесной концентрации. Максимальная адсорбция фторидов наступает за 2 часа, где мы наблюдаем величины адсорбции порядка 90% от максимально достижимых. В поверхностных водах содержится железо в органических комплексах (гуматы), а также образует коллоидные и высокодисперсные взвеси. Адсорбция на исследуемых активированных углях КАУ равна 0,8мг/г и она по сравнению с промышленными активированными углями ОУ и БАУ выше по величине. Исследования для разных пористых структур показал, что наиболее оптимальным является отношение микропор к мезопорам в соотношении 1/3 (рисунка 1).
| Величина адсорбции А, мг/г |
Равновесная концентрация Сравн, мг/л
Соотношение микропор к мезопорам: 1 –1/3; 2 – 1/2; 3 – 1/1,5
Рисунок 1 – Зависимость величины адсорбции железа для разных пористых структур
В процессе промышленного использования адсорбентов всегда наблюдается снижение активности адсорбентов с числом адсорбционно-регенерационных циклов. Изучены методы проведения регенерации и определен эффективный метод регенерации после адсорбции поверхностных вод - отгонка адсорбата из активированного угля водяным паром при температуре 2500С.
Выявлено изменение общей степени регенерации в зависимости от диаметра гранул и зависимость степени очистки от числа адсорбционно- регенерационных циклов (рисунок 2). Оптимальный расход пара для достижения степени регенерации свыше 80 % составил 15 ккал., а 5%-ное падение степени очистки наблюдается в течение 15 циклов, в дальнейшем уменьшение происходит незначительно, и после 40 циклов степень очистки составила 88,5 % от первоначальной.
.
3
2
1
Диаметр гранул d, мм
Температура пара: 1- 2000С, 2 - 2300С, 3 - 2500С
Рисунок 2 - Зависимость общей степени регенерации от диаметра гранул
В третьем разделе представлена оценка загрязнения и качества поверхностной воды водохранилища Торлан Сузакского района ЮКО с населением более 20 000 человек. Для этого проведена оценка качества питьевой воды после адсорбционной очистки на соответствие гигиеническим требованиям, величинам, рекомендуемым ВОЗ (таблица 1). Определено качество исходной и очищенной воды аналитическим контролем по следующим показателям: цветность и мутность, перманганатная окисляемость, концентрация железа.
Для оценки загрязнения и качества питьевой воды на соответствие гигиеническим нормативам. Проведен эколого-токсикологический мониторинг водной экосистемы в целом. Полученные данные являются весьма важными при оценке состояния здоровья населения, для решения задач комплексного анализа состояния экосистемы региона, оценке характера совокупной антропогенной нагрузки и на этой основе предложены рекомендации по направлениям устойчивого эколого-экономического развития и социально-экологической реабилитации территорий. Оценка качества воды водохранилища Торлан осуществлялась с использованием следующих показателей: химические показатели состояния воды (таблица 2), бактериологические и гидробиологические показатели (таблица 3), показатели состояния воды по физическим и органолептическим свойствам (таблица 4), оценка качества воды по комплексной экологической классификации качества поверхностных вод (таблица 5). Экологическая оценка показала, что применение адсорбционной очистки поверхностных вод, являющихся источником питьевого водоснабжения обеспечивает улучшение показателей качества воды в соответствии со стандартами и экологической классификацией.
Таблица 1 – Качество питьевой воды по требованиям ГОСТа 2874-82 и нормативам ВОЗ
| № | Показатели | Ед. изм. | ГОСТ 2874-82 СанПиН 3.02.002.04 | Всемирная организация здравоохранения (ВОЗ) | Исход- ные показа- тели | ШолакКорган-Су |
| 1 | Температура | Град. | | Вода должна быть приятной | 15 | 15 |
| 2 | Запах при 200 С не более | Балл | 2 | Вода должна быть приятной | 3,0 | 0 |
| 3 | Запах при 600С не более | Балл | 2 | Вода должна быть приятной | 3,0 | 0 |
| 4 | Вкус и привкус 200С не более | Балл | 2 | Вода должна быть приятной | 3,0 | 0 |
| 5 | Цветность, не более | Град. | 20 | 15 стандартных единиц света | 80 | 5,0 |
| 6 | Мутность, не более | мг/дм3 | 1,5-(2,0) | 5 ЕМФ | 7,0 | 0,25 |
| 7 | рН | ед. рН | 6,0-9,0 | 6,5-8,5 | 5,8 | 7,5 |
| 8 | Жесткость общая, не более | мгэкв/дм3 | 7,0-10,0 | - | 11,0 | 7,8 |
| 9 | Сухой остаток, не более | мг/дм3 | 1000 | - | 1500 | 96 |
| 10 | Фториды | мг/дм3 | 0,75 | 1,5 | 5,0 | 0,015 |
| 11 | Железа, не более | мг/дм3 | 0,3 | 0,3 | 1,0 | ‹ 0,01 |
| 12 | Хлор остаточный | мг/дм3 | 0,3-0,5 | 0,6-0,7 | - | 0,08 |
| 13 | Свинец | мг/дм3 | 0,03 | 0,01 | <0,003 | <0,003 |
| 14 | Альфа-активность суммарная | Бк/дм3 | 0,1 | 0,1 | <0,1 | <0,1 |
| 15 | Бета-активность суммарная | Бк/дм3 | 1,0 | 1,0 | <0,1 | <0,1 |
| 16 | Сульфаты, не более | мг/дм3 | 500 | 250 | 600 | 19 |
| 17 | Хлориды, не более | мг/дм3 | 350 | 250 | 510 | 1,5 |
Исследована кинетика адсорбционной очистки поверхностных вод и механизм взаимодействия загрязняющего вещества с адсорбентом. Выявлено влияние параметров адсорбционного слоя на динамику и кинетику процесса адсорбции в неподвижном слое, характеризующихся изменением геометрических характеристик слоя за счет динамического воздействия потока сплошной среды с использованием фрактальной теории и размерности, характеристикой адсорбционных слоев кластерного типа.
Таблица 2 - Химические показатели состояния воды
| Степень загрязнения | Растворенный кислород | БПК5, в мг/л | Окисляемость, в мг/л О2 | Аммонийный азот, в мг/л | Токсичные вещества в долях ПДК | Радио- активность общая в долях норматива | ||
| в мг/л | % насыщения | |||||||
| Лето | Зима | |||||||
| Очень чистые | 8,6 | 13,1 | 95 | 2,0 | 1,3 | 0,05 | 0, 08 | 0,1 |
Таблица 3 - Бактериологические и гидробиологические показатели
| Степень загрязнения | Бактериологические | Яйца гельминтов в 1м3 | Санитарно-гидробиологические | |||
| Кишечная палочка (титр) | Сапрофитные микроорганизмы в 1 мл | Прямой счет | Сапробность | Биологический показатель загрязнения | ||
| Очень чистые | 380 | a20 | 105 | Нет | Ксеносапробная | 4 |
Таблица 4 - Показатели состояния воды по физическим и органолептическим свойствам
| Степень загрязнения | Взвешенные вещества мг/л | Прозрачность | Запах, в баллах | Нефть | рН | ||
| по Секки, в м | по Снеллену, в см | в баллах | в мг/л | ||||
| Очень чистые | 0,25 | 2,5 | 40 | 0 | 0 | 0,00 | 7,5 |
Таблица 5 – Оценка качества воды по комплексной экологической классификации качества поверхностных вод
| Показатели | Градации качества | ||
| Группа | Подгруппа | Класс | |
| Солевой состав | Степень минерализации (соленость) | Пресные | |
| Эколого-санитарная (трофосапробиологическая) | Гидрофизические | Предельно чистая | |
| Биотрофные и гидрохимические | |||
| Эколого-токсиколо-гическая | Содержание токсичных веществ | неорганические | Удовлетворительной чистоты |
| органические | |||
| Радиоэкологическая | нет | ||
Основной структурной характеристикой адсорбционного слоя является его порозность или пористость. Порозность является макроскопической характеристикой слоя, и может быть определена только на достаточно больших участках пористой системы, содержащих большое число элементов. Для оценки порозности слоя предложено выражение:
(1)Установлен механизм адсорбции в адсорбционном слое и предложена оценка коэффициентов пропорциональности
и 
учитывающих различие скоростей потока в продольном, т.е. по потоку, и поперечном направлениях, исходя из тетраэдральной укладки зерен в слое, где на рисунке 3 представлена зависимость коэффициентов пропорциональности от порозности. 
(2)
(3)Расчет соответствия скорости и сдвиговой деформации, обусловленной воздействием потока жидкости, позволяет рассчитывать изменение порозности слоя по сравнению с порозностью неподвижной укладки
:
(4)На рисунке 4 представлена зависимость порозности деформированного слоя от порозности неподвижного слоя при различных значениях параметра напряжения сдвига
. Предложенная математическая модель требует использования минимума эмпирической информации. Это позволяет рекомендовать ее для расчета процессов переноса в зернистых адсорбционных слоях.
Определены закономерности влияния показателей эффективности адсорбционной очистки - порозности и факторов загрязнения на такой показатель как обобщенная функция Харрингтона D (рисунок 5). В состав объектно-характеристических матриц, участвующих в математической обработке, включены непосредственные значения и факторы загрязнения - концентрация С загрязняющих компонентов, количество видов вредных веществ, растворенный кислород, биохимическое потребление кислорода, рН, коли-индекс.
Из рисунка видно, что интервал варьирования обобщенного показателя D равен от 0,7 до 0,95, при этом класс качества воды – чистая. Согласно принципу мажоритарности средних, среднегеометрическая по численному значению меньше, чем среднеарифметическая, поэтому описанный подход дает более жесткую оценку качества воды, чем, например, традиционно используемый индекс загрязненности вод ИЗВ.
1
2
Порозность , ε
1 -
; 2 - Рисунок 3 - Зависимость коэффициентов пропорциональности от порозности зернистого слоя
1
2
3
4
Порозность неподвижного слоя, ε0
Напряжение сдвига: 1 – γ=2*104 Па, 2 – γ=5*104 Па,
3 – γ=1,5*105 Па, 4 – γ=2,5*105 Па
Рисунок 4 - Зависимость порозности деформированного слоя от порозности неподвижного слоя
-
Обобщенная функция Харрингтона D
Порозность,ε
Точки – эксперимент, линия – расчет по модели.
Рисунок 5 – Влияние порозности на обобщенную функцию Харрингтона D
В четвертом разделе представлены результаты практического применения результатов адсорбционной очистки поверхностных вод. Разработана технология адсорбционной очистки поверхностных вод. Проведены опытно-промышленные испытания по очистке воды в ГКП «Шолак-Корган-Су», гигиеническая оценка качества питьевой воды и воздействие на здоровье населения, оценка качества питьевой воды после адсорбционной очистки на соответствие гигиеническим требованиям, рекомендуемым ВОЗ. Введение в технологическую схему адсорбционной очистки активированными углями позволит: улучшить качество питьевой воды по показателям органического загрязнения (окисляемости, цветности, мутности); повысить барьерную роль сооружений при залповых техногенных загрязнениях водоисточника; улучшить микробиологические показатели воды.
Заключение
Краткие выводы по результатам диссертационных исследований:
1. Предложена усовершенствованная технология очистки поверхностных вод, являющихся источником водоснабжения питьевой водой, разработана эффективная конструкция адсорбционного очистного сооружения.
2. Дана экологическая оценка антропогенной нагрузки на источники питьевого водоснабжения, качества и опасности загрязнения поверхностной воды водохранилища Торлан. Определены показатели уровня токсической загрязненности воды и ее классификация по комплексной экологической классификации качества вод открытых водоемов.
3. Выявлен механизм взаимодействия загрязняющего вещества с активированным углём, определены условия его наиболее эффективной эксплуатации в процессах водоочистки. На основе теории фрактальных кластеров предложено уравнение для оценки порозности слоя.
4. На основе выявленного механизма адсорбции в адсорбционном слое получены выражения для коэффициентов пропорциональности, зависящие от структуры зернистого слоя, исходя из тетраэдральной укладки зерен в слое.
5. На основе анализа перемещения носителя через адсорбционный слой и его деформации предложено уравнение, описывающее изменение порозности зернистого слоя при движении через него водного потока.
6. Определено влияние скорости водного потока и времени очистки на поглощаемость остаточного хлора активированным углём, установлена зависимость адсорбции фторидов от концентрации. Сравнение характера выходных и кинетических кривых адсорбции активными углями показал, что механизм адсорбции может быть описан методом параллельного переноса. Определено качество исходной и очищенной воды аналитическим контролем по следующим показателям: цветность и мутность, перманганатная окисляемость, концентрация железа.
Оценка полноты решений поставленных задач. Поставленные цель и задачи исследования, начиная от выбора объектов исследования, исследования механизма взаимодействия загрязняющего вещества с адсорбентом и кинетики адсорбционной очистки поверхностных вод, математической модели адсорбционной очистки поверхностных вод в неподвижном слое и структуры пористых адсорбционных слоев, разработки технологии адсорбционной очистки поверхностной воды и экологической оценки качества воды водохранилища Торлан по степени загрязнения характеризуются полнотой решения и доведением до опытно-промышленной проверки, что подтверждает достоверность основных положений и выводов.
Разработка рекомендаций и исходных данных по конкретному использованию результатов.
Результаты теоретических и экспериментальных исследований по адсорбционной очистке поверхностных вод, математическому моделированию структуры пористых адсорбционных слоев, практическому применению результатов адсорбционной очистки питьевой воды положены в основу рекомендаций по выявлению степени загрязнения поверхностных вод, оценке качества вод. Полученные данные могут быть использованы инженерно-техническими работниками в пищевой, сельскохозяйственной и других отраслях промышленности, научно-исследовательских подразделениях при модернизации, разработке и проектировании очистного оборудования водоснабжения населенных пунктов и преподавателями в учебных институтах при изучении дисциплин «Водоснабжение и канализация», «Технология очистки питьевой воды», «Комплексное использование природных и вторичных ресурсов», «Рациональное использование водных ресурсов», «Геоэкология» и др.
Исходными данными по конкретному использованию результатов работы в организациях водоснабжения являются мониторинг экологического состояния поверхностных вод, оптимальные условия технологии адсорбционной очистки вод.
Оценка технико-экономической эффективности внедрения.
Ожидаемый эколого-экономический эффект от внедрения результатов данной работы и разработки технологии составляет 4080960 тенге.
Оценка научного уровня выполненной работы в сравнении с лучшими достижениями в данной области.
Экологические исследования по анализу и мониторингу состояния поверхностных вод, математическому моделированию адсорбционной очистки поверхностных вод, разработка на их основе установки для очистки поверхностных вод выполнены на высоком научном уровне с использованием современного испытательного и экспериментального оборудования, метрологических стандартов и современных средств измерения. В сравнении с достижениями адсорбционной технологии предлагаемые разработки в сравнении с известными аналогами позволяют повысить эффективность очистки поверхностных вод на 15%.
Условные обозначения:
- порозность или пористость; - порозность неподвижной укладки; 
– текущий радиус, м; 
- средний радиус кластера, м; 
- фрактальная размерность кластерной структуры; 
- показатель анизотропии слоя адсорбента; 
– диаметр зерна, м; 
– характерный размер фильтрационного канала, м; V0 – приведенная скорость основного потока носителя, м/с; и – коэффициенты пропорциональности, зависящие от структуры зернистого слоя; 
- коэффициент динамической вязкости потока носителя, Па*с; – напряжение сдвига, Па. Список опубликованных работ по теме диссертации
1. Мусабеков А.А., Сатаева Л.М., Сатаев М.И., Алтынбеков Ф.Е. Адсорбционная очистка подземных вод //Сборник трудов Республиканской научно-практической конференции студентов и молодых ученых «Келешек-2006». - Жезказган, 2006, Т. 2. - С.140-142.
2. Мусабеков А.А., Сатаева Л.М., Сатаев М.И., Алтынбеков Ф.Е. Повышение экологической безопасности питьевой воды адсорбционными методами очистки в неподвижном слое //Материалы международной научно-практической конференции «Актуальные проблемы экологии и природопользования в Казахстане и сопредельных территориях». - Павлодар, 2006, Т. 2. - С.194-196.
3. Мусабеков А.А., Сатаев М.И., Алтынбеков Ф.Е., Сатаева Л.М. Моделирование фильтрации в неподвижном слое адсорбента //Поиск - 2006, № 3. - С.132-135.
4. Мусабеков А.А., Сатаева Л.М., Сатаев М.И., Алтынбеков Ф.Е. Экологические проблемы поверхностных вод Центрально-Азиатского региона и пути улучшения их состояния //Материалы международной научной конференции «Топорковские чтения». - Рудный, 2006, Т. 2. - С.275-281.
5. Мусабеков А.А., Сатаева Л.М., Алтынбеков Ф.Е. Адсорбционная технология очистки поверхностных и подземных вод, являющихся источником водоснабжения питьевой водой по Южно-Казахстанской области //Наука и образование Южного Казахстана. – 2006, № 4. - С.64-68.
6. Мусабеков А.А., Сатаева Л.М., Сатаев М.И., Алтынбеков Ф.Е. Очистка поверхностных и подземных вод в адсорбере с неподвижным слоем //Новости науки Казахстана. - 2006, № 2. - С.106-110.
7. Предварительный патент РК №18435. Адсорбер //Мусабеков А.А., Сатаев М.И., Алтынбеков Ф.Е., Сатаева Л.М.; опубл. 23.02.2007г. Бюллетень №5.
8. Мусабеков А.А., Сатаев М.И., Алтынбеков Ф.Е., Сатаева Л.М. Адсорбционная очистка поверхностных питьевых вод Южно-Казахстанской области //Материалы III международной научно-практической конференции «Научное пространство Европы-2007». – Днепропетровск, 2007, Т. 5. - С.72-74.
9. Мусабеков А.А., Сатаев М.И., Алтынбеков Ф.Е., Сатаева Л.М., Алтынбеков Р.Ф. Современные подходы к математическому моделированию структуры пористых адсорбционных слоев //Узбекский химический журнал. - 2007, № 3. - С.47-51.
10. Мусабеков А.А., Сатаев М.И., Алтынбеков Ф.Е., Сатаева Л.М. Разработка адсорбера с неподвижным слоем для адсорбционной очистки поверхностных питьевых вод //Материалы международной научно-практической конференции «Экологическая безопасность урбанизированных территорий в условиях устойчивого развития». - Астана, 2007. - С.257-259.
11. Мусабеков А.А., Алтынбеков Ф.Е., Якубова Р.Р. Математическая модель адсорбционного слоя на основе фрактальной теории //Наука и образование Южного Казахстана. - 2007, № 3. - С.164-167.
12. Батырбеков А.А., Мусабеков А.А., Тапалов Т.Т., Сатаев М.И. Исследование влияния порозности адсорбента на массообмен в пористых материалах //Материалы IV международной научно-практической конференции «Образование и наука в XXI веке - 2008». - София, 2008, Т. 5. - С.26-30.
13. Мусабеков А.А., Сатаев М.И., Алтынбеков Ф.Е. Оценка загрязнения питьевой воды на соответствие гигиеническим нормативам //Труды международной научно-практической конференции «Химия в строительных материалах и материаловедение в XXI веке». - Шымкент, 2008, Т. 2. - С.121-124.
14. Мусабеков А.А., Сатаев М.И., Алтынбеков Ф.Е. Оценка качества воды по комплексной экологической классификации качества поверхностных вод Южного Казахстана //Сборник трудов VIII международной научно-практической конференции «Исследование, разработка и применение высоких технологии в промышленности». - Санкт-Петербург, 2009, Т. 1. - С. 295-299.
15. Мусабеков А.А., Сатаев М.И., Алтынбеков Ф.Е. Оценка и исследование адсорбционных свойств косточкового активированного угля //Сборник трудов международной научно-практической конференции «Ауезовские чтения-8». - Шымкент, 2009, Т.12. – С. 120-124.
Түйін
Мұсабеков Ахметбек Ахылбекұлы
Ауызсу алу мақсатындағы жерүсті суларын адсорбциялық тазалау
технологиясын жасау
Техника ғылымдарының кандидаты ғылыми дәрежесiн ізденуге диссертация
25.00.36 – Геоэкология
Жұмыс барысындағы зерттеу объектісі. Зерттеу объектісі жерүсті су ластығының гигиеналық нормативтерге сәйкестігін бағалау, адсорбенттің жылжымайтын қабаттағы активті көмірдің ластаушы заттармен өзара қимылының және саңылаулы адсорбциялық қабат құрылымын моделдеу, жерүсті суларын тазалаудың аппаратуралық құрамы және технологиясы болып табылады.
Жұмыстың мақсаты. Жұмыс мақсаты жерүсті ауыз су ластығын сандық және сапалық экологиялық бағалау және оны тазалаудың адсорбциялық әдісін түзу, адсорбент пен ластаушы заттардың өзара қимыл механизмін және ауыз суларды адсорбциялық тазалау кинетикасын, жылжымайтын қабатта жерүсті суларын адсорбциялық тазалаудың және саңылаулы адсорбциялық қабат құрылымының моделін құрастыру, жерүсті ауыз суларын тазалаудың адсорбциялық әдіс технологиясын жақсарту және оптималды шарттарын жасау, ластану дәрежесі бойынша су объектілерін және су сапасын экологиялық бағалау, негізгі тұжырымдар мен қорытындылардың сенімділігін тәжірибелік-өнеркәсіптік тексеру болып табылады.
Жұмысты жүргізу әдістемесі. Ғылыми-зерттеу жұмысында классикалық және заманауи физика-химиялық зерттеу әдістері, өлшеу құралдары, метрологиялық стандарттар, өлшеу нәтижелерін өңдеудің бірлігі мен қажет дәлдігін қамтамасыз ететін математикалық әдістері қолданылды.
Өңдеудің нәтижелері.
Ауыз сумен қамтамасыздандыру көзі болып табылатын жерүсті суларын тазалаудың жетілдірілген технологиясы ұсынылған, адсорбциялық тазалау қондырғысының тиімді конструкциясы жасалған.
Ауыз сумен қамтамасыздандыру көздерінің антропогенді жүктемесінің экологиялық бағасы, ауыз су сапасы мен ластану қауіптілігі көрсетілген. Су экожүйесінің токсикалық ластану деңгей көрсеткіштері және оның ашық су көздерінің су сапасының комплексті экологиялық классификациясы анықталған.
Ластаушы заттың активтендірілген көмірмен өзара қимыл механизмі, оның су тазалау процестеріндегі ең тиімді эксплуатациялық шарттары анықталған. Фракталды кластерлер теориясы негізінде қабат саңылауын бағалау үшін теңдеу ұсынылған.
Адсорбциялық қабаттағы анықталған активті көмірдің ластаушы заттармен өзара қимыл механизмі және қабаттағы дәндерді тетраэдралды салу негізінде пропорционалдық коэффициенттердің теңдеулері алынған. Адсорбциялық қабат арқылы өтетін су қозғалысын талдау және оның деформациясы негізінде су ағыны өткен кезде дәндік қабат саңылауының өзгерісін сипаттайтын және оны есептеуге арналған теңдеу ұсынылған.
Активтендірілген көмірмен қалдық хлорды сіңіруге тазалау уақыты мен су ағысы жылдамдығының әсері анықталған, тазаланған судағы сульфаттар концентрациясының тепе-теңдік концентрацияға тәуелділігі және фторидтер адсорбциясының концентрацияға тәуелділігі белгіленген.
Негізгі құрылымдық, технологиялық және техника-эксплуатациялық сипаттамалар. Жерүсті суларын тазалау технологиясы жасалған, адсорбциялық тазалау қондырғысының тиімді конструкциясы және адсорбердің конструктивті және режимдік көрсеткіштерін рационалды таңдау үшін практикалық ұсыныстар берілген, оларды жерүсті суларын тазалаудың адсорбциялық құрал-жабдығын жасау үшін қолдануға болады. Ауыз судың ластануының гигиеналық нормативтерге сәйкестік бағасы және жерүсті су сапасының комплексті экологиялық классификациясы берілген.
Енгізу дәрежесі. Жерүсті суларын адсорбциялық тазалау технологиясы және жылжымайтын қабатты адсорбер ауыз сумен қамтамасыздандыру көзі болып табылатын ОҚО, Созақ ауданының «Шолақ-Қорган-Су» МКК-да жерүсті суларын тазалауда тәжірибелік-өнеркәсіптік масштабта тексерілген.
Ғылыми-зерттеу жұмыстарын енгізу бойынша ұсыныстар. Жерүсті суларын адсорбциялық тазалау бойынша теоретикалық және эксперименталдық зерттеу нәтижелері, жылжымайтын қабатта жерүсті суларын адсорбциялық тазалаудың және саңылаулы адсорбциялық қабат құрылымын моделдеу, адсорбциялық тазалау нәтижелерін практикалық қолдану, қоршаған ортаның ластану деңгейін анықтау бойынша ұсыныстар, су сапасын бағалау, экологиялық болжау және қоршаған орта жағдайының мониторингі негізіне салынған.
Қолдану аймағы. Ауыз сумен қамтамасыздандыру көзі болып табылатын жерүсті суларын терең тазалауға арналған қондырғыларда.
Жұмыстың мәнісі мен экономикалық тиімділігі. Бұл жұмысты енгізу нәтижесі мен аппаратуралық модернизациялаудан күтілетін экологты-экономикалық тиімділік 4080960 тенге құрайды. Өткізілген зерттеулер мен алынған нәтижелерді талдау барлық технологиялық көрсеткіштері бойынша басқа белгілі аналогтардан кем түспейтін адсорбциялық қондырғыларды қолдану және өндіру тек тура экономикалық тиімділік қана емес, сондай-ақ регионалды масштабта әлеуметтік тиімділігі де болатынын көрсетті.
Зерттеу объектісін дамыту бойынша болжамды ұсыныстар. Алынған мәліметтерді тазалау қондырғыларында инженерлік-техникалық қызметкерлер мен басқа өнеркәсіп кешендері, ғылыми-зерттеу бөлімдерінде тазалау құрал-жабдықтарын модернизациялау, жасау және жобалау кезінде және оқу институттарында оқытушылар «Табиғи және екінші ресурстарды комплексті қолдану», «Су ресурстарын рационалды қолдану», «Геоэкология» және т.б. пәндерді оқу кезінде пайдаланса болады.
Summary
Akhmetbek Akhylbekovich Mussabekov
The working out of the technology of absorbent refining of surface water
for drinking purposes.
Dissertation for the academic degree of technical sciences candidate
25.00.36 – Geoecology
The object of the research or working out. The object of the research is evaluation of the pollution of the drinking water on the conformity to hygienic standards, modeling interrelation of the polluting substances with active coal on the unmovable layer of absorbent and structure of porous adsorb layers, apparatus formation and technology of refining the surface water.
The purpose of the work. The purpose of the work is qualitative and quantitative ecological evaluation of the polluted surface drinking water and working out the absorbent method of its refining, researching of kinetics of absorbent refining of drinking water and the mechanism of interrelation of polluting substances with absorbent, working out of the models of absorbent refining of surface water on the unmovable layer and structure of porous absorbent layer, working out of the refining optimal conditions and improvement of the technology of absorbent methods of the refining the surface water drinking water, ecological evaluation of the water quality and water objects on the pollution degree, experiment-industrial control of reliability of basic principles and conclusions.
The methodology of the carrying out of work. The classical and modern physico-chemical methods of research, means of measure, metrological standards, methods of mathematical processing of measure results providing unity and necessary precision of measure were used in the scientific- research work.
Results of the work. The improvement of the refining technology of surface water being a source of water supplement of the drinking water is offered and the effective construction of adsorption refining equipment is worked out.
The ecological evaluation of the anthropogenic loading on the sources of drinking water supplying quality and danger of drinking water pollution is given. The level indexes of the toxic pollution of water ecosystem and its qualification on the complex ecological qualification of water quality of open reservoir are defined.
The mechanism of interaction of polluting substances with active coal is revealed, its conditions of more effective exploitation on the process of water refining are defined. On the basis on the theory of fractal clasters the equation for the evaluation of the porous layer.
On the basis of the revealed mechanism of the interrelation of the polluting substances with active coal on the absorbent co efficiency of the layer are obtained expressions for the proportionality, proceeding from tetrahedron laying of wheat in the layer. The equation, describing the change of wheat porous layer by the movement through water stream and equation for the calculation the changes of the porous layer is offered on the basis of the analyzes of the transference carrier through the adsorbent layer and its deformation.
The influence of water stream speed and refining time on the absorption of rest chlorine by bone active coal is defined, concentration dependence of sulphate in refined water from balanced concentration and absorbing dependence of ftoride from concentration are established.
The main constructive, technological and technico-exploitational characteristics. The refining technology of surface water is worked out, the effective construction of absorbing refining equipment is offered and practical recommendations on the rational selection of constructive and regime parameters of apparatus are given, which can be used by creating absorbing equipments on the surface water refining. The evaluation of the drinking water pollution on the conformity of hygicnic standards and water quality of the complex ecological qualification of surface water quality is given.
Introduction level. The technology of absorbing surface water refining and absorber with unmovable layer of absorbent is approved on the experiment-industrial scale by refining of the surface water which is a source of drinking water supplement in the SCE «Sholak-Korgan-Su» on the territory of Suzak region of the South Kazakhstan oblast.
Recommendations on the introduction of the scientific-research work. The results of the theoretical and experimental researches on the absorbing surface water refining, modeling of absorbing surface water refining on the unmovable layer and structure of porous absorbing layer practical application of results of absorbing refining are set on the basis of the recommendation on revealing of the environmental pollution level evaluation of water quality, ecological forecasting and monitoring of environmental condition.
Field of application. On the refining equipments for deep refining of surface water which is the source of water supplement with drinking water.
The economic efficiency and importance of work. The expected ecologic-economical effect from the introduction of results of the given work and apparatus of modernizing puts together 4080960 tg. The carried out research and analyze of obtained results show that production and application of absorbing equipments not yielding all technological index of other famous analogue provide not only direct economical effect, so and significant social effect on the regional scale.
Prognoses supposition about object development of the research. The obtained data can be applied by engineer-technical workers on the refining equipments and other branches of industry, at scientific-research departments by modernizing working out und projecting of refining equipments and teachers at educational institutions by studying the subject «The complex application of natural and second resources», «The rational application of water resources», «Geoecology» and others.
Подписано в печать 28.04.2010г. Формат бумаги 60х84 1/16
Объем 1,25 п.л. Заказ №1725. Тираж 100 экз.
Типография, ЮКГУ им. М.Ауезова, г. Шымкент, пр.Тауке-хана, 5.