Исследование работы фильтров обезжелезивания
Эффективность водоочистных станций во многом зависит от вида применяемых абсорбентов в загрузке. В работе представлены результаты эксперимента по изучению преимуществ дробленого керамзита в сравнении с кварцевым песком
Подземные воды Московской области отличаются содержанием растворенного железа. В большинстве случаев данный компонент представлен бикарбонатом закиси элемента, который может образовывать устойчивые соединения. Процесс деферризации или обезжелезивания подземных вод осуществляется с помощью биологических и физико-химических технологий.
Метод безреагентной деферризации, подразумевающий аэрацию и фильтрацию, применяется в отношении воды с определенными химическими характеристиками. Так, максимальная массовая доля двухвалентного железа в жидкости не должна превышать показателя в 7 мг/л. Также существуют ограничения по содержанию таких компонентов, как марганец, гуминовые кислоты и аммоний. Карбонатная агрессивность жидкости при этом должна быть умеренной.
Первым этапом процесса обработки выступает окисление железа. Реакция протекает при взаимодействии двухвалентного элемента с кислородом воздуха.
4Fe+2 + О2 +8ОН' + 2Н2О^4Ре(ОН)з (1)
Кинетика окисления двухвалентного железа выражается уравнением:
^Af2 = k(Fe^)(pH-)1POi, (2)
к - константа, зависящая от температуры и буферной емкости воды;
Ро2 - парциальное давление кислорода.
Характер процедуры определяется температурой воды и ее параметрами рН и Еh. Создание восстановительной среды при Еh менее 0,2 вольт и содержании сульфидов сопровождается образованием осадочного сернистого железа. В процессе насыщения жидкости кислородом окислительно-восстановительный эффект растет, что приводит к вытеснению из раствора части углекислоты и повышению pH. В итоге, происходит окисление двухвалентного железа до трехвалентного, выпадающего в форме гидроокисного осадка.
Время протекания окислительной реакции может составлять 10-1000 минут. Значительно быстрее она проходит в зоне загрузки фильтра, где положительные ионы железа отсеиваются действием зерен адсорбента, поверхность которого обладает отрицательным зарядом. При этом оседающая на зерна загрузки гидроокись железа выступает катализатором, ускоряя дальнейшую процедуру окисления двухвалентного железа.
К наиболее распространенному виду фильтрующего вещества, применяемому на протяжении многих лет, относится кварцевый песок. Для фильтрации жидкостей одинаково подходят природные материалы речного и карьерного типа. Учитывается качество вещества, обуславливаемое массовой долей и размерами фракций известковых примесей в структуре. Кварцевые пески являются распространенным природным материалом, но залежи крупнозернистых фракций встречаются не часто. Применение же мелкозернистого песка для очистки воды считается нецелесообразным, так как не мелкие частицы вещества не обеспечивают требуемой степени адсорбции.
Ограниченность природных запасов крупного песка обуславливает высокие затраты на транспортировку материала из мест добычи. Данный экономический фактор стал причиной поиска альтернативных видов веществ, обладающих фильтрационными свойствами. Активный поиск подобных материалов обуславливается также и требованиями к улучшению функционирования фильтровальных сооружений – повышение качества фильтрующей загрузки способно интенсифицировать их работу.
В изучении допустимых вариантов следует учитывать межзерновую пористость структуры загрузки и величину удельной поверхности образуемых поровых каналов. Увеличение этих показателей ведет к улучшению действия фильтров, тем самым положительно отражаясь на производительности работы оборудования при сохранении качества очистки.
Указанным требованиям соответствует дробленый керамзит, структура которого отличается гранулированной пористостью. Получение материала проходит в специальных печах и осуществляется путем вспучивания глин при помощи газового давления.
К преимущественным отличиям дробленого керамзита относятся более высокие качественные показатели поверхности, чем у кварцевого песка. Так, пористость фракций керамзита достигает 65%, что вдвое превышает характеристики песчаных гранул. Вспученная структура частиц керамзита диаметром 5-10 мм обуславливает также улучшенный коэффициент формы – он превосходит показатели песка в 2-4 раза.
Перечисленные преимущества объясняют применение дробленого керамзита в процессах очистки воды. Материал используется в засыпных безнапорных фильтрах, предназначенных для адсорбции растворимых и нерастворимых частиц железа. Вместе с железом, дробленый керамзит устраняет из жидкости примеси ржавчины, песка и других механических частиц. Скорость процесса фильтрования составляет около 3-5 м/ч, что считается невысоким показателем.
К основным задачам работы относятся:
- Определение оптимального вида адсорбционного материала, допустимого к применению в фильтрах станции обезжелезивания;
- Анализ динамических изменений в потерях напора при изучении двух типов загрузок;
- Сравнение и оценка процесса фильтрации в загрузках с кварцевым песком и дробленым керамзитом;
- Выявление и наиболее эффективного способа фильтрования.
Исследования проводились с использованием колоночного экспериментального стенда. Анализ осуществлялся в два этапа – в ходе первого сравнивались фильтры с обоими видами загрузки при работе по одноступенчатой схеме, во время второго сопоставлялись показатели эффективности одноступенчатой и двухступенчатой фильтрации. При учете продолжительности фильтроцикла приоритетной оставалась задача сохранить скорость очистки в колонке на уровне не ниже 12 м/ч.
Рисунок 1Схема экспериментального стенда: Колонки 1 и 3 - фильтры 1-й ступени
фильтрования; колонка 2 - фильтр 2-й ступени фильтрования
Результаты испытаний
По одноступенчатой схеме фильтрования после прохождения аэрации жидкость перетекала в колонки №1 и №3. На втором этапе частично очищенная вода из колонки №1 переходила вначале в колонку №2, затем в №3. Скорость фильтрования на всем протяжении фильтроцикла поддерживалась на отметке не ниже 12 м/ч, при снижении напора эксперимент был прекращен. По завершении фильтроцикла фильтры были подвержены промывке.
Во время исследования сравнивались следующие параметры: продолжительность цикла очистки, изменение потерь напора, количество грязи в фильтрующей загрузке. В анализе эффективности процесса учитывались такие качественные показатели воды, как остатки железа.
Исследовательская работа велась непрерывно в период с сентября 2010 года по март 2011 года включительно.
Результаты эксперимента с изучением одноступенчатой схемы очистки отображены на рисунке 2 и в таблицах 1, 2.
Рисунок 2
Таблица 1: Сопоставление работы фильтров с песчаной и керамзитовой загрузкой
|
Содержание железа, мг/л |
||||
В исходной воде |
В фильтрате колонки № 1 |
В фильтрате колонки № 3 |
Эффективность удаления железа в колонке №1 |
Эффективность удаления железа в колонке №3 |
|
27.09 |
2,11 |
0,19 |
0,09 |
91 |
98 |
04.11. |
2,13 |
0,19 |
0,1 |
90 |
98 |
11.10 |
2,34 |
0,21 |
0,12 |
91 |
97 |
18.10 |
2,41 |
0,19 |
0,12 |
90 |
97 |
25.10 |
2,14 |
0,23 |
0,16 |
91 |
96 |
01.11 |
2,52 |
0,19 |
0,11 |
91 |
97 |
08.11 |
2,1 |
0,23 |
0,17 |
90 |
96 |
15.11 |
2,19 |
0,22 |
0,13 |
91 |
97 |
22.11 |
2,22 |
0,21 |
0,13 |
91 |
97 |
29.11 |
2,43 |
0,21 |
0,16 |
91 |
96 |
06.12 |
2,6 |
0,19 |
0,15 |
91 |
96 |
13.12 |
2,57 |
0,21 |
0,14 |
90 |
96 |
20.12 |
2,19 |
0,2 |
0,12 |
91 |
96 |
27.12 |
2,36 |
0,21 |
0,14 |
91 |
96 |
29.12 |
2,61 |
0,19 |
0,16 |
90 |
97 |
10.01 |
2,16 |
0,23 |
0,17 |
91 |
96 |
17.01 |
2,54 |
0,21 |
0,11 |
91 |
98 |
24.01 |
2,47 |
0,32 |
0,09 |
90 |
98 |
31.01 |
2,43 |
0,19 |
0,1 |
91 |
98 |
07.02 |
2,41 |
0,19 |
0,12 |
90 |
97 |
14.02 |
2,52 |
0,2 |
0,15 |
91 |
96 |
21.02 |
2.39 |
0.19 |
0.13 |
91 |
98 |
Таблица 2: Общие показатели процесса одноступенчатого обезжелезивания
Дата |
1 воды °C |
Среднее содержание гидроокиси железа в воде, поступающей на фильтрование, мг/л |
Длительность фильтроцикла. час |
Время промывки до достижения мутности промывной воды 1,5 мг/л, мин |
Расход промывной воды, м3/ч |
Объем промывной воды, затраченный на 1 м3 загрузки за время промывки, м3 |
||||
№3 |
№1 |
№3 |
№1 |
№3 |
№1 |
№3 |
№1 |
|||
27.09 |
8 |
2,11 |
9 |
28 |
7 |
12 |
0,23 |
2,23 |
3,42 |
14.20 |
04.10 |
6 |
2,13 |
11 |
31 |
7 |
12 |
0,34 |
2,24 |
5,05 |
14.27 |
08.11 |
8 |
2,1 |
8 |
26 |
10 |
15 |
0,30 |
2,24 |
6,37 |
17.83 |
15.11 |
8 |
2,19 |
6 |
22 |
10 |
15 |
0.28 |
2,10 |
5,94 |
16.72 |
29.11 |
9 |
2,43 |
7 |
25 |
7 |
15 |
0.28 |
2,04 |
4,16 |
16.24 |
27.12 |
8 |
2,36 |
12 |
32 |
7 |
15 |
0.28 |
2,04 |
4,16 |
16.24 |
10.01 |
8 |
2,16 |
16 |
43 |
12 |
7 |
0.28 |
2,00 |
7,14 |
7.43 |
07.02 |
7 |
2,41 |
12 |
35 |
15 |
7 |
0.34 |
1,94 |
10,83 |
7.21 |
В процессе изучения изменения потерь напора при очистке воды в загрузках из керамзита и песка было проведено несколько фильтроциклов. По результатам каждого фиксировались максимальные значения падений напора.
Продолжительность первого контрольного цикла составила 28 часов. Зафиксированный прирост падения напора составил не более 7м в фильтре №1, при этом в №3 наблюдалось его максимальное значение в 23м. В ходе последующих наблюдений за минимальное значение скорости был взят показатель в 12 м/ч. При снижении скорости до величины ниже 12 м/ч колонка подлежала отключению, а полученное время фильтроцикла фиксировалось.
Данные с указанными результатами проведенных контрольных циклов отображены на рисунке 3.
Таким образом, динамику снижения напора в фильтрах с загрузкой из керамзита можно представить в следующем виде:
Аналогичные изменения падения напора в фильтрах с использованием загрузки из песка отображаются формулой:
Раздел 6. Инженерная экология и смежные вопросы h = 279,7 -е0’03". (3)
Рост потерь напора в фильтрах обезжелезивания с песчаной загрузкой описывается формулой:
h = 359,4 -е01". (4)
Рисунок 3
Под вторым качественным показателем загрузки принята величина ее грязеемкости. Указанная характеристика рассчитывается с учетом продолжительности цикла, скорости работы фильтра и массы полученных в процессе промывки загрязнений. Расчетные данные внесены в таблицу 3.
Таблица 3: Сопоставление грязеемкости песчаной и керамзитовой загрузок
Дата |
Грязеемкость фильтрующей загрузки, г/м" |
|
№1 |
№3 |
|
27.09.10 |
678,72 |
207,36 |
04.10.10 |
755,16 |
256,08 |
11.10.10 |
692,64 |
230,04 |
18.10.10 |
741,96 |
213,12 |
22.11.10 |
648,48 |
179,52 |
29.12.10 |
543,84 |
141,84 |
17.01.11 |
551,76 |
144,72 |
07.02.11 |
735,48 |
213,12 |
21.02.11 |
874,8 |
279,6 |
Использование дробленого керамзита сопровождается весомым недостатком, присущим всем сорбентам – любые изменения термодинамического равновесия могут высвобождать адсорбированные частицы и провоцировать их возвращение в отфильтрованную жидкость. Поэтому одновременно с одноступенчатой изучалась работа двухступенчатой схемы. Полученные результаты отображены в таблице 4.
Таблица 4: Сопоставление показателей работы одноступенчатой и двухступенчатой схем обезжелезивания
№ колонки |
Продолжительность контрольных фильтроцик- лов, час |
Время промывки, (до мутности 1,5 мг/л), мин |
Время фильтроцикла с учетом времени, затраченного на промывку, ч |
Количество часов в месяц |
Количество фильтроциклов в месяц |
Объем промывной воды на одну промывку (на 1 м3 загрузки), м3 |
Объем промывной воды за месяц (на 1м3 загрузки), м3 |
колонка №3 |
10,6 |
9 |
10,8 |
720 |
43 |
5,53 |
237,71 |
колонка №1 |
35,6 |
12 |
35,8 |
720 |
16 |
13,82 |
217,26 |
колонка №2 |
35,6 |
5 |
35,7 |
720 |
16 |
2,30 |
36,25 |
суммарный объем (м3) промывной воды за месяц на 1м3 загрузки колонок №1и №2 |
16,12 |
253,51 |
Информация, представленная в таблице, позволяет отследить особенности двухступенчатой схемы – в ней сохраняются все положительные стороны одноступенчатой фильтрации, осуществляемой с применением керамзитовой загрузки. Это прослеживается по показателям времени цикла, динамике потерь напора и качеству отфильтрованной воды. Важным замечанием служит разница в суммарном объеме воды, требуемой для ежемесячной промывки двух фильтров. Потребности в объеме указанной воды для двухступенчатой схемы превышают лишь на 6% затраты жидкости для одноступенчатой схемы.
Выводы
Данные, полученные в ходе испытаний, указывают на то, что использование дробленого керамзита в качестве абсорбента вместо кварцевого писка снижает потери напора в 2,5-3 раза.
Сравнительный анализ качественных характеристик фильтрата в колонках 1 и 3 использованного для эксперимента оборудования показал, что загрузка из дробленого керамзита по эффективности превышает загрузку из кварцевого песка примерно на 6%.
Длительное и непрерывное проведение исследования позволило определить следующие преимущества дробленого керамзита для фильтрационной загрузки:
- увеличение продолжительности фильтроцикла в два-три раза;
- незначительное возрастание потерь напора;
- более эффективная очистка воды от железа;
- оседание больших масс загрязнений в фильтрующей загрузке.
Применение двухступенчатой схемы обезжелезивания повышает надежность результата с полным сохранением всех достоинств одноступенчатой фильтрации, осуществляемой с использованием дробленого керамзита. Потребности в воде, необходимой для промывания фильтров, при этом превышают лишь на 6% аналогичный расход жидкости при работе оборудования по одноступенчатой схеме.