7137

11

При низких значениях величины рН воды введение извести в количестве большем, чем необходимо для связывания СО2 и разрушения гидрокарбонатов, происходит повышение в воде концентрации ОН-ионов, т.е. повышается величина рН воды, что значительно ускоряет процессы окисления, гидролиза железа и последующей коагуляции его гидроксида. Коллоидные железистые соединения при высоких значениях рН воды, которые образуются в результате введения в нее извести, переходят в раствор. Растворенное железо окисляется кислородом воздуха, гидролизуется с образованием гидроокиси, который коагулирует и в виде хлопьев задерживается в отстойниках (осветлителях) и на фильтрах.

Пробное обезжелезивание природной поверхностной воды обычно проводится в следующей последовательности. Сначала исследуют метод коагулирования, затем окисления активным хлором (или другими сильными окислителями) с коагулированием. После этого проводят известкование воды с коагулированием.

1.2 Лабораторная работа №1 Пробное обезжелезивание воды. Обезжелезивание подземной воды

методом глубокого аэрирования и фильтрации.

Цель работы: провести пробное обезжелезивание исследуемой воды методом глубокой аэрации с последующим фильтрованием и определить эффект очистки.

Методика выполнения работы Глубокое аэрирование воды проводят на аэрационном приборе (рис.1),

состоящем из двух стальных луженых сосудов с дырчатыми днищами и приемного стеклянного или эмалированного сосуда емкостью не менее 6 л. Диаметр верхнего разбрызгивающего сосуда 100 мм, а нижнего 150 мм. В дне верхнего и нижнего сосудов имеется соответственно 100 и 225 отверстий диаметром 0,5 мм.

В исходной воде определяют следующие показатели: Feобщ, Fe2+, Fe3+, величину рН, растворенную углекислоту СО2.

Затем исследуемую воду (объемом 5 л) поливают небольшой струйкой в верхний разбрызгивающий сосуд, она проходит через отверстия в дне его и стекает в нижний и далее в сборный сосуд. Вода пропускается через разбрызгивающие сосуды дважды для более полного насыщения кислородом и удаления углекислоты. В полученной воде определяют содержание растворенной углекислоты СО2. После чего она оставляется в покое в открытом приемном сосуде на 30 - 45 мин для завершения процесса окисления Fe2+ в Fe3+, его гидролиза и выделения осадка гидроксида железа Fe(ОН)3. По завершению процесса окисления в полученной воде определяют содержание растворенной углекислоты СО2. После отстаивания воду фильтруют через лабораторный песчаный фильтр со скоростью 5 м/ч (рис. 2).

12

Рисунок 1. – Схема аэрационного прибора 1 – верхний и нижний стальные луженые сосуды, 2 – приемный сосуд,

3 – подвески сосудов

Для этого необходимо рассчитать объемную скорость фильтрования для данного живого сечения колонки по формуле:

Q = S * V, мл/мин,

где Q – объемная скорость фильтрования, мл/мин (см3/мин); S – площадь живого сечения колонки, см2;

V – линейная скорость фильтрования, см/мин.

3

1

4

2

Рисунок 2. – Модель фильтра с зернистой загрузкой 1 –фильтрующая колонка, 2 - емкость для сбора фильтрата, 3 - емкость исследуемой воды,

4- винтовой зажим

13

Первые порции фильтрата (два объема загрузки) отбрасываются, последующие собираются и анализируются.

В фильтрате определяют: Feобщ, Fe2+, Fe3+, величину рН, растворенную углекислоту СО2.

Результаты опыта заносятся в табл. 1.

На основании результатов опыта дается заключение о возможности использования этого метода для обработки данной воды. Если содержание железа в фильтрате удовлетворяют требованиям потребителя, то пробное обезжелезивание прошло успешно. Если же концентрация железа в воде превышает допустимую величину, то делают вывод о необходимости применения другого метода обезжелезивания воды.

1.3 Лабораторная работа №2 Пробное обезжелезивание воды. Обезжелезивание фильтрованием

через каталитическую загрузку.

Цель работы: сравнить свойства каталитических загрузок (МЖФ и Mangenese Greensand), провести пробное обезжелезивание подземной воды фильтрованием через исследуемые загрузки, сделать заключение об эффективности обезжелезивания.

Методика выполнения работы 1. Самостоятельно проанализировать (пользуясь приложением 1 и

средствами интернет) паспорта современных российских и зарубежных каталитических загрузок (не менее 3-4) применяемых для обезжелезивающих напорных фильтров в системах водоподготовки. Выделить параметры для сравнения и заполнить форму табл. 2. Особое внимание следует уделить техническим характеристикам фильтрующих материалов, которые могут повлиять на область их применения (в зависимости от качества исходной воды), а также стоимостные капитальные и эксплуатационные затраты станции водоподготовки. В таблицу сравнения обязательно включить загрузки МЖФ и

Mangenese Greensand.

14

2.В исходной воде определяют следующие показатели: Feобщ, Fe2+, Fe3+, величину рН.

3.Затем исследуемую воду фильтруют через лабораторные фильтры №1 и №2, загруженные каталитическими загрузками (№1 – МЖФ, №2 - Mangenese Greensand) со скоростью 5 м/ч (модель фильтра см. рис. 1, л.р.№1).

Перевод линейной скорости фильтрования 5 м/ч в объемную скорость см. л.р. №1.

4.В профильтрованных пробах определяют следующие показатели: Feобщ, Fe2+, Fe3+, величину рН.

5.Результаты опыта заносят в табл. 3.

На основании результатов опыта дается заключение о возможности использования данного метода для обработки исследуемой воды. А также делается вывод об эффективности обезжелезивания при применении конкретной марки каталитической загрузки.

Вопросы для самопроверки к разделу 1.

1.В составе каких соединений может находиться железо в воде?

2.Какая форма соединений железа преобладает в подземных водах?

3.Какая форма соединений железа преобладает в поверхностных водах?

4.Как протекает процесс окисления Fe2+ в Fe3+?

5.Почему содержание железа в воде строго регламентируется?

6.Какая концентрация железа допустима в питьевой воде согласно СанПиН 2.1.4.1074-01?

7.Какими способами удаляется железо из подземных вод?

8.Какими способами удаляется железо из поверхностных вод?

9.Обезжелезивание подземных вод фильтрованием через каталитические загрузки. Виды загрузок. Их достоинства и недостатки.

15

РАЗДЕЛ 2. ОПРЕДЕЛЕНИЕ ХАРАКТЕРИСТИК ФИЛЬТРУЮЩЕГО МАТЕРИАЛА ЗЕРНИСТЫХ ФИЛЬТРОВ

2.1. Общая часть

Зернистые фильтры применяют для очистки хозяйственно-питьевой и технической воды.

В качестве фильтрующих зернистых загрузок применяют: кварцевый песок, дробленый антрацит, керамзит, аглопарит, мрамор, пенополистирол, шунгизит, магномассу. Могут быть использованы и другие материалы: стеклянная, фарфоровая и керамическая крошка, песок из керамзита, доменного, шлака, шлаковой пемзы.

Нормальная работа фильтров обеспечивается, прежде всего, составом фильтрующей загрузки.

Согласно п. 9.79 [2] фильтрующий материал должен обеспечивать технологический процесс (т.е. отвечать техническим требованиям, основными из которых являются: фракционный состав загрузки и однородность размеров ее зерен), а также обладать требуемой механической прочностью зерен загрузки и химической стойкостью зерен.

Согласно п. 4.4 [2] на все используемые в процессе фильтрующие материалы, должны быть санитарно-эпидемиологические заключения, подтверждающие их безопасность.

При выборе ориентирующего материала исходят из его стоимости, возможности его получения, а также из условия соответствия выбранного материала техническим требованиям. К числу этих требований относятся: нужный фракционный состав загрузки, надлежащая степень однородности размеров ее зерен; механическая прочность зерен загрузки; химическая стойкость зерен по отношению к фильтруемой воде.

Механическая прочность – это способность материала сопротивляться разрушению под действием внешней нагрузки. Механическую прочность фильтрующих материалов по методике ВНИИ ВОДГЕО характеризуют истираемостью и измельчаемостъю.

Истираемость – износ, вследствие трения зерен друг о друга, а также о стенки фильтра во время обычного цикла или промывки.

Измельчаемость – износ, вследствие растрескивания зерен.

Данные показатели определяют путем встряхивания на лабораторной машине в течение 24 ч разбавленного 150 мл дистиллированной воды 100 г фильтрующего материала, прошедшего через сито калибром 1 мм и оставшегося на сите калибром 0,5 мм. Затем содержимое упаривают, просушивают и просеивают через сита калибром 0,50 и 0,25 мм. Процент истираемости определяется массой материала, прошедшего через сито с отверстиями 0,25 мм. Процент измельчаемости определяется массой его частиц, прошедших через сито 0,50 мм, но оставшихся на сите калибром 0,25мм. Механическую прочность фильтрующего материала считают

16

удовлетворительной, если измельчаемость не превышает 4%, а истираемость - 0,5%.

Материалы, применяемые в качестве фильтрующих, не должны истираться или измельчаться в процессе эксплуатации, в противном случае происходит отложение измельченных зерен у поверхности загрузки, вынос разрушенных зерен при промывке, потеря фильтрующего материала. Все это влечет за собой повышение гидравлического сопротивления фильтрующей загрузки.

Химическая стойкость – свойство материалов противостоять разрушающему действию химических реагентов (кислот, щелочей, растворенных в воде солей и газов). Химическую стойкость загрузки определяю по методике ВНИИВОДГЕО (см. л.р. №4).

Фильтрующий материал не должен растворяться в фильтруемой воде, а вода, в свою очередь, не должна обогащаться веществами, вредными для здоровья людей, а также для технологических производств.

Фракционный состав фильтрующей загрузки и степень однородности размеров ее зерен в значительной мере влияют на работу фильтра. Так, использование в качестве загрузочного материала более крупного, чем предусмотрено, приводит к снижению эффекта осветления воды, а применение менее крупного фильтрующего материала приводит к уменьшению фильтроцикла.

Применение фильтрующего материала, степень неоднородности которого по величине зерен превышает допустимые нормы, ухудшает условия его промывки. При этом наблюдается вынос частиц загрузки из фильтра. Чтобы избежать этого нежелательного явления, прибегают к снижению интенсивности промывки, что в свою очередь приводит к нарушению нормальной работы фильтра.

Поэтому допустимая степень неоднородности фильтрующего материала регламентируется нормативными документами.

Всякий фильтрующий материал обладает некоторой неоднородностью размеров зерен, и для его характеристики служат эффективный размер зерен, средний диаметр зерен dcp, эквивалентный диаметр зерен dэ и коэффициент неоднородности Кн, определяемые в результате гранулометрического (ситового) анализа.

Эффективный размер зерен фильтрующей загрузки d10 равен калибру сита, через которое проходит 10% исследуемого материала.

Средний диаметр зерен dcp исследуемого фильтрующего материала есть диаметр его зерен, мельче которых в данном количестве содержится 50% (по массе) всех зерен.

Эквивалентный диаметр зерен dэ, который отражает содержание всех фракций загрузки, определяется по формуле:

dэ = 100 / ∑(Pi / di), мм,

где Pi - процентное содержание фракций со средним диаметром зерен di, т. е. количество просеиваемых зерен, оставшихся на сите калибром di.

17

Коэффициент неоднородности Кн это отношение калибра сита, через которое проходит 80% исследуемого фильтрующего материала к калибру сита, пропускающего 10% того же фильтрующего материала, выражает степень неоднородности фильтрующего материала и определяется по формуле:

Кн = d80 / d10

Коэффициент неоднородности фильтрующих материалов может изменяться в зависимости от типа фильтра и согласно [2] находится в пределах

1,5 – 2,0.

Пылевидные частицы определяются количеством материала, в %, прошедшего через сито с калибром 0,25 мм.

В качестве фильтрующего материала при осветлении воды в фильтрах обычно применяют хорошо промытый кварцевый песок.

При выборе характеристик фильтрующих слоев для загрузки скорых фильтров необходимо руководствоваться табл. 15 [2]. Пример: для обычных скорых однослойных фильтров при загрузке кварцевым песком с высотой слоя 0,7 м характеристики диаметра зерен принимаются: наименьший - 0,5 мм, наибольший - 1,2 мм, эквивалентный – 0,7-0,8 мм. Коэффициент неоднородности – 1,8 – 2,0.

2.2 Лабораторная работа №3 Гранулометрический анализ фильтрующего материала

Цель работы: провести гранулометрический анализ фильтрующего материала (песок) и определить годность его для загрузки фильтров.

Методика выполнения работы

Из исследуемой партии высушенного песка (при t=60 0С) берут навеску 200г (±0,01) и рассеивают ее через набор калиброванных сит. Остатки на всех ситах взвешивают. Результаты взвешивания заносят в табл. 4.

По результатам ситового анализа строят график гранулометрического состава в следующей последовательности:

1. По результатам ситового анализа строится график гранулометрического состава в координатах: калибр сита - процент песка, прошедщего через данное сито (рис. 3а).

2. По графику определяют: d10, d50, d80 (рис. 3б). На основании экспериментальных данных подсчитывают коэффициент неоднородности песка Кн и эквивалентный диаметр зерен dэкв.

в) г)

Рисунок 3. - Пример построения графика гранулометрического состава

19

3. По графику определяют количество песка, годного для загрузки фильтра, % и способ его отсеивания.

3.1.Находят калибр сита, соответствующий d10, который соответствует 10% годного песка (рис. 3в).

3.2.Задаемся Кн = 1.8, и из уравнения Кн = d80/d10 находим d80. На оси абсцисс находят точку, соответствующую d80, из этой точки проводят перпендикуляр до пересечения с ломаной графика. Из точки пересечения проводят горизонтальную линию до пересечения с осью ординат - получают точку на оси ординат, соответствующую 80% годного песка (рис. 3в).

3.3.Расстояние между 10% и 80% годного песка делим на 7 равных частей, соответствующих 10%. Откладывают одну такую часть вниз от точки, соответствующей 10% годного песка, и получают 0% годного песка, и две части вверх от точки, соответствующей 80% годного песка, - получают 100% годного песка.

3.4.Определяют суммарный процент годного песка. Если суммарный процент годного песка >50%, то песок можно использовать для загрузки фильтра.

3.5.Находим калибры сит, необходимые для отсева годного песка. Для этого из точек 0% и 100% годного песка спускаются перпендикуляры на ось абсцисс. Точки пересечения с осью абсцисс дают калибры сит, необходимых для отсева годного песка.

2.3. Лабораторная работа №4 Определение химической стойкости загрузки

Цель работы: определить химическую стойкость фильтрующего материала (песок).

Методика выполнения работы Химическую стойкость по методике ВНИИ ВОДГЕО определяют в

следующей последовательности:

1.В три колбы по 500 мл помещают по 10 г отмытого и просушенного при температуре 60 0С зернистого материала.

2.В колбы доливают:

-в первую нейтральную солевую среду – 500 мл раствора поваренной соли (0,05 % раствор, полученный из 500 мг NaCl на 1 л дистиллированной воды);

-во вторую кислую среду – 500 мл раствора соляной кислоты (0,02 % раствор, полученный из 0,4 мл концентрированной HCl на 1 л дистиллированной воды);

-в третью щелочную среду – 500 мл раствора едкого натра (0,02 % раствор, полученный из 200 мг NaOH на 1 л дистиллированной воды);

3. Содержимое колб взбалтывают каждые 4ч и после 24ч контакта песка со средой отфильтровывают, через фильтр «синяя лента».

20

4. В фильтратах определяют по общепринятым методикам:

-Сухой остаток – масса вещества, полученная после выпаривания профильтрованной воды и высушивания выпаренного остатка. Показывает общее содержание в воде растворенных органических и неорганических веществ (кроме газов).

-Окисляемость – содержание в воде растворенных органических и некоторых легко окисляющихся неорганических веществ. Показывает общую концентрацию органики в воде.

-Концентрацию кремнекислоты SiO2.

-Концентрацию окислов трехвалентных металлов (алюминия и железа).

5.Параллельно проводят слепой опыт с аналогичными средами без анализируемого материала. Все результаты анализов заносят в табл. 5.

6.Проводят сравнение указанных показателей в растворах, где находится загрузочный материал, с чистыми растворами. При удовлетворительной химической стойкости увеличение (прирост) плотного (сухого) остатка не

должно превышать 20мг/л, окисляемость не выше 10 мгО2/л, содержание кремнекислоты - 10мг/л, окислов трехвалентных металлов – 2 мг/л.

7.После окончания анализов фильтрующего материала необходимо дать заключение о его пригодности для загрузки фильтров.

Вопросы для самопроверки к разделу 2.

1.Какие технические требования предъявляются к фильтрующей загрузке?

2.Какое значение имеет фракционный состав загрузки для работы фильтра?

3.Какие показатели используют для характеристики фильтрующего материала?

4.Что такое d10, dср, d80?

5.Что такое dэкв и как его определяют?

6.Механическая прочность и химическая стойкость фильтрующей

загрузки?