Доочистка водопроводной воды активированным углем, модифицированным фуллеренами

Для определения эффективности работы березового модифицированного активированного угля в режиме реального водопотребления был проведен продолжительный фильтроцикл по обработке воды АУМбер и АУбер. Фильтрование производилось со скоростью 2,5 м/ч. Общий объем воды, обработанной на колонках с АУМбер и АУбер без замены сорбента, составил 4265 л, при этом общая продолжительность фильтроцикла была 1175 ч. Получены результаты содержания железа, цветности и окисляемости исходной воды и воды, обработанной АУМбер и АУбер. Графически представлены данные, а также зависимости эффективности очистки по содержанию железа, цветности и окисляемости исходной воды и воды, обработанной АУМбер и АУбер. Так, на рис. 2 показана зависимость эффективности очистки воды по цветности на АУМбер и АУбер.

Результаты, полученные при проведении фильтроциклов по обработке исходной водопроводной воды АУМбер, позволили определить осредненные показатели эффекта очистки воды по окисляемости при высоте фильтрующего слоя 320 мм и скорости фильтрования 2,5 м/ч.

На основании полученных данных по методу экспертных оценок определен также эффект очистки исходной воды по окисляемости при различной высоте фильтрующего слоя и различных скоростях фильтрования. На рис. 3 графически представлена зависимость эффективности очистки на АУМбер от скорости фильтрования при различной высоте фильтрующей загрузки.

Рис. 2 График зависимости эффективности очистки воды по цветности АУМбер и АУберисх

Так как грязевые нагрузки исходной обрабатываемой воды невелики, для проведения очистки модифицированными фуллеренами активированными углями, достаточно время контакта воды с сорбентом, меньшее, чем принятое в традиционной фильтрационной обработке воды. При этом эффективное время работы модифицированного фуллеренами активированного угля определяется предъявляемыми требованиями к качеству обработанной воды.

Рис. 3 Эффективность очистки исходной воды по окисляемости на АУМбер при различной высоте фильтрующей загрузки и скорости фильтрования

На рис. 4 представлены полученные по методу экспертных оценок зависимости продолжительности фильтроцикла от скорости фильтрования и время контакта обрабатываемой воды с модифицированным фуллеренами активированным углем.

Рис. 4 Продолжительность фильтроцикла при обработке исходной воды АУМбер при различной скорости фильтрования и времени контакта воды с АУМбер

Аппроксимация зависимостей технологических параметров доочистки водопроводной воды на фильтрах с активированным углем, модифицированным фуллеренами, производился в стандартном пакете Excel-2010. Построение линий тренда и выбор вида функций (линейная; логарифмическая; полиномиальная 2-й степени; полиномиальная 3-й степени; степенная; экспоненциальная) проводились с учетом коэффициента детерминации.

В работе в графическом виде представлены линии тренда зависимости эффекта очистки воды по окисляемости на АУМбер от скорости фильтрования и высоты фильтрующей загрузки при различных видах функций и указаны функциональные зависимости и соответствующие им коэффициенты детерминации. Расчеты показали, что для полиномиальной функции 3-й степени коэффициент детерминации R2=1. Зависимость эффекта очистки исходной воды по окисляемости на АУМбер при различной высоте фильтрующей загрузки и скорости фильтрования имеет вид (1):

где y – эффект очистки по окисляемости на АУМбер, %; x – скорость фильтрования, м/ч.

Аналогично были проанализированы зависимости продолжительности фильтроцикла от скорости фильтрования и времени контакта обрабатываемой воды с модифицированным фуллеренами активированным углем при различных видах функций. Также для полиномиальной функции 3-й степени коэффициент детерминации R2=1. Получено, что зависимость продолжительности фильтроцикла от скорости фильтрования и времени контакта обрабатываемой воды с АУМбер выражается по формулам (2):

где y – продолжительность фильтроцикла на АУМбер, ч; x – время контакта обрабатываемой воды с АУМбер, ч.

2. Разработана оригинальная методика регенерации АУМ с применением окислителя, позволяющая максимально использовать сорбционную емкость АУМ.

При проведении продолжительного фильтроцикла на колонках с АУМбер в качестве пробной регенерации после фильтрования на колонках 3500 л воды была проведена химическая регенерация щелочью KOH 40%. Результаты показали, что проведенная регенерация щелочью на эффективность очистки влияния практически не оказала. Для регенерации активных березовых углей с целью восстановления их сорбционной емкости был применен окислитель гипохлорит натрия, вводимый в воду перед подачей на колонки с адсорбентами. Доза активного хлора в воде с гипохлоритом натрия для регенерации определялась экспериментально. Для этого через колонки с АУМбер и АУбер было пропущено 160 л исходной водопроводной воды с линейной скоростью 2,5 м/ч для снижения сорбционной емкости углей.

Снижение эффекта очистки по окисляемости до 30% свидетельствовало о необходимости проведения регенерации; затем адсорбенты обрабатывались гипохлоритом натрия с заданной дозой активного хлора; после чего производилась обратная промывка колонок. Доза активного хлора варьировалась от 1 мг/л до 70 мг/л. Применение окислителя с малыми дозами активного хлора не оказали влияния на сорбционную емкость загрузки. Показатели качества обрабатываемой воды после регенерации АУМбер и АУбер позволили установить, что только после обработки колонок с углями водным раствором гипохлорита натрия с дозой активного хлора 70 мг/л, удалось добиться снижения цветности в водопроводной воде в режиме сорбции по сравнению с результатами ранее проведенных исследований. На рис. 5 и рис. 6 графически представлены результаты исследований эффективности доочистки воды по цветности и содержанию железа общего.

Рис. 5 Эффективность очистки по цветности воды, обработанной АУМбер и АУберисх

Снижение эффективности очистки, получаемое при пропускании воды с гипохлоритом натрия через фильтрующие колонки, обусловлено окислением гуматов и других органических соединений, задержанных в порах углей на стадии сорбции и их выбросом в фильтрат, что, по сути, является регенерацией отработанных на стадии сорбции углей. Показано, что применение гипохлорита натрия в «классической» окислительно-сорбционной схеме обработки воды является менее эффективным, чем применение этого же реагента для регенерации углей периодически в больших дозах и кратковременно.

Рис. 6 Эффективность очистки по железу общему в воде, обработанной АУМбер и АУберисх

3. Установлены бактериологические показатели (общее микробное число; общие колиформные бактерии; термотолерантные колиформные бактерии; споры сульфитредуцирующих клостридий; колифаги) качества воды, обработанной АУМ.

Известно, что активированные угли представляют собой богатую питательную среду для микроорганизмов, что является причиной невозможности длительного использования углей для доочистки питьевой воды. Вместе с тем, есть данные о наличии бактерицидных свойств фуллеренов. Для определения эффекта очистки воды АУбер и АУМбер от возможных бактериальных загрязнений проводилось исследование по следующей методике: в исходную водопроводную воду вводился заранее приготовленный раствор, содержащий кишечную палочку; после перемешивания вода подавалась на фильтровальные колонки. Через каждую колонку пропускалось по 5 л воды, содержащей кишечную палочку, затем отбирались пробы, исследуемые кафедрой сорбентов СПбГТУ. Результаты бактериологического анализа (КОЕ), проведенного СПбГТУ: исходная вода – 100 шт/л; вода после АУберисх – 460 шт/л; вода после АУМбер – 5 шт/л.

Также для исследований бактерицидного эффекта АУМ был смоделирован цикл водоочистки: в качестве исходной обрабатываемой воды использовалась вода из реки Фонтанки объемом 30 л, содержащая большое количество бактериальных загрязнений; перед подачей воды на колонки с АУМбер и АУбер исходная вода была обработана коагулянтом (Al2(SO4)3) и отфильтрована. Содержание бактерий в пробах воды определялось специализированной лабораторией ЗАО “Центр исследования и контроля воды”.

В качестве нормируемых бактериологических показателей были выбраны показатели по СанПиН 2.1.4.1074-01: общее микробное число; общие колиформные бактерии; термотолерантные колиформные бактерии; споры сульфитредуцирующих клостридий; колифаги. Для определения бактериальных загрязнений были отобраны пробы: исходной воды из открытого источника; исходной воды, обработанной коагулянтом и отфильтрованной; воды, обработанной коагулянтом, отфильтрованной и обработанной на колонке с АУМбер; воды, обработанной коагулянтом, отфильтрованной и обработанной на колонке с АУбер. Полученные результаты бактериологических исследований подтвердили наличие бактерицидных свойств у АУМбер, при этом следует отметить, что обработка воды на АУбер приводит к значительному росту колоний колиформных бактерий, количество которых не поддается определению.

Исследования подтвердили нестабильность качества водопроводной воды и необходимость ее доочистки; показали высокую эффективность использования модифицированных фуллеренами активных углей для доочистки водопроводной воды, загрязненной вследствие прохождения по водопроводным трубам низкого качества, превышающая эффективность доочистки на исходных углях до 30 % по цветности, содержанию железа и окисляемости. Установлено, что регенерация активных углей с применением водных растворов гипохлорита натрия увеличивает их сорбционную активность на 25 %, при этом эффективность очистки водопроводной воды после регенерации гипохлоритом натрия с дозой активного хлора 70 мг/л для модифицированных фуллеренами углеродных адсорбентов на 15 – 20 % выше, чем для исходных углей. Также подтверждено наличие бактерицидных свойств у АУМ по сравнению с АУ, при этом обработка воды на последних приводит к значительному росту колоний колиформных бактерий, количество которых не поддается определению. Наличие у АУМ ярко выраженных бактерицидных свойств позволяет рассматривать их как альтернативу импрегнированному серебром активному углю.

В работе представлена принципиальная (см.рис. 7) и технологическая схемы установки доочистки водопроводной воды с применением АУМ производительностью 1 м3/ч (см.рис. 8).

Технологическая схема установки доочистки производительностью 1 м3/ч предусматривает подачу воды из водопроводной сети через водомер (3) по трубопроводам из полипропиленовых труб (14) в напорный фильтр с АУМ (6).

Габаритные размеры фильтра определялись на основании производительности установки и скорости доочистки в пределах до 5 м/ч. Так, для заданной производительности установки доочистки подобран фильтр высотой 1721 мм, диаметром 555 мм, высота загрузки АУМ h=1,2 м. Площадь фильтрующей поверхности для выбранного фильтра составит: Fф=d2/4=0,2418 м2. Тогда скорость фильтрования составит: V=Q/Fф=4,1 м/ч.

Рис. 7 Принципиальная схема многоцелевой фильтровальной установки: 1–напорный фильтр с загрузкой АУМ; 2–бак доочищенной воды; 3–бутыль с реагентом (гипохлорит натрия); В1 – холодный водопровод; К–канализация; Р–реагент

Из фильтра с АУМ предусмотрена подача доочищенной воды в бак дочищенной воды (1), откуда вода с помощью погружного насоса (2) подается к конечному потребителю.

Для возможности регенерации АУМ схемой многоцелевой фильтровальной установки предусмотрена подача насосом-дозатором (5) реагента из бутыли с гипохлоритом натрия (4). Производительность насоса-дозатора определяется по формуле (3):

Qн-д=QполнДк/(104bp24p) (3)

где Qполн – полная производительность установки, м3/сут; Дк – доза гипохлорита натрия, Дк=70 г/м3; bp – концентрация раствора гипохлорита натрия, %; p – плотность раствора гипохлорита натрия, т/м3.

Рис. 8 Схема установки доочистки водопроводной воды производительностью 1 м3/ч: 1–бак доочищенной воды; 2–насос погружной; 3–водомер (2шт); 4–бутыль с реагентом (гипохлорит натрия); 5–насос-дозатор (микродозатор); 6–напорный фильтр с загрузкой АУМ; 7–манометры образцовые (2шт); 8,8*–ротаметр (2шт); 9–датчик уровня (3шт); 10–насос погружной промывки фильтра; 11–вентиль регулирующий; 12–вентиль с электроприводом (2шт); 13–пробоотборник (краны шаровые, 2шт); 14–трубы полипропиленовые; К–канализация; Р–реагент

Производительность насоса-микродозатора определялась для 25% раствора гипохлорита натрия плотностью 1,574 г/м3 и составила Qн.д.=0,2 л/ч.

Подача воды из водопроводной сети предусмотрена в автоматическом режиме, по сигналу к вентилю с электроприводом (12) от датчика уровня в баке дочищенной воды (9). Также в автоматическом режиме осуществляется промывка фильтра – по сигналу от водомера к погружному насосу промывки фильтра с АУМ (10). Расход на обратную промывку фильтра для принятого автоматического клапана при давлении 1 бар составляет 8,0 м3/ч. Продолжительность одной обратной промывки согласно данным завода-изготовителя клапана 10 мин. Тогда объем воды на одну промывку составиляет: Wпр=810/60=1,33 м3.

Так как в баке доочищенной воды, являющемся также источником воды на промывку, должен единовременно храниться объем на две промывки, минимальный объем бака дочищенной воды составляет Wmin=21,33=2,66 м3. К установке принят бак дочищенной воды объемом 3,0 м3. При промывке фильтра и переливе в баке доочищенной воды предусмотрен сброс воды в канализацию (К). До и после напорного фильтра устанавливаются манометры (7) для контроля давления в системе. Для определения качества исходной и доочищенной воды предусмотрена установка пробоотборников (13) до и после напорного фильтра с АУМ.

Спецификация оборудования для установки доочистки производительностью 1,0 м3/ч представлена в таблице 2.

Аналитическая зависимость для запроектированной установки производительностью 1,0 м3/ч имеет вид:

Эок=–0,111V2+2,222V2–16,889V+113,780=74,23 %.

Продолжительность фильтроцикла определяется как: Тф = 0,054t3 – 3,678t2 + 86,341t – 499,75;

t=h/V=1,2/4,160=17,5 мин.

Тф =0,05417,53–3,67817,52+86,34117,5–499,75=175 ч.

Для установки доочистки производительностью 1,0 м3/ч объем обработанной воды с эффектом очистки по окисляемости не менее 74,23%, составляет: W=Q*Tф=1175=175 м3.

Общий объем воды, доочищенной за время работы АУМ (включая межрегенерационные периоды), определяется по формуле:

Wполн= 2,155W=2,155QТф;

где Q – производительность установки доочистки с загрузкой АУМ; Тф – продолжительность фильтроцикла (до первой утилизации АУМ).

Объем воды, дочищаемой за время работы АУМ на установке доочистки производительностью 1,0 м3/ч, составляет: W1полн=2,1551,0175=377,1 м3.

Для оценки экономической целесообразности применения модифицированных фуллеренами березовых активированных углей для доочистки водопроводной воды произведен расчет капитальных и эксплуатационных расходов при доочистке исходной водопроводной воды на установке производительностью 1,0 м3/ч. Расценки для расчета приняты среднерыночные для г.Санкт-Петербурга по состоянию на март 2013 г. Общие расходы на доочистку рассчитаны как сумма капитальных, эксплуатационных затрат, а также непредвиденных расходов (ремонт и замена оборудования): ЦАУМ=К+1,02Э; где ЦАУМ – общие затраты на доочистку воды на установке с использованием АУМ, руб; К – капитальные затраты, руб; Э – эксплуатационные затраты, руб; 1,02 – коэффициент, учитывающий непредвиденные эксплуатационные расходы (2% от Э).

Общие затраты на производство 377,1 м3 доочищенной воды составят: ЦАУМ=266 472 руб. Приняв срок эксплуатации установки доочистки с АУМ равным 5 лет, а время работы установки 6 ч/сут, общее количество фильтроциклов составит 62, общий объем обработанной воды=62377,1=23 380 м3. Общая стоимость доочищенной воды определяется по формуле (4):

Цобщ=(К–А)+(1,02Э+A)Ф (4)

где Цобщ – общие затраты на доочистку воды на установке с использованием АУМ в течение всего срока эксплуатации установки, руб; А – стоимость загрузки АУМ для установки доочистки, руб; Ф – количество фильтроциклов на АУМ в течение всего срока эксплуатации установки (в качестве одного фильтроцикла обработка воды на АУМ в промежутках между утилизациями АУМ). Тогда Цобщ=6 292 574 руб.

Таблица 2. Перечень оборудования установки доочистки водопроводной воды производительностью 1,0 м3/ч

Следовательно, себестоимость 1 м3 воды, обработанной на установке доочистки с загрузкой АУМ, при работе установки в течение 5 лет, составляет 269 руб/м3.

Для определения экономического эффекта применения модифицированного активированного угля определена также себестоимость 1 м3 воды, обработанной на установке по схеме, представленной на рис.8, с загрузкой АУ. Объем воды, обработанной в течение одного фильтроцикла до полной утилизации АУ, определяется по формуле (5):

Wполн,АУ=2,155QТф,АУ (5)

Wполн,АУ=2,1551131=282 м3.

Приняв в расчете срок эксплуатации установки доочистки с АУ также 5 лет, время работы установки 6 ч/сут, получено общее количество фильтроциклов=83, общий объем обработанной воды=23 404 м3.

Общая стоимость дочищенной на установке с АУ воды определяется как: Цобщ,АУ=(225 643–48 300) + (40 0281,02+48 300)83=7 575 014 руб.

Себестоимость 1 м3 воды, обработанной на установке доочистки с загрузкой АУ, составляет 324 руб/м3.

Таким образом, себестоимость воды, обработанной на установке доочистки производительностью 1,0 м3/ч с применением АУМ, при общем времени эксплуатации установок 5 лет, на 20,4 % ниже себестоимости 1 м3 воды, дочищенной на аналогичной установке с загрузкой АУ.

Общие выводы