Автореферат Идрисовой


УДК 628.162. 1 (043)                                                             На правах рукописи

 

 

 

 

 

 

 

ИДРИСОВА  АЙГУЛЬ  ЕРКИНОВНА

 

 

 

 

 

 

 

Улучшение качества питьевой воды города Уральска

цеолитами Чанканайского месторождения

 

 

 

 

 

Специальность 05. 23. 04 – «Водоснабжение, канализация, строительные системы охраны водных ресурсов»

 

 

 

 

 

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени

кандидата технических наук

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Республика Казахстан

Алматы, 2008

 

 

Работа выполнена в Казахском национальном техническом университете имени К.И.Сатпаева.

 

 

Научный руководитель:                           доктор технических наук,

                                                                    профессор, академик НИА РК и

                                                                    МИА, лауреат Госпремии РК,

                                                                    Қазақстанның еңбегі  сіңген

                                                                    қайраткері                       

                                                                    Мырзахметов М.М.

 

 

Научный консультант:                             кандидат технических наук,

                                                                    доцент

                                                                    Тогабаев Е.Т.

 

Официальные оппоненты:                       доктор технических наук,

                                                                    профессор Абдурасулов И.,

 

                                                                    кандидат технических наук

                                                                    Сидорова Н.В.

 

 

 

 

Ведущая организация:                             Кзылординский государственный

                                                          университет им. Коркыт-Ата    

 

 

 

Защита состоится « 30 » апреля 2008 года в 12.00 часов на заседании диссертационного Совета Д 14.61.25 при Казахском национальном техническом университете имени К. И. Сатпаева по адресу: Республика Казахстан, 050013,  г. Алматы, ул. Сатпаева, 22.

 

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Казахского национального технического университета имени К.И.Сатпаева по адресу: 050013, г. Алматы, ул. Сатпаева, 22.

 

 

Автореферат разослан  « 28 » марта 2008 г.

 

Ученый секретарь

диссертационного совета,

доктор технических наук, профессор                                     М.Т. Жараспаев                                           

Введение

 

Актуальность темы. Отраслевая программа «Питьевые воды» на               2002-2010 годы  разработана в соответствии с Указом Президента Республики Казахстан от 16 ноября 1998 года № 4153 «О Государственной программе «Здоровье народа»  и направлена на обеспечение населения качественной питьевой водой. Задачи, поставленные в программе «Питьевые воды», являются одними из актуальнейших задач современности в связи с антропогенным загрязнением источников водоснабжения, ухудшением санитарно-эпидемиологической обстановки и др.

          Природные воды содержат в своем составе целый ряд химических элементов и соединений, многие из которых препятствуют использованию воды в хозяйственно-питьевых и промышленных целях. 

При анализе питьевой воды подземного водозабора г. Уральска лабораторией областного управления «Водоканал» выявлено повышенное содержание марганца от 0,18 до 0,61 мг/дм3, СанПиН РК – 3.01.067-97  регламентирует безвредное содержание марганца в воде не более 0,1 мг/дм3, поэтому важной и необходимой задачей является выбор оптимального метода,  сооружений, технологической схемы деманганации природной воды.

Настоящая диссертационная работа посвящена разработке технологии очистки природной воды от марганца методом аэрации и фильтрованием через цеолит Чанканайского месторождения.

Диссертационная работа является составной частью научно-исследовательских работ, выполняемых в течение ряда лет на кафедре «Инженерные системы и охрана окружающей среды» КазНТУ                                     им. К.И.Сатпаева под руководством академика НИА РК и МИА М.М.Мырзахметова.

Цель диссертационной работы. Исследование и разработка метода деманганации природных вод фильтрованием и аэрацией с применением местных природных сорбентов - цеолитов Чанканайского месторождения.   

Идея работы заключается в изучении закономерностей процесса деманганации природной воды аэрацией и фильтрованием через цеолиты Чанканайского месторождения. 

Задачи исследования.

В настоящей работе в соответствии с поставленной целью решались         следующие основные задачи:

-    изучение физико-химических свойств природных вод, содержащих марганец;

-    анализ и обоснование современных методов и технологических схем деманганации природной воды;

-    теоретическое и экспериментальное обоснование исследований деманганации природных вод с использованием цеолитов Чанканайского месторождения;

-    установление оптимальных режимов и условий работы фильтров очистки природной воды;

-    разработка рациональной и оптимальной технологической схемы очистки природной воды от марганца;

-    установление экономической эффективности очистки природной воды от марганца;

-    внедрение результатов исследований в производство.

Основные научные положения, выносимые на защиту:

- закономерности образования марганца в природной воде и его влияния на здоровье человека;

- критериальная модель фильтрования природной воды, содержащей марганец на фильтрах с цеолитовой загрузкой;

          -  технологические параметры очистки, условия и режимы проведения экспериментов;

          - зависимость эффекта деманганации природных вод от параметров фильтрования.

 Научная новизна работы определяется следующим:

-    разработана эффективная технология деманганации природной воды фильтрованием для условий г. Уральска;

-    теоретическими и экспериментальными исследованиями установлена целесообразность деманганации природной воды г. Уральска фильтрованием через цеолит Чанканайского месторождения;

-    определены оптимальные параметры процесса фильтрования природных вод, содержащих марганец, для обеспечения их использования в хозяйственно-питьевом водоснабжении;

-    технико-экономически обоснован метод очистки природной воды от марганца фильтрованием через цеолит Чанканайского месторождения.  

Методы исследований. Для достижения поставленной цели проведен анализ и обобщение материалов по исследуемой проблеме и использованы методика физико-химического анализа качества природной воды; методика исследования на модельной установке технологического процесса деманганации природной воды; методика исследования технологии деманганации воды на опытно-промышленной установке; методика определения экономической эффективности предлагаемой технологии деманганации.

Обоснованность и достоверность научных положений, выводов и рекомендаций, изложенных в диссертационной работе. Научные положения, выводы и рекомендации подтверждаются теоретическими предпосылками и технологическими решениями, базирующимися на фундаментальных положениях физико-химических процессов деманганации природной воды; необходимым объемом натурных измерений и обобщений результатов; полученными положительными результатами от внедрения разработанной технологии извлечения марганца из природной воды; апробацией предлагаемых рекомендаций и достигнутой технико-экономической эффективностью.

Практическая ценность работы:

-    предложена рациональная технологическая схема деманганации природной воды для условий г. Уральска;

-    определены оптимальные параметры фильтрования и условия эксплуатации фильтров, обеспечивающие заданные требования;

-    настоящая разработка по деманганации природной воды методами фильтрования и аэрации найдет применение в регионах, где остро стоит проблема повышенного содержания марганца в воде.

         Личный вклад автора в науку заключается в разработке эффективной технологии деманганации природной воды, в определении оптимальных параметров процесса фильтрования природных вод, содержащих марганец, в разработке методики исследования технологического процесса удаления марганца из воды на опытно-промышленной установке, в выполнении теоретических и экспериментальных исследований по извлечению марганца из природных вод, в анализе и обобщении результатов исследований.

        Реализация работы. Результаты работы внедрены в проект                        ТОО НИЦ «Экотех», в учебный процесс специальности 05.07.29 – «Строительство» по специализации «Водоснабжение и водоотведение», переданы в областное управление «Водоканал» города Уральска для практического использования при проектировании схем очистки природной воды от марганца фильтрованием и аэрацией с учетом специфических условий Западно-Казахстанской области.

       Апробация работы и публикации. Материалы, изложенные в диссертационной работе, обсуждались и получили одобрение на научно-практических и научно-теоретических конференциях Жетысуского государственного университета им. И.Жансугурова (2002-2007гг.),                            1-й Казахстанской Международной конференции “Вода-Казахстан-2000”                   (г. Алматы), Международной конференции “Региональные проблемы экологии и безопасности жизнедеятельности” (г.Алматы, 2002г), Центрально-Азиатской Международной конференции «Экологическая устойчивость и передовые подходы к управлению водными ресурсами в бассейне Аральского                          моря» (г. Алматы-Ташкент, 2003г.), Международной конференции «Водное партнерство в Центральной Азии» (г.Алматы, 2004г.), III Международной выставке и конференции «Су арнасы»  (г.Астана, 2007 г.), Международной конференции «Перспективы развития водо- и энергосберегающих технологий и охраны труда» (г.Алматы, 2007 г.).

 По результатам исследований опубликованы 12 печатных работ, в том числе 3 статьи в научных изданиях, рекомендованных Комитетом по контролю в сфере образования и науки МОН РК.  

 Структура и объем диссертационной работы. Диссертационная работа состоит из введения, 4 разделов, заключения,  приложений, которые изложены на 116 страницах компьютерного набора, включает 26 рисунков,                         16 таблиц и список использованных источников из 103 наименований.

 

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

 

Во введении отражены проблемы воздействия повышенного содержания марганца на природную среду, производственную сферу, актуальность поиска и разработки новых эффективных технологических схем деманганации природной воды.

В первой главе рассмотрены основы процесса извлечения марганца из природных вод; проанализированы формы содержания марганца в воде и физико-химические свойства вод, содержащих марганец. Приведено краткое описание основных принципов и методов деманганации природной воды, описано современное состояние технологии очистки воды от марганца.

 Рассмотрены результаты исследований по химии В.В.Еремина, А.И.Гончарова, М.В.Товбина, в области физической и коллоидной химии -  С.А.Балезина, Б.В.Ерофеева, Н.И.Подобаева, С.С.Воюцкого, в области химии воды - Н.Ф.Ввозной, Л.А.Кульского, В.Ф.Накорчевской и др.

Проведен анализ исследований в области технологии очистки воды Г.И.Николадзе, Е.Ф.Золотовой, Ю.Г.Асс и др.

 Оптимальная деманганация базируется на знании качества природных вод с точки зрения их агрессивности к марганцу, процесса деманганации воды, влияния физико-химических свойств подземных вод на процесс деманганации, возможностей исключения агрессивности воды в зависимости от характеристик природных вод.

Марганец в природных водах может находиться в различных соединениях. В подземных водах марганец находится преимущественно в форме бикарбоната двухвалентного марганца Mn(НСО3)2, хорошо растворимого в воде.

 Удаление из воды марганца может быть достигнуто следующими методами: обработкой воды перманганатом калия; аэрацией, совмещаемой с известкованием; фильтрованием воды через марганцевый песок или марганцевый катионит; окисление марганца озоном, хлором или двуокисью хлора.

         Изучение марганцовистых вод предполагает знание воды как движушего элемента растворения марганца, контакта между водой и марганцем и взаимодействия между ними. Следовательно, необходимо знать характеристики вод, способствующие растворению марганца, и методы, которыми можно воздействовать на данный процесс.

         Во второй главе приведены теоретические исследования применения природных цеолитов в водоподготовке. Дана общая характеристика  природных цеолитов, их физико-химические свойства, практика применения цеолитов в водоподготовке, в том числе цеолитов Чанканайского месторождения.

Цеолиты – разновидности алюмосиликатных каркасных материалов. Эти материалы имеют отрицательный трехмерный алюмосиликатный каркас со строго регулярной тетраэдрической структурой. В промежутках каркаса находятся гидратированные положительные ионы щелочных и щелочно-земельных металлов, компенсирующих заряд каркаса и молекулы воды. В адсорбционные полости цеолитов сорбируются лишь молекулы веществ, критический размер которых меньше эффективного размера входного окна, от этого и их второе название – молекулярные сита.

Цеолиты встречаются в природе и получены искусственно. Общая формула цеолитов Меx/n [AlxSiyO2(x+y)] ∙ z Н2О, где Ме – металл, n – степень окисления металла, х – число атомов алюминия, y – число атомов кремния,                 z – число молекул воды.

Известно более 30 видов природных цеолитов, но лишь часть из них образует крупные месторождения (80% концентратов), удобные для промышленной переработки. Один из распространенных - клиноптилолит (K2Na2Ca)[Al2Si7,5-11,0O19,0-26,0](6-8)Н2О.

 В цеолитах суммарный объем пор и каналов может достигать 60 % от объема кристалла. Поглотительная (адсорбционная) способность цеолитов зависит от суммарного объема пор. По этому признаку различают высоко-, средне- и мелкопористые цеолиты. Максимальный поглотительный эффект присущ высокопористым, высококремнистым и широкополостным цеолитам, среди которых, в порядке их распространения, можно назвать клиноптилолит, шабазит, эрионит.  

        Природные цеолиты проявляют ионообменные, а после удаления из их полостей воды (при нагревании) адсорбционные свойства, которые в сочетании с жестким размером входов в полости и каналы придают свойства молекулярных сит и селективных ионообменников.

        Взаимоотношения между собственно ионным обменом и другими сорбционными явлениями в значительной мере определяются особенностями кристаллической структуры минералов. Для большинства минералов с «закрытой» структурой явления физической и молекулярной сорбции незначительны, а для одновалентных катионов пренебрежительно малы. Здесь ионообменный изоморфизм проявляется в чистом виде. У минералов группы цеолитов наряду с ионным обменом большое значение имеет сорбция молекул органических жидкостей и газов, входящих в свободные полости и каналы алюмокремнекислородного каркаса.

Изучение кинетики ионообменных реакций показывает, что лимитирующей стадией здесь является диффузия обменных ионов в кристаллической решетке минералов. При этом каталитическая роль воды сказывается в том, что при катионном обмене сначала происходит замещение на протон. Результаты экспериментального определения скоростей некоторых ионообменных реакций дают весьма высокие значения для коэффициентов диффузии обменных ионов. Значения величин энергий активация для тех же реакций указывает на заметное увеличение скоростей обмена с ростом температуры.

В третьей главе описаны основы технологического моделирования процесса фильтрования и постановка опытно-экпериментальных исследований по деманганации природной воды в г. Алматы и г. Уральске.

За последнее полстолетие учеными Д.М.Минцем, Ю.Н.Шехтманом, М.Г.Журбой,В.П.Криштулем, Л.Н.Паскуцкой, В.Н.Новиковым и рядом других исследователей проанализировано и предложено множество математических моделей и дифференциальных уравнений, описывающих процесс осветления воды на зернистых фильтрах. Фильтры, работающие на конкретных реальных водах, вместе с фильтрующим слоем представляют сложную систему. Это в свою очередь вызывает отклонение от оптимального режима,  основанного на математических моделях процесса фильтрования, и вызывают сложности инженерного расчета. Поэтому для каждого конкретного случая возникает необходимость применения технологического моделирования с целью определения значений основных параметров процесса фильтрования.

Согласно разработанной Д.М.Минцем и В.П.Криштулем теории моделирования процесса фильтрования должны быть выдержаны следующие соотношения:

 

,                                         

 

 где х – толщина зернистого слоя, м;

 υ – скорость фильтрования, м/ч;

 d – крупность зерен загрузки, м;  

  t - время от начала фильтроцикла, ч;

  h0 – начальная потеря напора в фильтрующем слое, м;

 ∆h – прирост потери напора за время t, м.

Индекс «м» означает модель, индекс «н» – натуральный фильтр.

Ю. М. Шехтман использовал критерий подобия U=Х/Δt для характеристики процесса фильтрования. Но так как критерий U не учитывает изменения гранулометрического состава загрузки по ее высоте, то его можно применять только при рассмотрении процесса фильтрования через однородные загрузки.

Преобразуя U-критерий, М.Г.Журба ввел вместо t величину tф. Такая замена правомерна, так как t = tф, где tф – продолжительность фильтроцикла. Продолжительность фильтроцикла определялась как время от начала процесса фильтрования до момента наступления предельно-допустимых значений потерь напора и качества фильтрата, т.е. когда выполнится одно (или оба) из следующих условий: h > [h] и Сф > [С], где в скобках предельные значения параметров. Таким образом,

                                                            (4)

где Ф – критерий подобия работы зернистых фильтров.

В отличии от U-критерия при использовании Ф – критерия предполагается рассмотрение работы зернистого фильтра только в момент времени, соответствующий tф.

Далее, рассматривая взаимосвязь между Ф – критерием и концентрацией взвешенных веществ в исходной воде, М.Г.Журба предполагал, что

                                                  (5)

где КХ - характеристический коэффициент, мг/дм3;

черта над символами обозначает среднее за фильтроцикл значение фактора.

Действительно, если величина С0 возрастает, то уменьшается υ или t ф, а величину Х в этом случае необходимо увеличивать. Из формулы (5) следует, что   

                                                    (6)

На основании свойств Ф – критерия подобия зависимость (5) должна выполняться при произвольных физико-химических свойствах воды и взвеси, технологической схеме фильтрования, геометрической структуре и физико-химических свойствах фильтрующей загрузки. Постоянным величинам должна соответствовать постоянная величина характеристичекого коэффициента КХ.  С изменением любого из названных факторов величина КХ  должна меняться.

На основе использования Ф – критерия подобия были проведены исследования по технологическому моделированию процесса фильтрования природных вод на опытной установке по схеме одноступенчатого фильтрования  (рисунок 1).  

 

 

1 - колонка; 2 - пробоотборники; 3 - бак с постоянным уровнем; 4 - насадка;

5 - пьезометры; 6 - подача промывной воды; 7 - вакуумно-эжекционный аппарат.

Рисунок 1 - Схема опытно-экспериментальной  установки

Основными критериями оценки эффективности процесса фильтрования были приняты: эффект очистки природной воды от марганца, продолжительность фильтроцикла, потери напора в фильтре, скорость фильтрования, условия регенерации загрузки фильтра.

В исходной и профильтрованной воде в течение всего периода экспериментов фиксировалось содержание марганца до и после очистки.

В сериях опытов в г. Алматы деманганацию природных вод проводили фильтрованием через Чанканайский цеолит и аэрированием сжатым кислородом, поступающим из кислородного баллона.

Фильтровальная колонка выполнена из органического стекла диаметром 150 мм и высотой 1,5 метра, загружена Чанканайским цеолитом фракции                     0,5-3,0 мм.  

Вода городского водопровода г.Алматы содержит марганец в пределах допустимого значения, поэтому были приготовлены искусственные растворы  (имитаты) с содержанием марганца 0,2 мг/дм3; 0,3 мг/дм3; 0,5 мг/дм3;                         0,6 мг/дм3; 0,7 мг/дм3; 1,0 мг/дм3. 

 Эксперименты показали, что максимальный эффект очистки воды от марганца наблюдается при скорости фильтрования 3,0 - 4,0 м/ч (рисунок 2).

 

 

Подпись: Эффективность,%

 

Рисунок  2 - Влияние скорости фильтрования на эффект деманганации        воды (имитат)

 

С увеличением скорости фильтрования с 4,0 до 7,0 м/ч эффект очистки понизился на 12 %. Это снижение эффекта очистки объясняется следующим. Цеолиты проявляют не только ионообменные, но и адсорбционные свойства, причем адсорбция обусловлена физическими (адсорбция) и химическими силами (хемосорбция), при хемосорбции ионы марганца образуют с молекулами сорбата химические соединения. В отличие от физической сорбции, носящей обратимый характер с сохранением индивидуальности сорбата и сорбента, хемосорбция (химический процесс на границе раздела фаз) является необратимой.  При увеличении скорости фильтрования поверхностный слой загрузки не успевает адсорбировать марганец из воды.

При увеличении продолжительности фильтроцикла снижение концентрации марганца при фильтровании замедляется.

          Так, при начальной концентрации марганца 0,2 мг/дм3 и при продолжительности фильтроцикла 115 часов содержание марганца в три раза выше, чем при фильтроцикле, равном 82 часам. Взаимодействие компонентов раствора (исходной воды) с атомами или молекулами поверхности твердого тела – адсорбента (цеолита) приводит к тому, что растворенное вещество (марганец) некоторое время удерживается на поверхности тела, понижая тем самым его поверхностную энергию. Чем больше энергия межмолекулярного взаимодействия, тем большее время молекулы сорбата находятся на границе раздела фаз. С ослаблением поверхностной энергии происходит размыв сорбата с поверхности тела и увеличение концентрации марганца в фильтрате с увеличением продолжительности фильтроцикла. Этим же объясняются и результаты эксперимента при различных скоростях фильтрования.

           Как показали опыты, увеличение потерь напора в фильтрующей загрузке незначительное.

Это увеличение связано с накоплением сопутствующих марганцу загрязнений в исходной воде в толще загрузки, вследствие чего уменьшается свободный объем пор, увеличивая гидравлическое сопротивление.

           Для хозяйственно-питьевого и промышленного водоснабжения                       г.Уральска в пределах месторождения подземных вод «Уральское» функционирует централизованный водозабор, обеспечивающий 54 % потребности в воде, остальные 46 % воды получают путем очистки воды поверхностного источника – реки Урал.

На основе лабораторных данных можно сделать вывод, что содержание марганца в природной воде по всем 22 скважинам Уральского подземного водозабора превышает предельно-допустимую концентрацию. Значения содержания марганца находятся в интервале от 0,18 до 0,61 мг/дм3, что дает превышение в 1,8 ÷ 6,1 раза предельно-допустимой концентрации.

В сериях опытов в г. Уральске установка по деманганации воды была смонтирована на насосной станции пятого подъема подземного водозабора, расположенной в непосредственной близости со скважинами № 3а и № 4. Деманганацию проводили методами фильтрования и аэрации кислородом воздуха. Установка представляет собой фильтр, фильтрационная колонка которого загружена Чанканайским цеолитом крупностью 0,5-2,5 мм. 

В таблице 1 приведены значения содержания марганца, железа, свободной углекислоты, общая жесткость и активная реакция воды соответственно по 22 скважинам.

 

Таблица 1 - Анализ природной воды месторождения подземных вод «Уральское»

 

скважины

рН

Содержание

марганца,

мг/дм3

 

Содержание

железа,

мг/дм3

 

Общая

жесткость,

мг/дм3

 

 

Свобод-ная угле-

кислота,

мг/дм3

 

1

7.87

0.34

0.29

6.35

11.40

7.79

0.28

0.31

6.36

10.80

2

7.74

0.19

0.23

6.31

11.60

7.87

0.22

0.15

5.50

9.75

3

7.82

0.18

0.18

6.36

9.98

7.8

0.25

0.22

7.40

10.91

4

7.85

0.31

0.19

6.30

9.62

7.87

0.28

0.10

6.40

8.77

5

7.90

0.48

0.12

8.40

8.73

7.90

0.36

0.21

8.23

8.62

6

7.74

0.44

0.07

9.80

12.53

7.87

0.34

0.10

5.40

11.52

7

8.03

0.49

0.31

8.28

7.91

7.85

0.45

0.18

7.52

9.50

8

8.10

0.50

0.18

8.24

10.12

8.00

0.53

0.17

7.10

10.47

9

7.80

0.41

0.11

6.90

8.00

8.04

0.48

0.24

7.23

6.15

10

7.86

0.32

0.17

8.14

6.44

10а

7.96

0.33

0.41

6.90

3.71

11

8.00

0.61

0.11

7.40

8.62

11а

7.68

0.49

0.33

6.57

5.00

 

 При замене кварцевого песка на цеолит повысилась эффективность работы фильтровальных сооружений и была снижена себестоимость очистки за счет повышения глубины очистки от взвешенных веществ до 90-94%, увеличена продолжительность фильтроцикла с 12-24 часов до 3-5 суток, сокращения расхода промывных вод в 5-6 раз.

 В ходе проведения экспериментов отмечен низкий вынос цеолитовой загрузки с промывными водами: в течение всего периода эксплуатации требовалась дозагрузка фильтра цеолитом в количестве 4,5% от общей загрузки (для фильтров с песчаной загрузкой дозагрузка составляет 10-20% в год от общей загрузки).

Данные, полученные по результатам экспериментальных исследований в г. Алматы, подтверждаются экспериментами, проведенными в натурных условиях в г. Уральске на исходной подземной воде (рисунок 3).

           Подпись: Эффективность,%

 

Рисунок 3 - Влияние скорости продолжительности фильтрования на эффект деманганации воды (подземная вода г. Уральска)

 

По результатам проведенных исследований нами рекомендованы следующие оптимальные параметры работы цеолитового фильтра для удаления из воды марганца: рекомендуемая скорость фильтрования – 5,0 м∕ч, продолжительность фильтроцикла – 60 часов.

Таким образом, экспериментальными исследованиями подтверждена целесообразность деманганации подземной воды месторождения «Уральское» фильтрованием через цеолит Чанканайского месторождения и установлены оптимальные технологические режимы и параметры. 

 В четвертой главе проведена технико-экономическая оценка разработанной технологии очистки воды от марганца, анализ альтернативного метода деманганации природной воды, рекомендуемой технологической схемы очистки воды от марганца, приведены рассчитанные технико-экономические показатели технологических схем очистки воды от марганца.

Большой практический интерес среди традиционных методов представляет обработка воды перманганатом калия, с помощью которого достигается очистка ее от марганца без изменения других показателей качества воды, с последующим фильтрованием воды через песчаный фильтр (альтернативный метод).

По данным отдельных исследователей и результатам проведенных нами экспериментов опыт эксплуатации фильтра с цеолитовой загрузкой показал следующие преимущества по сравнению с фильтром с песчаной загрузкой:

 1. Значительное увеличение времени фильтроцикла – 3 суток вместо 12 часов для песчаного фильтра.

           2. Сокращение расхода промывных вод минимум в 5-6 раз за счет удлинения фильтроцикла.

           3. Снижение расхода электроэнергии, обусловленное эксплуатацией насоса подачи воды на промывку.

 Расчет годового экономического эффекта от внедрения предлагаемых методов обработки воды произведен по приведенным затратам в соответствии с формулой:

Э = Ен (К – К1) + (Э – Э1),

где К и К1 – капитальные вложения на строительство очистных сооружений соответственно по альтернативному и рекомендуемому вариантам;

Ен – нормативный коэффициент экономической эффективности капитальных вложений в строительство,  Ен = 0,12;

Э и Э1 – эксплуатационные расходы по очистке воды от марганца при использовании соответственно альтернативного и рекомендуемого методов.

        В таблице 2 приведены сравнительные технико-экономические показатели рекомендуемой и альтернативной схем деманганации воды.

 

Таблица 2 - Основные технико-экономические показатели

 

Наименование показателя

 

Единица измерения

1 вариант (альтернатив-ный)

2 вариант (рекоменду-емый)

1

Годовая производительность

м3/год

10950000

109500000

2

Стоимость системы в текущих ценах

тыс. тенге

47869,6

32576

3

Годовые эксплуатацион-ные расходы

тыс. тенге

102382

7814,87

4

Себестоимость очистки воды

тенге/ м3

9,35

0,72

5

Приведенные затраты

тыс.тенге/год

108126,39

11723,99

6

Годовой экономический эффект

тыс.тенге/год

 

96402,36

 

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

 

         В диссертационной работе изложены научно обоснованные технические решения задач по деманганации природной воды г. Уральска, применение которых обеспечивает решение прикладных задач рационального использования и охраны водных ресурсов.

        В результате проведенных исследований следует сделать следующие выводы:

1. В подземной воде г. Уральска, используемой для хозяйственно-бытовых и промышленных целей, содержание марганца превышает предельно-допустимую концентрацию в 1,8-6,1 раза.

2. В результате проведенных исследований установлена техническая возможность и целесообразность применения сорбентов - цеолитов Чанканайского месторождения для удаления марганца из природных вод в                    г. Уральске. 

3. Изучены физико-химические свойства и состав алюмосиликатных каркасных сорбентов – цеолитов, в частности цеолита Чанканайского месторождения – клиноптилолита.  

4. Теоретически и экспериментально исследованы процессы фильтрования и аэрации природной воды с целью удаления из нее марганца. Проведена статистическая и математическая обработка полученных экспериментальных данных методом наименьших квадратов. При этом оптимальными параметрами исследований для модельных вод в г. Алматы явились скорость фильтрования от 3 до 5 м/час при эффективности очистки воды от марганца      90 - 94 %, а для г. Уральска – скорость фильтрования воды от 7 до 10 м/час при эффекте очистки – 59 – 62 %.

5. Технико-экономически обоснован метод деманганации воды фильтрованием через цеолит Чанканайского месторождения для условий Республики Казахстан.

6 . Результаты исследований внедрены в проект ТОО НИЦ «Экотех», в производство. 

В целом, подытоживая вышесказанное, следует дать краткую характеристику диссертационной работы.

Оценка полноты решения поставленных задач. Поставленная цель работы достигнута, задачи исследования решены полностью, результаты исследований доведены до внедрения.

Разработка рекомендации исходных данных по конкретному использованию результатов. Результаты работы могут быть использованы на других водохозяйственных предприятиях  для удаления марганца из природной воды, а также в учебном  процессе высших учебных заведений по водным специальностям.

Оценка технико-экономической эффективности внедрения. Годовой экономический эффект от внедрения научных разработок по деманганации природной воды составил 96402,36 тысяч тенге в год.

Оценка научного уровня выполненной работы в сравнении с лучшими достижениями в данной области. В работе впервые разработана технология, проведены теоретические и экспериментальные исследования метода деманганации природной воды аэрацией и фильтрованием через цеолитовую загрузку. Аналогичные работы, направленные на изучение процессов удаления марганца из природных вод, практически отсутствуют в Казахстане. Выше сказанное подтверждает практическую значимость выполненной диссертационной работы.

 

СПИСОК ОПУБЛИКОВАННЫХ РАБОТ

ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

 

1.     Мукатаев В.К., Джубалиев У.А., Идрисова А.Е. Деманганация природной воды цеолитами Чанканайского месторождения. / Материалы 1 Казахстанской Междун. конф. «Вода-Казахстан-2000». - Алматы, 2000.- С. 41-43.

2.     Идрисова А.Е. Улучшение качества природной воды цеолитами Чанканайского месторождения. / Материалы Междун. научно-практ. конф. «Региональные проблемы экологии и безопасности жизнедеятельности». - Алматы, 2002. - С. 19-21.

3.     Идрисова А.Е. Основы процесса удаления марганца из природных вод./ Материалы Республ. научно-практ. конф. «Жансугуровские чтения». - Талдыкорган, 2003. - С. 42-44.

4.     Идрисова А.Е. Методика технико-экономической оценки извлечения марганца из природных вод. / Материалы Междун. научно-практ. конф. «Экологическая устойчивость и передовые подходы к управлению водными ресурсами в бассейне Аральского моря». -Алматы-Ташкент, 2003. - С. 550-552.

5.     Идрисова А.Е. Технологическое моделирование процесса фильтрования природных вод. / Материалы Междун. научно-практ. конф. «Современное состояние образование и науки в Казахстане и пути их реформирования».- Талдыкорган, 2003. - С. 147-151.

6.     Идрисова А.Е. Физико-химические свойства вод, содержащих марганец. / Материалы Междун. научно-практ. конф. «Водное партнерство в Центральной Азии». - Алматы, 2004. - С. 104-106.

7.      Идрисова А.Е. Технико-экономическое обоснование вариантов деманганации природной воды. / Материалы  Республ. научно-практ. конф. «Жансугуровские чтения». - Талдыкорган, 2005. - С. 156-162.

8.      Идрисова А.Е. Постановка опытно-экспериментальных исследований по деманганации природной воды в городе Уральске. // Вестник КазГАСА                 № 1 (23). - Алматы, 2007. - С. 142-145.

9.     Мырзахметов М.М., Тогабаев Е.Т, Идрисова А.Е. Технико-экономическая оценка технологии очистки воды от марганца. / Материалы III Междун. выставки и конф. «Су арнасы». - Астана, 2007. - С. 99-103.

10.  Идрисова А.Е. Опытно-экспериментальные исследования по деманганации природной воды в г. Алматы. /  Сборник материалов Междун. научно-практ. конф. «Перспективы развития водо- и энергосберегающих технологий и охрана труда».  - Алматы, КазГАСА, 2007. - С. 17-18.

11.  Мырзахметов М., Тогабаев Е., Идрисова А. Экспериментальные исследования процесса деманганации подземных вод г. Уральска методом фильтрования через цеолитовую загрузку. // Научный журнал «Поиск» № 3, 2007. - С. 131-135.

12.  Идрисова А. Научно-технические основы деманганации природной воды. // Научный журнал «Поиск» № 4, 2007. - С. 159-162.

 

 

ТҮЙІН

 

Идрисова Айгуль Еркиновна

 

«Шанқанай кен орнының цеолиттерімен Орал қаласының ауыз судың сапасын жақсарту»  

 

Мамандық  05.23.04 – Сумен жабдықтау, канализация, су қорларын қорғаудың құрылыстық жүйелері

 

        Тақырыптың өзектілігі. 2002-2010 жылдарға арналған “Ауыз су” салалық бағдарламасы Қазақстан Республикасы Президентінің 1998 жылдың    16 қарашасындағы №14153 “Халық денсаулығы” мемлекеттік бағдарламасы туралы” Жарлығына сәйкес жасалған және халықты сапалы ауыз сумен қамтамасыз етуге бағытталған. “Ауыз сулар” бағдарламасында қойылған міндеттер, сумен жабдықтау көздерінің антропогендік ластануларына, санитарлық-эпидемиологиялық жағдайдың нашарлауына, сумен жабдықтау жүйесінің қанағаттанғысыз техникалық жағдайына байланысты қазіргі заманның өзекті мәселелерінің бірі болып табылады.

        Орал қаласының жерасты су жинағыштарының ауыз суларын сараптау кезінде “Водоканал” облыстық басқармасының зертханасы марганецтің өте көп екендігін 0,18-ден 0,61 мг/дм3 дейін анықтаған, сондықтан маңызды және қажетті міндет болып, табиғи судың деманганациясының оңтайлы тәсілін, құрылысын, технологиялық сызбасын таңдау табылады.

        Жұмыстың мақсаты. Шанқанай кен орнының жергілікті табиғи сорбент-цеолиттерін қолданып сүзу және аэрациялаумен Қазақстан Республикасы жағдайында осы табиғи суларды шаруашылық-ауыз  сумен жабдықтауда қолдануды қамтамасыз ету үшін табиғи суларды деманганациялау әдісін зерттеу және жасап шығару.

        Жұмыстың ғылыми жаңалығы келесілермен анықталады:

-            Орал қ. жағдай үшін сүзумен табиғи суларды деманганациялаудың тиімді технологиясы жасап шығарылды;

-            Орал қ. табиғи суларын Шанқанай кен орнының цеолиті арқылы сүзумен деманганация жасаудың мақсатқа сай екендігі теориялық және тәжірибелік зерттеулермен анықталған;

-            құрамында марганец бар табиғи суларды шаруашылық-ауыз сумен жабдықтауда, халық шаруашылығының әртүрлі салаларында пайдалануды қамтамасыз ету үшін сүзу процесінің қолайлы параметрлері анықталды;

-            Қазақстан Республикасының жағдайлары үшін табиғи суды марганецтен Шанқанай кен орнының    цеолиті арқылы сүзумен тазарту әдісі техника-экономикалық тұрғыдан дәйектелген.

        Зерттеу нәтижелерінің тәжірибелік құндылығы мен жүзеге асырылуы:

-            Орал қ. жағдайы үшін табиғи суды деманганациялаудың үнемді технологиялық сызбасы ұсынылды;

-            берілген талаптарды қамтамасыз ететін сүзудің оңтайлы параметрлері және сүзгілерді пайдалану шарттары анықталды;

-            табиғи суды сүзу және терең аэрациялау әдісімен деманганациялау жөніндегі осы жасалым суда марганецтің көп болуы мәселесі өткір тұрған аймақтарда қолданыс табады.

        Зертханалық мәліметтердің негізінде, Оралдың жерасты су жинағыштарының барлық 22 ұңғымалары бойынша табиғи суда маргенецтің болуы шектелген-рұқсат етілген концентрациядан асып кетеді. Марганецтің болу мәндері 0,18-ден 0,61 мг/дм3 дейін, бұл шектелген-рұқсат етілген концентрациядан 1,8-6,1 есе асып кетеді. 

       Жүргізілген зерттеулердің нәтижелері бойынша, біздер судан марганецті кетіру үшін цеолиттік сүзгінің жұмысының келесідей оңтайлы параметрлерін ұсындық: сүзудің ұсынылатын жылдамдығы – 5,0 м/сағ, сүзу циклының ұзақтығы – 60 сағат.

        Табиғи судан марганецті кетіру мақсатында сүзу, аэрация процестері теория және тәжірибе жүзінде зерттелді. Алынған тәжірибелік мәліметтерді ең аз квадраттар әдісімен статистикалық және математикалық өңдеу жүргізілді. Бұл кезде Алматы қаласында зерттеудің оңтайлы параметрлері болып суды марганецтен тазарту тиімділігі 90-94% болғанда сүзу жылдамдығы 3-тен            5 м3/сағ дейін, ал Орал қ. үшін – 59-62% тазарту әсері кезінде суды сүзу жылдамдығы 7-ден 10м3/сағ дейін.

        Жоғарыда келтірілген мәліметтер көрсеткендей, цеолиттер әдетте суды тазарту үшін қолданылатын сүзгілерді қиыршықты жүктемесі ретінде қолданылатын басқа материалдармен салыстырғанда бірқатар артықшылықтары бар.

        Қойылған міндеттерді шешудің толықтығын бағалау. Жұмыстың қойылған мақсатына қол жеткізілді, зерттеу міндеттері толығымен шешілді, зерттеудің нәтижелері енгізуге дейін жеткізілді.

       Нәтижелерді нақты қолдану бойынша бастапқы мәліметтердің ұсыныстарын жасап шығару.  Жұмыстың нәтижелері табиғи судан марганецті кетіру үшін басқа су шаруашылығы кәсіпорындарында, және де су мамандықтары бойынша жоғарғы оқу орындарындағы оқу процесінде қолданылуы мүмкін.

       Енгізудің техника-экономикалық тиімділігін бағалау. Осы жасалымды енгізудің жылдық экономикалық тиімділігі жылына 96402,36 мың теңгені құрады.

      Орындалған жұмыстың ғылыми деңгейін осы саладағы басқа ең жақсы жетістіктермен салыстырып бағалау. Жұмыста алғаш рет табиғи суды цеолитті жүктеме арқылы сүзіп деманганациялаудың технологиясы жасалды, әдістің теориялық және тәжірибелік зерттелуі жүргізілді. Марганецті табиғи сулардан кетіру процесін зерттеуге бағытталған ұқсас жұмыстар Қазақстанда жоқ. Жоғарыда айтылғандар орындалған диссертациялық жұмыстың тәжірибелік маңызын растайды. 

 

   

SUMMARY

 

Idrissova Aigul Yerkinovna

 

«Quality improvement of drinking water 

in Uralsk city  by applying zeolites of Chankanay field»

 

Profession 05.23.04. – Water supply, sewage, construction systems of water resources protection

 

          Actuality of the theme. Branch program “Drinking water” for 2002-2010  has been developed  by the Decree of  the President  of the Republic of Kazakhstan   dated November 16, 1998 no. 4153 “On state program “Health of Nation” and is directed  to provide local  people with qualitative drinking water. The tasks provide  on the program “Drinking water” are the  ones the most actual  at the present time  due to anthropogenic contamination of water supply sources, worsening of  sanitary epidemiologic  conditions, unsatisfactory technical state of water supply systems.

Analyzing drinking water of underground intake  in Uralsk city by  the laboratory of regional administration “Vodokanal”  increased  content of manganese from 0,18 to 0,61 mg/dm3, therefore,  the important and necessary task is selection of  optimal method, facilities, technological scheme of natural water demanganation.  

The aim of the work: Research and development of natural water demanganation  method by filtering and aeration  applying  local natural absorbents – zeolites of Chankanay field  to provide  use of  the natural waters  in economic drinking  water supply  in the conditions of the Republic of Kazakhstan.

Scientific novelty of the work is determined in the following way:

-    effective  demanganation technology  of natural water  by filtering  for conditions of Uralsk city has been developed;

-    efficiency  of demanganation of natural water  in Uralsk city  by filtering  through zeolit  of Chankanay field has been determined applying theoretical and experimental research;

-    optimal parameters  of natural  waters filtering process containing  manganese have been determined  to provide  their use  in economic drinking water supply , different branches of national economy;  

-    natural water purification method from manganese  by filtering  through zeolit of Chankanay field  for condition for conditions of the Republic of Kazakhstan  has been  based on technically and economically.

Practical significance and implementation of the research results:

-    rational technological  scheme on natural water demanganation   for  conditions of Uralsk city has been provided; 

-    optimal filtering parameters and filter operation terms providing  set requirements  have been determined;

-    real development  on natural water demanganation  by filtering  and deep aeration methods  will be applied  in the regions, where  the problem of  manganese content in water  is acute.

 The conclusion  that manganese content in natural water  in all 22 wells of Uralsk underground intake  supersedes  maximum allowable  concentration  on the basis of laboratory data. Values of manganese content  are in the limits from 0,18 tо 0,61 mg/dm3,  which is excessive  in  1,8 ÷ 6,1 times  to  maximum  allowable concentration.  

 The following optimal  work parameters  of zeolit filter work  were recommended to remove manganese from water  under the results of completed research: recommended filtering speed – 5,0 m ∕ h, filter circle duration – 60 hours.

Natural water filtering and aeration  processes have been studied theoretically and experimentally to remove manganese from it.  Statistic and mathematical processing of gained experimental data  by the method of the least squares   have been performed. In this case the optimal parameters  of the research in Almaty city  are filtering speed from 3 to 5 m3/hour  in the case of efficiency of water purification from manganese is 90 - 94 %, in conditions of Uralsk city  – water filtering speed from 7 to 10 m3/hour  in the case of purification effect  – 59 – 62 %.

         Abovementioned data prove that  zeolites  posses a number of benefits  in comparison with other materials, traditionally used as a grain loading  of water purification filters.

 Evaluation of  set tasks resolution completion. Set aim  of the work has been achieved , the research tasks have been resolved fully, the results o research  have been brought to implementation.  

Development of recommendations on initial data on concrete use of the results. The results of the work  may be applied  in other water economic  enterprises  to remove manganese from natural water  as well as educational process  of higher education establishments  on water majors.

Evaluation of technical and economic implementation. Annual economic effect  from implementation of this development  is  96402,36 thousand tenge  a year.  

Evaluation of  the scientific rate  of completed work  on comparison with the best achievements in the area.  Technology  has been developed for the first time and theoretical and experimental research of natural water demanganation  method  by filtering  though zeolit loading have been provided.  Similar works directed  to the process of manganese  removal from natural waters  are not observed in Kazakhstan.  Aforementioned confirm practical significance of completed dissertation work.