PROBLEMS OF DRINKING WATER SUPPLY AND THE WAYS OF THEIR SOLVING BY TERTIARY TREATMENT OF TAP WATER AT FILTERS WITH BIRCH ACTIVATED CARBON MODIFIED BY FULLERENES

Full Text

Обработка водопроводной воды на фильтрах с активированным углем перед непосредственной подачей к потребителю является одним из наиболее применяемых способов доочистки воды, загрязняемой при транспортировке по трубам, находящимся в неудовлетворительном техническом состоянии. Для повышения сорбционной активности активированных углей применяется их модифицирование фуллеренами, обладающими также бактерицидными свойствами. В Санкт-Петербургском государственном технологическом институте (Техническом университете), руководитель работ д.т.н., проф. В.В. Самонин, разработана технология введения фуллеренов в исходные активированные угли, позволяющая получить модифицированный активированный уголь (АУМ). В Санкт-Петербургском государственном архитектурно-строительном университете, руководитель работ д.т.н., проф. А.Н. Ким, проведены исследования возможности и эффективности практического применения АУМ для доочистки водопроводной воды. Исследования [1-3] подтвердили нестабильное качество водопроводной воды и необходимость ее доочистки и показали, что наиболее эффективно модифицирование фуллеренами березовых активированных углей (АУМбер). Также в результате исследований выявлена высокая эффективность использования АУМбер для доочистки водопроводной воды, превышающая эффективность доочистки на исходных углях до 30 % по цветности, содержанию железа и окисляемости. 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. Эффективность очистки определялась по формуле Эоч = 100 (Сисх – Соч) / Сисх, %, где Эоч – эффективность очистки нормируемого вещества; Cисх – концентрация вещества перед подачей на фильтрующую колонку; Соч – концентрация вещества после обработки на фильтрующую колонку. 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. Полученные данные представлены графически на рис. 1. Так как грязевые нагрузки исходной обрабатываемой воды невелики, для проведения очистки модифицированными фуллеренами активированными углями достаточно время контакта воды с сорбентом Эо к, % 1 00 90 80 70 h=0,3 2 м 60 h=0,5 м 50 h=1 ,0 м 40 h=1 ,5 м h=2,0 м 30 20 10 0 2 5 8 1 0 V, м /ч Рис. 1. Эффект очистки исходной воды по окисляемости на АУМбер при различной высоте фильтрующей загрузки и скорости фильтрования t, м и н 70,0 60,0 50,0 40,0 30,0 20,0 V=2 м /ч V=3 м /ч V=5 м /ч V=8 м /ч V=1 0 м /ч 1 0,0 0,0 1 00 1 50 200 250 Tф , ч Рис. 2. Продолжительность фильтроцикла при обработке исходной воды АУМбер при различной скорости фильтрования и времени контакта воды с АУМбер: Тф – продолжительность фильтроцикла меньшее, чем принятое в традиционной фильтрационной обработке воды. При этом эффективное время работы модифицированного фуллеренами активированного угля определяется предъявляемыми требованиями к качеству обработанной воды. На рис. 2 представлены полученные по методу экспертных оценок зависимости продолжительности фильтроцикла от скорости фильтрования и время контакта обрабатываемой воды с модифицированным фуллеренами активированным углем. Выбор аналитического выражения функций зависимостей технологических параметров доочистки водопроводной воды на фильтрах с активированным углем, модифицированным фуллеренами, производился в стандартном пакете Excel-2010 построением линий тренда и выбором вида функций (линейная; логарифмическая; полиномиальная 2-й степени; полиномиальная 3-й степени; степенная; экспоненциальная). Под трендом понимается закономерная, неслучайная составляющая временного ряда, являющаяся некоторой функцией достаточно простого вида, описывающая «среднее поведение» ряда или процесса. В качестве математического критерия наилучшего вида и количественного значения коэффи80 экспоненциальная функция: y = 82,713e-0,073x R² = 0,9679 70 линейная функция: y = -3,8571x + 77,857 R² = 0,9891 60 логарифмическая функция: y = -18,38ln(x) + 84,462 R² = 0,9323 50 полиномиальная функция 2-й степени: Эоч.ок, % y = -0,0827x2 2,8701x + 75,677 R² = 0,9915 40 степенная функция: y = 92,657x-0,341 R² = 0,877 30 полиномиальная функция 3-й степени: y = -0,0833x3 + 1,4167x2 10,667x + 86,333 R² = 1 20 h=0,32 м Экспоненциальный (h=0,32 м) 10 Линейный (h=0,32 м) Логарифмический (h=0,32 м) Полиномиальный 0 (h=0,32 м) Степенной (h=0,32 м) 0 2 4 6 8 10 12 V, м/ч Полиномиальный (h=0,32 м) Рис. 3. Линии тренда зависимости эффекта очистки воды по окисляемости на модифицированных фуллеренами активированных углях от скорости фильтрования и при высоте фильтрующей загрузки h=0,32 м при различных видах функций циентов использовался коэффициент детерминации (R2). R2 определяется как единица минус доля необъяснённой дисперсии (дисперсии случайной ошибки модели, или условной по факторам дисперсии зависимой переменной) в дисперсии зависимой переменной. Соответственно, чем ближе значение коэффициента детерминации к 1, тем сильнее зависимость, что интерпретируется как соответствие модели данным. Модели с коэффициентом детерминации выше 80% признаются достаточно хорошими. Значение коэф300 250 200 Тф, ч 150 фициента детерминации 1 означает функциональную зависимость между переменными. На рис. 3 в графическом виде представлены линии тренда зависимости эффекта очистки воды по окисляемости на АУМбер от скорости фильтрования при высоте фильтрующей загрузки h=0,32 м при различных видах функций. Также на рис. 3 указаны функциональные зависимости и соответствующие им коэффициенты детерминации. Расчеты показали, что для полиномиальной функции 3-й степени R2=1. линейная функция: y = 14,537x + 11,454 R2 = 0,9595 экспоненциальная функция: y = 62,944e0,0859x R2 = 0,8924 логарифмическая функция: y = 168,59Ln(x) 223,77 R2 = 0,9946 степенная функция: y = 15,039x1,0139 R2 = 0,9577 полиномиальная функция 2-й степени: y = -1,0445x2 + 39,923x 127,12 R2 = 0,9992 полиномиальная функция 3-й степени: y = 0,0833x3 4x2 + 72,917x 243 R2 = 1 100 V=2 м/ч Линейный (V=2 м/ч) Экспоненциальный (V=2 м/ч) 50 Логарифмический (V=2 м/ч) Степенной (V=2 м/ч) Полиномиальный (V=2 м/ч) Полиномиальный (V=2 м/ч) 0 0,0 5,0 10,0 15,0 20,0 t, мин Рис. 4. Линии тренда зависимости продолжительности фильтроцикла от времени контакта обрабатываемой воды с модифицированным фуллеренами активированным углем при скорости фильтрования V=2 м/ч при различных видах функций Получено, что зависимость эффекта очистки исходной воды по окисляемости на АУМбер при различной высоте фильтрующей загрузки и скорости фильтрования выражается следующим образом: y = -0,0833x3 + 1,4167x2 10,667x + 86,333 (для h=0,32 м); y = -0,0292x3 + 0,6042x2 7,7583x + 91,333 (для h=0,50 м); y = -0,0889x3 + 1,7778x2 14,311x + 107,22 (для h=1,00 м); y = -0,0694x3 + 1,4306x2 12,306x + 110,44 (для h=1,50 м); y = -0,0986x3 + 2,0347x2 16,064x + 119,78 (для h=2,00 м), где y – эффект очистки по окисляемости на АУМбер, %; x – скорость фильтрования, м/ч. На рис. 4 в графическом виде представлены линии тренда зависимости продолжительности фильтроцикла от времени контакта обрабатываемой воды с модифицированным фуллеренами активированным углем при скорости фильтрования V=2 м/ч при различных видах функций. Также на рис. 4 указаны функциональные зависимости и соответствующие им коэффициенты детерминации. Расчеты показали, что для скоростей фильтрации 2 м/ч; 3 м/ч; 8 м/ч полиномиальной функции 3-й степени R2=1. Для скоростей фильтрации 10 м/ч полиномиальной функции 2-й степени R2=1. В результате было определено, что зависимость продолжительности фильтроцикла от скорости фильтрования и времени контакта обрабатываемой воды с АУМбер выражается следующим образом: y = 0,0833x3 4x2 + 72,917x 243 (для V=2 м/ч); y = 0,059x3 3,1885x2 + 65,264x 260,6 (для V=3 м/ч); y = 0,0179x3 1,5251x2 + 46,782x 319,14 (для V=5 м/ч); y = 0,01x3 1,1831x2 + 49,404x 542,47 (для V=8 м/ч); y = 0,0042x3 0,551x2 + 26,911x 329,43 (для V=10 м/ч), где y – продолжительность фильтроцикла на АУМбер, ч; x – время контакта обрабатываемой воды с АУМбер, мин. БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК Грун, Н.А. Исследование активированного угля, модифицированного фуллеренами, применяемого для кондиционирования водопроводной воды [Текст] / Н.А. Грун, А.Н. Ким // Вестник гражданских инженеров. СПбГАСУ, 2010. -№ 2(23). С. 146-150. Ким, А.Н. Проблемы кондиционирования водопроводной воды, пути их решения [Текст]/ А.Н. Ким, Н.А. Грун // Сборник материалов IV международного семинара «Методы повышения ресурса городских инженерных инфраструктур» ХГТУСА. – Харьков, 2010. – C. 264-270. Самонин, В.В. Модифицирование активных углей фуллеренами и их исследование в процессах кондиционирования водопроводной воды в режиме сорбция-регенерация [Текст] / В.В. Самонин, А.Н. Ким, Н.А. Грун // Известия СПб ГТУ(ТИ). 2010. №8(34). С. 77-80. © Грун Н.А., Ким А.Н., 2013

About the authors

N. A GRUN

Санкт-Петербургский государственный архитектурно-строительный университет

Author for correspondence.
Email: vestniksgasu@yandex.ru

аспирант кафедры водоснабжения

A. N KIM

Санкт-Петербургский государственный архитектурно-строительный университет

Email: vestniksgasu@yandex.ru

доктор технических наук, профессор кафедры водоснабжения

References

Supplementary files