RESULTS OF EXPERIMENTAL STUDIES OF POND WATER PURIFICATION ON THE FILTER RADIAL UPDRAFTS FLUID

Full Text

Отличительной особенностью очистки вод рыбоводных производств с помощью фильтров является установление режима, обеспечивающего выделение взвешенных веществ до 70-75 %, таким образом, чтобы не возникало кольматирования пор сорбентов и сохранялись продукты питания для рыб. Обеспечить заданную эффективность очистки и возврата продуктов питания для рыб с очищенной и/или промывной водой можно путем регулирования технологических параметров фильтрования [1-10]. Проведены экспериментальные исследования (рис. 1) по выбору фильтрующих материалов для фильтров с радиально восходящим потоком жидкости, включающие в себя два этапа: 1-й - определение эффективности очистки вод от взвешенных веществ и аммонийного азота при нисходящем фильтровании через слой загрузки высотой 200 мм (рис. 1, а): щебень (фракции 40-60 и 20-30 мм); керамзит (20-25); керамзитобетон (20-25); резиновая крошка (5-6); пенополистирольные гранулы (2-5); 2-й этап - экипировка модели радиального фильтра (рис. 1, б) выбранной загрузкой и проведение исследований в радиальном направлении фильтрования. Проведены исследования по изучению сорбционных свойств цеолитов (клиноптилолита) и адсорбента-катализатора (АК-ЦМ): в лабораторных условиях выполняли по методике НИИ ВОДГЕО [1-3]; в опытно-промышленных условиях - на моделях диаметром 0,15 и высотой загрузки 0,8 и 1,2 м. Исследования влияния технологических факторов на прудовой воде проведены на модели водоприемно-очистного устройства (рис. 2) в соответствии с заявкой на патент №2015111316/13 от 27.03.2015 г. [11]. Рабочей жидкостью являлась прудовая вода Кизанского рыбоводного завода. Установка работала в режиме радиально-восходящего фильтрования с центральным подводом жидкости для механической очистки (взвешенные вещества, планктон) и в режиме восходящего фильтрования для сорбции азота аммонийного на клиноптилолите. Толщина загрузки составляла 0,1 м, высота - 0,5; 0,8; 1,2 м. Подача воды из пруда осуществлялась погружным насосом, подвешенным на плоту. Расход подаваемой воды обеспечивала скорость фильтрования 1-8 м/ч. Исследования проводились в маеиюне 2015 г. Результаты исследований представлены в табл. 1, 2 и в виде графиков (рис. 3, 4). DOI: 10.17673/Vestnik.2016.02.8 37 Вестник СГАСУ. Градостроительство и архитектура | 2016 | № 2 (23) Н.С. Серпокрылов, Л.В. Боронина, С.З. Тажиева а б Рис. 1. Схемы лабораторных установок: а - по выбору фильтрующих загрузок; б - по определению технологических параметров режима очистки вод а б 9 11 12 10 1 2 3 4 5 6 7 8 1 2 3 4 5 6 7 10 9 11 12 13 в г I I 1 13 4 I I 14 21 6 20 3 19 16 17 18 15 7 8 22 Рис. 2. Водоприемно-очистное устройство для рыбоводных акваторий (прудов): а - водоприемно-очистное устройство для рыбоводных акваторий в виде цилиндра, расположенное вне акватории; б - водоприемно-очистное устройство для рыбоводных акваторий в виде полуцилиндра, расположенное на берегу; в - фрагмент вертикального цилиндрического колодца с отверстиями; г - фрагмент фильтрующих второй и третьей по ходу движения воды секций Сгруппируем экспериментальные данные табл. 1 и 2 в таблицу оценки эффективностей очистки вод от ВВ и NН4 + с учетом фракционного состава и высоты фильтрующего слоя (табл. 3). Сравним влияние размера фракций на эффективность очистки вод от ВВ и NН4 + при равных скоростях фильтрования и высоте загрузки (рис. 4, табл. 3). Можно заметить, что эффективность очистки вод от NН4 + при всех типах фракций загрузок практически одинакова. Разница в значениях не превосходит ошибку аналитического определения. Вестник СГАСУ. Градостроительство и архитектура | 2016 | № 2 (23) 38 ВОДОСНАБЖЕНИЕ, КАНАЛИЗАЦИЯ, СТРОИТЕЛЬНЫЕ СИСТЕМЫ ОХРАНЫ ВОДНЫХ РЕСУРСОВ Таблица 1 Интервал остаточных концентраций взвешенных веществ и аммонийного азота при скорости фильтрования 1-8 м/ч № п/п Слой загрузки h, м Остаточная концентрация ВВ/NH4 + при Vф, м/ч 1 2 4 5 6 8 Фракция 2,0-3 мм 1 2,0-3,0 0,5 4,8-5,6 0,42-0,51 5,5-8,5 0,48-0,62 6,4-9,5 0,55-0,70 8,1-10,8 0,62-0,78 10,0-14,1 0,70-0,82 12,5-16,7 0,75-0,91 2 2,0-3 0,8 4,4-5,2 0,36-0,48 5,3-7,9 0,42-0,48 4,8-7,0 0,50-0,58 5,5-8,0 0,56-0,66 6,7-10,5 0,62-0,74 8,5-14,0 0,65-0,76 3 2,0-3,0 1,2 2,7-3,5 0,26-0,32 2,6-4,9 0,28-0,42 3,8-6,0 0,42-0,52 0,49-7,2 0,50-0,20 5,6-8,2 0,61-0,70 7,1-9,2 0,65-0,70 Фракция 1,5-2,5 мм 1 0,5 3,0-4,0 0,3-0,51 4,1-7,0 0,35-0,58 5,5-8,0 0,45-0,52 6,5-9,5 0,50-0,60 10,2-13,1 0,55-0,67 12,1-15,2 0,62-0,7 2 0,8 2,4-3,2 0,2-0,5 3,5-5,2 0,28-0,40 4,1-6,0 0,35-0,45 5,2-7,1 0,46-0,54 6,4-10,0 0,52-0,6 8,3-12,0 0,55-0,72 3 1,2 1,0-2,5 0,1-0,2 2,8-4,5 0,21-0,30 3,5-5,5 0,31-0,40 4,5-6,0 0,41-0,5 5,2-7,8 0,51-0,6 6,7-11,0 1,6-0,8 Фракция 1,0-2,0 мм 1 0,5 1,0-2,2 0,2-0,35 2,0-3,2 0,32-0,5 2,5-3,5 0,35-0,43 3,2-4,5 0,38-0,48 4,0-5,5 0,42-0,54 5,1-6,5 0,48-0,6 2 0,8 0,8-1,5 0,15-0,22 1,2-1,8 0,24-0,30 1,5-2,2 0,26-0,36 1,8-2,5 0,32-0,40 2,0-2,6 0,38-0,46 2,2-4,0 0,42-0,50 3 1,2 0,5-0,9 0,12-0,20 0,71-1,2 0,15-0,21 1,0-1,2 0,22-0,31 1,1-1,5 0,25-0,35 0,2-2,0 0,28-0,40 1,5-2,2 0,34-0,45 Таблица 2 Эффективность очистки прудовых вод Э, %, от взвешенных веществ ВВ и аммонийного азота NH4 + при скорости фильтрования 1-8 м/ч № п/п Слой загрузки h, м Э, %, ВВ/NH4 + 1 2 4 5 6 8 Средний % Фракция от 2,0-3,0 мм 1 0,5 77,9 94,5 63,1 94,2 0,5 93,4 50,0 92,6 36,3 92,0 23,1 91,3 51,82 93,2 145,0 2 0,8 74,7 95,1 65,6 95,0 68,9 94,0 64,2 93,2 54,7 92,4 41,5 92,0 61,6 94,1 155,7 3 1,2 85,6 96,8 80,5 96,1 74,2 94,8 67,9 93,9 63,7 92,3 56,8 91,6 71,6 94,3 165,9 Фракция 1,5-2,5 мм 1 0,5 81,5 95,6 75,8 94,9 64,2 94,6 57,9 93,9 44,2 93,1 38,9 92,7 60,9 94,1 155,0 2 0,8 85,2 96,1 79,4 96,2 64,7 95,6 57,9 94,4 56,8 93,7 46,3 93,0 65,0 94,8 159,8 3 1,2 91,1 98,3 81,3 97,1 76,3 96,2 72,4 93,9 65,8 92,7 55,3 91,2 73,7 95,5 169,1 Фракция 1,0-2,0 мм 1 0,5 91,6 96,7 86,3 95,4 84,2 95,6 79,5 95,2 69,5 94,5 66,8 93,9 79,65 95,2 174,1 2 0,8 93,4 97,9 92,1 96,8 90,2 96,5 88,7 96,0 88,0 95,3 83,4 94,9 89,1 96,2 185,3 3 1,2 96,3 98,6 95,6 98,0 94,2 97,1 93,2 96,7 91,6 96,2 90,2 95,6 93,5 97,0 190,5 39 Вестник СГАСУ. Градостроительство и архитектура | 2016 | № 2 (23) Н.С. Серпокрылов, Л.В. Боронина, С.З. Тажиева Таблица 3 Сравнительная эффективность очистки вод от ВВ и NН4 + с учетом фракционного состава и высоты фильтрующего слоя № п/п Hзагр,м Средняя эффективность очистки, %: ВВ NH4 + сумма Фракция 2,0-3,0 мм 1 0,5 51,8 93,2 145,0 2 0,8 61,6 94,1 155,7 3 1,2 71,6 94,3 165,9 Фракция 1,5-2,5 мм 1 0,5 60,9 94,1 155,0 2 0,8 65 94,8 159,8 3 1,2 73,7 95,5 169,1 Фракция 1,0-2,0 мм 1 0,5 79,7 95,2 174,9 2 0,8 89,1 96,2 185,3 3 1,2 93,4 97,1 190,5 Рис. 3. Эффективность очистки прудовых вод по взвешенным веществам и аммонийному азоту при скорости фильтрования 1 - 8 м/ч: ряд 1 - ВВ; ряд 2 - NH4 +; ряд 3 - сумма; 1, 4,7 - высота загрузки 0,5 м; 2,5,8 - высота загрузки 0,8 м; 3,6,9 - высота загрузки 1,2 м Таблица 4 Сравнительная эффективность очистки вод от ВВ и NН4 + с учетом фракционного состава и высоты фильтрующего слоя Высота загрузки, дм Эффективность очистки вод, % Фракция, мм ВВ NH4 + сумма 5 51,8 93,2 145,0 2,0-3,0 5 60,9 94,1 155,0 1,5-2,5 5 79,7 95,2 174,9 1,0 - 2,0 8 60,9 94,1 155,0 1,5-2,5 8 79,7 95,2 174,9 1,0-2,0 8 61,6 94,1 155,7 2,0-3,0 8 65,0 94,8 159,8 1,5-2,5 8 89,1 96,2 185,3 1,0-2,0 12 71,6 94,3 165,9 2,0-3,0 12 73,7 95,5 169,1 1,5-2,5 12 93,4 97,1 190,5 1,0-2,0 Вестник СГАСУ. Градостроительство и архитектура | 2016 | № 2 (23) 40 ВОДОСНАБЖЕНИЕ, КАНАЛИЗАЦИЯ, СТРОИТЕЛЬНЫЕ СИСТЕМЫ ОХРАНЫ ВОДНЫХ РЕСУРСОВ Исходя из остаточных концентраций в очищенных водах по ВВ, для сохранения части продуктов питания в очищенных водах рекомендуются загрузки фракциями 1,5-2,5 и 2-3 мм, высотой 0,5 и 0,8 м (табл. 4, рис. 4). Поскольку для практики эксплуатации важно иметь остаточные концентрации ВВ, которые представлены кормовыми элементами, определим соответствующие зависимости от скорости фильтрования (рис. 5). С учетом «рабочих» фракций 2-3 и 1,5-2,5 мм выразим расчетные зависимости остаточных концентраций ВВ через данные табл. 5. Представим линейную зависимость остаточных концентраций от скорости фильтрования при различных диаметрах фракций и высоте загрузки клиноптилолита (рис. 6, 7). Рис. 4. Сравнительная эффективность очистки прудовой воды в зависимости от скорости фильтрования, размера фракций и высоты загрузки: ряд 1-3 - высота загрузок 5 дм; ряд 4-6 - высота загрузок 8 дм; ряд 7-9 - высота загрузок 12 дм; ряд 2 - эффективность (%) по ВВ; ряд 3 - эффективность (%) по NH4+; ряд 4 - суммарный эффект очистки (%) Рис. 5. Зависимость остаточных ВВ в очищенных водах, мг/л, от скорости фильтрования при очистке прудовых вод, м/ч: 1-1; 2-3; 3-4; 4-5; 5-6; 6-8; ряд 1 - фракция 2-3 мм, высота загрузки 0,5 м; ряд 2 - фракция 2-3 мм, высота загрузки 0,8 м; ряд 3 - фракция 1,5-2,5 мм, высота загрузки 0,5 м; ряд 4 - фракция 1,5-2,5 мм, высота загрузки 0,8 м Таблица 5 Остаточные концентрации ВВ при фильтровании прудовой воды через водоприемно-очистное устройство Размер фракций, мм Высота загрузки Н, дм Скорость фильтрования, м/ч 1 2 4 5 6 8 2-3 5 5,21 7,02 8,85 9,45 11,15 14,60 2-3 8 4,82 6,65 7,05 8,25 9,10 11,25 1,5-2,5 5 3,50 5,05 6,75 8,00 10,65 13,12 1,5-2,5 8 2,80 4,35 5,05 6,15 8,21 10,15 41 Вестник СГАСУ. Градостроительство и архитектура | 2016 | № 2 (23) Н.С. Серпокрылов, Л.В. Боронина, С.З. Тажиева Расчет остаточных концентраций ВВ, мг/л, в зависимости от скорости фильтрования, х = 1- 8 м/ч. Фракция 2-3 мм: y = 1,7126x + 3,386, (R² = 0,9571) Н = 0,5 м, (4) y = 1,1629x + 3,7833, (R² = 0,9642), Н = 0,8 м. (5) Фракция 1,5-2,5 мм: y = 1,89x + 1,23, (R² = 0,9828), Н = 0,5 м. (6) y = 1,4123x + 1,1753, (R² = 0,972), Н = 0,8 м. (7) Полученные зависимости (4) - (7) с высокими коэффициентами детерминации (более 0,95) указывают на достоверность концентраций и рекомендуются для расчета количества возвращаемого корма в оборотной прудовой воде. Выводы. Экспериментально установлено, что бескольматационное выделение аммонийного азота на сорбционных фильтрах оборотных вод рыбоводных прудов с сохранением пищевой базы обеспечивает слой щебня 0,6 м двух фракций: 15-20 и 5-10 мм. Анализ полученных результатов позволил определить расчетные и эксплуатационные параметры процесса: приоритетным является сорбент клиноптилолит, время сорбции - 25 мин, скорость фильтрования 2-4 м/ч при высоте загрузки 0,8-1 м и фракции 1-2,5 мм.

About the authors

Nikolay S. SERPOKRYLOV

Rostov State Construction University

Author for correspondence.
Email: vestniksgasu@yandex.ru

Lyudmila V. BORONINA

Astrakhan Civil Engineering Institute

Email: vestniksgasu@yandex.ru

Svetlana Z. TAZHIEVA

Astrakhan Civil Engineering Institute

Email: vestniksgasu@yandex.ru

References

Supplementary files