Чернецька Е.Л., Нагорна С.Ю.

Дніпродзержинський державний технічний університет

ДОСЛІДЖЕННЯ ПРОЦЕСУ ОЧИСТКИ ПИТНОЇ ВОДИ ВІД  ЗАЛІЗА

Об’єкт досліджень – установка очищення питної води від заліза.

Проблемою покращення питної води для населення стала проблема зниження у воді заліза. Цей показники згідно Наказу Міністерства Охорони здоров’я № 383 від 23.12.96 р. передбачає вміст  загального заліза не повинен перевищувати 0,2 мг/дм3.

Вибір методу влучення заліза із води залежить від форми заліза у воді і потужності установки. Вилученням заліза із підземних вод, як правило, здійснюється безреагентними методами, а поверхневих – реагентними, для одночасного освітлення і знебарвлення води.

У вітчизняній практиці використовують наступні методи деферизації води: глибокої аерації з наступним відстоюванням з використанням тонкошарових модулів і фільтрування, глибокої аерації в вакуум-ежекційних апаратах з наступним фільтруванням на каркасно-засипних фільтрах; спрощеної аерації з наступним одно- чи двоступеневим фільтруванням; сухої фільтрації; фільтрування через модифіковане завантаження, катіонування.

Для остаточного вибору методу деферизації води необхідно знати форму заліза у воді і більш детальну характеристику її якості.

Залізо постійно присутнє у поверхневих і підземних водах у вигляді солей Fе (ІІ) і солей F (ІІІ), тобто у вигляді іонів Fе2+ і Fе3+. Підвищена кількість заліза у воді надає їй буре забарвлення і „залізний” присмак.

На лабораторній установці дослідили технологічні прийоми, які можливо використати при очищенні свердловинної води від заліза та ПАР.

Лабораторна установка представлена на рисунку і змонтована у розрахунку на виконання планового експерименту, де змінними параметрами процесу прийняли аерацію, фільтрування, а також відстоювання води.

Рисунок – Експериментальна установка для очищення води

1 – розпилювач повітря;     5 – колектор;                    9 – фільтрувальна колонка;

2 – аератор;                          6 – ємність для вихідної води; 10 – пісчаний фільтр; 

3 – дозувальна воронка;     7 – відстійник;                    11 – електродвигун;

4 – пробкові крани;             8 – приймальна склянка;   12 – компресор.

 

 

Аерацію води проводили у аераторі 2, в нижній частині якого змонтований розпилювач стиснутого повітря в якості якого використали керамічний наконечник. Колонка змонтована на штативі, подачу води в аератор здійснювали за допомогою дозувальної воронки 3. Необхідне для процесу стиснуте повітря одержували за допомогою компресору 12, приводом якого є електродвигун 11. Вихідна вода подавалась в установку з баку 6 через колектор 5 і запірні пристрої – пробкові крани 4.

Фільтрування проводили на фільтрувальній установці. Вона включала в себе пристрій в якому можна було змінювати висоту шару пісчаного фільтру від 50 до 150 мм. Пристрій включає вертикальну колону з міліметровою шкалою. В нижній частин колони змонтоване перфороване днище, яке удержувало пісчаний фільтр з розміром часток 0,5 – 1,5 мм. Нижче перфорованого днища розташована конусна частина фільтру з пробковим краном для зливу фільтрувальної води. подачу води у фільтрувальну колону здійснювали за допомогою напорної склянки 6 з пробковим краном.

Експериментальна установка включала також відстійник 7 для зливу відстояної води. Подачу води у відстійник здійснювали за допомогою воронки 3.

 Подачу води у здійснювали із ємкості 6  через пробкові крани 4, а також колектор 5. Після обробки води по одному з вищеназваних методів воду піддавали аналізу на вміст в ній заліза.

Визначення заліза виконували по методиці, яка прийнята і дозволена стандартом України На технічну і питну воду. Метод оснований на визначені оптичної щільності кольорових розчинів різної інтенсивності. Для находження оптичної щільності розчинів використовували фотоелелектроний колориметр марки ФЕК-М.

Виявлення залежностей вмісту заліза у воді від: аерації (тривалість); фільтрування (товщину шару пісчаного фільтру), відстоювання (тривалість) виконали методом плануваня експерименту типу 23. Метою експерименту є встановлення залежності:

                                                     У = f(х1,х2,х3)                                                 (1)

де  у – відгук;    х1,х2,х3 – фактори експерименту.

У якості першого фактору прийняли тривалість аерації; другого – товщину шару пісчаного фільтра; у якості третього прийняли тривалість відстоювання.

Представляємо результати планування експерименту. Для перекладу натуральних перемінних у кодові заповнимо таблицю кодування факторів.

 

 

 

Таблиця 1 – Кодування факторів

Рівень факторів і інтервал варіювання

Тривалість аерації, хвилин

Товщина пісчаного шару фільтру, мм

Тривалість відстоювання, годин

Інтервал варіювання δ1

Нульовий рівень

Хі=0

Нижній рівень Хі=-1

Верхній рівень

Хі= +1

Кодове позначення

 

5

20

 

15

 

25

Х1

 

50

100

 

50

 

150

Х2

 

8

10

 

2

 

18

Х3

У якості нульового рівня факторів вибрали центр інтервалу, у якому припускали вести експеримент. Нульовий рівень відповідає значенням факторів при запланованому їх значенню у промислових умовах.

Реалізація плану експерименту представлена в таблиці 2

Таблиця 2 – Умови і результати дослідів

Дослід

Х1    Х2    Х3   (Х1∙Х)2   (Х1∙Х)2    (Х2∙Х)3  

Уі1        Уі2     Уі.ср.=(Уі1+уі2)/2

1

2

3

4

5

6

7

8

-1      -1    -1      +1         +1           +1

+1     -1     -1      -1          -1           +1

-1       +1    -1      -1         +1          -1

+1      +1    -1       +1        -1           -1

-1       -1     +1      +1        -1           -1

+1      -1     +1      -1         +1           -1

-1      +1      +1     -1        -1            +1

+1      +1     +1     +1        +1          +1

8.0      8.5          8.25

5.0       5.7          5.35

4.9        5.3          5.1

2.0        1.8           1.9

5.2         4.9          5.15

1.9         2.1           2.0

1.8         2.1           1.95

0.3          0.4           0.35

 

ВІдтворюваність процесу перевіряли за критерієм Кохрена:

                                  G = S2і. max /  G(0,05;fn;fі),                                     (2)

де  G(0,05;fn;fі), - табличне значення критерію Корнера при 5 % рівні значимості;

      S2і. max – Найбільша з дисперсій у рядках плану;

      S2і – Дисперсія, що характеризує розсіювання результатів  дослідів на і-му сполученні різних факторів, визначається за формулою:

                                            S2і.  = 2 / m – 1                                        (3)

де m – число рівнобіжних дослідів;

      fn – число незалежних оцінок дисперсій;

      fі – число ступенів волі кожної оцінки;

при ат=8 і аі = 1 G(0,05;fn;fі) = 0,6798

У розглянутому прикладі виконали по два визначення величини уі1. Тому  значення оцінок кожної дисперсій у кожній точці плану можна розрахувати за формулою:

                                                         S = ∆2/2                                                     (4)

де ∆ - різниця між рівнобіжними дослідами.

У такий спосіб:

S21 = (8 – 8,5)2/2 = 0,125

S22 = (5,7 – 5)2/2 = 0,245, аналогічно

S23 = 0.08; S24 = 0,02; S25 = 0,045; S26 = 0,02; S27 0,045; S28 = 0,005.

Процес відтоврюємий, тому що нерівність (2) виконується:

G=0,245/(0,125+0,245+0,08+0,02+0,045+0,02+0,045+0,005)=0,42<0,6798

Дисперсію відтворюванності розраховуємо за формулою:

                                              S2у = / n                                                 (5)

При розрахованих значеннях дисперсія відтворюванності складе:

S2у = (0,125+0,245+0,08+0,2+0,045+0,02+0,045+0,005) / 8 = 0,07

Розраховуємо коефіцієнт регресії по формулах:

                                                      b0 = /n;                                                  (6)

                                                     bі  = / n                                                (7)

                                                   bіj = / n                                               (8)

Для досліджуваного процесу одержуємо:

b0 = (8,25+5,35+5,1+1,9+5,15+2,0+1,95+0,35)/8 = 3,76;

b1 = (-8,25+5,35–5,1+1,9–5,15+2,0–1,95+0,35)/8 = - 1,356; аналогічно

b2 = -1,43; b3 = -1,39; b1.2 = 0,156; b1.3 0,168; b2.3 = 0,218.

У такий спосіб одержуємо математичну модель процесу:

У = 3,76 – 1,356Х1 – 1,43Х2 – 1,39Х3 + 0,156Х1Х2 – 0,168Х1Х3 + 0,218 Х2Х3

 

В процесі виконання планового експерименту виконали 8 дослідів, в яких перемінними факторами були: тривалість аерації в хвилинах, діапазону зміни якого варіювали від 15 – 25 хвилин; в якості другого фактору прийняли товщину шару пісчаного фільтру, яка змінювалась від 50 до 150 мм; третій фактор – відстоювання, змінювали від 2 до 18 годин. По стандартній методиці виконання планового експерименту розрахували коефіцієнти регресії при факторах Х1, Х2, Х3, дисперсію відтворюванності показників процесу і склали математичну модель (формула 9). В математичній моделі величина коефіцієнту регресії при факторах Х1, Х2, Х3 визначає міру впливу зміни фактору на відгук, у – вміст заліза у воді.

Математична модель дозволяє розрахунковим шляхом визначити вміст заліза у воді при відомих значеннях факторів Х1, Х2, Х3. Якщо один із факторів має значення гірше ніж оптимальна величина, то цей ефект можна компенсувати зміною других факторів. Наприклад, якщо аерацією води здійснювати при 15 хвилинах, то товщину шару пісчаного фільтру треба збільшити до 100 мм. При цьому компенсується негативний вплив першого фактору на відгук – вміст заліза у воді.

Математична модель дає змогу без проведення експериментальних досліджень визначити величину відгуку „у” – вміст заліза у воді.