ChSTU repository
ChSTU repository preserves and enables easy and open access to all types of digital content including text, images, moving images, mpegs and data sets
Learn More
Please use this identifier to cite or link to this item:
https://er.chdtu.edu.ua/handle/ChSTU/6220| Title: | ДОСЛІДЖЕННЯ ПРОЦЕСІВ ІНТЕНСИФІКАЦІЇ ОЧИЩЕННЯ СТІЧНИХ ВОД МЕТОДОМ ОЗОНУВАННЯ. |
| Authors: | СТОЛЯРЕНКО, Геннадій ГРИЦЕНКО, Ярослав |
| Keywords: | ОЗОНУВАННЯ |
| Issue Date: | Dec-2021 |
| URI: | https://er.chdtu.edu.ua/handle/ChSTU/6220 |
| Appears in Collections: | 161 Хімічні технології та інженерія (Хімічні технології та інженерія) |
Files in This Item:
| File | Description | Size | Format | |
|---|---|---|---|---|
| Гриценко Я МГХТ-103.pdf Restricted Access | 2.12 MB | Adobe PDF | View/Open Request a copy |
Items in DSpace are protected by copyright, with all rights reserved, unless otherwise indicated.
Extracted text
МІНІСТЕРСТВО ОСВІТИ І НАУКИ УКРАЇНИ
ЧЕРКАСЬКИЙ ДЕРЖАВНИЙ ТЕХНОЛОГІЧНИЙ УНІВЕРСИТЕТ
КАФЕДРА ХІМІЧНИХ ТЕХНОЛОГІЙ ТА ВОДООЧИЩЕННЯ
Реєстраційний №________
«Допущено до захисту»
Завідувач кафедри д.т.н., професор
_________Геннадій СТОЛЯРЕНКО
«____» _________________2021р.
КВАЛІФІКАЦІЙНА РОБОТА МАГІСТРА
на тему
ДОСЛІДЖЕННЯ ПРОЦЕСІВ ІНТЕНСИФІКАЦІЇ ОЧИЩЕННЯ
СТІЧНИХ ВОД МЕТОДОМ ОЗОНУВАННЯ.
за спеціальністю 161 «Хімічні технології та інженерія»
Науковий керівник Виконавець роботи
д.т.н., професор магістрант
___________ Геннадій СТОЛЯРЕНКО __________ Ярослав ГРИЦЕНКО
Нормоконтроль Наталія ФОМІНА
Черкаси 2021
ВСТУП
Актуальність теми
Вже протягом багатьох років екологічний стан річки Дніпро не відповідає
державним стандартам. Майже всі міста, промислові та комунальні
підприємства розташованих вище по течії міст, скидають стічні води в річку без
попередньої очистки. Забруднюючі речовини накопичуються в донних
відкладеннях, а також у фіто- і зоопланктоні, вищій рослинності і рибах. При
цьому не рідко утворюються нові, більш токсичні сполуки. Коли вміст у воді
фосфору, азоту, калію перевищує критичний рівень, прискорюються життєві
процеси водних організмів. Як наслідок, починається масовий розвиток
планктонних водоростей ("цвітіння" води), вода набуває неприємного запаху і
присмаку, її прозорість знижується, збільшується кольоровість, підвищується
вміст розчинених і завислих органічних речовин. Перенасичення води
органічними сполуками стимулює розвиток сапрофітних бактерій (у тому числі
особливо небезпечних хвороботворних), водних грибів, різко загострюючи
епідеміологічний стан на водних об'єктах. При надлишку органічної
речовини у воді утворюються стійкі органомінеральні комплекси з важкими
металами, в деяких випадках більш токсичні, ніж самі метали. На окислення
величезної кількості новоутвореної органічної речовини витрачається значна
частина розчиненого у воді кисню - виникає кисневий дефіцит, що негативно
впливає на цінні породи риб і їх кормову базу - зообентос.
Проблема охорони і збільшення водних ресурсів потребує здійснення
таких заходів по очистці води, які призвели б до створення надійних
технологічних схем, що включають в себе ряд економічно доцільних методів
очистки води будь-якого за складністю хімічного складу.
На сьогоднішній день впроваджуються такі методи очистки води як
опріснення і знесолення води методом електрохімічної активації, хлорування
води, знезаражування води ультразвуком та ультрафіолетовим
випромінюванням, очищення води іонами срібла, очищення та знезараження
води озонуванням.
Для хімічного ж підприємства вода – одна із найважливіших видів
сировини, яка впливає на якість продукції. Збільшення дози хлору призводить
до синтезу хлорпохідних, присутність у воді яких небажана. Та крім
хлорування, очищення та знезараження води можна проводити за допомогою
озону, який є універсальним окисником і здійснює миттєву ін-активацію
бактерій. Озон можна застосовувати для знебарвлення води, видалення
завислих у ній речовин і колоїдних частинок, для окислення складних
органокомплексів, токсичних іонів та різноманітних органічних забруднень [1].
Озонування – один із методів обробки води, який дозволяє ефективно
впливати на різноманітні забруднювачі та покращити її органолептичні
властивості.
Очищення води – найгостріша проблема сьогоднішнього дня. Об’єм
забрудненої води постійно збільшується, і навіть та, що використовується для
водопостачання, часто не може похвалитися по-справжньому високою якістю.
Близько 90 % всіх використовуваних водних ресурсів потребують постійного
очищення, а існуючі джерела прісної води не справляються з потребами, які
пред’являють мільярди людей в цілому, так і окремі міста, організації і
землевласники.
Реальними практичними методами, що володіють необхідним
потенціалом знезараження води і пройшли перевірку на діючих
великомасштабних спорудах водоочіщення, на сьогодні є хлорування,
озонування та ін. Хлорування – найбільш поширений спосіб обробки стічної
води після аеробної обробкі мікроорганізмами.
Альтернативою процесу хлорування води є її знезараження за допомогою
озону. Процес озонування, як і процес хлорування, здійснюється шляхом
барботажу озоно-повітряної сміши з водою. Озон – дуже сильний окисник, що
руйнує бактерії і віруси. На відміну від хлорування, при якому хлор може
з’єднуватися з вуглеводнями, що містяться у воді, при озонуванні хлорованих
вуглеводнів не утворюється; навпаки, озон може руйнувати присутні у воді
вуглеводні шляхом їх окиснення. Більш того, озон сам по собі ефективний при
знебарвленні води і не створює стороннього присмаку і запаху.
Для дослідження у кваліфікаційній роботі магістра було обрано очищення
води методом озонування.
Мета і задачі дослідження
Мета кваліфікаційної роботи магістра – дослідження технології очищення
води методом озонування, розробка проекту, який дозволить мінімізувати
утворення хлорорганічних сполук у воді на стадії хлорування.
Реалізація поставленої мети передбачає вирішення таких задач:
- вивчення механізму впливу озону на деструкцію високомолекулярних
органічних сполук;
- встановлення впливу сумісного озонування – хлорування на ефективність
процесу очищення та ступінь деструкції органічних речовин різного
походження;
- розробка технологічної схеми водоочищення із застосуванням озонування та
вторинного хлорування.
Об’єкт дослідження – стчна вода, яка подається у р. Дніпро після
очищення на міської водоочисної станції.
Предмет дослідження – механізми та закономірності процесів
хлорування та озонування води,яка поступає з міських очістних споруд до
річки Дніпро.
Методи дослідження. Дослідження виконано у лабораторних умовах на
експериментальних установках. На лабораторній установці проведено
озонування води після очістних споруд. При цьому виконували різноманітні
фізико-хімічні дослідження.
Наукова новизна одержаних результатів:
Теоретично обгрунтовано та експерементально підтверджено доцільність
використання озонування на стадії підготовки води до сбросу в р.Днепро.
Застосування озону дало можливість зменшити кількість тригалогенметанів у
воді та забезпечити покращення якості очищеної води в нижній течі .
Практичне значення одержаних результатів: Розроблена технологічна
схема очищення води з використанням озонування, а також необхідні інженерні
розрахунки для визначення необхідних конструктивних і технологічних
параметрів надійної роботи споруд.
1 ТЕОРЕТИЧНИ ОСНОВИ ПРОЦЕСУ ОЗОНУВАННЯ ТА НАУКОВА
ПРОБЛЕМА ОЧИЩЕННЯ СТІЧНИХ ВОД
Більше мільярда людей у всьому світі використовують неякісну воду.
Через це щорічно вмирають три з половиною мільйони дітей. Більшість
українців споживають воду з поверхневих джерел, а саме з озер, ставків, річок.
З річки Дніпра п’ють воду близько 30 мільйонів людей. Вода –активний
розчинник. Стикаючись з будь-якими об’єктами, вона дуже повільно їх
розчиняє. Тому в природі абсолютно чистої води не існує. Та й організм
людини звик до певної концентрації деяких речовин, розчинених в ній.
Протікаючи через гірські породи, вона розчиняє їх і насичується відповідними
компонентами – іонами кальцію, магнію, калію, заліза, молібдену, алюмінію,
берилію, марганцю, міді, миш’яку, цинку. Останні шість елементів особливо
шкідливі для людини, якщо їх концентрації перевищують гранично допустимі.
Тому нормативні документи багатьох країн, у тому числі України, Всесвітньої
організації охорони здоров’я (ВООЗ) вимагають обов’язкового контролю їх
вмісту в питній воді. Всі речовини, які містяться у воді, можна розділити на
дві групи - неорганічні та органічні. Важливе значення мають мікроорганізми.
Неорганічні речовини, в залежності від їхнього вмісту у воді, утворюють три
групи [2].
Перша -макроелементи- речовини, необхідні організму в значних
концентраціях - від 0,1% до 10% і більше. Це кальцій, магній, фосфор, калій,
натрій, залізо, хлор, сірка.
Друга - мікроелементи, концентрація яких коливається в межах від 0,1%
до 0,001%. Це йод, фтор, мідь, кобальт, цинк, марганець, алюміній.
Третя група - ультрамікроелементи. Їх концентрація в організмі людини
дуже незначна - від 0,001% і менше, але вони виконують дуже важливі, значні
функції, регулюючи життєво важливі процеси -
окислювально - відновні реакції, процеси старіння, відновлення клітин. Це
бром, селен, срібло, цезій, золото, майже всі елементи Періодичної таблиці Д.І.
Менделєєва.
Обов'язкового контролю за вмістом алюмінію, берилію, заліза, кадмію,
марганцю, миш'яку, ртуті, свинцю, талію, хрому шестивалентного і цинку
вимагають українські санітарні норми №136/1940 1997 р. Крім цих простих
речовин великий вплив на здоров'я справляють складні речовини - бензпірени,
діоксини, нітрати, нітрити, сульфати, феноли, хлориди, ціаніди. У разі
перевищення гранично допустимих концентрацій будь-якої речовини
формується загроза для нашого здоров’я. Але погано й інше - коли
концентрація потрібного елемента менша, ніж його необхідно для нормального
функціонування організму. За висловом відомого вченого середньовіччя
Парацельса, все є отрутою, все є ліками - все залежить від дози. Часто навіть
незначне перевищення концентрації певної речовини викликає хворобу і
смерть. Тому важливо знати фізіологічні властивості найрозповсюдженіших
сполук.
У всьому світі більше як 5 мільйонів людей щорічно вмирають через
хвороби, викликані забрудненою питною водою. В багатьох випадках хвороби
викликають води, заражені сечею, фекаліями людини і тварин. За висловом
відомого вченого-мікробіолога Л. Пастера, - людина випиває дев’яносто
відсотків своїх хвороб. ВООЗ застосувала свої стандарти на питну воду ще в
1958 році і переглядала їх в 1963 і 1971 роках, у 1984 році були прийняті
керівні принципи якості питної води, що є основою для всіх національних
стандартів, в тому числі українських. В наш час вода річки
Дніпро в районі міста Черкаси має високу ступінь забруднення. За показниками
якості воду в районі міста відносять до 4 розряду – поверхнево - забруднені
води. Крім органічних речовин органічного походження: гумінових та
фульвокислот, білків, амінокислот вуглеводнів та полісахаридів, у воді
містяться органічні речовини антропогенного походження – фенол,
нафтопродукти, пестициди.
Для знищення шкідливих мікроорганізмів воду хлорують. В результаті
у воді спочатку утворюються хлорорганічні сполуки, а потім з них під дією
розчинного кисню утворюються дуже токсичні діоксини, що сприяють
виникненню ракових пухлин.
Хлорорганічні сполуки, що містять фтор, хлор, бром, викликають
нефрити (хвороби нирок), гепатити (хвороби печінки), збільшують кількість
мертвонароджених дітей і токсикозів при вагітності, вроджені аномалії,
мутагенні дефекти, ослаблення імунітету, порушення дітородних функцій як у
чоловіків, так і в жінок. Будь-яка хлорована вода шкідлива для здоров’я саме
через наступне утворення діоксинів, мутагенні та канцерогенні властивості
яких проявляються при концентрації у воді вже 5-10-12 мг/л. Це проблема не
тільки України, а й всього світу.
Крім хлорування відомо, що життєдіяльність мікроорганізмів можливо
припинити за допомогою озону. При дозі озону в межах 3 мг/дм3 можна
повністю знищити деякі види мікроорганізмів за декілька хвилин [3].
На відміну від хлору, який пасивний по відношенню до деяких видів
бактерій, озону відводиться роль універсального окисника, що здійснює майже
миттєву ін.-активацію. У наш час озонування представляє собою єдиний із
методів обробки води, що дозволяє ефективно впливати на велику кількість
різноманітних забруднювачів з наступним знезараженням води.
Якість води природних джерел визначається за наявністю в ній речовин
органічного і неорганічного походження, а також мікроорганізмів і
характеризується різними фізичними, хімічними, бактеріологічними та
біологічними показниками. Вимоги до якості води дуже різноманітні і
залежать від її цільового призначення.
Необхідність очищення води від забруднювачів виникає у тому випадку,
коли якість природних джерел не задовольняє встановлені вимоги.
Озонування – один із перспективних методів обробки води з метою її
знезараження і поліпшення органолептичних показників. Озон представляє
собою алотропну модифікацію кисню і при нормальній температурі – газ світло
- блакитного кольору. При температурі -111,9℃ озон переходить в нестійку
рідину темно-синього кольору [4].
В технології очистки води застосовують газоподібний озон. При
температурі 0 ℃ і тиску 0,1 МПа розчинність чистого озону складає 0,68 г/л,
маса 1 л газу – 2.144 г. Молекула озону дуже нестійка і легко розкладається на
атом і молекулу кисню:
О3 = О2 + О − 100,56 кДж; (1.1)
О3 + О = 2О2 + 398,05 кДж; (1.2)
2О3 = 3О2 + 297,49 кДж. (1.3)
Швидкість розкладу озону зростає при підвищенні рН, температури та
ступені мінералізації води. Озон – сильний окисник. Механізм знезараження
води озоном заснований на його здатності ін.- активізувати складні органічні
речовини білкового походження. Окислювальні властивості озону пов’язані як
з його прямою взаємодією з багатьма органічними і неорганічними речовинами,
так і з розпадом у воді на вільні радикали з утворенням ОН-радикалів,
найбільше реакційноспроможних із відомих окислювачів у водному
середовищі. Процес розпаду озону в воді проходить спонтанно по ланцюговому
механізму:
О3 + ОН - → О -
2 +НО2;
O3 + DH- (донор Н) → HO -
3 (O3 + H+) + D-;
O3 + HO -
2 → HO + O -
3 2 ;
HO3 → OH + O2;
ОН + О3 → НО4 → НО2 (О
-
2 + Н+) + О2;
О - -
2 + О3 → О3 + О2;
‾‾‾‾‾‾‾‾‾‾‾‾‾‾‾‾‾‾‾‾‾‾‾‾‾‾‾‾‾‾‾‾‾‾‾‾‾‾‾‾‾‾‾‾‾‾‾‾‾‾‾‾‾‾‾‾‾‾
(2О3 = 3О2). (1.4)
Обрив радикальних ланцюгів може відбуватися або в результаті
диспропорціонування радикалів О -
2 , НО2 з утворенням пероксиду водню, або за
рахунок взаємодії ОН з “пастками” радикалів – речовинами, що утворюють
вторинні радикали, які не приймають участі в продовженні ланцюга.Патогенні
мікроорганізми знищуються озоном в 15-20 разів, а спорові форми бактерій – в
300 – 600 разів швидше, ніж хлором. Чистий озон вибухонебезпечний, так як
при його розкладі виділяється велика кількість енергії. Озон не вибухає, якщо
його концентрація у озоно-повітряній суміші не перевищує 10% (140г/м3).
Озон токсичний і може вражати органи дихання. Гранично допустимий вміст
озону в повітрі приміщень, де працюють люди, не повинен перевищувати
0,0001 мг/л. Доза озону , яка необхідна для знезаражування води коливається в
залежності від вмісту в ній органічних речовин, температури і рН води.
Кольоровість води знижується навіть тоді, коли ХПК знижується
повільніше. Озон, завдяки своїй виключно окиснюючій дії, проявляє дуже
цінний додатковий вплив на воду, яку обробляють. Озонування не тільки
забезпечує швидке і надійне знезараження, але і викликає значні поліпшення
органолептичних властивостей води, так як у результаті обробки озоном
видаляються присмаки, запахи і кольоровість води. Крім того, зростає вміст
розчиненого кисню у воді, що надає їй одне із основних властивостей, яке
характеризує природні джерела. В реакціях з неорганічними речовинами
озон є сильним окисником [5].
Наприклад реакція перекису водню як у газовій фазі, так і в розчині:
О3 + Н2О2 = Н2О + 2О2. (1.5)
Сірководень у газовій фазі взаємодіє з озоном за реакцією:
О3 + Н2�� = Н2О + ��О2. (1.6)
У водному середовищі Н2�� реагує з озоном по двом каналам.
Перший канал:
О3 + Н2�� = Н2О + �� + О2. (1.7)
Другий канал:
4О3 + 3Н2�� = 3Н2��О4. (1.8)
У першому каналі спочатку утворюється сірка, яка потім окислюється до
сірчаної кислоти. У другому каналі спостерігаємо пряме окиснення. При
надлишку озону перевага на боці реакції (1.8).
Більшість цих реакцій відбувається так, що лише один з трьох атомів
кисню, який менш міцно зв’язаний ніж інші два, бере участь в реакції у вигляді
атомарного кисню. Але деякі реакції з неорганічними речовинами
супроводжується послабленням зв’язків трьох атомів кисню молекули озону
(наприклад при окисленні сірчаного ангідриду та при окисленні йодидів –
солей йодисто- водневих з’єднань в кислому розчині.
Озон предствляє собою простий окисник у більшості реакцій. Однією з
таких є хімічна реакція, при якій ціла молекула озону приєднується до
подвійного чи потрійного зв’язку С - С. При наявності подвійних зв’язків С –С
озон викликає реакцію швидко і специфічно, утворюються з’єднання – озоніди.
Також озон інтенсивно впливає на бензольні кільця. Як відомо, вони
представляють собою кільцеві групки з шести вуглеводневих атомів НС – СН,
що утворюються при перегонці кам’яновугільної смоли, нафти та інше. За
допомогою озону можливо здійснити очистку води, що забруднена стоками, які
містять похідні бензолу ( фенол, гідрохінон та інші). Висока здатність озону
вступати в реакції з органічними речовинами може бути використана ще й для
зменшення кольоровості. Кольоровість обумовлена наявністю у воді стійких
органічних з’єднань, головним чином гумінових Озон самовільно
розкладається на повітрі при нормальній температурі. У чистому та сухому
повітрі розклад озону відбувається повільніше. В звичайному повітрі, вологому
та забрудненому, озон зникає дуже швидко, так як він взаємодіє з присутніми в
ньому тілами. У водному розчині озон дисоціює швидше, ніж на повітрі. В
сильно лужних розчинах швидкість розкладу озону проходить дуже швидко, а
кислих розчинах озон проявляє високу стійкість.
Отже, з підвищенням значення рН розклад озону у воді значно
підвищується.Озонування представляє собою один із універсальних сучасних
методів обробки води , за допомогою якого можна одночасно впливати на
бактерії, мікроорганізми, віруси та покращувати органолептичні властивості
води.
При використанні цього методу знищуються всі мікроби , вода
набуває природного блакитного кольору, видаляються присмаки та запах.
Також озонування забезпечує активний вплив на токсичні та шкідливі речовини
у воді. В даній КРМ була розглянута проблема очищення стічних вод від
забруднюючих речовин методом озонування. Цей метод має значні переваги
перед іншими методами, а саме компактність установки, зручність у
використанні, відсутність громіздкого реагентного господарства. Метою
роботи є вивчення процесу озонування води та дослідження важливості
очищення цим методом дніпрової води. Провести кількісний та якісний аналіз
дніпрової води, розглянути теоретичні основи процесу озонування та дослідити
можливість застосування даного методу для очищення дніпрової води,
встановити оптимальні умови процесу очищення води.
2 ЕКСПЕРИМЕНТАЛЬНА ЧАСТИНА
2.1 Розробка та опис лабораторної установки
З можливих методів отримання озону використовують бар’єрний розряд,
електроліз, фотохімічний спосіб і високочастотне електричне поле. В
лабораторних умовах була створена і випробувана установка для синтезу озону
в генераторі озону бар’єрного типу.
Озон отримували в блоці генератора озону з системою осушення газового
потоку, що може працювати на повітрі, повітряно – кисневій суміші і на
чистому кисні.
Генератор озону є фактично випромінювачем, який складається з двох
електропровідних частин – електродів, розташованих на невеликій відстані
один від одного. Конструктивно електроди виконані у вигляді двох
концентрично розташованих циліндрів. До внутрішньої частини електродів
прикріплений діелектричний матеріал. Як правило в якості діелектриків
використовують кварцове скло.
Робота генератора полягає в тому, що потік сухого повітря (або кисню)
надходить у простір між циліндричним електродом і скляним діелектриком.
При накладанні змінного електричного струму високої напруги виникає
електричний розряд і утворюється озон. Діелектрик виключає появу розрядів
іскрової і дугової форми і забезпечує рівномірну структуру бар’єрного розряду.
Одночасно діелектрик виконує роль реактивного буферного опору, що обмежує
струм в ланцюгу розряду. Робота генератора супроводжується слабким
фіолетовим світінням у просторі між електродом і діелектриком.
На лабораторній озонаторній установці вивчали умови застосування
озону під час очищення біологічно очищених стічних вод від органічних
домішок.
Схема експериментальної лабораторної установки для озонування
представлена на рисунку 2.1.
1 – фільтр; 2 – компресор; 3 – кожухотрубний теплообмінник; 4 – апарати
для осушки повітря; 5 – змійовик; 6 – генератор озону; 7 – трубопровід подачі
води для охолодження; 8 – підвищуючий трансформатор; 9 – контактна камера;
10 – пористі трубки; 11 – трубопровід подачі води; 12 – боковий карман; 13 –
відхідний трубопровід чистої води; 14 – витяжна труба.
Рисунок 2.1 – Схема експериментальної установки для озонування
Атмосферне повітря пропускається через фільтр 1 для очистки від пилу,
після чого повітряним компресором 2 нагнітається на охолодження в
кожухотрубний теплообмінник 3, де повітря охолоджується до 20оС.
Охолоджувачем повітря є вода, температура якої 10-15оС, яка надходить в
змійовик 5.
Після охолодження повітря надходить в апарати для осушки повітря 4
(поглиначі з 96 % сульфатною кислотою, силікагелем, поглиначем марки NaX і
P2O5, що дали змогу очистити повітряний потік від парів води), де відбувається
осушка до вологовмісту не більше 0,04-0,05 г/м3. Осушене і охолоджене повітря
надходить по трубопроводу в генератор озону 6.
В генераторі озону під дією електричного розряду синтезується озон ( у
вигляді суміші з повітрям). Так як утворення бар’єрного електричного розряду
супроводжується виділенням великої кількості тепла, передбачається
охолодження електродів озонатора водою, що надходить по трубопроводу 7.
Напруга подається на озонатор з підвищуючого трансформатора 8 по
високовольтному кабелю. Змішування води відбувається в контактній камері 9.
Дифузія озону у вигляді дрібних бульбашок в об’ємі води здійснюється за
допомогою пористих трубок 10, що розміщені в основі контактної камери. Вода
подається по трубопроводу 11 протитоком відносно до озоно-повітряної
суміші, що прискорює процес розчинення озону. Озонована вода випускається і
піднімається по боковому карману 12 і надходить в резервуар чистої води по
трубопроводу 13.
Завдяки раціональним умовам контакту води з озоном повітря, що
виходить у витяжну трубу 14, містить тільки сліди озону і може бути виведене
назовні без небезпеки для населення.
2.2 Методика проведення експерименту
Для визначення озону в газовій фазі застосовували йодометричний метод.
Вимірювання і контроль концентрації озону здійснювався на виході із
генератора озону та на виході із контактної ємності.
Методика проведення дослідів з озонування даних розчинів складалась з
таких етапів:
1. підготовка установки озонування до пуску, регенерація сорбентів парів
води;
2. попередня (холоста) робота озонаторів для виведення розрядних трубок
на режим;
3. регулювання параметрів подачі газової фази, стабілізація вмісту
озону в газовому потоці, визначення концентрації озону, викид озону в
атмосферу проводиться байпасною лінією в атмосферу;
4. підключення змішувача – реактору, в якому знаходиться проба
розчину, об’єм проби для озонування вибрано 100 см3. Величина пов’язана з
продуктивністю лабораторного генератора озону, а також з необхідністю
виключити під час дослідження кінетики знебарвлення розчину і зниження
ХСК, дифузійний вплив процесу розчинення озону і його транспортування в
зону реакції. Під час вивчення озонування в стаціонарних умовах (витрати
рідкої і газової фази постійні) встановлення витрат рідкої фази проводиться
паралельно, уточнюються витрати газової фази, включається секундомір;
5. озонування розчину проводиться з визначенням кінетичних параметрів
за газовою і рідкою фазами, під час озонування для підтримання постійних
величин процесу контролювалися витрати рідкої і газової фаз, температура в
генераторі озону, напруга високовольтного електроду, концентрація озону на
вході в реактор.
Описана вище методика озонування не відрізняється від відомих методик
дослідження кінетики озонолізу, де в якості основних параметрів досліджується
зміна концентрації О3 в газовій фазі на виході з реактору. Для контролю
ефективності процесу за зміною кількості органічних домішок обрано зміну
величини ступеню очищення розчину за хімічним споживанням кисню (ХСК).
Визначення ХСК проводили за дихроматним методом.
Для визначення озону в газовій фазі використовувався йодометричний
метод . До схеми підключалася лінія газового аналізу, що складається з
абсорбційної ємності (склянка Дрекселя), реометра й газобарабанного
витратоміру. Для поглинання озону використовувалася фосфатно-буферна
суміш, яка складається з розчину одно - і двозаміщеного кислого фосфату
натрію і готувалася розчиненням 18 г Na2HPO4 і 1,8 г NaН2РО4 у 1 літрі
дистильованої води. Для аналізу використовувалися розчини КІ, Na2S2O3 0,1н
концентрації.
У склянку Дрекселя заливалася суміш, що складалася з 7 см3 0,1 н
розчину КІ і 20 см3 буферної суміші.
Газовий потік пропускався через розчини, витрата встановлювалася за
реометром і газовим лічильником. Об′єм потоку, що пропускався через
розчини, фіксувався газовим лічильником. Потім, вміст склянки Дрекселя
відтитровувався 0,1н розчином натрію тіосульфату. Для контролю точки
еквівалентності використовувався 0,5 % розчин крохмалю з додаванням 0,25 г/л
саліцилової кислоти.
O3 +2I - + 2H - O2 +H2O + I2 , (2.1)
I + 2S O 2-
2 2 3 2I- +S O 2-
4 6 . (2.2)
Концентрацію О3 в газовому потоці розраховую за формулою:
112 ∙ n
C = , % об , (2.3)
V0
де 112 – коефіцієнт перерахунку;
n – сумарна кількість 0,1 Н розчину тіосульфату натрію;
��0 – об’єм газу приведений до нормальних умов, м3.
V P
V0 , , (2.4)
Pн (1 0,00367 T )
де ��0 ‒ обєм газу, за температурі, T° К, і барометричному тиску Р, Па;
Рн = 101,325 кПа = 101325 Па ‒ нормальний тиск;
1 + 0,00367 - коефіцієнт перерахунку.
2.3 Методики виконання вимірювань
2.3.1 Визначення сухого залишку
Метод визначення – гравіметричний.
Обладнання:
- ексикатор ГОСТ 25336-82;
- колби конічні ємкістю 250 см3 ГОСТ 1770-74;
- скляні лійки ГОСТ 1770-74Е;
- стакани мірні ємкістю 250 см3 ГОСТ1770-74 ;
- фарфорові чашки ГОСТ 9147-80;
- фільтри паперові щільні «синя стрічка»ГОСТ 12026-76;
- циліндри мірні ємкістю 50, 100 см3 ГОСТ 1770-74;
- водяна баня з дистильованою водою;
- сушильна шафа з терморегулятором ГОСТ 26589-94;
- терези аналітичні типу ВЛР-200 ГОСТ 24104-88.
Проведення аналізу
Пробу води в кількості 50 – 250 см3 відбирають мірними циліндром і
фільтрують через паперовий щільний фільтр «синя стрічка», розміщений у
конічній колбі ємкістю 250 см3 на скляній воронці. Відфільтровану воду
розміщують у фарфорову чашку, доведену до постійної маси. Чашку з водою
ставлять на водяну баню і випарюють воду досуха, після чого чашку із
залишком переносять у сушильну шафу і висушують при температурі 1800С
протягом 1 години. Висушування залишку при температурі 1800С дозволяє
видаляти з нього не тільки оклюдовану, але й кристалічну воду.
Оскільки дніпрова вода містить переважно неорганічні солі, то
висушування залишку при температурі 1800С дозволяє отримати результат,
який наближається в більшій мірі до суми результатів окремих визначень
катіонів і аніонів у пробі води.
Після охолодження в ексикаторі чашку із залишком зважують на
аналітичних терезах з точністю до четвертого знаку після коми. Висушування
повторюють до досягнення постійної маси. Якщо результати зважування
співпадають або різниця між ними не перевищує 0,0002 г, то можна вважати,
що сталість маси чашки досягнуто.
Вміст сухого залишку обчислюють за формулою:
m m 10001000
X 2 1 ,мг /дм3,
1 V (2.5)
де m1 – маса порожньої чашки, г;
m2 – маса чашки із сухим залишком, г;
V – об’єм проби води, яку взяли для аналізу, см3;
1000 – коефіцієнт для перерахунку г в мг.
Для розрахунків беруть масу чашок третього зважування.
2.3.2 Визначення хлорид-іонів
Метод визначення – аргентометричний метод Мора.
Титрометричне визначення хлоридів − аргентометричний методом Мора-
ґрунтується на утворенні в нейтральному або слабколужному середовищі
(рН = 7 – 10) малорозчинного осаду срібла хлориду (ДР = 1,78·10-10) за
реакцією:
Сl- + Аg+ АgСl↓ (2.6)
Для встановлення кінця титрування як індикатор використовують дикалій
хромат(VI), який з надлишком іонів срібла утворює червоний осад – срібла(I)
хромат(VI) (ДР = 1,1·10-12) за реакцією:
СrО 2- + 2 Аg+
4 Аg2СrО4↓ ( 2.7)
Титриметричне визначення хлорид-іонів у присутності хромат(VI)(2-) -
іонів(СrО 2-
4 ) використовується тому, що осад срібла хлориду менш розчинний,
ніж осад срібла (I) хромат(VI) :
C Ag 1,781010 1,3105 моль /дм3;
AgCl
C CrO2 31,11012 / 4 6,5105 моль / дм3.
Ag СrO 4
2 4
Тому при додаванні іонів Аg+ до розчину, в якому є іони Сl- та СrО 2-
4 ,
спочатку утворюється менш розчинний осад АgСl. Після його повного
осадження, утворюється більш розчинний осад Аg2СrО4.
Метод Мора застосовують для визначення хлоридів у воді при
концентрації понад 2 мг/дм3. Без додаткового розбавлення можна титрувати
проби води з концентрацією хлоридів до 400 мг/дм3. Залежно від концентрації
хлоридів пробу титрують 0,1, 0,05 або 0,02 моль/дм3 робочими розчинами
срібла нітрату(V).
Визначенню хлоридів заважають сульфіти, сульфіди та тіосульфати, які
можна розкласти пероксидом водню у лужному середовищі. Фосфат-іони
заважають при концентрації понад 25 мг/дм3. Іони заліза при концентрації
понад 10 мг/дм3 заважають точному встановленню точки еквівалентності.
Обладнання:
- бюретка ємкістю 25 см3 ГОСТ 1770-74;
- лійка скляна ГОСТ 1770-74Е;
- колби конічні ємкістю 250 см3 ГОСТ 25336-82;
- піпетки Мора ємкістю 10, 100 см3 ГОСТ 1770-74;
- піпетки ємкістю 1 см3 ГОСТ 1770-74Е;
- циліндри мірні ємкістю 100 см3 ГОСТ 1770-74Е;
Розчини:
- аргентум нітрат(V) (АgNО3), розчин з концентрацією 0,1 моль/дм3 (0,1
н) ГОСТ 1277-75;
- натрій хлорид(NаСl), розчин з концентрацією 0,1 моль/дм3 (0,1 н) ГОСТ
4233-77;
- калій хромат(VI) (К2СrО4), розчин з масовою часткою 5 % ГОСТ 4459-
75;
- натрій гідроксид, розчин з концентрацією 1 моль/дм3 ГОСТ 4320-77;
- сульфатна кислота, розчин з концентрацією 0,5 моль/дм3 ГОСТ 4204-77;
- фенолфталеїн (індикатор), спиртовий розчин з масовою часткою 1 %
ГОСТ 10819-64;
- вода дистильована ГОСТ 6709-72.
Приготування розчинів
1. Аргентум нітрат(V) (АgNО3), розчин з концентрацією 0,1 моль/дм3
(0,1 н)
В мірній колбі ємкістю 1 дм3 розчиняють 17 г аргентум нітрату(V) у
дистильованій воді і доводять до мітки тією ж дистильованою водою.
2. Натрій хлорид (NаСl), розчин з концентрацією 0,1 моль/дм3 (0,1 н)
Натрій хлорид висушують при температурі 1050С у сушильній шафі до
постійної маси. Беруть наважку 5,8443 г сухого натрій хлориду, який
переводять у мірну колбу ємкістю 1 дм3, розчиняють у дистильованій воді і
доводять до мітки дистильованою водою.
Калій хромат(VI) (К2СrО4), розчин з масовою часткою 5%5 г К2СrО4
розчиняють у невеликому об’ємі дистильованої води і доводять об’єм розчину
дистильованою водою до 100 см3.
Установлення поправочного коефіцієнту до розчину азотнокислого срібла
В конічну колбу ємкістю 250 см3 вносять піпеткою Мора 10 см3 розчину
натрій хлориду та 90 см3 дистильованої води, добавляють 1 см3 розчину калій
хромату(VI) і титрують розчином аргентум нітрату(V) до переходу лимонно-
жовтого забарвлення каламутного розчину в оранжево-жовте, яке не зникає
протягом 15-20 секунд. Отриманий результат вважають орієнтовним. До
відтитрованої проби додають 1-2 краплі розчину натрій хлориду до
отримання жовтого забарвлення. Ця проба є контрольною під час повторного,
більш точного визначення. Для цього відбирають нову порцію розчину натрій
хлориду і титрують розчином аргентум нітрату(V) до отримання незначної
різниці відтінків слабко-оранжевого у розчині, що титрується, і жовтого в
контрольній пробі.
Поправочний коефіцієнт (К) обчислюють за формулою:
K 10 , (2.8)
V
де V – кількість срібло нітрату(V) , яка витрачена на титрування, см3.
Проведення аналізу
В конічну колбу ємкістю 250 см3 наливають піпеткою Мора 100 см3
природної води, або меншу кількість, доводячи її об’єм до 100 см3
дистильованою водою. Кислі або лужні проби нейтралізують натрій
гідроксидом з концентрацією 1 моль/дм3 або сульфатною кислотою з
концентрацією 0,5 моль/дм3 по фенолфталеїну так, щоб після нейтралізації
розчин був безбарвним. Проби з рН = 7 – 10 не потребують попередньої
підготовки. Додають 1 см3 розчину калій хромату (VI) з масовою часткою 5%
і титрують розчином аргентум нітрату (V) (0,1 н) до зміни кольору від
лимонно-жовтого до оранжевого. Паралельно проводять холостий дослід з
таким же об’ємом дистиляту.
Концентрацію хлорид-іонів у ммоль/дм3 (Сх) та мг/дм3 (Су) визначають за
формулами:
V V C 1000
C 1 0 ,ммоль /дм3;
x V (2.9)
V V C М 1000
C 1 0 ,мг / дм3,
у V (2.10)
де V1 та V0 – об’єми робочого розчину аргентум нітрату(V) , витрачені на
титрування відповідно проби та холостого розчину, см3;
С –концентрація робочого розчину АgNО 3
3, моль/дм ;
М – молярна маса еквівалента Сl-, г/моль, М (Сl-) = 35,45;
V – об’єм проби води, см3;
1000 (для формули 17) – коефіцієнт перерахунку моль у ммоль;
2.3.3 Визначення сульфат – іонів
Метод визначення – турбідиметричний.
Сутність методу полягає у вимірюванні інтенсивності світла, яке пройшло
(уявне світлопоглинання) через рідке середовище, що містить
завислі частки осаду, за допомогою фотоколориметра. Інтенсивність світла, яке
пройшло, знаходиться в оберненій залежності від концентрації зависі і, отже,
від концентрації речовини, яка утворила завись (осад) під дією відповідного
реагенту (гліколевого реагенту). Інтенсивність помутніння
розчину залежить від умов виконання реакції, присутності електролітів,
колоїдів та інших факторів і, звісно, від концентрації речовини, що
визначається.
Сульфат-іони визначаються у вигляді ВаSО4 у хлористоводневокислому
середовищі за допомогою гліколевого реагенту. Гліколь, уведений в реакційну
суміш під час осадження барій сульфату(VI), стабілізує суспензію ВаSО4, що
утворилася, і робить можливим турбідиметричне мікровизначення сульфат-
іонів. Чутливість методу 2 мг/дм3 SО 2-
4 .
Обладнання:
- мірні колби ємкістю 50, 100 см3 ГОСТ 1770-74Е;
- мірні циліндри ємкістю 10 см3 або мірні колориметричні пробірки з
притертою пробкою і з відміткою на 10 см3 ГОСТ 1770-74Е;
- Піпетки ємкістю 1, 2, 5 см3 ГОСТ 1770-74Е;
- баня водяна;
- електроплитка ГОСТ 14914-83;
- колориметр фотоелектричний концентраційний типу КФК-2 ГОСТ
15150-69.
Реагенти:
- гліколевий реагент з ВаСl2 ГОСТ 4108-72;
- гліколевий реагент без ВаСl2 ГОСТ 4108-72;
- дистильована вода ГОСТ 6708-82.
- основний стандартний розчин К2SО4, що містить 0,5 мг SО 2-
4 в 1 см3
4145-74;
- кислота хлористоводнева (НСl) 1:1 ГОСТ 3118-67.
Приготування розчинів
1. Гліколевий реагент з ВаСl2
Гліколевий реагент – це розчин хлористого барію у суміші гліколя
(етиленгліколь) і етанолу (етиловий спирт). Для приготування цього розчину
змішують один об’єм 5%-ого водного розчину хлористого барію з трьома
об’ємами гліколю і трьома об’ємами 96%-ого етанолу. Величину рН розчину
регулюють соляною кислотою (1:1) в межах 2,5 – 2,8 і залишають розчин на 1-2
доби. Розчин стійкий протягом 3-6 місяців.
2. Основний стандартний розчин
К SО 2- 3
2 4, що містить 0,5 мг SО4 в 1 см 0,9071 г К2SО4 розчиняють в мірній
колбі ємкістю 1 дм3 в дистильованій воді і доводять об’єм розчину
дистильованою водою до мітки. 1 см3 розчину містить 0,5 мг сульфат-іону
(SО 2-
4 ).
Побудова градуювального графіку для визначення сульфат-іонів у воді
Для побудови градуювального графіку у ряд мірних колб ємкістю 50 см3
вносять 0,1; 0,2; 0,4; 0,6; 0,8; 1,0; 1,2; 1,4; 1,6; 1,8; 2,0 см3 основного
стандартного розчину К2SО4, що містить 0,5 мг SО 2-
4 в 1 см3, і доводять об’єми
до мітки дистильованою водою. Приготовлені розчини містять 1,0;
2,0; 4,0; 6,0; 8,0; 10; 12; 14; 16; 18; 20 мг/дм3 SО 2-
4 . Відміряють піпеткою по
5 см3 із кожного розчину в мірні циліндри ємкістю 10 см3 (або в мірні
колориметричні пробірки з притертою пробкою і з відміткою на 10 см3).
В кожний циліндр із зразковим розчином прибавляють 1-2 краплини
НСl (1:1) і 5 см3 гліколевого реагенту з ВаСl2, ретельно перемішують, через
30 хвилин виміряють оптичну густину розчинів по відношенню до розчину
порівняння, який готовлять на основі 5 см3 дистильованої води, 1-2 крапель
НСl (1:1) і 5 см3 гліколевого реагенту без ВаСl2. Розчин порівняння також
використовують після 30 хвилин експозиції.
Оптичну густину розчинів виміряють на колориметрі фотоелектричному
концентраційному типу КФК-2 при довжині хвилі λ = 364 нм в кюветі з
робочою довжиною l = 20 мм при чутливості 2. За
отриманими даними будують градуювальний графік в координатах: оптична
густина розчинів (Д) – концентрація SО 2-
4 , мг/дм3. Градуювальний графік
будують на міліметровому папері формату А 4.
Проведення аналізу
До 5 см3 досліджуваної води, яку відібрали піпеткою ємкістю 5 см3, у
мірний циліндр ємкістю 10 см3, додають 1-2 краплі хлористоводневої кислоти
(1:1) і 5 см3 гліколевого реагенту з ВаСℓ2, ретельно перемішують. Після
30 хвилин експозиції виміряють оптичну густину розчину на КФК-2
при λ = 364 нм, l = 20 мм при чутливості 2 по відношенню до розчину
порівняння, який готується на дистильованій воді із додаванням НСl (1:1) і
гліколевого реагенту без ВаСl2.
Вміст сульфат-іонів знаходять за градуювальним графіком.
Оптимальні інтервали концентрацій для турбідиметричного визначення
сульфат-іону знаходяться в межах 2 – 25 мг/дм3. При концентрації SО 2-
4 менше
ніж 2 мг/дм3 необхідно попереднє концентрування проби води.
2.3.4 Визначення твердості води
Мета: Визначення загальної твердості води
Метод ґрунтується на титруванні проби води розчином динатрій
етилендіамін тетраацетатом (комплексоном ІІІ, скорочена формула Na2Н2У) у
лужному середовищі при рН ≈ 10 з еріохром чорним Т як металохромним
індикатором (скорочена формула Na2Н2Ind).
Методика визначення
В конічну колбу ємкістю 250 см3 наливають піпеткою 10 – 100 см3 води
залежно від очікуваної величини твердості, розбавляють при необхідності до
100см3 дистильованою водою, додають 5 см3 амонійного буферного розчину з
рН ≈ 10, 0,1 – 0,15 г сухої суміші еріохром чорного Т з NaСl, перемішують і
відразу титрують при сильному перемішуванні розчином Трилону Б
(комплексну ІІІ) з молярною концентрацією еквівалента 0,02 моль/дм3 (0,02 н)
до переходу червоно – фіолетового (винно-червоного) кольору розчину у
блакитний (синій) можливо із зеленуватим відтінком.
Загальну твердість води визначають за формулою:
C V 1000
ТЗ = 1 , (мг∙екв/дм3), (2.11)
V
де С – концентрація робочого розчину Трилону Б, моль/дм3;
V1 – об’єм Трилону Б витраченого на титрування проби води, см3;
V – об’єм проби води, см3;
1000 - коефіцієнт перерахунку моль/дм3 в ммоль/дм3 або г∙екв/дм3 в
мг∙екв/дм3.
Рисунок 2.1 – Градуювальний графік на визначення ����2−
4 .
Обладнання:
- бюретки ємкістю 25, 50 см3 ГОСТ 1770-74;
- колби конічні ємкістю 250, 500, 1000 см3 ГОСТ 23932-90;
- піпетки Мора ємкістю 50, 100 см3 ГОСТ 29169-91 (ИСО 648-77);
- піпетки ємкістю 5 см3 ГОСТ 29227-91 (ИСО 835-1-81).
Розчини:
- амоній буферний розчин з рН ≈ 10 ГОСТ 3760;
- індикатор еріохром чорний Т, суха суміш із NаСl ;
- трилон Б (комплексон ІІІ), розчини з молярною концентрацією
еквівалента С (1/2 Н2У 2-) = 0,02 моль/дм3 (0,02н) та 0,01 моль/дм3 (0,01
н) ГОСТ 10652-73.
2.3.5. Визначення ХПК
Для визначення ХПК розробленим прискореним методом у конічну колбу
об'ємом 250 мл відбираємо піпеткою 5 мл стічної (дніпрової) води, додаємо в
колбу 5 мл 0,1 Н розчину К2Сr2О7 і при перемішуванні поступово додаємо 15
мл концентрованої сірчаної кислоти. Через 2 хв
розчин охолоджуємо до кімнатної температури, доливаємо 50 мл дистильованої
води, 3-4 краплі індикатора (0,1%-ого розчину фенілантранілової кислоти) і
титруємо 0,1 Н розчином солі Мора. Одночасно з аналізом дослідних зразків
робимо холосту пробу, для чого беремо 5 мл дистильованої води і проводимо
аналіз так як у випадку зі стічною (дніпровою) водою. Для визначення ХПК у
воді використовую формулою 2.12.
ХПК визначаємо за формулою:
ХПК = 1,2 · ((V0 - V) · 0,1 · K · 8 · 1000 / a) - 18,5 мг О2/л, (2.12)
де V0, V - відповідно об’єми розчину солі Мора, що витрачаються на
титрування холостої і даної проб, мл;
0,1 - нормальність розчину солі Мора;
К - поправочний коеф. для приведення розчину солі Мора до 0,1 Н;
8 - еквівалент кисню;
а - аліквота аналізованої стічної води, мл;
1,2 і 18,5 - коефіцієнти для приведення даних прискореного до
показників арбітражного методу визначення ХПК.
3 РЕЗУЛЬТАТИ ДОСЛІДЖЕНЬ ТА ЇХ АНАЛІЗ
3.1 Основні розрахунки озонування
Таблиця 3.1 – Експерементальні дані для визначення дози озону
Покази ротаметру Напруга, кВт ��вх.
���� �� �� , мл ��вих.
2 2 5 ����2�� �� , мл
2 5
1 2 3 4
6 0,76 0,36
20 7 1,05 0,4
8 1,35 0,45
9 1,4 0,4
6 2,65 1,05
40 7 2,4 1,0
8 3,1 1,6
40 9 3,8 1,6
6 2,9 2,4
80 7 3,3 2,5
8 3,9 2,55
9 3,9 2,5
Таблиця 3.2 – Умови проведення експерементів
Витрати повітря, м3/с t℃ P, Па
1 2 3
20 15 101,3 ∙ 10-3
40 14 100,3∙ 10-3
80 15 100,9∙ 10-3
Таблиця 3.3 – Експериментальні дані для побудови калібрувального
графіка
Покази ротаметру Витрати повітря, мл
1 2
20 300
40 330
60 346
80 366
За експериментальними даними буднем калібрувальний графік.
Рисунок 3.1 – Калібрувальний графік для визначення витрат повітря за
ротаметром
3.1.1 Визначення об’єму газу, що містить О3
Об’м газу, що містить О3 розраховую за формулою:
�� ∙ ��
�� 3
0 = , м , (3.1)
��н ∙ (1 + 0,00367 ∙ Т)
де ��0 ‒ обєм газу, за температурі і барометричному тиску, м3;
Рн ‒ нормальний тиск, що рівний 101,325 кПа = 101325 Па;
1 + 0,00367 ‒ коефіцієнт перерахунку.
Об’м газу, що містить О3 при витратах 20 розраховую за формулою:
101,325 ∙ 103 ∙ 300
��0 = = 146,73 м3.
101,325 ∙ 103 ∙ (1 + 0,00367 ∙ 284,6)
Об’м газу, що містить О3 при витратах 40 розраховую за формулою:
101,325 ∙ 103 ∙ 330
�� 3
0 = = 161,4 м .
101,325 ∙ 103 ∙ (1 + 0,00367 ∙ 284,6)
Об’м газу, що містить О3 при витратах 60 розраховую за формулою:
101,325 ∙ 103 ∙ 342,5
��0 = = 167,52 м3.
101,325 ∙ 103 ∙ (1 + 0,00367 ∙ 284,6)
Об’м газу, що містить О3 при витратах 80 розраховую за формулою:
101,325 ∙ 103 ∙ 366
��0 = = 178,97 м3.
101,325 ∙ 103 ∙ (1 + 0,00367 ∙ 284,6)
Основні розрахунки веду за показом ротаметра 80.
3.1.2 Визначення концентрації О3 в газовому потоці
Концентрацію О3 в газовому потоці розраховую за формулою:
112 ∙ ��
�� = , % об. , (3.2)
��0
де 112 – коефіцієнт перерахунку;
n – сумарна кількість 0,1 Н розчину тіосульфату натрію;
��0 – об’єм газу приведений до нормальних умов, м3.
Визначаю вхідну та вихідну концентрацію О3в газовому потоці за показом
ротаметра 20 та напрузі 6 кВт:
112 ∙ 0,38
Свх. = = 0,237 % об. ;
178,97
112 ∙ 0,166
Свих. = = 0,104 % об.
178,97
Визначаю вхідну та вихідну концентрацію О3в газовому потоці за показом
ротаметра 20 та напрузі 7 кВт:
112 ∙ 0,525
Свх. = = 0,328 % об. ;
178,97
112 ∙ 0,2
Свих. = = 0,125 % об.
178,97
Визначаю вхідну та вихідну концентрацію О3в газовому потоці за показом
ротаметра 20 та напрузі 8 кВт:
112 ∙ 0,675
Свх. = = 0,423 % об. ;
178,97
112 ∙ 0,225
Свих. = = 0,141 % об.
178,97
Визначаю вхідну та вихідну концентрацію О3в газовому потоці за показом
ротаметра 20 та напрузі 9 кВт:
112 ∙ 0,7
Свх. = = 0,438 % об. ;
178,97
112 ∙ 0,225
Свих. = = 0,143 % об.
178,97
Визначаю вхідну та вихідну концентрацію О3в газовому потоці за показом
ротаметра 40 та напрузі 6 кВт:
112 ∙ 1,325
Свх. = = 0,829 % об. ;
178,97
112 ∙ 0,525
Свих. = = 0,338 % об.
178,97
Визначаю вхідну та вихідну концентрацію О3в газовому потоці за показом
ротаметра 40 та напрузі 7 кВт:
112 ∙ 1,2
Свх. = = 0,751 % об. ;
178,97
112 ∙ 0,5
Свих. = = 0,320 % об.
178,97
Визначаю вхідну та вихідну концентрацію О3в газовому за показом ротаметра
40та напрузі 8 кВт:
112 ∙ 1,55
Свх. = = 0,970 % об. ;
178,97
112 ∙ 0,85
Свих. = = 0,532 % об.
178,97
Визначаю вхідну та вихідну концентрацію О3в газовому потоці за показом
ротаметра 40 та напрузі 9 кВт:
112 ∙ 1,95
Свх. = = 1,22 % об. ;
178,97
112 ∙ 0,8
Свих. = = 0,501 % об.
178,97
Визначаю вхідну та вихідну концентрацію О3в газовому потоці за показом
ротаметра 80 та напрузі 6 кВт:
112 ∙ 1,45
Свх. = = 0,908 % об. ;
178,97
112 ∙ 1,2
Свих. = = 0,751 % об.
178,97
Визначаю вхідну та вихідну концентрацію О3в газовому потоці за показом
ротаметра 80 та напрузі 7 кВт:
112 ∙ 1,65
Свх. = = 1,033 % об. ;
178,97
112 ∙ 1,25
Свих. = = 0,827 % об.
178,97
Визначаю вхідну та вихідну концентрацію О3в газовому потоці за показом
ротаметра 80 та напрузі 8 кВт:
112 ∙ 1,95
Свх. = = 1,221 % об. ;
178,97
112 ∙ 1,275
Свих. = = 0,798 % об.
178,97
Визначаю вхідну та вихідну концентрацію О3в газовому потоці за показом
ротаметра 80 та напрузі 9 кВт:
112 ∙ 1,95
Свх. = = 1,221 % об. ;
178,97
112 ∙ 1,25
Свих. = = 0,827 % об.
178,97
За експериментальними даними видно, що концентрація О3 при збільшенні
витрат повітря у вхідному потоці збільшується, а у вихідному зменшується.
Кількість О3 в газовому потоці визначаю за формулою:
C ∙ ��0
��(��3) = , % , (3.3)
100
де – концентрація О3в газовому потоці, % ;
��0 - об’єм газу приведений до нормальних умов, м3.
Визначаю вхідну і вихідну кількість О3 за показом ротаметру 80 та напрузі 6
кВт:
0,908 ∙ 178,97
��(О3)вх. = = 1,62 % ;
100
0,751 ∙ 178,97
��(О3)вих. = = 1,34 % .
100
Визначаю вхідну і вихідну кількість О3 за показом ротаметру 80 та напрузі 7
кВт:
1,033 ∙ 178,97
��(О3)вх. = = 1,847 % ;
100
0,827 ∙ 178,97
��(О3)вих. = = 1,399 % .
100
Визначаю вхідну і вихідну кількість О3 за показом ротаметру 80 та напрузі 8
кВт:
1,221 ∙ 178,97
��(О3)вх. = = 2,180 % ;
100
0,798 ∙ 178,97
��(О3)вих. = = 1,427 % .
100
Визначаю вхідну і вихідну кількість О3 за показом ротаметру 80 та напрузі 9
кВт:
1,221 ∙ 178,97
��(О3)вх. = = 2,180 % ;
100
0,827 ∙ 178,97
��(О3)вих. = = 1,339 % .
100
Вхідна кількість озону більша за вихідну.
Отже, при підвищенні напруги кількість озону на вході і на виході при одних і
тих самих показах ротаметру зростає.
3.1.3 Визначення хлорид - іонів у воді:
Вміст хлорид іонів визначаємо за формулою:
(��1 − ��2) ∙ ���������� ∙ �� ∙ 1000
С = 3 , мг/дм3, (3.4)
��
де V1 та V0 – об’єми робочого розчину аргентум нітрату(V) , витрачені на
титрування відповідно проби та холостого розчину, см3;
С –концентрація робочого розчину АgNО3, моль/дм3;
М – молярна маса еквівалента Сl-, г/моль, М (Сl-) = 35,45;
V – об’єм проби води, см3;
1000 – коефіцієнт перерахунку г у мг.
Вміст хлорид - іонів у вихідній дніпровій воді:
(0,6 0,15) 0,135,45 1000
C 15,95 мг / дм3 .
100
Вміст хлорид - іонів в озонованій дніпровій воді (2 хвилини):
(0,5 0,15) 0,135,45 1000
C 13,4 мг / дм3.
100
Вміст хлорид - іонів в озонованій дніпровій воді (5 хвилин):
(0,5 0,15) 0,135,45 1000
C 13,4 мг / дм3.
100
3.1.4 Визначення сульфат-іонів у воді:
Таблиця 3.4 – Визначення сульфат-іонів у воді
Вода Вихідна Озонована, 2хв. Озонована, 5 хв.
Оптична густина, Д 0,175 0,14 0,13
Концентрація SO 2-
4 , мг/дм3 0,53 0,47 0,46
Вміст сульфат-іонів у дніпровій воді визначаємо за формулою:
�� ∙ 1000
С = , мг/дм3, (3.5)
��
де m – вміст SO 2-
4 за графіком, мг/дм3;
V – об’єм проби води, см3;
1000 – коефіцієнт перерахунку г у мг.
Вміст сульфат-іонів у вихідній дніпровій воді:
0,53 1000
C 53 мг / дм3 .
10
Вміст сульфат-іонів в озонованій дніпровій воді( 2 хвилини):
0,47 1000
C 47 мг / дм3 .
10
Вміст сульфат-іонів в озонованій дніпровій воді( 5 хвилин):
0,46 1000
C 46 мг / дм3 .
10
3.2.5 Визначення ХПК у воді:
Наявність ХПК у дніпровій воді визначаємо за формулою:
1,2 ∙ ((��0 − ��) ∙ 0.1 ∙ �� ∙ 8 ∙ 1000)
ХПК = − 18,5, мг О 3
�� 2/дм , (3.6)
де ��0, �� - відповідно об’єми розчину солі Мора, що витрачаються на титрування
холостої і даної проб, мл;
0,1 - нормальність розчину солі Мора; К - поправочний коефіцієнт для
приведення розчину солі Мора до 0,1 Н; 8 - еквівалент кисню;а - аліквота
аналізованої стічної води, мл;1,2 і 18,5 - коефіцієнти для приведення даних
прискореного до показників арбітражного методу визначення ХПК.
Наявність ХПК у вихідній дніпровій воді:
1,2 ((5,3 5,15) 0,118 1000)
ХПК 18,5 10,3 мг O / дм3
2 .
5
Наявність ХПК в озонованій дніпровій воді (2 хвилини):
1,2 ((5,3 5,3) 0,118 1000)
ХПК 18,5 0 мг O 3
2 / дм .
5
Наявність ХПК в озонованій дніпровій воді (5 хвилин):
1,2 ((5,3 5,3) 0,118 1000)
ХПК 18,5 0 мг O2 / дм3 .
5
3.1.6 Визначення ступеня мінералізації води:
Ступінь мінералізації дніпрової води визначаємо за формулою:
(��2 − ��1) ∙ 1000
Х1 = , мг/дм3, (3.7)
��
де m1 – маса порожньої чашки, г;
m2 – маса чашки із сухим залишком, г;
V – об’єм проби води, яку взяли для аналізу, см3;
1000 – коефіцієнт для перерахунку г в мг.
Ступінь мінералізації вихідної дніпрової води:
(65,62035 65,57515) 1000 1000)
X1 1044 мг / дм3 .
50
Ступінь мінералізації в озонованій дніпровій воді (2 хвилини):
(63,29295 63,24855) 1000 1000)
X 2 1088 мг / дм3.
50
Ступінь мінералізації в озонованій дніпровій воді (5 хвилин):
(64,92695 64,87160) 1000 1000)
X 3
3 1099 мг / дм .
50
3.1.7 Визначення твердості води:
Твердість води визначаю за формулою:
А ∙ К ∙ 1000
Ж = , мг ∙ екв/дм3, (3.8)
��
Твердість вихідної води: озонованої води (2 хвилини): озонованої води (5
хвилин):
4,5 0,11000
Ж 4,5 мг екв / дм3.
100
4,10,11000
Ж 4,1 мг екв / дм3 .
100
4,3 0,11000
Ж 4,3 мг екв / дм3 .
100
3.2Графічна обробка результатів озонування
Таблиця 3.5 – Результати озонування
С(О3)теор. m(О ) m(О )
, 3 теор. , V(Na2S2O3), 3 пастки , С(О3)практ.
τтеор. 3 a, %
мг/дм3 мг см мг мг/дм3
0,5 1 хв. 9 с 0,25 0,14 0,0168 0,466 93,3
1,0 2 хв. 19 с 0,50 0,43 0,0516 0,897 89,7
1,5 3 хв. 28 с 0,75 0,83 0,0996 1,301 86,7
2,0 4 хв. 38 с 1,00 1,26 0,1512 1,698 84,9
3,0 6 хв. 57 с 1,50 2,20 0,264 2,472 82,4
По отриманим значенням поглинання будуємо графічну залежність
ступеня поглинання озону від теоретичної концентрації.
a, %
94
92
90
88
86
84
82
С , мг/дм3
80 ОЗОНУ, теорет.
0 0.5 1 1.5 2 2.5 3
Рисунок 3.3 – Графічна залежність ступеня поглинання озону від теоретичної
концентрації.
Після озонування зразки води закривалися кришками, та забиралися в
лабораторії для аналізування.
Показники визначалися по таким методикам: забарвленість та
каламутність – ГОСТ 3351 – 74; аніонно поверхнево-активні речовини (АПАР)
– КНД 211.1.4.017.95; окиснюваність перманганатна – МВВ 081/12 – 0016 – 01;
хімічне споживання кисню (ХСК) – КНД 211.1.4.021-95; біологічного
споживання кисню (БСК5) – КНД 211.1.4.024-95.
Таблиця 3.6 – Результати показників забруднень
С(О ) Окиснюваність
3 практ. Забарвленість, Каламутність, ХСК, БСК5, АПАР,
3 3 3 3 перманганатна,
мг/дм3 градуси мг/дм мгО/дм мгО2/дм мг/дм
мгО/дм3
0 40 3,23 30,09 2,94 0,033 9,28
0,466 25 2,94 28,15 2,72 0,028 8,32
0,897 22 2,08 26,21 2,60 0,025 7,04
1,301 20 1,92 24,27 2,34 0,022 7,68
1,698 18 1,86 20,39 2,08 0,017 4,16
2,472 15 1,47 12,62 1,96 0,012 4,80
На підставі отриманих даних будую графіки залежності зміни показників
забруднення від дози озонування.
Залежність зміни забарвленості у воді від дози озонування представлена
на рисунку 3.2.
Забарвленість,
градуси
40
35
30
25
20
15
10
5
СОЗОНУ, мг/дм3
0
0.00 0.50 1.00 1.50 2.00 2.50
Рисунок 3.4 – Графік залежності зміни забарвленості води від дози озону.
Каламутність,
мг/дм3
3.5
3
2.5
2
1.5
1
0.5
С 3
0 ОЗОНУ, мг/дм
0.00 0.50 1.00 1.50 2.00 2.50
Рисунок 3.5 – Графік залежності зміни каламутності води від дози озону.
ХСК,
мгО/дм3
30
25
20
15
10
5
С , мг/дм3
0 ОЗОНУ
0.00 0.50 1.00 1.50 2.00 2.50
Рисунок 3.6 – Графік залежності зміни хімічного споживання кисню (ХСК)
води від дози озону.
БСК5,
мгО 3
2/дм
3
2.5
2
1.5
1
0.5
С , мг/дм3
0 ОЗОНУ
0.00 0.50 1.00 1.50 2.00 2.50
Рисунок 3.7 – Графік залежності зміни біологічного споживання кисню (БСК5)
води від дози озону.
АПАР,
мг/дм3
0.035
0.03
0.025
0.02
0.015
0.01
0.005
С , мг/дм3
0 ОЗОНУ
0.00 0.50 1.00 1.50 2.00 2.50
Рисунок 3.8 – Графік залежності зміни концентрації аніонних поверхнево-
активних речовин (АПАР) що містяться у воді від дози озону.
Перманганатн
11 а
окиснюваність
10 ,
9 мг/дм3
8
7
6
5
4
3
2
1
3
0 СОЗОНУ, мг/дм
0.00 0.50 1.00 1.50 2.00 2.50
Рисунок 3.9 – Графік залежності зміни перманганатної окиснюваності води від
дози озону.
3.3 Аналіз, обміркування та узагальнення результатів досліджень
В ході виконання експериментів, було встановлено, що дніпрова вода містила
хлориди, сульфати, сухий залишок, органічні речовини, що практично
відповідали нормі.
Для очищення дніпрової води від різних домішок та забруднень був
застосований метод озонування, для покращення не лише фізичних
властивостей води, а й органолептичних. Результати показали, що на ступінь
очищення води впливає час її озонування. Але у ході роботи було виявлено, що
озонування на деякі показники забруднень як сульфати, хлориди, сухий
залишок суттєво не впливає. Дану методику доцільно використовувати для
очищення води від ХПК, органічних речовин, які в ході експерименту
видалились з води повністю.
В ході проведення дослідження було вивчено теоретичні основи процесу
озонування води, перевірено їх на практиці та отримано результати.
4 РОЗРОБКА ТЕХНОЛОГІЧНОЇ СХЕМИ
4.1 Опис технологічної схеми
Атмосферне повітря пропускається через фільтр 1 для очистки від пилу,
після чого повітряним компресором 2 нагнітається на охолодження в
кожухотрубний теплообмінник 3, де повітря охолоджується до 20оС.
Охолоджувачем повітря розсол, який подається в теплообмінник протитоком.
Після цього вологе повітря надходить у адсорбери 4 та 5, які працюють
по-годинно, в них відбувається осушка до вологовмісту не більше 0,04-0,05
г/м3. Сушильним агентом, який подається у адсорбери є силікагель.
Осушене і охолоджене повітря надходить по трубопроводу в генератор
озону 6. В генераторі озону під дією електричного розряду синтезується озон (
у вигляді суміші з повітрям). Так як утворення бар’єрного електричного
розряду супроводжується виділенням великої кількості тепла, передбачається
охолодження електродів озонатора водою.
Напруга подається на озонатор з підвищуючого трансформатора 7 по
високовольтному кабелю. Змішування води відбувається в контактній камері 8.
Дифузія озону у вигляді дрібних бульбашок в об’ємі води здійснюється за
допомогою пористих трубок , що розміщені в основі контактної камери. Вода
подається по трубопроводу протитоком відносно до озоно-повітряної суміші,
що прискорює процес розчинення озону. Озонована вода надходить в
резервуар чистої води 9.
1 – відцентровий насос подачі річкової води; 2 – контактна камера;
3 – змішувач; 4 – насос-дозатор подачі коагулянту; 5 – бак розчину коагулянту;
6 – насос-дозатор подачі флокулянту; 7 – бак розчину флокулянту; 8 – ємність
зберігання флокулянту; 9 – камера утворення пластівців; 10 – горизонтальний
відстійник; 11 – контейнер з хлором;
12 – випарник; 13 – грязьовик; 14 – фільтр; 15 – вакуум-регулюючий клапан; 16
– хлоратор; 17 – ежектор; 18 – швидкий безнапірний фільтр;
19 – резервуар чистої води; 20 – відцентровий насос подачі питної води;
21 – озонатор; 22 – повітрозабірна шахта; 23 – повітродувка; 24 – пиловий
фільтр; 25 – теплообмінник; 26 – водовіддільник крапельної вологи;
27 – адсорбер; 28 – блок фільтрів; 29 – деструктор озону; 30 – блок живлення.
Рисунок 4.1 – Технологічна схема станції очищення стічної води з
використанням озонування
5 РОЗРОБКА СИСТЕМИ АВТОМАТИЗАЦІЇ
Сутність процесу озонування полягає у пропусканні озону через воду з метою
її знезараження та покращення органолептичних показників.
Температура повітря після теплообмінника 20 ℃. Повітря, яке надходить
в озонатор повинне бути осушеним, що забезпечується по-годинною роботою
адсорберів. Аналізуючи умови проведення процесу очищення води з
точки зору підбору параметрів регулювання, контролю, сигналізації та
блокування, можна зробити наступний висновок:
1. У якості параметрів, за допомогою яких буде проведено
регулювання технологічним процесом вибираю:
- витрати повітря перед озонатором ( компресором повітря);
- витрати сухого повітря (після адсорберів);
- витрати сухого повітря на продувку адсорберів ( подачею повітря у
адсорбер);
- витрати силікагелю ( подачею у адсорбери);
- витрати повітря перед адсорберами ( подачею повітря в адсорбери).
2. У якості параметрів, за допомогою яких буде проведено контроль за
технологічним процесом вибираю:
- витрати повітря перед озонатором;
- напруга для озонатора;
- рівень в резервуарі озонованої води.
3. У якості параметрів сигналізації допустимих значень параметрів
технологічного процесу вибираю:
- рівень озонованої води в резервуарі.
4. У якості параметрів по яким буде проведено блокування вибираю:
- витрати повітря перед адсорберами;
- витрати сухого повітря на виході з адсорберів;
- витрати сухого повітря на продувку;
- витрати силікагелю.
Таблиця 5.1 - Об’єм автоматизації технологічного процесу
Параметр, Можлив Місце Вимоги до
Технологічни що ий відбору схеми Примітки
й об’єкт вимірюють діапазон імпульсу автоматизації
або зміни
регулюють параметр
у
1 2 3 4 5 6
трансформа- напруга 460 - всередині вимірювання вплив
тор 15000 В трансформ напруги на
атору дозу озону
трубопровід витрати 10,5-12,3 на вході в регулювання, -
повітря м3/год озонатор вимірювання
трубопровід витрати - на вході в регулювання, регулюван
вологого адсорбери блокування ня подачею
повітря повітря
трубопровід витрати - на вході в регулювання, регулюван
сушильного адсорбери блокування ня подачею
агенту селікагелю
витрати - на виході з регулювання, регулюван
трубопровід сухого адсорберів блокування ня подачею
повітря повітря
витрати - на вході в регулювання, регулюван
трубопровід повітря для адсорбери блокування ня подачею
продувки сух.
повітря
на виході з регулювання регулюван
трубопровід температура 20 ℃ теплообмін ня подачею
ника розсолу
трубопро- вимірюванн, регулюван-
трубопровід доза озону 4-20 мг/л від після регулюванн ня напругою
генератора я трансфор-
озону матора
5.1 Схема роботи приладів автоматизації
5.1.1 Блок вимірювання та регулювання витрат розсолу
Для вимірювання витрат розсолу у якості датчика вибираємо діафрагму
камерну ДК-0.6-50, яка встановлена на трубопроводі подачі розсолу в
теплообмінник. Перепад тиску на діафрагмаі за допомогою перетворювача
різниці тисків 13ДЦ11 перетворюється в пневматичний сигнал, який по каналах
зв’язку поступає на вторинний прилад ПКР-1 – прилад контролю пневматичний
для запису і показання величини одного параметру. Далі сигнал поступає на
регулятор ПР3.31.М - пристрій пневматичний регулюючий ізодромний, який
порівнює рівень сигналу, що поступає від вторинного приладу із заданим та
видає результуючий пневматичний сигнал на виконавчий пристрій 25ч32нж –
регулюючий клапан з пневматичним мембранним виконавчим механізмом,
який встановлено на трубопроводі подачі розсолу в теплообмінник.
5.1.2 Блок контролю та регулювання температури повітря після
теплообмінника
Для контролю за рівнем температури повітря у якості датчика вибираємо
термоперетворювач опору платиновий ТСП 0879, межа виміру від -50 до +200
℃, який встановлено на трубопроводі після темлообмінника. Для
перетворення сигналу з електричного в пневматичний вибираємо перетворювач
електропневматичний типу ЕПП. Пневматичний сигнал від датчика по каналам
зв’язку передається на вторинний прилад ПКР.1 прилад контролю
пневматичний для запису і показання величини одного параметру. Далі сигнал
поступає на регулятор ПР3.31.М - пристрій пневматичний регулюючий
ізодромний, який порівнює рівень сигналу, що поступає від вторинного
приладу із заданим та видає результуючий пневматичний сигнал на виконавчий
пристрій 25ч32нж – регулюючий клапан з пневматичним мембранним
виконавчим механізмом, який встановлено на трубопроводі подачі розсолу в
теплообмінник.
5.1.3 Блок контролю та регулювання концентрації озону в озоно-
повітряній суміші на виході з озонатору
Для контролю за концентрацією озону в озоно-повітряній суміші у якості
датчика вибраємо газоаналізатор ОЗОН-5-200 для аналізу концентрацій озону в
озоно-повітряній суміші (діапазон вимірювань 0 – 200 г/м3). Датчик
встановлено на трубопроводі подачі озоно-повітряної суміші в контактну
камеру. Електричний сигнал, що поступає від датчика по каналам зв’язку
передається на КСП – потенціометр електронний для запису і показання одного
параметра. Доза озону регулюється перетворювачем змінного струму високої
напруги в уніфікований сигнал напруги постійного струму.
5.1.4 Блок вимірювання напруги у трансформаторі
Для вимірювання напруги вибираємо перетворювач сигналів термопар і
електричних сигналів від датчиків напруги постійного струму в уніфікований
сигнал напруги постійного струму Ш78, діапазон вимірювання 0-10В.
Показуючий прилад КСП встановлений для виміру напруги в трансформаторі.
5.1.5 Блок керування витрат сушильного агенту, сухого повітря та сухого
повітря для продувки
Для керування витрат сушильного агенту, сухого повітря та сухого
повітря для продувки я застосовую командний електропневматичний прилад
КЕП, що використовується для керування процесом по погодинній програмі,
який встановлений на щиті.
5.2 Блок контролю та регулювання температури повітря після
теплообмінника
Для контролю за рівнем температури повітря у якості датчика вибираємо
термоперетворювач опору платиновий ТСП 0879, межа виміру від -50 до +200
℃, який встановлено на трубопроводі після темлообмінника. Для перетворення
сигналу з електричного в пневматичний вибираємо перетворювач
електропневматичний типу ЕПП. Пневматичний сигнал від датчика по каналам
зв’язку передається на вторинний прилад ПКР.1 прилад контролю
пневматичний для запису і показання величини одного параметру. Далі сигнал
поступає на регулятор ПР3.31.М - пристрій пневматичний регулюючий
ізодромний, який порівнює рівень сигналу, що поступає від вторинного
приладу із заданим та видає результуючий пневматичний сигнал на виконавчий
пристрій 25ч32нж – регулюючий клапан з пневматичним мембранним
виконавчим механізмом, який встановлено на трубопроводі подачі розсолу в
теплообмінник.
3. РОЗРАХУНКИ ТЕХНОЛОГІЧНОГО ОБЛАДНАННЯ ТА
МАТЕРІАЛЬНІ РОЗРАХУНКИ
6.1 Визначення повної продуктивності водоочисних споруд
Повну продуктивність станції обробки господарсько-питної води
визначається з урахуванням витрати води на власні потреби станції
(промивання фільтрів, очищення відстійників, камер утворення пластівців,
змішувача, РЧВ та ін.), додаткової витрати води на поповнення
протипожежного запасу і приготування розчинів реагентів.
Витрату води на власні потреби водоочисної станції приймаю 9,0 %
Враховую витрати води на відновлення протипожежного запасу води, що
зберігається у резервуарі чистої води. Максимальний час відновлення
протипожежного запасу води в населених пунктах і на підприємствах Тпож = 24
год.
При кількості населення більше ніж 25000 людей витрати води на
пожежогасіння визначаються як сума необхідних більших витрат для міста і
50% менших витрат для підприємства.
Продуктивність водоочисних споруд визначаються за формулою:
Qкор
Q 3
ос Qдод , м /год (6.1)
24
де – коефіцієнт витрат на власні потреби водоочисної станції;
Qкор – корисна продуктивність станції, м3/добу;
Qдод – додаткові витрати води на поповнення протипожежного запасу, які
визначаються так:
Q
Q пож , м3/год (6.2)
дод
Тпож
де Qпож – витрата води для гасіння пожежі, м3/год;
Витрати води для гасіння пожежі визначаються за формулою:
Q нп нп пп пп
пож 3,6 tпож n(qн.пож qв.пож ) n (qн.пож qв.пож ) 0,5 (6.3)
де tпож – розрахункова тривалість пожежі, год.;
n – кількість одночасних пожеж в населеному пункті;
n – кількість одночасних пожеж на підприємстві;
qнп пп
н.пож і qн.пож – норма витрати води на зовнішнє пожежогасіння відповідно
для населеного пункту і підприємства, дм3/с;
qнп пп
в.пож і qв.пож – норма витрати води на внутрішнє пожежогасіння
відповідно для населеного пункту і підприємства, дм3/с.
Приймаю: tпож = 3 [13, табл.3, с.13];
n = 3 [13, табл.5, с.15];
n = 1 [13, с.12];
qнп
н.пож = 55 дм3/с [13, табл.3, с.13];
qпп
н.пож = 30 дм3/с [13, табл.6, с.16];
qнп qпп
в.пож і в.пож = 10 дм3/с [14, табл.3, с.12];
= 1,09 без повторного використання промивних вод [12].
Тоді
Qпож = 3,6∙3 [3∙(55+10)+1∙(30+10)∙0,5] = 2322 м3/добу;
2322
Qдод 96,75 м3/год;
24
1,09 100000
Qос 96,75 4631,24 м3/год;
24
або 4631,24∙24 = 111149,74 м3/доб.
6.2 Розрахунок озонатора
Кількість озону, необхідна для озонування, визначаю за формулою:
Q D
Qo
o , кг/год (6.4)
1000
де Q – продуктивність водоочисної станції, м3/добу;
D – дози озону для озонування води, мг/дм3.
o
Дозу озону перед подачею на водоочисні споруди приймаю 2,5 мг/дм3 [ДБН
В.2.5-74:2013].
Продуктивність водоочисних споруд становить 4631,24 м3/год.
Тоді
4631,24 2,5
Qo 11,58 кг/год або 277,8 кг/добу.
1000
Приймаю озонатор марки П - 198 виробництва ООО “Курганхіммаш”.
Продуктивність озонатора становить 6,0 кг/год. Приймаю 2 озонатора.
Продуктивність компресора визначаю за формулою:
Q q , м3/год (6.5)
к п N
де q – витрати повітря, м3/год;
п
N – кількість робочих озонаторів, шт.
Приймаю q = 330 м3/год.
п
Тоді:
Qк 330 2 660 м3/год
Басейн змішування озону з водою являє собою контактну камеру, в якій
забезпечується протиток, або паралельні потоки води і озоно-повітряної суміші.
Необхідну площу контактної камери в плані визначаю за формулою:
q T
F = , м2 (6.6)
N H
де q – розчин води, яка озонується, м3/год
Т – час контакту озону з водою, год
N – кількість контактних камер, шт
Н – глибина шару води в контактній камері, м
Приймаю: Т = 0,1 год. [ДБН В.2.5-74:2013]
N = 2 шт. [ДБН В.2.5-74:2013 ]
H = 5,0 м. [ДБН В.2.5-74:2013 ]
Тоді:
4631,24 0,1
F = 46,3 м2
2 5,0
Розміри контактних камер приймаються ближче до квадратних.
6.3 Розрахунок дози коагулянту
Застосування реагентів (коагулянтів, флокулянтів) дозволяє
інтенсифікувати процес очистки води. Найчастіше для коагуляції природної
води використовують сірчанокислий алюміній (Аl2(SО4)3) та хлорне залізо
(FеСl3). На Дніпровській водоочисній станції використовують розчин
гідроксихлориду алюмінію загальною формулою Al2(OH)nCl6-n (“Полвак - 68”).
Масова частка основної речовини (по Al2O3) складає 13 %. Густина при 20°С
складає 1,25 г/см3. Застосування рідкого коагулянту спрощує його зберігання та
процедуру дозування. Коагулянт виготовляє ПХЗ «Коагулянт» і доставляє на
Дніпровську водоочисну станцію автоцистернами вагою 22,5 т.
Вибір дози коагулянту здійснюю за формулою [13, с.40]:
Дк 4 Звих.в , мг/дм3 (6.7)
де З – забарвленість вихідної води, град.
вих.в
При одночасному вмісті у воді завислих речовин і кольоровості приймаю
найбільшу з доз коагулянту [13, с.40].
При кольоровості вихідної води 40º за платино-кобальтовою шкалою [12]:
Дк 4 40 28 мг/дм3.
Дозу коагулянту за товарним продуктом розраховую за формулою
[18, с.144]:
29,8 А
Д к , мг/дм3 (6.8)
Б
де А – оптимальна доза коагулянту, мг/дм3;
Б – масова частка основної речовини (по Al2O3) у використовуваному
продукті, %;
29,8 – коефіцієнт перерахунку Аl2(SО4)3 в Al2O3.
29,8 28
Д к 64 мг/дм3
13
Загальна добова витрата розчину коагулянту становить:
64 111349,81
Gк 7,13 т/добу або 7130 кг/добу.
106
Об’єм розчину коагулянту, що дозується, за добу буде:
G
Qк
к (6.9)
к
7,13
Qк 5,7 м3/добу.
1,25
6.4 Розрахунок вертикального змішувача вихрового типу
Змішувач цього типу може бути квадратним або круглим в плані перерізу,
з пірамідальною або конічною нижньою частиною. Центральний кут між
нахиленими стінками змішувача повинен складати = 30 - 40. Вода, що
обробляється, по трубі підводиться у нижню частину змішувача з вхідною
швидкістю V 11,2 м/с [15 с.68]. В змішувач поступає
н Qзаг 111355,51
м3/добу, або 4639,81 м3/год, або 1,289 м3/с
Площа горизонтального перетину змішувача у верхній частині
визначається за формулою:
Q
fв
год
, (6.10)
3,6 vв
де v - швидкість висхідного потоку руху води, мм/с.
в
Приймаю: v 40 мм/с [13, с.44].
в
4639,81
fв 32,22 м2.
3,6 40
Приймаю верхню частину змішувача квадратну в плані, тоді її розмір
визначається так:
bв fн , (6.11)
bв 32,22 5,7 м.
Внутрішній діаметр підвідної труби складає D = 1200 мм або 1,2 м. Тоді
4 1,289
при надходженні води q 1,289 м3/с вхідна швидкість Vн 1,14 м/с,
н
1,22
що відповідає вимогі Vн 11,2 м/с.
Тоді зовнішній діаметр трубопроводу, що підводить воду, складає
D = 1220 мм (ГОСТ 10704 – 63). Розмір в плані нижньої частини змішувача у
місті примикання цього трубопроводу повинен бути 1,22 1,22 м, а площа
нижньої частини усіченої піраміди складає:
fн 1,222 1,488 м2.
Приймаємо величину центрального кута = 40. Тоді висота нижньої
(пірамідальної) частини змішувача становить:
hн 0,5 (bв bн) ctg , (6.12)
2
40
hн 0,5 5,7 1,488 ctg 6,15 м.
2
Об’єм пірамідальної частини змішувача становить:
1
Wн hн ( fв fн fв fн ) , (6.13)
3
1
Wн 6,15 32,221,488 32,22 1,488 83,36 м3.
3
Повний об’єм змішувача становить:
Q t
W год , (6.14)
60
де t – час змішування реагенту з масою води, який рівний 1,5 хв.
4639,811,5
W 116,0 м3
60
Об’єм верхньої частини змішувача становить:
W W W , (6.15)
в н
Wв 116,0 83,36 32,64 м3.
Висота верхньої частини змішувача становить:
W
h в
в , (6.16)
fв
32,64
hв 1,01 м.
32,22
Повна висота змішувача становить:
h h h , (6.17)
з н в
hз 6,151,01 7,16 м.
Збір води проходить у верхній частині змішувача периферійним лотком
через затоплені отвори. Швидкість руху води в лотку v 0,6 м/с. Вода, яка
л
протікає по лотках у направленні бокової кишені, розподіляється на два
паралельні потоки. Тому розрахункові витрати кожного потоку розраховуються
за формулою:
Q
Q год
л , (6.18)
2
4639,81
Qл 2319,9 м3/год.
2
Площа перетину збірного лотка розраховується за формулою:
Q
w л , (6.19)
л
vл 3600
2319,9
wл 1,07 м2.
0,6 3600
При ширині лотка b 1,0 м розрахункова висота шару води в лотку
л
розраховується за формулою:
w
h л
л , (6.20)
bл
1,07
hл 1,07 м.
1,0
Уклін дна лотка прийнятий і = 0,02. Площа всіх затоплених отворів в
стінках збірного лотка розраховується:
Q
F год
о , (6.21)
v0 3600
де v – швидкість руху води через отвори лотка, яка рівна 1 м/с.
0
4639,81
Fo 1,28 м2,
3600
Отвори прийняті діаметром dо 250 мм, тобто площею:
D2
fо , м2 (6.22)
4
0,025
fо 0,000491 м2.
4
Загальна необхідна кількість отворів розраховується за формулою:
F
n о , (6.23)
о
fо
1,28
nо 28 шт.
0,049
Ці отвори розміщують по боковій поверхні лотка на глибині h 350 мм від
о
верхньої кромки лотка до осі отворів.
Кількість отворів в одному лотку 14 шт.
Відстань між центрами отворів розраховується за формулою:
b
l в
отв , (6.24)
nо
5,7
lотв 0,407 м.
14
Ширина перетинки між отворами становить:
bп lо d , (6.25)
о
bп 0,407 0,250 0,157 м
Із збірного лотка вода потрапляє у бокову кишеню. Розміри кишені
приймаються конструктивно з тим, щоб у нижній частині його розмістити
трубу для відведення води, яка пройшла змішувач. Витрати води, по відвідній
трубі для подачі в камеру утворення пластівців, q 1,289 м3/с. Швидкість в
н
цьому трубопроводі повинна бути 0,6 – 1 м/с, а час перебування не більше 1,5
хвилин.
Прийнятий стальний трубопровід внутрішнім діаметром D = 1400 мм або
4 1,289
1,4 м. Тоді швидкість V 0,84 м/с, що відповідає вимогам. Зовнішній
1,42
діаметр труби 1420 мм (ГОСТ 10704 – 63) [15, 19].
6.5 Розрахунок дози флокулянту
Для поліпшення процесу коагулювання річкової води, та для підвищення
продуктивності роботи очисних споруд, на станції використовується катіонний
флокулянт Extraflock N 160, виробництва ПХЗ «Коагулянт», Україна.
Дози реагентів визначаються у виробничій лабораторії та коректуються
інженером-технологом в залежності від якості річкової води. Процес
приготування розчину флокулянту проводиться за допомогою автоматизованої
установки FAB-mini, виробництва “Ciba“, Німеччина.
Сухий флокулянт, для отримання 1 % розчину, з бункера установки, через
шнек, дозується у бак ємністю 1,0 м3 який оснащений датчиками робочого і
мінімального рівня розчину. Бак заповняється водою. Протягом 30 – 40 хвилин
за допомогою мішалки проходить процес приготування розчину. Цей розчин
насосом перекачується у витратний бак ємністю 1,0 м3.
Із витратного баку з датчиками робочого і мінімального рівня, 1 % розчин
флокулянту, насосом-дозатором подається до статичного змішувача, де
змішується з водою для отримання 0,01 % робочого розчину.
За технологічною схемою очистки води, робочий 0,01 % розчин
флокулянту відповідними дозами подається у карман змішувача з інтервалом у
3 хвилини після вводу коагулянту.
Доза поліакриламіду при введенні перед фільтрами в схемах з
відстоюванням (освітлення в шарі зваженого осаду) і фільтруванням становить
від 0,05 мг/дм3 до 0,1 мг/дм3 [13, с.41]. Приймаю дозу 0,1 мг/дм3.
0,1111355,51
GПАА 0,01114
6 т/добу; або 11,14 кг/добу
10
Об’єм води необхідний для приготування основного 1 % розчину:
0,01114 99
Q 1,1024 м3/добу.
H2O
1
Для приготування 0,01 % розчину флокулянту необхідно основний
розчин розвести в 100 раз.
Qфл.р 1,102 100 110,24 м3/добу
З камер утворення пластівців вода надходить у відстійники. На очищення
відстійників використовується Q 3
ч.відст. 1594,42 м /добу води.
6.6 Розрахунок камер утворення пластівців із шаром завислого осаду
Камери утворення пластівців служать для перемішування води і
забезпечення більш повної агломерації дрібних пластівців коагулянту в більші
пластівці. Приймаю камеру зашламованого типу яка вбудована в
горизонтальний відстійник.
Вода, яка поступає із змішувача, через водозлив подається в приймальний
карман і по вертикальному трубопроводу направляється в перфоровані труби з
отворами, спрямованими під кутом 45°. Тут внаслідок зменшення швидкості
води утворюються пластівці коагульованої суспензії, які агломеруються і
збільшуються при русі води вгору через шар завислого осаду камери висотою
не менше 2 м.
В верхній частині відстійника встановлюють відбійний щит, який
направляє потік води, що пройшла камеру утворення пластівців. Час
перебування води в камері не менше 20 хв. Q м3/добу або 4644,45
заг 111466,86
м3/год.
Площа (в плані) всіх камер утворення пластівців розраховується за
формулою:
Q
F год , (6.26)
к
3,6
де – швидкість висхідного потоку води в верхньому перерізі вбудованої
камери утворення пластівців.
Приймаю: 1,5 мм/с [15, с. 81]. Тоді:
4644,45
Fк 860,08 м2
3,6 1,5
Приймаю чотири камери (по числу горизонтальних відстійників). Тоді площа
однієї камери:
860,08
Fк 215,02 м2.
4
Ширина камериb м (дорівнює ширині відстійника).
к 27,3
Тоді довжина камери становить:
l F :b , (6.27)
к к к
lк 215,02 : 27,3 7,88 м.
Висоту камери h приймаю рівною висоті відстійника з урахуванням
к
втрати напору в камері.
Тоді:
hк hвідст hвтр , (6.28)
h 3,5 0,1 3,6 м.
к
Час перебування води в камері становить:
h
t к , (6.29)
60
3,6
t 40 хв.
0,0015 60
Витрати води на кожну камеру становлять:
Q
qк
год , (6.30)
4 3600
4644,45
qк 0,3225 м3/с.
4 3600
В кожній камері розміщують 12 перфорованих труб. Відстань між
перфорованими трубами 2 м. Швидкість руху на початку розподільних труб
слід приймати від 0,5 м/с до 0,6 м/с [13, с. 46]. Тоді витрати води по кожній
трубі будуть:
qтр qк : n , (6.31)
qтр 0,3225:12 0,02688 м3/с.
Беремо труби з внутрішнім діаметром D = 240 мм або 0,24 м. Тоді
4 0,02688
швидкість V 0,59 м/с, що відповідає вимогам.
0,242
Площа отворів в стінках перфорованої труби складає 30 – 40 % від площі
поперечного перерізу труби становить:
D2
fотв 0,4 , (6.32)
4
0,242
fотв 0,4 0,0181 м2.
4
0,025
Приймаю отвори d 25 мм, площею: fо 0,000491 м2.
о
4
Необхідна кількість отворів на кожній трубі:
0,0181
n 37 шт.
0,000491
Отвори розміщують в 2 ряди з кроком:
l l : n , (6.33)
о к
де l – довжина камери в мм.
к
lо 7880 :37 213 мм
Із камери в горизонтальні відстійники воду відводять над затопленим
водозливом. Верх стінки водозливу розміщують нижче рівня води у відстійнику
на величину:
q
hв
к , (6.34)
vв bк
де v – швидкість руху води через водозлив, рівна 0,05 м/с [13, с.46].
в
0,3225
hв 0,24 м
0,05 27,3
На вході води у відстійник встановлюють підвісну перегородку занурену на 1/4
висоти відстійника. Швидкість руху води між стіною та перегородкою повинна
бути не більше ніж 0,03 м/с [13, с.46].
6.7 Розрахунок горизонтального відстійника
В горизонтальному відстійнику розрізняють дві зони: зону осадження
зважених частинок та зону накопичення та ущільнення осаду. Середня глибина
зони осадження приймається в межах 2,5 – 3,5 м в залежності від висотної
схеми водоочисної станції.
Горизонтальні відстійники мають прямокутну форму в плані та можуть
бути як одноповерхові, так і двоповерхові, але зі спільним обладнанням для
входу та виходу води. Повороти потоку в відстійниках не допускаються ні по
вертикалі, ні по горизонталі.
Сумарна площа горизонтального відстійника в плані:
Q
Fзаг
год
(6.35)
3,6 uо
де Q – розрахункові витрати води на всі відстійники, м3/год;
год
u – швидкість випадання зважених частинок, мм/с;
о
– коефіцієнт, який враховує зважуючий вплив вертикальної складової
швидкості потоку.
Ширина одного відстійника складає:
Q
B год , (6.36)
3,6 vсер H N
де H – середня глибина зони осадження;
vсер – середня горизонтальна швидкість руху води в відстійнику, мм/с;
N – розрахункова кількість відстійників.
При значній ширині відстійника кожний з них повинен бути розділений
перегородками на повздовжні коридори, ширина якого залежить від кроку
колон (але не більше 9 м).
F
L заг , (6.37)
B N
де F – сумарна площа всіх відстійників в плані, м2.
заг
При цьому повинна дотримуватися умова, що L / H 1025 .
Горизонтальний відстійник представляє собою залізобетонні прямокутні
в плані басейни без повороту потоку води.
Розрахуємо горизонтальний відстійник на освітлення заданої витрати
води Q 111466,86 м3/добу або 4644,45 м3/год.
заг
Приймаємо u 0,45 мм/с, L / H 10 , 1,333 , vсер 3,375 мм/с.,
о
[15, т.27, с.91]. Площа всіх відстійників в плані за формулою (6.35):
1,333 4644,45
Fзаг 3822,59 м2.
3,6 0,45
Глибину зони осадження приймаємо в відповідності з регламентом
H 3,5 м. Розрахункову кількість відстійників N 4 .
Тоді ширина відстійника:
4644,45
B 27,30 м.
3,6 3,375 3,5 4
Всередині кожного відстійника установлюють дві повздовжні вертикальні
перегородки, які утворюють п’ять паралельних коридорів шириною по 5,46 м
кожний.
Довжина відстійника дорівнює:
3822,59
L 35,0 м.
27,30 4
L 35,0
При цьому співвідношення 10 , тобто відповідає вимогам.
H 3,5
На початку та в кінці відстійника встановлюють поперечні
водорозподільні перегородки.
Робоча площа такої розподільної перегородки в кожному коридорі
відстійника шириною bк 5,46 :
fроб bк (H 0,3) , (6.38)
fроб 5,46 3,5 0,3 17,47 м2.
Розрахункові витрати води для кожного з коридорів становлять:
Q
q год ; (6.39)
20
4644,45
qђ 232,22 м3/год або 0,0645 м3/с.
20
Необхідна площа дірок в розподільних перегородках:
а) на початку відстійника:
q
f о
к , (6.40)
vо
де v – швидкість руху води в отворах перегородки, яка дорівнює 0,3 м/с.
о
[15, с.94]
0,0645
f о 0,215 м2.
0,3
б) в кінці відстійника:
q
f к , (6.41)
о
vо
де v – швидкість води в отворах кінцевої перегородки, яка дорівнює 0,5 м/с.
о
[15, с. 94]
0,0645
f о 0,129 м2.
0,5
Приймаємо в передній перегородці отвори d 0,05 м та площею
1
f 0,00196 м2 кожна, тоді кількість отворів в передній перегородці становить:
о
0,215
nо 110 шт.
0,00196
В кінцевій перегородці отвори прийняті діаметром d 0,04 м та площею
1
f 0,00126 м2 кожна, тоді кількість отворів становить:
о
0,129
nо 102 шт.
0,00126
Приймаємо по 110 дірок в кожній перегородці, розміщуємо їх в 11 рядів
по горизонталі та в 10 рядів по вертикалі. Відстань між осями дірок: по
3,50,3 5,16
вертикалі 0,291 м та по горизонталі 0,516 м.
11 10
6.7.1 Періодичне видалення осаду з відстійника
Якщо висока мутність води повторюється в різні періоди року, то
найкраще застосовувати гідравлічний спосіб видалення осаду без виключення
відстійника із дії.
Дослідження, які були проведені І.М. Міркісом (ВНІІ ВОДГЕО), доказали
можливість видалення осаду по дренажних дірчастих трубах, які укладені на
дні відстійника по його повздовжній осі. При цьому необхідно, щоб відстань
між осями каналів або дренажних труб не перевищувала 3 м, а відстань їх від
стін відстійника була 1,5 м.
Швидкість руху осаду в кінці каналів або труб повинна складати не менш
0,7 м/с, діаметр отворів повинен бути не менш 20 мм, крок отворів - не більше
500 мм [15, 19, 21].
Об’єм зони накопичення і ущільнення осаду дорівнює:
24 Qгод (Ссер m) T
Wз.н , (6.42)
N
де Qгод – годинні витрати води, м3/год;
Ссер – середня концентрація завислих речовин у воді, яка надходить у
відстійник за період між чистками, г/м3;
m – концентрація суспензії у воді на виході із відстійника, мг/дм3;
– середня концентрація осаду після ущільнення за 24 години, г/м3;
N – кількість відстійників;
T – період роботи відстійника між скиданнями осаду, діб;
Середня концентрація завислих речовин у воді визначається за
формулою:
Ссер М КДк 0,25 Ц , (6.43)
де М – концентрація завислих речовин у вихідній воді, мг/дм3;
К – перерахунковий коефіцієнт, який для очищеного сульфату алюмінію
дорівнює 0,55 [19, c.151];
Ц – кольоровість вихідної води, градуси;
Д – доза коагулянту, мг/дм3.
к
Приймаю: М = 5,0 мг/дм3 [12]
Ц = 50 градусів [12]
Тоді: Ссер 5,0 0,55 64 0,25 50 52,7 мг/дм3
Приймаю:
m = 8,0 мг/дм3 [19. c.151]
= 18750 г/м3 [13. т.19, с.48]
T 1 доба
Тоді об’єм зони накопичення і ущільнення осаду дорівнює:
24 4644,45 (52,7 8) 1
Wз.н 66,43 м3
4 18750
Витрата води при видаленні осаду з горизонтального відстійника
визначається за формулою:
Кр W
Рч.в 100% , (6.44)
24 q T
де Кр – коефіцієнт розбавлення осаду, який дорівнює 1,5 [15, с.95];
q – витрати води для одного відстійника, м3/год;
Звідки:
Q
q год
, (6.45)
N
4644,45
q 1161,11 м3/год.
4
Приймаю:
1,5 66,43
Рч.в 100% 0,358%
24 1161,111 .
Тоді об’єм води при чистці чотирьох відстійників визначається:
0,358
Qч.відст. 111466,86 4 1594,42 м3/добу
100
6.8 Розрахунок стадії вторинного хлорування
Дозу хлору для вторинного хлорування води приймаю 2,0 мг/дм3 [12].
Тоді
втор 109872,44 2,0
Gхл 9,156 кг/год або 219,74 кг/добу.
1000 24
Витрату води для роботи хлораторів вторинного хлорування
визначаються за формулою:
втор
втор Дхл Qзаг КQ х , (6.46)
хл
1000
втор
де Дхл – доза вторинного хлорування, мг/дм3;
Кх – розрахункова витрата води для роботи хлораторів;
Приймаю К = 0,6 м3
х на 1 кг хлору [12].
Qвтор 2,0 109872,44 0,6
хл 131,85 м3/добу
1000
6.9 Розрахунок швидких фільтрів з кварцовим завантаженням
6.9.1 Визначення розмірів фільтра
Загальний потік, який фільтрується становить Qзаг 110006,72 м3/добу,
Qгод 4583,61 м3/год.
Сумарна площа швидких фільтрів з кварцовим завантаженням буде:
Q
F доб , (6.47)
T Vр.н. 3,6 n W t1 n t2 Vр.н
де T – тривалість роботи станції на протязі доби, год;
Vр.н – розрахункова швидкість фільтрування при нормальному режимі
експлуатації, рівна 8 м/год;
n – кількість промивок кожного фільтру за добу, рівна 2;
W – інтенсивність промивання, рівна 16 л/см2;
t – тривалість промивання, становить 0,1 год;
1
t – час простою фільтру в зв’язку з промиванням, становить 0,33 год.
2
Тоді:
110006,72
F 627,89 м2.
24 83,6 2 16 0,1 2 0,33 8
Кількість фільтрів повинна бути:
N 0,5 F (6.48)
N 0,5 627,89 13 шт.
627,89
Площа одного фільтру дорівнює F 48,3 м2 з розмірами в плані
13
7,0 × 6,9 м.
Швидкість фільтрування води при режимі форсування складає:
N
V =V × (6.49)
р.ф р
N N1
де N – кількість фільтрів, які знаходяться в ремонті (
1 N1 1).
Тоді:
13
Vр.ф 8 8,67 м/год.
131
Підберемо для фільтру склад завантаження.
Висота фільтруючого шару hф 1800 мм з мінімальним діаметром зерен
0,9 мм та максимальним - 1,8 мм. Підтримуючий шар має загальну висоту 500
мм та крупність зерен 2 - 32 мм [15, 19].
6.9.2 Розрахунок розподільної системи фільтра
В фільтрі, що проектується, розподільна система служить як для
рівномірного розподілення промивної води по площі фільтру, так і для
збирання профільтрованої води. Інтенсивність промивання прийнята W = 16
л/см2.Тоді кількість промивної води, необхідної для одного фільтру, буде:
q Fпр W , (6.50)
qпр 48,3 16 772,80 дм3/с.
Час промивки 6 хв, або 360 с. Тоді 772,8·360=278,21 м3.
Qпр.ф 278,212 13 7233,32 м3/добу
Площа дна фільтру, яка приходиться на кожне відгалуження розподільної
системи при відстані між ними m = 0,35 м (рекомендується m = 0,25 - 0,35 м) та
зовнішньому діаметрі колектору D = 630 мм, складає:
7,0 0,63
f 0,27 0,86 м2
,
отв
2
а витрати промивної води, яка проходить через одне відгалуження:
qотв fотв W , (6.51)
qотв 0,86 16 13,76 л/с.
При площі одного фільтру F = 48,3 м2 сумарна площа отвору складає:
0,3 48,3
fотв 0,14 м2 або 1400 см2.
100
Так як відношення площі всіх відгалужень розподільної системи f та
отв
площі фільтру F приймається рівним 0,25 - 0,30 %.
При діаметрі отвору отв = 14 мм площа отвору fотв = 1,54 см2. Звідси
слідує, що загальна кількість отворів в розподільній системі кожного фільтру
складатиме:
fотв
nотв , (6.52)
fотв
1400
nотв 909 шт.
1,54
Загальна кількість відгалужень на кожному фільтрі при відстані між
6,9
осями відгалужень 0,35 м буде дорівнювати 2 39 .
0,35
Кількість отворів, яка приходяться на кожне відгалуження складає
909
23 шт. При довжині кожного відгалуження:
39
7,0 0,63
lотв 3,19 м.
2
Крок осі отворів на відгалужені буде:
l
e отв , (6.53)
отв
27
3,19
eотв 0,12 м або 120 мм.
27
Отвори розміщують в два ряди в шаховому порядку під кутом 60 до
вертикальної осі труби [15, 22].
6.10 Розрахунок резервуарів чистої води
Загальний потік, який поступає в РЧВ становитиме: Q 110006,72 м3/добу.
заг
З РЧВ частина води йде на промивку фільтрів Qпр.ф 7233,32 м3/добу, а
частина залишається на поповнення протипожежного запасу Qпож 2322,00
м3/добу.
Загальний об’єм РЧВ визначається за формулою:
WРЧВ WР Wпож Wпр (6.54)
де W – регулюючий об’єм в РЧВ, м3;
Р
W – недоторканий протипожежний об’єм води, м3;
пож
Wпр – об’єм води на два промивання фільтрів, м3;
Для розрахунку регулюючого об’єму розраховую коефіцієнт годинної
нерівномірності споживання води за формулою:
Кгод.max max max , (6.55)
де – коефіцієнт, який враховує ступінь благоустрою будівель, режим
max
роботи підприємств, та ін.
– коефіцієнт, який враховує кількість людей, які проживають в
max
населеному пункті.
Приймаю:
max 1,3 [13],
1,11,05
max 1,1 183000 1,054 [13],
300000 100000
Тоді: Кгод.max 1,31,054 1,37 .
При Кгод.max 1,37 визначаємо витрату води за годинами доби на
господарсько питне споживання води м. Черкаси, звідки регулюючий об’єм
РЧВ становить:WР 8186,73 м3 [12].
Недоторканий протипожежний об’єм води при тривалості пожежі, яка
дорівнює 3 години визначають за формулою:
W Q Q Q , (6.56)
пож пож max 1
де Q – витрати води для гасіння пожежі, м3;
пож
Q – сумарні витрати води за три години найбільшого
max
водоспоживання, м3;
Q – сумарні витрати води за три години, що надходить від насосної
1
станції 1-го підйому в РЧВ, м3;
Витрати води для гасіння пожежі становлять 2322 м3;
Сумарні витрати води за три години найбільшого водоспоживання
становлять:
100000 5,85100000 5,35100000 5,35
Qmax 16550 м3.
100
Приймаю Q 12510 м3 [12].
1
Тоді W 2322 16550 12510 6362 м3;
пож
Запас води на подвійне промивання фільтрів становить:
Час промивки 6 хв, або 360 с. Тоді 772,8·360 = 278,21 м3
278,21·2·13=7233,32 м3/добу
Загальний об’єм РЧВ WРЧВ 8186,67 6362 7233,32 21781,99 м3
Приймаю два РЧВ місткістю кожен 11000 м3; ширина 36 м, довжина 66 м,
висота (будівельна) 4,8 м [23].
8 ЕКОНОМІЧНІ ПОКАЗНИКИ РОБОТИ
Вже протягом багатьох років екологічний стан поверхневої води не
відповідає державним стандартам. Майже всі міста, промислові та комунальні
підприємства розташованих вище по течії міст, скидають стічні води в річку без
попередньої очистки.
Забруднюючі речовини накопичуються в донних відкладеннях, а також у
фіто- і зоопланктоні, вищій рослинності і рибах. При цьому не рідко
утворюються нові, більш токсичні сполуки.
Проблема охорони і збільшення водних ресурсів потребує здійснення
таких заходів по очистці води, які призвели б до створення надійних
технологічних схем, що включають в себе ряд економічно доцільних методів
очистки води будь - якого за складністю хімічного складу.
На сьогоднішній день впроваджуються такі методи очистки води як
опріснення і знесолення води методом електрохімічної активації, хлорування
води, знезаражування води ультразвуком та ультрафіолетовим
випромінюванням, очищення води іонами срібла, очищення та знезараження
води озонуванням.
8.1Техніко – економічне обґрунтування вибору технології
У даній дипломній роботі була розглянута проблема очистки поверхневої води
від забруднень різного походження методом озонування. Цей метод має ряд
переваг перед іншими методами, а саме: компактність установок, зручність у
експлуатації обладнання, відсутність громіздкого реагентного господарства.
Озонування – один із методів обробки води, який дозволяє ефективно
впливати на різноманітні забруднювачі та покращити її органолептичні
властивості.
Переваги методу:
- всі мікроорганізми, які находяться у воді, знищуються озоном;
- поліпшуються органолептичні властивості води;
- вода стає прозорою, чистою;
- вода очищується від різних органічних з’єднань;
- використання даного методу є економічно вигідним, так як він дешевший
за деякі інші методи.
8.2 Кошторис на виконання НДР
Таблиця 8.1 – Зведена таблиця витрат на виконання науково – дослідної роботи
Стаття витрат Умовне Сума
позначення грн. %
1 2 3 4
Матеріали,
комплектуючі Cm 751,162 2,495
вироби, реактиви
Спеціальне
обладнання для Коб. 25838,0 85,822
експериментальних
робіт
Основна та Зод. 2208 7,334
додаткова з/п і соц. З 154,56 0,513
от.
страхування
Витрати на
промислові та Ск. 220,8 0,7333
наочні
відрядження
Накладні витрати Вн. 837,46 2,782
Послуги сторонніх Пс. 96,50 0,320
організацій
Всього Вз. 30106,482 100
8.3 Розрахунок витрат на проведення науково-дослідної роботи
Витрати на проведення науково – дослідної роботи включають вартість усіх
ресурсів, матеріалів, комплектуючих виробів, установок, необхідних для
реалізації комплексу робіт, які передбачені темою роботи.
Розміри витрат визначаються на основі кошторисних калькуляцій, що
розраховуються окремо і потім підсумовуються. Отримані результати зводяться
у таблицю 6.1.
8.3.1 Матеріали, комплектуючі вироби, реактиви
До цієї статті відносять вартість основних комплектуючих виробів,
напівфабрикатів, реагентів, матеріалів з урахуванням транспортно –
заготівельних витрат, а також вартість матеріалів, що необхідні для
виготовлення макетів та додаткових матеріалів, що використовуються для
виконання науково – дослідної роботи.
Розміри витрат визначаються методом прямого розрахунку за формулою:
��
���� = ∑ ������ ∙ ������ , (8.1)
��=1
де ������ − ціна і-того матеріалу з урахуванням транспортних та заготівельних
витрат, грн.;
������ − кількість і-того компоненту, необхідного для виконання НДР, од.
Потрібність в матеріальних ресурсах визначається на основі матеріальної
специфікації, ціна матеріальних ресурсів визначається відповідно. Транспортно
– заготівельні витрати приймаються рівними 2,5 % від вартості придбання.
Результати розрахунків зводяться в таблицю 8.2.
Таблиця 8.2 – Витрати на основні матеріали, реактиви, та комплектуючі вироби
Назва Одиниця Вартість за Кількість Загальна
виміру одиницю вартість
1 2 3 4 5
Коплектуючі вироби
Колба конічна шт. 5,00 2 10
100 см3
Колба конічна шт. 12,04 1 12,04
500 см3
Циліндр мірний шт. 22,20 2 44,40
100 см3
Колба мірна шт. 24,80 1 24,80
1000 см3
Піпетка мірна 20 шт. 9,20 2 18,40
см3
Піпетка мірна 10 шт. 7,50 2 15,0
см3
Піпетка мірна 5 шт. 5,80 2 11,6
см3
Піпетка мірна 1 шт. 4,90 1 4,90
см3
Піпетка град. 10 шт. 9,20 1 9,20
см3
Бюретка 25 см3 шт. 9,50 2 19,0
Стакан лаборат. шт. 9,95 1 9,95
500 см3
Стакан лаборант. шт. 7,80 1 7,80
100 см3
Воронка шт. 3,10 1 3,10
лабораторна
Штатив шт. 170,0 2 340,0
лабораторний
Грушка маленька шт. 3,20 2 6,40
Трубка шт. 0,60 5 3,0
з’єднувальна
Дрексель шт. 10,0 6 60,0
Реактиви
AgNO3 0,1 н см3 632 1,4 17,7
K2CrO 3
4 5 % см 20,50 4 0,82
Трилон Б 18,24 9,3 1,7
Аміачно –
буферний розчин см3 35 20 0,7
Фільтр «Синя шт. 50 0,04 уп. 0,2
стрічка»
HCl см3 30 0,4 0,012
Продовження таблиці 8.2
1 2 3 4 5
Гліколевий см3 13,80 40 5,52
реагент
K2Cr 3
2O7 0,1 н см 21,60 20 4,32
H2SO 3
4 (конц.) см 40 60 2,4
Дистильована см3 1,0 200 0,2
вода
Розчин солі Мора см3 83,50 26,25 24,4
0,1 н
КI 0,1 н см3 156,0 100 32,8
Na2S2O3 0,1 н см3 22,98 100 70,0
Всього 751,162
8.3.2 Спеціальне обладнання
До витрат цієї статті належать витрати на придбання приладів, установок та
іншого обладнання для використання науково – дослідної роботи.
Вартість приладів та обладнання довгострокового використання враховується у
вигляді амортизаційних відрахувань. При розрахунку останніх коректуються
фактичний строк використання обладнання при виконанні НДР. Вартість
спеціального обладнання, установок визначається по таким статтям:
- складові матеріали та напівфабрикати;
- покупні вироби;
- основна та додаткова з/п виробників з начисленням на соціальне
страхування;
- накладні витрати.
Витрати на експлуатацію обладнання визначаю за формулою:
��
Коб. = ∑ Цоб�� ∙ ��об�� ∙ Кдост., грн, (8.3)
��=1
де Ц − ціна і-того обладнання із амортизаційним відрахуванням;
��об. − кількість і-того обладнання, шт.;
Кдост. − коефіцієнт, який враховує витрати на доставку та монтажне
обладнання, Кдост. = 1,15.
Таблиця 8.3 – Вартість основного обладнання
Назва Кількість Вартість Загальна % Сума
за вартість, амортизації амортизації,
одиницю, грн. грн.
грн.
1 2 3 4 5 6
Ваги аналітичні 1 360,0 360,0
Ваги технічні 1 42,00 42,00 15 54,00
Електроплитка 2 60 120
Фотоколориметр 1 2200 2200 15 330,00
КФК-2
Балон газовий 1 100 100
Компресор 1 680,00 680,00 15 102,00
Озонатор 1 19000 19000 15 2850
Всього 22502,0 25838,0
8.3.3 Основна і додаткова заробітна плата працюючих
До витрат цієї статті належать плановий фонд заробітної плати наданого та
інженерно – технічного персоналу, який займається науково – дослідною
роботою.
Витрати визначаю за формулою:
Зод. = Зт + Зп + Зд, грн, (8.4)
де Зт − тарифний фонд зарплати працівників ( по окладам та розцінкам для
погодинників та віддільників відповідно), грн.;
Зп − премії з фонду зарплати ( складають 20 - 30% від Зт), грн.;
Зд − додаткова зарплата (оплата очередних та додаткових відпусток,
виконання державних та громадських обов’язків складає 15 – 10% від суми Зт і
Зп), грн.
Таблиця 8.4 – Штат і фонд заробітної плати
Кваліфікація Посадовий оклад за місяць, грн.
працюючих По штату Сумісництво
1 2 3
Керівник 280 -
Інженер - -
Лаборант 70 35
Тарифний фонд зарплати працівників розраховую за формулою:
Зт = М ∙ �� ∙ ∑ ��д , грн, (8.5)
де М − кількість місяців фактично відроблених в році, міс.;
�� − строк дії господарсько – договірної теми;
∑ ��д – сума посадових місячних окладів співробітників відповідно штатному
регламенту.
Науково – дослідна робота проводилась протягом 4 місяців. Тарифний фонд
зарплати за місяць складає 385 грн. ( з таблиці 6.4).
Тоді тарифний фонд зарплати працівників буде:
Зт = 385 ∙ 4 = 1540 грн.
Відрахування на премії з фонду зарплати приймаються рівними 20% від
тарифного фонду зарплати:
Зп = 0,20 ∙ Зт, грн, (8.6)
Зп = 0,20 ∙ 1540 = 308 грн.
Відрахування на додаткову заробітну плату приймаються рівними 15% від
суми Зп + Зт.
Додаткова заробітна плата становить:
��
Зд = ∑(Зп + Зт) ∙ , грн, (8.7)
��
15
Зд = ( 1540 + 380) ∙ = 288 грн.,
100
Зод = 1540 + 380 + 288 = 2208 грн.
Плановий фонд заробітної плати персоналу, який займається науково –
дослідною роботою становить 2208 грн.
6.3.4 Відрахування на соціальне страхування
До витрат цієї статті належать витрати на відрахування на соціальне
страхування із суми основних та додаткової заробітної плати.
Норматив відрахувань на соціальне страхування приймається за даними
базового підприємства або рівним 7 – 15% від суми основної та додаткової
заробітної плати науково – дослідного персоналу.
Відрахування на соціальне страхування розраховую за формулою:
Вс
Зот = Зод ∙ , грн, (8.8)
100
де Зод − основна та додаткова заробітна плата наукового персоналу, грн.;
Вс − відрахування на соціальне страхування, становить 7%.
Отже, відрахування на соціальне страхування складе:
7
Зот = 2208 ∙ = 154,56 грн.
100
6.3.5 Витрати на наукові та виробничі відрядження
Витрати на наукові та виробничі відрядження включають всі розходи по
відрядженням ( добові, квартирні, транспортні і т. д.), пов’язані з даною НДР.
Розрахунок цих витрат виконується методом прямого розрахунку ( по переліку
конкретних відряджень) або вони приймаються рівними 8 – 10% від суми
основної та додаткової заробітної плати науково – виробничого персоналу.
По даній науково – дослідній роботі приймаються затрати на відрядження
рівними 10% від суми основної та додаткової заробітної плати.
Ском = Зод ∙ 0,1, грн, (8.9)
Ском = 2208 ∙ 0,1 = 220,8 грн.
6.3.6 Накладні витрати
До накладних витрат належать зарплата адміністрації та господарського
персоналу, витрати на охорону праці, ремонт, опалення, освітлення,
водопостачання та інші витрати.
Визначення потреби в електроенергії проводиться окремо по конкретному виду
обладнання. Вартість однієї кВт/год електроенергії визначається на основі
діючих прейскурантів – тарифів на електроенергію в залежності від регіону.
Потреби в силовій електроенергії визначаються за формулою:
Есил.
= �� ∙ �� ∙ �� ∙ ��ф, кВт/год, (8.10)
де �� − потужність використаного обладнання, кВт;
�� − час роботи обладнання, год/рік;
�� − коефіцієнт навантаження обладнання за потужністю, К = 0,7;
��ф − коефіцієнт,який враховує ��������, ��ф = 0,95.
Тоді:
Есил. = 11,7 ∙ 240 ∙ 0,7 ∙ 0,95 = 1867,32 кВт/год.
Розрахунок проведений на період виконання НДР 4 місяці, робота з установкою
( електроактиватором) приблизно 10 днів ( 240 год.).
Потреба в електроенергії для освітлення визначається за формулою:
�� ∙ �� ∙ �� ∙ �� ∙ 1,02 ∙ 1,05
Еосв. = , кВт/рік, (8.11)
1000
де �� − період штучного освітлення в годинах в залежності від району
розміщення установки за період виконання НДР становить 62 год.;
�� − площа освітлення, м2;
�� − потужність світильників на 1 м2 поверхні ( 8 – 15 Вт);
1,02 – коефіцієнт, який враховує втрати в мережах;
1,05 – коефіцієнт червоного освітлення.
62 ∙ 67,10 ∙ 15 ∙ 0,7 ∙ 1,02 ∙ 1,05
Еосв. = = 46,78 кВт/рік.
1000
Загальні потреби в електроенергії визначаються за формулою:
Е = Есил. + Еосв., кВт/рік, (8.12)
Е = 46,78 + 1867,32 = 1914,103 кВт/рік.
Ціна за 1 кВт складає 0,21 грн.
Тоді:
Це = Е ∙ Ці = 1914,103 ∙ 0,21 = 401,96 грн.
Витрати на опалення розраховую в залежності від площі лабораторії та
вартості, ціни за 1 м2 опалювальної площі за формулою:
Во = �� ∙ Ц, грн, (8.13)
де �� − площа лабораторії, м2;
Ц − оплата за 1 м2 площі в сезон опалення.
Науково – дослідна робота виконувалась на протязі 4 місяців з лютого по
травень включно. На сезон опалення припадає 2,5 місяця.
Тоді:
Во = 67,10 ∙ 2,5 ∙ 2 = 335,5 грн.
Отже, витрати на опалення складають 335,5 грн.
Ремонт обладнання проводився власними силами, за виключенням електро –
монтажних робіт.
Загальні накладні витрати для проведення науково – дослідної роботи
розраховую за формулою:
Вн = Це + Во + 100, грн, (8.14)
Вн = 401,96 + 335,5 + 100 = 837,46 грн.
6.3.7 Послуги сторонніх організацій
До витрат цієї статті належать витрати та послуги сторонніх організацій для
опрацювання експериментальних даних, виготовлення та дослідження окремих
зразків, оплата робіт та послуг.
До цієї статті відноситься патентно – ліцензійний пошук необхідного матеріалу
з методів інтенсифікації і очистки води методом електрохімічної активації.
Сюди віднесемо витрати на пошук літератури у бібліотеках, та на роботу в
мережі інтернет.
Таблиця 8.5 - Витрати та послуги сторонніх організацій
Назва послуги Кількість годин Ціна за 1 год. Сума, грн.
роботи використання, грн.
1 2 3 4
Послуги - - 24,50
бібліотек
Робота в мережі 12 6 72,00
інтернет
Всього 96,50
Виходячи з даних бачимо, що загальні витрати на послуги сторонніх
організацій становлять 96,50 грн.
Метод озонування дає можливість добре очищати воду від забруднювачів
різного походження без громіздкого реагентного господарства, що є
економічно вигідним, адже немає лишніх затрат на закупівлю реагентів. Тому
даний метод є дешевшим ніж деякі інші методи очищення поверхневої води.
ВИСНОВКИ
Основними причинами забруднення поверхневих вод є: скид неочищених
та не досить очищених комунально-побутових і промислових стічних вод
безпосередньо у водні об'єкти та через систему міської каналізації;
надходження до водних об'єктів забруднюючих речовин у процесі
поверхневого стоку води з забудованих територій та сільгоспугідь. В даній
роботі була розглянута проблема очищення поверхневих вод від
забруднюючих речовин методом озонування. Цей метод має суттєві переваги
перед іншими методами: компактність обладнання, зручність у використанні
обладнання, відсутність громіздкого реагентного господарства. Метою роботи
було дослідження впливу озонування на якість очищення дніпрової води. В
даній роботі я досліджувала зміни хімічних властивостей дніпрової води після
озонування і встановила оптимальні умови процесу. Після ряду експериментів
було встановлено, що оптимальними умовами озонування є час від 2 до 5 хв.
За цей час озонована вода набуває таких властивостей: твердість змінюється від
4,5 мг·екв/дм�� до 4,3 мг·екв/дм��; концентрація хлорид-іонів у дніпровій воді
зменшилась від 15,95 мг/дм3 до 13,2 мг/дм3; концентрація сульфат-іонів
зменшилась до 46,0 мг/л; ХПК у дніпровій воді після озонування виявлено не
було. Зростання сухого залишку у дніпровій воді від 1044 мг/дм3 до 1090
мг/дм3 зумовлене взаємодією озону з присутніми у воді речовинами. Даний
метод дозволяє поліпшити органолептичні властивості води.
Результати показали, що ступінь очищення зростає із збільшенням
часу озонування