В технологических процессах глубокой очистки природных вод от мелкодисперсных взвешенных и коллоидных частиц, а также доочистки сточных вод важное место уделяется фильтрам с зернистой загрузкой.
Геометрическая структура и физико-химические свойства выбранной фильтрующей загрузки определяют эффективность технологического процесса кондиционирования воды.
Согласно современным теоретическим представлениям, наибольшей задерживающей способностью обладает зернистая загрузка, с максимальной контактирующей с водой поверхностью частиц и наименьшей гидродинамической силой отрыва, а также наибольшей межзерновой и незамкнутой пористостью. С другой стороны, фильтрующая загрузка должна обладать повышенной устойчивостью к механическому износу в кислой, щелочной и нейтральной водных средах.
Подавляющее большинство фильтрующих материалов, используемых в водоочистных сооружениях, синтетические. Совершенно напрасно обойдены вниманием сорбенты природные.
Фильтрующая загрузка из природного цеолита - клиноптилолита.
Природный минерал цеолит относится к классу каркасных алюмосиликатов, ему принадлежит лидерство по совокупности полезных свойств таких, как сорбционные, селективно-ионообменные, молекулярно-ситовые, каталитические.
Цеолит - минерал клиноптилолитового типа, класса алюмосиликатов. Является более эффективным аналогом кварцевым пескам. Особенность гранул цеолитов заключается в структуре их пористости. Пористость цеолита на 16% выше, чем у кварцевого песка. Засыпка цеолит как катионообменный минерал обладает высокими сорбционными свойствами. Цеолит для фильтра водоочистки как загрузка обладает особенной термо- и кислотоустойчивостью. При использовании цеолита фильтроцикл увеличивается в 5 раз в сравнении с засыпкой из кварцевого песка, что значительно сокращает расходы воды для промывки и электроэнергии.
Гранулы цеолита адсорбируют целый ряд различных загрязнений:
- Тяжелые металлы
- Бактерии
- Вирусы
- Радиоактивные элементы
- Фенол
- Аммоний
- Нитраты
- Нефтепродукты
- Органические загрязнители
- Аммиак
- Пестициды
- Патогенные микроорганизмы
- Кроме того, цеолит понижает концентрацию хлорид-ионов, фторид-ионов, удаляет соли жесткости и смягчает воду.
- Загрузка цеолит особо эффективна для очистки сточных вод от азотосодержащих элементов.
- Цеолит обладает требуемой механической прочностью. Окисляемость во всех средах не превышает допустимых норм. (Допустимая механическая прочность фильтрующих загрузок для водоочистных фильтров при износе составляет не более 6.5% при их испытании встряхиванием в течение 4 ч в шутель-машине).
- С помощью цеолитовых фильтров можно очищать воду от меди, марганца, никеля, соединений железа в повышенных концентратах. Цеолит, как ионообменник катионного типа, извлекает из воды тяжёлые металлы, по сравнению с синтетическими смолами обладает повышенной избирательностью к ионам цезия и стронция.
- Эффективны цеолиты и в отношении органических соединений, например, концентрация наиболее распространённого в воде канцерогена бензапирена уменьшается в 60 раз.
Природные цеолиты - относительно новый класс минерального сырья, используемого в технологических процессах очистки и доочистки сточных вод. Развитая удельная поверхность, хорошие адгезионные, адсорбционные и ионообменные свойства цеолитов дают возможность эффективно извлекать с их помощью из очищаемой жидкости взвешенные, коллоидные и растворенные загрязняющие вещества органического и неорганического происхождения, в том числе ионы аммония, тяжёлые металлы и радионуклиды.
В связи с развитием адсорбционных методов очистки жидкостей все больше ощущается нехватка адсорбентов, обладающих высокой термостабильностью и устойчивостью в кислых средах.Кислотостойкость природных цеолитов позволяет применять их в таких случаях, в которых использование синтетических цеолитов типа А и X практически исключено. Высокая механическая прочность природного минерала позволяет исключить операцию гранулирования адсорбента. В итоге стоимость природного клиноптилолита, определяемая расходами на добычу, помол и рассев в несколько раз меньше стоимости синтетических цеолитов.
Преимущества использования цеолитов в фильтровальных сооружениях
Улучшение технологических параметров фильтрования:- Скорость фильтрования для цеолита составляет 7- 9 м/час (для кварца - 5-7 м/час),
- Фильтроцикл увеличивается на 4-16 часов,
- Расход воды на промывку фильтрующего слоя уменьшается на 10-30%,
- Меньше темп падения скорости фильтрования;
Высокая сорбционная способность цеолита к водорослям и микроорганизмам
Избыточная концентрация аммиака в воде опасна для обитателей водоемов и вызывает стремительное размножение водорослей. При биологических загрязнениях эффективность очистки при помощи цеолитов на 30-80% больше, чем при помощи кварца;Обеспечение защиты от радионуклидов и солей тяжелых металлов (для дезактивационных работ)
Ззначительный катионный обмен, причем особенностью является высокая избирательность по отношению к ионам больших размеров (Rb+, Cs+, Sr++, Hg++). Константы обмена ионов Na+ цеолитов подгруппы клиноптилолита на ионы Rb+, Cs+, Sr++, Hg++ находятся в пределах 30-63 мг-экв/г.Цеолит крайне эффективен как адсорбент
- При очистке питьевой воды на ЛОС, водогонных и очистных сооружениях городов, предприятий, в быту. Очистка сточных вод городов, предприятий.
- Дезактивация радиотходов, мусорохранилищ, промышленных загрязнений, ликвидации последствий экологических катастроф.
- Очистка и рекультивация земель, мелиорация земель, внесение в почву самостоятельно, в компостах, пролангация действия удобрений. Повышает урожайность на 0-30%.
- Очистка загрязненных водоемов, нерестилищ малых и больших рек от токсических веществ и зеленения.
- Фильтрация верхнего водоносного горизонта в водозаборных скважинах.
Нами были изучены гидравлические и технологические параметры фильтрующей загрузки из клиноптилолита.
Скорость фильтрования колебалась в пределах 10-12 м/ч, что соответствует максимальным значениям скоростей потока в современных скорых фильтрах.Несмотря на резкое колебание мутности в исходной воде, качество фильтрата было стабильным и в допустимых.
В процессе нисходящего фильтрования наблюдался монотонный прирост потери напора в верхних слоях загрузки, что связано с насыщением межзернового порового пространства частицами взвешенных веществ очищаемой воды.
Накопившийся осадок в толще загрузки периодически (8-24 ч) промывается при интенсивности восходящего потока 12-14 л/с.м2. Время промывки заиленной загрузки 5-7 мин. Расход воды на удаление осадка 3-4% от производительности фильтра.
Результаты сравнивались с традиционной загрузкой из кварцевого песка.
Во всем диапазоне скоростей фильтрования потери напора в слое загрузки из клиноптилолита в 1,8-2 раза меньше, чем в кварцевом песке, что позволяет повысить эффективность работы водоочистной станции при меньших энергетических затратах.
Технологический процесс глубокой очистки природных вод с использованием фильтрующей загрузки клиноптилолита предусматривает фильтрование биологически очищенных сточных вод через зернистую цеолитовую загрузку. Рекомендуется двухступенчатый последовательный режим работы фильтров. Скорость фильтрования 6 м/ч. Динамическая обменная емкость цеолитовой загрузки составляет 6,5 мг NH4+/r. Для восстановления сорбционных свойств цеолитовой загрузки разработаны методы химической, биологической или совместной химико-биологической регенерации. При необходимости извлечения из сточной воды соединений фосфора в загрузку фильтров первой ступени подается реагент.
Сточные воды, прошедшие доочистку по данной технологии, могут быть использованы о закрытых системах технического водоснабжения, а также сбрасываться в водоемы I и II категорий водопользования.
При использовании порошкообразного клиноптилолита, фракции <0.25 мм. Эффект очистки увеличивается по мутности на 40-50 %, по цветности - на 1 % и по остаточному алюминию после фильтрования - на 40 %. Кроме того, введение пыли клиноптилолита позволяет снизить количество расходуемого коагулянта до 7 %.
При испытаниях мы изучали основные технологические параметры двухслойного цеолитово- песчаного фильтра (нижний - кварцевый песок высотой 45 см, верхний - клиноптилолитовый песок высотой 5 см). Применение клиноптилолитового песка позволяет улучшить физико-химические показатели качества воды: снизить мутность на 6-20%, цветность - на 5-12%. Цеолитово-песчаная загрузка лучше (на 9-24%) удаляет соединения железа и продукты гидролиза сульфата алюминия (на 6-28%).
Изучение осушки ксилольной фракции в жидкой фазе природным цеолитом клиноптилолитом (фр. -2,8 мм) в Куйбышевском политехническом институте показало, что клиноптилолит отличается стабильностью адсорбционных свойств при многоцикловой работе и является наиболее эффективным адсорбентом по сравнению с традиционно используемыми цеолитами (NaA, СаА, NaX).
Полная динамическая активность у природного клиноптилолита больше, чем у синтетических цеолитов примерно в три раза, а активность до "проскока" - в шесть раз. Более высокая эффективность природного клиноптилолита по отношению к адсорбции влаги из ксилольной фракции связана с химией поверхности цеолита - наличием большого числа гидроксильных групп, являющихся центрами физической адсорбции воды.
Широкий спектр сорбции — от аммиака до цианидов делает применение цеолита особенно эффективным в очистных блоках водозаборных систем крупных городов, использующих поверхностную воду.
При этом применение цеолита в водоочистных сооружениях не меняет существенным образом технологическую схему последних.
Подготовка и эксплуатация включает: засыпка цеолита в фильтр, замачивание, разрыхление (подача очищенной воды в фильтр снизу вверх и удаление ее через лоток в резервуар грязной воды), регенерация (подача солевого раствора из нижней части солевого бака на слой цеолита), отмывка цеолита от поваренной соли (подача воды снизу вверх до тех пор, пока не снизится концентрация аммония NН4+ до 0,9 мг/л).
В качестве регенерирующего агента используют 0,1 н раствор поваренной соли. Технологическая схема предусматривает повторное использование солевого раствора после регенерации с последующей отдувкой аммиака воздухом.
