ИССЛЕДОВАНИЕ ОПТИМАЛЬНЫХ ПАРАМЕТРОВ ФИЛЬТРУЮЩЕЙ ПЕСЧАНОЙ ЗАГРУЗКИ ДЛЯ ОБЕЗЖЕЛЕЗИВАНИЯ ПОДЗЕМНЫХ ВОД ВАКУУМНО-ЭЖЕЦИОННЫМ МЕТОДОМ

Проблема и цель. Самым крупным потребителем ресурсов воды является сельское хозяйство, на нужды которого расходуется около 24 % объема водопотребления в стране. Основным источником потребления воды на селе является подземные. Подземные источники на территории Волгоградской области содержат концентрации железа в количествах, превышающих допустимые (0,3 мг/л) в несколько десятков раз, достигая 30 мг/л и более. Для сельских населенных пунктов и предприятий АПК требования к очистке подземных вод от железа Fe+2 сводятся к внедрению таких методов, при которых установки обезжелезивания были бы не только эффективными, но и компактными, простыми в изготовлении и эксплуатации, а также экономичными. Самой простой является технология обезжелезивания подземных вод с помощью системы аэрации с последующей фильтрацией, являющейся заключительным этапом очистки. Существует огромное количество фильтрующих материалов, но для исследований был выбран гравелистый песок, как самый доступный и экономичный материал, кроме того, микроорганизмы в песчаной среде разрушают органические вещества, находящиеся в воде, а песок не добавляет нежелательных химических веществ в очищаемую воду и не меняет ее химический состав. Целью данного исследования является определение оптимальных параметров песчаной фильтрующей загрузки (гранулометрического состава зерен и высоты самой загрузки) с применением вакуумно-эжекционного метода обезжелезивания подземных вод. Методология. Предметом исследования являлась песчаная фильтрующая загрузка вакуумно-эжекционной установки (объект исследования) обезжелезивания подземных вод Среднеахтубинского района Волгоградской области. В качестве песчаной фильтрующей загрузки были использованы следующие фракции кварцевого песка: диаметр 0,8-1,2 мм, 1,2-2,0 мм, 2,0-8,0 мм. Каждая фракция проходила испытания на фильтре с размерами: высота – 2,2 м, диаметр – 0,5 м при меняющейся высоте загрузки от 1,6 м до 2,0 м. Исследования проводились на основе симбиоза практических данных и теоретических обоснований, включающих принципы механики, статистического анализа и методов математики. С помощью оригинальной компьютерной программы, разработанной в Волгоградском ГАУ, были достигнуты высокая точность и объективность результатов. Результаты. Исследования проводились по плану Рехтшафнера для четырехфакторного эксперимента. Адекватность полученных математических моделей проверялась по критерию Фишера. Экспериментальные исследования показали оптимальные параметры фильтрующей загрузки из кварцевого песка: гранулометрический состав песка – 5 мм при высоте слоя фильтрующей загрузки – 1800 мм и скорости фильтрования – 7 м/ч. Заключение. Получены регрессионные математические модели 2 порядка, описывающие значения показателей содержания веществ в воде: железо Fe+3 мг/л; железо общее Feобш мг/л; СО2 мг/л; рН. В ходе решения оптимизационной задачи определены значения факторов (х1 = 4,7-5,3 мм; х2 = 1780-1820 мм; х3 = 470-530 мм и х4 = 6,8- 7,2 м/ч), снижение основного критерия составит YFe-3 = 0,1 мг/л при фиксированных значениях дополнительных критериев YFeобщ = 0,2 мг/л, YСО2 = 7,0 мг/л, YрН = 7,5), что соответствует требованиям СанПиН 2.1.3684-21 к очистке подземных вод от железа Fe+2. Problem and purpose. Agriculture is the largest consumer of water, consuming approximately 24% of the country's water supply. Groundwater is the primary source of water consumption in rural areas. Groundwater sources in the Volgograd region contain iron concentrations several dozen times higher than the permissible limit (0.3 mg/L), reaching 30 mg/L or more. For rural communities and agricultural enterprises, the requirements for iron removal from groundwater are limited to the implementation of methods that ensure iron removal systems are not only effective but also compact, easy to manufacture and operate, and cost-effective. The simplest technology for iron removal from groundwater is an aeration system followed by filtration, which is the final stage of treatment. A wide variety of filter materials exist, but gravel sand was chosen for this study as the most readily available and cost-effective. Furthermore, microorganisms in the sandy medium break down organic matter in the water, while sand does not add unwanted chemicals to the purified water or alter its chemical composition. The objective of this study is to determine the optimal parameters of sand filter media (grain size distribution and media height) using the vacuum-ejection method for iron removal from groundwater. Methodology. The subject of the study was the sand filter media of a vacuum-ejection unit for iron removal from groundwater in the Sredneakhtubinsky district of the Volgograd region. District of the Volgograd Region. The following quartz sand fractions were used as the sand filter media: diameters of 0.8–1.2 mm, 1.2–2.0 mm, and 2.0–8.0 mm. Each fraction was tested on a filter measuring 2.2 m in height and 0.5 m in diameter, with a filter bed height varying from 1.6 m to 2.0 m. The studies were conducted using a combination of practical data and theoretical justifications, incorporating the principles of mechanics, statistical analysis, and mathematical methods. High accuracy and objectivity of the results were achieved using an original computer program developed at the Volgograd State Agrarian University. Results. The studies were conducted according to the Rechtshafner design for a four-factor experiment. The adequacy of the resulting mathematical models was tested using the Fisher exact test. Experimental studies revealed the optimal parameters for a quartz sand filter bed: sand particle size distribution of 5 mm, a filter bed layer height of 1800 mm, and a filtration rate of 7 m/h. Conclusion. Second-order regression mathematical models were obtained describing the values of the following substance concentrations in water: iron Fe+3 mg/L; total iron Fetotal mg/l; CO2 mg/l; pH. In the course of solving the optimization problem, the values of the factors were determined x1 = 4.7 … 5.3 mm; x2 = 1780 … 1820 mm; x3 – 470 … 530 mm and x4 = 6.8 … 7.2 m/h), the reduction of the main criterion will be YFe+3= 0.1 mg/l with fixed values of additional criteria YFetotal = 0.2 mg/l, YСО2 = 7.0 mg/l, YрН = 7.5), which meets the requirements of SanPiN 2.1.3684-21 for groundwater purification from iron Fe+2.