Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА I. Состояние вопроса, цель и задачиисследований 10
Качество оросительной воды 14
Очистка подземной воды для систем капельного орошения 28
Активная вода в интенсивных системах мелиорации 29
ГЛАВА II. Современное состояние методов иустройств обезжелезивания подземных вод . 40
2.1. Общие сведения о железосодержащих подземных водах 40
2.2. Физико-химические основы и методы обезжелезивания 41
2.3 .Состояние исследований процессов обезжелезивания вгомогенной среде 43
47
2.5. Современные способы и устройства для обезжелезивания воды... 57
ВЫВОДЫ 68
ГЛАВА III. Теоретические физико-химрїческие основы безреагентноговакуумно-эжекционного метода обезжелезивания подземных вод и его основные конструктивные элементы 69
3.1. Описание предлагаемого метода обезжелезивания подземныхвод 69
3.2. Обезжелезивание воды с высоким содержанием железа 72
3.3. Теория массопередачи при обезжелезивании подземных вод 76
3.4. Химические основы вакуумно-эжекционного метода. 77
3.5. Основы конструкции и расчета элементов вакуумно- 81
3.5.1. Общие конструктивные характеристики многоступенчатого 81
3.5.2. Теоретические основы расчета многоступенчатогоэжектора 82
3 5 3 Конструкция вакуумных головок 86
3.5.4. Расчет вакуумной головки и вакуумно-эжекционной установки.
3.6. Области применения различных типов вакуумных головок.
ВЫВОДЫ.
ГЛАВА IV. Теоретические физико химические основы вакуумного метода активации подземных вод
4.1. Описание модели нового метода активации подземных вод.
4.2. Теоретические основы получения и расчета вакуума в вакуумной головке
4.2.1. Общая картина движения жидкости в насадке Вентури при истечении в атмосферу
4.2.2. Расчетные зависимости для Ув и 0.
4.2.3. Числовые значения коэффициентов Е, ^, ср, ц.
4.2.4. Величина вакуума в сечении С-С.
4.3. Теоретические основы объемного вскипания газов в вакууме (активация подземных вод)
4.4. Изменение структуры воды при ее дегазации.
4.5. Описание процесса эжектирования воздуха.
4.6. Повышение рН воды в результате мгновенного объемного вскипания свободной углекислоты
4.7. Процесс дробления капель воды в потоке эжектируемого воздуха
4.8. Гидродинамика струи в вакуумно-эжекционном устройстве.
4.9. Влияние различных факторов на эффективность выделения
С02 и02
ВЫВОДЫ
ГЛАВА.V. Лабораторные исследования вакуумно- эжекционного метода обезжелезивания и вакуумного метода активации подземных вод
5.1. Общие положения.
5.2. Планирование эксперимента и методика исследования. 5.3. Исследование работы вакуумно-эжекционной установки. 5.4. Исследование работы фильтра.
5.4.1. Количественная характеристика процесса образования осадков.
5.4.2. Сравнительная характеристика образующихся при существующих методах аэрации и вакуумно-эжекционном окислении
5.4.3. Вопросы оптимизации работы фильтра
5.4.4. Обоснование метода расчета фильтрующей загрузки.
5.5. Рентгеноструктурный и химический анализ железистой пленки 145
5.5.1. Режим работы - безнапорная скорая фильтрация (крупность 145
5.5.2. Режим работы - безнапорная «сухая фильтрация» (крупность 150
5.5.3. Работа полупромышленной установки с крупнозернистой 151
5.6. Исследование водного режима почвы и доз внесения удобрений по показателям роста и развития томатов при поливе очищенной 154
5.6.1. Водно-физические и агрохимические свойства почвы опытного 154
5.6.2. Условия и схема постановки опытов 155
5.6.5. Режим орошения томатов при поливе очищенной и 162
ВЫВОДЫ 166
ГЛАВА.VI. Технико-экономическая оценкаусовершенствованных технологийочистки и активации подземных вод 167
Основные выводы 172
Предложения к производству 172
Список литературы 174
- Очистка подземной воды для систем капельного орошения
- Физико-химические основы и методы обезжелезивания
- Обезжелезивание воды с высоким содержанием железа
- Общая картина движения жидкости в насадке Вентури при истечении в атмосферу
Введение к работе
Актуальность темы. В рамках осуществления федеральных целевых программ «Обеспечение населения России питьевой водой» и «Социальное развитие села до 2010 года» администрацией Волгоградской области предусмотрены: модернизация жилищно-коммунального хозяйства сельских районов и внедрение экологически безопасных технологий и технических средств полива, позволяющих повысить продуктивность орошаемого гектара и эффективность использования поливной воды. Данные программы направлены на обеспечение водой, соответствующего качества, сельские населенные пункты и системы капельного орошения (СКО), широко внедряемые во многих районах области.
Предварительные анализы состояния водоснабжения сельских населенных пунктов и СКО позволили сделать вывод, что основным источником водопотребления являются подземные воды, которые поступают на полив и хоз-питьевые нужды без предварительной очистки.
По данным геологоразведовательной экспедиции, подземные воды Волгоградской области характеризуются повышенным содержанием железа (до 30 мг/л), углекислого газа (до 100 мг/л), сероводорода (до 10 мг/л) и других вредных веществ.
Повышенное содержание железа в воде приводит к коррозии металлов основного и вспомогательного оборудования СКО и водоснабжения сельских населенных пунктов, а также крайне вредно для растений и здоровья человека.
Существующие способы окисления железа обладают некоторыми недостатками, один, из которых - длительное время, как правило, 15-30 минут, процесса окисления. Этот фактор приводит к громоздкости и энергоемкости сооружений. Сократить время окисления железа помогают катализаторы. При нанесении на зернистые среды получается фильтрующая засыпка для удаления железа, обладающая окисляющей способность, при этом время сокращается на 3-4 порядка. Современные установки по обезжелезиванию воды с применением катализаторов компактны и просты в обслуживании, но технические и технологические возможности их ограничены: максимальная производительность установки - 50 м3/час, а содержание вредных веществ в исходной воде не должно превышать: Feo6ui. -10 мг/л, С02 - 50 мг/л, H2S - 5 мг/л, окисляемость- ниже 3 мг02/л, температура обрабатываемой воды - не менее 20°С.
В связи с этим проведение исследований, направленных на разработку и усовершенствование технологических процессов, обеспечивающих подготовку подземной воды с высоким содержанием: Fe06m. - до 30 мг/л и более, С02 -до 100 мг/л, H2S - до 10 мг/л, окисляемость-до 9 мг02/л, температуры обрабатываемой воды -4-8°С для КО и водоснабжения сельских населенных пунктов, соответствующих современным требованиям и нормам, является своевременным и актуальным в решении поставленных Правительством задач.
Цель работы - усовершенствование технологических процессов, обеспечивающих: интенсификацию процесса очистки подземных вод и увеличение верхнего предела безреагентной очистки воды с содержанием Ре0бщ. - до 30 мг/л и более, С02 - до 100 мг/л, H2S - до 10 мг/л, окисляемость-до 9 мг02/л, температуры обрабатываемой воды -4-8°С для КО и водоснабжения сельских населенных пунктов; получение активированной воды для возделывания овощных культур в условиях стабильных устойчивых урожаев.
Задачи исследований:
- провести анализ технологий обезжелезивания подземных вод для КО и водоснабжения сельских населенных пунктов и обосновать выбор эффективного метода очистки;
- исследовать в лабораторных условиях усовершенствованные технологии очистки и активации подземных вод, предложить методику
расчета элементов вакуумно-эжекционной установки (ВЭУ), установить оптимальные технологические параметры их работы;
обосновать влияние процессов кавитации и экстинкции, происходящих в ВЭУ, на повышение температуры подземной воды и изменения ее структуры, являющейся основанием для получения активированной воды;
- экспериментально обосновать динамику роста, развития и получения планируемой урожайности (100 т/га) томатов при поливе активированной водой (не более 1-го полива в каждый межфазный период вегетации);
- дать технико-экономическую оценку вакуумно-эжекционного метода очистки и активации подземных вод для достижения планируемой урожайности (100 т/га) овощных культур.
Основные положения, выносимые на защиту:
- очистка и активация подземных вод вакуумно-эжекционным методом; методика расчетов элементов ВЭУ и оптимальные параметров их работы;
- изменение структуры и температуры воды вследствие процессов кавитации и экстинкции, происходящих в ВЭУ и являющихся основными факторами получения активированной воды;
- динамика роста и развития томатов при поливе активированной водой, способствующая получению урожайности плодов 100 т/га при предполивной влажности почвы 70-70-60%НВ и внесении удобрений с дозой
N210P80K105;
- технико-экономическая оценка усовершенствованных технологий очистки и активации воды из подземных источников для повышения урожайности овощных культур.
Объект исследования Очистка и активация подземных вод вакуумно-эжекционным методом. Различные режимы обезжелезивания и активации подземных вод. Исследование физико-химических свойств очищенной и активированной воды. Исследование влияния процессов кавитации и экстинкции, происходящих в ВЭУ, на повышение температуры и изменение структуры поливной воды. Исследование влияния активированной воды на урожайность томатов.
Предметом исследования являются процессы обезжелезивания и активации подземных вод, разработанные на основе вакуумно-эжекционного метода.
Методика исследования предусматривает разработку теоретических предпосылок и экспериментальную проверку в лабораторных и производственных условиях с последующей технико-экономической оценкой усовершенствованных технологий обезжелезивания и активации подземных вод. Лабораторные исследования выполнялись в соответствии с действующими нормативными документами и частными методиками. Расчеты и обработка результатов экспериментальных данных выполнялись методами математики и математической статистики.
Научная новизна работы
- впервые разработан безреагентный короткоцикловый вакуумно- эжекционный метод массообмена, отличающейся от известных способов очистки подземной воды от железа тем, что происходит быстрая и глубокая дегазация исходной воды с одновременным повышением рН до 7,3-7,5 и достижением при этом высоких скоростей окисления железа. Одновременно решается задача удаления из воды неорганических трудноокисляемых веществ (марганца, цинка, меди), органических веществ (фенола, гумановых кислот, фулвокислот) и агрессивных газов: углекислоты, сероводорода и др. Использование данного метода обеспечивает, при сложном химическом анализе воды, снижение концентрации вредных веществ в подземной воде до регламентируемого (СанПин 2.1.4.1074-01 «Питьевая вода. Контроль качества») предела без ввода в нее реагентов;
- проведены исследования вакуумного метода активации воды для возделывания овощных культур и получения устойчивых урожаев.
Оба метода основаны на непрерывном и одновременном протекании процессов повышения рН воды, за счет объемного вскипания СОг и интенсивного дробления капель воды при прямоточном движении в ограниченном объеме и плотной упаковке капель.
Новизна технических решений по очистки воды для хоз-питьевого водоснабжения защищена патентом на изобретение № 2282594.
Практическая значимость работы заключается в:
- разработке конструкций ВЭУ, используемых как для СКО и водоснабжения сельских населенных пунктов, так и для получения активированной воды, влияющей на урожайность и качество овощных культур;
- малой металлоемкости и простоте устройства ВЭУ, позволяющей получить ощутимый экономический эффект;
- надежности при длительной эксплуатации с минимальными затратами;
- экологически безопасном звене в технологии КО при получении стабильных урожаев овощных культур;
- работе в автоматическом режиме.
Реализация результатов исследований Вакуумно-эжекционные установки обезжелезивания подземных вод внедрены и успешно эксплуатируются: в системе водоснабжения г.Ханты-Мансийка Тюменской области, .на базе отдыха в х. Раздоры Михайловского района и в учреждении ЯР 154/12 УИН МИНЮС РФ Волгоградской области, на металлургическом заводе г. Каменск-Уральска Свердловской области, на базе отдыха завода «Водмашоборудования» г. Воронеж и многих других.
Вакуумный метод активации воды для СКО впервые применен в ООО «НАУЧКОМ» базового хозяйства ВГСХА при поливе томатов и показал ощутимые результаты при сборе урожаев.
Апробация работы. Основные положения диссертации докладывались и обсуждались на международной научно-практической конференции Волгоградской государственной сельскохозяйственной академии «Основы достижения устойчивого развития сельского хозяйства» в 2004 г.; на Межрегиональной конференции «Производство продовольствия и вода: социально-экономические проблемы ирригации и дренажа» в 2004 г., на Международной выставке «Инновационных разработок и передовых технологий» в 2005г.; на III ежегодном форуме национального бизнеса «Новый бизнес - новой России» в Москве в 2007 г.
По материалам диссертации опубликовано 5 научных статей, в том числе 1 патент РФ и 1 статья, опубликованная в изданиях, рекомендованных ВАК Минобразования и науки РФ.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, 6 глав и общих выводов. Работа изложена на 182 страницах машинописного текста и включает в себя 20 рисунков, 28 таблиц, 4 приложений, список используемой литературы из 165 наименований, включая иностранных авторов.
Очистка подземной воды для систем капельного орошения
1. Вопрос подготовки воды для СКО - один из главных при обсуждении целесообразности и надежности СКО. Для выбора средств очистки воды необходимо иметь данные об ее исходном качестве, потенциальных возможных средств водоподготовки, знать требования капельниц к качеству воды и технико-экономические характеристики конкурирующих средств водоочистки.
2. Известно, что эффективность КО во многом зависит от бесперебойной работы системы в целом и отдельных ее узлов, главным образом, капельных водовыпусков. Особенно важными являются данные о влиянии качества воды на засоряемость и обрастание капельных водовыпусков различных типов и конструкций.
По этому признаку выделяются три группы показателей качества воды: - физические - плавающие, взвешенные и минеральные вещества органической и неорганической природы (остатки растений, гидробионтов и насекомых, гранулы полистирола, ил, песок и др.); - химические - растворенные в воде органические и неорганические вещества, способные при определенных условиях выпадать в осадок или образовывать взвеси; - биологические - наличие и жизнедеятельность в поливной воде гидробионтов или случайно попавших организмов (насекомые).
Одна из сложных проблем, возникающих при создании СКО -удаление из воды взвешенных веществ зоо- и фитопланктона, закупоривающих капельницы, средства автоматики и поливные трубы малого диаметра.
При использовании в таких системах подземных вод. Элементы СКО могут засорятся также серо- и железобактериями, песком и продуктами коррозии металлических труб и арматуры водозаборных скважин. Протекание процессов коагуляции, биообрастаний и отложения солей в поливных трубах зависит, в основном, от состава воды и режима полива.
При проектировании СКО необходимо тщательно выбирать не только водоисточник, но и место водозабора из него.
Следует иметь ввиду, что в периоды ливней и паводков (особенно на южных реках) меняется гидрогеологический режим водотоков и водоемов, от которого в значительной степени зависит развитие фитопланктона в них и его видовой состав.
В случаях, когда вода в СКО попадает через каскад насосных станций подкачки открытых каналов, напорных водоводов и регулирующих бассейнов, происходит изменение физико-химического гидробиологического состава воды по всему тракту ее движения.
В период между очередными поливами остающаяся в трубопроводах и капельницах вода прогревается до 3(Ь-40С, что приводит к температурной коагуляции коллоидов и тонкодисперсных взвесей с последующим их осаждением, интенсивному развитию гидробионтов, отложению карбонатов, сульфатов и фосфатов.
Кроме того, капельницы и соединительная арматура трубопроводов является своеобразной экологической нишей для обитания различных насекомых и их личинок.
Все эти факторы отрицательно сказываются на работоспособности капельниц, приводят к снижению их пропускной способности. Вероятность засорения капельниц резко возрастает в случаях, когда расходы и напоры воды по длине поливного трубопровода существенно снижаются. Причинами таких отрицательных явлений являются, как качество исходного материала и условия производства капельниц, так и пренебрежение этими факторами при гидравлических расчетах поливной сети.
3. В лабораториях очистки и охраны воды ВНИИМиТП и ЦНИИК и ВР проводились исследования по определению норм качества воды для отечественных капельниц различного типа. На специально оборудованных участках СКО были смонтированы капельницы типа «Молдавия-1» с прокладкой формованной и рубленной резины. Изготовленных из полиэтилена и АСБ-пластика, УкрНИИОЗ марки К-302, К-314, К-316 и К-353. «Водполимер-3», «Таврия», «УзГипроводхоз-2».
Исследования, проведенные на водах различного состава, с различной степенью очистки и при различных напорах в начале поливных трубопроводов позволили выявить наиболее уязвимые узлы капельниц в отношении их засорения. Ориентировочные значения допустимого содержания взвеси и фитопланктона в исходной воде, время работы капельниц до момента снижения их расхода на 30% первоначального.
Установлено, что капельницы типа «Молдавия-1» и некоторые другие в процессе эксплуатации не обеспечивают стабильность расхода в диапазоне от 0,05 до 0,3 МПа. Лишь около 30% капельниц, из двухсот отобранных из производственной партии, обеспечивали расход в пределах 4-5 л/час.
Физико-химические основы и методы обезжелезивания
В подземных водах железо существует в виде ионов Fe+2, Fe+3 и коллоидов Fe(OH)3, Fe(OH)2, комплексных соединений и в виде тонкодисперсной смеси. При концентрации двухвалентного железа в водном растворе менее 20 мг/л гидролиз двухвалентного железа начинается при рН выше 8,5. Так как рН подземных железистых вод обычно не превышает 7, железо в них вполне устойчиво - оно остается в растворе, железистый осадок не выпадает, (рис. 2.2).
Подземные воды при подъеме их на дневную поверхность могут обогащаться кислородом вследствие контакта с воздухом. Растворенный кислород будет окислять содержащееся в воде двухвалентное железо в трехвалентное: Fe+2-e-- Fe+3 02 + 2Н20 + 4е_- 4 0Н На окисление 1 мг двухвалентного железа в трехвалентное расходуется 0,143 мг кислорода.
Трехвалентное железо гидролизуется уже при рН выше 3, образуя малорастворимую гидроокись железа, выпадающую сначала в виде коллоида, который коагулируя, образует бурые хлопья гидроксида железа Fe(OH)3. При контакте воды с воздухом, вода чрезвычайно быстро обогащается кислородом в количестве, достаточном для окисления содержащегося в обычных водах двухвалентного железа. Известно, что скорость окисления двухвалентного железа в трехвалентное сильно возрастает с повышением рН среды. При этом возрастает также скорость коагуляции коллоида гидроокиси железа.
При наличии в подземных водах бикарбонатных ионов, образование хлопьев гидрата окиси железа является результатом процесса окисления и гидролиза, который обычно замедляется при выделении углекислого газа и снижением рН воды с образованием углекислоты. 1 мг/л окисленного и Общее железо
Существование различных форм железа в природной воде гидролизовавшегося бикарбонатного железа увеличивает содержание в воде свободной углекислоты на 1,6 мг/л. Таким образом, удаление СОг является необходимым процессом при обезжелезивании подземных вод, особенно при большом содержании железа в исходной воде. Удаление СОг достигается путем аэрации воды или связыванием ее реагентами.
В условиях удаления СОг или дегазации воды важное значение имеет продолжительность процесса, которая определяется главным образом отношением V/S, где: V - время перехода газа из воды в воздух; S - поверхность раздела жидкой и газообразной фаз при V-const. Увеличение поверхности раздела жидкой и газообразной фазы достигается дождевальным фонтанированием, пропуском воды через градирню, барботированием и т.п. Особенно успешно дегазация воды происходит в вакууме. В отечественной и зарубежной практике подземные воды, как правило, очищаются от железа безреагентными способами с помощью упрощенной или глубокой аэрации и одно- или двухступенчатым фильтрованием.
Метод упрощенной аэрации применяется при содержании железа в воде до 10 мг/л (в том числе закисного не менее 70%), сероводорода до 0,5 мг/л, рН не менее 6,7, окисляемости не более 6-7 мгОг/л и щелочности более (1 + [Fe ] / 28). Метод упрощенной аэрации основан на способности воды, содержащей двухвалентное железо и растворенный кислород, при фильтровании через заданный слой выделить железо на поверхности загрузки, образуя каталитическую пленку из ионов и окислов двух-и трехвалентного железа. Упрощенная аэрация осуществляется, как правило, путем свободного излива воды с небольшой высоты, или введением воздуха в обрабатываемую воду. Насыщение воды кислородом при разбрызгивании происходит достаточно интенсивно при падении капель воды, не содержащей растворенного кислорода, даже с высоты 0,5 м. Содержание кислорода при этом в воде достигает 5 мг/л. Метод глубокой аэрации следует применять при несоблюдении одного из условий, определяющих применение метода упрощенной аэрации. Сущность этого метода заключается в окислении кислородом воздуха закисного железа в окисное с образованием гидроксида железа, его коагулирование и выпадение в осадок в виде бурых хлопьев, задерживаемых на фильтрах. Таким образом, исследование процессов обезжелезивания воды должно осуществляться в двух основных направлениях: в гомогенной среде - в свободном объеме и гетерогенной среде - в зернистом слое загрузки фильтров.
Состояние исследований процессов обезжелезивания в гомогенной среде. Процессы окисления, гидролиза и коагуляции в водном растворе были рассмотрены в работах многих исследователей: Клячко В.А., Асса Г.Ю., Перлиной A.M., Николадзе Г.И., Holluta J, Heerlies R., Lerk С, Halle К., Unst G., Вознесенского C.A., Кастальского A.A., Мамонтова К.А. и многих
В первом случае двухвалентный ион железа окисляется в трехвалентный и с помощью гидролиза переводится в гидрат окиси железа. Во втором случае двухвалентный ион железа с помощью гидролиза переводится в гидрат закиси железа, который затем окисляется в гидрат окиси железа. Основное и важнейшее для практики обезжелезивания различие обоих процессов заключается в том, что в одном случае окисляется двухвалентный ион, а в другом - гидрат закиси железа. Первый случай характерен при повышенной кислотности раствора, второй - при пониженной. При наличии в воде бикарбонатных ионов окисление и гидролиз представляется формулой: 4Fe++ + 8НСО3" + 02 + 2Н20 - 4Fe(OH)3 + 8С02, ( 2.3 ) а один гидролиз: Fe(HC03)2 + 2Н20 - Fe(OH)2 + 2Н20 + 2С02, (2.4 )
Интенсивное удаление углекислоты создает благоприятные условия для полного гидролиза бикарбонатного железа. Гидрат закиси железа Fe(OH)2, соединяясь с кислородом, превращается в коллоидную гидроокись железа Fe(OH)3, которая при коагуляции переходит в окись железа Fe203 3H20, выпадающую в виде хлопьев.
Кастальский А.А. и Лебедева Н.С. [73] считают, что количество свободной углекислоты, которая должна быть удалена из воды, определяется как разность между начальным содержанием свободной углекислоты и тем ее количеством, которое соответствует рН = 7,5.
Обезжелезивание воды с высоким содержанием железа
По подводящему трубопроводу 4 через распределительное кольцо 6 вода, подлежащая обезжелезиванию под давлением 0,4 Мпа, подается в конфузор 8, выполненного в форме конусного сопла, где происходит увеличение скорости истечения воды, что приводит к увеличению скоростного напора и понижению давления в струе. Из конфузора вода попадает в насадок Вентури 9, где создается вокруг струи сферическая вакуумная кольцевая зона с глубоким вакуумом до 0,01 Мпа за счет энергии самой струи и возникает процесс объемного вскипания газов, растворенных в струе, за счет разности парциального давления газов в струе и разряженном пространстве (в частности СОг и H2S, которые тормозят процесс окисления). Из сопла Вентури струя поступает в вакуумную камеру 10, где за счет энергии струи образуется вакуумно-кольцевая зона, в которой продолжается процесс объемного вскипания газов в струе и разрушение целостности струи. При этом струя превращается в водовоздушный поток, заполняющий всю площадь поперечного сечения вакуумной камеры по ходу движения потока.
Выделившиеся газы в вакуумно-кольцевой зоне отсасываются самим тпотоком. Выделение свободной углекислоты способствует повышению рН (водородного показателя) воды, что создает благоприятные условия для окисления железа. Полученный, таким образом, водовоздушный поток поступает в вакуумно-эжекционную ступень П, в которую через воздухоподводящие патрубки 15 эжектируется воздух из окружающей среды, в силу чего происходит процесс беспрерывного диспергирования капель воды в потоке эжектируемого воздуха. Это способствует получению концевого эффекта, то есть одновременному скорению абсорбционно-десорбционного процесса в каплях воды при их дроблении и коалестенции, что приводит к продолжению процесса десорбции газов из воды и хемосорбции кислорода с двухвалентным железом.
Аналогичный процесс происходит и в вакуумно-эжекционных ступенях 12 и 13. Из ступени 13 водовоздушный поток поступает на отражательную пластину 14, ударяясь о которую, воздух, насыщенный свободной двуокисью углерода и сероводорода, отражается вверх и отводится в атмосферу через патрубок 7, а вода свободно движется через загрузку 3 и отводится через патрубок 5 потребителю.
Проходя фильтрующую загрузку, вода освобождается от трехвалентного железа, которое накапливается в виде пленки на фильтрующих зернах. По заполнении свободного пространства в фильтрующей загрузке осадок из трехвалентного железа сдерживает фильтрацию воды и создает кольматацию фильтров, поэтому по мере увеличения сопротивления загрузки ее промывают снизу вверх необработанной водой из скважины.
Таким образом, в основу безреагентного метода обезжелезивания подземных вод положено два основных принципа: мгновенное повышение рН воды удалением СОг с помощью предварительного вакуумирования струи, что создает оптимальные условия для сокращения времени окисления Fe+2 в Fe+3; насыщение воды кислородом воздуха с помощью концевого эффекта при дроблении и коалесценции капель воды в вакуумно-эжекционных камерах ступенчатого типа, обеспечивающее равномерное распределение кислорода по объему жидкости и доставки его к катионам железа.
Завершается процесс обезжелезивания воды на скорых фильтрах методом «сухой» фильтрации, для удаления образовавшихся хлопьев Fe(OH)3.
Известно, что для обезжелезивания воды безреагентным способом необходимо повысить рН (аэрацией), или одновременно увеличить рН путем удаления свободной углекислоты и повышением окислительно-восстановительного потенциала воды путем обогощения ее кислородом воздуха.
Для создания этих условий МИСИ им. Куйбышева рекомендует технологическую схему, предусматривающую глубокую (вторичную) и фильтрование через зернистую загрузку.
Так как фильтрованная вода имеет отрицательный индекс насыщения, для ликвидации ее коррозионных свойств необходимо подавать в фильтрат известковый раствор.
В тех случаях, когда для подщелачивания применяют известковое молоко, одноступенчатая схема может оказаться недостаточно надежной, так как при подаче известкового молока в фильтрат мутность очищенной воды может стать выше рекомендованой (1,5 мг/л).
Известен способ обезжелезивания подземных вод с высоким содержанием железа (до 40 мг/л), который заключается в аэрации воды воздухом из расчета 30-35 на один объем обрабатываемой воды, обогащенная воздухом вода подается последовательно на контактный и в осветлительый фильтры, скорость фильтрации на обоих фильтрах 6 м/ч. Схема установки изображена на рис. 3.2.
Опыт фильтрования водовоздушной эмульсии и аэрированной воды через незатопленную загрузку из кварцевого песка, керамзита показывает, что необходимая степень очистки воды от железа при фильтровании воздушноводяной эмульсии достигается значительно быстрее, чем при фильтровании аэрированной воды. Авторы утверждают, что осадок, образующуйся в загрузке при фильтровании воздушноводяной эмульсии, обладает более высокими каталитическими свойствами.
Г.И.Николадзе и Нго Ван Ших, выполнившие комплексное исследование по очистке воды с большим количеством железа, рекомендуют следующие технологические схемы:
1. При содержании закисного железа 10 -30 мг/л и рН воды не менее 7 - аэрация воды, фильтрование на контактных осветлителях КОЗ.
2. При содержании закисного железа выше 30 мг/л и рН выше 7 -первичная аэрация, осветление в слое взвешенного осадка, упрощенная аэрация, фильтрование на скорых фильтрах (при СОг менее 50 мг/л без упрощенной аэрации).
Основным критерием обезжелезивания подземных вод с высоким содержанием железа следует считать вывод Клячко В.А. и Апельцина И.Э. о том, что для обезжелезивания подземных вод с большим содержанием железа важным условием является обеспечение требуемого количества кислорода, необходимого для завершения окисления железа.
Николадзе Г.И. считает, что при большом содержании в воде железа, окисление его протекает в течение длительного времени и требует высоких значений рН среды. Эта особенность является основной для выбора методов и технологических схем обработки данных вод. В этих случаях обезжелезивающие установки должны способствовать ускорению окисления закисного железа.
Общая картина движения жидкости в насадке Вентури при истечении в атмосферу
Сущность данного метода заключается в следующем. При получении над водой глубокого разряжения, возникает значительная разность между парциальным давлением растворенного газа в воде и разряженным пространством, это способствует мгновенному объемному вскипанию растворенных газов в воде. Этот процесс будит совершаться тем интенсивнее, чем больше времени будет находиться поток в глубоком # вакууме.
При дальнейшем своем движении поток воды продолжает дробиться на капли. В момент разрыва капли возникает концевой эффект за 0,01-0,001 сек., т.е. происходит значительное выделение Ог и СОг. Получая процесс последовательного дробления капель, достигает интенсивное извлечение свободной двуокиси углерода и кислорода.
Десорбция Ог и СОг из воды при указанных условиях становится весьма эффективной. Это способствует интенсификации процесса деаэрации воды. Предложенная и детально разработанная модель вакуумного метода активации воды работает следующим образом: содержащая агрессивные газы вода подается по трубопроводу в многоступенчатый эжектор, сопло которого представляет собой вакуумно-распылительную головку. Деаэрация осуществляется на основе непрерывного и одновременного протекания процессов объемного вскипания растворенных в жидкости газов и интенсивного дробления капель воды при прямоточном движении в ограниченном объеме и плотной упаковке капель. При этом используется эффект десорбции Ог и СОг, главным образом, в момент дробления капли. Под термином «объемное вскипание» растворенных в жидкости газов подразумевается самопроизвольное (спонтанное) возникновение газовых пузырьков (вскипания) непосредственно во всем объеме струи при быстром изменении давления, когда концентрация растворенных в жидкости превышает равновесную.
После многоступенчатого эжектора воздушный поток направляется на гидроциклон с помощью которого происходит процесс отделения выделившихся в эжекторе агрессивных газов.
При разработке технологии вакуумного метода активации воды и конструкций отдельных частей аппарата, естественно, возник ряд вопросов как теоретического, так и чисто конструктивно-практического характера. Для решения возникших вопросов потребовалось выяснить: 1. глубину удаления агрессивных газов; 2. оптимальные условия для удаления ( и С02; 3. условия создания процесса беспрерывного дробления капель воды в потоке при плотной упаковке капель; 4. кинетику процесса десорбции ( и С02 и др. газов с использованием явлений, возникающих в вакуумной установке.
В частности требовалось исследовать процессы: объемного вскипания агрессивных газов, движущихся в разряженном пространстве; дробление капли и возникающий при этом, так называемый, концевой эффект десорбции газо-водяной системы при ее движении. Задачей автора совместно с сотрудниками института «Волгоградпроект» было разработать конструкции вакуумных головок и технологическую схему удаления агрессивных газов с использованием данных конструкций, а также определить их экономическую эффективность.
Используемый в процессе многоступенчатый эжектор имеет несколько модификаций. Он состоит из вакуумно-распылительной головки и ряда ступеней, представляющих собой несколько соосно установленных труб с последовательно увеличивающимися диаметрами, каждая из которых являет собой камеру смешения.
Вода, проходя через вакуумно-распылительную головку, образует вакуумные зоны, создающие условия для объемного вскипания находящихся в воде газов. Это способствует выделению значительной части газов из воды и разрушению целостности струи.
Процесс массопередачи усиливается также рядом дополнительных факторов, влияющих на массопередачу. К ним относятся: волновой характер движения струи при выходе из сопла, сохраняющийся во всех ступенях многоступенчатого эжектора; вихревые точки, порождающие пульсирующий характер потока; внутренняя циркуляция в каплях, увеличивающая коэффициент массопередачи в 2,5 раза и более; деформация и колебания капель также повышающие коэффициент массопередачи.
Уменьшение скорости потока в последних ступенях эжектора приводит к снижению устойчивости капель воды в потоке, к тонкодисперстному состоянию. Происходит процесс коалестенции- мелкие капли группируются в более крупные.
Подготовленный таким образом поток обрабатываемой воды направляется в гидроциклон, что способствует отделению кислорода из воздушной среды.
1 Вакуумная головка в своей основе представляет собой цилиндрический насадок круглого сечения или иначе насадок Вентури. Насадком, как известно, называется весьма короткая напорная на всем своем протяжении труба, при гидравлическом расчете которой следует пренебрегать потерями напора по длине, а учитывать только местные потери напора.
Струя жидкости (рис.4.1.), обходя кромку «а», благодаря силам инерции частиц (Mi и М2) жидкости, поступающих в насадок сжимается до сечения А-А, затем струя расширяется м заполняет весь насадок. При этом получается одна кольцевая (водоворотная область А). В выходном сечении В-В, где на жидкость действует атмосферное давление Ра, получается площадь типового сечения транзитной струи жидкости: WB = W (4.1) Причем, здесь W,WB - площади отверстий, к которым соответственно присоединен насадок, и при выходе струи в среду атмосферного давления сжатие струи отсутствует.
Кольцевая область А, равно как и транзитная струя в пределах этой области, характеризуется наличием вакуума. Максимальный вакуум получается в сечении С-С, где струя имеет наибольшее сжатие и где скорости, а также кинетическая энергия жидкости, образующая транзитную струю, оказывается наибольшими. Известно, что с возрастанием кинетической энергии, потенциальная энергия должна уменьшаться. Если в сечении В-В имеется атмосферное давление, то двигаясь от этого сечения против течения и попадая в область, где скорости, благодаря стабильности струи, оказываются большими, чем в сечении В-В, получается давление в этой области меньше, чем в сечении В-В, то есть меньше атмосферного давления.
