Система комплексной очистки подземных вод от вредных ингредиентов

УДК 628

В работе рассмотрена возможность применения новой системы комплексной очистки подземных вод от различных вредных ингредиентов. Цель работы - разработать систему комплексной очистки подземных вод от вредных ингредиентов. Решены следующие задачи: оценены существующие методы очистки подземных вод, выявлены их преимущества и недостатки; разработана схема полупроизводственной установки, предложена схема производственной установки.

Ключевые слова: комплексная система очистки подземных вод, питьевая вода, качество питьевой воды, вредные ингредиенты, нанотехнологии.

Одной из важнейших проблем настоящего времени является проблема качества питьевой воды. Вода, которая подается потребителям в качестве питьевой, содержит в себе различные ингредиенты, в том числе и вредные. Для нормального функционирования организма человек должен потреблять только чистую питьевую воду, которая отвечает установленным нормам [1]. В составе подземных вод часто встречаются такие ингредиенты как железо, бор, фтор, алюминий, барий, сероводород и другие.

Целью данной работы является разработка комплексной системы очистки подземных вод от вредных ингредиентов.

С 1 января 2013 года вступил в силу федеральный закон от 07.12.2011 № 416-ФЗ «О водоснабжении и водоотведении». Согласно этому закону все граждане Российской Федерации должны для питьевых целей использовать воду, соответствующую необходимым стандартам. То есть ответственность за предоставление качественной питьевой воды берет на себя государство.

К сожалению, требования закона, относящиеся к качеству питьевой воды, добываемой из подземных источников на территории Российской Федерации, в большинстве случаев не выполняются.

В настоящее время воду из подземных источников для питьевых целей очищают различными способами. К ним относятся: дистилляция, газогидратный метод, ионообменный метод, электродиализ, обратный осмос И метод экстракции. Реализация данных способов осуществляется в громоздких и сложных конструкциях, их использование требует больших затрат. Кроме того, при использовании этих способов из воды удаляют не только вредные, но и полезные ингредиенты, необходимые для здоровья человека.

В таблице 1 приведен перечень традиционных способов очистки воды от вредных ингредиентов, их характерные особенности, преимущества и недостатки.

Таблица 1. Характеристика традиционных способов очистки воды от вредных ингредиентов

Для решения существующих проблем в Вологодском государственном университете в течение ряда лет в лабораториях кафедры химии и кафедры комплексного использования и охраны природных ресурсов проводятся исследования, связанные с разработкой новых малозатратных нанотехнологий, предназначенных для удаления из воды только вредных ингредиентов.

Как известно, нанотехнология - это область фундаментальной и прикладной науки и техники, имеющая дело с совокупностью теоретического обоснования, практических методов исследования, анализа и синтеза, а также методов производства и применения продуктов с заданной атомной структурой путем контролируемого манипулирования отдельными атомами и молекулами [2].

В наших случаях нанотехнология заключается в использовании известных величин подвижности различных ионов в воде при воздействии постоянного слабого электрического поля (в режиме электрофореза).

По некоторым результатам таких исследований получены патенты на изобретения. Исследования по проблемам удаления из воды ионов алюминии, бария и других еще не завершены.

В процессе исследований мы пришли к выводу, что наличие в природных водах, как правило, не одного загрязнителя, а целого ряда вредных ингредиентов требует разработки комплексной технологии удаления из подземных вод вредных ингредиентов.

Предлагаемая технология основана на использовании специфических свойств большинства ингредиентов, способных направленно передвигаться в воде под влиянием внешнего постоянного электрического поля. Таким образом, в воде они обладают определенной подвижностью. Характеристики подвижностей ионов в слабом постоянном электрическом поле представлены в таблице 2.

Таблица 2. Характеристики подвижностей ионов в слабом постоянном электрическом поле

Для продолжения исследований и разработки комплексной системы очистки подземных вод была разработана конструкция полупроизводственной исследовательской установки, схема которой приведена на рис. 1, а общий вид представлен на рис. 2.

Рис. 1. Схема полупроизводственной установки

Рис. 2. Полупроизводственная установка

Функциональные свойства данной установки обеспечивают возможность замены электродов, изменение расстояния между электродами, а значит и изменения градиента потенциала, визуального наблюдения за ходом процесса (установка прозрачная), изменения скорости движения воды через установку и другие.

Установка состоит из прозрачного стеклянного горизонтально расположенного корпуса, электродов, емкости для подачи исходной воды, емкости для сбора очищенной воды и регулируемого блока питания HY3002D.

Перед началом опыта измеряется температура исходной воды, производится отбор пробы, фиксируется время отбора пробы и время начала опыта. После наполнения корпуса установки исходной водой включается источник постоянного тока и начинается процесс очистки воды.

Через 30 минут производится отключение источника постоянного тока, проводится отбор проб воды у верхнего электрода, у нижнего электрода, между электродами, вверху и внизу установки. Такое количество проб необходимо для того, чтобы определить, в каких местах скапливаются ионы ингредиента (например, бора), а в каких местах вода очищается. Время отбора проб после процесса очистки воды фиксируется. После отбора проб проводится их анализ.

По результатам опытов было выявлено, что ионы бора, подойдя к противоположно заряженному электроду, не осаждаются на нем, а только группируются возле него, а ионы железа задерживаются на электродах. При этом некоторые ионы, например, бор, могут передвигаться в разных направлениях: часть - к аноду, а другая часть - к катоду.

На основании исследований по удалению из воды разных ингредиентов была сконструирована производственная установка, схема которой приведена на рис. 3.

Рис. 3. Схема производственной установки

Установка работает следующим образом.

В соответствии с технологическим регламентом эксплуатации устройства в блок автоматического управления должны быть введены следующие уставки:
- суточный график обеспечения расходов очищенной воды, подаваемой потребителям;
- максимальная допустимая величина остаточного содержания ионов ингредиентов в очищенной воде;
- начальная скорость движения воды в корпусе (определяется на основании предварительно проведенных исследований);
- алгоритмы управления всеми электрофицированными задвижками (составляются по результатам предпусковых испытаний).
- предельные (минимальная и максимальная) величины градиента потенциала определяются на основании предварительно проведенных исследований.

Перед началом работы закрыты все электрофицированные задвижки и отключен источник постоянного тока. После включения погружного насоса по сигналу блока управления включается источник постоянного тока, который подает разность потенциала на инертные электроды, а также последовательно осуществляется открытие задвижек 9, 19 и 15.

Начинается подача исходной воды из источника. Затем на основании показаний датчиков ингредиентов на входе и датчика температуры воды на входе по сигналу блока управления на источнике постоянного тока устанавливается начальный (максимальный) градиент потенциала.

При воздействии постоянного электрического поля ионы вредных ингредиентов начинают передвигаться с определенной скоростью, некоторые ингредиенты (ионы бора) скапливаются около электродов, некоторые ингредиенты (ионы железа) оседают на электроде.

В зависимости от ингредиентов, которые необходимо удалить, устанавливаются дозаторы коагулянтов и флокулянтов. Поэтому после воздействия постоянного тока вода направляется по трубе к дозаторам. После этого она направляется в отстойник для осаждения хлопьев, образовавшихся при воздействии коагулянтов и флокулянтов, а далее очищенная вода направляется к потребителям.

Вода с содержанием большого количества вредных ингредиентов отправляется в сток, а вода с небольшим содержанием вредных ингредиентов отправляется на производственные нужды для использования.

При завершении работы установки по сигналу блока управления последовательно закрываются задвижки 15, 19 и 9, затем отключаются погружной насос и источник постоянного тока.

Функциональные свойства данной установки также обеспечивают возможность замены электродов, изменение расстояния между электродами, а значит, и изменения градиента потенциала, визуальное наблюдения за ходом процесса очистки воды; изменение скорости движения воды; качественное улучшение результатов опытов, поскольку установка расположена под наклоном к поверхности; малые потери воды, так как большая часть воды направляется на питьевые нужды (очищенная вода), часть воды переходит на производственные нужды и только малая часть воды отправляется в сток.

Для удаления вредных ингредиентов из воды необходимо составить алгоритмы. После составления алгоритма для удаления каждого ингредиента в отдельности можно найти общие и составить алгоритмы для удаления ряда ингредиентов.

На основе алгоритмов очистки воды от отдельных ингредиентов можно составить алгоритмы для удаления ряда ингредиентов.

Алгоритм для удаления из воды ионов бора и железа следующий:
1. Перед началом работы закрыты все электрофицированные задвижки и отключен источник постоянного тока.
2. Включение погружного электронасоса.
3. По сигналу блока управления включается источник постоянного
тока.
4. Подается разность потенциала на инертные электроды.
5. Подача исходной воды из источника.
6. В начальный период обеспечиваются режимы обезжелезивания воды и удаление ионов бора, при этом удаление пузырьков газов, в состав которых входит водород, производится через установленные в верхних частях камер вантузы, откуда попадают в вентиляционные трубы, через которые удаляются в атмосферу.
7. Далее происходит открытие задвижки для пропуска через корпус расхода промывной воды.
8. Промывная вода с частицами гидроксида железа поступает в гидроциклон, откуда основной объем промывной воды сбрасывается в канализацию по трубе, а суспензия, содержащая частицы гидроксида железа, поступает по трубе в емкость для
утилизации.
9. По команде блока управления открывается задвижка, и верхний слой промывной воды сбрасывается в канализацию по трубе.
10. По завершении работы установки по сигналу блока управления последовательно закрываются задвижки.
11. Отключаются погружной электронасос и источник постоянного тока.
12. Все операции по автоматическому управлению выполняет блок управления.

Применение разработанной комплексной системы очистки подземных вод позволит повысить надежность очистки этих вод, что благоприятно скажется на состоянии окружающей среды и здоровье населения в целом.

Литература:
1. ГОСТ Р 51232 98. Вода питьевая. Общие требования к организации и методам контроля качества. Введ. 01.07.1999. Москва: Стандартинформ, 2010. 21 с.
2. Нанотехнология [Электронный ресурс] // Википедия: сайт. Режим доступа: https://ru.wikipedia.org/ wiki/Нанотехнология

The system of complex underground water purification from harmful ingredients

In this work the possibility of using the new system of comprehensive waste water from various harmful ingredients. The need to develop a reliable system of purification of underground waters from harmful ingredients is an important issue. The aim of this work is to develop a system for purification of groundwater from harmful ingredients. Solved the following tasks: assessment of existing methods of purification of groundwater, advantages and disadvantages; the scheme poluprovodnikovoi installation, the proposed production plant.

Keywords: integrated system for underground water treatment, drinking water, drinking water quality, the harmful ingredients, nanotech- nology.

Shulyatieva Maria Viktorovna, engineer. E-mail: Адрес электронной почты защищен от спам-ботов. Для просмотра адреса в вашем браузере должен быть включен Javascript.

Chudnovsky Semyon Matveevich, Doctor of Engineering, associate Professor.

Department of integrated use and protection of natural resources, Vologda state University (voga). 160000, Russia, Vologda, St. Galkinskaya, D. 3. contact details: Адрес электронной почты защищен от спам-ботов. Для просмотра адреса в вашем браузере должен быть включен Javascript..

Журнал «Вода Magazine», №11 (111), 2016 г.