Исследование возможности применения разрядно-импульсного метода в технологиях очистки поверхностных и промышленных стоков

/38 Civil SecurityTechnology, Vol. 12, 2015, No. 2 (44) УДК 504.064.4

Исследование возможности применения разрядно-импульсного метода в технологиях очистки поверхностных и промышленных стоков

ISSN 1996-8493

© Технологии гражданской безопасности, 2015

Н.И. Бойко, В.А. Одарюк, А.В. Сафонов

Аннотация

Рассмотрена применимость электроимпульсной технологии обработки воды для очистки воды из подземных источников до необходимого качества, для очистки и обеззараживания сточных вод с большим содержанием ионов тяжелых металлов и мышьяка; для очистки и повторного использования промывных вод в технологических схемах промышленных предприятий и на городских водозаборах.

Ключевые слова: электроимпульсный блок; импульсный режим; синергетическое воздействие; мгновенный градиент давления; безреагентная дезинфекция; рациональное использование; водные ресурсы; силы электростатического отталкивания; силы Ван-дер-Ваальсового притяжения.

Feasibility Study of Discharge-Pulse Method Application in Surface and Industrial Waste Water Purification Technologies

ISSN 1996-8493

© Civil Security Technology, 2015

N. Boiko, V. Odaruk, A. Safonov

Abstract

Electric impulse technology of water treatment is designed to purify subterranean spring to the quality that meets the requirements of SanPiN "Drinking water and water supply of settlements"; for cleaning and disinfection of wastewater with high content of heavy metal ions and arsenic; for cleaning and re-use of washing water in the flow charts of industrial enterprises and municipal water intakes.

Key words: electric pulse unit; pulse mode; synergistic effects; instantaneous pressure gradient; reagentless disinfection; rational use of water resources; the forces of electrostatic repulsion repulsion and Van der Waals adhesion force.

В различных чрезвычайных ситуациях (ЧС) часто возникают трудности с обеспечением питьевой водой пострадавшего населения и спасателей. Для водоочистки могут использоваться разные установки. Предлагается применение электроимпульсных технологий (ЭИТ), основанных на использовании комплекса физических факторов, сопровождающих процесс быстрого преобразования электрической энергии в другие виды энергии путем импульсного электрического разряда (электровзрыва) в газообразных (в т.ч. в разреженных), жидких и конденсированных средах: ударной волны (УВ), светового излучения, диссоциации и ионизации вещества, электромагнитного поля и др. Реализация ЭИТ осуществляется по схеме: аккумуляция электрической энергии (например, в емкостном накопителе) — коммутация источника электроэнергии и нагрузки (инициирование ЭВ) — сброс электроэнергии в нагрузку. В ряде приложений ЭИТ позволяет по сравнению с другими технологиями достичь качественно новых результатов.

ЭИТ основана на воздействии на обрабатываемую жидкость ударных волн, генерируемых импульсным электрическим разрядом и вызывающих дезинтеграцию и гибель микроорганизмов [1]. Использование ее при обеззараживании воды состоит в следующем [2—4]:

в объеме, занимаемом водой, формируется электрический разряд с помощью погруженных электродов специальной формы, питающихся от импульсного источника электроэнергии;

электрический разряд формирует ударную волну, которая распространяется в объеме воды; кратковременность электрического импульса позволяет реализовать ударную волну, толщина фронта которой меньше размера микроорганизмов, в результате чего в объеме, занимаемом микроорганизмом, при прохождении ударной волны возникает мгновенный градиент давления, приводящий к механическому его уничтожению (микроорганизма).

Энергия в единичном импульсе и частота следования импульсов определяются бактериальным составом воды, и для конкретного типа воды находятся сначала расчетным путем (по имеющимся методикам и накопленным экспериментальным результатам), а затем уточняются экспериментально.

Обеззараживание может быть проведено в замкнутом объеме или в проточной воде.

Применение ЭИТ для обеззараживания воды позволяет обеспечить:

безреагентную дезинфекцию воды; уничтожение всех видов микроорганизмов; обработку воды независимо от количества взвешенных в ней твердых частиц и примесей;

эффективную дезинфекцию воды в объеме, радиусом до одного метра.

В настоящее время известны две низкоэнергоемкие безреагентные технологии обеззараживания воды — ЭИТ и ультрафиолетовая (УФ). Однако ЭИТ позволяет обеспечить более высокую надежность при больших расходах воды (из-за существенно

меньшего числа воздействующих элементов: 1 пара электродов на ~105 м3/сутки очищаемой воды против ~ 103 УФ-ламп, а также возможности обеззараживания непрозрачной для УФ излучения воды), более низкие эксплуатационные расходы.

Опыты с применением ЭИТ для обеззараживания воды, проведенные в Центре им. М.В. Келдыша [2— 4], показали эффективность и техническую возможность ее использования для обеззараживания воды как методики альтернативной реагентным методам (хлорированию, озонированию и др.). Об этом свидетельствуют высокое обеззараживающее действие, низкая удельная энергоемкость, экологическая чистота, обеспечиваемая безреагентным характером обеззараживания и возможностью отделения обрабатываемого объема воды от зоны разряда проницаемой для ударных волн мембраной.

Проект «Электроимпульсная технология обработки воды» предназначен для:

очистки воды из подземных источников до качества, соответствующего требованиям СанПиН 287482 «Питьевая вода и водоснабжение населенных мест»;

очистки и обеззараживания сточных вод с большим содержанием ионов тяжелых металлов и мышьяка;

очистки и повторного использования промывных вод в технологических схемах промышленных предприятий и на городских водозаборах.

Предлагаемая электроимпульсная технология обработки воды реализована в водоочистном комплексе «Импульс» (разработано «Исследовательским центром им. М.В. Келдыша» при содействии Института Физики высоких технологий Томского политехнического Центра) [2—4]. В работе водоочистного комплекса «Импульс» использованы технологические процессы: аэрация, электроимпульсная обработка и фильтрация (рис. 1). В качестве аэратора используется противопоточная вентиляционная градирня. Входящая вода распыляется эжектором и по хордовой насадке стекает сверху вниз.

Воздух принудительно подается навстречу потоку воды снизу вверх. Эжектор и хордовая насадка являются первой ступенью обработки воды, в которой происходят ее аэрация воздухом и удаление растворенных газов. Электроимпульсная обработка воды осуществляется электроразрядным блоком, который активирует процессы окисления, коагуляции и осаждения, что позволяет значительно снизить энергозатраты на обработку воды за счет ввода малой дозированной порции энергии в импульсном режиме для инициирования цепных химических реакций. Электроразрядный блок включает блоки №№ 1—3 и обеспечивает последующие ступени обработки воды, где происходит уникальный технологический процесс — синергетическое воздействие УФ-излуче-ния и сильнейших (природных) окислителей стоков. Блок № 1 выполняет роль второй ступени обработки воды и во многих случаях вместе с первой ступенью обработки и системой фильтрации обеспе-

/40 См! Бесиг^уТесИпо^ду, Уо!. 12, 2015, N0. 2

БлокЗ

Аэратор воды воздухом

Электроимпульсный коагулятор

Электроимпульсное устройство для инициации кавитации

Рис. 1. Блок-схема электроимпульсной установки по очистке воды

чивает очистку подземных и поверхностных вод до питьевого стандарта. Блок № 2 (электроимпульсный коагулятор) интенсифицирует коагуляционные процессы в потоке очищаемой воды и на поверхности фильтрирующей загрузки и включается в технологический процесс очистки воды до питьевого стандарта только в тех случаях, когда после обработки воды на первой ступени и блоке № 1 примеси, тем не менее, находятся в мелкодисперсной фазе и не полностью улавливаются фильтрами. А при очистке сточных вод технологический процесс включает первую ступень обработки (аэрация), блок № 1 и блок № 2. Энергопотребление блока № 2 составляет 0,02—0,05 кВт ч/м3. При этом сточные воды доводятся до качества «ры-бохозяйственных водных объектов». Электроимпульсное устройство (блок № 3), инициирующее процессы кавитации в воде, значительно усиливает процессы коагуляции примесей, а также обеспечивает предварительное обеззараживание воды. Поэтому применение блока № 3 целесообразно в технологическом процессе очистки подземной и поверхностной воды до питьевого стандарта при наличии в ней мелкодисперсной фракции примесей и особенно актуально для решения задачи повторного использования промывных вод на городских водоканалах. Энергопотребление блока № 3 составляет 0,02 кВт ч/м3. Таким образом, в зависимости от состава и состояния находящихся в воде примесей, а также в зависимости от целей водоподготовки (получение воды питьевого стандарта, очистка стоков, повторное применение промывных вод) могут быть задействованы разные ступени обработки воды комплекса «Импульс». С точки зрения многофакторности обработки и обеззараживания воды традиционные технологии, используемые в комплексе, являются аналитическими методами, т.к. каждая ступень обеспечивает выполнение строго ограниченной задачи автономно. Модульный вариант компоновки оборудования позволяет с минимальными затратами скомпоновать комплекс производительностью от 0,5 м3/час до 200 м3/час и более. Водоочистной комплекс «Импульс» способен обеспечить очистку и обеззараживание воды до питьевого стандарта из подземных источников и поверхностных вод практически любой сложности, что крайне актуально для так называемых «сложных» вод, которые характеризуются содержанием железа в виде металлоорганических соединений, а также повышенным содержанием марганца, кремния и др. Кроме того, водоочистной комплекс «Импульс» позволяет снизить значения концентраций загрязнителей в воде до значений ПДК воды водоемов, а также сточных вод с большим содержанием ионов тяжелых металлов (например, сточные воды гальванических про-

изводств) и мышьяка (например, подземные воды и промывные воды золотодобывающих предприятий), а также промывных вод городских водозаборов для их повторного использования. При этом водоочистной комплекс «Импульс» прост и надежен в эксплуатации, имеет невысокую стоимость. Предлагаемая технология подготовки воды является безреагентной, энергосберегающей, экологически чистой. Сотрудниками «Сибирского федерального университета» разработан электроимпульсный метод очистки сточных вод угольных месторождений [5].

Технологическая схема очистки сточных вод с использованием электроимпульсных технологий представлена на рис. 2. Технологическая схема успешно прошла испытания на ряде предприятий этой отрасли [5—7] и может быть рекомендована для применения в цикле очистки сточных вод угольных месторождений.

Рис. 2. Технологическая схема очистки сточных вод с использованием электроимпульсных технологий

Осадок из отстойника после обезвоживания может быть использован в строительстве в качестве наполнителя.

Выводы

Для адаптации к системе МЧС России отобран принципиально новый экологически чистый метод обеззараживания и очистки природных и сточных вод, который позволяет по сравнению с другими методами достичь качественно новых результатов.

Применение ЭИТ для обеззараживания воды позволяет обеспечить:

безреагентную дезинфекцию воды; уничтожение всех видов микроорганизмов, включая вирусы и споры;

проводить обработку воды независимо от количества взвешенных твердых частиц и примесей;

высокую эффективность обеззараживающего действия, низкую удельную энергоемкость, экологическую чистоту, что достигается безреагентным характером обеззараживания и возможностью, при необходимости, отделения обрабатываемого объема воды от зоны разряда, проницаемой для ударных волн мембраной.

Применение ЭИТ в системе МЧС России возможно: при диверсиях, террористических актах, аварийных сбросах технологических сточных вод предприятий в открытые водоемы, в городскую канализационную сеть, когда нарушаются режим работы очистных сооружений и способность водоемов к самоочищению. Сточные воды, образующиеся в условиях чрезвычайных ситуаций, могут быть сложны по составу, агрессивны, высокотоксичны. Эти обстоятельства также не мешают работе очистного комплекса «Импульс». В соответствии с экспериментальными данными [2—4] при работе комплекса на первой его ступени происходит удаление растворенных агрессивных газов — углекислого газа, сероводорода, азота и пр.

Водоочистной комплекс «Импульс» позволяет эффективно производить обеззараживание и очистку воды не только от традиционных загрязнителей (железо и марганец) и значительно улучшать органо-лептические показатели очищенной воды, но также производить очистку воды от другой органики (фенол, формальдегид, нефтепродукты и т.д.), от солей тяжелых металлов (свинец, кадмий, медь, хром, никель и пр.) и ионов мышьяка. При этом понижается жесткость воды и удаляется кремний без использования специального оборудования. Необходимо отметить, что проблема удаления кремния из питьевой воды появилась в России совсем недавно после принятия нового стандарта. Существующие технологии очистки воды от кремния являются очень сложными и дорогими. Таким образом, водоочистной комплекс «Импульс» способен обеспечить очистку и обеззараживание воды до питьевого стандарта из подземных источников практически любой сложности, что крайне актуально для так называемых «сложных» вод, которые характеризуются содержанием железа в виде металлоорганических соединений, а также повышенным содержанием марганца, кремния и пр. Кроме того, водоочистной комплекс позволяет снизить значения концентраций загрязнителей в воде до ПДК воды водоемов — сточные воды с большим содержанием ионов тяжелых металлов (например, сточные воды городских водозаборов для их повторного использования).

Таким образом, применение электроимпульсного комплекса «Импульс» дает возможность решать вопросы рационального использования водных ресурсов и в случае различных ЧС в зависимости от их характера и целей водоподготовки (получение воды питьевого стандарта, очистка стоков до ПДК воды водоемов, повторное применение промывных вод). При этом могут быть задействованы разные ступени

установки. В связи с этим появляется необходимость в разработке экспериментальной передвижной установки «Импульс» для очистки воды и для налаживания рационального водопользования в экологически неблагоприятных районах, а также в районах, подвергнутых диверсиям, террористическим актам, стихийным бедствиям.

Литература

1. Патент РФ № 2058940 «Способ обеззараживания жидкости».

2. http://www.nexcom.ru/nka-ukhin/sabir.htm

3. http://www.bashinfo.ru/topic.asp,TID32675

4. http://www.tecopro.ru/products_biozag.htm

5. Коростовенко В.В., Гронь В.А., Шахрай С.Г. и др. Применение электроимпульсного метода очистки сточных вод угольных месторождений. Красноярск, ФГАО УВПО «Сибирский федеральный университет».

6. Гронь В.А., Коростовенко В.В. Исследование возможности применения разрядно-импульсного метода в технологиях очистки промышленных стоков обогатительного производства. Пенза, 2013.

7. Гронь В.А., Коростовенко В.В., Степанов А.Г. Очистка сточных и оборотных вод предприятий теплоэнергетики с применением электрогидроимпульсной обработки. Красноярск, 2008.

Сведения об авторах

Бойко Николай Иванович: ФГБУ ВНИИГОЧС (ФЦ), нач. отд.

121352, Москва, ул. Давыдковская, 7. Тел.: (495) 449-90-37. E-mail: nikoiai.58@iist.ru

Одарюк Виктория Андреевна: к. х. н., ФГБУ ВНИИ ГОЧС (ФЦ), с. н. с.

121352, Москва, ул. Давыдковская, 7. Тел.: (495) 449-90-37. E-mail: odaruk40@mail.ru SPIN-код — 1194-2887.

Сафонов Алексей Владимирович: ФГБУ ВНИИГОЧС (фЦ), м. н. с.

121352, Москва, ул. Давыдковская, 7. Тел.: (495) 449-90-37. E-mail: safa2004@mail.ru SPIN-код — 4911-1783.

Information about authors

Boyko Nikolay I.: Federal Government Budget Institution "All-Russian Research Institute for Civil Defense and Emergencies" (Federal Center of Science and high technology), Department Head.

121352, Moscow, str. Davydkovskaya, 7. Tel.: (495) 449-90-37. E-mail: nikolai.58@list.ru

Оdaruk Victoria А.: Ph.D. in Chemistry, Federal Government Budget Institution "All-Russian Research Institute for Civil Defense and Emergencies" (Federal Center of Science and high technology), Senior Researcher. 121352, Moscow, str. Davydkovskaya, 7. Tel.: (495) 449-90-37. E-mail: odaruk40@mail.ru SPIN-scientific — 1194-2887.

Safonov Alexey V.: Federal Government Budget Institution "All-Russian Research Institute for Civil Defense and Emergencies" (Federal Center of Science and high technology), Junior Researcher.

121352, Moscow, str. Davydkovskaya, 7. Tel.: (495) 449-90-37. E-mail: safa2004@mail.ru SPIN-scientific — 4911-1783.