УСТРОЙСТВО ДЛЯ ОБЕЗЖЕЛЕЗИВАНИЯ ПОДЗЕМНЫХ ВОД С УТИЛИЗАЦИЕЙ ЖЕЛЕЗА
DEVICE FOR DEIRONING GROUNDWATERS WITH IRON RECOVERY

Изобретение относится к области очистки подземных вод с повышенным содержанием железа и может быть применено в процессах водоподготовки для питьевых и технических целей, а также для утилизации удаляемого железа с целью его промышленного использования.
Известны сооружения и устройства для обезжелезивания подземных вод, в которых предусмотрена предварительная обработка воды аэрацией или реагентами-окислителями с последующим фильтрованием [1]. Основными недостатками этих сооружений являются:
1) ограничения, относящиеся к содержанию общего и двухвалентного железа в исходной воде, величине рН, щелочности и другие;
2) громоздкость сооружений и оборудования, высокая строительная стоимость и большие эксплуатационные затраты;
3) значительное количество отходов в промывной воде, отсутствие систем для утилизации удаленного из воды железа;
4) плохая управляемость технологическими процессами, низкая надежность этих процессов.
Наиболее близким к предлагаемому устройству является устройство для обезжелезивания воды [2], включающее не менее двух вертикально расположенных корпусов цилиндрической формы из диэлектрика, на внутренней поверхности которых расположены инертные аноды в виде спирали, а в центре - железные катоды в виде круглых стержней, блок управления и источник постоянного тока, к входам в корпусы подсоединены электрифицированные задвижки, соединенные с подающей трубой насоса, в верхних частях корпусов расположены воздушные вантузы, соединенные с вентиляционными трубами, на выходах из корпусов расположены трубы для отвода чистой воды с электрифицированными задвижками и отвода промывной воды с электрифицированными задвижками, на трубе отвода чистой воды расположены: датчик расхода воды и датчик содержания в воде железа, а труба промывной воды подсоединена к системе утилизации гидроксида железа, состоящей из гидроциклона, емкости для утилизации и труб обвязки.
Основными недостатками данного устройства являются:
1) малая производительность из-за больших затрат промывной воды для отделения гидроксида железа от катода;
2) необходимость использования не менее двух корпусов, так как в одном из них осуществляется процесс обезжелезивания, а в другом - отмывка катода;
3) большие размеры корпусов из-за малого градиента потенциала (до 2 В/см) и, следовательно, малой скорости передвижения ионов железа от анода к катоду;
4) сложная, громоздкая и малоэффективная система сооружений для утилизации гидроксида железа.
Техническим результатом предлагаемого изобретения является повышение надежности и гарантированного качества подземных вод после обезжелезивания с утилизацией железа, расширение возможностей применения устройства за счет компактности оборудования, обеспечение гибкого автоматического управления, уменьшение строительных и эксплуатационных затрат.
Указанный технический результат достигается тем, что в предлагаемом устройстве обезжелезивание подземных вод осуществляется при воздействии на воду постоянного электрического поля с градиентом потенциала от 3 В/см до 8 В/см, а утилизация железа осуществляется путем его осаждения на катоде и последующей переработки катода.
Пример 1
3
3
3
Через емкость цилиндрической формы из диэлектрика, имеющую внутренний диаметр 200 мм и высоту 1 м, на внутренней поверхности которой расположен инертный анод в виде спирали, а в центре - катод в виде круглого железного стержня диаметром 10 мм, пропускалась с постоянным расходом снизу вверх вода, имеющая концентрацию железа 4 г/м. На начальной стадии исследования между электродами было установлено постоянное электрическое поле с градиентом потенциала 3 В/см. На выходе из емкости вода пропускалась через фильтрующую перегородку и затем контролировалось содержание железа в фильтрате. В тех случаях, когда содержание железа в фильтрате превышало 0,3 г/м [3], плавно увеличивался градиент потенциала (шаг 0,5 В/см). В данном опыте величина 0,3 г/м стабильно обеспечивалась при градиенте потенциала 4,5 В/см. В дальнейшем исследовались процессы обезжелезивания и утилизации железа при градиентах потенциала до 10 В/см. При этом визуально наблюдались: интенсивность образования пузырьков газа в емкости, изменение структуры взвеси на фильтрующей перегородке и структура катода. Время воздействия на воду постоянного электрического поля в емкости составляло примерно 40 минут.
Результаты исследований приведены в таблице 1.
На основании данных, приведенных в таблице 1, можно сделать следующие выводы:
1. В процессе обезжелезивания воды имеется возможность обеспечивать требуемое содержание железа в фильтрате путем регулирования градиента потенциала в пределах от 3 В/см до 8 В/см.
2. Имеется также возможность при таком же регулировании обеспечивать максимальное увеличение массы железа на катоде и соответствующее снижение массы осадка на фильтрующей перегородке.
3. Для данных условий время пребывания воды в емкости при воздействии постоянного электрического поля с градиентами потенциала от 3 В/см до 4 В/см было недостаточным.
Пример 2
3
3
3
Для определения эксплуатационных и экономических характеристик предлагаемого устройства обезжелезивания подземных вод и утилизации железа рассмотрены три варианта реализации, отличающиеся друг от друга внутренними диаметрами и высотой цилиндрических емкостей. В каждом варианте использовались пробы с содержанием железа в исходной воде 4 г/м, 8 г/м и 10 г/м. Во всех случаях устанавливался градиент потенциала 8 В/см. Средняя сила тока составляла примерно 0,1 А. Стоимость 1 кВт*ч принята по тарифу ОАО «ВОЛОГДАЭНЕРГОСБЫТ» 3,83 руб.
Результаты исследований приведены в таблице 2.
Как видно из таблицы 2, себестоимость обезжелезивания воды и утилизации железа в одной емкости в основном зависит от производительности и соответствующих ей размеров и практически не зависит от содержания железа в исходной воде. Чем больше производительность, тем меньше себестоимость обезжелезивания воды и утилизации железа.
Пример 3
Определяется экономическая целесообразность утилизации железа из подземных вод при внедрении предлагаемого устройства на примере одного региона - Вологодской области. В Вологодской области имеется более 2000 действующих водозаборных скважин, подающих воду потребителям с повышенным содержанием железа.
3
3
3
Принимаются: среднее содержание железа в скважинах 3 г/м, средняя производительность одной скважины 30 м/сут, содержание железа в очищенной воде - 0,3 г/м и осаждение железа на катоды в % от общей массы удаляемого железа осадка - 85% (пример 2). Следовательно, за 1 сутки по области будет утилизировано:
2000*(3-0,3)*0.85=4590 г = 4,59 кг.
За год:
4,59*365=1675 кг.
Если принять минимальную стоимость 1 кг такого (пригодного для промышленного использования) железа 200 руб, то прибыль от утилизации составит:
1675*200=335 тыс.руб.
На фиг. 1 приведена общая схема устройства. На фиг. 2 представлена схема камер фильтрования.
Устройство содержит водозаборную скважину 1 с расположенным в ней насосом 2 и подающей трубой 3, источник постоянного тока 4, блок управления 5, корпус цилиндрической формы 6 из диэлектрика, на внутренней поверхности которого расположен инертный анод 7 в виде спирали, а в центре располагается сменный катод 8 в виде круглых железных стержней, к входу в корпус 6 подсоединена электрифицированная задвижка 9, расположенная на подающей трубе 3, в верхней части корпуса 6 расположены воздушный вантуз 10, соединенный с вентиляционной трубой 11 павильона 12 и труба отвода предварительно очищенной воды 13 с датчиком расхода воды 14 и электрифицированной задвижкой 15. К трубе 13 присоединены два патрубка 16 и 17, предназначенные для подачи предварительно очищенной воды в фильтровальные устройства 18 и 19 и отвода промывной воды. Каждое фильтровальное устройство представляет собой емкость, в которой расположена фильтрующая перегородка. На патрубках 16 и 17 расположены электрифицированные задвижки соответственно 20 и 21, а также отводы промывной воды 22 и 23, снабженные электрифицированными задвижками 24 и 25 и соединенные с общей трубой отвода промывной воды 26.
Кроме того, на патрубках 16 и 17 расположены датчики давления соответственно 27 и 28. К нижней части фильтровальных устройств 18 и 19 подсоединены патрубки отвода чистой воды 29 и 30 с расположенными на них электрифицированными задвижками 31 и 32, соединенные с общей трубой отвода чистой воды 33, на которой расположен датчик содержания в воде железа 34. На каждом патрубке отвода чистой воды расположены датчики давления соответственно 35 и 36. Кроме того, к нижней части каждого фильтровального устройства 18 и 19 подсоединены патрубки подачи промывной воды 37 и 38, снабженные электрифицированными задвижками соответственно 39 и 40, которые подсоединены к трубе подачи промывной воды 41, оборудованной электрифицированной задвижкой 42 и соединенной с подающей трубой 3. Кроме того, устройство содержит емкость для хранения сменных катодов 43, оборудованную верхним электромагнитным клапаном 44 и подсоединенную к верхней части корпуса 6, а также емкость для хранения отработанных катодов 45, оборудованную нижним электромагнитным клапаном 46 и подсоединенную к нижней части корпуса 6. Блок управления 5 соединен проводниками с источником постоянного тока 4, электрифицированными задвижками 9, 15, 20, 21, 24, 25, 31, 32, 39, 40 и 42, датчиком расхода воды 14, датчиком содержания в воде железа 34, датчиками давления 35 и 36, верхним и нижним электромагнитными клапанами 44 и 46 соответственно, а источник постоянного тока 4 соединен также проводниками с инертным анодом 7 и катодом 8.
Устройство для обезжелезивания подземных вод и утилизации железа работает следующим образом. В соответствии с технологическим регламентом эксплуатации устройства в блок управления 5 введены следующие уставки:
- предельные величины начального и конечного открытия электрифицированной задвижки 15;
- предельные величины градиентов потенциала (максимальная и минимальная), определяются по результатам предпусковых испытаний;
- максимально допустимая величина остаточного содержания железа в очищенной воде;
- постоянный расход воды;
- алгоритмы управления электрифицированными задвижками 9, 15, 20, 21, 24, 25, 31, 32, 39, 40 и 42 (составляются по результатам предпусковых испытаний);
- максимальные допустимые потери напора в фильтровальных устройствах 18 и 19;
- промывной расход и продолжительность промывки фильтровальных устройств 18 и 19 (определяются по результатам предпусковых испытаний).
Перед началом работы закрыты электрифицированные задвижки 9, 15, 20, 21, 24, 25, 31, 32, 39, 40 и 42, электромагнитные клапаны 44 и 46, отключен источник постоянного тока 4, в корпусе установлен новый (не использовавшийся ранее) катод 8. После включения насоса 2 по сигналу блока управления 5 осуществляется плавное открытие задвижки 9, включается источник постоянного тока 4, подающий минимальную разность потенциалов на инертный анод 7 и катод 8, затем обеспечивается предельная величина начального открытия электрифицированной задвижки 15 на трубе отвода предварительно очищенной воды 13.
Начинается процесс обезжелезивания воды, при котором ионы железа, перемещаясь с водой внутри корпуса 6 при постоянном расходе снизу вверх, одновременно перемещаются в горизонтальном направлении от инертного анода 7 к катоду 8 и задерживаются на катоде 8 под воздействием установленной величины градиента потенциала. При этом удаление из воды пузырьков газа производится малыми порциями через установленный в верхней части корпуса 6 вантуз 10, соединенный с вентиляционной трубой 11 на крыше павильона 12. Далее последовательно открываются задвижки 20 и 31, предварительно очищенная вода поступает в фильтровальное устройство 18, где частицы взвеси, образовавшиеся под воздействием пузырьков газа, задерживаются на фильтрующей перегородке, а полностью очищенная вода по общей трубе отвода промывной воды 26 направляется к потребителю. В процессе обезжелезивания постепенно увеличивается масса катода 8 и, следовательно, его диаметр. При этом чтобы процесс обезжелезивания воды протекал стабильно, в корпусе 6 обеспечивается постоянный расход воды следующим образом: по сигналам датчика расхода воды 14 и датчика содержания в очищенной воде железа 34 блок управления 5 обеспечивает плавное открытие электрифицированной задвижки 15 до предельной конечной величины. В дальнейшем, когда такое открытие будет обеспечено, по сигналу блока управления 5 осуществляется замена отработанного катода 8 на новый следующим образом. Сначала закрывается электрифицированная задвижка 9 и отключается источник постоянного тока 4. Затем по сигналу блока управления 5 открывается нижний электромагнитный клапан 46, и отработанный катод 8 попадает из корпуса 6 в емкость для хранения отработанных катодов 45, нижний электромагнитный клапан 46 закрывается. После этого открывается верхний электромагнитный клапан 44, и новый сменный катод из емкости для хранения сменных катодов 43 попадает в корпус 6. Электромагнитный клапан 44 закрывается, по сигналу блока управления 5 плавно открывается электрифицированная задвижка 9, включается источник постоянного тока 4, и процессы обезжелезивания подземных вод и утилизации железа продолжаются.
Кроме того, когда по сигналам датчиков давления соответственно 27 и 28 будут достигнуты максимально допустимые потери напора в фильтровальном устройстве 18, по сигналу блока управления 5 закрываются электрифицированные задвижки 20 и 31 и открываются электрифицированные задвижки 21 и 32. Процесс окончательной очистки воды осуществляется в фильтровальном устройстве 19. По сигналу блока управления 5 открывается электрифицированная задвижка 42 на трубе подачи промывной воды 41. Осуществляется промывка обратным током воды на фильтровальном устройстве 18. Промывной расход удаляется по трубе отвода промывной воды 26.
По сравнению с прототипом предлагаемое изобретение обладает следующими преимуществами:
1. Повышение надежности и гарантированного качества подземных вод после обезжелезивания с утилизацией железа в одном корпусе.
2. Расширение возможностей применения устройства за счет компактности оборудования.
3. Обеспечение гибкого автоматического управления всеми технологическими процессами.
4. Уменьшение строительных и эксплуатационных затрат.
Изобретение можно использовать для питьевого и технического водоснабжения при добывании воды из водозаборных скважин, шахтных колодцев и других видов подземных водозаборов.
ЛИТЕРАТУРА
1. СНиП 2.04.02-84. Строительные нормы и правила. Водоснабжение. Наружные сети и сооружения. - Введ. 01.01.86. - Москва: Стройиздат, 1985. - 43 с.
2. Пат. 2501740 Российская Федерация, МПК C02F 1/46, C02F 1/64. Устройство для обезжелезивания подземных вод / С.М. Чудновский, Г.А. Тихановская, Л.М. Воропай [и др.]; заявитель и патентообладатель Волог. гос. техн. ун-т.- Опубл. 20.12.2013, Бюл. №35.
3. СаНПиН 2.1.4.1074-01. Питьевая вода. Гигиенические требования к качеству воды централизованных систем питьевого водоснабжения. Контроль качества. - Введ. 01.01.01. - Москва: Госэпидемнадзор России, 2001. - 111 с.