УСТРОЙСТВО ДЛЯ ОБЕЗЖЕЛЕЗИВАНИЯ ПОДЗЕМНЫХ ВОД
DEVICE FOR DEIRONING OF GROUND WATERS

Изобретение относится к области обработки подземных вод с повышенным содержанием железа и может быть использовано в процессах водоподготовки для питьевых и технических целей.
Известны устройства для обезжелезивания подземных вод, в которых предусмотрены предварительная обработка воды аэрацией или реагентами - окислителями и последующее фильтрование [1, 2]. Основными недостатками этих устройств являются:
1) ограничения, относящиеся к содержанию общего и двухвалентного железа в исходной воде, величине pH, щелочности и другие [1];
2) громоздкость сооружений, высокая строительная стоимость и большие эксплуатационные затраты;
3) значительное количество отходов в промывной воде;
4) плохая управляемость технологическими процессами.
Наиболее близким к изобретению является устройство [3], содержащее корпус с подводящим и отводящим патрубками, пластинчатые электроды в виде взаимовложенных гребенчатых пакетов, параллельные боковым стенкам корпуса и расположенные на расстоянии от них, изоляционные прокладки, винты-клеммы с гайками, шламовый патрубок в днище корпуса и другие элементы. Вода, подлежащая очистке, поступает в корпус через подводящий патрубок, проходит между анодами и катодами и выходит через отводящий патрубок. Основными недостатками этого устройства являются:
1) низкая надежность из-за отсутствия системы гибкого автоматического управления процессом очистки воды;
2) сложная система эксплуатации, предусматривающая необходимость периодического изменения полярности напряжения на электродах, контроля процессов растворения электродов, периодические отключения для разборки и сборки электролизера с заменой электродов, обеспечение катодной защиты и другие операции;
3) значительное количество отходов в промывной воде.
Целью изобретения является повышение надежности процесса обезжелезивания воды, обеспечение гарантированного качества очищенной от железа воды независимо от количества ионов железа в исходной воде, расширение возможностей применения за счет компактности оборудования, обеспечение гибкого автоматического управления, попутное получение ценного продукта - гидроксида железа, уменьшение строительных и эксплуатационных затрат.
Указанная цель достигается тем, что устройство для обезжелезивания воды содержит блок управления, источник постоянного тока и не менее двух емкостей, которые представляют собой вертикально расположенные корпусы цилиндрической формы из диэлектрика, на внутренних поверхностях которых расположены инертные аноды в виде спирали, а в центре - железные катоды в виде круглых стержней, 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 и промывной воды с электрифицированными задвижками, причем на трубе отвода чистой воды расположены датчик расхода воды и датчик содержания в воде железа, труба промывной воды подсоединена к тангенциальному входу гидроциклона, верхний выход которого соединен с трубой сброса промывной воды в канализацию, а нижний выход направлен в емкость для утилизации гидроксида железа, блок управления соединен проводниками с источником постоянного тока, всеми электрифицированными задвижками, датчиками расхода и датчиками содержания в воде железа.
На фиг.1 приведена общая схема устройства
Устройство содержит водозаборную скважину 1 с расположенным в ней насосом 2 и подающей трубой 3, источник постоянного тока 4, блок управления 5, не менее двух корпусов цилиндрической формы 6 из диэлектрика, на внутренней поверхности которых расположены инертные аноды 7 в виде спирали, а в центре - железные катоды 8 в виде круглых железных стержней, к входам в корпусы 6 подсоединены электрифицированные задвижки 9, соединенные с подающей трубой 3, в верхних частях корпусов 6 расположены воздушные вантузы 10, соединенные с вентиляционными трубами 11. Кроме того, на выходах из корпусов расположены трубы для отвода чистой воды 12 с электрифицированными задвижками 13 и отвода промывной воды 14 с электрифицированными задвижками 15, причем на трубе отвода чистой воды 12 расположены датчик расхода воды 16 и датчик содержания в воде железа 17, а труба промывной воды 14 подсоединена к тангенциальному входу гидроциклона 18, верхний выход которого соединен с трубой сброса промывной воды 19 в канализацию, а нижний выход 20 направлен в емкость для утилизации гидроксида железа 21, которая оборудована трубой для выпуска верхнего слоя воды 22 с электрифицированной задвижкой 23. Блок управления 5 соединен проводниками с источником постоянного тока 4, всеми электрифицированными задвижками, датчиком расхода воды и датчиком содержания в воде железа, а источник постоянного тока 4 соединен также проводниками с катодами и анодами.
Устройство для обезжелезивания воды работает следующим образом. В соответствии с технологическим регламентом эксплуатации устройства в блок автоматического управления 5 введены следующие уставки:
- суточный график обеспечения расходов очищенной воды, подаваемой потребителям;
- периодичность переключений с режимов обезжелезивания на режимы промывки и обратно;
- максимальная допустимая величина остаточного содержания железа в очищенной воде;
- начальная скорость движения воды снизу вверх в корпусах цилиндрической формы 6 определяется на основании предварительно проведенных исследований;
- промежуток времени между сбросом суспензии, содержащей гидроксид железа в емкость для утилизации 21 и открытием задвижки 22;
- алгоритмы управления всеми электрифицированными задвижками составляются по результатам предпусковых испытаний.
Перед началом работы закрыты все электрифицированные задвижки и отключен источник постоянного тока 4. После включения насоса 2 по сигналу блока управления 5 включается источник постоянного тока 4, подающий разности потенциалов на катоды и аноды, а также последовательно осуществляется открытие задвижек 9 и 13. В начальный период во всех корпусах обеспечиваются режимы обезжелезивания воды. При этом удаление пузырьков газов, в состав которых входит водород, производится через установленные в верхних частях камер вантузы 10, откуда пузырьки небольшими порциями попадают в вентиляционные трубы 11, через которые удаляются в атмосферу. На основании сигналов датчиков расхода воды 16 и содержания в воде железа 17 в дальнейшем обеспечивается включение и отключение корпусов задвижками, а также гибкое регулирование задвижек 9 и 13 для обеспечения требуемого качества воды на выходе из корпусов. При переключении одного корпуса на режим промывки закрывается задвижка 13, открывается задвижка 15 и регулируется открытие задвижки 9 для пропуска через корпус 6 расхода промывной воды. Промывная вода с частицами гидроксид а железа поступает в гидроциклон 18, откуда основной объем промывной воды сбрасывается в канализацию по трубе 19, а суспензия, содержащая частицы гидроксида железа поступает по трубе 20 в емкость для утилизации 21. В этой емкости частицы гидроксида железа оседают на дно, после чего по команде блока управления 5 открывается задвижка 23 и верхний слой промывной воды сбрасывается в канализацию по трубе 22. Все операции по автоматическому управлению устройства для обезжелезивания воды выполняет блок управления 5.
Пример 1.
При постоянной температуре исходной воды через вертикальную емкость осуществлялось ламинарное движение снизу вверх исходной воды с различными содержаниями общего железа в постоянном электрическом поле и при разных градиентах потенциала. На выходе из емкости контролировалось общее содержание железа в очищенной воде. Результаты исследований приведены в таблице 1
Таблица 1
Градиент потенциала, В/см
Общее содержание железа в исходной воде на входе в емкость, г/м<sup>3</sup>
Общее содержание железа в очищенной воде на выходе из емкости, г/м<sup>3</sup>
2
1
0.12
5
0.15
10
0.15
15
0.17
4
1
0.26
5
0.29
10
0.32
15
0.42
8
1
0.26
5
0.55
10
0.7
15
0.93
Как видно из таблицы 1, при градиенте потенциала не более 2 В/см обеспечивается гарантированное качество очищенной от железа воды, независимо от содержания железа в исходной воде. Ухудшение качества очищенной воды при градиентах потенциала более 2 В/см объясняется увеличением количества пузырьков газа, которые, поднимаясь вверх, препятствуют движению ионов железа в горизонтальном направлении.
При движении воды в постоянном электрическом поле происходит перенос ионов двухвалентного и трехвалентного железа к катоду благодаря их относительной подвижности [4]. Такие свойства ионов железа позволяют производить обезжелезивание воды при ее ламинарном движении снизу вверх через емкость в постоянном электрическом поле. Ламинарный режим движения воды снизу вверх позволяет свести до минимума влияние выделяющихся пузырьков газа на движение ионов железа от анода к катоду, что является одним из факторов, обеспечивающих повышение надежности процесса обезжелезивания воды.
Пример 2.
Исследование влияния температуры исходной воды на подвижность ионов железа в постоянном электрическом поле.
2+
2
3+
2
-6
-1
-6
-1
Предельная подвижность ионов железа в значительной степени зависит от температуры обрабатываемой воды [4, стр.404]. Так, например, при температуре 25°C предельная подвижность Fe равна 53,5 см/г-экв., a Fe - 68, см/г-экв. [4, стр.403]. Это при градиенте потенциала 1 В/см соответствует: 5,5×10 м·с и 7,05×10 м·с. Предельные подвижности при разных характерных для подземных вод температурах приведены в таблицах 2 и 3.
Таблица 2
Для Fe<sup>2+</sup>
t
0
5
15
18
25
u
26,7
31,4
41,9
45,2
53,5
Таблица 3
Для Fe<sup>3+</sup>
t
0
5
15
18
25
u
33,9
39,9
53,2
57,5
68
Таким образом, чем ниже температура исходной воды, тем меньше подвижность ионов железа, следовательно, при разных температурах они могут подходить к различным областям поверхности вертикального катода.
На поверхности катода происходит электрохимическое образование частиц гидроксидного осадка, в результате реакции образуются пузырьки водорода, которые легче воды, и поэтому движутся вверх быстрее воды. Кроме того, при транспортировании подземных вод на поверхность за счет перепада температур происходит выделение других газов, в частности воздуха, которые также движутся вверх. При движении вверх пузырьки увлекают с собой часть ионов железа, однако в верхней части емкости за счет увеличения скорости движения воды они уходят вместе с этой водой, увеличивая содержание в очищенной воде железа на выходе. Как показано в таблице 1, при градиенте потенциала 2 В/см и менее, такое влияние пузырьков газов сведено к минимуму.
2
В процессе исследований было установлено, что управление процессом обезжелезивания путем регулирования скорости движения исходной воды вдоль катода на основании контроля ее температуры затруднено из-за плохого соответствия данных, приведенных в таблицах 2 и 3 и реальных результатов: погрешность в отдельных случаях составляла 35% и более. Поэтому для гарантированного обеспечения требуемого качества воды на выходе из камеры обезжелезивания начальную скорость движения воды вдоль катода рекомендуется устанавливать на основе минимальной предельной подвижности 26,7 см/г-экв (при низких температурах), а дальнейшее гибкое регулирование скорости движения воды снизу вверх - по непрерывно измеряемым показателям содержания общего железа на выходе из камеры. Это также способствует повышению надежности процесса обезжелезивания и обеспечению гарантированного качества очищенной от железа воды.
Примерные расчеты для различных условий показали, что при оптимальных соотношениях между внутренним радиусом камеры и ее длиной эта длина может находиться в пределах от 1 до 1,5 метров в зависимости от требуемого общего расхода воды и принятого количества камер. Таким образом, реализация предлагаемого устройства возможна на компактных (малогабаритных) установках, что расширяет возможности применения данного способа обезжелезивания воды.
Пример 3. Исследование процессов отмывки катода.
Процесс удаления из воды ионов железа на первом этапе завершается электрохимическим образованием на катоде определенного количества частиц гидроксида железа [5]. Для последующего отделения этих частиц от поверхности катода изучалась возможность его отмывки и удаления частиц гидроксида железа из камеры обезжелезивания. Для этого вдоль катода снизу вверх пропускалась вода с повышенной скоростью (турбулентный режим) и оценивалось качество отмывки в процентах. Время отмывки во всех случаях не превышало 1 минуты. При этом было установлено, что эффективность отмывки в значительной степени зависит от величины градиента потенциала постоянного электрического поля, при которой осуществлялось обезжелезивание воды на первом этапе. Результаты исследований приведены в таблице 3.
Таблица 4
Градиент потенциала, В/см
Скорости движения промывной воды, м/сек
0,5
0,7
0,9
1,1
1,3
Качество отмывки катода, %
1
75
90
100
100
100
2
60
85
100
100
100
3
50
65
80
90
95
4
30
40
55
60
60
5
10
15
30
40
40
6
0
0
10
10
10
7
0
0
0
0
0
8
0
0
0
0
0
Как видно из таблицы 3, при скорости движения промывной воды снизу вверх не менее 0,9 м/сек полная отмывка катода обеспечивалась в тех случаях, когда обезжелезивание осуществлялось при градиентах потенциала не более 2 В/см. Анализ отмытых частиц показал, что они представляют собой гидроксид железа. Кроме того, было установлено, что при градиенте потенциала более 6 В/см отмывка катода с указанными скоростями не обеспечивается. Таким образом, при градиентах потенциала не более 2 В/см обеспечивается продолжительный срок службы катода. При этом попутно получается ценный продукт в виде частиц гидроксида железа с последующей их утилизацией.
По сравнению с прототипом предлагаемое устройство обладает следующими преимуществами:
1. Высокая надежность процесса обезжелезивания воды за счет гибкого автоматического управления.
2. Обеспечивается гарантированное качество очищенной от железа воды независимо от количества ионов железа в исходной воде.
3. Расширяются возможности применения за счет компактности оборудования: появляется возможность устанавливать устройства на каждой водозаборной скважине, при этом отпадает необходимость строительства дорогостоящих водоочистных сооружений с насосными станциями и водоводами, подающими исходную воду на эти станции и отводящими очищенную воду для подключения к сети потребителей.
4. Значительно снижается строительная стоимость устройства за счет его малых габаритов и возможности расположения в существующих павильонах над скважинами.
5. Уменьшаются эксплуатационные затраты за счет полной автоматизации, отсутствия необходимости в использовании расходных материалов (реагенты, мембраны, растворимые электроды) и минимальных затрат электроэнергии на очистку (градиент потенциала 2 В/см, сила тока от 0,01 до 0,07 А).
6. Безотходная технология: попутное получение ценного продукта - гидроксида железа, который является дорогостоящим каталитическим сорбентом нового поколения.
Изобретение можно использовать для питьевого и технического водоснабжения. Устройства могут быть заводского серийного изготовления.
ЛИТЕРАТУРА
1. Строительные нормы и правила. Водоснабжение. Наружные сети и сооружения: СНиП 2.04.02-84: введ. 01.01.86. - М.: Стройиздат, 1985. - С.43.
2. Кульский Л.А., Строкач П.П. Технология очистки природных вод. - Вища школа, 1981 - С.213-221.
3. Патент на изобретение РФ №2045481 Напорный электролизер Ищенко. Опубликован 10.10.1995.
4. «Курс физической химии» под общей редакцией чл.-корр. АН СССР проф. Я.И. Герасимова. Том II, издание второе, исправленное Издательство «Химия» 1973 Москва. - с.404, Таблица XVII, 2. «Предельные подвижности ионов в воде при 25°C».
5. Никитин М.А., Мельникова В.П. Химия в реставрации. Справочное издание. - СПб. «Центр ТЕХИНФОРМ», 2002, с.156-158.