CC BY
79
УДК 628.1
Аверина Ю.М., Курбатов А.Ю., Джессу Лубо Ивон Седрик, Ветрова М.А. ГИДРОДИНАМИЧЕСКАЯ ОБРАБОТКА ПРИРОДНОЙ ВОДЫ
Аверина Юлия Михайловна - к.т.н., доцент каф. ИМиЗК, председатель ОСМУСС РХТУ имени Д.И. Менделеева, e-mail: [email protected];
Ветрова Маргарита Александровна - студентка каф. ИМиЗК РХТУ имени Д.И. Менделеева; Курбатов Андрей Юрьевич - генеральный директор ООО «КОБГАРД» Российский химико-технологический университет им. Д.И. Менделеева, Москва, Россия 125190, Москва, Миусская пл., 9
Джессу Лубо Ивон Седрик (Республика Кот Дивуар) - магистр кафедры физической и коллоидной химии РУДН Российский университет дружбы народов (РУДН), Москва, Россия 117198, Москва, ул. Миклухо-Маклая, д. 6.
Статья посвящена современному исследованию в области эффективных и экологически безопасных методов очистки воды. В ходе исследований разработана схема установки гидродинамической обработки природной воды для очистки от растворенных форм железа и марганца. Предложенный способ может быть использован для водоподготовки частных домов и коттеджей.
Ключевые слова: очистка воды, обезжелезивание, окисление железа, аэрация, дегазация, удаление солей жёсткости, обеззараживание, гидродинамическая обработка воды.
HYDRODYNAMIC PROCESSING OF NATURAL WATER
Averina Yu.M. Kurbatov A.Yu., Jess Loubo Yvonne Cedric, Vetrova M.A. Mendeleev University of Chemical Technology of Russia, Moscow, Russia Sedric Ivon Amy Sedric (Cote d'Ivoire) Peoples Friedship University of Russia, Moscow, Russia,
The article is devoted to modern research in the field of ecologically safe and simultaneously effective methods for water treatment. The scheme of installation for hydrodynamic processing of natural water is given. The proposed method can be used for water treatment ofprivate houses and cottages.
Key words: water purification, deironing, iron oxidation, aeration, degassing, removal of hardness salts, disinfection, hydrodynamic water treatment.
Наличие чистой воды является одним из основных факторов, определяющим возможность существования человека. По данным ООН, сейчас уже почти все поверхностные и менее половины подземных вод, используемых в процессе жизнедеятельности человека, проходят
вынужденные стадии очистки [1].
Основными проблемами, принуждающими осуществлять водоподготовку природных вод, являются такие факторы как:
• повышенное содержание вредных для организма человека веществ в воде (железо, марганец, тяжёлые металлы, растворенные газы и т.д.);
• содержание в воде, так называемых, «солей жесткости», приводящих к выходу из строя различного теплотехнического оборудования в процессе его работы и вредно влияющих на кожный покров человека.
• содержание в воде различных патогенных микроорганизмов (кишечная палочка и т.д.).
При наличии в планируемых для водоснабжения населения поверхностных источниках веществ, требующих их удаление, существует возможность применения подземных источников воды. Подземные источники в этом случае более перспективны, т.к. в меньшей степени подвержены дополнительному загрязнению из атмосферы или окружающей среды. При этом подземные источники, в зависимости от района расположения, в некоторых случаях содержат в себе, повышенные в несколько раз от норматива, различные минеральные соли и органические вещества.
В Российской федерации, среди подземных источников водоснабжения, достаточно часто наблюдается превышение в несколько раз по содержанию двухвалентного железа в воде, что вызывает необходимость производить
водоподготовку воды из такого источника. В противном случае при постоянном употреблении человеком такой воды со временем у него может возникнуть болезни пищеварительной системы, почек и печени, не говоря уже о состоянии кожных
покровов. По нормам СанПиН 2.1.4.1074-01, содержание общего железа в воде должно быть не более 0,3 мг/л, марганца - 0,1 мг/л, жёсткости - 7,0 мг-экв./л.
Также стоит отметить и тот факт, что при содержании в воде железа выше нормы в ней образуются железобактерии, которые сами по себе для здоровья человека не опасны, чего нельзя сказать о продуктах жизнедеятельности этих бактерий.
На данный момент основными проблемами в водоподготовке являются процессы по удалению растворенных форм железа и марганца, а так же солей жёсткости, что в свою очередь определяет перспективы развития исследований в этой области. В зависимости от окислительно-восстановительного потенциала, которым обладает вода, а так же значения её рН, железо в ней может существовать в различных формах [2,3].
Ключевой задачей описанного в статье проекта является разработка многофункциональной и экологически адаптированной установки для очистки вод, как с поверхностных, так и из подземных источников, для массового круга потребителей. Предлагаемая установка представляет собой аналог основных применяемых на данный
момент установок очистки природных вод, в которой стадии обработки воды осуществляются при помощи гидродинамического генератора колебаний (ГДГК).
При прохождении через ГДГК в жидкости реализуются кавитационные (волновые) эффекты. ГДГК-устройство способствует интенсификации массообменных процессов лишь за счёт использования собственной кинетической энергии обрабатываемого потока жидкости. Так же в результате такой гидродинамической обработки возрастает насыщение воды воздухом, тем самым способствуя увеличению скорости процесса окисления растворимых форм железа. После прохождения обрабатываемой жидкости через ГДГК-устройство окисленные/нерастворимые
соединения выпадают в осадок и их остаётся лишь удалить с помощью стандартного фильтровального оборудования..
За счёт многофункциональности
применяемого ГДГК-устройства, разрабатываемая установка может быть достаточно компактной. Нами предложена принципиальная схема для осуществления гидродинамической обработки природной воды, представленная на рисунке 1.
Рис. 1. Принципиальная схема установки для гидродинамической обработки природной воды: Н1, Н2 - насосы; М1, М2 - манометры, ВН1-ВН6 - вентили, Р1 - ротаметр, Е1-Е3 - ёмкости, ГДГК -гидродинамический
генератор колебаний, Ф1 - фильтрующий элемент;
Методика проведения гидродинамической обработки воды
Для проведения процесса водоочистки обрабатываемая вода накапливается в ёмкости Е1, из которой она забирается центробежным насосом Н1 и прокачивается через гидродинамический генератор колебаний (ГДГК) в емкость с обработанным раствором Е2. При прохождении обрабатываемой воды через ГДГК в ней возникают волновые процессы (при определённых гидродинамических параметрах движения жидкости), способствующие ускорению массообменных реакций.
Конструкционная геометрия ГДГК-устройства, при закручивании потока в рабочей камере устройства, создаёт в ней зону разрежения, куда конструкцией предусмотрено (при необходимости) дозировать воздух для его дальнейшего диспергирования с целью насыщения
обрабатываемой воды кислородом. Расход воздуха, эжектируемого за счёт разряжения в рабочей камере ГДГК, регулируется при помощи ротаметра Р1.
Обработанная таким образом вода из ёмкости Е2 насосом Н2 подаётся на фильтрующий элемент с необходимым давлением. При выборе фильтрующих элементов, есть возможность использования широкого спектра различных фильтрующих материалов, как природного так и синтетического происхождения. Так же можно использовать автоматизированные системы фильтрации, основанные на ультрафильтрации и обратном осмосе. Очищенная после процесса фильтрации вода накапливается в емкости Е3.
Ключевым моментом является тот факт, что представленная схема водоочистки описывает процесс однократного прохождения воды через ГДГК. При многократной обработке воды при
помощи ГДГК степень и результаты её обработки значительно увеличиваются.
В процессе работы представленной установки требуется лишь промывка засыпного фильтра (кварцевый песок, гидроантрацит и т.д.) противотоком для «механического удаления» образовавшихся в процессе обработки воды нерастворимых частиц или регенерация блоков ультрафильтрации (в зависимости от типа применяемого блока фильтрации). В качестве фильтрующей загрузки в фильтрах могут быть также использованы полимерные фильтрующие нетканые материалы, разработка которых активно ведется на кафедре физической и коллоидной химии РУДН. Для улучшения органолептических показателей воды на финишной стадии очистки предусмотрена возможность применения фильтрующих элементов со специально подобранными марками активированного угля.
При этом не стоит забывать и об экономической стороне вопроса, т.к. заявленная технология, где ключевую роль играет пара «насос + ГДГК» на практике обеспечивает собой замену сразу нескольких стадий обработки, что в конечном итоге снижает финишную стоимость очистки воды.
Важно отметить, что разрабатываемые для обработки природной воды ГДГК-устройства позволяют реализовывать следующие процессы в очищаемой воде:
■ окисление растворённых веществ в воде до их нерастворимых форм;
■ умягчения до требуемых норм;
■ снижения солесодержания до требуемых норм;
■ дегазации;
■ аэрации;
■ частичного обеззараживания.
Использование гидродинамической кавитации более выгодно в сравнении с известными методами и устройствами ультразвуковой кавитации: меньшие удельные затраты энергии и металлоемкость кавитирующих аппаратов, простота их конструкций, отсутствие кавитационного износа деталей, непрерывность работы, большая
производительность, широкие диапазоны регуляции режимов работы, отсутствие сложного электронного оборудования, меньшая стоимость аппаратов и т.д.
Выводы
Представленная установка не требует существенных затрат на обслуживание, т.к. нет специальных химически регенерируемых сред, дополнительного использования химических реагентов и быстроизнашивающихся компонентов (явление кавитации не разрушает стенки ГДГК т.к. разрыв сплошности потока происходит не как при «обтекании твёрдого тела» - вблизи самого твёрдого тела, а по оси движения закручиваемого потока жидкости, что предохраняет стенки рабочей камеры ГДГК от схлопывающихся кавитационых пузырьков).
Экологическая составляющая разрабатываемой установки очистки природной воды проявляется не только в процессе обработки воды, но и при процессе регенерации используемых для процесса фильтрации материалов. При промывке фильтрующего элемента (кварцевый песок, гидроантрацит, мембранный блок ультрафильтрации и т.д.) будет использована уже очищенная вода, а т.к. в процессе обработки природной воды не применялось никаких дополнительных химических реагентов и каталитических засыпок, требующих химической регенерации, то процесс промывки будет осуществлён при более меньших затратах самих промывных вод, которые в дальнейшем можно напрямую отправлять в обычную канализацию.
Также стоит отметить, что конструкция ГДГК-устройства не содержит движущихся частей, что проявляется в простоте его применения и, соответственно, надёжности. Предложенный способ может быть использован в области водоподготовки для частных домов, коттеджей и промышленных предприятий, а также сельского и коммунального хозяйства, как в централизованных, так и децентрализованных системах водоснабжения.
Работа выполнена при финансовой поддержке РХТУ им. Д.И. Менделеева. Номер проектаX032-2018.
Список литературы
1. Крушенко Г.Г., Сабирова Д. Р., Петров С. А., Талдыкин Ю. А. Проблема воды // Вода и экология. Проблемы и решения. 2000. № 3. 28 с.
2. Крайнов С.Р., Швец В.М. Геохимия подземных вод хозяйственно-питьевого назначения. - М.: Недра.1987. 237 с.
3. Кирюхин В.К, Мелькановицкая С.Г., Швед В.М. Определение органических веществ в подземных водах. - М.: Недра, 1976. 192 с
