CC BY
139
УДК544.6.076
ПРОЕКТ БЫТОВОГО ЭЛЕКТРОРЕАГЕНТНОГО АППАРАТА ДЛЯ ОЧИСТКИ ПИТЬЕВОЙ ВОДЫ ИЗ ПРИРОДНЫХ ИСТОЧНИКОВ
Г.В. Лепеш1, А.П.Матвеенко2, Н.И. Киселев3 Санкт-Петербургский государственный университет сервиса и экономики (СПбГУСЭ),
191015, Санкт-Петербург, ул. Кавалергардская, 7
Аннотация - Разработан проект бытового электрореагентного аппарата для очистки питьевой воды из природных источников. Аппарат предназначен для очистки питьевой воды в полевых условиях - в туристических походах, на рыбалке, в дачных поселках и др., с целью защиты здоровья человека от ионов тяжелых металлов, патогенных микроорганизмов и токсичных органических соединений.
Ключевые слова: природная вода, электрофлотация, электрореагентная очистка, электрохимический реактор.
THE PROJECT OF THE HOUSEHOLD ELECTROCHEMICAL DEVICE FOR CLEARING OF POTABLE WATER FROM NATURAL SOURCES
G.V.Lepesh, A.P.Matveenko, O.I.Savelev The St.-Petersburg state university of service and economy (SPbSUSE), 191015, St.-Petersburg, streetKavalergardsky, 7 The summary - Household electrochemical the device project Is developed for clearing of potable water from natural sources. The device is intended for potable water clearing in field conditions - in hikes, on fishing, in housing estates, etc., for the purpose of protection the person health against ions, of heavy metals, pathogenic microorganisms and toxic organic connections.
Keywords: natural water, electroflotation, electrochemical clearing, the electrochemical reactor
Основанием для разработки бытового прибора для очистки питьевой воды является:
-сверхнормативное загрязнение природных источников питьевой воды, а также непригодность водопроводной воды для длительного хранения и транспортировки без специальной ее доочистки и консервации:
-практически необратимое загрязнение естественных водоемов ионами тяжелых металлов, патогенной микрофлорой и токсичными органическими веществами в процессе слива и смешения сточных вод с природными микроорганизмами и продуктами их метаболизма;
-неизбежное загрязнение активного ила донных отложений ионами тяжелых металлов, что приводит к отравлению консументов, простейших и зеленых водорослей с последующей их мутацией или к отмиранию с образованием токсичных продуктов их лизиса и биохимического распада, что сделает отработанный ил непригодным для самоочистки природных водоемов;
- непригодность воды из загрязненных водоемов для ее стерилизации кипячением вследствие образования токсичных вторичных продуктов химической и биохимической трансформации.
Основные методы очистки воды от перечисленных загрязнений расмотрены в работе [1]. Рассмотрим некоторые современные устройства и способы очистки природной воды, применяемые для этих целей.
Так, для очистки воды для вахтенных поселков на нефтяных месторождениях применяются мобильные станции водоподготовки французской нефтедобывающей компании «Тоталь» и Тюменской Нефтяной Компании (рис.1). В качестве источника питьевой воды используются скважины.
Исходную воду в основном характеризуют превышения ПДК по следующим показателям: Железо общее и органическое (превышение в десятки раз); соли жесткости; органические примеси; нефтепродукты; посторонние запахи; общая минерализация (выше 1500 мг/л);
цветность (более 20 град.); мутность (более 5.0 мг/л).
Для очистки воды от примесей и приведения ее в соответствии с нормами [2] применяют целую систему фильтров, различного назначения и способа фильтрации. Так в состав упомянутойстанции входит следующее оборудование: станция пропорционального дозирования перманганата калия; автоматические фильтры осветлители серии FE; автоматические фильтры обезжелезиватели серии MG; автоматические фильтры сни-
жения солей жесткости серии SPF; автоматические сорбционные фильтры серии СА; обратноосмотические установки Ак-ваРос-Б/1500 и АкваРос-Б/1000; накопительные емкости; насосные станции; станция корректировки рН; УФ-установка для обеззараживания и другое оборудование, обеспечивающее работу станции в непрерывном режиме. Все оборудование обвязано пластиковыми трубами и прочно закреплено в контейнере «зимнего» типа.
Рисунок 1 - Оборудование мобильной станции водоподготовки
Как правило, после такой очистки вода отвечала всем требованиям существующих норм [2], а по большинству показателей отвечала стандартам ЕС. Общая стоимость станции составила примерно $50 000 (с доставкой до места назначения и пуско-наладкой специалистами «Контур-Аква»). Известны различные компоновки оборудования подобных станций, однако они либо обладают сравнимой стоимостью, либо не справлялись с предъявленными требованиями по качеству очистки [2] или мобильности станции.
Все виды природных вод, загрязненных бытовыми, ливненвыми и промышленными стоками включают в себя широкий спектр органических примесей, таких например как бытовые и промышленные растворители, синтетические поверхностно активные моющие средства, продукты неполного сгорания бензина и дизельного топлива, токсичных продуктов дезаминирования белка микробного, растительного и деструкции биоты (кон-сументы, прстейшие): Усредненный со-
став вредных примесей приведен в таблице 1.
Таблица 1 - Средние концентрации основных нормируемых примесей в загрязненных природных водах северно-западного региона восточной Европы__________________
№ п/п Показатели Концентрация, кг/м3
1 2 3
1 рН 5,0 - 6,0
2 &+6 0,005
3 Железо (общ) 0,003
4 Цинк 0,004
5 Никель 0,002
6 Марганец 0,002
7 Кальций 0,04
8 Фтор-ион 0,008
9 Сульфаты 0,055
10 Нитраты 0,03
11 Фосфаты 0,035
12 Минерализация 1,5
13 Органические в-ва 0,1
В основе разрабатываемого мобильного аппарата очистки питьевой воды от природных источников (далее -
Аппарата) положена технология, основанная на применении электрокатализа для трансформации органических и орга-но-минеральных комплексных солей [3]. Данная технология апробирована на промышленных и полупромышленных установках [1,3]. Технология позволяет привести в соответствие нормативным документам все нормируемые показатели питьевой воды [2], в том числе, надежно снижает растворенные в воде наиболее трудноудалимые ионы железа, бария, марганца, радионуклидов и других нормируемых показателей до уровня ПДК и лучше. Особенностью данной технологии является также удаление других примесей (нитритов, нитратов, солей тяжелых металлов, органических и хлорорганиче-ских соединений, а также обеззараживание бактериально загрязненных вод и улучшение органолептических показателей воды) которые могут появляться в процессе эксплуатации источника водоснабжения, что значительно увеличивает надежность очистки. Эта технология показала свою высокую надежность в обеспечении заданных параметров качества воды на выходе установки, при сильно загрязненной воде на ее входе, как для подготовки питьевой воды, так и для очистки сильнозагрязненных промышленных и хозбытовых стоков.
Назначение разрабатываемого Аппарата - очищать следующие виды воды (табл. 2):
-разбавленные природные воды (воды рек, озер, собранные дождевые воды и др.);
- воды колодцев с поверхностными грунтовыми водами;
-артезианскую воду и др.
Вся конструкция Аппарата (рис.2) размещена в небольшом контейнере, который предназначен для удобного перемещения или переноса аппарата. В контейнере так же предусмотрены специальные отсеки для хранения реагентных смесей РС1, РС2.
Все используемые в процессе очистки реагенты не являются токсичными. Используемые в процессе очистки в качестве реагентов фосфорная кислота и
гидроокись натрия могут нанести ущерб здоровью человека и природе при попадании в концентрированном виде. Поэтому, основным способом предотвращения возможного ущерба является организация хранения этих веществ, выполнение технологического регламента при приготовлении реагентных смесей, соблюдение техники безопасности и пром-санитарии при проведении данных работ.
Таблица 2 - Состав природной питьевой
1
воды
1 Указанный в табл. 2 перечень показателей может быть дополнен при необходимости показаниями из СанПин 2.1.4.559-96; ГН 2.1.5.690-98, ГН 2.6.1.054-96(НРБ-96).
№ п/ п Наименование показателя очистки природной воды Фактическая концентрация, мг/дм3
1 2 3 4
значения не более, лимитирующий признак показа- тели очистки
Органолептические показатели
1 Запах при 20оС, балл 2 0
2 Запах при 60 оС,балл 2 0
3 Привкус, балл 2 0
4 Мутность мг/дм.куб 1.5 0.2
5 Цветность, град. 20 6
Обобщенные показатели
6 PH 6.0-9.0 7.4
7 Окисляе-мость перм., мг кис./дм.куб 7.0 2.0
8 Окисляе-мость бихр., мг кис./дм.куб 15.0 8.4
9 СПАВ, мг/дм.куб 0.5 0.2
10 Алюминий, мг/дм.куб 0.5 сан. токс. <0.01
11 Железо общее, мг/дм.куб 0.3 0.1
Продолжение табл. 2
1 2 3 4
12 Амиак и ионы, аммония мг/дм.куб 2.0 2.0
13 Нитриты, мг/дм.куб 3.3 0.5
14 Нитраты, мг/дм.куб 45.0 4.8
15 Хлориды, мг/дм.куб 350.0 24
16 Cульфаты, мг/дм.куб 500.0 38
17 Жесткость, мг-экв/дм.куб 7.0 3.0
18 Магний, мг/дм.куб 30.0 7.0
19 Кальций, мг/дм.куб 100.0 18.0
20 Хлор остаточный связанный, мг/дм.куб 0.8-1.2 <0.8
21 Хлороформ, мг/дм.куб 0.2 0.14
22 Четыреххлористый углерод, мг/дм.куб 0.002 0.001
23 Дихлорбромметалл, мг/дм.куб 0.03 0.02
24 Фенол, мг/дм.куб 0.001 <0.00 1
25 Кадмий, мг/дм.куб 0.001 <0.00 1
26 Кобальт, мг/дм.куб 0.1 <0.01
27 Хром общий, мг/дм.куб 0.05 <0.02
28 Марганец, мг/дм.куб 0.1 <0.01
29 Медь, мг/дм.куб 1.0 <0.1
30 Никель, мг/дм.куб 0.1 <0.05
31 Cвинец, мг/дм.куб 0.03 <0.00 1
32 Цинк, мг/дм.куб 5.0 <1.0
33 Ртуть, мг/дм.куб 0.0005 <0.00 05
34 Cеребро, мг/дм.куб 0.05 <0.01
Бактериологические показатели
35 Общее микробное число 50 0
36 Термотолерантные колиформ-ные бактерии Отсутствие в 300 мг отсут- ствие
37 Общие коли-формные бактерии Отсутствие в 300 мг отсут- ствие
Продолжение табл. 2
1 2 3 4
Радиологические показатели
38 Общая альфа- радиоактивность Бк/л (для воды подземных источников) 0.1 <0.01
39 Общая бета- радиоактивность Бк/л (для воды подземных источников) 1.0 <0.1
Аппарат очистки природной воды (рис.2) имеет в своем составе, согласно проекту, электрохимический реактор объемом 12 литров, в корпусе 1, которого расположены Ь-ячейки с цилиндрическими электродами 4, выполненными из металлокерамического сплава, запиты-ваемые от мобильного источника электропитания. Корпус электрохимического реактора имеет сборник флотошлама 2, образующегося при флотации. В верхней крышке электрохимического реактора размещен электродвигатель, работающий в двух режимах - обеспечивающий интенсивное перемешивание водного раствора при электрореагентной обработке и
- процесс флотации водного раствора (коллоидной смеси) на различных стадиях процесса очистки воды посредством привода турбины 3. Для сбора очищенной воды предусмотрен резервуар 5. Последовательную подачу кислого и щелочного реагентов при обработке воды из емкостей реагентных смесей 9 обеспечивают перистальтические насосы 6 и 7 . Насос 8 обеспечивает сброс желеобразного осадка с целью его последующей утилизации, а также обеспечивает перекачку очищенной воды в резервуар 5 через механический фильтр 10, обеспечивающий удаление обезвреженного гелеобразного осадка. Для регенерации механического фильтра предусмотрен УЗИ-регенератор.
Рисунок 1 - Схема аппарата: 1 - корпус электрохимического реактора; 2 - приемная емкость для флотошлама; 3 - турбина флотатора; 4 - электрохимическая ячейка; 5 -емкость чистой воды; 6,7 - перистальтические насосы подачи реагентов; 8 - насос; 9 - дозирующие емкости реагентных смесей; 10 - механический фильтр; 11 - УЗИ-регенератор
Для удаления полученных в процессе очистки щелочных осадков из пресной и артезианской воды принято по-стадийная электрофлотация, фильтрование и деструкция с противоточным сбросом обводненного осадка. При этом использование электрореагентного способа очистки по сравнению с реагентной очисткой электрофлотацией вредных примесей с гидроокисями алюминия обеспечивает:
-значительную экономию дозируемых реагентов;
-уменьшение объема и токсичности выделяемых осадков;
-улучшение промсанитарии при
сбросе осадков на грунт или в канализацию;
-улучшение показателей очищенных вод из различных водоемов;
-улучшение показателей очистки природных вод до требований на использование очищенных вод в качестве питьевой и санитарно-гигиенической.
Разовая производительность Аппарата составляет 10л. Режим работы -16 часов в сутки в течение 250 дней в году с кратным временем разовой очистки
- 30 мин.
Профилактическое обслуживание производится с остановкой и без остановки основного процесса за счет взаи-
мозаменяемости функциональных агрегатов, со снижением производительности Аппарата до 20 л/часАппарат обеспечивает очистку концентрированных и разбавленных природных вод различного состава примесей, включающих в себя: соединения бария, алюминия, кремния, хрома; соединения железа, стронция и марганца; соединения радиоактивных металлов и радона; соединения цинка, меди и никеля; соединения фосфатов и сульфатов; соединения кальция и магния; кислоты, щелочи и соли биоорганического происхождения; микроорганизмы и простейшие; нефтепродукты, лаки, краски, взвешенные вещества.
Отходящими потоками являются очищенная вода и сброс концентрата от очистки воды. Количественный баланс водопотребления и водоотведения представлен в табл. 3.
Таблица 3 - Количественный баланс водо-потребления и водоотведения
Основные характеристики применяемого на стадиях очисти сырья и вспомогательных материалов приведены в табл. 4.
В ходе эксплуатации аппарата не происходит выделения вредных газообразных веществ. Основными газообразными продуктами реакции являются водород и кислород, отвод которых осуществляется через зазоры в крышке реактора путем естественной вентиляции. Дан-
ные продукты являются абсолютно экологически безопасными при соблюдении правил техники безопасности. Опасным может быть газообразный водород, в определенных концентрациях с воздухом (кислородом) образующий взрыво- и по-жароопасносные смеси.
Оценку этой опасности оценим расчетом концентрации водорода в смеси с воздухом, которая не должна превышать нижнего концентрационного предела взрываемости (КПВ) водородновоздушной смеси. Теоретически возможная производительность получения водорода может быть оценена по формуле [4]:
V = ^ ^ м3/час, где: и - мольный объем г-Р
3 т
водорода, м ; I - токовая нагрузка электролизера, А; г - число электронов, участвующих в реакции образования водорода; Г - постоянная Фарадея, моль/А-ч.
Учитывая, что нижний КПВ водородно-воздушной смеси 4%, проведенные оценки по данной формуле показывают его незначительные концентрации на рабочих режимах устройства (не более 0,00002 м3/час) . На практике выход водорода по току составляет 10 - 15% от теоретически возможного [4]. При таких условиях, требования взрывобезопасно-сти электрохимического реактора не оставляют сомнений.
Все используемые в процессе очистки реагенты не являются токсичными. Используемые в процессе очистки в качестве реагентов фосфорная кислота и гидроокись натрия могут нанести ущерб здоровью человека и природе при попадании в концентрированном виде. При этом потребителю Аппаратов данные реагенты поставляются в безопасных концентрациях. Опасным может быть производство реагентов. Поэтому, основным способом предотвращения возможного ущерба является организация хранения этих веществ, выполнение технологического регламента при приготовлении реагентных смесей, соблюдение техники безопасности и промсанитарии при проведении данных работ.
№ п/п Наименование потока Расход, л/час
Входные потоки
1. Разбавленные природные воды 24
2. Концентрированные технологические стоки 0,8
3. Артезианская вода 2-НІ8
4. Приготовление реагента I стадии 0,08
5. Приготовление реагента I I стадии 0,08
6. Хозбытовые нужды 0,15
Выходные потоки
7. Очищенная вода 8ч-10
8 Потери на выделение осадка 2
Таблица 4 - Основные свойства сырья и вспомогательных материалов
Наименование Общая характеристика, концентрация г/л Токсичные свойства (характер воздействия на организм человека, класс опасности) ПДК, мг/л
в воздухе раб. зоны в воздухе населенных мест в воде
1 2 3 4 5 6
СЫ РЬЕ
Разб. природная pH 5-6
вода Хром (VI) 0,015 3 - - отс.
Железо (общ) 0.01 Цинк 3 - - 0,5
0.05 3 - - 0,02
Никель 0.02 3 - - 0,1
Фтор-ионы 3 - - 0.015
Органические вещества 3 - - (следы)
Вода из колодцев рН 5-6
с поверхностными Хром (VI) 0.15 3 - - отс.
грунтовыми вода- Железо (общ) 0.03 3 - - 0,5
ми Нитраты 6.0 3 - - 3,6
Нитриты 0,2 3 - - 0,002
Никель 0,8 3 - - 0,001
Марганец 0,8 3 - - 0,2
Железо (общ) 0.01 Цинк 3 - - 0,1
0.05 3 - - 0.01
Фосфаты 11 4 - - 4
Сульфаты 1,15 3 - - 12
Артезианская во- рН 6.5-7
да Железо (общ)6.1 мг/л 3 - - 0, 5
Нитраты 2.45 мг/л 3 - - 3,6
Фосфаты 11 3 - - 4
Сульфаты 1,15 3 - - 12
Стронций 1.1 3 - - 0.5
ВСПОМОГАТЕЛЬНЫЕ МАТЕРИАЛЫ
Ортофосфорная Массовая доля основного 2 - - -
кислота вещества не менее 73% ожоги кожи
Термосульфат Массовая доля CaSO4 не 4 - - -
кальция менее 98%
Окись кальция Массовая доля не менее 2 - - -
99,5% ожоги кожи
Раствор гидро- Массовая доля №ОН не 2 0,5 - -
окиси натрия менее 45% ожоги кожи мг/м
Хранение реагентов в концентрированном виде осуществляется в специально оборудованном складском помещении с вентиляцией. Количество реагентов, непосредственно находящихся в помещении очистных сооружений определяется размерами одной полной заправки реагентных баков и не должно превышать ее. Не допускается смывание в водоёмы или на грунт случайно пролитых веществ без их предварительной
нейтрализации.
Выделившиеся в процессе очистки осадки, которые являются смесью загрязняющих веществ, связанных, в основном, в оксидные и гидроксидные, малорастворимые формы и не могут нанести экологический ущерб. Для определения способов хранения и утилизации осадков (табл.5) рассчитывается суммарный коэффициент опасности осадков.
Таблица 5 - Усредненный состав сухого
осадка
№ [/п Наименование компонента Содержание в сухом остатке в %
1. Кальций 20,0
2. Триполифосфаты 20,0
3. Железо (общ) 11,7
4. Соли щелочных металлов 5,2
5. Органика 1,3
6. Фториды 0,95
7. Хром (общ) 0,7
8 Карбонаты и ульфаты остальное
Исходя из методики расчета класса опасности осадка [5] выбираем наиболее характерные соединения для данного вида осадков. Таковыми являются соединения железа, кальция и хрома.
Коэффициент опасности отдельных компонентов осадка определяется по
формуле [5]:Кг =----Ье^50 „ ч, где: К* -
^ к 1 >-.11 + од. (р- + св)’ м I
коэффициент опасности отдельного компонента; ЬО50 - токсикологический коэффициент, мг/кг; 5£ - безразмерная величина, растворимость вещества в 100 г воды деленная на 100; F - безразмерная величина, давление насыщенного пара отдельного компонента в мм.рт.ст. (для веществ имеющих 4ш1 при 760 мм.рт. ст. < 80° С, для /=25 °С, полученную величину делят на 760); Св - концентрация вещества в общей смеси, тн/тн.
Соединения хрома (на примере триполифосфата хрома) имеют коэффициент опасности 24. Соединения железа (гидроокись железа) имеют коэффициент
опасности 9,8. Соединения кальция (од-нозамещенный фосфат кальция) имеют коэффициент опасности 17. Общий коэффициент опасности осадка определяет-
1 "
ся согласно формуле [5]: 1у= —;
~ Л 7=1
где п - количество компонентов, характеризующих осадок, п < 3; Кі - коэффициенты опасности компонентов осадка; КЕ - общий коэффициент опасности осадка.
Общий коэффициент опасности осадка составляет 12,8. Т.о. осадок относится к классу опасности выше 10 и характеризуется как “чистый грунт”.
Данный осадок может быть использован для отсыпки в грунт, рекультивации свалок.
Литература
1. Лепеш Г.В., Матвеенко А.П., Носов Э.С.. Обоснование и разработка агрегатов электрореа-гентной очистки питьевой воды . Техникотехнологические проблемы сервиса. №1(11) 2010 г. стр. 64 - 79
2. СанПиН 2.1.4.1074-01. "Питьевая вода. Гигиенические требования к качеству воды централизованных систем питьевого водоснабжения"
3. Матвеенко А.П. Электореагентная технология очистки и кондиции водных растворов и коллоидных ассоциатов./ Технико-технологические проблемы сервиса. №2(8) 2009. с. 50 - 54 .
4. Стендер В.В.. Прикладная электрохимия. изд. Харьковского университета им. А.М.Горького. Харьков. 1961 г.
5. Нормативные материалы. «Предельное содержание токсичных соединений в промышленных отходах, обусловленных отнесением этих отходов к категории по токсичности.» Москва, 1984 г.
1 Лепеш Григорий Васильевич, доктор технических наук, профессор, заведующий кафедрой «Сервис торгового оборудования и бытовой техники» СПбГУСЭ. тел.: (812)362-4413; E-maiI:gregoryI(a)yandex.ru.
2 Матвеенко Александр Петрович, кандидат технических наук, доцент кафедры «Сервис торгового оборудования и бытовой техники». Тел.: + 7 911 1443927, E-mail: a/matveenko(a),bk.ru
3 Киселев Николай Игоревич, аспирант кафедры «Сервис торгового оборудования и бытовой техники». Тел.: + 7 962 7259409
