Проект бытового электрореагентного аппарата для очистки питьевой воды из природных источников Текст научной статьи по специальности «Экологические биотехнологии»

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