CC BY
148
АГРОПРОМЫШЛЕННАЯ ИНЖЕНЕРИЯ
УДК 631.67.03+628.161.2
СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ ТЕХНОЛОГИИ ОЧИСТКИ ПОЛИВНОЙ ВОДЫ НА СИСТЕМАХ КАПЕЛЬНОГО ПОЛИВА
В.В. Якубов, кандидат технических наук, доцент М.П. Мещеряков, кандидат технических наук, доцент
Волгоградский государственный аграрный университет
Устройство реагентно-каталитического обезжелезивания поливной воды на системах капельного полива осуществляет непрерывный технологический процесс удаления железа из подземных вод с минимальными экономическими затратами.
Ключевые слова: установка, сорбент, капельное орошение, загрузка, фильтр.
На территории Волгоградской области разведано более 150 участков месторождений подземных вод [5] для орошения культурных пастбищ, с целью создания кормовой базы, для сельскохозяйственного водоснабжения и для производственного водоснабжения. Многие фермеры на своих участках используют оросительную воду из скважин, но при этом существует серьезная проблема локальной доочистки воды от железа, так как две трети подземных источников характеризуются повышенным содержанием бикарбоната железа, сульфата железа и комплексных соединений.
Для эффективного использования железосодержащих вод в системах капельного полива необходимо иметь полную информацию по рациональным параметрам процесса обезжелезивания воды аэрационными методами, а это можно сделать только после проведения технологических испытаний непосредственно с использованием самого источника водоснабжения. Эти испытания предусматривают определение рационального вида и гранулометрического состава загрузки, величины насыщения воды кислородом воздуха, скорости фильтрации, высоты слоя загрузки, времени и условий ее регенерации [6]. Технологические испытания следует проводить на разработанной экспериментальной установке, состоящей из модульных фильтров. На разработанной нами установке [7] можно отрабатывать технологический процесс обезжелезивания по методу упрощенной аэрации и аэрофильтрации.
Основными технологическими параметрами, определяющими капитальные вложения и эксплуатационные затраты, являются: скорость фильтрации, высота слоя фильтрующей загрузки и скорость прироста потерь напора [2].
Формы, в которых железо находится в природных водах, в настоящее время недостаточно изучены. Железо в природных водах может находиться в виде двух- и трехвалентных ионов, коллоидов органического и неорганического происхождения, таких как Fe(OH)з, БеБ, Бе(ОН)2, комплексных соединений с гуматами и фульвокислотами, а также в виде тонкодисперсной взвеси. Коллоидная гидроокись железа образуется при рН выше 3, а осадок - при рН выше 4,5. В природных водах значение рН обычно колеблется в пределах 6,2-7,5, поэтому в них не может содержаться трехвалентное железо, но может присутствовать двухвалентное железо в виде ионов или в составе солей.
При частом использовании скважинной воды на орошаемом участке в трубах систем автоматического капельного полива появляется осадок, а после полива такой водой на стенках и в самих капельницах остается налет. Очистка воды при помощи различных сетчатых фильтров, безусловно, помогает избавиться от механических загрязнений, таких как песок, ржавчина, трубные отложения - и так далее, но не
приводит к должному результату в случае, если в воде присутствуют растворенные вещества или примеси [3].
Оптимальным вариантом предотвращения отложений в трубах и капельницах является предварительная частичная подготовка поливной воды для полива растений.
Монтаж и обслуживание фирменного оборудования (на примере системы Аэромаг, или блочного комплекса Аквавелл) для очистки воды требует специальных навыков и больших материальных затрат, поэтому разработка простейшей установки обезжелезивания воды, доступной фермерскому хозяйству, является актуальной задачей.
Для решения данной проблемы необходимо повысить эффективность системы водоподготовки, обеспечивающей эффективное удаление ионов железа из подземных вод, используемых в качестве источника полива растений, за счет разработки комплексной универсальной установки, работающей с минимальными энергетическими затратами.
Нами предлагается новое техническое решение - «Установка реагентно-каталитического обезжелезивания воды» (рис. 1), полезная модель [7], в которой предусмотрено двойное эжектирование воды с применением эффективных каталитических загрузок и природного сорбента. Данное устройство осуществляет обезжелезивание воды в соответствии с технологическим процессом. В нем исходная вода перед фильтрованием насыщается кислородом в устройстве двойной аэрации, либо дополнительно вводится реагент-окислитель из ряда гипохлорит натрия, хлор и других компонентов, а затем в каталитической загрузке ионы железа переходят в 3 -х валентную форму, которые окончательно задерживаются в сорбционной загрузке, состоящей из цеолитовых наполнителей (рис. 1.).
Рисунок 1 - Установка реагентно-каталитического обезжелезивания воды: 1 - корпус; 2 - вантуз; 3 - фильтрующая загрузка; 4 -водораспределительная система; 5 - трубы отвода промывной воды; 6 - бак промывной воды; 7 - труба для отвода чистой воды; 8 - труба реверсной подачи воды; 9 - сопло; 10 - труба для подачи воды; 11 - водозаборная труба; 12 - выходной патрубок трубы; 13 - труба подвода
окислителя;
14 - циркуляционная труба;15 - отбойник-распылитель; 16 - водосбросной клапан; 17 - сопло Лаваля; 18 - патрубок; 19 - тройник; 20 - запорно-регулирующие вентили; 21 - перемычки;
22 - перегородки; 23 - воронка; 24 - гребенка; 25 - трубы с верхней перфорацией; 26 -коллектор; 27 - сборник очищенной воды; 28 - промежуточная труба; 29 - глухая перегородка промывного бака; 30 - поддерживающий слой; 31 - камера I; 32 - камера II; 33 -
камера III,
34 - дозатор окислитель; 35 - проходные отверстия
Данные конструктивные особенности установки позволяют проводить интенсификацию процессов аэрации и каталитического окисления органических соединений в исходной воде, которую обеспечивает двухступенчатая аэрация за счет конструктивного выполнения входной части подающей трубы и наличием на ней сопла Лаваля, а также наличие в установке дозатора-окислителя и каталитической загрузки.
Снижение эксплуатационных затрат выполняется за счет проведения промывки без эксплуатации дополнительного промывного оборудования, т.е. промывка осуществляется из бака промывной воды с заявленным конструктивным выполнением. Исключение перемешивания слоев загрузки во время промывки обеспечивается конструктивным выполнением корпуса путем разделения его на три камеры, при котором первая и третья камеры заполняются своей фильтрующей загрузкой. Повышение производительности установки при высоких концентрациях железа и углекислоты в подземных водах обеспечивается за счет процесса глубокого обезжелезивания воды в каталитической загрузке с максимально развитой окислительной способностью, промежуточной камеры сбора закисной формы железа и снижения темпов гидравлических потерь напора в третьей камере, заполненной природным сорбентом для окончательного осветления воды.
Необходимо отметить, что качественный состав фильтрующих загрузок является определяющим в процессе предварительного обезжелезивания воды.
Для решения поставленных задач нами проведен анализ каталитических загрузок, существующих на рынке, выполнены лабораторные испытания некоторых их технических параметров.
В нашей установке в качестве окислительной загрузки за основу принята каталитическая загрузка МЖФ (гранулированный материал, который обладает каталитической активностью изготовлен на основе доломита). Сравнительная характеристика каталитических загрузок представлена в таблице 1.
Таблица 1 - Характеристики каталитических загрузок
Наименование показателя Каталитические фильтрующие загрузки
BIRM MTM GREEN SAND AMDX МЖФ МФО-47
Содержание нефтепродуктов, мг/л, не более Не должно Не должно Не должно Не должно Допустимо Не должно
Окисляемость перманганатная, мг О2/л, не более 5,0 10,0 10,0 10,0 - 2 (0,15*Fe +3)
Диапазон рН для удаления железа 6,8-8,0 6,5-8,5 6,2-8,5 6,8-8,0 5,5-9,0 7,0-8,0
Макс. содержание железа (II) , мг/л 5,0 15,0 15,0 5,0 50 10
о Мин. температура воды, С 5 5 5 5 5 8
Объемный (насыпной) вес, кг/м3 850-870 600-700 1200-1400 950-970 1400 1250
Аэрирование воды x x x x Да Да
Содержание микробиология. загрязнений Не должно Не должно Не должно Не должно допустим о -
Обменная емкость по железу ^е2+)мг/л - 353 353 - 500 2
Номинальная скорость фильтрации, м/ч 10-15 10-12 10-12 10 5-29 10
Высота слоя катализатора, мм 750-900 600-900 750-900 700 600 Более 700
Из таблицы видно, что загрузка МЖФ способна эффективно окислять железосодержащие воды с содержанием 2-х валентного железо в исходной воде до 50 мг/л, кроме того, эта загрузка наиболее отзывчива при дополнительной аэрации кислородом. При использовании такой загрузки значение рН исходной воды не сказывается на эффективности работы загрузки в процессе деманганации и обезжелезивания, кроме того, содержание сульфатов и хлоридов не влияет на эффективность работы МЖФ и на значение рН очищенной воды, которое всегда остается в интервале 7 - 8.
Загрузка МЖФ действует как катализатор окисления в реакциях взаимодействия растворенного кислорода с соединениями железа (II) и (III), в результате чего образуется гидроксид железа (III), который является нерастворимым соединением и легко удаляется обратным током воды.
В процессе прохождения воды через фильтрующий материал на его гранулах формируется пленка гидроксида железа, которая еще больше повышает сорбционные свойства материала не только по железу, но и по сероводороду, марганцу, алюминию, стронцию, хрому, барию, тяжелым цветным металлам, фенолу, фтору, радионуклидам. МЖФ переводит их в грубодисперсные примеси, которые легко задерживаются в фильтрующем слое.
Поскольку МЖФ является катализатором реакций окисления, то есть веществом, участвующим в реакции, но не расходующимся по мере ее протекания, для очистки воды от железа и марганца и других окисляющих воду загрязнений необходимо применять, впрыскивая его в поток, какой-либо окислитель: кислород воздуха, озон, гипохлорит натрия, перманганат.
Загрузка МЖФ в процессе эксплуатации не расходуется, является очень прочным материалом, физико-химические свойства сорбента отвечают требованиям ГОСТ Р 51641-2000 [1].
Рисунок 2 - Схема системы очистки воды при капельном орошении: 1 - водоисточник (скважина); 2 - насосная станция; 3 - гидроциклон; 4 - сетчатый фильтр; 5 - манометр; 6 - осадочная камера; 7 - сопло Лаваля; 8 - циркуляционная
труба; 9 - труба для подачи воды; 10 - трубы отвода промывной воды; 11 -фильтрующая загрузка; 12 - бак чистой и промывной воды; 13 - труба для отвода
чистой воды; 14 - корпус щелевого фильтра; 15 - щелевой фильтр; 16 - счетчик; 17 -магистральный трубопровод; 18 - распределительный трубопровод; 19 - регулятор
давления;
20 - оросительный трубопровод; 21 - капельницы
Для окончательного осветления воды в третьей камеры установки (патент №132792) применяется сорбент (природный цеолит). Экспериментальные исследования проводились в отношении таких фильтрующих загрузок, как кварцевый песок, пенополистирол и природный цеолит. В ходе пробного фильтрования воды с содержанием закисной формы железа (после каталитического окисления) наилучшие результаты по длительности осветлительного фильтрования показала загрузка из природного сорбента (цеолит марки М-4).
В известной технологической схеме капельного орошения [4] предлагается дополнительный монтаж реагентно-каталитической установки, которую можно установить между гидроциклоном и щелевым фильтром. Тем самым можно будет использовать систему капельного орошения с забором железосодержащей воды из водоносных горизонтов Волгоградской области.
Таким образом, на основании проведенных исследований можно сделать заключение о целесообразности применения устройства реагентно-каталитического обезжелезивания поливной воды, обеспечивающее непрерывный технологический процесс удаления железа из подземных вод с минимальными экономическими затратами.
Библиографический список
1. ГОСТ Р 51641-2000. Материалы фильтрующие зернистые [Текст]. - М.: Госстандарт России, 2002. - 12 с.
2. Овчинников, А.С. Исследование природных сорбирующих мелиорантов при водосберегающем орошении [Текст]/ А.С. Овчинников, Е.П. Боровой, М.П. Мещеряков // Известия Нижневолжского агроуниверситетского комплекса: наука и высшее профессиональное образование. - 2012. - № 1 (25). - С. 3-7.
3. Овчинников, А.С. Управление поливом на участках капельного и внутрипочвенного орошения [Текст]/ А.С. Овчинников, М.П. Мещеряков, В.С. Бочарников // ВНИИ «Радуга». - Коломна: Инлайт, 2012. - С. 91-93.
4. Овчинников, А.С. Эффективность применения и конструкции систем внутрипочвенного и капельного орошения при возделывании сладкого перца [Текст]/ А.С. Овчинников, М.П. Мещеряков // Вестник Саратовского госагроуниверситета им. Н.И. Вавилова. - 2007. - № 5. - С. 74-78.
5. Якубов, В.В. Алгоритм обоснования технологии дефферизации воды с учетом физико-химических характеристик форм железа в природных водах Волгоградской области [Текст] /В.В. Якубов // Материалы международной научно-практической конференции. 30 января - 1 февраля 2013 г., г. Волгоград. - Волгоград : ФГБОУ ВПО Волгоградский ГАУ, 2013. - Том 3. - 523 с.
6. Якубов, В.В. Технология комплексной очистки поливной воды при ресурсосберегающих способах полива сельскохозяйственных культур [Текст] / В.В. Якубов, М.П. Мещеряков // Известия Нижневолжского агроуниверситетского комплекса: наука и высшее профессиональное образование. - 2012. - №2(26). - С. 211-215.
7. Якубов, В.В. Установка реагентно-каталитического обезжелезивания воды [Текст] : патент № 132792 (RU)/ В.В. Якубов, М.П. Мещеряков // Ш.МПК C02F 1/64, 11-64 (2006.01). Опубл. 27.09.2013 Бюл. № 27.
E-mail: makc-sln@yandex.ru.
