Совершенствование технологий очистки и активации подземных вод для систем капельного орошения и водоснабжения сельских населенных пунктов

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Совершенствование технологий очистки и активации подземных вод для систем капельного орошения и водоснабжения сельских населенных пунктов

Специальность 06.01.02 - Мелиорация, рекультивация и охрана земель

Вольская Ольга Николаевна

Саратов - 2007

Диссертационная работа выполнена в ФГОУ ВПО «Волгоградская государственная сельскохозяйственная академия»

Научный руководитель - доктор сельскохозяйственных наук, профессор Боровой Евгений Павлович

Официальные оппоненты: - заслуженный деятель науки и техники РФ, академик РАСХН, доктор технических наук, профессор Григоров Михаил Стефанович

- кандидат технических наук, доцент Затинацкий Сергей Викторович Ведущая организация - ГНУ «Поволжский научно - исследовательский институт эколого - мелиоративных технологий»

Общая характеристика работы

Актуальность темы. В рамках осуществления федеральных целевых программ «Обеспечение населения России питьевой водой» и «Социальное развитие села до 2010 года» администрацией Волгоградской области предусмотрены: модернизация жилищно-коммунального хозяйства сельских районов и внедрение экологически безопасных технологий и технических средств полива, позволяющих повысить продуктивность орошаемого гектара и эффективность использования поливной воды. Данные программы направлены на обеспечение водой, соответствующего качества, сельские населенные пункты и системы капельного орошения (СКО), широко внедряемые во многих районах области.

Предварительные анализы состояния водоснабжения сельских населенных пунктов и СКО позволили сделать вывод, что основным источником водопотребления являются подземные воды, которые поступают на полив и хоз-питьевые нужды без предварительной очистки.

По данным геологоразведовательной экспедиции, подземные воды Волгоградской области характеризуются повышенным содержанием железа (до 30 мг/л), углекислого газа (до 100 мг/л), сероводорода (до 10 мг/л) и других вредных веществ.

Повышенное содержание железа в воде приводит к коррозии металлов основного и вспомогательного оборудования СКО и водоснабжения сельских населенных пунктов, а также крайне вредно для растений и здоровья человека.

Существующие способы окисления железа обладают некоторыми недостатками, один, из которых - длительное время, как правило, 15-30 минут, процесса окисления. Этот фактор приводит к громоздкости и энергоемкости сооружений. Сократить время окисления железа помогают катализаторы. При нанесении на зернистые среды получается фильтрующая засыпка для удаления железа, обладающая окисляющей способность, при этом время сокращается на 3-4 порядка. Современные установки по обезжелезиванию воды с применением катализаторов компактны и просты в обслуживании, но технические и технологические возможности их ограничены: максимальная производительность установки - 50 м³/час, а содержание вредных веществ в исходной воде не должно превышать: Fe_общ. - 10 мг/л, СО₂ - 50 мг/л, Н₂S - 5 мг/л, окисляемость- ниже 3 мгО₂/л, температура обрабатываемой воды - не менее 20єС.

В связи с этим проведение исследований, направленных на разработку и усовершенствование технологических процессов, обеспечивающих подготовку подземной воды с высоким содержанием: Fe_общ. - до 30 мг/л и более, СО₂ - до 100 мг/л, Н₂S - до 10 мг/л, окисляемость-до 9 мгО₂/л, температуры обрабатываемой воды -4-8єС для СКО и водоснабжения сельских населенных пунктов, соответствующих современным требованиям и нормам, является своевременным и актуальным в решении поставленных Правительством задач.

Цель работы - усовершенствование технологических процессов, обеспечивающих: интенсификацию процесса очистки подземных вод и увеличение верхнего предела безреагентной очистки для СКО и водоснабжения сельских населенных пунктов; получение активированной воды для возделывания овощных культур в условиях стабильных устойчивых урожаев.

Задачи исследований:

- провести анализ существующих технологий обезжелезивания подземных вод для СКО и водоснабжения сельских населенных пунктов и обосновать выбор эффективного метода очистки;

- исследовать в лабораторных условиях усовершенствованные технологии очистки и активации подземных вод, предложить методику расчета элементов вакуумно-эжекционной установки (ВЭУ), установить приемлемые технологические параметры эффективной работы ВЭУ;

- обосновать влияние процессов кавитации и экстинкции, происходящих в ВЭУ, на повышение температуры подземной воды и изменения ее структуры, являющейся основанием для получения активированной воды;

- экспериментально обосновать динамику роста, развития и получения планируемой урожайности (100 т/га) томатов при поливе активированной водой (не более 1-го полива в каждый межфазный период вегетации);

- рассчитать технико-экономический эффект вакуумно-эжекционного метода очистки и активации подземных вод для достижения планируемой урожайности (100 т/га) овощных культур.

Основные положения, выносимые на защиту:

- очистка и активация подземных вод вакуумно-эжекционным методом;

- методика расчета и разработка конструкций эжектора с помощью математического модуля;

- изменение структуры и температуры воды вследствие процессов кавитации и экстинкции, происходящих в ВЭУ и являющихся основными факторами получения активированной воды;

- динамика роста и развития томатов при поливе активированной водой, способствующая получению урожайности плодов 100 т/га при предполивной влажности почвы 70-70-60%НВ и внесении удобрений с дозой N₂₁₀P₈₀K₁₀₅;

- технико-экономическая оценка усовершенствованных технологий очистки и активации воды из подземных источников для повышения урожайности овощных культур.

Объект исследования Очистка и активация подземных вод вакуумно-эжекционным методом. Различные режимы обезжелезивания и активации подземных вод. Разработка математического модуля для расчета конструкций эжектора. Исследование физико-химических свойств очищенной и активированной воды. Исследование влияния процессов кавитации и экстинкции, происходящих в ВЭУ, на повышение температуры и изменение структуры поливной воды. Исследование влияния активированной воды на урожайность томатов.

Предметом исследования являются процессы обезжелезивания и активации подземных вод, разработанные на основе вакуумно-эжекционного метода.

Методика исследования предусматривает разработку теоретических предпосылок и экспериментальную проверку в лабораторных и производственных условиях с последующей технико-экономической оценкой усовершенствованных технологий обезжелезивания и активации подземных вод. Лабораторные исследования выполнялись в соответствии с действующими нормативными документами и частными методиками. Расчеты и обработка результатов экспериментальных данных выполнялись методами математики и математической статистики.

Научная новизна работы

- впервые разработан безреагентный короткоцикловый вакуумно-эжекционный метод массообмена, отличающейся от известных способов очистки подземной воды от железа тем, что происходит быстрая и глубокая дегазация исходной воды с одновременным повышением рН до 7,3-7,5 и достижением при этом высоких скоростей окисления железа. Одновременно решается задача удаления из воды неорганических трудноокисляемых веществ (марганца, цинка, меди), органических веществ (фенола, гумановых кислот, фулвокислот) и агрессивных газов: углекислоты, сероводорода и др. Использование данного метода обеспечивает, при сложном химическом анализе воды, снижение концентрации вредных веществ в подземной воде до регламентируемого (СанПин 2.1.4.1074-01 «Питьевая вода. Контроль качества») предела без ввода в нее реагентов;

- вакуумный метод активации воды для возделывания овощных культур и получения устойчивых урожаев.

Оба метода основаны на непрерывном и одновременном протекании процессов повышения рН воды, за счет объемного вскипания СО₂ и интенсивного дробления капель воды при прямоточном движении в ограниченном объеме и плотной упаковке капель.

Новизна технических решений по очистки воды для хоз-питьевого водоснабжения защищена патентом РФ на изобретение № 2282594.

Практическая значимость работы заключается в:

- разработке конструкций ВЭУ с помощью математического модуля, используемых как для СКО и водоснабжения сельских населенных пунктов, так и для получения активированной воды, влияющей на урожайность и качество овощных культур;

- малой металлоемкости и простоте устройства ВЭУ, позволяющей получить ощутимый экономический эффект;

- надежности при длительной эксплуатации с минимальными затратами;

- экологически безопасном звене в технологии КО при получении стабильных урожаев овощных культур;

- работе системы в автоматическом режиме.

Реализация результатов исследований Вакуумно-эжекционные установки обезжелезивания подземных вод внедрены и успешно эксплуатируются: в системе водоснабжения г.Ханты-Мансийка Тюменской области,.на базе отдыха в х. Раздоры Михайловского района и в учреждении ЯР 154/12 УИН МИНЮС РФ Волгоградской области, на металлургическом заводе г. Каменск-Уральска Свердловской области, на базе отдыха завода «Водмашоборудования» г. Воронеж и многих других.

Вакуумный метод активации воды для СКО впервые применен в ООО «НАУЧКОМ» базового хозяйства ВГСХА при возделывании томатов и получении устойчивых урожаев.

Апробация работы. Основные положения диссертации докладывались и обсуждались на международной научно-практической конференции Волгоградской государственной сельскохозяйственной академии «Основы достижения устойчивого развития сельского хозяйства» в 2004 г.; на Межрегиональной конференции «Производство продовольствия и вода: социально-экономические проблемы ирригации и дренажа» в 2004 г., на Международной выставке «Инновационных разработок и передовых технологий» в 2005г.; на III ежегодном форуме национального бизнеса «Новый бизнес - новой России» в Москве в 2007 г.

По материалам диссертации опубликовано 5 научных статей, в том числе 1 патент РФ и 1 статья, опубликованная в изданиях, рекомендованных ВАК Минобразования и науки РФ.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, 6 глав и общих выводов. Работа изложена на 182 страницах машинописного текста и включает в себя 20 рисунков, 28 таблиц, 4 приложений, список используемой литературы из 165 наименований, включая иностранных авторов.

Содержание работы

Во «Введении» обоснована актуальность темы, цель и задачи исследования, научная новизна и сформулированы основные положения, выносимые на защиту.

В первой главе «Состояние вопроса, цель и задачи исследования» дан обзор классов оросительной воды и требования, предъявляемые к качеству воды для СКО и водоснабжения сельских населенных пунктов. Известно, что вопрос подготовки воды - один из главных при обсуждении целесообразности и надежности систем. Дефицит поверхностных источников в некоторых районах Волгоградской области приводит к использованию для орошения и водоснабжения сельских населенных пунктов подземные воды, которые содержат: Fe_общ. - 30 мг/л и более, СО₂ - до 100 мг/л, Н₂S - до 10 мг/л, окисляемость-до 9 мгО₂/л. Их присутствие в воде хоз-питьевого назначения и оросительной, пагубно влияет на здоровье человека (аллергические симптомы, разрушение печени, малокровие) и растения (хлороз, вызывающий нарушение образования хлорофилла в листьях и снижение активности фотосинтеза), ведет к коррозии металлов основного и вспомогательного оборудования систем, ослабевая надежность их работы.

По результатам анализов воды для систем водоснабжения и СКО, в районах Волгоградской области, сделан следующий вывод: в большинстве из них отсутствуют очистные сооружения. Существующие методы очистки воды, имеющие недостатки: ограниченную область применения по качеству исходной воды, невозможность удаления в напорных установках СО₂ и других газов без специальных устройств, которые ведут к громоздкости и удорожанию сооружений или применение реагентов, а также протекание процесса окисления железа в течение длительного времени, дают основания для проведения исследований, направленных на разработку и усовершенствование технологических процессов, обеспечивающих подготовку очищенной воды СКО и водоснабжения сельских населенных пунктов, соответствующих современным требованиям и нормам.

Учитывая это, предлагается новый короткоцикловый безреагентный вакуумно-эжекционный метод обезжелезивания подземных вод, который обладает преимуществами по сравнению с существующими способами очистки. Метод основан на непрерывном и одновременном протекании процессов повышения рН воды, за счет объемного вскипания СО₂ и дробления капель воды в потоке эжектируемого воздуха. Время процесса окисления и удаления железа (30 мг/л и более) из воды измеряется секундами. Высокий эффект окисления двухвалентного железа достигается не увеличением количества кислорода, а экономичным способом доставки его к Fe^2+.. Это упрощает технологическую схему, т.к. в данном случае отсутствуют градирни, компрессор, смеситель, что в свою очередь позволяет сэкономить электроэнергию, уменьшить габариты применяемого оборудования, сократить производственные площади очистных сооружений, снизить удельные капитальные затраты, упростить обслуживание.

Предлагаемый метод уникален тем, что вакуум, полученный в процессе прохождения потока через установку, дает возможность получить активированную воду, при поливе которой (не более 1-го раза в межфазный период вегетации) увеличивается урожайность овощных культур.

Во второй главе «Современное состояние методов и устройств обезжелезивания подземных вод» проанализированы: состояние железосодержащих подземных вод Волгоградской области, существование различных форм железа, а также физико-химические основы и методы обезжелезивания подземных вод.

Большой вклад в развитие научных основ и экспериментальное обоснование процесса обезжелезивания подземных вод внесли ученые исследователи Николадзе Г.И., Клячко В.А., Асса Г.Ю., Журба М.Г., Соколов Л.И. и других.

В отечественной и зарубежной практике подземные воды, как правило, очищаются от железа и др. тяжелых металлов безреагентными методами с помощью упрощенной или глубокой аэрации и одно- или двухступенчатым фильтрованием или с помощью катализаторов.

Общим недостатком всех аэрационных методов обезжелезивания подземных вод является: время протекания процесса окисления, ограничение предела безреагентной очистки и величины окислительно-восстановительного потенциала. Повышение окислительно-восстановительного потенциала с одной стороны интенсифицирует процесс окисления двухвалентного железа, а с другой стороны - усиливает коррозионные качества воды. Особенно это проявляется при повышении содержания свободной углекислоты, замедляющей скорость гидролиза и окисление двухвалентного железа.

Экспериментальным путем доказано, что эффект обезжелезивания существенно снижается с увеличением содержания СО₂. Результаты исследований по влиянию концентрированной углекислоты в воде на остаточное содержание железа в фильтрате приведены на рис. 1.

Рис.1. Зависимость остаточного содержания железа в фильтрате от содержания свободной углекислоты в исходной воде: а -процентное содержание отношения железа до и после обработки.

Исследователями данного процесса Лазаревым В.В. и др. получена формула коррозийной активности воды:

К = R · i_кор·= R ДЕ/Р_К + Р_А + R, (1)

где: i_кор·- коррозийный ток; Р_К и Р_А - соответственно катодная и анодная поляризации; R - омическое сопротивление среды; ДЕ - разность потенциалов катодной и анодной реакций. Как следует из формулы, скорость электрохимической коррозии металла возрастает с повышением ДЕ, т.е. с увеличением концентрации окислителя (кислорода), и уменьшается с повышением анодной или катодной поляризации, обусловленной, главным образом, замедленностью диффузии окислителя к поверхности металла.

Таким образом, удаление железа из воды с помощью повышения окислительно-восстановительного потенциала среды, увеличивает коррозийные свойства воды.

Учитывая вышеперечисленное, предлагается усовершенствованная технология обезжелезивания подземных вод вакуумно-эжекционным методом, основанная на методе, при котором происходит быстрая и глубокая дегазация исходной воды с одновременным повышением рН до 7,3 ч 8,0 и достижением при этом высоких скоростей окисления двухвалентного железа.

В третьей главе «Теоретические физико-химические основы безреагентного вакуумно-эжекционного метода обезжелезивания подземных вод и его основные конструктивные элементы» дано описание предлагаемого метода обезжелезивания подземных вод, общие конструктивные характеристики главного элемента ВЭУ- эжектора, разработка математической модели для расчета конструкций.

Общий вид ВЭУ показан на рис. 2, основным элементом которой является эжектор(1), где происходит:

Рис. 2. Общий вид ВЭУ: 1-эжектор; 2-фильтр; 3-загрузка фильтра; 4-трубопровод исходной воды; 5-трубопровод очищенной воды; 6-распределительное кольцо; 7-отсос воздуха; 8-конфузор; 9- насадок Вентури; 10-вакуумная камера; 11-1-ая ступень эжектора; 12-2-ая ступень эжектора; 13-3-ья ступень эжектора; 14-отражательная пластина; 15-подача воздуха в ступень эжектора.

- мгновенное повышение рН воды удалением СО₂ с помощью предварительного вакуумирования струи, что создает оптимальные условия для сокращения времени окисления Fe²⁺ в Fe³⁺;

- насыщение воды кислородом воздуха с помощью концевого эффекта при дроблении и коалесценции капель воды в вакуумно-эжекционных камерах (11,12,13) ступенчатого типа, обеспечивающее равномерное распределение кислорода по объему жидкости и доставки его к катионам железа.

Расчет ВЭУВ проводился по результатам экспериментальных и промышленных исследований и заключался в определении следующих величин: глубины вакуума в вакуумной камере, обеспечивающей повышение рН воды; размеров насадка Вентури при заданной величине давления Р перед ВЭУ; производительность эжектора; размеров вакуумной камеры; количество эжекционных камер смешения; размеров окон для подсоса воздуха.

Глубина вакуума принималась на основе экспериментальных данных в пределах 0,04ч 0,09 МПа в зависимости от содержания в воде СО₂ и др. газов.

Дальнейший расчет ВЭО производился следующим образом.

Рис. 3. График влияния давления Р на величину вакуума Р_в при различных соотношениях площадей насадка Вентури и вакуумной камеры: 1 - 1:64; 2 - 1:25; 3 - 1:16; 4 - 1:6.

По графику (рис. 3) в зависимости от исходного значения давления Р и требуемого значения вакуума Р_в интерполяцией определяется соотношение площадей поперечного сечения насадка Вентури (щ) и вакуумной камеры (щ₁).

щ /щ₁= С

Длина насадка Вентури L (рис. 4) по лабораторным данным составляет 3ч4 его диаметрам. Меньший диаметр конически сходящегося насадка принимается равным насадку Вентури.

Рис.4. Общий вид эжектора для расчета: б- угол конусности; d₁чd₃-внутренний диаметр ступеней; L-длина насадка Вентури; L₁-общая длина вакуумной камеры; L₁чL₃-высота камер смешения (ступеней); Lґ₁-высота вакуумно-кольцевой зоны; Lґґ₁-рабочая длина цилиндра.

Диаметр насадка Вентури принимается равным 5ч40 мм в зависимости от исходного давления воды (табл.1).

Таблица 1 Зависимость диаметра насадка Вентури от давления исходной воды

Давление, МПа	Диаметр насадка Вентури, мм
0,3ч0,4	5ч10
0,5ч0,8	5ч30
0,9 и более	5ч40

технология очистка активация вода

Угол конусности б конически сходящегося насадка принимается равным 13є24ґ. В этом случае площадь сжатого сечения равна площади выходного сечения, что обеспечивает наибольший коэффициент расхода воды µ (табл. 2).

Таблица 2 Зависимость типа насадки от коэффициентов скорости, расхода и сопротивления

Тип насадка	Коэффициент скорости, ц	Коэффициент расхода, µ	Коэффициент сопротивления, о
Насадок Вентури	0,82	0,82	1
Конически сходя- щийся при13є24ґ.	0,96	0,94	0,98

Расход воды при истечении из конически сходящегося насадка равен:

Q_кн = µ_кн · щ·, (2)

а расход воды при истечении из насадка Вентури равен:

Q_нВ = µ_нВ · щ·, (3)

где: µ_кн, µ_нВ - коэффициенты расхода соответственно конически сходящегося насадка и насадка Вентури (табл. 2); щ·- площадь поперечно сечения насадка Вентури, м²; Н -напор, м.

На основании формул 2 и 3 производительность эжектора рассчитывается:

Q = µ_кн · µ_нВ · щ·, (4)

Аналогично для определения конической скорости истечения воды из обоих насадок получена формула:

V= ц_кн · ц_нВ ·, (5)

где: ц_кн,ц_нВ - коэффициенты скорости соответственно конически сходящегося насадка и насадка Вентури (табл. 2).

Напор воды перед насадком Вентури определяется по формуле:

Н = 100 (Р - Р_воз), (6)

где: Р - давление воды перед ВЭУ, МПа; Р_воз- давление эжектируемого воздуха, принимаемое равным атмосферному, МПа.

На практике производительность установки и напор определяется заказчиком, следовательно, используя формулу (4), можно рассчитать площадь поперечного сечения вакуумной камеры и насадка Вентури:

щ = Q/ µ_кн ·µ_нВ· (7)

Диаметр насадка Вентури рассчитывается:

d_н.в.= 2, (8)

Экспериментально доказано, что максимальный вакуум достигается при соотношении площадей насадка Вентури к вакуумной камере 1:6. Следовательно, при щ₁/ щ =6 и отношении диаметров соответственно - d_в.к²_.. /d_н.в.² =6, находится диаметр вакуумной камеры: d_в.к = d_н.в..·

Длина вакуумной камеры L₁ определяется по формуле, полученной эмпирическим путем:

L₁₌ щ₁/ щ · (Р + 0,4) · К · d₁, м (9)

где: Р - давление перед ВЭУ, МПа; d₁ - диаметр вакуумной камеры, м; К - коэффициент шероховатости, характеризующий качество внутренних стенок камеры по экспериментальным данным: он равен для стали - 1; для нержавеющей стали - 1,1; для пластмассы - 1,2; для стекла - 1,3.

По экспериментальным данным длина вакуумной камеры составляет не менее 10 ее диаметров.

Расчет числа ступеней эжекционных камер принимается не менее двух и не более шести в зависимости от содержания в исходной воде Fe²⁺, СО₂, Н₂S, О₂ и определяется по формуле, полученной путем статистической обработки экспериментальных данных:

К_ст = 0,02 Fe²⁺+0,04 СО₂ + 0,16 Н₂S - 0,05 О₂, (10)

где: К_ст - число ступеней с округлением в большую сторону; Fe²⁺, СО₂, Н₂S, О₂ - концентрация соответственно железа, двуокиси углерода, сероводорода, и кослорода, мг/л.

Диаметр эжекционной камеры смешения определяется по формуле:

d_n= (1+9 tg в_n/2) · d_n-1, (11)

где: d_n-1 - диаметр предыдущей камеры смешения, м; · в_n - центральный угол раскрытия потока воды в данной камере смешения, град.

в_n = 21 ДР_р · d_n-1^0,125, (12)

где: ДР_р ·- перепад рабочего давления, МПа:

ДР_р = Р_n-1 - Р_воз, (13)

где: Р_n-1 - рабочее давление в предыдущей камере смешения, МПа.

Рабочее давление после вакуумной камеры принимается равным 0,75 Р.

Рабочее давление после камеры смешения следует принимать равным:

Р_э1= 0,8 (0,75Р) (14)

А в последующей камере давление составляет 80% от Р_э1.

Длина каждой камеры смешения принимается в пределах от 8 до 12 ее диаметров.

Воздух равномерно распределяется по всем ступеням эжектора (рис. 2). Количество и длина окон определяется из расчета равномерной подачи воздуха по всему периметру камеры смешения. Суммарная длина окон по периметру должна быть не менее половины окружности. Высота окна определяется конструктивно в интервале 5ч15 мм.

На основании методики расчета эжектора на рис.5 представлены его основные параметры, по которым разработана математическая модель, позволяющая автоматизировать расчеты и значительно сократить время проектирования. Данная программа использовалась при расчетах эжекторов на исследованном участке ООО «НАУЧКОМ» базового хозяйства ВГСХА.

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Рис. 5. Блок-схема расчетов основных параметров эжектора и вакуумной головки

В четвертой главе «Теоретические физико-химические основы вакуумного метода активации подземных вод» описана модель вакуумного метода активации подземных вод. Сущность данного метода заключается в следующем. При получении разряжения возникает значительная разность между парциальным давлением растворенного газа в воде и разряженным пространством, что способствует мгновенному объемному вскипанию растворенных газов в воде. Под термином «объемное вскипание» растворенных в жидкости газов подразумевается самопроизвольное (спонтанное) возникновение газовых (кавитационных) пузырьков непосредственно во всем объеме струи при быстром изменении давления, когда концентрация растворенных в жидкости газов превышает равновесную.



Рис.6. Зависимость расхода воды через насадок Вентури (2) от давления в окрестностях пузырька в вакуумной камере (3) вакуумной головки

При перемещении газонасыщенной жидкости в область повышенного давления кавитационные пузырьки схлапываются, излучая при этом ударную волну, т.е. энергию, которая переходит к молекулам воды, находящимся в замкнутом пространстве. Кавитационный режим (рис. 6), созданный газами самой воды, начинается на границе камеры смешения (3) и ступени вакуумной установки (4). Процесс всхлапывания кавитационных пузырьков происходит при повышении давления в ступени (4) при этом действует первый закон термодинамики:

Р₁/Р₂ = Т₁/Т₂. Этот процесс совершается тем интенсивнее, чем больше времени поток находится в вакууме.

В результате лабораторных исследований выявлена зависимость температуры воды от давления в окрестностях пузырька: чем выше давление, тем выше температура обрабатываемой воды (рис. 7).



Рис.7. Зависимость температуры воды от давления в окрестностях пузырька в процессе кавитации, происходящей в вакуумной головке за доли микросекунд: а-кривая пузырька, полученная опытным путем с помощью покадровой обработки кинограммы; б-характерная осциллограмма давления, полученная в кавитационном поле с помощью гидрофона.

При проводимых исследованиях воды методом экстинкции в условиях, обеспечивающих соблюдение закона Ламберта-Бера, в ультрафиолетовом излучении дальнего и среднего диапазонов на длинах волн от 220 до 350 ммк с помощью спектрофотометра типа СФД-2 было обнаружено следующее: вода, в процессе обработки вакуумированием становилась активно неустойчивой, изменяя свои свойства и структуру.

Рис. 8. Изменение экстинкции воды: 1- после вакуумной обработки; 2-контрольная проба; 3-замороженная вода.

По результатам исследований можно сделать вывод (рис. 8): ослабление пучка света вследствие процессов рассеивания и поглощения излучений максимально в пробе воды после вакуумной обработки.

Таким образом, процесс деаэрации, происходящий в вакуумной головке, дает возможность получить активированную воду, одновременно повышая ее температуру. Использование такой воды при возделывании овощных культур и получении стабильных урожаев является одной из задач данной работы.

В пятой главе «Лабораторные исследования вакуумно-эжекционного метода обезжелезивания и активации подземных вод» представлены материалы лабораторных исследований, проведенных на действующих станциях обезжелезивания в пионерлагере «Здоровье» и базе отдыха «Бакалда» и «Виварий» Среднеахтубинского района Волгоградской области.

В каждом конкретном случае исходные данные (производительность, и анализ воды) носили частный характер, определяемый существующим положением станции. По разработанной методике были рассчитаны и изготовлены конструкции эжекторов для исследований.

Планирование эксперимента и методика исследований заключалась в определении функциональных зависимостей основных и второстепенных факторов на общий эффект поставленных задач.

Исследования работы моделей эжекторов (рис. 9) заключались в установлении определенных параметров работы ВЭУ (давление) от 0,2 до 0,5 МПа. Каждое значение давления выдерживалось в течение 5-6 часов. За это время отбирались пробы через каждые 30 мин. на содержание СО₂, рН, Fе³⁺, Н₂S, взвешенных веществ, мутность и цветность. Полный цикл исследований проводился при разных загрузках фильтра: кварцевый песок - ? 0,8ч2,0 мм и 2,0ч8,0 мм; керамзит - ? до 20 мм и комбинированный: верхний слой песок ? 0,8ч2,0 мм, высотой 4/5 от общей высоты загрузки; нижний слой цеолит ? 0,8ч2,0 мм высотой 1/5 от общего слоя загрузки (рис.9).



Рис.9. Лабораторная установка ВЭУ 1-ступени эжектора; 2-ваккумная головка; 3-подающий трубопровод; 4-манометр; 5-ваккуметр; 6-окна подсоса;7-верхний пьезометр; 8-пробоотпорные краны; 9-тру-д отвода фильтрата; 10-дренаж; 11-загрузка фильтра; 12-фильтр; 13-нижний дренаж; 14-расходометр; 15-мерный бак; 16-мерная трубка; 17-сбросной трубопровод

На основании лабораторных исследований была разработана математическая модель, с помощью которой рассчитаны конструкции эжекторов для ВЭУ и установки вакуумной активации подземной воды в ООО «НАУЧКОМ» базового хозяйства ВГСХА (рис.10).

Исходные данные для расчета эжектора и вакуумной головки:

1. Производительность установки обезжелезивания - 200 м³/час, производительность установки активации подземной воды- 50 м³/час;

2. Напор - 0,4 МПа;

3. Содержание в подземной воде: Fe_общ. - 12 мг/л, СО₂ - 87 мг/л;

Н₂S - 5 мг/л, О₂ - 5 мг/л.

4. Температура подземной воды - 8 °С.

Конструкция эжектора имела следующие параметры: d=17 мм,

L=68 мм, d₁=104 мм, d₂=118 мм, d₃=132 мм, L₁=1000 мм, L₂=800 мм, L₃=1200 мм. На фильтре устанавливали четырехсопловый эжектор производительностью 200 м³/час, высотой - 3000 мм. Фильтр высотой 1200 мм с комбинированной загрузкой: верхний слой песок ? 0,8ч2,0 мм, высотой 4/5 от общей высоты загрузки; нижний слой цеолит ? 0,8ч2,0 мм высотой 1/5 от общего слоя загрузки. Результаты анализа воды после ВЭУ следующие:: Fe_общ. - 0,3 мг/л, СО₂ - 27 мг/л; Н₂S - 0,5 мг/л, О₂ - 3 мг/л., температура воды на выходе из ВЭУ - 12°С.

Рис. 10. Схема обезжелезивания и активации подземных вод: 1-скважина; 2-резервуар чистой воды; I- схема обезжелезивания: 3-ВЭО; 4-фильтр; 5-газопровод; 6-вентилятор;7-трубопровод чистой воды и на промывку; 8-насосная станция 2-го подъема;; 9-трубопровод чистой воды в сеть; 11-отвод фильтрата. II-схема активации воды: 10-вакуумная головка; 12-промежуточная емкость; 13-насос подачи воды на активацию; 14-трубопровод воды на активацию; 15-газопровод; 16-насос откачки газов; 17-активированная вода на полив.

Конструкция вакуумной головки для активации воды (рис. 4): d=17 мм, L=68 мм, d₁=42 мм, L₁=1300 мм. На баке установлены 2 головки, высотой 1300 мм. Результаты анализа: СО₂ - следы мг/л; Н₂S - следы мг/л, О₂ - 0,5 мг/л, температура воды после установки активации воды - 20°С, повышение урожайности на 30% от планируемой при условии 1-полива в межфазный период вегетации (табл.4).

Таблица 4. Зависимость урожайности томатов от дозы внесения удобрений и уровня предполивной влажности почвы при 3-х вариантах полива

Дозы удобрений, кг д.в./га	Варианты по предполивной влажности почвы, % НВ	Фактическая урожайность, т/га
		плани- руемая	по исследован. Дементьева А.В. 1 вариант	при поливе водой после ВЭУ 2 вариант	при поливе активированной водой 3 вариант
N160Р60К80	70-70-60	60	56,5	67,8	79,1
	70-80-70		62,1	74,6	86,9
	70-90-80		65,63	78,7	91,9
N210Р80К105	70-70-60	80	75,33	90,4	105,5
	70-80-70		81,03	97,2	113,4
	70-90-80		84,70	101,6	118,5
N260Р100К130	70-70-60	100	86,33	103,6	120,9
	70-80-70		92,23	110,7	129,1
	70-90-80		102,33	122,8	143,3

В шестой главе «Технико-экономическая оценка усовершенствованных технологий очистки и активации подземных вод» представлен анализ экономической эффективности реагентного и безреагентного (предлагаемого) метода очистки воды на ВОС г Ханты-Мансийска производительностью 16 тыс. м³/сут. Экономическая эффективность от внедрения данного метода составляет 34,310 млн. руб.

Сравнение экономической эффективности 3-х вариантов полива томатов позволило определить оптимальные сочетания регулируемых факторов для получения запланированных урожаев томатов при КО. При получении урожайности 100 т/га предпочтительней выглядит вариант полива активированной воды (при условии не более 1-го полива в каждый межфазный период) при поддержании влажности почвы на уровне 70-70-60% НВ с одновременным внесением удобрений N₂₁₀Р₈₀К₁₀₅.

В этом варианте стоимость полученной продукции составила 1266,0тыс. руб., чистый доход - 1044,4тыс. руб./га, прибыль - 1159,4 тыс.руб./га и срок окупаемости - 1 год.

Общие выводы

1. На основании анализа существующих технологий обезжелезивания подземных вод для СКО и водоснабжения сельских населенных пунктов, имеющих недостатки: ограниченную область применения по качеству исходной воды, невозможность удаления в напорных установках СО₂ и других газов без специальных устройств, протекание процесса окисления железа в течение длительного времени, предложен и обоснован эффективный метод очистки.

2. На основании лабораторных исследований усовершенствованных технологий очистки и активации подземных вод разработана методика расчета элементов ВЭУ и установлены приемлемые технологические параметры их работы.

3. Обосновано влияние процессов кавитации и экстинкции, происходящего в ВЭУ, соответственно на повышение температуры поливной воды и изменение ее структуры, являющихся основными факторами получения активированной воды.

4. Экспериментально доказано, что при поливе активированной водой (не более 1-го раза в межфазный период), поддержании влажности почвы на уровне 70-70-60% НВ и внесением удобрений N₂₁₀Р₈₀К₁₀₅.достигается урожайность 100 т/га.

5. Проведена технико-экономическая оценка вакуумно-эжекционного метода очистки и активации подземных вод, при которой данные установки окупаются в течении одного года.

Предложения производству

1. Для обеспечения регламентируемого качества воды, как СКО, так и для хоз-питьевого водоснабжения сельских населенных пунктов, эффективно применять вакуумно-эжекционные установки, которые интенсифицируют процесс очистки подземных вод; увеличивают верхний предел безреагентной очистки воды с содержанием: Fe_общ. - до 30 мг/л и более, СО₂ - до 100 мг/л, Н₂S - до 10 мг/л, окисляемость-до 9 мгО₂/л; компактны; малометаллоемки; просты в изготовлении и обслуживании; надежны в длительной эксплуатации с минимальными затратами и экологически безопасны в технологии КО и водоснабжении сельских населенных пунктов.

2. Для получения планируемой урожайности овощных культур (100т/га) необходимо поливать их активированной водой, полученной вакуумным методом (не более 1-го раза в межфазный период), поддерживая при этом следующий режим орошения: влажность почвы на уровне 70-70-60% НВ и доза внесения удобрения - N₂₁₀Р₈₀К₁₀₅.

Основные положения диссертации опубликованы в следующих работах

1. Вольская, О.Н. Безреагентный вакуумно-эжекционный метод удаления двуокиси углерода и кислорода из воды / О.Н. Вольская, Б.М.Нестеренко, В.Г.Гамарник// Альманах-2004/ Волгоградского государственного университета.- Волгоград, 2004.-С. 172-174.

2. Вольская, О.Н. Специальные методы очистки подземных вод для хозяйственно-питьевого водоснабжения /О.Н.Вольская, Б.М.Нестеренко, В.Г.Гамарник// Альманах-2004/ Волгоградского государственного университета.- Волгоград, 2004.-С. 268-270.

3. Вольская, О.Н. Совершенствование технологии очистки и активации подземных вод для СКО и водоснабжения сельских населенных пунктов/О.Н. Вольская, Е.П.Боровой//Производство продовольствия и вода: социально-экономические проблемы ирригации и дренажа: материалы межрегиональной конференции. - Волгоград, 2006.-С. 67-69.

4. Вольская, О.Н. Вакуумно-эжекционный метод активации подземных вод для повышения урожайности сельскохозяйственных культур /О.Н. Вольская, И.П.Кружилин, Е.П.Боровой// Вестник Саратовского ГАУ.- Саратов, 2007.- № 5.- С. 31-33.

5. Пат. № 2282594 Российская Федерация, МПК⁵¹ СО2F 1/74 ВО1F 3/04 Способ очистки воды для хозяйственно-питьевого водоснабжения и устройство для его осуществления, Вольская О.Н. заявитель и патентообладатель Гамарник В.Г., Вольская О.Н., Запорожцева Н.А - № 2004120763/15 заявл. 07.07.04, опубл. 27.08.06, бюл. № 24.-7с. ил.

Размещено на Allbest.ru

...