Покращення якості води на ОКП "Луганськвода"

За роки промислового освоєння склалося чимало екологічних проблем, деякі з яких уже зараз можна розглядати як екологічні катастрофи. Найбільша екологічна проблема для всіх регіонів Донбасу - забезпечення питною водою населення і технічної - промисловість. Тільки 9,2 % води, що добувається, відповідає вимогам ДСТ "Вода питна", частина яких вимог розширена головним санітарним лікарем України. Основними причинами забруднення є інтенсивне водозниження при розробці корисних копалин (і, навпаки, підйом на поверхню винятково сильно минерализированных глибинних вод після закриття шахт), неупорядковане скидання, витік промислових стоків зі ставків - нагромаджувачів, відстійників підприємств, неупорядковане збереження і використання добрив і ядохімікатів у сільському господарстві, промислові викиди в атмосфері і т.д.

Тільки на території Луганської області в атмосферу скидається щорічно 700 тис. тонн забруднюючих речовин трьохсот найменувань, причому більш трьох чвертей з них не очищені. Рівень санітарних норм перевищується до 50 разів.

У підземному водоносному обрії зібралися 5 млн. т. мінеральних з-

лею і понад 230 т амино - і нітросполуки. Величезна шкода питним водоймам крім промислових підприємств наносить комунальне господарство: тільки 8 % стоків піддається очищенню.

Починаючи з 1998 р., у жодному джерелі вода по своїх властивостях не відповідає ДСТ.

Криза, що охопила більшість галузей гірничодобувної промисловості вивів на перший план проблему, що раніше була в тіні і яка може мати катастрофічні наслідки. Це закриття вугільних шахт. Подтапливанню і заболочуванню піддалися величезні території, із землекористування вийшли десятки тисяч гектарів землі, засолилися і забруднилися ріки, просіла земна поверхня, активізувалися карстові і зсувні процеси.

У результаті під погрозою отруєння може виявитися 90 % джерел водопостачання.

У той же час саме шахтні води є єдиним ймовірним джерелом водопостачання. У добу з діючих шахт откачивают від 3 до 20 млн. м води. На верхніх обріях (до 250 - ЗОО м глибини) шахтна вода може бути піддана очищенню і використовуватися як питна або технічна.

Можна зробити висновки, що на Донбасу вода всіх джерел, застосовувана як питна і як технічна, у всіх випадках повинна піддаватися очищенню і знезаражуванню, що через велику мінералізацію, що збільшується з кожним роком, що придушує частина води повинна умягчаться, що перед скиданням шахтних вод повинне проводитися обезжелезовавие, що для надійної роботи гідравлічного устаткування необхідно розробити і застосовувати фільтри з тонкістю очищення 50 мкм при пропускній здатності не менш 2000 м/ч.

Природні води майже завжди містять величезна кількість макро- і мікроорганізмів тваринного і рослинного походження, чому сприяють фізичні і хімічні властивості води. Наявність мікроорганізмів визначається змістом у воді живильних речовин, температурою, насиченістю киснем, дією бактеріофагів, глибиною залягання джерела водопостачання, характеру порід, що вміщають, і т.д. Так, у захищеній від бактеріального забруднення воді знаходяться до 200 бактерій у 1 мол води, а в не цілком захищеній до 3000, у криничній воді - до 80000, у воді великих озер і чистих рік до 150000 бактерій. Навіть у шахтній воді на глибині 1100 м у 1 мол 10000 бактерій. У донних відкладеннях ріки Дніпро - бактерій у 1 мг, що є природною причиною забруднення води найбільшого джерела на Україні. Відповідно ДО ДЕРЖСТАНДАРТУ 2874-82 "Вода питна" необхідно, щоб у 1 л (!) води було не більш 3 кишкових паличок і не більш 100 мікробів (не бактерій) у 1 мол.

Розробка рекомендацій

З погляду ефективності, економічності, безпеки, технічної осуществимости можна проаналізувати наступні методи знезаражування води: хлорування, озонування, обробка ультрафіолетовими променями, кодування, обробка іонами срібла, обробка ультразвуком, термічна обробка (кип'ятіння), електрофізичні методи (електричні розряди і коагуляція), обробка за допомогою кавитационных апаратів.

Хлорування найбільш розповсюджений і достатнє економічний спосіб знезаражування води. Більш того, оскільки хлор окисляє органічний склад води, знижується її кольоровість, стабілізуються неорганічні суспензії, поліпшуються процеси очищення води коагулюванням. Хлорування сприяє звільненню води від заліза і магнію, є одним з ефективних способів боротьби з деякими отруйними речовинами. Слід зазначити, що хлорування сприяє, завдяки утворенню соляної кислоти, і зм'якшенню води. Так за даними "Луганськводпрома" витрати на хлорування 1 м води складають близько 0,0005 $, що складає 0,6 % від вартості води, що поставляється споживачеві.

Разом з тим при знезаражуванні продуктів розпаду органічного характеру виникають сильно пахнучи хлорпроізводні, причому при кип'ятінні цей запах не зникає. До інших недоліків варто віднести те, що хлорування не убиває спорообразующие бактерії, робота хлораторщиков шкідлива для здоров'я, а недоліки в збереженні, перевезенні, застосуванні хлору можуть привести до найтрагічніших наслідків. Застосування хлорованої води вдвічі підвищує імовірність ракових захворювань, виявлений взаємозв'язок хлору з такими захворюваннями як хвороби печінки, кишкового тракту, атеросклероз, гіпертонія, різними видами алергії, хворобами шкіри. Хлор руйнує білок в організмі. Тому одна з задач споживача - очистити воду від хлору перед застосуванням води, для чого створюється цілий ряд дорогих пристроїв індивідуального користування.

Озонування - один з перспективних методів знезаражування. Завдяки високому окисному потенціалові озон енергійно вступає у взаємодію з протоплазмою бактеріальних кліток викликаючи їхню загибель. На спорові форми бактерій дія озону в 300 - 600 разів сильніше, ніж хлору. Озон припиняє життєдіяльність гідробіонтів, фіто - і зоопланктону. Озонування не тільки не заражує воду, поліпшує її смак, запах, видаляє залізо і марганець, окисляє сульфіти, нітрити і сірководень. У той же часприобробціозономмінеральнийсклад,лужність,рн,показникстабільностіізміствільноївуглекислотизалишаютьсябеззмін.

У той же час озонувати можна тільки попередньо минулу коагуляцію і відфільтровану воду, оскільки всі існуючі установки мають низький к.п.д. і велику енергоємність. Озоно-воздушна або озоно-кислородні суміші, що містять більш 10% озону, вибухонебезпечні. Крім того, озон токсичний: зміст, що гранично допускається, його в повітрі приміщень, де знаходяться люди, складає 0,00001 мг/л. Обробка води озоном ускладнюється його корозійною активністю, тому що його розчини руйнують сталь, чавун, мідь, гуму, ебоніт. Навіть, якщо у сіробитизалюмінію, теграничний термін служби устаткування 5-7 років. Крім того, озон піддається саморозкладові, що описується експонентною залежністю

Lg Ro / Rx=a (t_x - t₀)

Де Ro та Rx - залишковий озон, що виявляється у воді за періоди часу від насичення озоном t_x і t₀;

а -константа розкладання,що залежить від температури і складу води ( концентрація розчинених солей і ін.).

Обробка ультрафіолетовими променями оптимальна при довжині хвилі 2600А. При цьому повне знезаражування виробляється за короткий час. Джерелом УФ променів є ртутні лампи з кварцового або увіолевого скла. Після обробки цими лампами вода не змінює ні фізичних, ні хімічних властивостей. Однак бактерицидна потужність цих ламп не перевищує 5% споживаної енергії для ртутнокварцевих ламп (при максимальній електричній потужності 2500 Ут ) або1'% для аргонортутних ламп (при максимальній електричній потужності 60Ут).

До недоліків знезаражування УФ променями можна віднести:

- відсутність оперативного способу контролю за ефектом знезаражування;

- неможливість знезаражування вод підвищеної мутності і кольоровості;

- високу вартість устаткування;

- малу продуктивність.

Вартість обробки одного кубічного метра води стандартним устаткуванням з урахуванням замін випромінюючих ламп складає близько 1,37$, т. е більш ніж у 15 дорожче, ніж у сім води поставленої після хлорування.

Оскільки йод хлор є галогенами, йод також можна використовувати для знезаражування. При цьому виникає більший бактерицидний ефект за менший час, необхідні дуже малі дози і,саме головне, відсутнє пагубний вплив на людський організм. Однак спосіб дуже дорогий і відсутня апаратура дуже точного дозування, що виключає застосування в промисловості йодного знезаражування.

Бактерицидний вплив іонів срібла відомо з древніх часів. Під його впливом гинуть збудники багатьох небезпечних хвороб. Але, по-перше, срібло не діє на кислотоустойчиві, туберкульозні, сапрофітові бактерії, і, по-друге, при тривалому уживанні води, обробленої сріблом, виникає дисбактеріоз і зв'язані з цим проблеми.

Найбільш ефективний метод готування осеребряної води виявився електролітичний метод, широко застосовуваний у даний час.

Ефект обробки води сріблом значною мірою знижується при наявності у воді хлору, її мутності і кольоровості, але підвищується зі збільшенням температури води.

Оптимальною вважається доза 0,05-0,2 мг/л Витрат електроенергії для знезаражування метра кубічного води срібленням складає 5.4-28,8 квт-година при витраті срібла від 0,05 до 0,2 ч/мо, тобто в 4-5 разів вище вартості хлорованої води.

Велика інтенсивність звукових коливань обумовлюється фізико-хімічна і біологічна дія ультразвуку на воду. Джерелом ультра-звукових коливань є пластини з чорного кришталю або кварцу що володіють властивістю зменшення товщини під дією перемінного струму або магнитострикционний спосіб, при якому металеві стрижні змінюють свою довжину при перенамагнічуванні.

Ефективність бактерицидної дії ультразвукових коливань залежить від форми мікроорганізмів, міцності і хімічного складу клітинної стінки, наявності капсули, віку культури, інтенсивності, частоти і тривалості озвучування. Найбільш чуттєвий до ультразвуку нитковидні форми мікроорганізмів, найменш-кулясті Крім знезаражування, ультразвук прискорює коагуляцію зважених речовин, окислювання органічних сполук, приводить до деструкції молекул фенолу бензолу, четыреххлористог вуглецю,тіофосу і багатьох інших з'єднань.

Вплив ультразвуку на бактері обумовлено явищем кавітації. Виникаючі пухирці схлопиваються, викликаючи перепад тисків у кілька тисяч атмосфер, і механічно руйнують мікроорганізми. Саме тому процес знезаражування відбувається ефективніше при наявності у воді пухирців. Витрата енергії на знезаражування 1м³ води ультразвуком 2-2,5 квт-години. Розвиток цього методу обмежується обмеженими потужностями випромінювачів.

Термічна обробка (кип'ятіння )води з метою знезаражування придатна тільки в побутових умовах, оскільки необхідно кип'ятити 5-10хв., затрачаючина1 м^3води 25квт-година електроенергії.

Порівняно недавно для знезаражування стали застосовуватися електрофізичні методи, після яких у воді не утворяться хімічні сполуки.

Один з таких методів знезаражування електричним і розрядами, сутність якого складається в підведенні електричних імпульсів до титанових електродів, розташованим у воді. У результаті виникає висока локальна температура, могутнє електричне і магнітне поле, ударна хвиля, ультрафіолетове випромінювання і кавітаційні процеси, а застосування титанових електродів дозволяє на порядок знизити у воді зміст кобальту, кадмію, нікелю, марганцю, алюмінію, у той час, як використання як матеріал для електродів нержавіючої сталі підвищує концентрацію цих металів у 1,5-1,7 рази. Проведені мікробіологічні аналізи незнезараженої води і води знезараженої високовольтними розрядами показали, що ефективність досягла 99,9 %. а отримана вода мала бактерицидні властивості протягом усього періоду досліджень.

Проблема пошуку параметрів установок для створення ефективних високовольтних розрядів може бути вирішена за рахунок використання импульсно - періодичного розряду з енергією в імпульсі - 1 Дж., створюваного в електричній камері, через яку протікає вода. Частота проходження імпульсів 50-100 Гц. Питома енергія впливу регулюється витратою води. При величині середньої питомої енергії, вкладеної через електричний розряд у воду~3-5 Дж/див3, концентрація мікробів знижується на 6 порядків. При збільшенні питомої енергії до 10 Дж./див3 удасться очистити воду від пестицидів. Позитивний вплив робить на ефект знезаражування витримка обробленої води перед зливом. Так збільшення часу витримки з 15 хв. до 30 хв. Дозволяє питому енергію знизити з 5 Дж./див3 до 2 Дж/див3. Недолік методу - необхідність використання високих напруг і швидкий знос електродів.

Розрахунки показали, що при використанні великих доз енергії необхідно 0,00027 кВт - години для знезаражування 1 м3 води.

Для перевірки результатів розроблена експериментальна установка, схема якої приведені на мал.1.

У схемі, зображеної на мал. 1 позначені:

1 - камера для обробки високовольтним розрядом;

2 - генератор імпульсів;

3 - електрокоагулятор;

4 - джерело постійного струму;

5 - відстійник;

6 - вугільний фільтр.

Розроблена експериментальна установка дозволила знезаражувати й очищати воду, тобто знищити бактерії і мікроорганізми, видаляти хлор і його з'єднання, з'єднання металів, нафтопродуктів і т.д. Обробка води виконувалася в такий спосіб - вода, проходячи через камеру 1, обробляється високочастотними імпульсами. У результаті цієї обробки повинні загинути 60-70 % бактерій і мікроорганізмів.

Далі вода проходить через коагулятор 3, що де виділяються солі алюмінію і заліза "склеюють" мікроорганізми, що залишилися, і інші продукти напіврозпаду. Потрапляючи у відстійник 5 домішки різних потоків, що утримуються у воді за рахунок, розділяються, важкі частки осідають на дно відстійника, а більш чиста надходить на фільтр 6, після якого вода може вживатися для питва або готування їжі.

Ще одним способом знезаражування рідин є гідродинамічна кавітація. Виникаючі при кавітації високий тиск (перепад до 10000 атмосфер) і температура (до 4000 градусів) при схлопиваніі пухирців знищують усі відомі на сьогоднішній день мікроорганізми. Потік води високого тиску, створюваний відцентровим насосом, перетвориться спеціальним образом у пульсуючий вихор. У результаті пульсації водяника вихру виникають ультразвукові коливання, що викликають явища кавітації. Пройшовши не-

скільки циклів (кількість яких залежить від ступеня забруднення води) вода знезаражується майже цілком, змінює свою твердість і інші якісні показники.

Результати досліджень по обробці сирої води зі ставка м. Алчевска на установці ТПМ-1 (див. схему на мал. 2) потужністю 5,5 квт, при обсязі оброблюваної води 170 л, протягом 45 хвилин безперервної роботи приведені нижче в таблиці 1.

У цій установці:

1 - бак;

2 -заглибний насос типу ЭЦВ-6;

3 - вихровий теплогенератор.

Основним вузлом установки є вихровий теплогенератор.

Налита вода в бак 1 прокачивалась за допомогою заглибного насоса 2 через вихровий теплогенератор 3 кілька разів. При тиску на вході вихрового теплогенератора 4-6 атм. і витраті води 12 м/година, у теплогенераторе створюються умови виникнення кавітації і суперкавітації за рахунок закручування води у вихровий потік (спеціально виконана вхідна конструкція - равлик). З огляду на температурний режим і існуюче тиск при кавітації, відбувалися зміни не тільки характеристики води, але й ефективно знищувалися бактерії і мікроорганізми.

Дослідження показали, що для обробки 1,0 м3 сирої води, у залежності від складу забруднення, необхідно від 2,5 квт до 8.0 квт електроенергії в годину. У випадку застосування спеціальних змінних фільтрів на виході, що забезпечують очищення вже знезараженої води від сторонніх шкідливих включень (як твердих, так і маслянистих домішок) можливе одержання чистої води з води з практично будь-яким рівнем забруднення. З огляду на, що вихровий теплогенератор не містить обертових вузлів, гарантійний термін його експлуатації складає 25 років.

Таблиця 1. Зміна характеристики води при обробці кавитационным апаратом

На базі кавитаціонных апаратів можуть бути створені знезаражуючі установки для одержання питної води практично з будь-яких водних джерел. Використання кавитационных пристроїв дозволить розробити і створити для обробки стічних вод нові системи попередньої обробки перед скиданням у навколишнє середовище. Обов'язковим у цьому випадку є попередня фільтрація стічних вод і створення басейнів, для можливості прокачування через кавитационные пристрою стічних або інших вод кілька разів, і басейну відстійника, з якого знезаражена вода буде зливатися в ріки у водойми.

Підводячи підсумки аналізу способів знезаражування води, порівняльної ефективності, можна затвердити:

- для визначення методу знезаражування води необхідно мати інформацію про характеристики води, що пропонується обробляти;

- найбільш розповсюджений метод знезаражування води - хлорування, однак через нагромадження в організмі отруйних речовин його застосування на Заході обмежують;

- говорячи про мінімум витрат на 1 м3 вода можна складати такий порядок: озонування (0,002 $), ультразвукова обробка (0,07 $), обробка кавитационными апаратами (0,18 $). Однак ці методи через малу продуктивність апаратів можна застосовувати при введенні в приміщення, де використовується питна вода, тому що тільки 5 % води, подаваної водопроводом, використовується на ці мети. Усі ці методи забезпечують знищення 99,7 % бактерій і мікробів.

- найкращі споживчі якості (не вважав дуже великої ціни) у кавитаційних апаратів, оскільки він не має обмежень по температурі і по крупности забруднень;

- эксперементальні дослідження показали, що шляхом оптимізації параметрів розряду можна значно підвищити продуктивність, оскільки малопотужний розряд робить на знезаражування такий вплив, як могутній:

- найбільш оптимальної є комплексне застосування серії электрокоагуляция - розряд - розряд - коагуляція.

Хімічний склад природних вод дуже різноманітний по своєму складі, містить у собі іони кальцію, магнію, натрію, бікарбонатів, сульфідів і хлоридів. Навіть у маломинерализованных водах завжди є кальцій і магній, що, хоча і потрібні у визначеній мері для розвитку фтори і фауни (включаючи в людину), але доставляють масу турбот при експлуатації казанового і теплообмінного устаткування.

Кількість цих елементів у воді визначає величину твердості цієї води. Загальна твердість поділяється на карбонатну (тимчасову) і некарбонатну (постійну). Карбонатна твердість усувається кип'ятінням. Некарбонатна твердість зв'язана з присутністю у воді кальцію і магнію у виді солей сірчаної, соляної й азотної кислот.

Вода підвищеної твердості негативно впливає на травлення і ножеві людини, непридатна для систем оборотного водопостачання і для усіх видів теплообмінного устаткування. Відкладення солей на стінках різко збільшують витрати на нагрівання і негативно позначається на довговічності будь-якого устаткування, і прискорюють корозійні процеси. Шар у 3 мм на стінах казана або бойлера споживає 25 % теплової енергії а шар у 13 мм споживає вже 70 % тепла. Відкладення товщиною 10 мм утворяться менше, ніж за один рік. Хоча ДСТ 2874- 82 "Вода питна" установлює норму 7 мг - экв/л, для Донбасу установлене відключення в 17 мг-экв/л. Для деяких виробництв пред'являються велике вимоги до твердості технологічної води (0,01 - 0,05 мг.экв/л). Ще один недолік твердості води - утворення "мильних шлаків" на поверхні сантехнічного устаткування - продукту взаємодії миючих речовин із солями твердості.

В даний час використовують наступні методи зм'якшення води (процесі видалення іонів Са2+ і Мg2+): термічні (кип'ятіння); реагентные (іони Са і Мg зв'язуються різними реагентами в практично нерозчинні з'єднання); іонного обміну, при якому вода фільтрується через матеріали, у яких утримуючі в них іони Na+ і Н+ обмінюються на Са2+ і Мg2+; комбіновані методи, що представляють собою сполучення перерахованих вище методів; фізичні методи (обробка води електричним і магнітним полем). Для знесолення води застосовують дистиляцію (випарювання води з наступною концентрацією); виморожуванів (поділ кристалів прісного льоду і розсолу при замерзанні води); газогідротировання (утворення газогидратів солей); метод іонообміну; електродіаліз (поділ катіонів солей при електролізі); зворотний осмос (фільтрування води через напівнепроникні мембрани); екстракцію (поділ водного розчину на воду і солі).

Методи зм'якшення і знесолення води не можна строго розділити між собою, наприклад, термічний метод поєднує такі, як нагрівання води до високої температури, дистиляцію і виморожування. Фізичні процеси - нагрівання, хімічні реакції, електромагнітне випромінювання і т.д. Відомі методи зм'якшення і знесолення, як показав аналіз і досвід застосування мають недоліки, що не дозволяють визнати який-небудь досить економічно і технічно бездоганним. Серед цих недоліків: великі питомі витрати енергії н як наслідок висока вартість одержуваної води (термічний метод); висока вартість і трудомісткість, екологічна небезпека (реагенті методи і методи іонного обміну); складність установок, низька продуктивність (газогідрат ний спосіб); великі витрати енергії, висока вартість і мала надійність мембран (електродіаліз і зворотний осмос); велика вартість, складність устаткування і велика кількість обмежень, пропонованих до води, що очищається, (екстракція).

Необхідний пошук методів, що були б технічно доступні, надійні, не вимагали великих енерговитрат і трудовитрат і дозволяли б пом'якшити велику кількість проточної води.

Усі ці методи засновані на використанні аномальних властивостей води: високої температури кипіння, значної розчинюючої і диссоцилерующей здатності води, малої теплопровідності, високої теплоти випару й інших, котрі обумовлені будівлею її молекули і просторовою структурою. Тільки в молекули води є властивість, що виявляється в присутності інших молекул: утворювати водневі містки між атомами кисню двох сусідніх молекул так, що атом водню розташовується на відрізку, що з'єднує атоми кисню. Виникають плоскі і просторові ланцюги або кільця молекул. На цю структуру сильно впливають домішки утворюючі, котрі на електроліти, що є присутнім у воді у виді іонів, і не електроліти, що знаходяться в молекулярній формі. Завдяки домішкам змінюються всі параметри води. Наприклад, чиста вода - діамагнетик, вода з домішками - парамагнетик. Дослідження показали, що існує дві частоти, на яких можна викликати резонансні явища у воді: критична ~ 10 МГЦ м частота з'єднання валів Н+ і ПРО+ - 14,3 Гц. Це для чистої води. Наявність солей твердості і розчинених газів зменшує ці частоти. Досвіди показали, що навіть дуже слабкі високочастотні поля при збігу їхньої частоти з частотою процесії ядер на кілька годин змінюють магнітну сприйнятливість води і сприяють випаданню з неї кристалів солей твердості.

У такий спосіб виникла ідея створення такої частоти електромагнітного поля (ЭМП), щоб виник резонанс у, що протікає через пристрій воді, тобто приблизно 10 МГЦ. Крім того, необхідно мати устройство, яке могло б у визначених межах змінювати частоту, щоб підбудовуватися під резонансні частоти твердої води.

Аналіз наукової літератури показав, що факторами визначальний ступінь виділення солей тимчасової твердості є напруженість полючи H, кількість проходів води через поле N, швидкість переміщення води через ЭМП?,частота зміни ЭМП ?. Найбільший вплив роблять два фактори N і ?. У літературі звичайно описувалися пристрої, створювані надпотужними магнітами з рідкоземельних металів. Дослідження показали, що збільшення частоти ЭМП або швидкості потоку однозначно збільшують ефективність установки.

Нами проводилися багатофакторні експерименти з малопотужними імпульсами (мал. 3) трапецеидальной форми.

З урахуванням теорії планування експериментів була складена програма дослідження такої установки.

При проведенні експериментів були прийняті наступні допущення:

1. Кількість зон обробки N = 1

2. Електромагнітне поле подається у виді імпульсів полярності, що чергується, (мал. 3)

Кожна молекула води проходить ділянку труби довжиною L, на якому на неї впливає імпульси ЭМП із напруженістю Н (малюнок 4).

Таким чином, еквівалентна кількість проходів кожної молекули через ЭМП

N_экв=

де L- довжина ділянки обробки, м; - частота проходження імпульсів ЭМИ, 1/c; V - швидкість переміщення води, м/с.

Коефіцієнт 2 у чисельнику формулі відбиває той факт, що імпульси ЭМП двуполярні.

Була розроблена експериментальна установка. Функціональна схема установки приведена на малюнку 5.

В - випрямитель трифазний двополярний; Ф - фільтр ємнісний; 1-3- осередку перетворювачів; СУ - система керування; БКК- блок контролю якості обробки; ИП СУ - джерело харчування системи керування; L1-L3-котушки омагничивателя. Кожен осередок перетворювачі являє собою напівмостовий інвертор напруги і містить два транзистори VT1 і VT2,а також два діоди - VD1 і VD2.

Схема.

На схемі прийняті наступні позначення:

Керування осередками перетворювача здійснюється від системи керування СУ. Для забезпечення необхідної якості обробки в СУ надходить сигнал зворотного зв'язку від блоку контролю якості обробки БКК.

Тимчасові діаграми імпульсів струму в котушках електромагнітів фаз омагнічувателя приведені на малюнку б.

Застосування високочастотних транзисторів в осередках 1-3 установки дозволить одержати частоту магнітного в обмотках електромагнітів від 0 до 500 Гц. При цьому максимальна частота вищої гармоніки складе близько 10 Мгц. Таким чином, розроблена експериментальна установка враховує викладені раніше припущення про існування в молекули води двох резонансних частот і дозволяє досліджувати вплив цих частот при впливі ЭМП на воду. Для проведення експериментів був розроблений омагнічуватель, що зображений на малюнку

Омагнічуватель являє собою камеру 1, утворену статором 4 трифазні асинхронні двигуни і нерухомий суцільнометалевий ротор З.



Вихідна вода через вхідний патрубок 1 подається в проміжок 7 між статором і ротором. В обмотки надходять імпульси колоколообразной форми, одержувані від трифазного однополупериодного выпрямителя.

Після обробки води в ЭМП вона надходила в элетрокаогулятор. Электрокоагуляция здійснювалася з використанням установки, що промислово випускається, "Аквалон". Электрокаогулятор складається з джерела харчування і пакета з чотирьох електродів, два з яких - алюмінієві, а два- з нержавіючої сталі.

Обробка води здійснювалася протягом 5 хвилин. Далі вода піддавалася впливові імпульсів електричного поля. У цьому випадку використовувалися електроди з нержавіючої сталі, установлені на вході омагничивателя. Площа одного електрода близько 200 ?мм?^2 відстань між електродами - 25 мм. На електроди подавалися прямокутні імпульси амплітудою 15 В и частотою 20 кгц. Обробка вироблялася в такий спосіб. Спочатку вода проходила між електродами для обробки електричними імпульсами, потім - через омагничиватель. Далі вона оброблялася в электрокаогуляторе. Оброблена вода доводилася до кипіння. Потім вироблялося охолодження і відстій протягом ЗО хвилин. Після цього вода передавалася на аналіз.



Оцінка результатів експериментів показала, що найбільший ефект (малюнки 8, 9.10.11 ) отримані в експерименті, де частота ЭМП відповідала 10 Мгц.

З аналізу засобів і способів зм'якшення води і знесолення, з огляду на експериментальні результати можна зробити наступні висновки: резонансні частоти (критична і частота з'єднань H^+ і O^-) змінюються в залежності від наявності солей твердості і кількості розчинених у воді газів: оскільки ще не створена загальновизнана теорія впливу ЭМП на властивості води, проведені експериментальні дослідження дозволили довести можливість при застосуванні ЭМП м електрокоагуляції істотно знизити концентрацію іонів металів, тимчасову і постійну твердість. Найбільший ефект досягається при спільному застосуванні омагнічування і електрокоагуляції. Обробка води в ЭМП не впливає на рн води і загальну твердість. Незначно (на - 30%) знижується концентрація іонів кальцію і магнію, а також (на - 20%) зміст іонів хлору.

Використання води в промислових і побутових цілях вимагає її очищення як при подачі споживачеві, так і після використання при скиданні у водойми. При цьому природно до продукту очищення висувають різні вимоги.

Очищення при водопостачанні складається в осветлении, тобто видаленні з води механічних домішок, знезаражуванні і спеціальній обробці води. При цьому освітлення традиційне виробляється пропуском води через зважений шар осаду в освітлювачах і фільтруванням через зернисте завантаження у фільтрах. У випадку коагуляції часток також виникає необхідність у відділенні на кінцевому етапі хлопів за допомогою відстійників.

При очищенні стічних вод також у першу чергу виникає проблема видалення з них механічних домішок. Частина цих домішок затримується ґратами, а основна маса нерозчинених забруднень органічного походження затримується у відстійниках. Забруднення мінерального походження (пісок, шлак і інші) уловлюються песколовками.

При біологічному очищенні головна проблема складається у видаленні твердих продуктів, що є результатом обробки хлопьев, избытков активного мулу тощо .

Таким чином, проблема добору механічних домішок - одна з головних у загальному комплексі забезпечення чистоти водойм при використанні їхніх вод.

Існує величезна індустрія по випуску устаткування для очищення води від механічних домішок. Досить указати тільки назви не яким пристроїв: ґрати з ручним і механічним очищенням, горизонтальні, вертикальні і тангенціальні; пекові площадки і бункери; горизонтальні, вертикальні і радіальні відстійники; септики;; метантанки, площадки, біофільтри: - відстійники; фільтри прискореного і повільного очищення й інші.

Кожне з цих пристроїв являє собою велике гідротехнічне спорудження, має великі габарити і вимагає досить трудомісткого обслуговування. По самих скромних підрахунках горизонтальний відстійник при пропускній здатності 200 м^3?ч повинний мати площа 500 м^2. Тонкість очищення при цьому складе в кращому випадку 0.15 мм. Розміри відстійників для очищення води тільки одного середнього цеху Маріупольського металургійного заводу, що споживає 23000 м^3?ч або більш 460 000? м?^3 у добу, були б порівнянні з розмірами цеху. Забруднення води на заводі після проходження технологічного циклу підвищується в 100 разів у порівнянні з первісної, котра досить далека від норм по механічних домішках для чистої технічної води.

Очисні спорудження, площадки і полючи маються в кожнім населеному пункті, окремі спорудження маються на кожнім великому підприємстві, займаючи значні площі земної поверхні.

Дотепер для відділення твердої фази від рідкої застосовувалося механічне очищення, тобто затримка часток поверхневими перегородками (ґрати, сітки) і глибинними шарами (пісок, антрацит, шлак), і очищення в силових полях (відстоювання, центрифугирование, магнітні поля).

Кожний з цих способів має свої достоїнства і недоліки. Відстоювання, наприклад, вимагає великого часу, великих площ відстійників, сильно залежить від різниці температур, в'язкості води тощо . У магнітному полі можна відбирати тільки феромагнітні частки, причому швидкість протікання рідини уздовж фільтра (у дуже тонкому шарі) не повинна бути більше 0,01 м/с. Центрифугирование вимагає великої частоти обертання (у гідроциклонах - великої швидкості на вході), великих енергетичних і трудових витратах на очищення і балансування. Механічні фільтри володіють малої грязеемкостью, створюють великий, що збільшується в міру роботи, перепад тисків на фильтроэлементе, вимагають частого і трудомісткого очищення поверхні.

Ідеальний очисник, виходячи з викладеного, повинний задовольняти

наступним вимогам: безупинно очищати воду, чітко обмежуючи верхню границю крупности очищення; мати необмежену грязеемкостью, малий перепад тиску, велику пропускну здатність при малих габаритних розмірах, необмежений термін служби без наявності змінних або регенерируемых фильтроэлементов; мати потребу в мінімальному технічному обслуговуванні; мати можливість встройки безпосередньо в лінію водопостачання або зливальну лінію; незалежність ступеня очищення від кількості (у розумних межах) механічних домішок у що надходить на очищення воді; малу вартість, практично незалежну від очисної (по крупности) здатності фільтра (при рівній пропускній здатності).

Хоча ряд вимог до ідеального очисника суперечать один одному (наприклад висока тонкість очищення і необмежена грязеемкость), найбільш близькими до нього є гідродинамічні фільтри. які розроблені, досліджені і безупинно удосконалюються Донбаським Державним Технічним Університетом. Ідеологічно для цих очисників завдання полягає не в тім, щоб затримати великі частки на якійсь поверхні, а в тім, щоб обмежити вихідний з очисника потік (фільтрат) наявністю часток не вище визначеної, заздалегідь заданої, крупности.

Суть гідродинамічного очищення полягає в створенні відносного руху фільтруючої поверхні і частки забруднень у напрямку, перпендикулярному напрямкові потоку рідини через осередки у фільтроелементі. При визначених співвідношеннях величин поперечної і подовжньої складової відносної швидкості частки і фільтруючої поверхні досягається очищення рідин від часток механічних домішок, значно менших, чим розміри осередків "у світлі". Таким чином, виключається засмічення цих осередків великими частками. Відповідно забезпечується менший перепад тиску на фильтроэлементе, незмінність параметрів очищення при експлуатації і безперервність самогенерації.

Схематично всі конструктивні варіанти реалізації гідродинамічного очищення можна представити у виді фільтрів з нерухомим, обертовим або коливної фильтроэлементом. У фільтрі з нерухомим фильтроэлементом (малюнок 12) поділ часток по крупности здійснюється за рахунок скидання подаваної на фільтр забрудненої рідини (15-20 %) знову в бак через відвідну трубу.

За рахунок цього створюється подовжній потік уздовж фильтроэлемента, що змиває великі частки, і тим самим прохід рідини, що забезпечує, із дрібними частками (у 2-3 рази менших, чим розмір отворів в осередках) через перфоровану перегородку. Зі збільшенням потоку, що скидається, підвищується тонкість очищення, зі зменшенням тонкість очищення знижується.

Забруднена рідина з витратою надходить через отвір А. Частина рідини проходить через фильтроелемент У, очищається і через отвір З

надходить у гідросистему. Залишок рідини Q_2 зливається і через отвір D і регульований дросель Е, що дозволяє змінювати співвідношення величин Q_1і Q_2. Збагачений великими частками потік Q_2 скидається в ємність. В останньому мається заспокоювач, що сприяє відкладенню забруднень. Подовжня швидкість підтримується постійної за рахунок зменшення зазору між корпусом G і фильтроэлементом У по довжині L.

У фільтрі з обертовим елементом (малюнок 13) подовжній потік уздовж фильтроэлемента формується за рахунок його обертання (полнопоточные фільтри). Забруднена рідина надходить через отвір 5 у корпус 1, у якому на підшипниках 2 і 3 обертається фильтроэлемент 4, очищається і надходить у гідросистему через отвір 6. Відфільтровані частки коагулюють і під дією седиментації осаджуються в бункер, з якого періодично виводяться через вентиль 7. Як варіант вентиль 7 частково відкритий і сильне забруднена вода (приблизно 5 % від потоку) надходить у ємність. Таке рішення значне поліпшує процес очищення.

У даному варіанті, на відміну від схеми з нерухомим фильтроэлементом, фільтр відбирає і складирует у бункері забруднені частки, роблячи рідину поступово чистіше.

Фільтри з обертової фильроэлементом дозволяють одержати великий ступінь очищення. У порівнянні з центрифугами, при тій же пропускній здатності і тонкості очищення, кутова швидкість фільтра з обертової фильроэлементами в кілька разів менше, а споживана потужність знижується в 20-40 разів. Якщо додати порівняльну простоту конструкції, можливість виготовляти й експлуатувати очисник без балансування, стабільну тонкість очищення "в один прохід", значне спрощення технічного обслуговування, переваги гідродинамічних фільтрів стають очевидними.

Досить ефективними виявилися пристрої з вібраційним приводом, у якому гідродинамічний ефект здійснюється потоками, инициируемыми за допомогою особливого розташування фильтроэлементов. Плоскі фильроэлементы розташовані на статтю валові таким чином, що центри їх знаходяться нижче осі порожнього вала (малюнок 14). Порожньому валові з закріпленими на ньому фильроэлементами повідомляється коливально - обертальний рух навколо його осі.

Оскільки плоскі фільтрувальні елементи закріплені на статтю валові ексцентрично, те при обертально-коливальному русі на рідину, що знаходиться між площинами фильтроэлементов, діють нерівні відцентрові сили. Відцентрові сили, що діють на рідину в напрямку бункера, не врівноважуються відцентровими силами, що діють у протилежну сторону, оскільки вплив обертально-коливального руху в зоні відсутній. Наслідком цього є поява потоку, спрямованого від центра хитання уздовж пористих поверхонь фильтроэлементов. Таким чином, створюються кільцеві потоки, що сприяють саморегенерації фильтроэлементов і видаленню осаду з зони фільтрації в бункер.

З порівняння схем гідродинамічних фільтрів видно, що найбільш простими по конструкції є неполнопоточные фільтри (малюнок 12). У них немає рушійних деталей, ступінь, очищення регулюється співвідношенням очищеного і потоку, що скидається.

Фільтри з обертової фильтроэлементом забезпечують при тій же відносній швидкості велику тонкість очищення за рахунок наявності додаткового відцентрового ефекту, вони очищають весь потік, складируя відібрані частки, але конструкція їх більш складна, перепад тисків на фильтроэлементе трохи вище, і при визначеній кутовій швидкості між корпусом фільтра і фильтроэлементом виникають шнури Тейлора, що викликають значний стрибкоподібний ріст перепаду тиску.

Щоколивають (вібруючі) фільтри ще більш складні по конструкції і їхню область застосування - очищення від часток, що порівнюються по щільності з рідиною, що вони забруднюють.

В останні роки виник великий попит на неполнопоточные фільтри великої продуктивності, призначені для очищення сильно забруднених стічних вод промислових підприємств і для використання очищених вод у промислових цілях.

Вище уже вказувалося на величезну кількість води, споживаної металургійними заводами. Скидання води йде в заводські відстійники або скидаються в міську каналізацію. При цьому заводи платять величезні штрафи, що, зрозуміло, не поліпшує стан екології. Відстійники представляють найчастіше озера, у яких поверхня покрита залишками нафтопродуктів, у відстійниках плавають ганчірки і дошки, пластмаса тощо , а рівень змісту механічних прів4есей у воді досягає 10 г/л, причому в усмоктувальні трубопроводи попадають сталеві частки розміром до 60 мм.

Вимоги для очищеної рідини визначаються конкретним технологічним процесом: від 0,025 мм по крупности на трубних заводах, 0,2 мм в усмоктувальній лінії насосів для сбива окалини, 0,5 мм для форсунок систем охолодження.

Більш 7 років випускаються гідродинамічні фільтри, що задовольняють цим умовам.

Такі фільтри більш чотирьох років без технічного обслуговування працюють на стані 1700 Маріупольського металургійного комбінату ім. Ілліча, два роки - у электросталеплавильном цеху донецького металургійного заводу. Перепад тиску на фільтрі складає 0,02 Мпа, ступінь очищення 0,14 мм. Габарити: 1720 мм - по фланцях, 1300 мм - по висоті. Скидання води, що увібрала в себе 97 % забруднень, склав 14 % потоку.

Фільтр на 40 м^3/год з тонкістю очищення 0,05 мм два роки без технічного обслуговування працює на Дніпропетровськом заводі імені Комінтерну. Оригинальиая схема фільтрів установлена на Макіївському металургійному комбінаті. Її особливість скидання води з забрудненнями складає 4-5 %. 7 років успішно працює фільтр на 300? м?^3/год з тонкістю очищення 0,035 мм у листопрокатному цеху Донецького металургійного заводу.

У серпні вересні 2002 року виготовлені і поставлені на Маріупольський металургійний комбінат три фільтри на витрату по 4000 м3/год кожний. Таких фільтрів немає ніде у світі. Фільтри забезпечують тонкість очищення 0,2 мм і перепад тисків у 0,025 Мпа. Таке рішення забезпечить багаторічну роботу форсунок без їхньої заміни й огляду.

Оскільки системи водопостачання і скидання стоків, що надходять у водойми, висувають менші вимоги до якості очищення, чим промислові підприємства, перелічені можливості застосування гідродинамічних фільтрів для цих цілей. Площа очисних пристроїв зменшиться більш, ніж у 2000 разів, металоємність у десятки разів при підвищенні якості очищення.

З кінця 2002 р. фільтр із пропускною здатністю 30 м^3/год очищає брудну шахтну воду до тонкості 0,025 мм, і направляємо неї на побутові цілі.

Висновки

У дипломній роботі представлені результати досліджень по поліпшенню якості питної і технічної води для різних регіонів Донбасу.

При проведенні досліджень виконаний аналіз методів знезаражування і знесолення води при її підготовці, виконана оцінка витрат на її обробку і розроблені рекомендації з застосування нових методів, що дозволяють обробляти воду з мінімальними екологічними порушеннями.

Експериментально отримані результати підтвердили правильність застосування електрофізичних методів обробки води і їхня ефективність, що визначалася сторонніми організаціями. Розроблені експериментальні установки можуть бути узяті за основу для розробки пристроїв, що надалі можуть бути використані як у промисловості, так і в побуті.

У процесі виконання роботи були отримані наступні результати:

1. Використовувана вода в регіонах Донбасу (і питна, і технічна) повинна піддаватися обов'язково знезаражуванню і зм'якшенню, незалежно від місця її водозабору.

2. Використання при підготовці води гідродинамічних фільтрів дозволить не тільки продовжити термін служби насосного й іншого устаткування підприємств і організацій, але і дозволить удосконалити й організувати на великих промислових підприємствах замкнуті цикли водообміну й охолодження для зменшення витрат на постачання технічної води.

3. Для збільшення екологічної безпеки для населення України при знезаражуванні питної води можна рекомендувати два методи: при великих обсягах підготовки - озонування, а при малих (індивідуальне користування) - послідовне застосування декількох електрофізичних методів бажано по місцю споживання води (квартири, частки будинку і т.д.), що дозволить зменшити зміст у воді бактерій і мікроорганізмів до необхідних норм.

4. Застосування для обробки стічних вод кавітаційних апаратів спростить технологію обробки, тому що не потрібна попередня фільтрація (досить фільтрувати частки до 0,1-0,2 мм) і не потрібно створювати біологічні очисники, що у холодний час року вимагають позитивної температури.

5. При використанні електричних і магнітних полів для зменшення твердості води необхідно враховувати її склад і якісні показники, а також можливість їхньої зміни від часу року і часу доби.

6. Обробка води електричними і магнітними полем м застосування електрокоагуляції дозволяє знизити концентрацію іонів заліза, тимчасову і постійну твердість, що дуже важливо для районів Донбасу в зв'язку з великою кількістю шахтної води, що відкачувається на поверхню і впливає на погіршення екології в регіонах.

7. Проведені експериментальні дослідження підтвердили поліпшення якості води після обробки і показали, що досліджені методи можуть бути застосовані в розроблювальних у даний час проектах, що будуть враховувати всі екологічні аспекти в регіонах Донбасу і не створювати нові екологічні катастрофи.

Список літератури

1.Левківський С.С. Раціональне використання і охорона водних ресурсів: Підручник./С.С. Лемківський, М.М. Падун. - К.: Либідь, 2006. - 280с.

2. Запольський А.К. та ін. Фізико-хімічні основи технології очищення стічних вод: Підручник./ А.К. Запольський, Н.А Мішкова-Клименко., І.М. Астрелін. - К.: Лібра, 2000.- 552 с.

3. Долина Л.Ф. Новые методы и оборудование для обеззараживания сточных и природных вод./Л.Ф. Долина. - Днепропетровск: Континент, 2003. - 218с.

4 Яковлев С.В. Водоотведение и очистка сточных вод: Учебник./ С.В. Яковлев, Ю.В. Воронов. - 3-е изд., перераб. и доп. - М.: АСВ, 2004. - 704с.

5. Кривошеин Д.А. и др. Инженерная защита поверхностных вод от промышленных стоков: Учеб. пособие./ Д.А. Кривошеин, П.П. Кукин, В.А. Лапин. - М.: Высшая школа, 2003. - 344с.

6. Сметанин В.И. Восстановление и очистка водных объектов: Учебник./ В.И. Сметанин. - М.: КолосС, 2003. - 160с.

7. Долина Л.Ф. Проектирование и расчёт сооружений и установок для физико-химической очистки производственных сточных вод: Учеб. пособие./Л.Ф. Долина. - Днепропетровск: Континент, 2004. - 127с.

8. Долина Л.Ф. Проектирование и расчёт соружениий и установок для механической очистки производственных сточных вод: Учеб. пособие./Л.Ф. Долина. - Днепропетровск: Континент, 2004. - 93с.

9. Светличный А.А. и др. Эрозиоведение: теоретические и прикладные аспекты./ А.А. Светличный, С.Г. Чёрный, Г.И. Швебс. - Сумы: Университетская книга, 2004.- 412с.

10. Державні стандарти України: Системи управління навколишнім середовищем: ДСТУ ISO 14001-97, ДСТУ ISO 14004-97; Настанови щодо здійснення екологічного аудиту: ДСТУ ISO 14010-97, ДСТУ ISO 14011-97, ДСТУ ISO 14012-97 - К.: Держстандарт України, 1998. - 226с.

11. Шевчук В.Я. та ін. Екологічне управління: Підручник./ В.Я. Шевчук, Ю.М. Саталкін, Г.О. Білявський - К.: Либідь, 2004. - 432с.

12. Шматько В.Г. Екологія і організація природоохоронної діяльності: Навч. посібник./В.Г. Шматько, Ю.В. Нікітін. - К.: КНТ, 2006. - 304с.

13. Дьяконов К.Н. Экологическое проектирование и экспертиза: Учебник для вузов./ К.Н. Дьяконов, А.В. Дончева - М.: Аспект Пресс, 2002. - 384с.

14. Сборник методик по расчету выбросов в атмосферу, загрязняющих веществ различными производствами. - Л.: Гидрометеоиздат, 1986. -184с.

15. Давиденко В. А. Основы экологии: Учебное пособие./ В.А. Давиденко. - Алчевск: ДГМИ, 2002. - 207с.

16. Предельно допустимые концентрации (ПДК) и ориентировочно безопасные уровни воздействия загрязняющих веществ (ОБУВ) в атмосферном воздухе населенных мест. - К.: УНЦТЭ, 2000.- 131с.

17. Стольберг В. Ф. Экология города: Учебник./ Ф. В. Стольберг. - К.: Либра, 2000. - 464с.

18. Шаприцкий Н. М. Разработка нормативов ПДВ для защиты атмосферы: Справочное издание./ Шаприцкий Н.М. - М.: Металлургия, 1990.- 416с.

19. Гаев А.Я. и др. Экологические основы строительного производства: учебное пособие / А. Я. Гаев, В. Е. Наружная, М. И. Забылин. - Свердловск: Изд-во Уральского университета, 1990. - 180с.

20. Журавлёв В.П. и др. Охрана окружающей среды в промышленности / В. П. Журавлев, А. Д. Буянов, С. Л. Пущенко. - Луганск: Світлиця, 1997. - 281с.

21. Гарнагина Н. Е. Безопасность жизнидеятельности: методические указания./ Гарганина Н.Е. - СПб.: ГЛТА, 2007. - 24с.

22. Астанин Л. П. Охрана природы: Учебник./ Л.П. Астанин, К.Н. Благосклонов. - М.: Колос, 1984.- 255с.

23. Джигирей В. С. Екологія і охорона навколишнього природного середовища: Навч. посібник./ В.С. Джигирей. - К.: Знания, 2006. - 319с.

Размещено на Allbest.ru