Geum.ru
   Авторефераты по темам  >>  Разные специальности - [часть 1]  [часть 2]

Совершенствование технологии обесфторивания подземных вод хозяйственно- питьевого назначения

Автореферат кандидатской диссертации

 

На правах рукописи

 

 

Приймак

илия Владимировна

 

СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ ТЕХНОЛОГИИ

ОБЕСФТОРИВАНИЯ ПОДЗЕМНЫХ ВОД

ХОЗЯЙСТВЕННО-ПИТЬЕВОГО НАЗНАЧЕНИЯ

 

05.23.04 - водоснабжение, канализация, строительные системы

охраны водных ресурсов

 

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени

кандидата технических наук

 

 

 

Иркутск 2012


а Работа выполнена на кафедре Инженерные системы зданий и сооружений ФГАОУ ВПО Сибирский федеральный университет

 

 

Научный руководитель:а а аадоктор технических наук

Матюшенко Анатолий Иванович

 

Официальные оппоненты: аа аа Чикин Андрей Юрьевич, доктор технических наук; ФГБОУ ВПО Восточно-Cибирская государственная академия образования - профессор кафедры Технологий, предпринимательства и методик их преподавания;

Войтов Евгений Леонидович, кандидат технических наук; ГОУ ВПО Новосибирский государственный архитектурно-строительный университет (Сибстрин) - доцент кафедры Водоснабжения и водоотведения

Ведущая организация: ОАО Сибирский научно-исследовательский институт гидротехники и мелиорации (г. Красноярск)

Защита диссертации стоится 23 мая 2012 г. в 14-00 часов на заседании диссертационного совета ДМ.212.073.06 при Иркутском государственном техническом университете по адресу: 664074, г. Иркутск, ул. Лермонтова, 83, в конференц-зале ИрГТУ, корпус К.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ФГБОУ ВПО Иркутского государственного университета.

Автореферат разослан 23 апреля 2012 г.

Ученый секретарь

диссертационного совет _____________а Малевская Марина Борисовна


Общая характеристика работы

Актуальность работы обусловлена необходимостью разработки и внедрения в практику эффективной технологии обесфторивания подземных вод при высоком содержании фтора с экологически безопасной утилизацией фторсодержащего осадка, что является одной из важнейших задач обеспечения населения питьевой водой нормативного качества.

В Красноярском крае и других регионах России, несмотря на наличие большого количества поверхностных источников, некоторые населенные пункты вынуждены использовать подземные воды, качество которых по основным нормируемым показателям соответствует санитарным требованиям за исключением повышенной концентрации фтора. По данным медицинских исследований ВОЗ употребление населением воды с концентрацией фтора более 1,5 мг/л вызывает флюороз зубов, который проявляется в потемнении и разрушении эмали, а также флюороз костей и ряд хронических заболеваний, связанных с нарушениями обмена веществ, сердечно-сосудистой, пищеварительной и нервной систем. Поэтому необходимым условием использования такой воды является ее обесфторивание с поддержанием оптимальных остаточных концентраций фтора на уровне ПДК (0,7-1,2 мг/л).

Поскольку в регионе имеются подземные источники с высоким содержанием фтора в воде, возникла практическая необходимость в проведении исследований по интенсификации методов обесфторивания воды для выбора не только технически осуществимого, но и экономически эффективного метода обесфторивания подземных вод с высокой концентрацией фтора.

Большинство технологий не получили в нашей стране широкого практического распространения из-за отсутствия качественных материалов, значительных расходов реагентов, сложности эксплуатации и многостадийности процессов. Существующие методы обесфторивания не достаточно эффективны и не обеспечивают требуемого качества воды питьевого назначения. Предлагаемые методы, а также рекомендации технической и нормативной литературы разработаны в основном для обесфторивания природных вод с содержанием фтора не превышающем 5 мг/л. Также отсутствуют данные по обработке и утилизации фторсодержащих отходов.

Таким образом, совершенствование технологии обесфторивания воды на базе новых научных знаний является актуальной задачей. Результаты работы обсуждаются на примере подземных источников Красноярского края.

Работа выполнена в рамках федеральной целевой программы Чистая вода и открытого плана НИР ФГАОУ ВПО Сибирский федеральный университет Разработка энергоэффективных и экобезопасных технологий в 2005?2008 гг. Тема диссертации соответствует перечню Критические технологии РФ по направлению Системы жизнеобеспечения и защиты человека.

Объект исследования - природная вода из подземных источников с высоким содержанием фтора.

Предмет исследования - характеристики технологических процессов обесфторивания подземных вод.

Цель диссертационной работы - совершенствование технологии обесфторивания подземных вод при высоком содержании фтора с экологически безопасной утилизацией фторсодержащего осадка.

Для достижения цели сформулированы и решены следующие задачи:

- анализ существующих методов обесфторивания воды применительно к подземным водам с высокой концентрацией фтора и обоснование направлений исследований;

- выявить влияние основных технологических характеристик и параметров процесса реагентного обесфторивания воды на эффективность удаления фтора;

- исследовать способы обработки фторсодержащего гидроксидного осадка, позволяющие уменьшить его объём и выделить фтор в виде малорастворимого вещества;

- разработать технологическую схему обесфторивания воды при высокой концентрации фтора (более 5 мг/дм3) с утилизацией фторсодержащего осадка, дать эколого-экономическую оценку предлагаемых технических решений.

Научная новизна работы

  1. Впервые определены оптимальные соотношения доз алюмосодержащего реагента (моль Al/мольF), при которых происходит наиболее полная сорбция алюмофторидных комплексов гидроксидом алюминия за счёт изменения межмолекулярной связи и более полного распределения алюмофторидных комплексов на поверхности гидроксидного осадка.
  2. Впервые установлен фазовый состав вторичного осадка (модифицированного криолита), полученного в процессе щелочной обработки фторсодержащего гидроксидного осадка.
  3. Впервые предложены критерии подобия процесса электрохимического обесфторивания воды и установлены эмпирические зависимости данных критериев с технологическими параметрами для определения конструктивных параметров электрокоагуляторов.

Основные положения, выносимые на защиту.

  1. Результаты изучения сорбции алюмофторидных комплексов (АФК) гидроксидом алюминия для обоснования снижения разовой дозы алюмосодержащего реагента и дробности его подачи.
  2. Результаты исследования способа обработки фторсодержащего гидроксидного осадка, позволяющего получить экологически безопасный продукт с криолитной основой и алюмосодержащий реагент для повторного использования.
  3. Методика расчета электрокоагулятора, позволяющая на стадии проектирования установить его конструктивные параметры в зависимости от исходного состава воды и оптимальных технологических режимов работы.
  4. Комплексная технологическая схема реагентного обесфторивания воды с дробным дозированием реагента, позволяющая снизить его расход на 40-50 % и обеспечить нормативное качество воды.

Достоверность полученных результатов основана на применении общенаучных методов исследования, знании фундаментальных законов, корректном использовании методик проведения экспериментов; подтверждается анализами качества природных и обрабатываемых вод по стандартным методикам в соответствии с РД 52.24.360-2008, ГОСТ 4386-89, 18165-89, 4389-72, 4245-72, 52407-2005 и базируется на применении современных приборов и оборудования (жидкостном хроматографе LC-20 Prominence (Shimadzu), атомно-эмиссионном спекрометре Thermo Scientific iCAP- 6500 DUO, ИК-Фурье спектометре Nicole 6700, многофункциональном рентгеновском дифрактометре Bruker D8 Advance, приборе для синхронного термического анализа Netzsch STA 449), обеспечивающих требуемую точность и надежность результатов измерения; а также на анализе сравнения результатов экспериментальных исследований с данными других авторов.

Практическая значимость и использование результатов работы:

  1. Научно обосновано и подтверждено экспериментально повышение эффективности реагентного обесфторивания подземной воды методом дробного дозирования реагента при снижении удельного расхода алюминия.
  2. Предложен способ обработки фторсодержащего гидроксидного осадка, позволяющий выделить и утилизировать фтор в виде продукта с криолитной основой, а также получить алюмосодержащий реагент для повторного использования.
  3. Разработана и реализована методика расчета электрокоагулятора для обесфторивания подземной воды, позволяющая на стадии проектирования учесть зависимость конструктивных параметров от внешних факторов, химического состава воды и выбрать оптимальные технологические режимы работы на стадии проектирования.

4. Разработана экономически эффективная и экологически безопасная технология обесфторивания подземных вод при концентрации фтора более 5 мг/л с утилизацией фторсодержащего осадка.

Предложенные технологические решения нашли применение в проекте строительства станции водоподготовки существующих подземных водозаборов хозяйственно-питьевого назначения г. Ачинска, Красноярского края и приняты к использованию в научной и практической деятельности ООО Красноярский водоканалпроект при проектировании водозаборов подземных вод.

Результаты исследований использованы в программе курса Водоподготовка, Процессы и устройства для студентов специальности Водоснабжение и водоотведение Инженерно-строительного института ФГАОУ ВПО Сибирский федеральный университет.

ичный вклад автора. Автору принадлежат постановка и реализация задач исследований; совместно с научным руководителем ? обоснование и формулировка основных положений научной новизны и практической значимости; внедрение результатов совместно со специалистами ООО Красноярский водоканалпроект, Водоканала г. Ачинска, ООО ЭКОПРОЕКТ и коллектива кафедры Инженерные системы, зданий и сооружений СФУ, которым автор выражает глубокую благодарность за помощь в работе.

Апробация работы. Основные положения работы, результаты теоретических, вычислительных и экспериментальных исследований докладывались и обсуждались на V Всероссийской НПК Красноярск. Энергоэффективность: достижения и перспективы (Красноярск, 2004); IX Всероссийской НПК Социальные проблемы инженерной экологии, природопользования и ресурсосбережения (Красноярск, 2005); XXIII Региональной НТК Проблемы архитектуры и строительства (Красноярск, 2005); Всероссийской НПК и выставке Проблемы и перспективы энергообеспечения города (Красноярск, 2005); Всероссийской НПК с международным участием Социально-экологические проблемы природопользования в Центральной Сибири (Красноярск, 2006); Всероссийской НПК Проблемы строительства, экологии и энергосбережения в условиях Западной Сибири (Тюмень, 2006); Всероссийской НПК студентов, аспирантов и молодых ученых Молодежь и наука. Третье тысячелетие (Красноярск, 2007); 61, 65-67 Всероссийских НТК НГАСУ (Сибстрин) Актуальные проблемы строительной отрасли (Новосибирск 2004, 2009-2011).

Публикации. По теме диссертации опубликовано 13 научных работ, из них: 4 статьи в рецензируемых научных журналах из перечня ВАК РФ, 9 - в сборниках научных трудов и материалах Всероссийских научно-технических конференций.

Структура и объем работы. Материалы диссертации изложены на 135 страницах основного текста, включающих 25 рисунков и 42 таблицы. Работа состоит из введения, пяти глав, основных выводов и рекомендаций, списка использованных источников из 120 наименований и приложений.

Содержание работы

Во введении обоснована актуальность темы, определяющая цель и задачи исследований, сформулирована научная новизна и практическая значимость, а также основные положения диссертации, выносимые на защиту.

В первом разделе даны характеристики природно-климатических условий и состава фторсодержащих вод из подземных источников на территории Красноярского края, приводятся описание и анализ существующих методов обесфторивания подземной воды.

Анализ традиционных технологий обесфторивания воды в работах И. Э. Апельцина, Н. А. Бычина, Г. Д. Габовича, Е. Ф. Золотовой, В. А. Клячко, А. П. Левченко, Ю. Ю. Лурье, Г. И. Николадзе, Б. Н. Фрога и др. выявил следующее:

- применение традиционных схем обесфторивания воды ограничено для подземной воды с исходной концентрацией фтора более 5 мг/л вследствие не достаточной эффективности удаления фтора;

- отсутствуют практические рекомендации по выбору схемы обесфторивания для конкретного состава воды;

- использование фторселективных материалов не получило широкого распространения вследствие низких технических и эксплуатационных характеристик;

- отсутствуют данные по обработке и утилизации промывных вод, элюатов, выделенного фторсодержащего осадка.

На основании проведенного обзора и анализа литературных данных определены основные направления исследований по интенсификации процессов и разработке экономически эффективной технологии обесфторивания воды подземных источников, результаты которых изложены в последующих разделах.

Анализ литературных источников, нормативных и справочных документов позволил сделать вывод, что при высоких концентрациях фтора в воде более эффективным и доступным способом обесфторивания является реагентная обработка. Другие способы обесфторивания при исходных высоких концентрациях фтора в воде требуют значительных затрат на реализацию технологии.

Во втором разделе изложены экспериментальные исследования и основные предложения по совершенствованию и разработке комплексной реагентной технологии обесфторивания подземных вод с содержанием фтора более 5 мг/л.

Традиционная схема реагентного обесфторивания воды предполагает обработку сульфатом алюминия с подщелачиванием известью, при этом механизм извлечения фтора заключается в образовании алюмофторидных комплексов и сорбции их на поверхности Al(OH)3. По литературным данным для извлечения фтора до требуемых норм требуются 8-12 моль Al/моль F. Но исследования показали, что реагентная обработка воды с концентрацией фтора более 5 мг/л по традиционной схеме приводит к несоответствию качества воды санитарным нормам по солесодержанию, жесткости, остаточному алюминия.

Для обоснования возможности снижения дозы реагентов и уточнения механизма извлечения фтора проведены исследования эффективности использования ионов алюминия по соотношению количества ионов алюминия, участвующих в извлечении фтора (связанных в осадке) и количества ионов алюминия вводимых с реагентом (табл. 1). Исследования на модельной воде проводились при различных: исходном содержании фтора в воде (5-9 мг/дм3), видах и дозах алюмосодержащего реагента.

Таблица 1 - Определение эффективности использования ионов алюминия в процессе реагентной обработки.

Количество

вводимого реагента,

моль Al/моль F*

Содержание

в обработанной воде**

после отделения осадка, мг/дм3

Соотношение

Al : F в осадке

моль Al/моль F

Коэффициент

использования

ионов алюминия

фтора

алюминия

2

4,12

0,14

1,95

0,98

4

3,11

0,18

3,86

0,97

6

2,41

0,29

5,61

0,94

8

1,87

0,54

7,23

0,90

10

1,46

1,06

8,62

0,86

12

1,18

1,84

9,88

0,82

* 1 моль Al - 27 г-экв; 1 моль F - 19 г-экв

** усреднённые значения из серии опытов

При проведении серии экспериментов на модельной воде было установлено, что более полный расход ионов алюминияс коэффициентом использования ~ 1 наблюдается при меньшем количестве алюмосодержащего реагента (2-4 моль Al/моль F). Тогда как при рекомендуемых дозах реагента 8-12 моль Al/моль F, коэффициент использования ионов алюминия снижается и в обработанной воде наблюдается избыток солей и остаточного алюминия.

Механизм извлечения фтора в процессе комплексообразования и сорбции подтверждён серией опытов по оценке степени устойчивости межмолекулярной связи АФК с гидроксидным осадком при различном соотношении доз алюмосодержащего реагента (2-12 моль Al/моль F). Эксперимент проводился по методике отмывки осадка (рис. 1).

Рисунок 1 - Кривые десорбции алюмофторидного комплекса, осажденного

на гидроксиде алюминия, при различных дозах алюмосодержащего реагента (Al:F),

с учётом исходной концентрации фтора

Анализ результатов эксперимента, представленных на рисунке 1, свидетельствует о том, что при значительном избытке алюмосодержащего реагента (8-12 моль Al/моль F) образуется сорбционный комплекс, структура которого характеризуется нестабильным состоянием, обусловленным низким поверхностным натяжением внутри структурных компонентов. Это объясняется быстрым распределением АФК по поверхности частиц гидроксидного осадка с образованием мономолекулярного диффузного слоя, что приводит к снижению сорбционной способности сорбента и прочности связи между АФК и гидроксидным осадком.

При меньших дозах алюмосодержащего реагента сорбционный комплекс более устойчив с насыщенным, концентрированным мономолекулярным слоем. На поверхности гидроксида алюминия происходит более равномерное распределение АФК, приводящее к уменьшению свободной поверхностной энергии и концентрированию алюмофторидных комплексов в процессе адсорбции. Адсорбционные процессы происходят с меньшим межфазным натяжением и межмолекулярными взаимодействиями, что приводит к проникновению сорбируемых комплексов и образованию димерного диффузного слоя.

Природа и полнота насыщения связей Al - F, Al - O, а также наличие ОН-ионов в образованных сорбционных комплексах подтверждается данными ИК-спектрометрии (рис. 2), полученными в области 400-4000 см-1 в таблетках KBr на ИК-Фурье спектометре Nicole 6700.

Рисунок 2 - ИК-спектры гидроксидных осадков, полученных при разных соотношениях Al/F (проба 1 - 12 моль Al/моль F, проба 2 - 4 моль Al/моль F)

На основании проведенных исследований предложено дробное трёхразовое дозирование реагентов с оптимальным соотношением 4 моль Al/моль F при каждой подаче в зависимости от содержания фтора. Предложенный режим дозирования снижает расход алюмосодержащего реагента на 40-50 % и обеспечивает получение воды хозяйственно-питьевого качества (таблица 2).

Таблица 2 - Качество воды после обесфторивания при одно- и трехразовом дозировании алюмосодержащего реагента

Режим

реагентной

обработки

Удельный расход

алюмосодержащего

реагента, мольAl/мольF

Доза реагента,

моль Al3+

Остаточное

содержание, мг/дм3

Расход

реагента

%

F -

Al3+

Одноразовая

подача реагента

8 - 10

2,44 - 4,63

1,2

1,32 - 2,1

100

Трёхразовая

подача реагента

4

(при каждой подаче

с учетом концентрации фтора)

0,78 - 1,01

3,3 - 5,2

0,05 - 0,08

0,36 - 0,67

1,6 - 2,0

0,05 - 0,08

0,17 - 0,19

0,8 - 1,1

0,05 - 0,08

Результат трехразовой подачи реагента

1,31 - 1,87

0,8 - 1,1

0,05 - 0,08

40 - 54

Для разработки технологической схемы обесфторивания подземной воды определенного состава проведены ряд исследований и составлены рекомендации:

? исходный состав подземной воды является определяющим фактором при выборе вида алюмосодержащего реагента, установлен максимальный прирост солесодержания;

? при жесткости подземной воды более 3 мг-экв/дм3 в качестве подщелачивающего реагента необходимо применение гидроксида натрия, который предотвращает её сверхнормативное увеличение в отличие от традиционно применяемого гидроксида кальция;

? для предотвращения десорбции АФК за счёт интенсификации процесса осветления воды и своевременного отделения фторсодержащего гидроксидного осадка определены вид и доза флокулянта (Praestol 2530 TR, 0,1 мг/дм3).

Третий раздел содержит экспериментальные исследования процесса электрохимического обесфторивания подземной воды, который при реализации технологии в труднодоступных районах имеет следующие преимущества: возможность автоматизации работы; меньшее количество образующегося осадка, стабильность солевого состава обрабатываемой воды и т. д.

Исследования проводились на опытной установке, в которой использовались разномасштабные модели напорных электрокоагуляторов с плоскими растворимыми алюминиевыми электродами (рис. 3).

Рисунок 3 ? Полупромышленная электрокоагуляционная установка: 1 - подача воды; 2 - приемная емкость (V = 1,5 м3); 3 - модели алюминиевых электрокоагуляторов; 4 - источник питания; 5 - камера хлопьеобразования; 6 - емкость с флокулянтом; 7 - отстойник; 8 - емкость осветленной воды; 9 - фильтр; 10 - емкость обесфторенной воды; 11 - насос; 12 - емкость для сбора осадка

Основные параметры в системе элекрокоагулятора: WAl - количество растворенного алюминия, г/м3; Q - производительность установки, м3/с; I - сила тока, А; KMe - электрохимический эквивалент, кг/Ас; ?? - приращение температуры, С; CV - объемная теплоемкость воды, Дж/м3 град; U - напряжение, В; ?уст - электропроводимость системы, См/м; v - скорость движения воды в межэлектродном пространстве, м/ч; m - межэлектродное расстояние, м;S - рабочая поверхность электродов, м2; T - время пребывания воды в электрическом поле, ч; WЭ - расход электроэнергии, кВтч.

Значительное количество переменных усложняет обработку результатов лабораторных исследований и их применение для проектирования установки реальной конструкции. С целью создания методики технологического расчета электрокоагуляторов использована теория подобия и размерностей, которая позволила сократить число переменных и установить количество и состав критериев подобия, необходимых для полного описания процесса электрохимического обесфторивания воды.

Основные размерности в рассматриваемой системе: кг, м, А, В, с, С. На основании анализа размерностей, путём решения матрицы получены безразмерные критерии подобия, в которые каждая из переменных входит с показателем степени (1 или -1).

В качестве основного критерия подобия принята зависимая переменная: , характеризующая эффективность электрохимического обесфторивания воды и являющаяся функцией критериев: .

а - критерий электрохимического выделения ионов алюминия; а - критерий, характеризующий повышение теплосодержания обрабатываемой воды относительно затрат электроэнергии;

а - критерий, учитывающий затраты электроэнергии в зависимости от расхода воды, конструкции и формы электродов.

Экспериментальные данные электрохимическому обесфториванию воды представлены в виде графической зависимости на рисунке 4.

Рисунок 4 - Зависимость эффективности обесфторивания воды от количества выделенного алюминия при электрохимической обработке воды

Результаты исследований показали, что величина критерия ?1, характеризующая удельный выход металла для электродов из алюминия изменяется в пределах 1,1-1,8, т.е. количество выделяемого алюминия выше теоретического значения. Это объясняется химическим растворением катода за счет увеличения рН в прикатодном пространстве, что подтверждено уменьшением массы электродов весовым методом. При обработке воды выявлена авторегуляция рН, с установлением значения на выходе в пределах 7,8-8,0 рН.

На основании обработки экспериментальных данных получена аналитическая зависимость эффективности электрохимического обесфторивания воды от критериев подобия, имеющая выражение:

а также аналитические зависимости критериев подобия, гидравлических и электрических параметров, на основании которых разработана методика расчета конструкции электрокоагулятора для обесфторивания воды, которая может быть применена при различных исходных условиях проектирования.

Требуемое количество выделяемого алюминия с учетом критериев подобия ?1и ?3 определяется по зависимостям, представленным на рисунке 5.

 

 

Рисунок 5 - Определение необходимого количества алюминия мольAl/мольF

с учётом критериев ?1 и ?3

Использование методики расчета сводится к последовательному определению технологических параметров процесса электрохимического обесфторивания воды с установлением размеров установки (размеры и количество электродов, длина и ширина электрокоагулятора). На основе предложенной методики, на стадии проектирования определяются конструктивные параметры с учётом химического состава воды, требуемого эффекта обесфторивания и выбирается оптимальный технологический режим работы.

Четвертый раздел посвящен исследованиям способа обработки фторсодержащего осадка и возможности его утилизации. Осадок, образующийся при реагентном обесфторивании воды, представляет собой гидроксид алюминия с сорбированными алюмофторидными комплексами. При различных дозах алюмосодержащего реагента время уплотнения осадка не менее 4 часов, количество осадка ~ 10 % от объема обрабатываемой воды. Это требует включения в технологическую схему накопителей больших объемов, сооружений по уплотнению осадка, отвода значительных площадей под шламовые поля.

В рамках программы энергоресурсосбережения предложена обработка осадка с извлечением из него экологически безопасного продукта с криолитной основой, объемом 1-2 %, рекомендованного для использования в качестве вторичного сырья при производстве стекла, эмалей, изготовления абразивов и других целей. Вторичный осадок получен путём обработки фторсодержащего гидроксидного осадка раствором дозой 2 моль NaOH/моль Al (таблица 3).

Растворение осадка в щелочи при установленной дозе NaOH идет без разрушения алюмофторидных комплексов, о чем свидетельствует отсутствие ионов фтора в растворе. Образующийся раствор алюмината натрия в количестве 72,0-76,7 % используется в технологической схеме.

Таблица 3 ? Данные по степени разрушения гидроксофторалюминатов

Доза NaOH,

мольNaOH/мольAl

Количество в растворе (от исходного содержания), %

фтора

алюминия

1

0,2 - 0,3

37,5 - 41

2

0,2 - 0,3

72 - 76,5

3

0,35 - 0,40

90 - 92

4

0,5 - 0,6

92,5 - 94

6

40,5 - 46,0

96 - 97,9

Качественный состав выделенного вторичного осадка в сравнении с эталоном (криолитом) подтверждается рентгенограммой, полученной на многофункциональном рентгеновском дифрактометре Bruker D8 Advance, методом рентгенофазового анализа (рис. 6) и термогравиметрическими кривыми, полученными на приборе Netzsch STA 449 методом синхронного термического анализа в режиме скорости нагрева печи 10 С в минуту (рис. 7).

Рисунок 6 - Рентгенограмма полученного осадка с криолитной основой

Рисунок 7 - Термограмма полученного осадка с криолитной основой

На основе полученных результатов разработана схема обработки фторсодержащего гидроксидного осадка с выводом продукта модифицированного криолита и рециркуляцией восстановленного реагента, которая включена в технологию реагентного обесфторивания воды.

В пятом разделе на основании проведенных исследований разработаны варианты технологических схем для станции обесфторивания подземных вод производительностью 3200 м3/сут. Расчетный расход принят с учетом норм фактического водопотребления п. Балахта. Проведен анализ и обоснование состава сооружений.

На рисунке 8 представлена технологическая схема обесфторивания подземной воды с применением дробного дозирования реагентов, включающая узел обработки гидроксидного осадка с выводом фтора и рециркуляцией восстановленного алюмосодержащего реагента.

Рисунок 8 - Технологическая схема реагентного обесфторивания подземной воды с дробным дозированием реагентов: 1 - подача исходной воды; 2 - регулирующая емкость;

3 - блок дробного дозирования; 4 - фильтр с зернистой загрузкой; 5 - блок обеззараживания; 6 - РЧВ; 7 - подача воды потребителю; 8 - расходный бак алюмосодержащего реагента; 9 - расходный бак щелочного реагента; 10 - расходный бак раствора флокулянта; 11 - расходный бак восстановленного алюмината натрия; 12 - шламонакопитель;

13 - накопитель промывной воды; 14 - бак осветленной промывной оды; 15 - реактор;

16 - блок обезвоживания; 17 - емкость для сбора обезвоженного вторичного осадка

Рассчитаны основные технико-экономические показатели вариантов схем обесфторивания подземной воды и обоснована экономическая эффективность предлагаемых технологических решений (табл. 4).


Таблица 4 - Технико-экономические показатели вариантов схем обесфторивания воды

Наименование

Единицы

измерения

Варианты схем

I

II

III

Производительность

тыс. м3/год

1168

1168

1168

Исходная концентрация фтора

мг/дм3

до 5

до 10

до 10

Капитальные вложения

тыс. руб.

44259,5

34318,6

126045,5

Эксплуатационные затраты в т. ч.:

тыс. руб./год

24709,1

9235,3

9982,3

Реагенты и материалы

тыс. руб./год

21561,9

7355,6

4768,9

Земля под шламовые площадки

тыс. руб./год

250,5

4,0

1,8

Плата за размещение отходов

тыс. руб./год

68,77

14,53

5,16

Себестоимость обесфторивания

1 м3 воды

руб./м3

23,0

9,5

13,3

* I - традиционная схема, II - технологическая схема реагентного обесфторивания с применением дробного дозирования, III - технологическая схема электрохимического обесфторивания с использованием растворимых алюминиевых электродов.

Эколого-экономический эффект от внедрения предлагаемых технологических решений с учётом снижения расходов реагентов и рассчитанного предотвращённого экологического ущерба в среднем составит до 758 тыс. руб./год (в ценах III квартала 2011 года).

Основные выводы и рекомендации

На основе комплексного анализа теоретических положений и обобщения экспериментальных данных получены следующие результаты, составляющие в совокупности научную и практическую основу проектирования технологий обесфторивания подземных вод при содержании фтора более 5 мг/л с экологически безопасной утилизацией фторсодержащего осадка, что является одной из важнейших задач обеспечения населения питьевой водой нормативного качества:

      • Впервые определены оптимальные дозы алюмосодержащего реагента (моль Al/мольF), при которых происходит наиболее полная сорбция алюмофторидных комплексов (АФК) гидроксидом алюминия. Установлено, что увеличение сорбционной способности происходит за счёт изменения межмолекулярной связи сорбционной системы и более полного распределения АФК на поверхности гидроксидного осадка при дозах алюмосодержащего реагента 2-4 моль Al/моль F. Обосновано и подтверждено снижение удельной дозы алюмосодержащего реагента, и дробность его подачидля высокоэффективного обесфторивания воды.
  • Разработан способ обработки фторсодержащего гидроксидного осадка, позволяющий выделить фтор в виде экологически безопасного продукта с криолитной основой и получить алюмосодержащий реагент для повторного использования.
  • Предложены критерии подобия процесса электрохимического обесфторивания подземной воды и определены эмпирические зависимости данных критериев с технологическими параметрами. На основе результатов моделирования и теории размерностей предложена методика расчета электрокоагулятора, позволяющая установить конструктивные параметры и рациональные режимы эксплуатации электрокоагуляторов на стадии проектирования.
  • Разработана комплексная технологическая схема реагентного обесфторивания воды с дробным дозированием реагента позволяющая применить технологию при высоком содержании фтора. Сравнительная оценка эффективности предлагаемого метода обесфторивания воды и разработанных рекомендации по выбору конкретной схемы путём анализа комплекса природно-технических условий подтвердила высокую эффективность предложенных мероприятий.

Основное содержание диссертации отражено в следующих работах:

статьи, опубликованные в изданиях из перечня, рекомендованного ВАК:

  • Матюшенко, А. И. Реагентное обесфторивание подземных вод / А. И. Матюшенко, . В. Приймак // Вестник ИрГТУ, 2012. - № 1. - С. 71-73;
  • Матюшенко, А. И. Утилизация фторсодержащего осадка при кондиционировании подземных вод/ А. И. Матюшенко, . В. Приймак // Водоснабжение и санитарная техника, 2011. - № 11. - С. 50?52;
  • Приймак, Л. В. Методика технологического расчета и конструирования электрокоагуляторов для обесфторивания природных вод / Л. В. Приймак // Известия вузов. Сер. Строительство, 2010. - № 1. - С. 75-79;
  • Приймак, Л. В. Оптимальные режимы дозирования при реагентном обесфторивании воды // Известия вузов. Сер. Строительство, 2008. ? № 4. ? С. 67-69;

статьи, опубликованные в других изданиях:

  • Матюшенко, А. И. Обесфторивание подземных вод Красноярского края / А. И. Матюшенко, . В. Приймак // Вестник ассоциации КГТУ. - Красноярск: ПИК Офсет, 2011. ? Вып. 20. ? С. 53-55;
  • Матюшенко, А.И. Утилизация фторсодержащего осадка при обесфторивании воды / А. И. Матюшенко, . В. Приймак // Вестник ассоциации КГТУ. - Красноярск: ПИК Офсет, 2011. ? Вып. 20. ? С. 70?74;
  • Приймак, Л. В. Электрокоагуляционное обесфторивание воды / Л. В. Приймак, Т. Я. Пазенко, А. Ф. Колова // Вестник Международной академии наук экологии и безопасности жизнедеятельности. - 2009. - Т. 14. ? № 6. - С. 179-184;

публикации в материалах научно-технических конференций:

  • Приймак, Л. В. Методы обесфторивания подземных вод для хозяйственно-питьевого обеспечения / Л. В. Приймак // Социально-экологические проблемы природопользования в Центральной Сибири: Матер. Всерос. НПК с международным участием. ? Красноярск, 2006. ? С. 122-124;
  • Приймак, Л. В. Расчет моделей электрокоагуляторов для обесфторивания воды / Л. В. Приймак // Проблемы строительства, экологии и энергосбережения в условиях Западной Сибири: Матер. Всерос. НПК. ? Тюмень, 2006. ? С. 130-133;
  • Приймак, Л. В. Исследование процесса комплексообразования при реагентном обесфторивании воды / Л. В. Приймак // Социальные проблемы инженерной экологии, природопользования и ресурсосбережения: Матер. Всерос. НПК. ? Красноярск: Краевое НТО, 2005. ? Вып. IX. ? С. 148-150;
  • Приймак, Л. В. Применение теории подобия и физического моде-лирования для расчета электрокоагуляторов / Л. В. Приймак // Энергоэффективность систем жизнеобеспечения города: Матер. VI Всерос. НПК и выставки по вопросам энергоэффективности. - Красноярск, 2005. - С. 259-262;
  • Приймак, Л. В. Исследование эффективности реагентного дефторирования подземной воды / Л. В. Приймак // Красноярск. Энергоэффективность: достижения и перспективы: Матер. V Всерос. НПК и выставки по вопросам энергоэффективности. - Красноярск, 2004. ? С. 220-223;
  • Приймак, Л. В. Технология обесфторивания природной воды / Л. В. Приймак, Т. Я. Пазенко, Л. В. Стафейчук // Актуальные проблемы строительной отрасли: Материалы 61-ой НТК НГАСУ (Сибстрин). - Новосибирск: НГАСУ, 2004. ? С. 18-19.

Подписано в печать 18.04.2012 г.

Формат бумаги 60?84 1/16. Усл. печ. л. 1,0.

Тираж 100 экз. Заказ № 7462

Отпечатано полиграфическим центром

Библиотечно-издательского комплекса

Сибирского федерального университета

660041, г. Красноярск, пр. Свободный, 82а.

Тел/факс (391)206-26-58, 206-26-49

E-mail: print_sfu@mail.ru; а

     Авторефераты по темам  >>  Разные специальности - [часть 1]  [часть 2]