Совершенствование технологии обесфторивания подземных вод хозяйственно-питьевого назначения (стр. 3 )

‑ 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/А·с; Ди – приращение температуры, °С; CV – объемная теплоемкость воды, Дж/м3 град; U – напряжение, В; луст – 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, кВт·ч.

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: .

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

– 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 р1, 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 р1и р3 определяется по зависимостям, представленным на рисунке 5.

Рисунок 5 – Определение необходимого количества алюминия мольAl/мольF

с учётом критериев р1 и р3

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;