автореферат диссертации по процессам и машинам агроинженерных систем, 05.20.01, диссертация на тему:Обоснование технологических параметров средств очистки подземной воды для птицеводства

Волгоградская государственная сельскохозяйственная академия

На правах рукописи

ИЩЕНКО АЛЕКСЕЙ ЮРЬЕВИЧ

ОБОСНОВАНИЕ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ПАРАМЕТРОВ СРЕДСТВ ОЧИСТКИ ПОДЗЕМНОЙ ВОДЫ ДЛЯ ПТИЦЕВОДСТВА

Специальность 05.20.01 - Механизация сельскохозяйственного производства

ДИССЕРТАЦИЯ на соискание учёной степени кандидата технических наук

Научный руководитель: лауреат Государственной премии СССР, заслуженный изобретатель Российской Федерации, доктор технических наук, профессор

Пындак В.И.

Волгоград - 1999

СОДЕРЖАНИЕ

Введение..........................................................................................................4

Глава 1. Современный технический уровень и тенденции развития средств очистки и подготовки слабосолёной железосодержащей подземной воды для птицеводства. Задачи исследований..........................7

1.1. Физико-химические показатели качества воды из действующих скважин Волгоградской области.........................................................................7

1.2. Анализ пригодности известных методов улучшения качества воды.....9

1.3. Цель и задачи исследований.........................:... . .......................................25

Глава 2. Поисковые лабораторные исследования опреснения слабосолёной железосодержащей воды........................................................27

2.1. Технологические комбинированные схемы...............................................27

2.2. Методика исследований..............................................................................29

2.3. Результаты исследований............................................................................38

2.4. Технологическая и технико-экономическая эффективность

комбинированного метода.................................................................................39

Выводы к главе 2................................................................................................44

Глава 3. Разработка автоматизированных средств очистки слабосолёной железосодержащей воды на основе электрокоагуляции и фильтрования со структуризацией зернистой загрузки....................................................45

3.1. Методика экспериментальных исследований............................................45

3.2. Результаты экспериментальных исследований..........................................51

3.3. Комплексная математическая модель совместной работы электрокоагулятора и фильтра со структуризацией зернистой загрузки........67

3.4. Результаты математического моделирования, их сравнение

с экспериментальными данными.......................................................................75

Выводы к главе 3................................................................................................85

Глава 4. Технология и станция комплексной очистки воды.....................86

4.1. Разработка и обоснование параметров станции водоочистки

для улучшения качества подземной воды.........................................................86

4.2. Водоочистные устройства...........................................................................89

4.2.1. Погружной насосный агрегат с автоматической защитой

от песка на основе гидравлических эффектов..............................................89

4.2.2. Автоматический струйный пульпоуловитель......................................92

4.2.3. Напорный электролизёр с камерой хлопьеобразования

и непрерывной продувкой пено- и шламосборников..................................95

4.2.4. Автоматический фильтр-структуризатор.............................................97

4.2.5. Узел обеззараживания воды...............................................................101

4.3. Схема станции комплексной очистки воды.............................................102

4.4. Целесообразная схема сопряжения станции водоочистки с

существующим водопроводом.........................................................................104

4.4. Технико-экономические показатели станции..........................................107

Выводы к главе 4..............................................................................................111

Глава 5. Дополнительная подготовка воды для птицеводства...............113

5.1. Комплексная электрокоагуляция и магнитогидродинамическая обработка очищенной воды.............................................................................113

5.2. Основные результаты экспериментальных и теоретических

исследований по дополнительной подготовке воды......................................114

Выводы к главе 5..............................................................................................120

Основные выводы.......................................................................................121

Список литературы.....................................................................................123

Приложения.................................................................................................131

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность проблемы. В сельскохозяйственном производстве наиболее неблагополучной - малорентабельной, а зачастую и убыточной - отраслью является птицеводство. Это объясняется рядом факторов, в их числе недостаточное, нерациональное и несбалансированное питание. К этим факторам по праву можно отнести и бессистемное, научно необоснованное снабжение сельскохозяйственных животных водой различного качества и питательными растворами. Многие птицеводческие фермы и птицефабрики используют неподготовленную воду из подземных источников.

В Волгоградской области простирается обширный подземный Сеноман-ский водоносный горизонт. В ряде районов области вода этого горизонта малопригодна для птицеводства по причине повышенного (значительно превышающего допустимые нормы) содержания растворённых солей и взвешенных веществ. В целом около 39 % эксплуатационных ресурсов подземных вод в пределах Волгоградской области характеризуются как слабосолёные железосодержащие.

Несмотря на явную непригодность подобной воды, некоторые птицеводы вынужденно «спаивают» своих питомцев неподготовленной водой. Об этом свидетельствует, в частности, опыт двух крупных Городшценских птицефабрик Волгоградской области, где птицам подают некачественную воду из скважин, в избытке содержащую песок (пескуют бесфильтровые скважины), растворённые соли и железо. Следствием является повышенный падёж цыплят, болезнь птицы, недобор мяса и яиц, снижение кондиции и качества товарной продукции, перерасход кормов, ухудшение экологической обстановки вокруг птицефабрик. Известные прежние попытки решить эту злободневную проблему воды успехом не увенчались.

В связи с этим очистка и подготовка (активация) воды для птицеводства относится к числу актуальных научно-технических, экологических, социально-экономических и практических задач.

Цель исследований. Обосновать технологические параметры средств очистки подземной воды для птицеводства, обеспечив её осветление, обезжелези-вание, опреснение и умягчение на базе механизированных и автоматизированных устройств.

Объект и предмет исследований. Методы очистки слабосолёной (1-3 г/л) железосодержащей (>0,3 мг/л) воды. Лабораторная установка для очистки воды, определение оптимальных параметров электрокоагуляции и фильтрования. Математическая модель совместной работы электрокоагулятора и фильтра с определением их основных параметров. Проект станции водоочистки для птицефабрики. Исследование влияния подготовленной воды (в т.ч. дополнительно омагниченной) на яйценоскость кур.

Научная новизна. Для улучшения качества слабосолёной воды подземных источников наиболее эффективным является метод электрокоагуляции с последующим фильтрованием со структуризацией зернистой загрузки. Разработана математическая модель совместной работы электрокоагулятора и зернистого фильтра, которая позволяет определять ряд основных технологических параметров автоматической фильтровальной установки, в том числе: продолжительность фильтроцикла, потери напора, концентрацию взвешенных веществ в фильтрующейся воде и др. Установлены оптимальные режимы работы электрокоагулятора по критерию качества воды. Новизна технических решений защищена двумя заявками на изобретение.

Достоверность разработанных положений, выводов и рекомендаций подтверждены решением аналитических задач, сходимостью теоретических и экспериментальных данных, актами и протоколами испытаний, изготовлением и

апробацией образцов в хозяйствах, а также апробацией на научных конференциях.

Практическая значимость. Предложены и обоснованы технологические параметры средств очистки слабосолёной железосодержащей воды и её дальнейшей подготовки для птицеводства. Рекомендованы оптимальные режимы электрокоагуляции и фильтрования, позволяющие улучшить качество подземной воды до требований стандартов. Разработана технология улучшения качества слабосолёной железосодержащей воды для птицеводства, характеризующаяся низкой себестоимостью 1 м3 очищенной воды. Рекомендовано использование очищенной, а также очищенной и подвергнутой магнитной обработке воды для повышения яйценоскости кур.

Реализация работы. Лабораторные установки по очистке и подготовке воды для птицеводства изготовлены и используются в научно-производственном комплексе «Оникс», документация на станцию водоочистки передана на изготовление в НПК «Оникс» (заказчик - ОАО «Птицефабрика Городищенская») и в ОАО «ПИГипросельхозстрой» для проектирования.

Апробация работы. Основные положения диссертации доложены и обсуждены на научных конференциях Волгоградской ГСХА (1998) и Волгоградского госуниверситета (1999), на 4-й традиционной научно-технической конференции стран СНГ на тему «Процессы и аппараты экологических производств» (Волгоград, 1998), на 4-й межвузовской конференции студентов и молодых учёных Волгоградской области (1998).

В полном объёме диссертация доложена и обсуждена на научном семинаре по механизации сельскохозяйственного производства (Волгоградская ГСХА, 1999).

НИР и публикации. Диссертация базируется на научно-исследовательской работе. С участием автора опубликовано 18 работ, в том числе 2 заявки на изобретение.

ГЛАВА 1. СОВРЕМЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УРОВЕНЬ И ТЕНДЕНЦИИ РАЗВИТИЯ СРЕДСТВ ОЧИСТКИ И ПОДГОТОВКИ СЛАБОСОЛЁНОЙ ЖЕЛЕЗОСОДЕРЖАЩЕЙ ПОДЗЕМНОЙ ВОДЫ ДЛЯ ПТИЦЕВОДСТВА. ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЙ

1.1. Физико-химические показатели качества воды из действующих

скважин Волгоградской области

На территории Волгоградской области находится 3273 скважин, добывающих воду с общим солесодержанием 1-3 г/л. По классификации, в зависимости от общего содержания солей, такая подземная вода является слабосолёной [51,52].

В табл. 1.1 (графа 3) приведены основные показатели качества добываемой подземной воды.

По классификации природных вод по химическому составу O.A. Алекина добываемая подземная вода относится к классу хлоридных, группе натриевых, первого типа (слабоминерализованная) [59].

Согласно номенклатуре химических типов подземных вод М.Е. Альтовского и В.М. Швеца [86] исходная подземная вода является натриево-хлоридной.

Классификация подземных вод по химическому составу С.А. Щукарева с видоизменениями В.А. Приклонского также относит добываемую воду к двойным водам - натриево-хлоридным. При этом указывается, что такая подземная вода относится к водам, которые встречаются наиболее часто [86].

Согласно [59] вода, используемая для поения животных должна быть прозрачной, бесцветной, без посторонних запахов и вкусов; не должна содержать продуктов гниения органических веществ и ядовитых химических примесей, а также патогенных микроорганизмов и яиц гельминтов. Качество воды, в том числе по сухому остатку, используемой для поения животных оценивают по стандартам [17,18,78].

Таблица 1.1

Показатели качества подземной воды до и в результате обработки

% п/п Наименование ингредиентов Показатели качества воды до и в результате обработки

Исходная вода Н+ОН+ +Н2804 Электро-коаг. Н+ОН--Н2804 Требования стандартов

1 2 3 4 5 6 7

1 рН 7,7-7,9 6,3 7,9 6,5-8,5 6,5-8,5

2 Сухой остаток, мг/л 1839-1905 1137 1777 883 1000

3 Общая щёлочность, мг/л 5,15-5,49 0,79 4,67 0,79

4 Окисляемость перманганатная 3,68 1,76 1,92 1,76

5 Общая жёсткость, мг-экв/л 2,05-16,07 1,92 2,0 1,92 7

6 Хлориды, мг/л 566-674 343 665 343 350

7 Сульфаты, мг/л 131-199 321 110 67 500

8 Натрий, мг/л 209-580 310 500 310 200

9 Калий, мг/л 15 13 6 13

10 Железо общее, мг/л 0,93-5,20 0,02 0,02 0,02 0,30

11 Гидрокарбонат-ион, мг-экв/л 5,00 0,79 4,67 0,79

12 Карбонат-ион, мг-экв/л 0,15 0 0 0

Химические анализы подземных исходной и прошедшей последующую обработку воды выполнены Государственной инспекцией контроля качества окружающей среды при Государственном комитете по охране окружающей среды Волгоградской области и ЦХБЛ МУПП «Волгоградводоканал» (приложения № 1,2).

Неудовлетворительное качество исходной воды продиктовано наличием в ней большого количества взвешенного песка (пескуют бесфильтровые скважины) и повышенным содержанием растворённых солей (табл. 1.1, графа 3). Имеет место большое несоответствие показателей качества воды государственным стандартам на питьевую воду для птицеводства [59, 18] (табл. 1.1, графа 7) по: сухому остатку (1839-1905 вместо допустимого 1000 мг/л), хлор-ионам (566-674 вместо 350 мг/л), общему железу (0,93-5,2 вместо 0,3 мг/л), жёсткости общей (16,7 вместо 7 мг-экв/л), натрию (209-580 вместо 200 мг/л [78]) и концентрации взвешенных частиц. В целом вода характеризуется как слабосолёная, железосодержащая, жёсткая с повышенным содержанием взвешенных веществ.

С точки зрения использования воды для птицеводства требовалось удаление песка из воды с глубоким осветлением, обезжелезивание, умягчение, опреснение с упором на снижение содержания хлор-ионов и натрия, обеззараживание воды, а также защита погружных насосных агрегатов от песка. Применительно к этим требованиям улучшения качества воды проанализировали пригодность соответствующих известных методов.

1.2. Анализ пригодности известных методов улучшения качества воды

Анализ механических и гидравлических способов и устройств защиты насосных агрегатов от песка (фильтрующие, эжекторные, гидроциклонные, с механическими элементами и прочие [33,48]) и его удаления из воды (песколовки, гидроциклоны и т.п.) показал, что они характеризуются громоздкостью, низкой надёжностью в работе, трудностью изготовления, часть из них - высокой энергоёмкостью (эжекторные) и большими потерями воды (гидроциклонные). Эти недостатки приводят к частому выходу их из строя и проблема остаётся нерешённой надлежащим образом. Поэтому последняя является актуальной и для рассматриваемых условий.

Из перечисленных других необходимых технологических процессов могло стать технико-экономически невыгодным, в том числе из-за больших потерь воды на технологию, опреснение. Поэтому уделили внимание прежде всего ему, а далее и остальным процессам, так как обычно операции опреснения попутно решают задачи и обезжелезивания, и осветления воды, и прочие.

Существует ряд методов опреснения (и обессоливания) воды [98,2,48]. Все они в определённой степени механизированы применением запорной и регулирующей арматуры, другими элементами; а с помощью различных датчиков и исполнительных устройств могут быть автоматизированы. Всесторонне проанализировали известные методы для исследуемой воды. Выявили возможность применения для данной воды, преимущества и недостатки следующих методов очистки: дистилляция, ионный обмен, электродиализ, электрокоагуляция, обратный осмос и ультрафильтрация.

Дистилляция (рис. 1.1) применяется, когда общее содержание солей в воде больше 10000 мг/л [98]. Метод характеризуется возможностью практически полного обессоливания воды, но с большими энергозатратами, и неудобствами эксплуатации из-за образования накипи на испаряющих элементах [51,81,3] и сложности механизации и автоматизации процессов её удаления. Из этого вытекает, что для исследуемой воды применение этого метода нецелесообразно.

Ионообмен (рис. 1.2) используется, если общее содержание солей в воде до 2000-3000 мг/л, а хлоридов до 5 мг-экв/л [88] при условии исключения подсоса воздуха в воду, если в ней содержится закисное железо; при окисной форме железа требуется предварительное обезжелезивание, а если вода содержит взвешенные вещества, то необходимо и осветление её. Поскольку в исследуемой воде содержится повышенное количество катионов и анионов, то из известных методов ионирования наибольший интерес представляет одноступенчатое последовательное Н-катионирование и ОН-анионирование [90]. Он характеризуется необходимостью применения для получения питьевой воды ионитов высокой чистоты, серной или соляной кислоты и едкого натра при расходе воды на соб-

±=1

Рис. 1.1. Схема одноступенчатой дисгилляционной установки 1 - сброс рассола; 2 - испаритель; 3 - подача теплоносителя; 4 - сепаратор; 5 -отвод пара; 6,8- подача исходной и отвод дистиллированной воды; 7 - конденсатор; 9 - регулятор уровня.

Рис. 1.2. Технологические схемы ионитового обессоливания воды, а - одноступенчатая; б - двухступенчатая; в - трёхступенчатая; 1,8- подача исходной и отвод обессоленной воды; 2 - водород-катионитные фильтры; 3 - дегазатор; 4 - промежуточный резервуар; 5 - насос; 6 - анионитовые фильтры; 7 - буферный натрий-катионитовый фильтр; 9 - водород-катионитовые фильтры фильтры II ступени; 10 - анионитовые фильтры II ступени (с сильноосновным анионитом); 11 - водород-катионитовые фильтры III ступени; 12 - анионитовые фильтры III ступени.

ственные нужды 20-60 % номинальной производительности [51]. Кроме того, ионообменные смолы подвержены отравлению органикой [45]. Позволяет получать фильтрат с содержанием солей около 20 мг/л (при одноступенчатом иодировании). Однако он трудоёмкий, экологически опасный