автореферат диссертации по строительству, 05.23.07, диссертация на тему:Повторное использование коллекторно-дренажных вод в мелиоративных системах

^р г. с а"^

и и ^ к-.

Производственное объединение по изысканиям, исследованиям, проектированию и строительству водохозяйственных и мелиоративных объектов в СССР и за рубежом

"СОВИНТЕРВОД"

На правах рукописи

МГЕЛАДЗЕ Венера Сергеевна

УДК 626.810

ПОВТОРНОЕ ИСПОЛЬЗОВАНИЕ КОЛЛЕКТОРНО-ДРЕНАЖНЫХ ВОД В МЕЛИОРАТИВНЫХ СИСТЕМАХ

Специальность 05.23.07. - Гидротехническое и мелиоративное

строительство

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук МОСКВА 1992

Работа выполнена в ПО "Соаинтервод".

Научный руководитель - кандидат технических наук,

старший научный сотрудник БАГЛАЙ В.И.

Официальные оппоненты - доктор геолога-минералогических

наук, профессор РЕНШТКИНА Н.М. кандидат технических наук ГНЕВУШЕВ В.М.

Ведущая организация: Институт водных проблем Российской Академии наук.

Защита состоится" 19" июня 1992г. в /■/ часов на заседании специализированного совета Д 099.08.01 при Производственном объединении "Совинтервод" по адресу. 129344, Москва, ул. Енисейская, дом 2.

Отзывы на автореферат в двух экземплярах, заверенные печатью, просим направить на имя ученого секретаря ПО "Совинтервод".

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ПО "Совинтервод".

Автореферат разослан " ft "_ V_1992 г.

Ученый секретарь Специализированного сонета Д 099.08.01 канд. техн. наук, с.н.с.

Заднепрянец B.C.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. Б процессе орошения ..ельскохозяйствен-ных угодий вследствие фильтрации воды образуется значительное количество ирригационных возвратных вод, которые представляют собой сток, достигающий подземным и поверхностным путем водотоков, водоемов или коллекторно-дренажной сети. Объем возвратных вод и их гидрохимические характеристики определяются многими природными и антропогеннша факторами: расходом поливной воды, степенью дренированности орошаемых территорий, гидрогеологическими условиями, количеством применяемых химических средств защиты растений и удобрений, уровнем организации эксплуатации оросительной и коллекторно-дренажяой сети.

Ежегодно в ыире образуется порядка 300 км3 коллекторно-дре-нажных вод (ВДВ), в том числе в СНГ - 90 кы3, в США - 30 км3, в № - 10 км3. ВДВ наносят большой ущерб природе и экономике стран мира. Поэтому актуальной проблемой охраны водннх ресурсов и исключения негативного воздействия ВДВ на окружающую среду является их повторное использование для орошения с предварительной деминерализацией и обезвреживанием.

В настоящее время для деминерализации воды все большее применение находит мембранная технология. В 1990 г. в мире находились в эксплуатации примерно 63000 опреснительных установок всех типов суммарной производительностью 15,7 млн.ы3/сут. Большинство вновь вводимых установок - обратиоосмотические. На долю СНГ приходится немногим более 2$ от общего числа опреснительных установок. Это объясняется тем, что до настоящего времени проблема опреснения воды в наших странах решалась в основном только в целях обеспечения питьевой водой населения в районах с дефицитом пресной воды и для промышленных целей.

Проблема деминерализации больших объемов ВДВ связана с необ-. ходимостью значительного увеличения производственных мощностей по выпуску опреснительных установок и, главное, о разработкой более эффективного а экономичного способа опреснения воды применительно К мелиоративным системам. Существующие методы деминерализации воды (электродиализ и обратный осмос) преимущественно удаляют из воды компоненты, улучшающие структуру почвы, и делают ее малопригодной для орошения (Колодин, 1985). Предложенная в Институте коллоидной химии и химии воды АН Украины (Гребешок, 1984)

технология деминерализации воды зарядеелективным алектродиализом исключает указанный недостаток.

Важной задачей является также обезвреживание КДВ, т.е. удаление вред .нх примесей (пестицидов, тяж'чнх металлов, фенолов и др;) и их обеззараживание. Решение этой задачи требует развития сорбционных методов очистки вода и озонирования.

Цель настоящей работы - разработка научных основ повторного использования КДВ в орошаемом земледелии. Достижение этой дели потребовало решения следующих основных задач:

статистической обработки данных по расходу и гидрохимическим характеристикам КДВ;

анализа требований к качеству поливной воды и оценки возможности повторного использования ВДВ;

анализа методов и технических средств деминерализации ВДВ;

анализа методов обезвреживания ВДВ;

разработки технологии повторного использования ВДВ.

Решение перечисленных задач осуществлялось на основе теоретических и экспериментальных исследований с использованием методов математической статистики при анализе объема, гидрохимических характеристик ВДВ и экспериментальных дашн&.

Научная новизна. Выполнена статистическая обработка данных по расходу и гидрохимическим характеристикам ВДВ, позволившая сделать заключение о необходимости деминерализации и. обезвреживания ВДВ перед их повторным использованием в мелиоративных системах. , '

Получена новая технологическая информация о возможности применения,нового эффективного метода деминерализации воды - зарядов лек тивного алектродиализа и ограниченности использования традиционных мембранных методов применительно к обработке ВДВ для целей орошения.

Дана оценка капитальных затрат и себестоимости деминерализации КДВ зарядселективным электродиализом в зависимости от со-лесодержания воды и производительности епреснительных установок.

Разработан способ обезвреживания ВДВ с применением " вакуумно-эжекторной озонаторной установки и сорбционнух фильтров. •

Практическая значимость работы. Разработанная технология деминерализации и обезвреживания КДВ предназначена для использования при проектировании, строительстве и эксплуатации сооруже-

ний и систем, обеспечивавдих повторное использование ВДВ в ирригационных целях.

Защищаемые положения. На защиту выносятся: статистический анализ объема и гидрохимических характеристик КДВ;

результаты экспериментальных исследований по деминерализации КДВ с применением традиционного электродиализа и зарядеелек-тивного электродиализа;

результаты экспериментального исследования по сорбционной очистке КДВ от токсичных загрязнений;

технология обработки КДВ перед их повторным использованием, включающая деминерализацию заряде ел ективным электродиализом и обезвреживание с применением вакуумно-эжежторной озонаторной установки и сорбционннх фильтров.

Апробация работы. Основное содержание диссертации докладывалось на научных конференциях' ПО "Совинтервод" в 1989 и 1990 гг.

Публикации по результатам исследований. По результатам исследований опубликовано четыре работы.

Содержание и объем шботы. Диссертационная работа изложена на 180 страницах машинописного текста и состоит из введения, пяти разделов, выводе®, списка литературы ( 75 наименований), приложения, содержит 12 рисунков.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обосновывается актуальность темы, сформулированы цель и задачи исследования. Научная новизна и практическая значимость связываются с разработкой эффективной технологии деминерализации и обезвреживания КДВ перед их повторным использованием.

В разделе I выполнен анализ данных по расходу и гидрохимическим характеристикам КДВ, дана оценка возможности и имеющегося опыта их повторного использования в ирригационных целях.

Характеристики КДВ рассмотрены на примере регионов в бассейнах рек Амударьи и Сырдарьи, в которых коллекторно-дренажный сток оказывает наибольшее отрицательное воздействие на окружающую среду. Выполнена статистическая обработка данных наблюдений за семь лет.

Построены гистограммы распределения месячного и годового стоков крупных коллекторов. Установлено, что 61,6$ значений ме-

сячного стока не превышает 25 млн.м3, а 88,7$ - не превышав! 50 млн.ы3. В отдельных коллекторах месячный сток достигает 175 млн.м3. Годовой стон до 200 млн.м3 отмечается примерно в 40$ от общего ч;.;ла коллекторов в 400 млн.ы3 в 65$ коллекторов. От-

Q

дельные коллекторы отводят за год до 4800 млн.ы ВДВ, причем величина месячного стока крупных коллекторов соответствует годовому стоку других менее крупных коллекторов.

Построенные графики изменения расхода ВДВ в коллекторах показывают, что он в течение года меняется в 10-15 раз: максимум . приходится на летние месяцы, а минимум - на осень и зиму (рио. I).

Как следует из представленных табличных данных о гидрохимических характеристиках воды в коллекторйо-дренажной сети и •аналогичных характеристиках в'ода в ирригационно-сбросовых водоемах, принимающих коллекторно-дренажный сток, ВДВ имеют разнообразный химический состав и содержат значительное количество вредных загрязнений. Установлено, что водоемы практически не облада-. ют способностью к самоочищению от пестицидов, тяжелых металлов и фенолов. Кроме того, происходит накопление загрязнений в донных отложениях водоемов. .

Статистическая обработка данных о солесодержании ВДВ показала, что 21,5$ объема ВДВ имеют солесодеркание до 1,5 г/дм3, 46,- до 3 г/да3, 69,€>% - до 4,5 г/дм3, 86,5£ - до 6,0 г/дм3. Превышают значение 6,0 г/дм3 13,5$ объема ВДВ.

.В ВДВ содержатся в болнвом количестве наиболее агрессивные к почвам и растениям ионы натрия, хлора и сульфатные ионы. Содержание в КДВ токсичных иоков в большинстве случаев превалирует над содержанием ионов, улучшающих структуру почвы. Например, содержание ионов кальция составило 50-300 мг/дм3 (среднее значение - 165 ыг/ды3), ионов натрия - от. 50 до 2000 мг/дм3 (среднее значение - 790 ыг/дм3) (рис. 2).

Статистическая обработка данных о химическом составе воды в каналах, подающих воду на орошение, показала, что в КДВ соот-- ношение между содержанием ионов натрия и кальция в 1,6 раза выше, чем в оросительных каналах, что свидетельствует о более интенсивном вымывании из почвы ионов натрия, чем кальция.

Наиболее наглядно можно проследить миграционную мобильность ионов в системе оросительная вода - почва при выращивании риса. Установлено (Алексахин, Буфатин, Шаликов, 1985), что к концу вегетационного периода при затоплении рисовых чеков устанавливается экспоненциальное распределение ионов солей-по глубине." :

<5, М3/<

VII VIII IX * XI Месяцы

Рис. I. Среднемесячные значения расхода 0. КДВ в коллекторах Дарьялык (I) и Озерный (2).

50 Ю0 450 200 250 300 С 2+

'Са

, мг/дм-

250 500 750 <000 4250 1500 1750 2000

Рис. 2. Гистограммы распределения среднемесячных значений .содержания ионов:кальция (а), и натрия (б) в КДВ коллекторов ГКО-2, МС-3, ГКС-4, ГВКС. " .

.В работе выполнено аналитическое исследование, в результате которого установлено, что с увеличением глубины дренажной сети вынос в КДВ токсичных ионов из почвы увеличивается.

При сочержании i-го компонента в оросительной воде на поверхности почвы Gj, и глубине, на которой его содержание в почве уменьшается в два раза, равной ггц, (миграционный коэффициент),содержание i -го компонента на глубине к можно определить по формуле ^

<V (I) ,

где а, - эмпирический коэффициент, зависящий от конкретных почвенных условий.

Используя выражение (I), можно определить интенсивность поступления в КДВ того или иного компонента из оросительной воды, проходящей почвенные горизонты от поверхности земли до глубины размещения закрытой дренажной системы.

Если эта глубина составляет 1г= h-j , то согласно (I) содержание ионов натрия на этой глубине Сца+ и кальция 2* может быть определено по формулам

'1гэ аИэ

"V ''tlЪ ~Nao '

аНд '

• Сса^= с^е"^ (3)

где С Ыа^ , Сса^ - содержание ионов натрия и Св^

на поверхности почвы;

тыа4 , миграционные коэффициент; для натрия и

кальция.

Для рисовых полей соотношение между содержанием в почве ионов натрия и кальция на глубине расположения горизонтального дренажа при ССа2* получено в виде

Сса ьэ

что свидетельствует об интенсивном насыщении КДВ токсичными ионами при фильтрации оросительной воды через почвенные горизонты. ,

Проведен анализ опыта повторного использования КДВ в условиях засушливого Заволжья,вСеверо-Крыыскоы орошаемом массиве, Молдове, Иссык-Кульской котловине. Ставропольском крае, Сырдарьинской области, Узбекистане и др. Рез- тьтаты исследований показали, что стихийное использование ВДВ для орошения приводит к ухудшению мелиоративного состояния почв, снижению их плодородия, уменьшению урожайности сельскохозяйственных культур и другим негативным последствиям. Поэтому в каждом конкретном случав возникает необходимость обоснования возможности использования КДВ и технологии их предварительной обработки.

Развитие орошаемого земледелия и получение на его основе устойчивых гарантированных урожаев основывается на создании оптимальных условий жизни растений. Формирование и регулирование питательного режима почв находится в непосредственной связи с качеством оросительной воды. Поэтому проблеме регламентирования состава и нормирования качества воды для ирригационных целей уделяется особое внимание.

При оценке пригодности воды для орошения следует учитывать не только ее минерализацию, но и химический состав, климатические условия орошаемой территории, засоленность и дренированность почв, глубину залегания грунтовых вод, солеустойчгвость сельскохозяйственных культур и другие факторы (Безднина, 1966).

Дан анализ существующих методов оценки качества оросительной воды, сделан вывод о необходимости предварительной обработки коллекторно-дренажных вод _перед их подачей на орошение.

Ддя исключения опасности засоления, содообразования а осо-лонцевания почв, в т.ч. натриевого и магниевого осолонцевания, рекомендованы следувщае величины содержания кальция в поливной воде (в моль/м3):

'Мд2+- 7,5 С; 2+ (НСОз +СО|-)-(Мд. + 1,25); ма+-Мда+; •

0,6 (Мд2++ на*); 0,52 Мд2*-

где С - общее солесодержание КДВ.

Сформулированы основные требования к уровню деминерализации ВДВ. Он должен обеспечивать, наряду со снижением общей минерализации воды, сохранение в ней ионов кальция, удаление одновалентных ионов натрия .и хлора, уменьшение концентрации ионов магния и сульфатов.

В разделе 2 дан анализ методов и технических средств деминерализации ВДВ. Рассмотрены особенности и технико-эконсиические характеристики различных способов опреснения воды, приведены рекомендации по их применению, а также дано обоснование выбора наиболее эффективного способа деминерализации ВДВ перед их повтор-' вым использованием - зарядеелективного электродиализа.

Показаны преимущества и недостатки методов дистилляции, _ электродиализа, обратного осмоса, гелиоопреснения, вымораживания, электрохимической активации и элентрокоагуляции, ионного обмена, биологического и кристаллогвдратного методов, экстракции. Изложены основы применения для деминерализации воды электродиализаторов с зарядселективными мембранами.

Представлены таблицы с экономическими показателями деминерализации воды (в ценах до 01.01.1991 г.) различными методами - ' удельными капитальными затратами, себестоимостью и приведенными * затратами.

Для метода дистилляции указанные показатели приведены для солесодержания от 2 до 20 г/ды3 и производительности установок -от 1000 до 100 тнс.м3/сут, других методов - для солесодержания от 1,5 до 10-г/дм3 и производительности установок - от 1000 до 12 тыс.м3/сут. -

Экономические затраты на деминерализацию воды рассчитаны о учетом имеющихся данных (Кододин, 1985) и по оценкам автора настоящей работы.

Из представленных данных следует, что удельные затраты на деминерализацию воды определяются производительностью опреснительных установок и солесодержанном исходной минерализованной ' _ воды: чем меньше производительность установок и чем выше соле-содержание исходной воды, тем больше затраты. Так, например, увеличение производительности датшнционных опреснительных установок с 1000 м3/сут до 100 тыс.ыэ/сут (при солесодержащга исходной воды 5 г/дм3) снижает удельные капитальные затраты в 1,9

раза, себестоимость опресненной воды (эксплуатационные расходы) -в 3,1 раза и приведенные затраты - в 2,9 раза. При опреснении воды указанными установками с солесодерхаяием 20 г/дм3 удельные капитальные затраты выше в 1,9 раза, себесго:.тость - в 1,3 раза и приведенные затраты - в 1,4 раза по сравнению с опреснением воды с солесодержанием 2 г/дм3 (для установок производительностью 100 тыс.м3/сут). ;

• Из всех рассмотренных методов деминерализации воды наиболее эффективным является зарядеелективный электродиализ (Брауде а др., 1987). Его преимущества состоят в следующем:

существенно упрощается процесс предподготовки исходной минерализованной воды, так как снижены требования к подаваемой на опреснение воде по содержанию ыногозар'ядных ионов, отпадает необходимость умягчения воды;

исключается необходимость реверсирования поляркости напряжения на электродах, так как отсутствует явление концентрационной поляризации;

отсутствует образование осадка солей жесткости на мембранах, так как эти соли остаются в диализате а не переходят в камеры концентрирования;

из-за отсутствия в камерах концентрирования солей жесткости предельно достижимая концентрация солей в указанных камерах может быть повышена до 150-200 г/дм3, т.е. при деминерализации образуются высококонцентрарованнне рассолы;

существенно увеличивается выход деминерализованной воды (до 97%), резко сокращается выход концентрата;

значительно упрощается проблема утилизации концентрата, . из него возможно получение товарного продукта - позаренной соли при малых затратах энергии на выпаривание концентрата;

повышается устойчивость мембран к их отравлению органическими веществами и железом;

капитальные затраты на строительство станций деминерализации воды в сравнении с электродиализныма станциями сокращаются более чем на треть;

уменьшаются затраты на эксплуатацию установок деминерализации воды, в т.ч. расход электроэнергии, затраты на техническое обслуживание и замену мембран;

получаемый в процессе деминерализации воды диализат не требует кондиционирования перед подачей его в мелиоративные системы в качестве оросительной води. Опресненная вода обедняется

токсичными ионами и обогащается ионами, улучшающими структуру почвы.

Задачи широкого внедрения эарядселективного электродиализа в практику деминерализации ВДВ требуют ускорения научных исследований по технологии серийного производства отечественных гомогенных зарядеелективных мембран.

В разделе 3 выполнен сравнительный анализ методов обезвреживания КДВ перед их повторным использованием в мелиоративных, системах. Под обезвреживанием понимается очистка КДВ от вредных примесей (пестицидов, оолей тяжелых металлов, фенолов и др.) и обеззараживание.

Особое внимание при анализе уделено очистке ВДВ от химичес-. ких средств защиты растений. Содержание в почве пестицидов, по-ступаодих в нее в результате прямого внесения, при высеве протравленных семян, с атмосферными осадками, .с остатками погибших растений, при смыве с обработанных растений и их поливе, с течением времени уменьшается вслг",ствие усвоения их растениями, испарения в атмосферу, воздействия солнечного ультрафиолетового облучения, поглощения почвенными беспозвоночными животными и насекомыми, уноса поверхностным и коллекторно-дренажным стоком. В почве пестициды подвергаются воздействию биологических и абио- • тических факторов, в результате которых могут образовываться более токсичные и более стабильные соединения, чем применяемые пестициды.

При Дренировании площадей, засеянных сельскохозяйственными культурами, происходит интенсивное вымывание из почвы пестицидов. Вместе с КДВ в водоемы уносится 11,5$ хлорорганических пестицидов и 30-4СЙ& фосфорорганических пестицидов (Врочинский и др., 1979).

Существует несколько способов удаления из воды пестицидов: коагулирование и фильтрование, хлорирование, обработка перманга-натом и персульфатом калия, озонирование, обработка ультрафио-. лотовыми лучами, биохимическое окисление, обработка ионообменными смолами, использование растений, обработка сорбентами.

Наиболее эффективным следует признать сорбционный метод, т.е. концентрирование загрязнений на поверхности или в объеме пор природных или искусственных сорбентов (активированных углей).

Епавными преимуществами сорбционной очистки ВДВ являются:

■ возможность удаления загрязнений чрезвычайно широкой при-

родыо в т.ч. солей тяжелых металлов, фенолов;

очистка воды от загрязнений практически до любой остаточной концентрации независимо от их химической устойчивости; отсутствие вторичных загрязнений; управляемость процессом очистки.

В основе процесса сорбции лежат взаимодействие энергетически ненасыщенных атомов сорбента с молекулами сорбируемых веществ.

Показано, что изотермы сорбции большинства пестицидов сильно выпуклые, поэтому расход сорбента для очистки ВДВ относительно невелик.

В связи с тем, что емкость сорбента в присутствии механических примесей и коллоидов снижается, рекомендуется перед подачей в сорбционяые фильтры очищать ВДВ до содержания 19 мг/дм3 указанных веществ.

Выведены аналитические зависимости для определения сроков регенерации загрузки в сорбционном фильтре, т.е. времени его защитного действия.

Если концентрация пестицидов в ВДВ - переменная величина, выраженная функцией от времени «с Сп = СП(5С) , то срск регенерации фильтра Тр может быть определен решением уравнения 'Ср

1Г^Сп(фая-$кс£Срв6нН» о, (6)

где - скорость фильтрации;

§ - коэффициент, учитывающий потерю защитного действия фильтра до полного насыщения сорбируемым веществом фильтрующей загрузки;

Кс - сорбционная константа распределения сорбата между сорбентом и раствором;

£ = 4-8н/£к - пористость сорбента; £ц , - насыпная и "кажущаяся" плотность сорбционной загрузки;

С равн - равновесная концентрация сорбируемого вещества' на сорбенте;

Н - высота слоя сорбента в фильтре.

Для практических расчетов можно использовать более простые зависимости. Если среднемесячная концентрация сорбируемых веществ составляет при среднемесячном расходе ВДВ , то суммарное количество пестицидов, задержанных сорбционной загрузкой за 1-й месяц, составит С|м. Спм. . За период <% ,

С 1»

выраженный в месяцах, фильтры задержат суммарное количество пес-тицвдов, равное Г)<с

■ пс = £ $мъСггм; • : (?)

Предельная емкость фильтрующей загрузки по задержанию пео-тицидов может быть определена по формуле

Пф=£ п , • • (8)

<1 "

где П<р. - емкость по задержанию пестицидов ¿--го фильтра;

К - количество сорбционных фильтров на станции очистки 'ВДВ.

Срок регенерации сорбционной загрузки

А ПФ

Аналогично ведется,"расчет при работе сорбционных фильтров по задержанию солей тяжелых металлов а других вредных примесей в ВДВ.

Даны рекомендации по исключению сброса в дренажные коллекторы сточных вод баз, складов и пунктов хранения пестицидов, площадок обработки техники. Обезвреживание этих стоков необходимо'осуществлять в автономных системах очистки, что позволит значительно уменьшать концентрацию пестицидов в ВДВ и увеличить срок эксплуатации фильтров до регенерации сорбционной -загрузки.

Вопросы обеззараживания ВДВ подробно рассмотрены в последнем разделе.-

В разделе 4 изложены Результаты экспериментальных исследований по деминерализации и обезвреживанию ВДВ.

Для отработки технологии деминерализации воды различного химического состава была изготовлена экспериментальная электродиа- . лизная установка (рис. 3) с аппаратом конструкции Степанова В.Г.(о рабочими рамками спирального типа).3адача эксперимента состояла в оценке цригодности опресненной воды для орошения. С этой целью' , в электродиализаторе применялись как обычные анионитовые и катио-витовые мембраны МА-40 и МК-40, так и модифицированные мембраны, селективные к однозарядным ионам. Кроме того, ряд экспериментов выполнен на натурных электродиализных опреснительных станциях ЭК0С-1С0 и ЭК0С-50А. Экспериментальные исследования выполнялись в Крыму, Молдове и Каракалпакстане. - .

Экспериментальная электродиализная установка состоит из следующих основных узлов: ; . ,

Y-1 Y-

A

"7

/

.EL

-o C--~o 0.

8

ut

Рис. 3. Блок-схема экспериментальной электродиализной установки:

I - электродиализный аппарат; '2 - латр; 3 - блок электропитания и управления; 4.~ амперметр; 5 - вольтметр; 6 - рН-метр-милливольтмйтр рН-150; 7 - датчик рН-метра ; 8 - да', ик № 5981 кондуктометра; 9 - кондуктометр № 5721.

элек тродиализа гора;

электронасоса "Азовец" для создания необходимого гидравлического напора в рабочих и электродных камерах электродиализдтора; фильтра механической очистки исходной воды; блока электропитания и управления; трубопроводов с ручными вентилями. Электродиализатор представляет собой блок, состоящий из 30 спиральных рамок из полиэтилена, между которыми размещены в чередующейся последовательности анионитовые и катионитовые мембраны. Б верхней и нижней части аппарата имеются буферные и электродные камеры. К последним примыкают электроды из платинированного титана, размещенные в распределительных плитах из полипропилена. Поверх распределительных плит установлены прижимные фланцы из алюминиевого сплава. Пакет рабочих, буферных и электродных камер стянут шпильками.

В составе экспериментальной установки - вольтметр, амперметр, рН-метр-милливольтметр рН-150, кондуктометр-от передвижной лаборатории контроля качества воды-

Химический анализ проб воды осуществлялся с использованием полевой лаборатории контроля качества воды ПЛАВ-2.

Статистическая обработка экспериментов выполнена с использованием компьютера по специально разработанной программе (приведена в приложении к диссертации).

После проведения натурных экспериментов установка была доставлена в Институт коллоидной химии и химии воды им.А.В.Думая-ского (г.Киев), где мембраны электродиализатора были модифицированы полиэлектролитом и превращены в зарядселективные мембраны, селективные к однозарядным ионам. Работы по зарядеелективному электродиализу выполнялись на иыитате коллекторво-дренажных вод.

Эксперимент с мембранами ЫА-40 и I.IK-40 без их модификации проводился при соблюдении условия: ток в электродиализаторе не должен превышать критического значения.

В процессе эксперимента производилось измерение величин напряжения, тока и pH, строились экспериментальные зависимости "кажущегося" электрического сопротивления электродиализатора от величины, обратной току, величины pH деминерализованной воды от тока и тока от напряжения. ' '

Результаты экспериментального определения критического значения тока при различном солесодержании Сисх и соста- •

ве.оолей свидетельствуют, что в диапазоне солесодержания воды от 0,92 г/дм3 до 5Д1 г/дмэ может быть принята для использованной ¡конструкции электродиализатора прямолинейная зависимость

3 = 0,096 + 0,268 Сц« (Ю)

при коэффициенте корреляции X = 0,89.

Приведенные в работе экспериментальные данные по деминерализации ВДВ свидетельствуют, что электродиализ не воегда приводит к улучшению качества воды применительно к целям ирригации, а в ряде случаев снижает ее показатели даже при уменьшении общего' солесодержания. С другой стороны, зарядеелективный электродиализ во всех случаях улучшает качество оросительной воды за счет сохранения в ней солей кальция и уменьшения содержания токсичных одновалентных ионов (табл. I). - .

Для проверки эффективности удаления из ВДВ пестицидов,.,солей тяжелых металлов», фенолов п других вредных примесей была изготовлена экспериментальная установка „ основанная на сорбционном методе очистки воды. Установка состоит из корпуса длиной 555 мм и диаметром 138 мм с патрубками подвода загрязненной воды и отвода очищенной воды, двух сетчатых фильтров и гибкой поливинил-хлоридной трубка, уложенной в виде спирали внутри корпуса. Все свободное пространство корпуса и трубка заполнены сорбентом -березовым-активированным углем. В нижней части корпуса имеется фильтрующий слой мраморной крошки и дробленого нерамзата.

На первом этапе экспериментальных исследований через фильтр пропускалась дистиллированная вода для проверки, не является ли он источником поступления в обрабатываемую воду каких-либо загрязнений. Отфильтрованная вода проверялась на общее солесодержа-ние, залах, привкус, цветность, прозрачность, перманганатную скисляемость, биохимическую потребность в кислороде и рН.

На ".тором этапе, после успешно проведенного первого этапа, через фильтр пропускали водный раствор с растворенным в кем фос-форорганичесним пестицидом - рогором. Содержание рогора в исходной и профильтрованной воде определялось путем экстрагирования хлороформом на хроматографе марки АХМ 80-4 и ЛШ 80-5, а также на газохроме 3700-2. Работы выполнялись при участии сотрудников НПХЦ "Экология водного хозяйства" (г.Ташкент) (Норметов, 1991).

В результате эксперимента установлено, что на эффективность работы сорбционного фильтра влияет время прохождения водой филь-

Таблица I

Результаты

экспериментальных исследований по деминерализации ВДВ

Наименование пробы воды

Содержание в воде ионов, мг/дм3 | ' с.л2- ! „м 1 ! .,_+ ! БАЙ

| СГ I S042" j Са+ I Mg2+ j j

i. с

исх

Исходная вода 107

92

Опресненная вода ?°оцр - 994 ) 2, с

исх

Исходная вода 265

Опресненная вода _ 160 (Cntm 851 мг/да3)

'опр

Исходная вода

Опресненная вода:

режим I _ (Сопр . 535 мг/дм3)

3. С

исх

режим 2 „ (Сопр = 460 мг/дм3)

оаасим 3 , (Cnrm - 426 мг/дм3) „ „„„ , 0ПР 4. Сисх » S60 мг/дм'

107 53 51 49

« 1850 мг/да3

611 48 58 426 .9,8.

49 12 10 299 15,5/9,3

» 1410 мг/дм3

54 28 32 359 .11,0

26 16 ■ 22 212 8,Г/4,8

Я 1240 мг/дм3

114 8 15 363 17,5

41 4 8 152 10,1/6Д

38 2 4 131 12,4/7.4

30 2 2 124 15,0/9,0

Исходная вода Опрес; (сопр

Опресненная вода „ (0пттп ш 416 мг/дм)

89 53

40 30

з

8 4'

288 27,8 -122 16,8Я0Д

Примечания: I. В последней графе таблицы приведена .

величина натриево-адсорбционного отношз-.. ния БАЯ: в числителе - при деминерализации воды электродиализаторами.о мембранами МА-40 и МК-40, в знаменателе - с модифици-■ рованкыми (зарядоелектявными) мембранами. 2. Режим работы элекгродиализатора назна-. чался изменением напряжения на электродах.

трущей сорбционной загрузки. Так, при скорости фильтрования через загрузку в корпусе фильтра 15 ы/ч содержание рогора уменьшилось о 19,74 ыг/дм3 до 11,44 ынг/дм3 (в 1725 раз), а при скорости фильтрования 2,5 м/ч указанный пестицид удалялся полностью.

Бремя прохсшдения воды через сорбционный фильтр должно Счть не менее 15 минут.

Расход активированного угля на поглощение пестицидов составляет порядка 15 ыг/мг пестицида, т.е. использованный в эксперименте образец фильтра при имеющейся в нем загрузке активированного угля 1,25 кг может сорбировать 83,3 г пестицида. При содержании в воде органических веществ, в т.ч. пестицидов, например, 10 мкг/дм3 фильтр способен очистить 833 мэ воды.

Проведенный эксперимент подтвердил высокую эффективность сорбционного метода очистки ВДВ от вредных примесей.

В разделе 5 изложены материалы, связанные с разработкой технологии обработки ВДВ перед их повторным использованием".

Технологичесная схема деминерализации и обезвредива-ния ВДВ предусматривает:

удаление механических примесей и коллоидов; обеззараживание воды вахуумно-эжекторной озонаторной установкой;

удаление вредных веществ сорбционныыи фильтрами; деминерализацию воды в электродиализаторах с зарядселек-тивными мембранами.

' Вода из коллекторов подается в водоем-отстойник, где происходит частичное осаждение грубых механических примесей. Далее наоосная станция подает веду в осветлитель (отстойник) для удаления из нее оставшихся механических примесей и коллоидов с по-нощью коагулянта, а затем - на обеззараживание о помощью'вакуумно-эжекторной озонаторной установки. После озонирования йода поступает в сорбционный фильтр, в котором задерживаются вредные примеси - пестициды, тяжелые'металлы, фенолы и др., затем - в электродиализатор с зарядселективными мембранами для ее деминерализации .

Такая схема позволяет получать экологически чистую сельскохозяйственную продукцию при одновременном улучшении структуры пахотного слоя почвы орошаемых площадей.

Дан анализ применимости различных методов модификации натионитовых и анионитовых мембран для обеспечения их избирательной селективности по отношению к фщозарядным ионам.

Оценка избирательности аарядселективных мембран по отношению к однозарядным ионам может быть произведена путем определения величины специфической селективности (Гребенюн, 1984)

Р»-^-' (И)

1 1 П

где • 1-1, ьц - числа переноса соответственно однозарядных и ыногозарядных ионов;

СрСц- концентрация однозарядных и многозарядных ионов

в КДВ.

Серийно выпускаемые мембраны имеют более высокие значения

по сравнению с , а для зарядселективных мембран, на-

против, характерно соотношение > ^ . Бри получении заряд-оелективных мембран необходимо добиваться, чтобы ti^ О, т.е. чтобы мембраны были непроницаемы для ыногозарядных ионов. Если "Ьц -*• О , то при неизменных значениях • С^ и

Сц величина Р также стремится к О.

Серийно выпускаемые в зарубежных странах (например, в Японии) зарядселективные мембраны обладают специфической селективностью Р < 0,02.

Весьма чувствительной к изменению селективности мембран и удобной для пользования может быть величина

Т1 - ^"Сгг|К , (12)

/ с, X 1 ("йг3 где V с ц ' * ~ соотношение концентраций одно- в многозаряд-

ных ионов в концентрате, образующемся при работе электродиализа-

Т0Ра; (Ст)

^ ~ 10 же Б дилкат0.

Особое внимание в разделе уделено методам утилизации концентрата. Это диктуется требованиями экологии и сокращения расходов на деминерализацию КДВ за счет реализации солевых товарных продуктов. В связи о тем, что в процессе деминерализации КДВ с использованием зарддселективного электродиализа концентрат содержит в основном только хлорид натрия, обработку концентрата возможно проводить выпариванием до кристаллизации соли на испарительных площадках и в грануляторах с псевдоожиженным слоем.

Для обеззараживания воды предложено использовать вакуумно-эжекторнум озонаторную установку. Приведена методика расчета ва-куумно-эжектовного аппарата, позволяющего интенсивно насыщать

обрабатываемую воду озоном.

- Предложенная технологическая схема обработки ВДВ перед их повторным использованием является типовой. Она корректируется в процессе привязки к конкретным условиям.

основные вывода

1. Проьеденний отатистаческий анализ данных по расходу и гидрохимическим характеристикам коллекторно-дренажных вод (ВДВ), поступающих о орошаемых массивов (на примере бассейнов рек Аму-дарьи и Сырдарьи), позволил сделать заключение, что повторное использование КДВ в мелиоративных системах после их соответствующей обработки может служить важным источником увеличения располагаемых водных ресурсов в районах с дефицитом пресной воды.

Установлено, что содержание в ВДВ токсичных ионов в большинстве случаев превышает содержание ионов, улучшающих структуру почвы. С увеличением глубины дренажной сети вынос в ВДВ из почвы токсичных ионов увеличивается.

2. Анализ опыта повторного использования ВДВ в условиях засушливого Заволжья, в Северо-Крымском орошаемом массиве, Молдове, Исснн-Кульской котловине, Ставропольском крае, Сырдарьин-ской области а Узбекистане показал, что-стихийное использование КДВ для -орошения приводит к ухудшению мелиоративного состояния почв, снижению ах плодородия, уменьшению урожайности сельскохозяйственных культур и другим негативным последствиям. В связи

, о этим необходима разработка эффективной технологии деминерализации и обезвреживания ВДВ перед их повторным использованием для орошения.

. 3. По результатам проведенного исследования обоснована эффективность применения для деминерализации ВДВ зарядеелективно-го элёктродиализа.

Основное преимущество этого метода состоит в том, что опресненная вода обедняется токсичными ионами и обогащается ионами, улучшающими структуру почвы, а также в упрощении проблемы утилизации рассола, образующегося при деминерализации ВДВ. Учитывая требования экологии и необходимость сокращения расходов на деминерализацию ВДВ за счет реализации солевых товарных продуктов, даны рекомендации по утилизации рассола от опреснительных установок.

4. Для очистки КДВ от вредных примесей (пестицидов, солей тяжелых металлов, фенолов) рекомендован сорбционный метод, позволяющий удалять загрязнения до любой остаточной концентрации независимо от их химической устойчивости.' Б связи с тем, что изотермы сорбции большинства пестицидов сильно выпуклые, расход сорбента для очистки КДВ относительно невелик (порядка 15 мг на I мг пестицида).

Выведены аналитические зависимости для определения сроков регенерации загрузки.в сорбционных фильтрах.

5. Экспериментальные исследования показали, что традиционный элекгродиализ не всегда приводит к улушению качества воды, используемой для орошения, в в ряде случаев снижает ее показатели даже при уменьшении общего солесодержания. Зарядселективный электродиализ, напротив, улучшает качество оросительной воды.

6. Экспериментальная проверка эффективности очистки КДВ от пестицидов, выполненная на специально изготовленной сорбционной установке, показала, что высокая сорбционная'способность фильтра обеспечивается при малой скорости фильтрования воды. Время про-ховдения потока воды через фильтр должно быть не менее 15 минут.

7. Предложено использовать для обеззараживания КДВ вакууы-эжекторную озонаторную установку, дана методика расчета вакуум-н о-эжекторного алпара та.

8. В целях обеспечения внедрения заряцеелективного электродиализа до налаживания серийного производства гомогенных ионито-бых мембран, селективных к однозарядшш ионам, рекомендованы различные методы модификации традиционных катионитовых и аниони-тэвых мембран для придания им свойств зарядселоктивных мембран.

9. Приведенные инженерные оценки технико-экономической эффективности электродиализных опреснительных установок с заряд-селективными мембранами в сравнении с традиционными электродиализными, обратвоосмотическими и дистилляционными установками позволяют считать'зарядселективный.электродиализ самым прогрессивным методом применительно к деминерализации больших объемов

адв. "-■■ ■:•' ■•;,/' -

■ Основные положения диооертации опубликованы в оледующих работах:

1. Схема комплексного использования и охраны водных и земельных ресуроов бассейна Аральского моря. Чаоть 7. Охрана водных ресуроов. 1018490-90151-П3.7. • Приложение 2. Деминорализадия и очистка от вредных примесей иоллекторно-дренажных вод. Авт. Хосровянц И.Л., Баглай В.И., Мгеладзе B.C. и др., 1990. - 176 о.

2. Схема комплексного использования и охраны водных ресурсов СССР на период до 2010 г. (основные положения). Гл. 19. Опреснение минерализованных подземных и дренажных вод. Авт. Дагаев Э.И., Баглай В.И., Мгеладзе B.C., Щеглова В.М. ПО "Сов-интервод". М., 1990. - 43 о.

3. Интенс.ифийация технологического процесса окультуривания тяжелых почв и ее экологическое воздействие на почвенный покров в зоне Колхидской низменности. Создание мелиоративных систем нового типа.ВНЖГвМ. М., 1991. С.244. Мгеладзе B.C., Бабуадзе С.Ш.

4. Мгеладзе B.C. Деминерализация и..обезвреживание коллектор-но-дренажных вод. В сб. докладов научно-технической конференщш-"Опреснеше и очистка воды для-сельскохозяйственного водопользования". - И.: ПО "Совинтервод", 1992. - 8 о. (в печати).