УДК 556.182: 543
Абсеитов Е.Т.,1 Нуралина М.Е.,2
1Казахский Агротехнический университет им. С. Сейфуллина,
2«Центральная лаборатория биоконтроля, сертификации и
предклинических испытаний», КН МОН РК
ЦЕЛЕСООБРАЗНОСТЬ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ
ПОДЗЕМНЫХ ВОД И ЕЕ ТЕХНИЧЕСКИЕ АСПЕКТЫ
В период поступательного движения экономики необходимо увеличение
объема водопотребления, однако увеличение нагрузки на водные объекты чревато
ухудшением экологического состояния водных объектов, угнетением природных
экологических систем, их истощением и деградацией. Так что дальнейшее увеличение нагрузки на водные объекты это путь
в никуда.
Перспективы по рациональному водопользованию обозначенные в
концепции устойчивого развития Республики Казахстан предполагают принятие ряда
мер, которые сводятся к следующему.
Экологизация экономики заключается в обеспечении устойчивого
экологически безопасного природопользования и сохранении
ресурсно-экологического равновесия через снижение природоемкости производства и
уменьшение воздействия экономики на биосферные процессы. Для увеличения
количества и улучшения качества располагаемых водных ресурсов необходимо ограничение
темпов и объемов развития водоемких производств, повсеместное внедрение
водосберегающих технологий, оборотных и замкнутых систем водопользования,
снижение удельного водопотребления на единицу продукции и эксплуатационных
потерь, продолжить работы по регулированию речного стока, в том числе по
межбассейновому перераспределению, а также интенсификации использования
питьевых подземных вод.
Намечающиеся меры вряд ли могут решить проблемы рационального использования
в маловодных районах с перспективами развития сельскохозяйственного
производства.
Одним из путей решения проблемы рационального водопользования в
маловодных районах для целей сельского хозяйства является использование
подземных вод, в том числе шахтных.
Это целесообразно по
нескольким причинам:
1. Запасы подземных вод весьма значительны и по большому счету
смогут обеспечить все потребности сельского хозяйства.
2. Известно, что объем водопотребления в сельском хозяйстве
достигает 71 процента в общем балансе водопотребления. Использование запасов
подземных вод снизит нагрузку на поверхностные водные объекты и с увеличением
использования интенсифицируются процессы оздоровления водного бассейна.
3. В маловодных районах использование подземных вод может принести
значительный экономический эффект, так как содержание и эксплуатация
гидросооружений и протяженной сети каналов дорого из-за необходимости их
ремонта, очистки от ила и песка. Кроме
того, для них характерна большая фильтрация с потерей воды, что ведет к
вторичному засолению почв.
Препятствием для использования подземных вод является повышенный и
высокий (до 7 г/л) уровень их минерализации.
Однако использование подземных вод вполне возможно с применением новейших научных и технических достижений.
Доставка из скважин к потребителю и обработка воды до
соответствующих кондиций может производится с помощью ветровой и солнечной
энергии.
Для обработки подземных вод существует широкий спектр технических решений,
применимых для всех видов подземных
вод.
Метод обработки воды определяется, исходя из состава сырой воды и
требований к ее качеству со стороны потребителей. Соответствующие стадии
водоподготовки согласовываются с конструкцией и видами оборудования и материалов и химией воды.
На практике применяются следующие методы обработки воды: фильтрация,
снижение жесткости, обессоливание, обезжелезивание, нейтрализация, удаление
хлора, а также очистка вод.
Фильтрация. Для подготовки воды, в зависимости от
целевого использования – поливное земледелие, животноводство, питьевое
водоснабжение может применяться широкий спектр материалов и аппаратов, начиная
от гравийно-песчаных фильтров кончая устройствами тонкой фильтрации с
использованием фильтров обратной промывки или патронных фильтров. Вода с
содержанием вредных солей марганца, железа, меди очищается различными
способами, определяемыми индивидуально.
Снижение жесткости воды легко осуществляется с помощью ионного обмена,
т.е. замены ионов кальция и магния на ионы натрия, соли жесткости переходят в
легко растворимое состояние. Вода при этом становится мягкой. Регенерация ионообменника достигается простым
фильтрованием поваренной соли и выполняется автоматически. Последующая обработка
умягченной воды необходима в связи с ее коррозионными свойствами. Необходимо
проводить специальные мероприятия с целью кондиционирования питательной воды
для котлов, а также охлаждающей воды. Из технических и экономических
соображений в промышленной сфере нередко перед ионообменником проводят
частичную декарбонизацию или же вообще
отказываются от ионообменника и ограничиваются только декарбонизацией воды,
подаваемой для нужд производства.
Метод
применяется для очистки не только питьевой, но и промышленных вод.
Очистка подземных вод от железа и марганца. Повышенное
содержание в воде марганца и железа неблагоприятно сказывается на здоровье
человека. Предельно допустимое содержание этих компонентов в питьевой воде 0,3
и 0,1 мг/л соответственно. Для подземных вод
характерно превышение этих нормативов в разы и даже десятки раз.
Для очистки
воды от этих соединений могут быть использованы несколько методов.
Безреагентный
метод целесообразно применять для очистки подземных вод от Fe и Mn в небольших
концентрациях. Он заключается в предварительном аэрировании воды с последующим
фильтрованием через зернистую загрузку.
Реагентный
метод связан с применением окислителей - хлора, перманганата калия, озона, а
также извести, коагулянтов, которые добавляют непосредственно в воду. Окисленные
примеси, как правило, нерастворимы и отделяются фильтрацией или отстаиванием.
Ионообменные
материалы, сорбенты, активированный уголь практически не применяются для
обезжелезивания, поскольку они необратимо связывают удаляемые ионы и емкость
загрузки быстро исчерпывается при невозможности регенерации.
При
использовании реагентов для предварительной обработки воды предусматривают:
- для более
активного и быстрого окисления ионов железа и марганца применение сильных
окислителей- хлора, озона, перманганата калия,
- для ухудшения
растворимости соединений железа и марганца используют добавление извести, соды
и других щелочных реагентов;
- проведение
коагуляции добавлением в воду
соединений коагулянтов- алюминия, хлорида железа и др. с последующим образованием хлопьев, на поверхности и в
объеме которых задерживаются трудноотделимые примеси и выпадают в осадок.
Окисление
ионов железа в воде при комнатной температуре проходит медленно. Так, выпадение осадка со связанной примесью происходит через 10-20 часов и более. Однако
после аэрации при фильтрации через
песчано-гравийные фильтры, или загрузки из кварцевого песка, цеолитов,
антрацита, активированного угля последние выполняют роль катализаторов и
абсорбентов и очистка от железа и марганца после первых одного-двух часов
фильтрации значительно ускоряется. Однако максимально эффективными являются
специально приготовленные катализаторы с нанесенными и закрепленными активными
железо-марганцевыми композициями. Такие композиции производятся в России.
Материал BIRM представляет собой синтетический алюмосиликат с нанесенными на
его поверхность соединениями железа и марганца. Высокая пористость, поверхность
и малый насыпной вес (0,7-0,8 г/см3) обеспечивают его высокую
активность и упрощает промывку обратным потоком воды. На основе природного
доломита, содержащего карбонаты кальция и магния, изготавливаются такие
фильтрующие материалы, как Магнофилт, Дамфер, а также МЖФ. Из глауконитового зеленого песка получают еще один широко
распространенный материал для каталитической фильтрации – MGS. В процессе
приготовления глауконит модифицируется
оксидами марганца, обладающими высокой каталитической активностью и
дополнительной окисляющей способностью. За счет этого материал способен
окислять не только ионы растворенных металлов, но и сероводород до
нерастворимых сульфатов. Поэтому данный фильтрующий материал эффективен при
очистке воды с высоким содержанием железа и марганца в широком диапазоне рН. Регенерация
MGS проводится раствором перманганата калия.
Иную
фильтрующую загрузку обычно выбирают исходя из состава очищаемой воды,
применяемой технологической схемы и конструкции оборудования.
Безреагентные
методы обезжелезивания могут быть применены, когда исходная вода
характеризуется: рН – не менее 6,7; щелочностью – не менее 1 мг-экв/л; перманганатная
окисляемость – не более 7 мг О2/л. Фильтровальная загрузка быстро
покрывается пленкой из соединений очищаемого компонента.
Обезжелезивание
воды в загрузке, покрытой пленкой, является гетерогенным автокаталитическим
процессом, в результате чего обеспечивается непрерывное обновление пленки как
катализатора непосредственно при работе фильтра.
Реагентные
методы обезжелезивания воды применяются
при низких значениях рН, высокой окисляемости, нестабильности воды.
Обезжелезивание
воды упрощенной аэрацией, хлорированием и фильтрованием заключается в удалении
избытка углекислоты и обогащения воды кислородом при аэрации, что способствует
первичному окислению железо органических соединений. Окончательное разрушение
комплексных соединений железа (II) и частичное его окисление достигается путем
введения в воду окислителя. Соединения закисного и окисного железа извлекаются
из воды при фильтровании.
Обезжелезивание
воды методом напорной флотации основано на действии молекулярных сил,
способствующих слипанию отдельных частиц гидроксида железа с пузырьками
тонкодиспергированного в воде воздуха и всплывании образующихся при этом
агрегатов на поверхность воды. Метод флотационного выделения дисперсных и
коллоидных примесей природных вод перспективен вследствие резкого сокращения
продолжительности процесса (в 3-4 раза) по сравнению с осаждением или
обработкой в слое взвешенного осадка.
Наиболее
распространёнными методами, использующимися при опресне-нии вод, являются:
дистилляция, электородиализ и обратный осмос.
Дистилляция (выпаривание) – процесс испарения воды из раствора, который может сопровождаться
кристаллизацией. Наиболее широкое распространение получили опреснительные
установки многоступенчатого выпаривания и адиабатного (мгновенного) испарения.
Они обеспечивают получение около 97% опресняемой в мире воды. Дистилляция
применима при показателе минерализации – 1500-7000 мг/л. Производительность до
5000 куб.м/сут. Недостатками метода являются: высокий расход энергии, значительные
капитальные затраты, возможность загрязнения водных объектов минерализованными
стоками в виде осадков или концентрированных рассолов и необходимостью
захоронения отходов, получаемых в процессе дистилляции.
Электродиализ – это процесс отделения ионов солей при помощи селективных мембран под
действием электрического тока. Применим
при показателе минерализации – более 10000 мг/л. Производительность до 50 м3/сут).
Недостатки метода: малый срок службы мембран и электродов, потери энергии за счет утечек тока, зависимость
показателей работы установки от де-бита, значительные эксплуатационные затраты.
В сельской местности при наличии источников тока и возможности
использования полученных примесей использование этого метода целесообразно.
Обратный осмос - это использование полупроницаемых мембран при давлении превышающем
осмотическое . Применим при
минерализации – до 40000 мг/л. Производительность до 200000 м3/сут.
Преимущества: малые энергозатраты, простота эксплуатации, возможность
автоматизации процесса, малые занимаемые производственные площади и возможность
получения воды питьевого качества. Основную часть себестоимости процесса
составляют эксплуатационные затраты, связанные с заменой отработанных мембран.
Вымораживание. Может использоваться при неограниченном показателе минерализации. Производительность
до 10 м3/сут. По сравнению с дистилляцией холодильные
опреснители потребляют меньшего
количества тепла для получения 1 кг чистой воды, отличаются высокой
коррозионной стойкостью, отсутствием накипеобразования и меньшими капитальными
затратами. Они не чувствительны к составу и концентрации примесей в воде, не
требуют предварительной очистки исходной воды и имеют большую степень
извлечения пресной воды. Например, для шахт Донецкого бассейна наиболее
перспективными и целесообразными оказались обратный осмос и вымораживание (табл.1).
Таблица 1 - параметры
работы основных опреснительных установок
|
Наименование метода |
Удельные энергозатраты,
на 1 м3 воды, кВт ч/м3 |
Затраты,
усл. ед. на
1 м3 воды |
|
|
Капитальные |
Эксплуат- ационные |
||
|
Дистилляция |
До 18 |
До 0,7 |
0,4-0,5 |
|
Электродиализ |
3,0-6,5 |
До 0,4 |
0,3-1,0 |
|
Обратный осмос |
2 – 2,5 |
До 0,2 |
0,30-,048 |
|
Вымораживание |
9,2– 10 |
0,2-0,3 |
0,4-0,45 |
Выводы. Проведенный анализ показывает о целесообразности и
возможности использования подземных вод для целей сельского хозяйства в
маловодных районах Республики Казахстан.
Список
литературы:
1. Грановский Ю.В. Планирование эксперимента при
поиске оптимальных условий . – М.: Наука, 1996 -279 с
2. Беляева Е.Л. Энергетические проблемы
деминерализации шахтных вод. Источник: www.eko-mir.net/show/287
3. Кафаров В.В. Оптимизация эксперимента в химии и
химической технологии. –М. : Высшая школа, 1998. – 319 с
4. Панин М.С. Химическая экология.
Учебник для вузов – Семипалатинск, 2002- 630 с.