5020

19

валентного Fe+3 , которое в свою очередь гидролизуется до нерастворимого Fе(ОН)з- Гидроокись железа осаждается в воде и может быть удалена при осветлении и фильтровании:

Fe+2 + O3 + H2O-> Fe+3 + O2 +2ОН-,

Fe+3 +3H2O->Fe(OH)3 | + ЗН.

Растворимые соли марганца окисляются до нерастворимой в воде формы - двуокиси марганца:

Mn+2 + O3 + H2O-> Mn+4 + O2 +2OH-,

Mn+4 + 4ОН--->Mn(OH)4-> MnO2|+ 2H2O .

Нерастворимый водный оксид марганца удаляется затем фильтрованием. Подобным образом озон воздействует и на некоторые другие тяжелые металлы, такие как цинк, кадмий, никель и другие.

Осветление воды в летний период в опытах с первичным озонированием более эффективно при дозировке коагулянта около 70 мг/л. Использование доз коагулянта 5 и 20 мг/л не позволяет снизить мутность до соответствия нормам СанПиН (1,5 мг/л). В остальное время года положительный результат дает также доза Al2(SO4)3 20 мг/л. Меньшая доза коагулянта в наших опытах была менее эффективной.

Что касается доз озона, то наиболее эффективно процесс осветления идет при применении низких доз - 0,97 -- 1,80 мг/л (особенно это относится к весеннему и осенне-зимнему периоду). Таким образом, для снижения мутности воды доза первичного озонирования может быть 1-2 мг/л, доза коагулянта в летний период - не ниже 50 мг/л, а в остальное время года ее можно уменьшить до 20 мг/л.

Эффективность очистки воды от органических загрязнений в наших опытах проверялась по таким показателям, как окисляемость (перманганатная) и светопоглощение в ультрафиолетовой (УФ) области.

В процессе озонирования, наряду с окислением органических веществ до минеральных компонентов, идет процесс разрушения сложных органических загрязнителей, которые не определялись перманганатной окисляемостью. Полученные в результате разложения озоном легкоокисляемые органические вещества и определяются в озонированной воде, поэтому эффект очистки воды от органики в процессе озонирования по светопоглощению в УФ области намного выше, чем по перманганатной окисляемости.

20

Так, если процент снижения перманганатной окисляемости в процессе озонирования не превышает 33,3%, то показатель светопоглощения снижается не менее чем на 11,8% (за исключением первой пробы), а максимум снижения - 56,2%.

Анализировался также характер изменения содержания аммиака в процессе озонирования на первом этапе обработки воды и после фильтров. В процессе деятельности химических производств вода поверхностных источников часто загрязняется специфическими органическими веществами. Исследования, проведенные на окской воде, показали эффективное действие озона, в сравнении с хлором, на циклогексанол.

В отношении уничтожения бактерий, свойства озона охарактеризованы как "все или ничего", что можно отнести за счет высокой окислительной способности озона. При содержании всего несколько мкг на литр озон обнаруживает бактерицидное действие. Озон при достаточно высокой концентрации не только дезинфицирует, но и стерилизует, т.е. уничтожает все формы жизни, включая споры и цисты.

Для экономичной стерилизации озон следует применять в последнюю очередь, после всей очистки. Продолжительность контакта - от 1 до 6 минут. Для получения требуемой остаточной концентрации в воде (0,1-0,5 мг/л) начальная концентрация озона должна быть 1,5-2,0 мг/л (для водоемов средней загрязненности). Наличие в воде следов озона принято считать признаком полной дезинфекции, включая инактивацию вирусов.

Известно, что в водопроводной сети не должно содержаться гидробионтов. Задача их задержания в процессе очистки воды становится особо актуальной в период вегетации водорослей. Исследования, проведенные на воде р. Оки, в створе водозабора Горьковского автомобильного завода (г.Нижний Новгород), показали эффективность действия озона на планктон по сравнению с действием хлора. При дозе озона 1,5 мг/л достигается тот же эффект, что и при хлорировании дозой 6,0 мг/л, а при дозе озона 5,4 мг/л наблюдается почти полное отмирание водорослей, достигающее 99,22%.

Вконтактных камерах озонирования процесс отмирания фитопланктона продолжается. По сравнению с содержанием фитопланктона в фильтрованной воде его количество уменьшается еще на 1-3%. В этом случае контактная камера не отвечает своему назначению - обеззараживать воду. Озон непроизводительно тратится на окисление фито- и зоопланктона.

Третья глава посвящена разработке новых аппаратов и устройств, повышающих эффективность озонирования воды.

В1970 г. была пущена в эксплуатацию водоочистная станция в г. Заволжье Нижегородской области. Технологическая схема имела ряд особенностей. В качестве воздухоподающего устройства использовался ком-

21

прeссор в "сухом" исполнении, что позволило организовать одноступенчатую систему осушки воздуха. Из схемы исключены водомаслоотдeлители, масляные фильтры, холодильные установки, работающие на фреоне. Кроме того, в разработанной автором технологической схеме обработки воды озоном холодильное устройство выполнено в виде вихревой трубы.

Для интенсификации массообменных процессов, происходящих в барботажной камере, распылительные устройства выполнены из порошка нержавеющей стали марки 1X18II9 методом порошковой металлургии.

С целью повышения надежности и эффективности работы озонаторных установок автором разработано устройство воздухоподготовки, представленное на рис.8 (а.с. №1720690, СССР, В 01 D 53/26). В предлагаемом устройстве адсорберы расположены внутри теплообменника, что существенно уменьшает габариты устройства и длину соединительных трубопроводов. В результате этого уменьшаются потери холода и тепла при движении от вихревой трубы холодного потока к теплообменнику и горячего потока к адсорберу соответственно. Для регенерация адсорбента. используют непосредственно горячий поток, что также уменьшает потери тепла.

Получение озона в промышленном масштабе осуществляется в устройствах, называемых озонаторами. Известно, что озонатор представляет собой источник тлеющего разряда. Элементарный источник тлеющего разряда определяется как устройство, состоящее из двух электродов, соединенных с источником неременного тока высокого напряжения. Электроды отдалены друг от друга промежутком постоянной величины, и к внутренней стороне их обоих или одного электрода прижат диэлектрик. Расстояние между диэлектриком и противоположным ему электродом определяет толщину зоны тлеющего разряда.

На рис.9 схематично изображен высокочастотный генератор озона, разработанный в ННГАСУ. Генератор озона содержит корпус I, высоковольтный электрод, выполненный в виде вихревой трубы 2 с сопловым вводом 3 и трубопроводом отвода горячего воздуха 4. Вихревая труба 2 снабжена газопаправляющим кожухом 5 и коаксиально размещена в полости низковольтного цилиндрического электрода 6; область высокого давления вихревой трубы 2 соединена с патрубком подвода сжатого осушенного газа 7, а область низкого давления через патрубки холодного воздуха 8 - с газонаправляющим кожухом 5. Генератор озона содержит также разрядную камеру 9, патрубки подвода и отвода охлаждающей жидкости, соответственно 11 и 12, устройство подачи высокого напряжения 13. Корпус 1 выполнен с охлаждающей рубашкой 14.

Устройство работает следующим образом. Сжатый осушенный газ через патрубок 7 и сопловый ввод 1 попадает в вихревую трубу 2, где за счет интенсивной закрутки происходит охлаждение газовоздушной сме-

Рис.8 Устройство воздухоподготовки:

1- теплообменник; 2 - корпус; 3 - цилиндр; 4 - днище; 5 - крышка; 6 - горизонтальные перегородки; 7 - вихревая труба; 8 - сопловый ввод; 9 - дроссель; 10 - радиальная перегородка; 11,12 - камеры предварительно осушенного газа; 13,14 - камеры с адсорбентом; 15,16 - камеры осушенного газа; 17 - полость высокого давления; 18 - трубная полость низкого давления; 19 - патрубок; 20 - холодный конец вихревой трубы; 21-26 - соединительные патрубки; 27 - горячий конец вихревой грубы; 28,29 - патрубки горячего потока; 30,31 - трубопроводы осушенного газа; 32 - коническое днище; 33 - сливное

устройство; 34 - подача воздуха

Рис.9 Высокочастотный генератор озона:

1 - корпус; 2 - высоковольтный электрод - вихревая труба; 3 - сопловый ввод; 4 - трубопровод отвода горячего воздуха; 5 - газонаправляющий кожух; 6 - низковольтный электрод; 7 - патрубок подвода подготовленного газа; 8 - патрубки холодного воздуха; 9 - разрядные камеры; 10 - патрубок отвода озоно-воздушной смеси; 11,12 - патрубки подвода и отвода охлаждающей жидкости; 13 - устройство подачи высокого напряжения; 14 - охлаждающая рубашка

24

си. Далее холодный газовый поток через патрубки 8 поступает в газонаправляющий кожух 5, находящийся под высоким напряжением, и, охлаждая как вихревую трубу 2, так и сам кожух 5, попадает в разрядную камеру 9, где под действием электрического коронного разряда происходит синтез озона. Тепло, выделяемое в результате синтеза озона, отводят с охлаждающей жидкостью, подаваемой в камеру охлаждающей воды 14 через патрубок 11 и отводимой через патрубок 12. Горячий газовоздушный поток отводится от генератора озона через трубопровод 4 и используется для регенерации адсорберов, которые применяются в системе воздухоподготовки.

На основе выполненных разработок создан единый моноблок, включающий высокочастотный генератор озона, устройство воздухоподготовки с системой запорно-регулирующей, регистрирующей и переключающей арматуры и блок энергообеспечения с автоматической системойуправления.

Важным элементом для проведения контакта между озоном и обрабатываемой водой является контактная камера, где должна обеспечиваться максимальная поверхность контакта воды и озоно-воздушной смеси (OBC). В этой главе рассматриваются задачи по определению формы и общей поверхности газовых пузырьков.

В результате лабораторных исследований было установлено, что пузырьки газа принимают форму сжатого эллипсоида вращения, и уравнение поверхности контакта фаз вычисляется по уравнению

Контакт озона с водой (его растворение) достигается благодаря мелкому распылению OBC в воде через пористые материалы.

Для получения пузырька диаметром 2-2,5мм был исследован новый пористый материал, полученный методом порошковой металлургии. Использовался порошок стали марки 1x18Hl 5 и ЭИ-448А. Порошок спекался в специальной газовой среде (азот) в печах, после чего прокатывался.

Анализ результатов исследований показал, что потери давления, создаваемые пористой пластиной, в среднем могут доходить до 1,5-Н ,8 м.

За последние годы в нашей стране и за рубежом проводятся исследования по изучению и внедрению диспергирования OBC непосредственно в технологический трубопровод с помощью статических смесителей. Интенсификация процесса растворения озона в воде за счет закрученного потока рассматривается как наиболее экономичный и перспективный способ, позволяющий достичь 95-99% использования озона. Принцип действия аппарата, разработанного автором, основан на создании закрут-

ки жидкого потока в целях смешения водной и газовой сред. Аппарат работает следующим образом.

Жидкость подается по трубопроводу распределитель жидкости, откуда часть ее через подающие трубы поступает в камеру смешения второй ступени. Основной поток жидкости подается по трубопроводу в камеру смешения первой ступени. Поступая в конфузор, жидкость через отверстия захватывает газ, поступающий из патрубка. В диффузоре смесь расширяется, после чего она поступает в камеру смешения второй ступени, куда через трубы и каналы подается из распределителя жидкости . За счет винтового направления каналов, расположенных под углом 60°-75° к оси камеры, потоки добавляемой жидкости движутся в камеры по винтовой траектории и смешиваются с газоводяной смесью, поступающей из камеры смешения первой ступени. Значения скоростей и давлений при установившемся течении вязкой жидкости в круглой трубе, с учетом закрутки на входе, определяются по методу, предложенному профессором В.В.Найденко, откуда можно воспользоваться системой дифференциальныхуравнений НавьеСтокса:

где φ,z,r,- цилиндрические координаты;

Vф, Vz Vr - вращательная, осевая, радиальные компоненты скорости, м/с;

р- статическое давление, МПа;

ρ- плотность жидкости, кг/м ;

γ- кинематический коэффициент вязкости, м2 /с.

Для упрощения системы уравнений (11) часто используют переход к уравнениям в приближении пограничного слоя. Тогда, пренебрегая членами малого порядка, уравнения турбулентного потока несжимаемой жидкости запишутся в следующем виде:

касательные напряжения трения

восевом направлении и направлении вращения.

Врезультате определенных допущений и преобразований получим

уравнения

Для закрутки потока, у которого подвод дополнительной жидкости осуществляется под углом, величина Ф определяется из уравнения

где F1 - площадь поперечного сечения основной трубы, м2;

F2 - площадь поперечного сечения дополнительных подводов, м2;

R1 - радиус основной трубы, м;

R2 - радиус трубы дополнительного подвода, м;

а - угол между осью дополнительных подводов и осью основной

трубы, град.

В этой же главе представлены экспериментальные зависимости концентрации остаточного озона в воде от угла дополнительного ввода воды. Концентрация остаточного озона в воде, в зависимости от угла дополнительного ввода, определяется по следующей формуле:

27

Определение угла α, при котором достигается максимальное значение концентрации остаточного озона в воде:

при C'=0

-0,0003244α+ 0,018363 = 0.

α=56,6°,

Cmax = -0,5196+ 1,0393-0,20187 = 0,318.

Если известна концентрация остаточного озона в воде, выбор оптимального угла α вычисляется по формуле

(18)

Определение скоростей и давлений в трубопроводе после смесительного аппарата позволило разработать теоретические основы расчета по определению длины пути смешения озона и обрабатываемой воды после закрутки, а также экспериментальное нахождение длины закрученного потока в технологическом трубопроводе.

Для определения длины участка закрученного течения использовано уравнение, предложенное профессором В.В.Найденко:

где Zн=Zн/d - длина участка закрученного течения, м;

Zн0 =Zн0 /d - длина начального участка осевого течения, м.

Длина участка, на котором стабилизируется профиль скорости при осевом течении в трубе, определяется выражением

(20)

Предложенный метод расчета позволил определить длину пути смешения закрутки в технологическом трубопроводе по уравнению

(21)

28

Определение общей длины участка закрученного течения имеет важное практическое значение. Участок должен выполняться из озоностойких материалов.

В данной главе рассмотрен также метод стабилизации озона в водных растворах, разработанный автором как один из основных технологических приемов. Использование в качестве стабилизаторов S-гептазинов увеличивает время экспозиции озона на загрязнители в несколько раз. Данные стабилизаторы легко дозируются и допущены Минздравом РФ к применению в системах питьевого водоснабжения.

Четвертая глава посвящена исследованию и разработке новых экологически чистых технологий подготовки питьевой воды. Выполненные исследования качественного и количественного состава фит о- и зоопланктона, характерных для водотоков и водоемов средней полосы России, позволили проектировщикам приниматьрешения не только о целесообразности включения в технологию очистки воды блоков микрофильтрации, но и о необходимости предварительной очистки воды в разработанных автором устройствах - биопоглотителях.

В 1982-1984 гг. была исследована динамика развития в источнике водоснабжения фито- и зоопланктона по сезонам года и по этапам очистки.

Доминирующими видами были, как и в предыдущие годы, зеленые и диатомовые водоросли, однако количество их в 1983-1984гг. меньше, по сравнению с 1982-1983 гг.:

было 80 таксонов - стало 50; было 52 таксона - стало 35.

Представители других отделов имеют также меньшее количество ви-

дов:

было 13 видов - стало 7; было 14 видов - стало 8; было 6 видов - стал 1; было 5 видов - стало 2.

Вокской воде Автозаводского водозабора в развитии фитопланктона наблюдалось 2 пика: в июле-августе 1983г. и в мае 1984г. В 1983г. максимальное количество водорослей отмечалось в летний вегетационный период: в июле насчитывалось 1840 тыс.кл/л; в августе несколько меньше - 1060 тыс.кл/л. Этот максимум обусловлен бурным развитием зеленых и сине-зеленых водорослей.

В1984г. максимальное количество фитопланктона наблюдалось и ве-

сенний вегетационный период - в мае месяце. В это время в воде насчитывалось 3970 тыс.кл/л. В воде после отстойников количество водорослей значительно уменьшается по сравнению с рекой, однако в периоды массового развития здесь насчитывалось от 41 до 56 тыс.кл/л, причем макси-