Статья: Использование закрученных потоков и сорбционных эффектов при водоочистке в низконапорных оросительных системах с локальной подачей

Использование закрученных потоков и сорбционных эффектов при водоочистке в низконапорных оросительных системах с локальной подачей

М.И. Ламскова

Целью исследований являлось повышение эффективности работы узла водоочистки в системе капельного орошения путем замены стандартных фильтров на гидроциклон с расположенным во внутренней части корпуса фильтрующим элементом. Экспериментальные исследования предлагаемого устройства очистки воды в системе капельного орошения проводились на Волго-Донском стационаре Всероссийского научно-исследовательского института орошаемого земледелия. Опытные данные выявили, что качественные показатели воды на выходе из гидроциклона соответствуют требованиям, предъявляемым к поливной воде. Количество взвешенных веществ уменьшилось более чем в 3,0 раза, мутность воды - в 2,5 раза, а ее цветность - более чем на 28 %. Для дополнительной очистки поливной воды от токсичных компонентов предложена конструкция гидроциклона с сорбционно-фильтрующим элементом, обеспечивающая грубую, тонкую и сорбционную очистки. В качестве примера рассмотрен алгоритм расчета высоты псевдоожиженного слоя цеолита и рабочей скорости процесса извлечения токсичных ионов железа концентрацией 0,4 мг-экв./л из поливной воды для стандартного гидроциклона ГНС-100 производительностью 5 кубических метров в час. В результате расчетного эксперимента установлено, что для выделения из воды ионов железа концентрацией 0,4 мг-экв./л потребуется высота псевдоожиженного слоя цеолита, равная 0,304 м, и поддержание скорости потока в сливном патрубке гидроциклона в пределах 0,034-0,370 м/с. Таким образом, использование гидроциклона с фильтрующим элементом и сорбционным фильтром в узле водоподготовки позволит более эффективно извлекать тонкодисперсные примеси и токсичные вещества из поливной воды, повысить надежность эксплуатации элементов оросительной системы.

Ключевые слова: закрученные потоки, гидроциклон, водоочистка, системы капельного орошения, сорбционный фильтр, цеолиты.

The aim of research was to increase the efficiency of water treatment plant station in drip irrigation system by replacing standard filters with hydrocyclone located in the interior of the filter element housing. Experimental study of the proposed water treatment device in a drip irrigation system was carried out on the Volga-Don facility of All-Russian Research Institute of Irrigated Agriculture. The experimental data showed that water quality indicators at the hydrocyclone outlet meet the requirements for irrigation water. The amount of suspended solids fell by more than 3.0 times, the turbidity of the water - by 2.5 times, and its color - more than 28 %. For further purification of irrigation water from toxic components the offered hydrocyclone design with sorption filter element providing a tough, thin and sorption purification was offered. As an example the algorithm for calculating the height of the fluidized zeolite bed and the working speed of extraction process of toxic ferric ions with concentration of 0.4 mEq/l from irrigation water for standard hydrocyclone of GNS-100 with capacity of 5 metres cubic per hour is considered. So, the calculated result of the experiment revealed that to extract ferric ions with concentration of 0.4 mEq./l from water, the height of the fluidized zeolite bed should be equal 0.304 m, and the flow rate in the hydrocyclone drain tube should be within the 0.034-0.370 m/s. Thus, the use of a hydrocyclone with a filter element and sorption filter in potable water package allows to remove fine-dispersing impurities and toxic substances from the irrigation water more efficiently and to increase the reliability of operation of the irrigation system elements.

Key words: vortex flows, hydrocyclone, water treatment, drip irrigation systems, sorption filter, zeolites.

В настоящее время большое значение уделяется ресурсосберегающим способам полива, позволяющим свести к минимуму потери воды и способствующим ее продуктивному использованию сельскохозяйственными культурами. Весьма перспективным из них является капельное орошение, которое особенно эффективно для садов, виноградников, цветочных и декоративных насаждений, овощей как открытого, так и закрытого грунта (теплицы, парники) [1].

При капельном поливе необходимая влажность почвы поддерживается в прикорневой зоне растения, формируя контур увлажнения. Подача воды к растению с расходом капельницы от 1 до 4 л/ч (для полива садов - до 12 л/ч) минимизирует вероятность развития ирригационно-эрозионных процессов, что обусловлено незначительным воздействием (ударом) капли на почву и обеспечивает наиболее благоприятные условия для развития растений и получения высоких урожаев.

Надежное, в частности безотказное и долговечное, функционирование в заданных параметрах систем капельного орошения (СКО) зависит от физико-механического и химического состава транспортируемой по сети поливной воды. Необходимо также учитывать и оросительную разводящую сеть из стальных труб, которая за многолетний период эксплуатации в значительной степени пострадала от коррозии, что приводит к загрязнению воды гидроксидами железа.

Кроме того, трехвалентное железо, содержащееся в природной воде, при контакте с окислителем, например, воздухом или поверхностью металлических труб в изношенных системах водораспределения, также гидролизуется в нерастворимый гидроксид железа Fe(OH)3, который образует осадок или взвесь.

Наличие данных примесей в воде в совокупности с крупными и мелкими взвесями (песок, ил, водоросли и т. п.) негативно сказывается на работе капельных лент и капельниц (эмиттеров), вызывает коррозию основного и вспомогательного оборудования СКО, а также приводит к болезням (в частности, ожогам и побурению) сельскохозяйственных культур.

Нарушение работоспособного состояния элементов капельной системы служит причиной отклонения от режима орошения соответствующих участков, занятых растениями, а это, в свою очередь, оказывает негативное влияние на физиологические и биологические процессы их развития и, как следствие, приводит к снижению урожайности.

Таким образом, одним из главных элементов СКО становятся средства очистки воды от различного рода загрязнений. Технологическая схема водоочистки для конкретного участка выбирается с учетом качества воды в источнике орошения, принятого типа капельных трубопроводов и их требований к степени очистки воды.

Широкое распространение для подготовки поливной воды в СКО получили фильтры грубой и тонкой очистки, которые могут работать в ручном и автоматическом режимах промывания. Однако, зачастую для достижения требуемой степени очистки необходима установка каскада фильтров, что приводит к возрастанию стоимости стадии водоочистки, увеличению трудоемкости обслуживания и т. п. Кроме того, наличие большого числа примесей в воде является причиной сокращения срока службы фильтра.

Повысить качество поливной воды, снизить материальные затраты на приобретение, монтаж, эксплуатацию и обслуживание фильтровального оборудования СКО возможно путем использования современных конструкций гидроциклонов.

В настоящее время многие отечественные и зарубежные производители предлагают большое количество технических решений для аппаратов гидроциклонного типа. К основным конструктивным факторам, оказывающим влияние на работу гидроциклона, относятся [2]:

- конструкция верхней разгрузочной части гидроциклона;

- форма входного отверстия и размеры питающего патрубка;

- диаметр верхнего отводного отверстия и глубина погружения диафрагмы в цилиндрическую часть гидроциклона;

- размеры цилиндрической части гидроциклона;

- угол конуса гидроциклона;

- диаметр нижней части насадки.

Отдельные исследования и разработки ведутся в направлении полимерных композитных материалов, возможности их применения в конструкциях аппаратов. водоочистка фильтрующий гидроциклон орошение

Одним из перспективных технических решений в вопросе модернизации гидроциклонов являются конструкции аппаратов с расположенными во внутренней части фильтрующими элементами - трубофильтрами. Однако установка в рабочей зоне гидроциклона фильтрующего элемента тонкой очистки в форме трубы фактически приводит к срыву в конической части аппарата пространственной раскручивающейся спирали и вихря, то есть к нарушению гидродинамики внутреннего и внешнего потоков, а это, соответственно, негативно влияет на степень разделения водной суспензии.

С учетом анализа известных технических решений по водоочистке авторами представлена следующая конструкция гидроциклона (рисунок 1) (Патент № 2547503 РФ). Для предотвращения срыва пространственной раскручивающейся спирали и вихря трубофильтр предложено выполнить с геометрией, копирующей геометрию самого гидроциклона. Трубофильтр представляет собой многослойную конструкцию, в которой каркас фильтрующего элемента, сформированный из наружного и внутреннего слоев, изготавливается из стекловолокон, обработанных эпоксидным компаундом и уложенных с образованием ячеек. Между слоями располагаются изготовленные из гладких полимерных моноволокон фильтровальные перегородки сетчатой структуры, их количество варьируется в зависимости от требуемой степени очистки воды от примесей.

Рисунок 1 - Схема установки водоочистки

Для обеспечения безударного ввода жидкости в аппарат, снижения турбулентности потока и поддержания стабильного вихря в рабочей зоне аппарата входное отверстие питающего патрубка выполнено под углом = 5° (допустимо 2-7°) относительно горизонта [3].

Предлагаемая установка может работать в двух режимах: фильтрация воды и промывка обратным потоком воды фильтрующего элемента.

Материалы и методы. Экспериментальные исследования устройства очистки воды в СКО проводились на Волго-Донском стационаре ФГБНУ «ВНИИОЗ». Забор воды в распределительную систему трубопроводов посредством насосной станции осуществлялся из Варваровского водохранилища. Гидроциклон был установлен на нисходящем потоке компенсатора, давление в компенсаторе составляло 0,4-0,5 МПа. Давление на входе в гидроциклон регулировалось задвижкой (рисунок 2) и контролировалось манометром, помещенным на промежуточном патрубке между задвижкой и гидроциклоном. Пробы воды отбирались до и после гидроциклона, температура воды на момент отбора составляла 20 °C.

Рисунок 2 - Установка водоочистки воды на СКО
(автор фото А. Е. Новиков)

Анализы воды были проведены в соответствии с природно-нормативными документами с использованием титриметрического, фотометрического и потенциометрического методов [4].

Результаты и обсуждение. В таблице 1 приведены показатели работы гидроциклона с фильтрующим элементом.

Таблица 1 - Показатели качества поливной воды

Из таблицы 1 следует, что качественные показатели воды на выходе из гидроциклона соответствуют нормативам [5]:

- количество взвешенных веществ под действием процесса центробежного осаждения в аппарате уменьшилось более чем в 3,0 раза, а мутность воды - в 2,5 раза;

- концентрации окисей и гидроокисей железа не превышают уровня ПДК;

- цветность воды уменьшилась более чем на 28 %.

На протяжении всего периода исследования установки водоочистки нарушений в ее работоспособности не отмечено, что подтверждает надежность аппаратов гидроциклонного типа.

Поверхностные воды, помимо мелких взвесей, содержат железо и марганец. Концентрация данных элементов зависит от геологического строения и гидрогеологических условий бассейна. Кроме того, значительное количество железа и марганца поступает в источники водозабора с подземным стоком и со сточными водами промышленных предприятий [6].

Согласно проведенным лабораторным исследованиям проб воды основных водных источников Волгоградской области, на всех объектах содержание железа превышает предельно-допустимые концентрации, а по содержанию марганца нормативу соответствует только Варваровское водохранилище (рисунок 3).

1 - Цимлянское водохранилище; 2 - Волго-Донской канал;
3 - Варваровское водохранилище; 4 - река Волга

Рисунок 3 - Содержание железа и марганца в воде
открытых источников Волгоградской области, мг/л

Использование поливной воды с ионами железа и марганца увеличивает риск засорения эмиттеров. Нерастворимые оксиды этих металлов аккумулируются внутри капельниц и капельных линий, что может привести к блокировке потока. Кроме того, марганец, являясь токсичным элементом, способен накапливаться в почве и растениях. Допустимым для поливной воды считается содержание марганца и железа не более 0,1 мг/л.

Для интенсификации процесса очистки сточных вод с невысоким содержанием токсичных элементов предложен модернизированный гидроциклон, включающий грубую, тонкую и сорбционную очистки (рисунок 4). В дополнение к фильтрующему элементу аппарат содержит фильтр с сорбционной загрузкой, смонтированный в верхней части сливного патрубка. Фильтр, как и в предыдущей конструкции, выполнен в виде многослойной структуры, что обеспечивает эффективное удаление тонкодисперсных примесей до фильтра с загрузкой ионита. Нижняя сетка сорбционного фильтра неподвижна, а верхняя сетка выполнена с возможностью перемещения вдоль сливного патрубка гидроциклона для создания псевдоожиженного слоя.

1 - цилиндроконический корпус; 2 - питающий патрубок; 3, 4 - песковый и сливной патрубки для отвода примесей; 5 - фильтрующий элемент; 6 - наружный пористый элемент; 7 - внутренний перфорированный каркас; 9, 10 - фильтр с сорбционной загрузкой; 11, 12 - нижняя и верхняя сетки соответственно

Рисунок 4 - Гидроциклон комплексной очистки