Введение к работе
Актуальность работы обусловлена необходимостью разработки и внедрения в практику эффективной технологии обесфторивания подземных вод при высоком содержании фтора с экологически безопасной утилизацией фторсодержащего осадка, что является одной из важнейших задач обеспечения населения питьевой водой нормативного качества.
В Красноярском крае и других регионах России, несмотря на наличие большого количества поверхностных источников, некоторые населенные пункты вынуждены использовать подземные воды, качество которых по основным нормируемым показателям соответствует санитарным требованиям за исключением повышенной концентрации фтора. По данным медицинских исследований ВОЗ употребление населением воды с концентрацией фтора более 1,5 мг/л вызывает флюороз зубов, который проявляется в потемнении и разрушении эмали, а также флюороз костей и ряд хронических заболеваний, связанных с нарушениями обмена веществ, сердечно-сосудистой, пищеварительной и нервной систем. Поэтому необходимым условием использования такой воды является ее обесфторивание с поддержанием оптимальных остаточных концентраций фтора на уровне ПДК (0,7-1,2 мг/л).
Поскольку в регионе имеются подземные источники с высоким содержанием фтора в воде, возникла практическая необходимость в проведении исследований по интенсификации методов обесфторивания воды для выбора не только технически осуществимого, но и экономически эффективного метода обесфторивания подземных вод с высокой концентрацией фтора.
Большинство технологий не получили в нашей стране широкого практического распространения из-за отсутствия качественных материалов, значительных расходов реагентов, сложности эксплуатации и многостадийности процессов. Существующие методы обесфторивания не достаточно эффективны и не обеспечивают требуемого качества воды питьевого назначения. Предлагаемые методы, а также рекомендации технической и нормативной литературы разработаны в основном для обесфторивания природных вод с содержанием фтора не превышающем 5 мг/л. Также отсутствуют данные по обработке и утилизации фторсодержащих отходов.
Таким образом, совершенствование технологии обесфторивания воды на базе новых научных знаний является актуальной задачей. Результаты работы обсуждаются на примере подземных источников Красноярского края.
Работа выполнена в рамках федеральной целевой программы «Чистая вода» и открытого плана НИР ФГАОУ ВПО «Сибирский федеральный университет» «Разработка энергоэффективных и экобезопасных технологий» в 20052008 гг. Тема диссертации соответствует перечню «Критические технологии РФ» по направлению «Системы жизнеобеспечения и защиты человека».
Объект исследования – природная вода из подземных источников с высоким содержанием фтора.
Предмет исследования – характеристики технологических процессов обесфторивания подземных вод.
Цель диссертационной работы – совершенствование технологии обесфторивания подземных вод при высоком содержании фтора с экологически безопасной утилизацией фторсодержащего осадка.
Для достижения цели сформулированы и решены следующие задачи:
– анализ существующих методов обесфторивания воды применительно к подземным водам с высокой концентрацией фтора и обоснование направлений исследований;
– выявить влияние основных технологических характеристик и параметров процесса реагентного обесфторивания воды на эффективность удаления фтора;
– исследовать способы обработки фторсодержащего гидроксидного осадка, позволяющие уменьшить его объём и выделить фтор в виде малорастворимого вещества;
– разработать технологическую схему обесфторивания воды при высокой концентрации фтора (более 5 мг/дм3) с утилизацией фторсодержащего осадка, дать эколого-экономическую оценку предлагаемых технических решений.
Научная новизна работы
Впервые определены оптимальные соотношения доз алюмосодержащего реагента (моль Al/мольF), при которых происходит наиболее полная сорбция алюмофторидных комплексов гидроксидом алюминия за счёт изменения межмолекулярной связи и более полного распределения алюмофторидных комплексов на поверхности гидроксидного осадка.
Впервые установлен фазовый состав вторичного осадка (модифицированного криолита), полученного в процессе щелочной обработки фторсодержащего гидроксидного осадка.
Впервые предложены критерии подобия процесса электрохимического обесфторивания воды и установлены эмпирические зависимости данных критериев с технологическими параметрами для определения конструктивных параметров электрокоагуляторов.
Основные положения, выносимые на защиту.
Результаты изучения сорбции алюмофторидных комплексов (АФК) гидроксидом алюминия для обоснования снижения разовой дозы алюмосодержащего реагента и дробности его подачи.
Результаты исследования способа обработки фторсодержащего гидроксидного осадка, позволяющего получить экологически безопасный продукт с криолитной основой и алюмосодержащий реагент для повторного использования.
Методика расчета электрокоагулятора, позволяющая на стадии проектирования установить его конструктивные параметры в зависимости от исходного состава воды и оптимальных технологических режимов работы.
Комплексная технологическая схема реагентного обесфторивания воды с дробным дозированием реагента, позволяющая снизить его расход на 40-50 % и обеспечить нормативное качество воды.
Достоверность полученных результатов основана на применении общенаучных методов исследования, знании фундаментальных законов, корректном использовании методик проведения экспериментов; подтверждается анализами качества природных и обрабатываемых вод по стандартным методикам в соответствии с РД 52.24.360-2008, ГОСТ 4386-89, 18165-89, 4389-72, 4245-72, 52407-2005 и базируется на применении современных приборов и оборудования (жидкостном хроматографе LC-20 Prominence (Shimadzu), атомно-эмиссионном спекрометре Thermo Scientific iCAP- 6500 DUO, ИК-Фурье спектометре Nicole 6700, многофункциональном рентгеновском дифрактометре Bruker D8 Advance, приборе для синхронного термического анализа Netzsch STA 449), обеспечивающих требуемую точность и надежность результатов измерения; а также на анализе сравнения результатов экспериментальных исследований с данными других авторов.
Практическая значимость и использование результатов работы:
Научно обосновано и подтверждено экспериментально повышение эффективности реагентного обесфторивания подземной воды методом дробного дозирования реагента при снижении удельного расхода алюминия.
Предложен способ обработки фторсодержащего гидроксидного осадка, позволяющий выделить и утилизировать фтор в виде продукта с криолитной основой, а также получить алюмосодержащий реагент для повторного использования.
Разработана и реализована методика расчета электрокоагулятора для обесфторивания подземной воды, позволяющая на стадии проектирования учесть зависимость конструктивных параметров от внешних факторов, химического состава воды и выбрать оптимальные технологические режимы работы на стадии проектирования.
4. Разработана экономически эффективная и экологически безопасная технология обесфторивания подземных вод при концентрации фтора более 5 мг/л с утилизацией фторсодержащего осадка.
Предложенные технологические решения нашли применение в проекте строительства станции водоподготовки существующих подземных водозаборов хозяйственно-питьевого назначения г. Ачинска, Красноярского края и приняты к использованию в научной и практической деятельности ООО «Красноярский водоканалпроект» при проектировании водозаборов подземных вод.
Результаты исследований использованы в программе курса «Водоподготовка», «Процессы и устройства» для студентов специальности «Водоснабжение и водоотведение» Инженерно-строительного института ФГАОУ ВПО «Сибирский федеральный университет».
Личный вклад автора. Автору принадлежат постановка и реализация задач исследований; совместно с научным руководителем обоснование и формулировка основных положений научной новизны и практической значимости; внедрение результатов совместно со специалистами ООО «Красноярский водоканалпроект», Водоканала г. Ачинска, ООО «ЭКОПРОЕКТ» и коллектива кафедры «Инженерные системы, зданий и сооружений» СФУ, которым автор выражает глубокую благодарность за помощь в работе.
Апробация работы. Основные положения работы, результаты теоретических, вычислительных и экспериментальных исследований докладывались и обсуждались на V Всероссийской НПК «Красноярск. Энергоэффективность: достижения и перспективы» (Красноярск, 2004); IX Всероссийской НПК «Социальные проблемы инженерной экологии, природопользования и ресурсосбережения» (Красноярск, 2005); XXIII Региональной НТК «Проблемы архитектуры и строительства» (Красноярск, 2005); Всероссийской НПК и выставке «Проблемы и перспективы энергообеспечения города» (Красноярск, 2005); Всероссийской НПК с международным участием «Социально-экологические проблемы природопользования в Центральной Сибири» (Красноярск, 2006); Всероссийской НПК «Проблемы строительства, экологии и энергосбережения в условиях Западной Сибири» (Тюмень, 2006); Всероссийской НПК студентов, аспирантов и молодых ученых «Молодежь и наука. Третье тысячелетие» (Красноярск, 2007); 61, 65-67 Всероссийских НТК НГАСУ (Сибстрин) «Актуальные проблемы строительной отрасли» (Новосибирск 2004, 2009-2011).
Публикации. По теме диссертации опубликовано 13 научных работ, из них: 4 статьи в рецензируемых научных журналах из перечня ВАК РФ, 9 – в сборниках научных трудов и материалах Всероссийских научно-технических конференций.
Структура и объем работы. Материалы диссертации изложены на 135 страницах основного текста, включающих 25 рисунков и 42 таблицы. Работа состоит из введения, пяти глав, основных выводов и рекомендаций, списка использованных источников из 120 наименований и приложений.
