CC BY
48
АГРОПРОМЫШЛЕННАЯ ИНЖЕНЕРИЯ
УДК 631.6:626.8
ТЕХНИЧЕСКИЕ РЕШЕНИЯ ДЛЯ УТИЛИЗАЦИИ ДРЕНАЖНЫХ ВОД
И.И. Конторович, кандидат технических наук
Волгоградский филиал ГНУ Всероссийский НИИ гидротехники и мелиорации
Приведены описания новых технических решений для обработки дренажных вод в процессе их транспортирования и аккумуляции.
Ключевые слова: дренажные воды, рассолы, утилизация,
технические решения, обработка, транспортирование, аккумуляция.
Существенно расширить проектную ситуацию в плане поиска и выбора альтернативных вариантов утилизации дренажных вод (ДВ) с орошаемых земель позволяет создание и последующее практическое использование банка данных о технических решениях и технологиях, обеспечивающих выполнение этого процесса. В качестве промежуточного результата НИР по данному направлению был создан специализированный каталог [1], который содержит 33 паспорта технологий и технических средств по следующим способам обработки дренажных вод: опреснение (11 вариантов), биологическая и
химическая очистка (8), очистка сорбционным способом (8), химическая мелиорация (6 вариантов). Анализ материалов каталога позволяет утверждать: области поиска технических решений для утилизации ДВ достаточно ограничены и нуждаются в расширении, как по способам обработки стока, так и в плане повышения их эффективности.
Разработанные новые конструкции комплексов сооружений, описание которых приведено ниже, являются одним из возможных вариантов технического решения подсистемы утилизации дренажных вод межхозяйственных и внутрихозяйственных гидромелиоративных систем.
1. Комплекс сооружений для обработки дренажных вод в процессе их транспортирования (далее - комплекс, [3]) предназначен для снижения концентрации загрязняющих веществ в дренажных водах с исходной минерализацией не более 3,0 г/л и регулирования их качества в соответствии с требованиями потребителей. Он размещается по трассе межхозяйственного или внутрихозяйственного дренажного коллектора, транспортирующего дренажный сток в водоприемник и занимающего командное положение по отношению к месту расположения очистных сооружений.
Комплекс (рис. 1) обеспечивает обработку части расхода дренажного коллектора 1, имеет модульную основу и содержит не менее двух одинаковых модулей с общей подводящей 2 и отводящей 3 системой каналов и сооружений. Каждый из модулей состоит из взаимосвязанных блоков сорбционной 4, 5 и биохимической 6, 7 очистки воды, блока 8 аэрации дренажного стока, обслуживающего два модуля одновременно, блока 9 химической мелиорации очищенной воды. Блоки сорбционной 4, 5 и биохимической 6, 7 очистки воды гидравлически связаны между собой посредством систем 10 закрытого горизонтального
дренажа с коллектором 11. Для обеспечения функционирования блока аэрации использована ветроэнергетическая установка с компрессором и ресивером. Комплекс имеет пункты контроля состава и качества воды, отсечный дренаж в виде закрытых дрен и (или) скважин, расположенных за пределами внешнего контура границ сооружения; бассейн-питомник для выращивания рассады высшей водной растительности, станцию регенерации сорбционных фильтров, систему машин и механизмов для замены отработанных сорбционных фильтров, посадки, ухода, уборки и утилизации высшей водной растительности (не показаны).
1Ч 2\ Дренажные воды
¡1
л
Е-
т
I
[
0Ч=1/8
■ ■■■■■■■■■■■■■■I I ш ш ■ ■■■■■■■■■■■■■■■
■ ■■■■■■■■■■■■■■I I ■ ■ ■^■^■1 * ■■■■■■■■■■■■■■■
□ □ □ □ □ □ □ □ □ □
т
А
10
Рисунок 1 - Комплекс сооружений для обработки дренажных вод в процессе их транспортирования, вид в плане, разрез А - А: 1 -открытый дренажный коллектор; 2 - подводящий канал с
сооружениями; 3 - отводящий канал; 4, 5 - блок сорбционной очистки; 6,7 - блок биохимической очистки; 8 - блок аэрации; 9 - блок химической мелиорации дренажных вод; 10 - закрытый
горизонтальный дренаж; 11 - закрытый дренажный коллектор; 12 -площадка для утилизации остатков высшей водной растительности
Комплекс функционирует в режиме самотечного движения потока и обеспечивает выполнение следующих операций в различных комбинациях и сочетаниях (всего - 23 режима): 1) очистка ДВ от плавающих примесей и взвешенных частиц; 2) очистка ДВ с использованием гранулированных сорбентов; 3) очистка ДВ в процессе горизонтальной, вертикальной (нисходящей и восходящей) фильтрации в толще почвогрунтов; 4) очистка ДВ с помощью высшей водной растительности (ВВР) - рогоза узколистного, тростника обыкновенного, камыша озерного и др.; 5) аэрирование потока ДВ для интенсификации процессов очистки; 6) кондиционирование очищенных дренажных вод в результате внесения реагентов для изменения pH, соотношения ионов Na+/Ca++, Mg++/Ca++, вывода карбонат- и гидрокарбонат-ионов; 7) подача очищенных ДВ потенциальному потребителю; 8) подача дренажных вод (при удовлетворительном качестве) потребителю без обработки.
Планируемая производительность комплекса - 2... 35 л/с; гидравлическая нагрузка оптимальная 1,0... 2,0 м3/сут на м2; гидравлическая нагрузка допустимая - 3 м3/сут на м2.
На основании данных по ближайшим аналогам - системы биохимического регулирования качества дренажных вод (пат. № 2060970, 2168470), при исходной минерализации очищаемой воды 3 г/л комплекс обеспечивает снижение содержания нитритов, нитратов, аммония, тяжелых металлов и пестицидов на 50 ...100 %, хлоридов и сульфатов - на 40 ... 50 %, регулирование pH - 6,5 ... 8,4, Na+/Ca2+ - до значений менее 1, Mg2+/Ca2+ - до значений менее 1,5, Na2CCh - до 1,5 мг-экв/л.
К основным позитивным качествам разработанного технического решения относятся: 1) использование модульного принципа позволяет создавать комплексы различной мощности, не изменяя принципиальной конструкции; 2) многовариантность по набору и комбинации способов очистки ДВ позволяет выбрать режим работы комплекса, наилучшим образом соответствующий характеристикам объекта очистки; 3) низкие затраты энергии за счёт применения самотечного режима работы комплекса и использования возобновляемого источника энергии -ветра, при аэрации ДВ; 4) многовариантность по набору и комбинации способов очистки ДВ позволяет рассматривать комплекс в качестве испытательного объекта для выполнения НИР по разработке и совершенствованию технологий утилизации дренажных вод.
2. Комплекс сооружений для обработки дренажных вод в процессе их аккумуляции (далее - комплекс, [4]) предназначен для уменьшения объема дренажных вод с максимальной минерализацией и полезного использования его свойств за счет создания солнечных водоемов с целью производства энергии (тепловой, электрической) и опреснённой воды.
Солнечный водоём {solar pond, salt gradient solar pond - англ) -горизонтальный солнечный коллектор в виде гидро- и теплоизолированного бассейна глубиной до 3,0...3,5 м, с высокими градиентами концентрации растворенной соли (концентрированный
20...25 % раствор в донной области и разбавленный у поверхности), которые подавляют свободно-конвективный перенос нагретых слоев жидкости от дна к поверхности, обеспечивая, таким образом, аккумулирование тепла в придонной зоне, что, в свою очередь, обуславливает проявление температурной аномалии - в нижнем придонном слое температура под действием солнечной радиации достигает 80... 100 0 С.
Работы по созданию солнечных водоёмов достаточно интенсивно проводятся в Австралии, Греции, Израиле, Индии, Канаде, Мексике, Нигерии, США (Техас, Калифорния, Огайо), Того, Тунисе. В настоящее время солнечные водоёмы используются для получения электрической и тепловой энергии, солей (удобрений), опреснения воды, для повышения эффективности бассейнов солнечного испарения воды, в производственных процессах при производстве масла и переработке молока, в нефтепереработке.
Необходимыми условиями для реализации комплекса в части производства энергии и опреснения воды являются: 1) не менее чем в 2 раза превышение разности между среднегодовыми испарением с водной поверхности и осадками над величиной годового слоя формируемого дренажного стока; 2) исходная минерализация дренажных вод, используемых после их концентрирования для создания солнечного водоёма, должна составлять не менее 10... 15 г/л.
Комплекс (рис. 2) содержит накопители-испарители 1 и 2 дренажного стока, куда по коллектору 3 поступают дренажные воды, испаритель 4 рассолов, блок 5 кондиционирования рассолов, насосную станцию 6 для подачи дренажных вод из накопителя-испарителя 2 в испаритель 4 рассолов, насосную станцию 7 для подачи рассолов из испарителя 4 в блок 5 кондиционирования рассолов и в солнечный водоём 8, солнечный водоём 8 с тепловым трубопроводом 9, энергетической 10 и опреснительной 11 установками.
Техническое решение комплекса обеспечивает
концентрирование дренажных вод с исходной минерализацией 10... 15 г/л до 200...250 г/л за счет их естественного испарения и вымораживания в течение 2 лет и создает возможность создания на их основе солнечных водоёмов для получения энергии и опреснённой воды.
Дренажные воды
Т
А
/
і • ,
Опреснённая
вода
А-А
\ 2 к —1 6, 1 3 Мі * НУ-У 7І 10 ■
- —Н ^ - 1 1 1 ||_ 1. — /1 (
Рисунок 2 - Комплекс сооружений ддя обработки дренажных вод в процессе их аккумуляции, вид в плане и разрез по А - А: 1,2- накопитель-испаритель дренажного стока; 3 - дренажный коллектор; 4 - испаритель рассолов; 5 - блок кондиционирования рассолов; 6, 7 - насосная станция; 8 - солнечный водоём (3 отсека);
9 - тепловой трубопровод; 10 - энергетическая установка; 11 - опреснительная установка; / - уклон дна;
Н - расстояние от дна солнечного водоёма; Т - температура рассола
и
НИЖНЕВОЛЖСКОГО АГРОУНИВЕРСИТЕТСКОГО КОМПЛЕКСА
конкурентно способными со станциями, использующими другие возобновляемые источники энергии [2].
Предлагаемое техническое решение обладает следующими основными позитивными качествами: 1) полезное использование
нецелевого продукта функционирования гидромелиоративных систем -минерализованного дренажного стока, для получения пресной воды и энергии (тепловой и/или электрической); 2) использование модульного принципа позволяет создавать комплексы различной мощности, не изменяя принципиальной конструкции.
Более подробные сведения о конструкциях и функционировании комплексов сооружений для обработки дренажных вод в процессе их транспортирования и аккумуляции приведены в [3, 4].
Практическая реализация разработанных на уровне изобретений технических решений позволит предотвратить или существенно снизить негативное воздействие дренажных вод с орошаемых земель на агроландшафты и другие компоненты природно-территориальных комплексов и повысить на этой основе экологическую безопасность современных гидромелиоративных систем.
Библиографический список
1. Конторович, И.И. Каталог перспективных ресурсоэкономичных технологий и технических средств для очистки дренажных и сбросных вод гидромелиоративных систем [Текст] / И.И. Конторович. - М. : ВНИИГиМ, 2007. - 89 с.
2. О возможности создания на территории Российской Федерации электростанций на основе солнечных прудов [Текст]/ А.Б. Яновский, П.П. Безруких, Н.М. Сонина, В.И. Салохин // Бизнес и инвестиции в области возобновляемых источников энергии в России: труды Международного конгресса. 31.05 -4.06 1999 г., Москва, Россия. - М., 1999. - С. 257-262.
3. Пат. № 2358916 RU. МПК8 C02F 9/14, C02F 3/32. Сооружение для очистки и регулирования качества дренажных вод [Текст] / И.И. Конторович. - Заявка № 2007143033/15; Заявл. 20.11.2007; Опубл. 20.06.2009, Бюл. № 17.
4. Пат. № 2357041 RU. МПК8 Е02В 11/00. Накопитель дренажного стока гидромелиоративных систем [Текст] / И.И. Конторович. - Заявка № 2007146667/03; Заявл. 14.12.2007; Опубл. 27.05.2009, Бюл. № 15.
5 Янтовский, Е.И. Потоки энергии и эксергии [Текст] / Е.И. Янтовский. - М.: «Наука», 1988.-143 с.
E-mail: [email protected]
