Удаление растворенных газов при обработке подземных вод

162
Фото © shutterstock.com
Фото © shutterstock.com
Немалую роль в эффективности работы систем тепло- и водоснабжения играет качество воды. Наличие газов внутри системы служит причиной образования воздушных пробок, явлений кавитации, коррозии. В воде из природных источников могут присутствовать в растворенном состоянии радон, метан, углекислый газ, сероводород, хлор, аммиак. Эти газы усиливают коррозионные свойства воды, придают ей неприятный запах и токсичность.

При использовании воды на хозяйственно-питьевые и промышленные цели необходимо применять дегазацию – удаление газов из воды.

Удаление из подземных вод растворенных газов в технологиях водоподготовки достигается различными способами. Их интенсивность и эффективность диктуются содержащимися формами и количеством растворенных в воде газов и требуемой степенью удаления.

Выбор способа дегазации и его конструктивное оформление напрямую зависят от качественного состава обрабатываемых подземных вод, количества (по массе) растворенных в них природных газов, производительности водоочистных станций, а также от принятой технологической схемы водоподготовки, направленной на получение воды определенного качества.

К сведению

Дегазация – процесс удаления нежелательных или всех растворенных газов из какой-либо жидкости (воды).

Рассмотрим принципиальные конструкции дегазаторов с позиции эффективности удаления растворенных газов из подземных вод.

В подземных водах Западно-Сибирского региона основными растворенными газами, влияющими на технологии подготовки воды для питьевых целей, а зачастую и определяющими их, являются CO2, CH4, H2S. Удаление из воды растворенных газов (дегазацию) в процессе водоподготовки осуществляют на дегазаторах различных типов. Конструктивные решения дегазаторов многообразны, в технологическом же плане наиболее часто применяют барботажные, пленочные, вакуумные и вихревые дегазаторы.

В барботажных дегазаторах через слой медленно движущейся дегазируемой воды продувается сжатый воздух, чем обеспечивается развитая поверхность взаимодействия воды и воздуха. Следует отметить, что из-за сравнительно большого расхода электроэнергии на компрессию воздуха барботажные дегазаторы используются достаточно редко.

Пленочные дегазаторы представляют собой колонны, загруженные насадкой, по которой вода стекает тонкой пленкой. Насадка служит для создания развитой поверхности контакта воды и воздуха, нагнетаемого вентилятором навстречу потоку воды. В качестве нее используются деревянные, керамические или пластмассовые кольца и др.

Вакуумные дегазаторы – аппараты, в которых с помощью специальных устройств (вакуум-насосов, паро- или водоструйных эжекторов и т. п.) создается пониженное давление, при котором вода кипит при данной температуре, чем обеспечивается удаление из нее растворенных газов. Для увеличения площади контакта вакуумные дегазаторы могут загружаться насадкой.

Вихревая дегазация является развитием пленочной технологии удаления растворенных газов. Основное отличие заключается в отсутствии насадки в дегазаторе. Вода разбрызгивается в интенсивно закрученном (вихревом) потоке вводимого воздуха, благодаря чему обеспечивается большая площадь соприкосновения воды и воздуха.

При проектировании дегазаторов требуется определить площадь поперечного сечения аппарата, расход воздуха, поверхность насадки (для насадочных аппаратов) и необходимый напор, развиваемый вентилятором.

Для удаления части свободной углекислоты из воды в процессе ее деманганации или обезжелезивания в целях поднятия значения рН воды до оптимального также наиболее целесообразно использовать дегазаторы, загруженные пластмассовыми или керамическими кольцами Рашига и работающие при подаче в них воздуха вентилятором.

Удаление растворенных газов при обработке подземных вод

К сведению

Кольца Рашига предназначены для заполнения рабочих объемов насадочных колонн и аппаратов с целью повышения интенсивности тепло- и массообменных процессов в оборудовании химической, нефтехимической, нефтеперерабатывающей и др. отраслей промышленности, систем канализации и водоснабжения, производства аммиака и минеральных удобрений.

Фридрих Рашиг – немецкий химик-технолог и промышленник. Предложил (1890 г.) способ фракционной дистилляции органических веществ в колоннах, заполненных керамическими кольцами (кольца Рашига).

Для глубокого удаления из воды свободного углекислого газа (до 3–5 мг/л) следует применять дегазаторы с насадкой из пластмассовых колец или из колец Рашига (керамических) либо вакуумно-эжекционные аппараты.

Для удаления из воды метана и сероводорода наиболее эффективны пленочные дегазаторы, загруженные пластмассовыми или керамическими кольцами.

Как правило, при очистке подземных вод для хозяйственно-питьевых нужд приходится одновременно решать две задачи – удаление из воды растворенных газов и насыщение ее кислородом, необходимым для окисления растворенных форм загрязнений.

Пример

Каталитическое окисление Fe2+ зависит от концентрации последнего и требует необходимого минимума содержания кислорода. Количественно это составляет 0,5–0,9 мг/мг двухвалентного железа. Удаление диоксида углерода в процессе аэрации-дегазации способствует увеличению pH, удаление сероводорода, как правило, – увеличению потенциала Eh, что в итоге обеспечивает необходимые условия окисления Fe2+ и Mn2+в трехвалентное состояние.

Аэрация воды является самым распространенным и считается наиболее эффективным технологическим приемом насыщения кислородом атмосферного воздуха для каталитического окисления Fe2+ на фильтровальных сооружениях при очистке вод повышенной жесткости (Жо > 3,85). Для вод средней жесткости требуется применение более эффективных систем аэрации. Данное положение принципиально при рассмотрении вопроса обработки подземных вод в Западно-Сибирском регионе, отличающихся жесткостью (4,2–8,4 мг-экв/л), наличием углекислого газа (10–210 мг/л), а также сероводорода (до 2,6 мг/л) и специфического для региона метана (до 40 мг/л).

Следует отметить, что удаление свободного диоксида углерода, метана и молекулярного сероводорода может происходить достаточно быстро, в то время как насыщение воды кислородом зависит от ряда факторов: интенсивности подачи кислорода в обрабатываемую воду, температуры обрабатываемой воды, продолжительности и требуемой степени насыщения, а также конструкций и эффективности аэрационных устройств (о чем уже упоминалось и будет подробнее рассмотрено далее, применительно к подземным водам Западно- Сибирского региона).

Анализ работ различных исследователей, а также опыт эксплуатации промышленных дегазаторов говорят о том, что наиболее распространенными и достаточно эффективными по газоудалению в практике очистки подземных вод считаются дегазаторы барботажного типа (продувка воздухом), насадочные и вакуумные дегазаторы (рис. 1).

Удаление растворенных газов при обработке подземных вод

Рис. 1. Типы дегазаторов, применяемых для удаления растворенных газов

Сравнительные результаты степени насыщения подземных вод атмосферным кислородом различными способами аэрации

№ п/п Способ аэрации Температура, °С Содержание О2, мг/л Относительная степень насыщения ∆, мг/л
до аэрации после аэрации
1 Разбрызгивание воды через насадки над фильтрами 11 1–1,4 6,5–7,4 5,5–6,0
2 Перелив воды из кармана контактного резервуара через водослив в контактный резервуар 9,5 0,3 5,8–7 5,5–6,7
3 Подсос воздуха водовоздушным эжектором перед подачей воды на напорные фильтры 10 0,4–1 9–10 8,6–9,0
4 Свободный излив из трубы
d = 100 мм с высоты 1,32 м
8 0,2 3,8 3,6
5 То же, с высоты 0,4 м 7,5 0,2 4,8–5 4,6–5,8
6 Разбрызгивание воды с помощью вентиляторной градирни, загруженной деревянной хордовой насадкой 12 0,4 11 10,6
7 Излив воды в сборный карман контактного резервуара 7,5–8 Отсутствует 3,8–4,3 3,8–4,3
8 Излив с высоты 0,5 м над уровнем воды 6–8 Отсутствует 5,5–6,5 5,5–6,5
9 Аэрация в вихревых аэраторах 2–4 0,4–0,5 12–13,3 11,6–12,8
10 Низконапорный поддув под факел разбрызгиваемой воды 8–9 0,2–0,3 10,4–11,2 10,2–10,9
11 Разбрызгивание через эжекторные сопла на жесткий контактный слой 7–8 Отсутствует 8,4–8,8 8,4–8,8
12 Аэрация в многоканальных аэрационных колоннах 6–8 Отсутствует 10,8–11,6 10,8–11,6
 

В работе Д.В. Глазкова приведены результаты сравнительных экспериментальных исследований вакуумного, насадочного и барботажного дегазаторов для удаления метана в нефтегазоносных районах Западной Сибири: эффективность удаления метана в вакуумных дегазаторах составляет в среднем 14%, в насадочных – 80, в барботажных – 97%.

Изучение причин такой эффективности показало, что в водных растворах часть молекул метана образует сольватные комплексы, в которых органическую молекулу метана окружают 12 молекул воды. Чтобы удалить оттуда молекулы метана, необходимо разрушить окружающий их структурный комплекс из молекул воды, а это требует достаточно большого количества энергии.

В вакуумных и насадочных дегазаторах извлечение растворенного газа осуществляется без передачи жидкости дополнительной энергии, что и объясняет их низкую эффективность.

В аппаратах барботажного типа за счет движения большого количества пузырьков воздуха через слой воды и возникающей в результате этого сложнейшей гидродинамической обстановки происходит передача необходимого для высокоэффективной работы аппарата количества энергии.

Если в воде присутствуют железо- фосфатные комплексы, то их способность выпадать в осадок при окислении выводит из строя любую загрузку дегазаторов. Поэтому отсутствие какой-либо насадки – еще одно преимущество аппаратов барботажного типа.

Пример

Дегазаторы Нижневартовской ГРЭС с насадкой из колец Рашига вышли из строя за два месяца непрерывной эксплуатации, что привело к необходимости полной замены насадки.

Сопоставление результатов исследований дегазации и аэрации подземных вод, подлежащих очистке различными способами, позволяет дать предварительную оценку эффективности насыщения воды кислородом и в первом приближении назначить способ аэрации подземных вод для обеспечения требуемой степени насыщения воды кислородом воздуха в зависимости от ее качественного состава.

В таблице 1 приведены обобщенные результаты исследований различных способов насыщения подземных вод атмосферным кислородом. Анализ полученных результатов свидетельствует о том, что существует ряд технологических приемов, позволяющих обеспечивать разную степень насыщения обрабатываемой воды кислородом воздуха, что в свою очередь является достаточно важным при выборе метода аэрации воды в зависимости от ее качественного состава.

Кроме того, анализ результатов различных исследователей позволил сделать вывод о том, что эффективность аэрационных методов тем выше, чем выше степень физического воздействия на обрабатываемую воду. Оценить это можно такими параметрами, как: степень диспергирования обрабатываемой воды и подаваемого для аэрации воздуха, соотношение количества обрабатываемой воды и воздуха, скорость их взаимного движения в аппарате, продолжительность взаимодействия и др.

Следует также отметить, что в упомянутых дегазаторах эффективность газоудаления зависит от ряда конструктивных параметров, которые необходимо выдерживать при их проектировании.

Пример

Высота продуваемого воздухом слоя воды в барботажных дегазаторах должна приниматься в пределах 1,5–2,5 м. При этом общая высота дегазатора достигает 5,5 м.

Очевидно, что применение дегазаторов такого типа для станций небольшой производительности является нецелесообразным по конструктивным соображениям.

Эффективными считаются аппараты, отличающиеся высокой степенью удаления газов и низкой стоимостью. А это означает, что аппараты конструктивно не сложны и малоэнергозатратны.

В более ранних публикациях авторы представили некоторые результаты экспериментальных сравнительных исследований дегазации-аэрации подземных вод различными способами и примеры дегазационного комбинированного и многофункционального оборудования, которое может использоваться для достижения поставленных задач при очистке подземных вод.

В таблице 2 приведены дополнительные результаты сравнительных исследований дегазации подземных вод различными способами, на рис. 2 – результаты по удалению диоксида углерода в вихревых дегазаторах.

Результаты сравнительных исследований эффективности дегазации подземных вод

Про-
дол-
жи-
тель-
ность
аэра-
ции
t, мин
Концентрация растворенных газов при аэрации, мг/л
Свободный излив на открытую
поверхность воды
(H = 0,2 м)
Разбрызгивание
воды на жесткий контактный
слой
(H = 0,5 м)
Разбрызгивание с поддувом воздуха под факел воды
Qвозд : Qв = 5 : 1
Вихревая дегазация Qвозд : Qв = 6 : 1 Барботажная дегазация*
O2 CH4 H2S O2 CH4 H2S O2 CH4 H2S O2 CH4 H2S O2 CH4 H2S
0 0,00 18,12 2,26 0,00 18,70 2,18 0,00 17,80 2,10 0,00 18,40 2,14 0,00 17,95 2,20
1 0,34 15,26 2,14 1,50 9,15 1,95 2,60 5,64 1,75 9,50 1,62 0,20 4,00 3,75 1,24
3 1,32 12,45 1,85 3,20 5,12 1,25 5,20 2,44 0,85 12,70 0,00 0,05 8,40 1,50 0,40
5 2,21 9,26 1,70 5,10 3,56 1,00 8,10 1,22 0,56 14,20 0,00 0,03 10,10 0,50 0,18
10 3,80 6,45 1,35 7,60 2,18 0,68 10,50 0,45 0,27 14,60 0,00 0,01 11,60 0,10 0,06
15 4,66 5,22 1,18 8,00 1,56 0,50 10,80 0,12 0,18 14,80 0,00 0,01 11,90 0,00 0,02
30 5,50 4,25 0,95 8,30 0,22 0,44 11,10 0,00 0,14 14,90 0,00 0,00 12,10 0,00 0,02
45 6,20 3,12 0,80 8,40 0,12 0,40 11,30 0,00 0,11 15,10 0,00 0,00 12,20 0,00 0,01
60 6,50 1,50 0,75 8,60 0,00 0,32 11,40 0,00 0,10 15,20 0,00 0,00 12,40 0,00 0,01
 

Удаление растворенных газов при обработке подземных вод

Рис. 2. Эффективность удаления CO2 в вихревых дегазаторах в зависимости:

а – от места впуска воды; б – от гидравлической нагрузки на дегазатор и скорости воздушного потока в дегазаторе.

Данные таблицы 2 позволяют оценить сравниваемые методы дегазации и по достигаемому эффекту насыщения подземных вод кислородом атмосферного воздуха, что является важным в технологиях очистки подземных вод от растворенных форм железа и марганца.

На рисунке 3 приведены результаты по насыщению подземных вод атмосферным кислородом при их вихревой дегазации.

Удаление растворенных газов при обработке подземных вод

Рис. 3. Насыщение подземных вод кислородом воздуха в вихревых дегазаторах в зависимости от соотношения Qвозд / Qв, температуры воды (а) и гидравлической нагрузки на дегазатор (б)

Полученные результаты позволяют сделать вывод, что для станций малой и средней производительности (не более 500 куб. м/сут) вихревая дегазация-аэрация является наиболее рациональной.

В заключение следует отметить, что эффективность методов дегазации можно оценить следующими параметрами:

  • степенью диспергирования обрабатываемой воды и подаваемого для дегазации воздуха;
  • соотношением количества обрабатываемой воды и воздуха;
  • скоростью их взаимного движения в аппарате;
  • продолжительностью взаимодействия, температурой обрабатываемой воды.

Результаты сопоставительных исследований по удалению из воды CO2, CH4, H2S и одновременно по насыщению ее кислородом атмосферного воздуха различными способами дегазации, проведенных в районах Западно-Сибирского региона, показали, что при использовании аппаратов вихревого типа время обработки воды сокращается в несколько раз по сравнению с традиционно применяемыми дегазаторами.

Вихревые дегазаторы позволяют полностью удалять метан практически мгновенно (3–5 с), эффективная отдувка CO2 и H2S достигается за 3–5 мин, что в конечном итоге дает возможность уменьшить габариты дегазационного оборудования в технологической схеме обработки подземных вод.



Ваша персональная подборка

    Подписка на статьи

    Чтобы не пропустить ни одной важной или интересной статьи, подпишитесь на рассылку. Это бесплатно.

    Рекомендации по теме
    Вопросы по теме

    Мероприятия

    Школа

    Проверь свои знания и приобрети новые

    Посмотреть

    Самое выгодное предложение

    Самое выгодное предложение

    Воспользуйтесь самым выгодным предложением на подписку и станьте читателем уже сейчас

    Живое общение с редакцией




    ВСЁ ДЛЯ ГОРОДСКОГО ХОЗЯЙСТВА

    ВСЁ ДЛЯ ГОРОДСКОГО ХОЗЯЙСТВА

    ВСЁ ДЛЯ ГОРОДСКОГО ХОЗЯЙСТВАЭЛЕКТРОННЫЙ КАТАЛОГ
    НАШИ ПАРТНЁРЫНАШИ ПАРТНЁРЫ




    © Актион-МЦФЭР, 2006-2017. Зарегистрировано Федеральной службой по надзору в сфере связи, информационных технологий и массовых коммуникаций (Роскомнадзор) Свидетельство о регистрации ПИ № ФС77-68225 от 27.12.2016. Все права защищены.

    По вопросам подписки обращайтесь по телефонам: 
    Москва: 8 (495) 775-48-44 
    Другие регионы: 8 (800) 775-48-44 

    Получите техническую поддержку: 
    по телефону: +7 (495)-937-90-82 
    e-mail: sd@mcfr.ru 

    Политика обработки персональных данных

    
    • Мы в соцсетях
    Вы - работник сферы ЖКХ? Зарегистрируйтесь!

    Регистрация бесплатная и займет всего 1 минуту!
    После регистрации вы сможете:

    • читать любые статьи сферы ЖКХ на нашем сайте!
    • бесплатно подписаться на ежедневные новости по жилищно-коммунальному и городскому хозяйству
    • оставлять комментарии к материалам
    • задавать вопросы экспертам

    Оставайтесь с нами!
    с заботой о Вас, портал Городское хозяйство и ЖКХ

    У меня есть пароль
    напомнить
    Пароль отправлен на почту
    Ввести
    Я тут впервые
    И получить доступ на сайт Займет минуту!
    Введите эл. почту или логин
    Неверный логин или пароль
    Неверный пароль
    Введите пароль