На ряде стаций обезжелезивания снижение содержания углекислоты и обогащение кислородом подземной воды осуществляется изливом через насадки или отверстия. Данные по возможным эффектам снижения содержания углекислоты от исходного содержания и типа отверстия излива в литературе отражены в недостаточном объёме. Проведены экспериментальные исследования по выявлению эффективности снижения содержания углекислоты при изливе подземной воды из отверстий различной конфигурации одинаковой площади, располагаемых на изменяемой высоте относительно уровня воды в приёмной ёмкости. Приведены значения эффективности удаления углекислоты для переменных условиях экспериментов.

Ключевые слова: свободная углекислота, экспериментальная установка, конфигурация отверстий, высота излива, эффективность десорбции.

В подземной воде источников хозяйственно-питьевого назначения всегда присутствуют газы в растворённой или свободной форме [1], в частности для Тюменского региона характерно наличие угольной кислоты. Угольная кислота в поземной воде может находиться в трёх видах:

— связанном — карбонаты кальция и магния;

— полусвязанном — бикарбонаты кальция и магния;

— свободном — в газообразном состоянии (СО ₂ ), агрессивная.

Агрессивная углекислота действует корродирующе на бетон, металлические элементы системы водоснабжения [2] и снижает эффективность удаления растворимых соединений железа и марганца. Большие количества агрессивной углекислоты характерны для мягких подземных вод региона.

Снижение содержания углекислоты в воде может быть осуществлено физическими и химическими методами. В практике хозяйственно-питьевого водоснабжения отдаётся предпочтение физическим методам, в частности аэрации.

Аэрация подземной воды перед водоподготовкой и последующей подачей в водопроводную сеть может проводиться:

— разбрызгиванием воды;

— изливом;

— барботажем;

— эжектированием ‒ введением воздуха в воду за счет перепада давления;

— вводом воздуха перед смесителем компрессором;

— разбрызгиванием в вакууме.

Методы предусматривают увеличение площади контакта воды с воздухом, что повышает эффективность снижения содержания углекислоты из воды.

В литературных источниках данные по десорбции угольной кислоты из подземной воды при разбрызгивании и изливе из отверстий представлены в недостаточном объёме. Результаты исследований по снижению содержания углекислоты при изливе воды из отверстий диаметром 6,4 мм с высоты 1,5 м приведены на рис. 1 [3].

Рис. 1. Изменение содержания углекислоты в воде при изливе из отверстий

Авторы отмечают, что при разбрызгивании через сопла направленные вверх выделяется больше углекислоты, чем при движении струи сверху вниз, так как в этом случае при разбрызгивании воды происходит саморазбрызгивание, с увеличеним площади контакта воды с воздухом и продолжительность пребывания капель в нём [3].

Исследования по истечению воды из отверстий круглой формы с определением необходимой площади контакта с воздухом при изливе с различной высоты в зависимости от температуры исходной воды было осуществлено Л. П. Румянцевой [4].

В практике подготовки воды при её обезжелезивании применяется разбрызгивание (г. Калининград) через специальные сопла (рис. 2) [4], но большее распространение получил излив воды из отверстий над контактным резервуаром и непосредственно на поверхность воды фильтра обезжелезивания (рис. 3, 4).

Рис. 2. Аэрационный бассейн: А) план; Б) разрез; 1 — вода от скважин; 2 — на сооружения очистки воды; 3 — водораспределитель; 4 — сопло; 5 — водосборный бассейн

Связано это с меньшими капитальными затратами, в отсутствии необходимой дополнительной площади сооружений, и малой гидравлической нагрузкой на аэрационный бассейн (не превышает 1,2–1,5 м ³ /м ² ∙ч [5]).

Проведены исследования по выявлению эффективности удаления углекислоты при истечении подземной воды с различной исходной концентрацией углекислоты в воде (С _исх ) из отверстий, отличающихся конфигурацией и расположенных на переменных высотах (h).

Методика исследований

Экспериментальная установка ‒ на стальной трубе длиной 2,5 м (рис. 5), установленной вертикально и закрепленной на основание, с помощью хомутов с резиновыми прокладками закреплена перемещаемая по вертикали емкость исходной воды объемом 10 л, с высотой слоя воды 0,32 м. К емкости присоединена система отводов из пластмассовых труб с регулировочными кранами и с насадками истечения различной конфигурации на концах.

Рис. 5. Схема экспериментальной установки: 1 — штатив с хомутами для регулирования высоты; 2 — подача исходной воды; 3 — емкость с постоянным уровнем воды; 4 — насадки с отверстиями; 5 — сборная емкость; 6 — линейка; 7 — перелив

Насадки одинаковой площади имеют отверстия различной конфигурации (рис. 6): Круглое диаметром 10 мм; Щелевое шириной 5 мм; Крестообразное с шириной щели 5 мм.

Рис. 6. Схема отверстий

Высота излива из отверстий составляла: 0,5, 1,0, 1,5 и 2,0 м.

Содержание исходной углекислоты в подземной воде объектов исследования составили 88 мг/дм ³ (санаторий «Сибирь») и 137 мг/дм ³ (Велижанский водозабор ООО «Тюмень Водоканал»), температура воды ‒ 6–8˚С. Определение содержания углекислоты в исходной воде и после излива осуществлялось согласно методике «Качество воды. Методика выполнения измерений содержания свободной углекислоты в пробах питьевых и природных вод. Титриметрический метод. ЦВ 1.01.17–2004» аттестована в соответствии с ГОСТ Р 8.563–96.

Результаты исследований

Характер изменения содержания СО ₂ независимо от первоначального количества и высоты излива одинаков для рассматриваемых случаев и в частном случае может быть описан степенным уравнением (рис. 7, 8).

Рис. 7. График снижения содержания углекислоты из подземной воды при СО _{2 исх} = 88 мг/дм ³ для различных форм отверстий и высоты излива

Рис. 8. График снижения содержания углекислоты из подземной воды при СО _{2 исх} = 137 мг/дм ³ для различных форм отверстий и высоты излива

Эффективность десорбции для разной конфигурации отверстий отличаются при высоте излива 0,5 м, а с дальнейшим увеличением высоты отклонения незначительны и она может быть принята постоянной таблица 1.

Таблица 1

Максимальная эффективность удаления углекислоты составила 76 % при высоте излива 2,0 м, при этом форма отверстий не имела значение. При падении воды с высоты 2,0 м струя теряя правильную конфигурацию, в связи со значительным дроблением, переходит в капли неопределенных размеров, что в конечном итоге способствует увеличению поверхности контакта воды с воздухом.

Выводы:

— при малой высоте излива эффективность зависит от формы отверстий;

— при высоте излива 2,0 м форма отверстий роли не имеет значение, и максимальная эффективность десорбции составляет 76 %;

— по результатам экспериментов было выявлено, что наибольшую степень удаления углекислоты из воды при равных площадях имеет отверстие крестообразной формы, меньше щелевое и еще меньше круглое. Данные результаты можно объяснить тем, что у крестообразного отверстия наблюдалась большая раздробленность потока, чем у отверстий других форм.

Литература:

1. Никоноров А. М. Гидрохимия: Учебник— 2-е изд., перераб. и доп. / А. М. Никоноров. — Санкт‒Петербург: Гидрометеоиздат, 2001. — 444 с.
2. Николадзе Г. И. Водоснабжение / Г. И. Николадзе, М. А. Сомов. ‒ Москва: Стройиздат, 1995. ‒688 с.
3. Азерьер С. Х. Водоснабжение на железнодорожном транспорте, том 2 / С. Х. Азерьер, Е. Ф. Тебенихин. ‒ Москва: Tpaнсжелдориздат, 1940. ‒509 с.
4. Румянцева Л. П. Брызгальные установки для обезжелезивания воды / Л. П. Румянцева. ‒ Москва: Стройиздат, 1973. ‒104 с.
5. Кулаков В. В. Обезжелезивание и деманганация подземных вод: Учебное пособие / Кулаков В. В., Сошников Е. В., Чайковский Г. П. ‒ Хабаровск: ДВГУПС, 1998. ‒ 100 с.