ГОСТ 33937-2016 → ВОДОПОДГОТОВКА ← RU 2749272-2021

ИНТЕНСИВНЫЕ ТЕХНОЛОГИИ ИЩЕНКО - ИЗБРАННОЕ +

ЭФФЕКТЫ СТРУКТУРИРОВАНИЯ ПЕСКОВ

Ю. А. Ищенко.

ОЧИСТКА И ОБЕЗЗАРАЖИВАНИЕ ВОДЫ: ПРЕУМНОЖЕНИЕ ЭКОНОМИЧЕСКОЙ ЭФФЕКТИВНОСТИ ТЕХНОЛОГИЙ ВОДОСНАБЖЕНИЯ

nouhaucdf@mail.ru

Аннотация. Предложенные в настоящей статье авторские технология Дельта-фильтрования и станции водоочистки любой производительности, изобретённые на её базе, значительно улучшают экономические показатели осветления, обесцвечивания, обезжелезивания, умягчения, опреснения, обессоливания и обеззараживания воды, удаления из неё тяжёлых металлов, марганца, сероводорода, органических веществ и других вредных для здоровья человека и окружающей среды примесей, недопустимых в питьевой воде и сбросах в повышенных концентрациях, а также устраняют губительную коррозию и зарастание энергопожирающими отложениями солей стальных и чугунных труб распределительных сетей. По состоянию на 2023 это уже богатый комплекс базовых авторских свидетельств СССР на устройства и патентов РФ на технологию, совершенные станции водоочистки и их гидравлические элементы, обоснованные в монографиях, учебных пособиях и статьях с результатами научных исследований.

На зернистых водоочистных фильтрах нисходящего фильтрования систем водоснабжения (городского, сельскохозяйственного, промышленного, локального, котельных) и канализации достаточно выполнять одну новую операцию - структуризацию фильтрующей загрузки (из кварцевого песка и др. материалов) по нашей технологии - и это даст преумноженный экономический эффект на эксплуатационных затратах, в первую очередь за счёт экономии электроэнергии, промывной воды и реагентов при очистке воды, а также отключения отстойников коагулята, устранения интенсивной коррозии и зарастания энергопоглощающими отложениями солей стальных и чугунных труб. Задачи структуризации: усреднение крупности зёрен загрузки по её высоте, и даже раскладывать её так, чтобы сверху оказывались более крупные зёрна (поры), чем в толще ниже. Обеспечить реализацию технологии на фильтрах просто. Структуризация, которая длится считанные секунды, смешивает все зёрна, мелкие (кривая грансостава а1 - рис. 56+59) и крупные (в1), в положение кривых а-в. Стрелки при а1 и в1 показывают направления принудительного перемещения зёрен: мелких а1 в сторону выхода воды из загрузки (низ) и крупных в1 ко входу загрузки (верх). Что это даёт, подробно описано в ЭкоНанотехнологии. Кратко: на графике потерь напора на загрузке во времени H=f(t) для разнозернистого песка типовой крупности dэкв=1,1 мм отображено (кривые 1 и 2): трёхкратное снижение энергозатрат H2/H1 в момент t=7 ч реагентного фильтрования структурированной загрузкой 1 относительно обычной 2, а также увеличение в 2 раза (возможно до 4-х) периода фильтрования t (между промывками песка) при одновременном снижении энергозатрат (безнапорные и напорные фильтры, dэкв=0,6-1,3 мм). Ещё более экстраординарны данные безреагентного фильтрования (сверху-вниз) структурированной загрузкой - рис. 19, открытая автором статьи зона 5 (dэкв<0,6 мм).

ОКОСТЕНЕЛАЯ ПРОБЛЕМА. Издавна широко применяемые в мировой практике хозяйственно-питьевого и технического водоснабжения так называемые скорые зернистые водоочистные фильтры обладают крупным недостатком. В рабочем промежутке между их регенерациями, т.е. в период полезного фильтрования, поглотительная энергия фильтрующей толщи песка используется для водоочистки далеко-далеко не полностью. В аналогичных по значимости медленных водоочистных фильтрах громадный объём кварцевого песка вовсе не является активно поглощающим, а зернистый материал в ионообменных водоочистных фильтрах требует частых пополнения его массы и полной замены. Следствие всего этого - дороговизна строительства и эксплуатации станций водоочистки с дремлющей (не используемой) в зернистых скорых и ионообменных водоочистных фильтрах поглотительной энергией. В основе этого - одно и то же неблагоприятное явление (см. п.п.1 и 2). Медленные же водоочистные фильтры в этом отношении - образец примитивнейшего низкопроизводительного способа осветления воды, который научно и в учебниках называется "естественный метод". Обращает на себя внимание, что заметного прогресса в ликвидации этого крупного технико-экономического недостатка жизненно важных для городов и сёл водоочистных фильтров, не наблюдалось на протяжении доброй сотни лет ни в нашей стране, ни за рубежом, хотя по ним защищено множество диссертаций - научно-исследовательских работ на соискание ученой степени. Вытекающие из всего этого серьёзные недостатки систем водоснабжения породили безуспешные попытки непрофессионального создания надёжных фильтров для быта, с идеей подмены ими централизованных городских и сельских хозяйственно-питьевых водопроводов.

МОДЕРНИЗАЦИЮ И РЕКОНСТРУКЦИЮ СТАНЦИЙ ВОДООЧИСТКИ ОБЕСПЕЧИВАЮТ НАШИ НАДЁЖНЫЕ РЕСУРСОСБЕРЕГАЮЩИЕ НАНОТЕХНОЛОГИИ ДЕЛЬТА-ФИЛЬТРОВАНИЯ,

внедряемые в производство на действующих водоочистных скорых фильтрах и контактных осветлителях АКХ, а также новые, выверенные научными исследованиями, тщательно отработанные на практике, высокогрязеёмкие, простые в управлении или автоматического действия, высокоскоростные станции с водоочистными фильтрами регулируемого осаждения загрузки (до мгновенного) - Станции "РОЗ", в том числе безреагентные водоочистные станции и фильтры (рис.19 - подробнее на странице ЭкоНанотехнологии). Благодаря этим новшествам:

1- в водоочистных скорых фильтрах и станциях "РОЗ" устраняются условия спонтанного формирования вредного поверхностного слоя мелких истёршихся частиц загрузки в конце её промывки, препятствующего транспортированию водой взвесей в расположенную ниже поглотительную толщу; благодаря этому достижению увеличивается в несколько раз межпромывной период, во столько же раз снижаются потери воды и затраты электроэнергии на промывку водоочистных фильтров, появляется возможность повсеместно определять на месте, экспериментально, необходимо ли теперь дальнейшее применение в водоочистных технологиях коагулянтов и флокулянтов, и в прежних высоких дозах;

2- в ионообменных водоочистных фильтрах устраняются условия для спонтанного формирования поверхностного слоя мелких истёршихся частиц ионита, увеличивающего расход электроэнергии на фильтрацию воды и вынуждающего безвозвратно вымывать их из загрузки: исходя из дороговизны ионитов и роста цен на электроэнергию, уместно более длительное использование в работе ионитов и с пониженным расходом электроэнергии;

3- там, где намечено строительство новых водоочистных станций на основе традиционных "дремотных" водоочистных скорых или медленных фильтров, безусловно необходимо отказаться от этого дорогого направления, обратившись к водоочистным станциям РОЗ.

Во всех условиях водоснабжения и водоотведения прибыль высокая.

Разработаны варианты водоочистных станций РОЗ высотой от 2,5 до 5 м, на любую производительность (на фотографиях справа показаны станции производительностью 500 м^3/сут и высотой 5 м каждая при вывозе с завода), все из металла (RU 2033841 → RU 2568720 → RU 2802035 → ноу-хау), транспортируются в готовом виде любым транспортом, в любую точку России и за рубежом с соответствующей монографией (на русском языке и в электронном виде для перевода) и инструкцией по эксплуатации в режимах осветления, обезжелезивания, умягчения, опреснения, обессоливания воды, удаления тяжёлых металлов, марганца, сероводорода, органических веществ из неё, бесхлорного обеззараживания воды на базе технологии RU 2570021, в целом устранения губительной коррозии и зарастания энергопожирающими отложениями солей стальных и чугунных труб распределительных сетей. Варианты исполнения водоочистных станций - напорные и безнапорные (RU 2405614).

Возможна передача изготовительной и др. документации (рабочих чертежей, описания работы, ноу-хау, а также руководства по монтажу и эксплуатации) по водоочистным станциям нового типа любому заводу, отрасли, юридическому или физическому лицу в России или за рубежом, в т.ч. по лицензионным договорам к изобретениям.

Предварительные переговоры на изготовление водоочистных установок под любые перечисленные выше технологии водоочистки, в т.ч. комплексную, перевод скорых фильтров и контактных осветлителей в режимы работы станций РОЗ, а также по оценке возможностей отказа от коагулянтов и флокулянтов в водоочистке, предлагается вести по эл. почте с научным руководителем проекта "Водоочистные станции РОЗ" Ищенко Ю. А..

С нашей официальной рекламой водоочистных станций РОЗ от НПК "ОНИКС" (ген. директор Александр Алексеевич Трошин, тел. +7-844-271-12-74) можно ознакомиться в газетах "Известия" и "Советская Россия", в специализированных журналах "Водоснабжение и санитарная техника", "Мелиорация и водное хозяйство", "Бюллетень Высшей аттестационной комиссии" и других изданиях. По состоянию на 2023 год это уже богатый комплекс базовых авторских свидетельств СССР на устройства и патентов РФ на технологию, совершенные станции водоочистки и их гидравлические элементы, обоснованные в монографиях, учебных пособиях и статьях с результатами научных исследований. Имеются актуальные заключения плеяды учёных и акты внедрения. Фундаментальность научно-технического достижения "Дельта-фильтрования" подтверждается патентом RU 2622923 от 21.06.2017 "Способ структурирования зернистой загрузки водоочистного фильтра" на основе эмпирической формулы (гидравлического закона) ключевого отличительного признака технологии, а также патентом  RU 2749272 - автор изобретения и патентообладатель Ищенко Юрий Алексеевич (тел. +7-905-399-69-06).

© Ищенко Ю. А., 2023

Метод мной разработан, обоснован аналитически путём составления рядов Фурье и положен в основу образца автоматического измерителя глубины бурных потоков воды, изготовленного собственноручно, фото - ниже (на гидравлическом лотке). Он сам перемещается по направляющим в точку измерения, производит замеры, выдает результат, переходит в соседнюю или заданную любую дальнюю точку, делает то же и т. д. Эффективно применяется в научных исследованиях гидравлических процессов в лаборатории одного из институтов. В производство для тиражирования он не передавался, поэтому промышленность такой интегратор пока не выпускает.

Это - одна из начальных проб себя в самостоятельных научных исследованиях. Будучи аспирантом, я увлекался, помимо основной темы, первичными электрическими датчиками измерительного назначения в области гидравлики. В частности, замечая мимоходом, как другие аспиранты производят трудоёмкие "точные" замеры хаотически колеблющихся уровней воды турбулентных потоков в гидравлических лотках и на русловых площадках, меня заинтересовал вопрос автоматизации таких исследований с целью повышения точности измерений и исключения субъективизма в этом.

Быстро был продуман и собран примитивный, на первый взгляд, электромеханический прибор с принудительно медленно опускаемой моторчиком через редуктор металлической иглой. Последняя жёстко закреплена на вертикальной зубчатой рейке. Рейка своими зубчиками состыкована с выходной шестерней редуктора. Нижний кончик иглы открыт для контакта с водой, а к верхнему припаян провод. Этот провод далее подключён к клемме "Вход" электронного счётчика импульсов, а вторая входная клемма - к "+" батареи. Другой полюс батареи соединён с одним из контактов контактной пары типа релейной. Второй контакт этой пары соединён проводом с металлическим корпусом гидравлического лотка. Одна из шестерёнок редуктора имеет выступ (бугорок) для периодического разъединения контактов пары, причём 10 (или 100, 1000 и т. д.) разъединений приходится на 1 мм хода кончика иглы вниз. Таким образом, в моменты замкнутых контактов пары и нахождения кончика иглы в воде действует последовательная электрическая цепь: вода (электролит), игла, счётчик импульсов, батарея, корпус лотка, вода. В моменты разомкнутых контактов пары ток в цепи отсутствует. Поэтому по всей глубине движения кончика иглы в контакте с водой до дна счётчик фиксирует электрические импульсы, число которых в 10 (или 100, 1000 и т. д.) раз больше, чем глубина потока, выраженная в миллиметрах, т.е. точность замеров составляет 0,1 (или 0,01, 0,001 и т. д.) мм, если не принимать во внимание некоторые искажения этой точности, но они несущественны. Устройство в этом виде совсем не содержит принципиальных отличительных признаков относительно аналогичных известных. Но очень важно, как по-новому работать с таким прибором - в каких режимах взаимодействия иглы и потока должны производиться измерения.

Сначала предполагалось делать многократные точные измерения глубины на интересующей вертикали и вычислять среднюю величину - ввиду хаотической пульсации свободной поверхности бурного потока воды установившегося режима. При этом нужно было обеспечить непрерывность счёта импульсов с первого же касания кончика иглы вершины, подошвы или склона волны. Это достижимо автоматическим замыканием цепи на участке игла-вода в момент первого касания - с помощью вспомогательного реле.

Однако в первых же испытаниях прибора без вспомогательного реле, неожиданно для меня, обнаружилось, что общее число импульсов в их пакетах (сериях) на участке хода иглы от начального касания пульсирующей водной поверхности до дна потока, как будто бы соответствует средней глубине потока, "взятой на глазок" по опущенной в него линейке. Это навело на мысль о наличии определённой закономерности в измерении глубины бурного потока воды путём подсчёта числа импульсов на участках нахождения опускающегося кончика иглы в воде (в пределах амплитуды пульсации он находится то в воде, то в воздухе) и объединения их, т.е. интеграции (это определило название метода с термином "интегральный" - по аналогии с "интегральная схема").

Выявить эту закономерность помог теоретический подход к задаче с помощью составления рядов Фурье (можно, конечно, и по-другому). Задача решалась следующим образом.

Представим себе невероятное, но простое, что свободная поверхность потока, колеблясь с амплитудой А, периодически поднимается и опускается с постоянной скоростью Vп. При опускании в этот поток иглы с постоянной скоростью Vи последняя будет в соответствии с колебаниями свободной поверхности периодически находиться в контакте с потоком, причём с нарастанием времени контакта будут постепенно увеличиваться и отрезки пути иглы, пройденные ею в воде. Как показали мои расчёты, при Vп/Vи>3 сумма отрезков пути, пройденных иглой в контакте с потоком до самой низко расположенной подошвы волны, с возрастанием Vп/Vи асимптотически приближается к значению

dh=A/2=А[1-2Vи/(Vп+Vи)(m+1)+2Vи^2/(Vп^2+Vи^2 )(m+m^2)].

Следовательно, общую глубину потока можно выразить формулой

H=H1+dh=H1+А[1-2Vи/(Vп+Vи)(m+1)+2Vи^2/(Vп^2+Vи^2 )(m+m^2)],

где H1 - глубина потока ниже зоны колебания свободной поверхности;

m=(Vп-Vи)/(2Vи) с округлением до ближайшего целого меньшего числа.

Подставляя в полученную формулу dh различные значения Vп и Vи, и построив график dh=f(Vп,Vи), убеждаемся в том, что он имеет вид затухающего колебательного процесса с асимптотически приближающейся кривой к ординате dh=0,5А. Более глубоко это удобно проанализировать в среде MathCAD, записав приведённое выше уравнение в следующем виде

h(w,v) :=1-2(v/(w+v))(ceil((w-v)/(2v))+1)+

2(v^2/((0.001+w^2)+v^2))[ceil((w-v)/(2v))+(ceil((w-v)/(2v)))^2],

где v=Vи, w=Vп, h=A/2, ceil(f(w,v)) - наименьшее целое, не превышающее f(w,v).

Задаваясь диапазонами изменения v и w, например

v :=10, w :=0,.1..300; v :=10..15, w :=0,.1..300; v :=10..20,

w :=0,.2..300; v :=10..30, w :=0,.299..600, снимаем

с компьютера графики описанного вида (фото вверху, справа).

Таким образом, новизна и сущность метода заключаются в определении суммы отрезков пути, пройденных опускающейся иглой с произвольной скоростью Vи<Vп/3 (заведомо меньшей Vп/3 непритязательно заданной) в контакте с потоком до дна или до какой-либо фиксированной отметки в зоне сплошного потока. При этом не нужен традиционный начальный жёсткий базис отсчёта - "ноль". Важно только, чтобы игла в исходном положении находилась заведомо выше волн потока, а скорость движения иглы и частота импульсов могут быть непостоянными во времени, но должны быть обязательно синхронизированы редуктором. Скорость же подъёма и опускания свободной поверхности при выявленном условии практически никакого значения не имеет. Каждый результат измерения представляет собой средневзвешенную глубину, что очень важно, по продолжительности "стояния" всех наблюдавшихся глубин в периоде данного измерения.

Несмотря на электромеханический принцип реализации метода, он не имеет недостатков, присущих другим известным методам. Мениск, окисление кончика иглы, колебания температуры воды и деталей датчика, их механический износ, колебания частоты и напряжения тока в питающей сети, непостоянство скорости вращения и поступательного перемещения элементов прибора, изменения электрической проводимости и диэлектрической проницаемости воды, её оптических, радиационных и акустических свойств, рН, вкуса и т.д. - всё это здесь практически не оказывает отрицательного воздействия на точность измерения. Не требуется введения поправок в результаты измерения, а поверочные испытания нужны только на соответствие числа импульсов пройденному иглой расстоянию (это делается в сосуде с зеркальной поверхностью воды, т.е. при отсутствии её возмущений). Метод прост, точен, учитывает уклон и кривизну дна - даже песчинки и микрорельеф дна, надёжен, а прибор на его основе - интегратор глубины бурного потока воды - легко автоматизируем на базе радиоэлектронных компонентов без каких-либо механических контактов.

Длительное использование интегратора глубины, изготовленного мной на основе этого метода, в исследованиях гидравлического прыжка на лабораторном лотке в одном из институтов подтвердило высокую стабильность результатов замеров глубин прыжка (одинаковые до десятых долей мм на одной и той же вертикали при стационарном расходе воды в потоке) до проявления у оппонентов удивлений: "Почему он показывает в данной точке всё время одно и тоже число импульсов, ведь свободная поверхность пульсирует?" Что я как автор должен им ответить? Могу только порекомендовать приобрести такой точный и неприхотливый прибор.

© Ищенко Ю. А. 

+7-905-399-69-06 - Юрий Алексеевич Ищенко - nouhaucdf@mail.ru. Из послужного списка: в периоде с 1977 по 1999 год (г. Волгоград) - профессор, заведующий кафедрой сельскохозяйственного водоснабжения, декан гидромелиоративного ф-та ВСХИ (благодарность ректора за становление и развитие ГМФ, в т.ч. внимание лабораториям), содействовал научным взлётам коллег; ранее, с 1962 года - в НИМИ (г. Новочеркасск): научный рук-ль и исп-ль крупных исследований и внедрений на водохозяйственных объектах СССР, наиболее значимые из них поисковые методом ЭГДА с н.-т. отчётами для проектных институтов - защита р. Ахтубы от загрязнения промстоками Волжского химкомбината, водоснабжение Алтайского тракторного завода, г. Гудермеса Чечни и г. Краснодара, дренажные защиты плотины Краснодарского в-ща и прилегающих территорий (на их основе - уч. степень к.т.н. и в 1975 году присвоено уч. звание доцента, в 1977 году приглашён из НИМИ на ГМФ ВСХИ как известный учёный); в 1983 году представлял ВСХИ экспонатом изобретения на Лейпцигской ярмарке; с 1992 года инициировал (через ООО НПК «Оникс» рекламами в СМИ и внедрениями авторских водоочистных установок ДФ) масштабное, по запросам, совершенствование водопроводов СНГ; квалификация - инженер-гидротехник по специальности гидромелиорации, является автором 9 научных открытий - одно из которых в соавторстве, единственный автор ряда изобретений (к Серебру ВСШ добавился нагрудный знак «Изобретатель СССР», награждён торжественно вручённым значком «Отличник изобретательства и рационализации ВОИР»), учебных пособий и монографии; научная специализация - технологии очистки воды и промстока, природоохрана, гидроэнергетика, математическое моделирование на аналоговых и цифровых моделях установившейся и нестационарной фильтрации жидкостей, научно обоснованное гидравлическое структурирование песчаных загрузок водоочистных фильтров - усреднение/инвертирование раскладки зёрен по высоте неоднородной загрузки, безреагентная/реагентная очистка воды высокоскоростным дельта-фильтрованием (ДФ), метрология, научно-экспериментальные методы, экспертиза инноваций в водоснабжении, экологии и гидродинамике; в условиях лихих лет становления РФ, в т.ч. ВСХИ, защитил ДФ от известной попытки соавторства объединением поданных к публикации статей; официально удостоверено развитие н.-т. достижений в области ДФ кропотливой бригадой династических специалистов, сущность которой «Научная династия ДФ»; + АВТОРИТЕТНЫЕ ОЦЕНКИ НАУЧНО-ПРАКТИЧЕСКИХ ДОСТИЖЕНИЙ ТВОРЧЕСКОГО ПОДХОДА.