Способ опреснения минерализованных вод и установка для его осуществления

 

Изобретение относится к технологиям и техническим средствам для опреснения минерализованных вод вымораживанием с использованием естественных климатических факторов и предназначенных для орошаемого земледелия, промышленного и сельскохозяйственного водоснабжения. Опресняемую воду слоями 5-15 мм намораживают в виде ледяной площадки толщиной 200-250 мм. Подают минерализованную воду слоем 2500-6000 мм. Намораживают лед и размораживают его через систему вертикальных полостей с запорными устройствами в их нижней части. В массиве бунта искусственно создают локальные зоны незамерзающей высокоминерализованной воды для образования дренажных полостей для отвода рассола из ледяного массива. Для этого используют опреснительную льдоплощадку с двойным уклоном в поперечном и продольном направлениях, железобетонную решетку над площадкой высотой 200-600 мм, железобетонный бортик по периметру площадки высотой 2500-6000 мм, лоток, приемный колодец, вентиляционные камеры, пруд-накопитель минерализованных вод с подводящим каналом и донным водовыпуском, пруд-аккумулятор опресненных вод, пруд-испаритель и трубопровод с задвижкой, дополнительный трубопровод с колодцами и задвижками, контрольно-измерительный комплекс для слежения уровня минерализации воды на выходе из приемного колодца, оградительные валы. Технический результат: увеличение производительности установки. 2 с.п.ф-лы, 3 ил.

Изобретение относится к сельскому хозяйству, в частности к технологиям и техническим средствам для опреснения минерализованных вод вымораживанием с использованием естественных климатических факторов и предназначенных для орошаемого земледелия, промышленного и сельскохозяйственного водоснабжения.

Известен способ опреснения минерализованных вод путем их естественного замораживания в плоских бассейнах (картах), которые заполняют минерализованной водой высотой слоя до 20 см, образовавшийся при замерзании воды в бассейнах лед толщиной 1-2 см скалывают, собирают и транспортируют в помещение с положительной температурой, далее его опресняют при таянии (см., например, статью Пучко В.И. Новый способ опреснения воды методом вымораживания / Гидротехника и мелиорация. - 1949. - 3).

К недостаткам этого способа относятся высокая трудоемкость, технические сложности, цикличность процесса эксплуатации, необходимость постройки дорогостоящих сооружений и низкий выход пресной воды. Это доказывается и тем, что после каждой сколки льда из бассейна выпускают минерализованную воду слоем 5 см и добавляют в него исходную минерализованную воду, подлежащую опреснению.

Известен также способ опреснения морской и соленой воды, включающий непрерывное разбрызгивание намораживаемой воды, формирование гранул льда с содержанием внутри них намораживаемой воды, образованием ледяного блока и получение пресной воды размораживанием льда (SU, авторское свидетельство 1130531, А, М. кл³. С 02 F 1/22, F 25 С 1/02. Способ опреснения морской и соленой воды / А.В. Сосновский, В.Г. Ходаков. Заявлено 08.04.1982; опубл. 23.12.1984, бюл. 47).

Известна установка для осуществления вышеуказанного способа, включающая опреснительные льдоплощадки, насосную станцию с подводящим напорным трубопроводом, дождеватель для разбрызгивания, насыпной дренирующий слой, дренажный трубопровод с задвижкой, пруд-испаритель остаточных от опреснения рассолов, пруд-накопитель минерализованных вод с донным водовыпуском и приямком в зоне водозабора, пруд-аккумулятор опресненных вод (SU, авторское свидетельство 1786005, А1, М. кл.⁵ С 02 F 1/22. Установка для опреснения минерализованных вод / А.Г. Алимов, Н.Е. Варламов, А.Д. Брызгалин, В.Е. Мариненко, И. И. Конторович, Р.А. Бальбеков. Заявлено 09.11.1989; опубл. 07.01.1993, бюл. 1).

К недостаткам описанного способа и данной установки для его осуществления относятся значительные затраты материальных и энергетических ресурсов. Это связано с тем, что для непрерывного разбрызгивания намораживаемой минерализованной воды требуется дорогостоящая установка, сложная в эксплуатации. Для реализации способа необходимо строго обеспечивать определенный диаметр капель разбрызгиваемой воды, величина которых зависит от многих факторов, в т.ч. высоты и интенсивности выпадения капель, разности между температурой воздуха и температурой замерзания минерализованной воды, скорости ветра и др. условий. Особым сдерживающим условием применения этого способа зимнего дождевания является то, что температура воздуха зимой не должна превышать в среднем за сутки минус ^oС.

Наиболее близким аналогом к заявленному объекту относится способ опреснения минерализованных вод методом естественного намораживания в зимний период бунтов льда толщиной 275-420 см, намораживание бунтов льда производят последовательно небольшими слоями 1-2 см, при таянии из массива льда сначала вытекает насыщенный солевой раствор (рассол), а затем опресненная вода (см. М. Ф. Митин, Я.М. Пашенков. Опреснение воды для сельскохозяйственного водоснабжения / Вестник сельскохозяйственной науки. - 1964. - 12. - С.94-100).

Известна также установка для осуществления данного способа, включающая железобетонную площадку с двойным уклоном в поперечном и продольном направлениях, над которой на высоте 15...35 см установлена горизонтальная железобетонная решетка, а вокруг площадки выполнен железобетонный бортик высотой 120 см, для усиления тока воздуха под решеткой вдоль большой оси площадки установлена вентиляция, которую можно регулировать, открывая специальные вентиляционные камеры, что позволяет частично изменять температуру опресняемого льда. Намораживание льда производят только сверху железобетонной решетки. Для сбора стока воды с площадки при таянии льда предусмотрен приемный колодец (М.Ф. Митин, Я.М. Пашенков. Опреснение воды для сельскохозяйственного водоснабжения / Вестник сельскохозяйственной науки. -1964. - 12. - С.94-100).

Основными недостатками данного способа и установки для его осуществления являются неравномерное распределение температуры в толще ледяного бунта при его оттаивании. Наиболее высокая температура устанавливается на поверхности бунта, наиболее низкая в середине. Ядро бунта долгое время сохраняет сравнительно низкую температуру, препятствуя, таким образом, миграции рассола. Это снижает выход пресной воды.

Сущность заявленного изобретения заключается в следующем.

Задача, на решение которой направлено заявленное изобретение, - повышение выхода опресненной воды из намораживаемого и размораживаемого ледяного массива.

Технический результат - увеличение производительности установки путем намораживания льда и повышения равномерности распределения температур внутри ледяного блока в процессе его намораживания и размораживания при опреснении минерализованных вод.

Указанный технический результат в части способа достигается тем, что в известном способе опреснения минерализованных вод, включающем послойное естественное намораживание бунтов льда в зимний период и выделение из него рассола с наступлением теплого периода года, согласно изобретению опресняемую минерализованную воду тонкими слоями 5-15 мм намораживают в виде ледяной площадки толщиной 200-250 мм, на которую подают минерализованную воду слоем 2500-6000 мм и по всей водной толще осуществляют намораживание льда и последующее его размораживание путем интенсивного объемного проникновения воздуха соответственно с отрицательной и положительной температурами через систему вертикальных полостей и под ледяной площадкой, причем при формировании ледяного бунта и регулировании его температуры, искусственно создают на всю толщину ледяного бунта локальные зоны из незамерзающей высокоминерализованной воды для образования дренажных полостей для отвода рассола из ледяного массива.

Технический результат в части установки для опреснения минерализованных вод достигается тем, что в известной установке, содержащей железобетонную опреснительную льдоплощадку с двойным уклоном в поперечном и продольном направлениях, железобетонную решетку над площадкой, железобетонный бортик по периметру площадки, приемный колодец и вентиляционные камеры под решеткой, согласно изобретению она имеет пруд-накопитель минерализованных вод с подводящим каналом и донным водовыпуском, пруд-аккумулятор опресненных вод, пруд-испаритель и снабжена системой вертикальных полостей с запорными устройствами в нижней их части для проникновения воздуха с отрицательной и положительной температурами, дополнительным трубопроводом с колодцами и задвижками для отвода рассола в пруд-испаритель и опресненной воды в пруд-аккумулятор, контрольно-измерительным комплексом для слежения уровня минерализации воды на выходе из приемного колодца, оградительными валами, причем высота железобетонного бортика по периметру льдоплощадки равна высоте намораживаемого ледяного бунта в пределах 2500-6000 мм, при этом железобетонная решетка на льдоплощадке расположена на высоте 200-600 мм.

Изобретение поясняется чертежами.

На фиг.1 изображена технологическая схема установки опреснения минерализованных вод методом естественного вымораживания, вид в плане; на фиг.2 - разрез А-А на фиг.1; на фиг.3 - сечение Б-Б на фиг.1.

Сведения, подтверждающие возможность реализации заявленного изобретения, заключаются в следующем.

Способ опреснения минерализованных вод естественным вымораживанием реализуют следующим образом. В предлагаемом способе, при герметично закрытых снизу вертикальных полостях, предусматривают заполнение пространства под железобетонной решеткой минерализованной водой и тонкими слоями 5-15 мм сверху решетки намораживают лед толщиной 200-250 мм. После этого минерализованную воду сбрасывают из-под решетки в пруд-испаритель и в нижней части вертикальных полостей открывают запорные устройства (на чертежах не показаны). Затем на ледяную площадку подают минерализованную воду слоем 2500-6000 мм и по всей водной толще осуществляют намораживание льда путем проникновения холодного с отрицательной температурой воздуха через вертикальные полости, вентиляционные камеры и под железобетонной решеткой. При замерзании минерализованная вода разделяется на пресный лед и насыщенный соляный раствор (рапу). Процесс опреснения протекает при температуре выше минус 5^oС, тогда как пресные кристаллы льда при этой температуре остаются в твердом состоянии, так как тают лишь при 0^oС. Поскольку удельный вес рассола больше, чем льда (600-700 т/м³), то при таянии сначала стекает насыщенный солевой раствор, а затем опресненная вода. Путем объемного проветривания воздушными потоками ледяного бунта через систему вертикальных воздухопроводящих полостей, вентиляционных камер и пространства под железобетонной решеткой достигают равномерного распределения температур в толще ледяного бунта. Это ускоряет процесс миграции рассола из льда при его оттаивании, что и повышает выход пресной воды.

Установка для опреснения минерализованных вод (см.фиг.1-3) содержит пруд-накопитель 1, куда по каналу 2 (или трубопроводу) поступают минерализованные воды, водовыпуск 3 с колодцем 4 и задвижкой 5 в концевой его части, сооружение для намораживания и опреснения льда 6, пруд-аккумулятор 7 опресненных вод, пруд-испаритель 8 остаточных от опреснения рассолов, трубопровод 9 с колодцами 10 с регулирующими задвижками 11 и контрольно-измерительным комплексом 12 для слежения за минерализацией воды на выходе из сооружения 6, оградительные валы 13.

Комплекс сооружений технологической линии опреснения минерализованных вод методом вымораживания наиболее выгодно располагать в условиях развитой овражно-балочной сети с соблюдением следующих требований.

Пруд-накопитель 1 минерализованных, например, дренажных вод располагают в верхней части балки путем устройства земляной плотины с донным водовыпуском 3.

Сооружение для намораживания и опреснения льда 6 располагают ниже пруда-накопителя 1, размеры и объем которого должны быть достаточными для принятия годового объема стока минерализованных дренажных вод, заакумулированных в пруду-накопителе 1. В конструктивном отношении сооружение для намораживания и опреснения льда 6 представлено в виде железобетонного резервуара 14, включающего железобетонную площадку 15 с двойным уклоном в поперечном и продольном направлениях, лоток 16 и приемный колодец 17 для сбора рассола и опресненной воды. Над железобетонной площадкой 15 на опорах 18, на высоте 200...600 мм, смонтирована железобетонная решетка 19, на которой в шахматном или в ином порядке установлены железобетонные или металлические вертикальные воздухопроводящие полости 20 с герметичными запорными устройствами (на схеме не показаны) в их нижней части, предназначенные совместно с вентиляционными камерами 21, расположенными вдоль продольной оси площадки 15, для проветривания ледяного массива в процессе его формирования и последующего опреснения. Расстояние l (фиг.1) между вертикальными воздухопроводящими полостями 20 и размеры их поперечного квадратного сечения а (фиг.2) принимают исходя из следующих соотношений: l≤а; где m₀ - минерализация опресняемой воды, кг/м³; ∑ t - сумма среднесуточных отрицательных температур воздуха за зимний период намораживания бунта льда, ^oС; k - коэффициент пропорциональности, м⁴ /(кг•^oС).

Пруд-аккумулятор 7 опресненных вод располагают в средней части балки, ложбины или в других складках местности путем устройства земляной плотины. Пруд-аккумулятор 7 имеет достаточный объем для принятия всего объема опресненных вод, паводкового и ливневого стока с прилегающего водосбора.

Пруд-испаритель 8 предназначен для приема и естественного выпаривания в теплый период года остаточного рассола до рапы или плотного остатка. Этот остаток в последующем изымают и утилизируют. Пруд-испаритель 8 представляет собой тщательно спланированную территорию, обвалованную или перекрытую земляной плотиной в нижней части балки (или местности с направленным уклоном) и максимально вписанную в рельеф. Площадь пруда-испарителя 8 определяют исходя из объема остаточного рассола и слоя естественного годового испарения воды в данной местности.

Для транспортирования остаточного от опреснения рассола в пруд-испаритель 8 и опресненной воды в пруд-аккумулятор 7 предусмотрен трубопровод 9 с колодцами 10 и регулирующими задвижками 11, расположенными ниже глубины промерзания грунта в данной местности, а также контрольно-измерительным комплексом 12 для слежения за минерализацией воды на выходе из приемного колодца 17, связанный с исполнительными механизмами регулирующих задвижек 11 (линии связи и сами исполнительные механизмы на чертеже не показаны).

Оградительные валы 13 устроены для исключения возможности попадания паводковых и ливневых вод в зону сооружения для намораживания и опреснения льда 6 и в пруд-испаритель 8 и предотвращения разбавления испаряемого остаточного рассола и переполнения пруда-испарителя 8.

Установка работает следующим образом.

В течение всего периода работы дренажа (200-250 суток в году) минерализованный дренажный сток аккумулируют в пруду-накопителе 1.

При наступлении отрицательных температур минерализованный сток из пруда-накопителя 1 с помощью водовыпуска 3 подают в сооружение для намораживания и опреснения льда 6, герметично закрывают запорные устройства (не показаны) в нижней части вертикальных воздухопроводящих полостей 20, заполняют пространство под железобетонной решеткой 19 минерализованной водой и тонкими слоями 5-15 мм сверху решетки 19 намораживают лед толщиной 200-250 мм, после чего из-под решетки 19 через приемный колодец 17 и трубопровод 9 сбрасывают минерализованную воду в пруд-испаритель 8 и открывают запорные устройства (на схеме не показаны) в нижней части вертикальных воздухопроводящих полостей 20. На ледяную площадку (200-250 мм), прочно сформированную на железобетонной решетке 19, пруда-накопителя 1 через водовыпуск 3 подают минерализованную воду слоем 2500-6000 мм и по всей водной толще осуществляют намораживание льда. Интенсивное объемное проникновение холодного (морозного) воздуха в массив намораживаемой минерализованной воды, предварительно зааккумулированной в сооружении 6 для намораживания и опреснения воды, осуществляют через активную комплексную систему вентиляции, а именно через вертикальные воздухопроводящие полости 20, вентиляционные камеры 21 и под железобетонной решеткой 19, на которой намораживается ледяной бунт. При формировании ледяного массива в сооружении 6 и регулировании его температуры с помощью комплексной системы активной вентиляции, между каждой группой из четырех последовательно расположенных соседних вертикальных вздухопроводящих полостей 20 искусственно создают на всю толщу ледяного бунта зоны (в виде цилиндров диаметром 20-100 мм) незамерзшей высокоминерализованной воды, после сброса, которой в пруд-испаритель 8 в ледяном бунте образуются дренажные полости, значительно ускоряющие процесс отвода внутреннего рассола из массива льда при отрицательных температурах. По завершению формирования ледяного бунта при таянии из массы льда сначала вытекает рассол, плотность которого больше плотности исходной минерализованной воды, а затем опресненная вода. В процессе опреснения льда осуществляют проветривание ледяного бунта через систему вертикальных воздухопроводящих полостей 20, вентиляционных камер 21 и под железобетонной решеткой 19, расположенной под массивом намороженного льда, и этим достигают равномерное распределение температур в толще ледяного бунта, что ускоряет процесс отвода остаточного рассола из льда при его оттаивании. Все это в целом повышает выход опресненной воды. Для сохранения на более длительное время температуры ледяного массива на уровне 0... минус 5^oC, обеспечивающей оптимальные условия для стока внутреннего рассола, массив льда закрывают слоем "сухого" снега (5-30 см), который наносят естественным путем (при выпадении снега после окончания формирования ледяного массива) или методом искусственного напыления. При необходимости осуществляют укрытие льда в весенний период теплоизоляционным материалом. Вытекающий из массива льда рассол собирают и отводят по лотку 16 через приемный колодец 17 и трубопровод 9 в пруд-испаритель 8. Остаточный рассол, зааккумулированный в пруду-испарителе 8, испаряется до насыщенного рассола (рапы) или плотного остатка, которые используют для специальных целей. При отсутствии регулярного потребителя соль или рапу накапливают в течение 45-50 лет (срок службы комплекса) с последующим захоронением или переработкой по специальной технологии. Объем W пруда-испарителя 8 в этом случае должен соответствовать условию W>W₀, где W₀ - суммарный остаточный объем рапы или солей от испарения рассолов, накапливающийся за 45-50 лет работы опреснительного комплекса. Опресненную талую воду допустимой минерализации отводят аналогичным образом в пруд-аккумулятор 7 опресненных вод. Изменение направления водоотведения осуществляют в ручном или автоматическом режиме с использованием регулирующих задвижек 11, расположенных на трубопроводе 9 с учетом данных контрольно-измерительного комплекса 12 по слежению за уровнем минерализации воды на выходе из приемного колодца 17 сооружения 6 для намораживания и опреснения льда.

После опорожнения пруда-накопителя 1 от дренажных минерализованных вод, в результате их зимнего намораживания, в пруд-накопитель 1 аккумулируют паводковый весенний сток, который затем сбрасывают через водовыпуск 3 в пруд-аккумулятор 7 опресненных вод для разбавления их до допустимой минерализации.

До сброса паводкового стока в пруд-аккумулятор 7 минерализованные воды в пруд-накопитель 1 не поступают (временно аккумулируют в дополнительном бассейне (не показан).

При недостаточном объеме паводкового стока разбавление опресненных вод до допустимой минерализации осуществляют путем дополнительной подачи необходимого количества оросительной воды по специальному каналу (не показан) в пруд-аккумулятор 7.

Опресненный дренажный сток и паводковый весенний сток, заакумулированные в пруду-аккумуляторе 7, используют в летне-осенний период для орошения сельскохозяйственных культур, садов, лесных насаждений, сельскохозяйственного водоснабжения и др. Забор воды для этих целей осуществляют из пруда-аккумулятора 7 с помощью компактных насосных станций (НС), работающих от ветроэнергетических установок - ВЭУ (НС и ВЭУ - не показаны).

Таким образом, интенсивное объемное проникновение воздуха с отрицательной температурой в массив намораживаемых минерализованных вод и последующее проветривание сформированного ледяного бунта через систему вертикальных воздухопроводящих полостей, вентиляционных камер и под железобетонной решеткой обеспечивают увеличение производительности намораживания льда, повышение равномерности распределения температур внутри ледяного блока в процессе его намораживания и размораживания и, как следствие, повышение выхода опресненной воды из ледяного блока.

Формула изобретения

1. Способ опреснения минерализованных вод, включающий послойное естественное намораживание бунтов льда в зимний период и выделение из него рассола с наступлением теплого периода года, отличающийся тем, что опресняемую минерализованную воду тонкими слоями 5-15 мм намораживают в виде ледяной площадки толщиной 200-250 мм, на которую подают минерализованную воду слоем 2500-6000 мм и по всей водной толще осуществляют намораживание льда и последующее его размораживание путем интенсивного объемного проникновения воздуха, соответственно, с отрицательной и положительной температурами через систему вертикальных полостей и под ледяной площадкой, причем при формировании ледяного бунта и регулировании его температуры, искусственно создают на всю толщину ледяного бунта локальные зоны из незамерзающей высокоминерализованной воды для образования дренажных полостей для отвода рассола из ледяного массива.

2. Установка для опреснения минерализованных вод, включающая железобетонную опреснительную льдоплощадку с двойным уклоном в поперечном и продольном направлениях, железобетонную решетку над площадкой, железобетонный бортик по периметру площадки, приемный колодец и вентиляционные камеры под решеткой, отличающаяся тем, что она имеет пруд-накопитель минерализованных вод с подводящим каналом и донным водовыпуском, пруд-аккумулятор опресненных вод, пруд-испаритель и снабжена системой вертикальных полостей с запорными устройствами в нижней их части для проникновения воздуха с отрицательной и положительной температурами, дополнительным трубопроводом с колодцами и задвижками для отвода рассола в пруд-испаритель и опресненной воды в пруд-аккумулятор, контрольно-измерительным комплексом для слежения уровня минерализации воды на выходе из приемного колодца, оградительными валами, причем высота железобетонного бортика вокруг льдоплощадки равна высоте намораживаемого ледяного бунта в пределах 2500-6000 мм, при этом железобетонная решетка на льдоплощадке расположена на высоте 200-600 мм.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3