Геохимический барьер

Полезная модель относится к области очистки природных вод в водотоках в районах интенсивной добычи нефти и металлосодержащих руд. Задачей полезной модели является создание устройства - геохимического барьера с достижением следующего технического результата - повышение эффекта очистки воды в условиях природного водотока, возможность промывки фильтрующего материала. Геохимический барьер для очистки воды от ионов тяжелых металлов включает емкость, загруженную минеральным зернистым фильтрующим материалом из карбонатных пород, систему промывки фильтрующего материала, состоящую из водозаборного сооружения, промывного насоса, промывного устройства, дренажной системы, шламового насоса и шламовых площадок, причем промывное устройство выполнено в виде вертикально размещенных перфорированных труб, образующих ряды, расположенные перпендикулярно потоку воды, соединенные коллектором, между которыми и за их пределами вертикально расположены стержневые электроды из электроположительного и электроотрицательного материала, создающие электрохимические источники тока, образующие ряды, параллельные промывным трубам, причем устройство дополнительно содержит приямок, расположенный ниже геохимического барьера по течению водотока, оборудованный системой удаления осадка. В качестве фильтрующего материала использован силицированный кальцит фракции 5-20 мм.

Полезная модель относится к области очистки природных вод в водотоках в районах интенсивной добычи нефти и металлосодержащих руд.

Известно применение геохимических барьеров для очистки природных водоемов и сточных вод от загрязняющих веществ.

Известно использование в качестве геохимического барьера кальцита фракции 0,1 мм в статических условиях. (Баюрова Ю.Л., Нестеров Д.П., Корнева Е.А. и др. Искусственные геохимические барьеры для решения экологических и технологических задач /Вестник МГТУ, т. 16, 3, 2013. С. 536-541, с. 538).

Недостатком такого технического решения является сложность применения статического метода для очистки природных вод в водотоках.

Известен горизонтальный геохимический барьер прямоугольной формы, оборудованный приямками для осадка (Исаева О.Ю. Исследование перспективных методов очистки сточных вод от тяжелых металлов с целью создания эколого-геохимических барьерных зон./Автореферат дисс канд. техн. наук., Уфа, 2006, с. 19).

Геохимический барьер выполнен в виде бетонного резервуара, заполненного контейнерами с дробленым карбонатом. Эффект очистки воды от ионов тяжелых металлов - 99,4%. Геохимический барьер имеет размеры: 615 м × 8,4 м × 2 м (длина, ширина, высота), производительность 342 м³/ч.

Недостатком предложенного геохимического барьера являются большие его габариты, длительность пребывания очищаемой воды в сооружении, большие материальные затраты на загрузку барьера многочисленными контейнерами, сложность удаления осадка из приямков

Наиболее близким к заявляемому объекту является геохимический барьер, заполненный дробленым карбонатом кальция CaCO₃.

Геохимический барьер имеет систему промывки фильтрующего материала, включающую водозаборное устройство, промывной насос, отстойную камеру с приямком, шламовую площадку. (Патент РФ на ПМ 88012).

Недостатком является невысокий эффект очистки, промывка фильтрующего материала может осуществляться только при прекращении подачи воды, что в водотоках трудно реализовать.

Задачей полезной модели является создание устройства - геохимического барьера с достижением следующего технического результата - повышение эффекта очистки воды от ионов тяжелых металлов.

Поставленная задача решается тем, что геохимический барьер для очистки воды от ионов тяжелых металлов включает емкость, загруженную минеральным зернистым фильтрующим материалом из карбонатных пород, систему промывки фильтрующего материала, состоящую из водозаборного сооружения, промывного насоса, промывного устройства, дренажной системы, шламового насоса и шламовых площадок, согласно полезной модели в качестве фильтрующего материала использован силицированный кальцит фракции 5-20 мм, промывное устройство выполнено в виде вертикально размещенных перфорированных труб, образующих ряды, расположенные перпендикулярно потоку воды, соединенные коллектором, между которыми и за их пределами вертикально расположены стержневые электроды из электроположительного и электроотрицательного материала, создающие электрохимические источники тока, образующие ряды, параллельные промывным трубам. Электроположительный электрод выполнен из медного стержня диаметром 3-5 мм, электроотрицательный электрод - из алюминиевого стержня диаметром 3-5 мм, а расстояние между ними равно 0,2 м. Расстояние между рядами электрохимических источников тока равно 1 м.

На фиг. 1 представлен геохимический барьер, встроенный в русло водотока, на фиг. 2 - план размещения электродов и промывных труб. Геохимический барьер представляет собой котлован 1, заглубленный относительно дна русла водотока, заполненный фильтрующим минеральным зернистым материалом 2. В теле геохимического барьера размещены вертикально промывные перфорированные трубы 3, образующие ряды, расположенные перпендикулярно потоку воды, соединенные коллектором 4. Между промывными трубами 3 и за их пределами вертикально расположены стержневые электроды 5 из электроположительного материала и электроды 6 из электроотрицательного материала, образующие ряды, параллельные промывным трубам 3.

У дна котлована 1 горизонтально расположены щелевые дренажные трубы 7, соединенные со шламовым насосом 8. В русле водотока перед геохимическим барьером расположено водозаборное сооружение 9, связанное с промывным насосом 10, соединенным с патрубком 11 подачи промывной воды.

В русле водотока за геохимическим барьером выполнен приямок 12, в котором размещены щелевые дренажные трубы 13, соединенные со шламовым насосом 14. Выход шламовых насосов 8 и 14 соединен со шламовой площадкой 15, оборудованной дренажной системой, соединенной с дренажным насосом 16, имеющим выпуск воды в котлован 1.

Сооружение работает следующим образом.

В районах интенсивной нефтедобычи происходит загрязнение водных объектов ионами металлов. Это объясняется тем, что эксплуатация нефтяных месторождений ведется с поддержанием пластового давления заводнением пластов. В процессе нагнетания воды в пласты под высоким давлением происходит утечка высокоминерализованной воды за счет негерметичности затрубного пространства и ее смешение с пресной водой подземных и поверхностных водных объектов. Водные объекты в свою очередь являются источниками питьевого водоснабжения. Как показали результаты мониторинга водных объектов в Республике Башкортостан, основную тревогу вызывают тяжелые металлы такие, как железо, марганец, медь, хром, никель, кобальт. Аналогичная картина возникла в районах добычи и обогащения полезных ископаемых.

Для извлечения металлов, находящихся в ионной форме, предложено проводить их извлечение с помощью геохимического барьера. Вода из водотока поступает в заглубленный котлован 1, заполненный фильтрующим минеральным зернистым материалом 2.

В качестве фильтрующего материала 2 нами выбран силицированный кальцит (патент RU 2086510), относящийся к карбонатным породам. Для увеличения проницаемости геохимического барьера использована крупная фракция 5-20 мм. Силицированный кальцит обладает щелочными свойствами, поэтому вблизи зерен породы происходит интенсивное образование гидроксидов тяжелых металлов, обладающих низкой растворимостью, и выпадение их в осадок. Другой механизм извлечения металлов заключается в обмене ионов кальция минеральных гранул на ионы металлов, находящихся в воде, с образованием карбонатов металла.

Для увеличения эффекта очистки воды от металлов в теле геохимического барьера вертикально установлены парами стержневые электроположительные электроды 5 и электроотрицательные электроды 6, образующие электрохимические источники тока.

В качестве электроположительных использованы медные электроды, электроотрицательных - алюминиевые. Диаметр электродов 3-5 мм. Электроды одинаковой полярности образуют чередующиеся ряды, расположенные перпендикулярно направлению потока воды. Оптимальное расстояние между электродами в электрохимическом источнике тока 0,2 м, расстояние между рядами электрохимических источников тока - 1 м.

Действие электрохимических источников тока основано на поляризации зерен фильтрующего материала с образованием связанного положительного и отрицательного заряда, за счет чего ионы металлов притягиваются к противоположному заряду, что приводит к их концентрированию с образованием нерастворимых гидроксидов металла и их осаждению.

Промывка геохимического барьера производится водой, забираемой водозаборным сооружением 9 из русла водотока до геохимического барьера с помощью промывного насоса 10. Промывная вода через патрубок 11 поступает в коллектор 4 и распределяется между промывными трубами 3 с перфорацией. Осадок частично осаждается на дно котлована 1. У дна котлована 1 горизонтально расположены щелевые дренажные трубы 7, соединенные со шламовым насосом 8. С помощью щелевых труб 7 осадок откачивается и удаляется шламовым насосом 8 на шламовую площадку 15. Другая часть осадка выносится из геохимического барьера в водоток и осаждается за его пределами. Для улавливания этой части осадка предусмотрен приямок 12, в котором уложены щелевые трубы 13. Этот осадок удаляется шламовым насосом 14 на шламовую площадку 15.

Шламовая площадка 15 оборудована дренажными трубами, с помощью которых дренажным насосом 16 вода возвращается в геохимический барьер. Осадок, уплотненный в шламовой площадке 15, является обогащенным сырьем для горнообогатительных комбинатов.

Пример 1. Проводили опыты по очистке воды от ионов тяжелых металлов на линейной модели геохимического барьера длиной 5 м. Фильтрующий материал - силицированный кальцит фракции 5-20 мм. Опыты проводились на модели природной воды с содержанием одного из металлов: Cu, Zn, Mn, Fe (II). Определяли эффект очистки в зависимости от скорости фильтрования в диапазоне от 1 до 10 м/ч. Опыты проводили фильтрованием без электрохимических источников тока (прототип) и с электрохимическими источниками тока, расположенными через 1 м. Расстояние между электродами внутри источника тока - 0,2 м. Результаты приведены в таблице.

Из приведенных данных следует, что достигнут высокий эффект очистки воды от Cu, Zn, Mn и Fe фильтрованием по предложенной полезной модели. Оптимальной скоростью фильтрования следует считать 5-7 м/ч, при больших скоростях эффект очистки снижается.

При известных значениях ширины водотока b и средней глубины h сечение водотока равно S_в=bh, а расход воды равен:

Q=V_в*S_в

Где V_в - скорость течения воды в водотоке, м/ч

Расход воды в геохимическом барьере равен:

Q=V_гб*S_гб

Где V_гб - скорость течения воды в геохимическом барьере, м/ч

S_гб - сечение геохимического барьера, м²

Очевидно, что Q - величина одинаковая в водотоке и геохимическом барьере.

Отсюда следует, что

При оптимальной скорости фильтрования в геохимическом барьере V_гб=5 м/ч имеем:

Из этого условия определяется ширина «d» и глубина «с» котлована геохимического барьера.

Техническим результатом полезной модели является увеличение эффекта очистки воды от ионов металлов.

1. Геохимический барьер для очистки воды от ионов тяжелых металлов, включающий емкость, загруженную минеральным зернистым фильтрующим материалом из карбонатных пород, систему промывки фильтрующего материала, состоящую из водозаборного сооружения, промывного насоса, промывного устройства, дренажной системы, шламового насоса и шламовых площадок, отличающийся тем, что в качестве фильтрующего материала использован силицированный кальцит фракции 5-20 мм, промывное устройство выполнено в виде вертикально размещенных перфорированных труб, образующих ряды, расположенные перпендикулярно потоку воды, соединенные коллектором, между которыми и за их пределами вертикально расположены стержневые электроды из электроположительного и электроотрицательного материала, создающие электрохимические источники тока, образующие ряды, параллельные промывным трубам.

2. Геохимический барьер по п. 1, отличающийся тем, что электроположительный электрод выполнен из медного стержня диаметром 3-5 мм, электроотрицательный электрод - из алюминиевого стержня диаметром 3-5 мм, а расстояние между ними равно 0,2 м.

3. Геохимический барьер по п. 1, отличающийся тем, что расстояние между рядами электрохимических источников тока равно 1 м.