Водоснабжение из артезианских скважин для крупных предприятий

Б. А. Адамович, проф. Московского авиационного института, академик Международной академии астронавтики и Академии технологических наук РФ

А. А. Адамович, доцент МАИ

А. Б. Дербичев, акад. Академии проблем безопасности, обороны и правопорядка, председатель Координационного совета РИФ «ИНРЕСФОНД»

В. И. Дудов, проф. Академии проблем безопасности, обороны и правопорядка

 

В последнее время в связи с загрязненностью открытых водоемов и грунтовых вод большое значение приобретает питьевое водоснабжение из артезианской скважин.

Однако вода из артезианских скважин имеет свои недостатки. Особенно это характерно для производственных артезианских скважин глубокого залегания, где практически повсеместно наблюдается существенное отклонение показаний воды от стандартов по содержанию железа, кальция, магния, фтора и хлоридов.

Кроме этого, существует проблема надежной работы погружных насосов при высоких производительностях (100-300 м³/ч), свойственных крупным предприятиям. Возникает вопрос: можно ли вообще отказаться от погружных насосов и заменить их более надежными.

Нам удалось разработать такую систему артезианского водоснабжения, которая функционирует без погружных насосов и обеспечивает высокие производительности, в три раза превышающие производительность погружных насосов при одинаковых диаметрах обсадных труб (решение о выдаче патента от 29.01.2007 по заявке № 2003134306).

Предлагаемый способ заключается в следующем: берут обсадную колонну необходимого диаметра, в верхней части колонны устанавливают днище с двумя штуцерами для впуска сжатого воздуха и для вытеснения воды из скважины. В нижней части колонны устанавливают тарельчатый клапан с перфорированным фильтром.

После установки обсадной колонны на заданную глубину, наполняют ее через тарельчатый клапан водой под давлением динамического уровня артезианского горизонта, а воздух из колонны при заполнении выпускают через клапан сброса давления.

По окончании выхода воздуха через указанный клапан его перекрывают. После этого подают в колонну сжатый воздух с давлением, соответствующим сумме высот скважины и водонапорной башни, и вытесняют воду из колонны по трубе, опущенной до тарельчатого клапана, в водонапорную башню.

Схема устройства показана на рис. 1. Оно состоит из обсадной колонны 1, на которой сверху установлено стальное днище 2, с трубами впуска сжатого воздуха 3 с клапаном 4, связанным с ресивером 5, воздушным компрессором 6, клапана вытеснения воды из колонны 7 с обратным клапаном 8 и запорным вентилем 9. В нижней части обсадной колонны установлены тарельчатый клапан 10 и перфорированный фильтр 11. Для забора воды при ее вытеснении из обсадной колонны установлена труба 12, связывающая ее верхнюю часть с нижней.

Для сброса давления воздуха из обсадной колонны на ее верхнем днище установлен клапан 13. На случай заедания тарельчатого клапана на верхнем днище установлена герметичная съемная пробка 14 с тросом 15, прикрепленным к тарельчатому клапану 10.

Таким образом, в предлагаемом устройстве все основные агрегаты артезианской скважины расположены у ее оголовка, а в водоносном артезианском пласте в автоматическом режиме работает тарельчатый клапан 10, который при длительных перерывах в работе скважины можно вручную подготавливать к работе при помощи приспособлений 14 и 15.

Устройство работает следующим образом: перед включением устройства клапан 10 закрыт, а вода в обсадной колонне занимает уровень, соответствующий динамическому давлению в артезианском горизонте. Для начала работы включают компрессор 6 и наполняют ресивер 5 сжатым воздухом; открывают клапан 4 и под давлением сжатого воздуха вытесняют порцию воды из обсадной колонны через обратный клапан 8 и запорный вентиль 9 в водонапорную башню. После этого клапан 4 переводят из положения «открыто» в положение «закрыто» и сбрасывают давление в колонне через клапан 13; под давлением горизонта клапан 10 открывают и наполняют обсадную трубу порцией воды. Далее процесс «наполнения - вытеснения» повторяют.

На рис. 1 показан момент, когда динамический уровень артезианской воды установился в обсадной колонке, а сжатый воздух (желтый цвет) начал выдавливать воду из колонны 1 по трубе 12 в водонапорную башню.

Рисунок 1.

Для определения производительности такой системы используем расчетный пример.

Берем обсадную колонну внутренним диаметром 300 мм и высотой 100 м, оборудованную описанными элементами, установленными на верхнем и нижнем днище колонны. Давление в артезианском горизонте принимаем равным 3 атм, что является средним значением для многих скважин.

Для расчета производительности устройства определяем временные характеристики.

1. Наполнение устройства водой

Автоматически заполняем колонну водой до уровня 3 м, что соответствует 210 л воды. Берем тарельчатый клапан диаметром 150 мм и площадью проходного сечения 0,0176 м². Определяем скорость истечения воды при наполнении через тарельчатый клапан по формуле

где x - коэффициент гидравлического сопротивления, равный 0,8;

DP - перепад давления, равный 3 атм;

g - удельная масса воды, равная 1000 кг/м³.

Подставляя, получим:

Вычисляем расход воды по формуле

где F_H - площадь проходного сечения тарельчатого клапана, равная 0,0176 м².

Получаем:

G_H = 27,4•0,0176•1000 = 482 кг/c.

Определяем время наполнения по формуле:

где М - масса порции воды в колонне, равная 210 кг.

Получаем:

2. Вытеснение воды из устройства

Вытесняем воду из устройства при перепаде давления, равном 8 атм, при этом абсолютное давление в колонне равно 20 атм (10 атм - столб воды в колонне, 2 атм - столб воды в водонапорной башне, 8 атм - перепад давления).

Получаем скорость истечения при вытеснении при x =  0,9:

а расход воды через вытеснительную трубу диаметром 75 мм и проходным сечением 0,0044 м²:

G_B = 42•0,0044•1000 =185 кг/с

при времени вытеснения

Таким образом, общее время процесса «наполнение-вытеснение» будет равно 1,56 сек.

Значит, за один час устройство сделает 3600 / 1,56 = 2300 циклов.

Получаем производительность устройства:

Артезианский центробежный насос типа ЭЦВ для обсадной колонны такого же диаметра имеет производительность 160 м³/час, т. е. предлагаемое устройство имеет в 3 раза большую производительность, чем соответствующий ему погружной насос.

При этом следует учитывать, что предлагаемое устройство отличается простотой конструкции и обслуживания и, видимо, высокой надежностью в связи с отсутствием погружных электрических агрегатов.

Еще одна проблема артезианского водоснабжения в крупных предприятиях связана с большими расходами на приобретение и регенерацию реагентной шихты.

Хотя требования к потребляемой воде (питьевая, для душа и для мытья посуды) существенно отличаются.

Для обеспечения снижения расходов целесообразно обезжелезивание воды производить с использованием недефицитного доломита в сочетании с упрощением способа аэрации воды, а также с применением полифункциональной системы кондиционирования и раздельным получением необходимой воды для купания, мытья посуды и питьевых (пищевых) целей.

В связи с этим перед дистилляцией часть артезианской воды для купания нагревают в теплообменнике и направляют в душевую. Дистилляцию осуществляют с помощью электрических дистилляторов. Исходную артезианскую воду смешивают с дистиллированной водой в соотношении

C_imax/ПДК_i,

где С_imах - максимальная концентрация вредной примеси;

ПДК_i - ее предельно-допустимая концентрация.

Затем отводят часть воды для купания и мытья посуды, а остальную часть разбавленной воды, используемую для питья и приготовления пищи, перед коагуляцией и обеззараживанием подвергают аэрации с помощью водоструйного насоса с центробежной форсункой.

Устройство имеет в своем составе два узла: узел разбавления исходной воды дистиллятом и узел обезжелезивания и обеззараживания воды, причем первый узел состоит из входного запорного вентиля, связанного с трубопроводом водонапорной башни, определенного количества электрических дистилляторов, определяемого по формуле:

где n - количество человек - потребителей воды;

w - производительность одного дистиллятора в л/ч, каждый из которых состоит из запорного вентиля-регулятора, имеющего возможность фиксировать заданное соотношение при разбавлении, центробежного смесителя, запорного вентиля охлаждающей воды с отдельным теплообменником с запорными вентилями.

Для крупных предприятий, когда в одной смене работают более тысячи человек, целесообразно использовать электрические дистилляторы с производительностью до 20 т воды в сутки.

Второй узел состоит из входного запорного вентиля, емкости аэратора с водоструйным насосом, объединенным с центробежной форсункой блока предварительной коагуляции, поплавкового указателя предельного уровня с шаровым поплавком и иллюминатором, Т-образного трубопровода и вентилем слива осадка, емкости блока коагуляции с доломитом и емкости блока обеззараживания с посеребренным активированным углем.

При этом количество потребляемой воды определяется по следующим формулам:

для мытья тела G1 = (20…30) n кг/сут;

для мытья головы   G2 = (4…8) n кг/сут;

для мытья посуды   G3 = (1…3) n кг/сут;

для питьевых целей G4 = (2,5…5) n кг/сут.,

а объем емкостей определяется по формулам:

емкость для аэрирования V1 = (2.5…5) n л;

емкость для коагуляции V2 = (2…3) n л;

емкость для обеззараживания  V3 = (0,1…0,5) n л.

Исходную артезианскую воду разбавляют дистиллированной водой, получаемой с помощью электрических дистилляторов из этой же исходной воды, в указанном выше соотношении. При этом часть разбавленной исходной воды используют для мытья посуды, а мытье тела осуществляют в душевой исходной артезианской водой после ее нагревания в теплообменнике. Другую часть разбавленной воды аэрируют с помощью водоструйного насоса с центробежной форсункой, коагулируя и обеззараживая ее известными способами, и получают холодную кондиционную воду для питья и приготовления пищи.

В качестве примера следует отметить, что обычно аэрация осуществляется с помощью барботажа воздухом, что требует применения специальных компрессоров.

Рисунок 2.

В данном случае аэрация осуществляется под давлением исходной артезианской воды в водоструйном насосе, подсасывающем воздух из атмосферы.

Схема устройства приведена на рис. 2. Оно состоит из двух узлов:

- узел разбавления исходной воды дистиллятом;

- узел обезжелезивания и обеззараживания воды.

Первый узел состоит из входного запорного вентиля 1, связанного с трубопроводом водонапорной башни (на схеме не показана), необходимого количества электрических дистилляторов 2 с запорными вентилем 3 и вентилем-регулятором 4, имеющим возможность фиксировать заданное соотношение при разбавлении, центробежным смесителем 5, запорного вентиля охлаждающей воды 6, теплообменника 7 с запорными вентилями 8, 9, 10.

Второй узел состоит из входного запорного вентиля 11, емкости № 1 аэратора с водоструйным насосом 12, объединенным с центробежной форсункой блока предварительной коагуляции 13, поплавкового указателя предельного уровня 14 с шаровым поплавком 15 и иллюминатором 16, Т-образным трубопроводом 17 и вентилем слива осадка 18. Трубопровод 17 непосредственно связан с емкостью № 2 блока коагуляции с доломитом и емкостью № 3 блока обеззараживания с посеребренным активированным углем и вентилями 19 и 20 воды для питья и приготовления пищи.

Количество дистилляторов определяется по приведенной выше формуле.

Устройство работает следующим образом: артезианскую воду из водонапорной башни подают к электрическим дистилляторам 2, открывая вентили 1 и 3 и одновременно открывая вентиль-регулятор 4 для разбавления в смесителе 5 исходной воды и вентиль 6 для охлаждения конденсаторов электрических дистилляторов; для пользования общей душевой (мытье тела) открывают вентиль 9 и исходная вода, нагреваясь в теплообменнике 7, поступает в душевую; для мытья головы вода поступает в отдельные душевые кабинки после открытия вентиля 8. При закрытом вентиле 8 и открытом вентиле 10 разбавленная вода, нагреваясь в теплообменнике 7, поступает для мытья посуды.

Так работает узел разбавления исходной воды дистиллятом.

Узел обезжелезивания и обеззараживания начинает работать при открытии вентиля 11. Разбавленная вода поступает в водоструйный насос 12, объединенный с центробежной форсункой, где она аэрируется и поступает в блок 13 предварительной обработки и удаления избыточных количеств углекислоты, сероводорода, фтора и растворенного в воде хлора, расположенный в емкости № 1.

В этой емкости вода отстаивается, а осадок через вентиль 18 при промывке системы собирают для захоронения. Затем частично осветленная вода через заборную Т-образную трубку 17 поступает в емкость № 2, где осуществляют коагуляцию трехвалентного железа на гранулированном доломите.

После чего вода обеззараживается в емкости № 3 на активированном угле, импрегнированным серебром (4 %), и используется для питьевых целей и приготовления пищи после открытия вентилей 19 и 20 соответственно.

Во избежание переполнения емкости № 1 используют водомерный указатель предельного уровня 14 с шаровым окрашенным в красный цвет поплавком 15, который появляется в иллюминаторе при полном заполнении емкости.

Использование рассмотренного способа кондиционирования артезианской воды в производственных условиях позволяет в 2 раза сократить расходы по эксплуатации системы кондиционирования.

Этот способ кондиционирования артезианской воды защищен патентом Российской Федерации № 2279406 с приоритетом 11.11.2003 и опубликован в Бюллетене изобретений № 19 от 10.07.2006.