способ обработки солоноватых вод, включая воды с повышенной жесткостью, и установка для его осуществления

Формула изобретения

1. Способ обработки солоноватых вод путем последовательного их пропускания через катионит и анионит в ионных формах, содержащих в качестве катионов и анионов элементы, входящие в состав растворимых в воде минеральных удобрений, с получением растворов минеральных удобрений, отличающийся тем, что, с целью обработки солоноватых вод с повышенной жесткостью (содержание катионов жесткости >15 мг-экв/л) и минерализацией (солесодержание до 10 г/л), обрабатываемую воду сначала пропускают через катионит, затем часть выходящей из него воды пропускают через анионит, а другую часть попускают через электродиализный опреснитель, после чего эти потоки смешивают перед подачей на полив, при этом концентрат из электродиализного аппарата возвращают в процесс на стадию обработки катионита.

2. Установка для обработки солоноватых вод с повышенной жесткостью и минерализацией, включающая блоки приготовления растворов для обработки катионита и анионита, блок ионного обмена, состоящий, по крайней мере, из одного катионообменного и одного анионообменного аппаратов, катиониты и аниониты которых находятся в ионных формах, содержащих в качестве катионов и анионов элементы, входящие в состав растворимых в воде минеральных удобрений, насосы, трубопроводы и арматуру, отличающаяся тем, что она содержит блок корректировки состава раствора минерального удобрения, включающий электродиализный опреснитель и аппарат-смеситель, при этом входной патрубок опреснителя связан с линией отвода продукта катионирования из катионообменника, патрубок выхода пресной воды связан с аппаратом-смесителем, а патрубок выхода концентрата связан с емкостью приготовления раствора для обработки катионита, а аппарат-смеситель содержит также патрубок для ввода раствора минерального удобрения, выходящего из анионообменного аппарата, и патрубок подачи сбалансированного раствора минерального удобрения на обработку почвы.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к сельскому хозяйству и может быть использовано в мелиорации и агрохимии для получения растворов минеральных удобрений, предназначенных для орошения и одновременного внесения удобрений при возделывании сельскохозяйственных культур.

Изобретение может быть успешно использовано в регионах поливного земледелия с дефицитом пресной воды для орошения, для возделывания сельскохозяйственных культур в системах защищенного грунта. Изобретение может быть также использовано для обработки солоноватых вод повышенного (до 10 г/л) солесодержания, а также вод с высокой концентрацией солей жесткости (>15 мг-экв/л) с целью достижения оптимального соотношения между необходимым количеством удобрения и воды для орошения.

Известен способ получения раствора минеральных удобрений на основе пресных и минерализованных вод, включающий растворение удобрений в воде, в том числе минерализованной [О.Г.Грамматикати, А.А.Абаева, "Роль микро- и макроудобрений в улучшении свойств минерализованных вод", Сборник научных трудов "Повышение качества оросительной воды", М., ВО "Агропромиздат", 1990, с.41-45]. Недостатком этого способа является невозможность замены агрохимически вредных ионов минерализованной воды (например, натрия и хлора) на компоненты полезных минеральных удобрений. Это ограничивает возможности применения способа, поскольку согласно агрохимическим нормам, содержание хлорида натрия в воде для полива должно быть не более 2 г/л.

Близким техническим решением к предлагаемому является установка для получения раствора минеральных удобрений, включающая блок приготовления раствора, линию подачи исходной воды и линию отвода готового продукта [Авторское свидетельство СССР №82032, кл. А 01 С 21/100, опубл. 5.04.61 г.]. Блок приготовления раствора выполнен в виде бачка с мешалкой. Соответствующее минеральное удобрение заливается необходимым количеством воды и полученный после перемешивания раствор направляется через трубопровод на полив. Известная установка позволяет только вводить исходные удобрения в воду и поэтому сохраняет все недостатки исходных компонентов: сохранение в полученном растворе агрохимически вредных компонентов, невозможность оптимизировать состав применяемых удобрений.

Наиболее близким техническим решением является способ получения раствора минеральных удобрений на основе минерализованной и/или пресной воды и установка для его осуществления [Патент РФ №2138149, кл С1, опубл. 27.09.99 г. Бюл. №27]. Согласно известному способу исходную минерализованную воду пропускают последовательно через катионит и анионит в форме катионов и анионов минеральных удобрений, при этом все агрохимически вредные катионы и анионы исходной воды задерживаются соответственно катионитом и анионитом, а в получаемый раствор переходят катионы и анионы полезных минеральных удобрений. При этом эквивалентные концентрации полезных катионов и анионов в полученном растворе минеральных удобрений соответствуют эквивалентной концентрации солей в исходной минерализованной воде. При солесодержании исходной воды, превышающем 5 г/л, это не позволяет напрямую применять полученный раствор минеральных удобрений, поскольку возникает дисбаланс между необходимыми количествами удобрений и воды (см. таблицу). Частично эта проблема решается путем разбавления полученного раствора удобрений исходной минерализованной водой. Однако этот прием невозможно использовать при обработке вод с минерализацией выше 4 г/л и с содержанием солей жесткости не более 15 мг-экв/л, поскольку в этом случае поливочный раствор будет содержать агрономически неприемлемые количества ионов натрия, кальция и хлора.

Таким образом, существенным недостатком известного способа является невозможность обрабатывать солоноватые воды с жесткостью >0,15 мг-экв/л.

БАЛАНС между необходимой для полива воды и количеством вносимых при поливе удобрений (на примере обработки плантаций оливковых деревьев)
Соленость исходной воды, г/л	Обеспечение нормы полива, %	Обеспечение нормы внесения удобрений, %
2,5	100	100
5,0	50	100
10,0	25	100

Установка согласно известному изобретению включает блок ионного обмена, состоящий по крайней мере из двух наполненных соответственно катионитом и анионитом колонн, два блока подготовки и подачи обрабатывающих растворов, состоящие каждый из емкости для приготовления обрабатывающих растворов и насоса для подачи их в систему, установка включает также систему трубопроводов с соответствующей арматурой, обеспечивающей контроль и управление работой установки.

Недостатком известной установки является отсутствие блока, обеспечивающего возможность удаления солей жесткости и регулирования баланса между необходимой для полива воды и количеством вносимых с ней удобрений при обработке плантаций различных культур.

Известны способы опреснения солоноватых вод методами электродиализа, термодистилляции и обратного осмоса. Наиболее близким по техническому решению является способ электродиализного опреснения, поскольку этот способ не связан с необходимостью применения высоких температур (как в термодистилляции), или высоких давлений (как в обратном осмосе) и является наиболее оптимальным для опреснения солоноватых вод.

Наиболее близким к предлагаемому техническому решению является электродиализный аппарат для обессоливания скважинных солоноватых вод, включающий электродиализатор, насос и систему электропитания (Е.Novitsky, R.Khamizov. WATER AND WASTE WATER TREATMENT. "Enciclopedia of life support system" in "Knowledge sustaining development", v.2, ch.8.3, p.13, 2002). Аппарат состоит из двух электродов (катода и анода), выполненных в виде пластин из нержавеющей стали, или титана с покрытием или без него, или других материалов, в пространстве между которыми последовательно расположены катионо- и анионообменные мембраны, образующие дилюатные камеры и камеры концентрирования. Опресняемая вода подается в дилюатные камеры, где за счет воздействия электрического поля, создаваемого электродами, катионы и анионы диссоциированных солей проникают через соответствующие мембраны в камеры концентрирования, откуда образующийся поток концентрата солей выводится из аппарата в качестве отхода, а обессоленная вода из дилюатных камер отводится на потребление.

Задачей технического решения является создание технологических условий, обеспечивающих получение сбалансированных по составу растворов минеральных удобрений при обработке вод с повышенным (>15 мг-экв/л) содержанием солей жесткости.

Поставленная задача решаются тем, что раствор минеральных удобрений для подкормки растений и ирригации почв получают следующим образом.

Поток исходной воды пропускают через катионит в форме катиона, являющегося элементом минерального удобрения. Образующийся раствор катиона минерального удобрения делят на два потока. Один поток пропускают через анионит в форме аниона, являющегося элементом минерального удобрения, и образующийся раствор минерального удобрения направляют в блок балансирования состава. Другой поток раствора, не содержащий катионов солей жесткости, направляют в электродиализный опреснитель. Образующийся при опреснении концентрированный раствор полезного катиона направляют в емкость приготовления раствора для обработки катионита согласно прототипу, а пресную воду - в аппарат балансирования состава на смешение с раствором минеральных удобрений и далее на потребление. Соотношение между разделяемыми потоками рассчитывается таким образом, чтобы обеспечить требуемый баланс содержания удобрений и воды в растворе, направляемом на потребление.

На чертеже представлена схема установки для осуществления предлагаемого способа, где I и II - емкости для приготовления обрабатывающих растворов минеральных удобрений; III и IV - катионообменный и анионообменный аппараты; V - электродиализный опреснитель; VI - аппарат смешения для балансирования состава раствора минерального удобрения; Н-1 и Н-2 - насосы; 1-20 - клапаны. Подготовительные операции получения растворов минеральных удобрений в емкостях I (раствор с катионом минерального удобрения) и II (раствор с анионом минерального удобрения), а также перевод катиононита и анионита соответственно в форму катиона минерального удобрения (например, калия) и аниона минерального удобрения (например, нитрата) в ионообменных аппаратах III и IV осуществляют согласно прототипу (патент РФ №2138149).

По завершении перечисленных операций исходная вода при открытых клапанах 4, 5, 8, 18 и 19 поступает в аппарат III, а выходящий из него раствор в форме катиона минерального удобрения (катионы жесткости удалены) делится на два потока. Один поток поступает в аппарат IV и полученный раствор минерального удобрения после этого поступает в аппарат VI для балансирования состава. Другой поток через клапан 18 поступает в опреснитель V. Пресная вода из опреснителя подается в аппарат VI, а концентрированный раствор полезного катиона через клапан 19 возвращается в емкость I для приготовления обрабатывающего раствора. Соотношение между разделяемыми после аппарата III потоками регулируется клапанами 8 и 18. Нормальное положение клапана 17 - закрытое.

Пример. Используют установку, представленную на чертеже, со следующими характеристиками. Аппарат III содержит катионообменную смолу в форме катиона калия (К⁺), аппарат IV - анионообменную смолу в форме аниона нитрат-иона (NO₃ ^-).

Используют исходную подземную солоноватую воду с повышенной жесткостью следующего состава по макрокомпонентам (концентрация в г/л): Na⁺ - 1,26; Са²⁺ - 0,48; Mg²⁺ - 0,07; Cl^- - 2,01; SO₄ ^2- - 1,34. Общая минерализация 5,16 г/л, общая жесткость 24,6 мг-экв/л. Открывают клапаны 4, 5, 8, 18 и 19, включают насос Н-1. Подают исходную воду в установку с расходом 3,7 м³/ч. При этом клапаны 8 и 18 выставлены таким образом, что через клапан 8 проходит 1,05 м³ /ч, а чрез клапан 18 - 2,65 м³/ч калийсодержащего раствора. Выходящий из аппарата IV продукт (раствор KNO₃ с концентрацией 8,5 г/л) поступает через клапан 12 с расходом 1 м³/ч в аппарат смешения VI (0,05 м³/ч составляют потери с регенератом). Калийсодержащий раствор после аппарата III с расходом 2,65 м³/ч через клапан 18 подается в электродиализатор V на опреснение. Пресная вода с расходом 2,5 м³/ч (0,15 м³/ч составляют концентрат) подается в аппарат VI, где в результате смешения образуется раствор минерального удобрения. Таким образам, на потребление из блока усреднения состава уходит раствор минерального удобрения KNO₃ с расходом 3,5 м³/ч со средней концентрацией KNO₃ 2,45 г/л, что соответствует нормам согласно таблице. Концентрат, выходящий из электродиализатора V, содержит 70 г/л солей калия и направляется в емкость I для приготовления обрабатывающего раствора.

Установка для обработки солоноватых вод с повышенной жесткостью включает блоки приготовления растворов для обработки катионита и анионита, блок ионного обмена, состоящий по крайней мере из одного катионообменного и одного анионообменного аппаратов, содержащих катионит и анионит соответственно в форме катиона и аниона минерального удобрения, насосы, трубопроводы, арматуру, а также блок усреднения состава готового раствора минерального удобрения.

Блок состоит из одного, или нескольких электродиализных аппаратов, обеспечивающих эффективную работу установки при заданной производительности, солесодержании и жесткости обрабатываемой солоноватой воды. Блок также включает аппарат-смеситель для приготовления сбалансированного раствора минерального удобрения.

Конструкция установки предусматривает режим работы опреснительного аппарата при жесткости исходной воды более 15 мг-экв/л, когда опресняют промежуточный продукт, образующийся после стадии замены в катионообменном аппарате катионов исходной воды на катион минерального удобрения. При этом пресная вода после электродиализатора поступает в аппарат-смеситель для корректировки состава поливочной воды, обеспечивая соблюдение баланса между количеством воды и количеством удобрений, вносимых в почву, а концентрат, представляющий собой концентрированный раствор соли катиона минерального удобрения, возвращают в процесс обработки катионита. Аппарат-смеситель представляет собой емкость, снабженную известными перемешивающими устройствами.