14.574.21.0110

Цель исследования - разработка технологических основ процессов и экспериментального образца мобильной модульной установки очистки воды от высокотоксичных химических веществ и микроорганизмов, попавших в водные объекты в результате природных и техногенных чрезвычайных ситуаций с использованием современных эффективных физико-химических методов.
Научно-техническая задача, подлежащая решению в ходе выполнения прикладных научных исследований – разработка комплекса технических решений и экспериментального образца установки, направленных на решение задач эффективной водоподготовки, водоочистки и ликвидации последствий чрезвычайных ситуаций, в том числе на промышленных объектах.
Оптимальный подход к решению поставленной задачи - создание экспериментального образца модульной установки для решения задач водоочистки и водоподготовки, базирующейся на совместном использовании современных физико-химических методов обработки воды, включающей модули предварительной очистки (механической); основной очистки (реагентной, сорбционной, химической, электрохимической и т.п.); тонкой очистки (обратный осмос, электродиализ, термодистилляция, гидроволновой метод и т.п.); модуля сбора и обработки осадка.
Реализация поставленной цели обеспечит прогрессивные структурные сдвиги в области водоподготовкии водоочистки, в частности:
- вывод на рынок новой научно-технической продукции мирового уровня;
- обеспечение экспортного потенциала и решение задачи замещения импорта;
- повышение эффективности применения находящегося в эксплуатации технологического оборудования;
- снижение экологической нагрузки на природу внедрением энергосберегающих и экологически безопасных технологий.

Актуальность работы состоит в решении задач получения новых знаний и фундаментальных научных результатов в области обработки и обезвреживания воды, содержащей высокотоксичные химические вещества и микроорганизмы с использованием современных физико-химических, методов (Основное приоритетное направление - Рациональное природопользование, технологическая платформа – Технологии экологического развития), а так же обеспечении научно-исследовательских, опытно-конструкторских и технологических работ, с использованием новых методов научных исследований, внедрении результатов работы в учебный процесс
Разработка новых проектных решений процесс длительный и трудоемкий, требующий моделирования, расчетов, создания пилотного оборудования и установок. В то же время, многие проектные задачи похожи или содержат сходные элементы, которые могут быть применены при разработке универсальных модульных систем (установок) водоочистки.
Научная новизна предлагаемого проекта заключается в:
- получении принципиально новых результатов в области водоподготовки и водоочистки, базирующихся на совместном использовании современных физхико-химических методов;
- универсальности и применимости разработанных подходов для водоподготовки и очистки стоков различной природы (коммунальных вод городов и населенных пунктов, предприятий пищевой, легкой, химической и нефтехимической отраслей промышленности, и т.д.) с различным составом и концентрацией загрязняющих веществ (взвешенные вещества, тяжёлые металлы, нефтепродукты, соли жёсткости, болезнетворные микроорганизмы);
- создании научно-технологического задела для разработки универсальных мобильных модульных систем водоочисти и водоподготовки.

Разработаны, обоснованы и исследованы варианты осуществления процессов водоподготовки и очистки водных растворов от загрязняющих веществ неорганической и органической природы, в том числе для решения задач ликвидации последствий чрезвычайных ситуаций на промышленных объектах. Разработан оптимальный вариант осуществления процессов водоподготовки и водоочистки с использованием современных физико-химических методов водоподготовки и водоочистки, таких как: электрофлотомембранный метод, сорбция, реагентная химическая обработка; электродилиз (мембранный электролиз), электрокоррекция рН, воздействие разрядов холодной (низкотемпературной) плазмы, обратный осмос, термодистиляция, кавитация. Разработанный вариант осуществления процессов водоподготовки и водоочистки заключается в использовании блочно-модульного принципа построения схемы очистки водных растворов с использованием выбранных физико-химических методов.

Проведено физическое моделирование процессов водоочистки и водоподготовки с использованием выбранных методов. Спрогнозированна эффективность работы основных ключевых элементов разрабатываемой модульной установки в зависимости от физико-химических характеристик стоков, технологических режимов и параметров их работы. Показана эффективность совместного использования методов фильтрации и обработки растворов низкотемпературной плазмой для осуществления предварительной очистки воды; реагентного метода, электрофлотации, электродиализа и сорбции – для основной очистки воды; обратного осмоса, кавитационной волновой обработки и термодистилляции – для очистки воды от загрязняющих веществ органической и неорганической природы и микроорганизмов до норм ПДК рыбохозяйственных водоёмов (ПДК_РХ) и требований СанПиН 2.1.5.980-00. Таким образом, установлена оптимальная схема компоновки системы водоочистки и обработки осадка для осуществления процессов водоподготовки и очистки воды от загрязняющих веществ неорганической и органической природы и обеззараживания воды на основе трёх модулей:  модуля предварительной очистки; модуля основной очистки, включая модуль сбора и обработки осадка; модуля тонкой очистки.

Проведено математическое моделирование процессов водоочистки и водоподготовки с использованием выбранных методов. Разрабатываемые процессы рассмотрены как совокупность элементарных физико-химических явлений, протекающих в аппаратах с целью их оптимизации и формализации. Созданы модели, описывающие кинетические закономерности протекания процессов водоподготовки и водоочистки и позволяющие производить их анализ. Критерием истинности являлась экспериментальная проверка. Осуществлён математический расчёт ключевых аппаратов, входящих в разрабатываемую схему очистки (электрофлотатор, сорбционная колонка, электродиализатор, обратноосмотическая установка, выпарная установка.

На основе полученных данных определена оптимальная схема компоновки системы водоподготовки и очистки воды от загрязняющих веществ неорганической и органической природы и обеззараживания воды.

Разработана эскизная конструкторская документация на экспериментальный образец мобильной модульной установки для водоподготовки и водоочистки, которая позволила изготовить экспериментальный образец установки.

Разработана программа и методики исследовательских испытаний лабораторных и экспериментальных образцов узлов и модулей установки, проведены лабораторные испытания. Показано, что индивидуально все узлы и модули установки достигают значения очистки воды, предусмотренные техническим заданием.

Разработаны Программы и методики исследовательских испытаний по очистке загрязненных вод различного происхождения с использованием экспериментального образца мобильной модульной установки для водоподготовки и водоочистки, проведены экспериментальные исследования. Обобщение и интерпретация результатов экспериментальных исследований показали эффективность работы созданной установки, в ходе очистки достигнуты нормы ПДК рыбохозяйственных водоёмов (ПДК_РХ) и требования СанПиН 2.1.5.980-00.

С использованием полученных результатов исследовательских испытаний разработаны лабораторные технологические регламенты для осуществления процессов водоочистки и водоподготовки.

Получены следующие основные научно-технические результаты:

1. Разработана методическая документация по проведению исследований объектов ПНИ:

а) план эксперимента для проведения моделирования в соответствии с ГОСТ 24026-80;

б) методики для проведения экспериментов по осуществлению процессов водоподготовки и водоочистки (8 методик).

2. Проведены экспериментальные исследования с использованием разработанных методик, получены результаты обработки экспериментальных данных.

3. Разработаны математическая и физическая модели процессов водоподготовки и очистки водных растворов от загрязняющих веществ неорганической и органической природы.

4. Дана Интерпретация результатов математического моделирования в виде поверхностей отклика.

5. Получены результаты моделирования физических процессов, характеризующие зависимости остаточных концентраций и эффективность извлечения загрязняющих веществ из воды от технологических параметров осуществления процессов очистки и  физико-химических характеристик очищаемой воды.

6. Разработана эскизная конструкторская документация на экспериментальный образец установки по очистке загрязненных вод в соответствии с требованиями стандартов ЕСКД, ЕСПД и ЕСТД.

7. Изготовлен экспериментальный образец установки по очистке загрязненных вод.

Исследовательские испытания экспериментального образца установки показали, что он достигает производительности по чистой воде не менее 100 л/ч Степень очистки составляет:

а) по взвешенным веществам, не менее - 99 %;

б) от тяжелых металлов, не менее - 98 %;

в) от нефтепродуктов, не менее - 99 %;

г) от солей жесткости, не менее - 95 %;

Влажность получаемого обработанного осадка (концентрата загрязнителей) - не более 80 %.

Экспериментальный образец обеспечивает очистку воды до норм СанПиН 2.1.5.980-00 (для питьевой воды), а также нормативов качества воды для сброса в акватории водных объектов рыбохозяйственного значения (Приказом № 20 «Росрыболовства» от 18.01.2010).

8. Разработаны лабораторные технологические регламенты для осуществления процессов водоподготовки, водоочистки и обеззараживания воды (8 регламентов).

9. Поданы заявки на охранные документы:

- № 032417 от 02.06.2015 «Мобильная установка для очистки сточных вод», РФ;

- № 2016114902 от 18.04.2016 «Электрофлотомембранное устройство с коррекцией кислотности среды для очистки сточных вод от соединений тяжелых металлов», РФ;

- № 2016114901 от 18.04.2016 «Блок очистки воды», РФ;

- № 2016114900 от 18.04.2016  «Плазмохимический реактор для обработки жидкости барьерным разрядом», РФ.

На основании открытых данных, предоставляемых Эй Ти Консалтинг проведён анализ рынка мировых лидеров в области водоподготовки и водоочистки [http://www.atconsult.ru/stoch.html]. Показано, что ведущие позиции в области технологий водоочистки занимают фирмы западной Европы и США (AQUA Industrial Watertreatment BV, Ecoteam SPA, Ge Water & Process Technologies, Flottweg SE, Nordic Water Products AB, Water Group Ltd Oy и др.) Российские фирмы в основном выступают в роли поставщиков западных технологий. Поэтому новизна полученных результатов с технологической точки зрения заключается в совместном использовании комплекса технологий, оборудование для реализации которого было разработано в ходе исследований, либо изготавливается на территории России. Разработаны новые технические решения, соответствующие мировому уровню.

В реальном секторе экономики результаты ПНИ ориентированы на создание технологических основ для подготовки питьевой воды для населения и оперативного персонала в условиях природных и техногенных катастроф, очистки коммунальных вод городов и населенных пунктов, очистки сточных вод предприятий пищевой, легкой, химической и нефтехимической отраслей промышленности, а также для очистки воды от радиоактивных загрязнителей с утилизацией нуклидов. Результаты ПНИ использованы при создании установки для осуществления процессов водоподготовки и водоочистки в условиях различных природных и техногенных катастроф, таких как наводнения, сбросы отходов промышленных предприятий; разлив нефтепродуктов; разрушение инфраструктуры централизованной водоподготовки.
Межотраслевая направленность применения ПНИ обусловлена широким спектром потребителей результатов.
Внедрение разработанных технологий способствует улучшению экологической обстановки в местах образования и сброса и накопления жидких отходов.
Потенциальными потребителями результатов ПНИ могут быть: горно-обогатительные и металлургические производства, производства, имеющие цеха размерной и электрохимической обработки, производства печатных плат и электротехники и другие, в результате деятельности которых, жидкие технологические отходы, содержащие токсичные ионы тяжёлых металлов, нефтепродукты, соли жёсткости, поверхностно-активные вещества.
Важное значение имеют разработанные технологии для обеспечения химических, нефтехимических и других производств повышенной пожаро- и взврывоопсаности.
Кроме того, результаты ПНИ рекомендованы к использованию для обеспечения бесперебойной работы учреждений и предприятий особой социальной значимости (больницы, детские дошкольные учреждения, предприятия с непрерывным циклом производства и т.п.).