PL166964B1

PL166964B1 - Sposób oczyszczania in situ wody gruntowej, zanieczyszczonej metalami ciezkimi i urzadzenie do oczyszczania in situ wody gruntowej, zanieczyszczonej metalami ciezkimi PL

Info

Publication number: PL166964B1
Application number: PL91292251A
Authority: PL
Inventors: Bernd Hundenborn; Hubert Theissen
Original assignee: Santec Gmbh Ingenieurbuero F S
Priority date: 1990-11-05
Filing date: 1991-10-31
Publication date: 1995-07-31
Also published as: DE59100557D1; PL292251A1; EP0484636A1; EP0484636B1; DK0484636T3; GR920300078T1; US5256264A; DE4035110A1; ES2033213T1; ATE96695T1; JPH05154475A; ES2033213T3

Abstract

1. Sposób oczyszczania in situ wody gruntowej, zanieczysz- czonej metalami ciezkimi, znamienny tym, ze wprowadza sie znajdujacy sie pod cisnieniem gaz w obreb gruntu ponizej lustra wody gruntowej, nastepnie podnosi sie miejscowo w obrebie maga- zynowania lustro wody gruntowej wywolujac jej krazenie, potem przyklada sie potencjal elektryczny w obrebie czesci strumienia przeplywajacej wody gruntowej, powstajacego w wyniku jej kraze- nia oraz wychwytuje sie ze strumienia wody gruntowej przemiesz- czajace sie jony metalu ciezkiego w wymieniaczu jonowym pod wplywem potencjalu elektrycznego. 6. Urzadzenie do oczyszczania in situ wody gruntowej, za- nieczyszczonej metalami ciezkimi, znamienne tym, ze zawiera rure studzienna (10), siegajaca az ponizej lustra (14) wody gruntowej, wkladke (16) wymieniacza jonowego, wetknieta w rure studzienna (10), równiez siegajaca ponizej lustra (14) wody gruntowej, sklada- jaca sie z rury wewnetrznej (18) i zbudowanego koncentrycznie wzgledem niej syfonu, którego scianka dzialowa 7 wewnetrzny od- cinek rury (44) ma na sobie mase czynna wymieniacza, i wzgledem rury wewnetrznej (18), ewentualnie pelniacego role sciany zewne- trznej syfonu koncentrycznego zewnetrznego odcinka rury ( 1 6 ), w kierunku poprzecznym do kierunku przeplywu strumienia wody gruntowej ma potencjal elektryczny, przy czym zawiera ponadto urzadzenie nagazowujace (24), usytuowane na dolnym koncu rury wewnetrznej (18), sluzace w urzadzeniu do wprowadzania gazu w wode gruntowa i wytwarzania miejscowego podwyzszenia po- ziomu wody gruntowej do powstania lustra (26) wody gruntowej, szczeliny przelotowe (42) w scianie rury wewnetrznej (18) w obre- bie górnej krawedzi miejscowego podwyzszenia poziomu wody gruntowej, do doprowadzania wody graniowej do syfonu, otwory odplywowe (38) w rurze studziennej w obrebie górnego konca ze- wnetrznego odcinka rury (46) do doprowadzania z powrotem do gruntu wody gruntowej, pozbawionej w wymieniaczu jonowym (50) metalu ciezkiego. F IG .1 PL

Description

Przedmiotem wynalazku jest sposób oczyszczania in situ wody gruntowej, zanieczyszczonej metalami ciężkimi i urządzenie do oczyszczania in situ wody gruntowej zanieczyszczonej metalami ciężkimi.

Znany jest fakt, że metale ciężkie występują w gruncie w postaci jonowej i dlatego też mogą być usuwane z wody gruntowej, kiedy spowoduje się żeby przepływała ona przez odpowiednio włączony wymieniacz jonowy.

Celem wynalazku jest przedstawienie propozycji odpowiedniego sposobu postępowania i odpowiedniego urządzenia, które będą korzystne w stosowaniu do oczyszczania wody gruntowej.

Istota wynalazku w sposobie oczyszczania in situ wody gruntowej, zanieczyszczonej metalami ciężkimi, polega na tym, że wprowadza się znajdujący się pod ciśnieniem gaz w obrębie poniżej lustra wody gruntowej, następnie podnosi się miejscowo w obrębie magazynowania lustro wody gruntowej wywołując jej krążenie, potem przykłada się potencjał elektryczny w obrębie części strumienia przepływającej wody gruntowej, powstającego w wyniku jej krążenia oraz wychwytuje się ze strumienia wody gruntowej przemieszczające się jony metalu ciężkiego w wymieniaczu jonowym pod wpływem potencjału elektrycznego.

Korzystnie gradient napięcia przykłada się nieprzerwanie poprzecznie do kierunku przepływu strumienia wody gruntowej.

Korzystnie odpowiednio zwielokrotniony gradient napięcia przykłada się w sposób nieciągły poprzecznie do kierunku przepływu strumienia wody gruntowej.

Korzystnie gradient napięcia spełnia zależność

Au > b/tw (V/m) gdzie:

b - odległość między elektrodami, poprzeczna względem kierunku przepływu strumienia wody (m) w - prędkość przemieszczania się jonów metalu ciężkiego (m²/Vs) t - h/v - średni czas przebywania jonów metalu ciężkiego w syfonie (s) h - wysokość syfonu (m) v - prędkość przepływu w syfonie (m/s).

166 964

Korzystnie gradient napięcia Au' stanowi wielokrotność wartości minimalnej

Au' - n A u i w związku z tym, w wyniku n - krotnego wzrostu prędkości przemieszczania się jonów ciężkiego metalu, napięcie jest przykładane w sposób nieciągły.

Urządzenie do oczyszczania in situ wody gruntowej, zanieczyszczonej metalami ciężkimi charakteryzuje się według wynalazku tym, że zawiera rurę studzienną, sięgającą aż poniżej lustra wody gruntowej, wkładkę wymieniacza jonowego włożoną w rurę studzienną również sięgającą poniżej lustra wody gruntowej, składającą się z rury wewnętrznej i zbudowanego koncentrycznie względem niej syfonu, którego ścianka działowa - wewnętrzny odcinek rury ma na sobie masę czynną wymieniacza, i ma względem rury wewnętrznej ewentualnie pełniącego rolę ściany zewnętrznej syfonu koncentrycznego zewnętrznego odcinka rury, poprzecznie do kierunku przepływu strumienia wody gruntowej, potencjał elektryczny, przy czym przewidziane jest urządzenie nagazowujące, usytuowane na dolnym końcu rury wewnętrznej, służące w urządzeniu do wprowadzania gazu w wodę gruntową i wytwarzania miejscowo podwyższenia poziomu wody gruntowej, szczeliny przelotowe w ścianie wewnętrznej w obrębie górnej krawędzi miejscowego podwyższenia poziomu wody gruntowej, do doprowadzania wody gruntowej do syfonu, otwory odpływowe w rurze studziennej w obrębie górnego końca zewnętrznego odcinka rury do doprowadzania z powrotem do gruntu wody gruntowej, pozbawionej w wymieniaczu jonowym metalu ciężkiego.

Korzystnie cała wkładka wymieniacza jonowego, dla umożliwienia jej regenaracji na zewnątrz, jest umocowana jako wymienna w zewnętrznej rurze studziennej.

Korzystnie między zewnętrzną rurą studzienną a wkładką wymieniacza jonowego usytuowane są nadmuchiwane uszczelnienia.

Korzystnie wkładka wymieniacza jonowego jest zbudowana z rury wewnętrznej i koncentrycznych względem niej odcinków rur, przy czym wewnętrzny odcinek rury kończy się u dołu przy zwrocie kierunku przepływu o 180° przed zamkniętym spodem syfonu a z góry nad przenikającymi ścianę rury wewnętrznej otworami przelewowymi,zaś zewnętrzny odcinek rury jest połączony u dołu ze spodem syfonu i kończy się bez zamknięcia w obrębie otworów odpływowych rury studziennej powyżej lustra wody gruntowej, ale poniżej miejscowego podwyższenia poziomu wody gruntowej, a między wewnętrznym odcinkiem rury z jednej strony a rurą wewnętrzną i/lub zewnętrznym odcinkiem rury z drugiej strony występują dystansowe elementy mocujące.

Korzystnie masa czynna wymieniacza jonowego jest utrzymywana na ścianie wewnętrznego odcinka rury za pomocą cylindrycznej dziurkowanej płyty.

Dzięki urządzeniu i sposobowi według wynalazku osiągnięto to, że woda gruntowa przepływa przez wymieniacz jonowy strumieniem w możliwie największym stopniu laminarnym. Przez wprowadzenie odpowiedniego gradientu napięcia jony metalu ciężkiego zostają odprowadzone do masy czynnej wymieniacza, ta zaś charakteryzuje się tym, że ma większe powinowactwo do jonu metalu ciężkiego aniżeli do swojego jonitu. Osiągnięto przez to to, że jony metalu ciężkiego, docierające do masy czynnej wymieniacza, są w niej zatrzymywane. W regularnych odstępach czasu wymieniacz jonowy może być wymieniany i/lub oddzielnie regenerowany.

Przedmiot wynalazku jest uwidoczniony w przykładzie wykonania na rysunku, na którym fig. 1 przedstawia schematyczny widok w przekroju fragmentu gruntu z wetkniętą weń studzienką oczyszczającą z zanieczyszczenia metalem ciężkim, fig. 2- szczegół A z fig. 1, fig. 3 - szczegół B z fig. 1.

Figura 1 przedstawia zanurzoną w gruncie rurę studzienną 10, wystającą nieco ponad jego powierzchnię 12, sięgającą swoim zaślepionym końcem znacznie poniżej lustra wody gruntowej 14.

We wnętrzu rury studziennej 10 wstawiony jest koncentrycznie jako dająca się przesuwać w pionie wkładka 16 wymieniacz jonowy. Ma on rurę wewnętrzną 18, unieruchamianą w jej koncentrycznym położeniu przez wkładkę mocującą, zakrywającą od góry rurę studzienną 10, a dalej u dołu nadmuchiwanymi uszczelnieniami. Rura wewnętrzna 18 jest zamknięta

166 964 u góry stożkiem 22 dla powietrza odlotowego, a na swoim dolnym końcu ma nagazowywacz 24. Powoduje on powstawanie w obrębie tej studzienki oczyszczającej, pod wpływem wytworzonego przez niego ciśnienia, miejscowego podwyższenia poziomu wody gruntowej, w obrębie którego lustro 26 wody gruntowej leży powyżej jej naturalnego lustra 14.

Odpowiedni świeży gaz jest doprowadzany do nagazowywacza 24 przewodem doprowadzającym 28. Może być tu zastosowane przykładowo powietrze. Znad nagazowywacza 24 ulatują wówczas do wnętrza rury wewnętrznej 18 pęcherzyki gazu 30 i tak podrywają znajdującą się tam wodę, że wytwarza się wspomniane wyżej podwyższenie poziomu lustra 26.

Pod nagazowywaczem 24 usytuowany jest jeszcze osadnik 32 z pompą szlamową, do której niezbędna dla niej energia elektryczna jest dostarczana doprowadzeniem kablowym 33.

Poniżej nagazowywacza 24 rura wewnętrzna 18 jest na jej dolnym końcu otwarta. Tutaj, na skutek występowania we wnętrzu rury wewnętrznej skierowanego ku górze przepływu, dochodzi do zasysania wody gruntowej, co zostało zaznaczone strzałką 36. Tak więc woda gruntowa 35 napływa przez odpowiednie otwory, ukształtowane jako filtr wstępny 34, znajdujące się w dolnej części rury studziennej 10, poniżej dolnego końca wkładki 16 wymieniacza jonowego Jednak rura studzienna 10 ma nie tylko filtr wstępny 34 na dopływie wody gruntowej. Prócz tego ma ona również otwory odpływowe 38, usytuowane na wysokości otworów odpływowych wkładki 16 wymieniacza jonowego, poprzez które to otwory woda ze wspomnianego miejscowego podwyższenia poziomu wody gruntowej, przewyższającego poziomu lustra wody gruntowej 14, może spływać ponownie do gruntu. Nadmuchiwane uszczelnienia 40 są wtykane pomiędzy rurę studzienną 10 a zewnętrzną ścianę wkładki 16 wymieniacza jonowego, ażeby wycentrować ją i zabezpieczyć przed powstawaniem przepływów pasożytniczych, które mogłoby nieco obniżyć współczynnik sprawności procesu oczyszczania.

Jak przedstawiono na fig.1 i fig. 3, również i rura wewnętrzna 18 ma w obszarze miejscowego podwyższenia poziomu wody gruntowej 26 otwory przelewowe w kształcie szczelin przelewowych 42. Dla lepszego zrozumienia zjawiska przepływu powinno się opisać najpierw bliżej budowę wkładki wymieniacza jonowego. Rura wewnętrzna 18 obejmuje koncentrycznie znajdujący się wewnątrz niej odcinek rury 44. Jest on powyżej szczelin przelewowych 42 rury wewnętrznej 18 połączony wieczkiem 45 w kształcie pierścienia kołowego z wewnętrzną ścianą tej rury. Cylindryczna ściana wewnętrzna odcinka rury ciągnie się od tego miejsca aż do zamkniętego dna wkładki 16 wymieniacza jonowego i poprzez mocujące elementy dystansowe 52 opiera się o zewnętrzną ścianę rury wewnętrznej. Wewnętrzny odcinek rury 44 ma, dalej, średnicę odpowiednio większą od średnicy rury wewnętrznej 18 i jest otoczony zewnętrznym odcinkiem rury 46, połączony u dołu denkiem 47 w kształcie pierścienia kołowego z rurą wewnętrzną 18 i otwartym od góry. Górny koniec zewnętrznego odcinka rury 46 znajduje się w obrębie między szczelinami przelewowymi 42 rury wewnętrznej 18 a otworami odpływowymi 38 rury studziennej 10. Średnica zewnętrznego odcinka rury 46 jest celowo dobrana w ten sposób, żeby światło między tym odcinkiem a wewnętrznym odcinkiem rury 44 było równe światłu między rurą wewnętrzną 18 a wewnętrznym odcinkiem rury 44. Oznacza to, że różnica między średnicą zewnętrznego odcinka rury 46 a średnicą odcinka wewnętrznego 44 musi być nieco mniejsza od różnicy między średnicą wewnętrznego odcinka rury 44 a średnicą rury wewnętrznej 18.

Z powyższego opisu konstrukcji wkładki 16 wymieniacza jonowego wynika, że woda, wpływająca do tej wkładki 16 z rury wewnętrznej 18 w obrębie miejscowego podwyższenia poziomu wody gruntowej przez rodzaj syfonu, jest uformowana we w znacznym stopniu laminarny strumień, przechodzący przez właściwy wymieniacz jonowy. Dzięki długiej drodze przepływu staje się możliwe w wysokim stopniu skuteczne odbieranie jonów metalu ciężkiego. Przepływ laminarny jest zaznaczony strzałkami 54 i 56.

Na fig. 3 przedstawiono szczegóły budowy właściwego wymieniacza jonowego 50. Za pośrednictwem przewodów prądowych 48 do wymieniacza jonowego 50 przykładany jest gradient napięcia Au. Do zewnętrznego odcinka rury 46 i do rury wewnętrznej 18 przykładany jest przy tym taki sam potencjał, podczas gdy wewnętrzny odcinek rury 44 jest przeciwelektrodą Ta przeciwelektroda została teraz, w celu uzyskania wymieniacza jonowego, otoczona

166 964 masą czynną, w której zachodzi wymiana jonowa. Masa ta jest utrzymywana w obrębie tej elektrody za pomocą tej elektrody za pomocą koncentrycznych dziurkowanych płyt z materiału nie przewodzącego prądu elektrycznego. Jako masa czynna, w której zachodzi wymiana jonowa, zastosowana taka substancja, która wykazuje większe powinowactwo do jonów metalu ciężkiego aniżeli do występujących pierwotnie w masie czynnej jonitów. Gradienty napięcia sprawiają, że jony metalu ciężkiego podążają ku masie czynnej wymieniacza. Jony te mogą łatwo przechodzić przez dziury w dziurkowanych płytach 51, podczas gdy ziarna masy czynnej w wyniku tego, że średnica dziur jest mniejsza od ich wielkości, są tutaj skutecznie podtrzymywane.

W szczegółach wygląda to teraz następująco: przy prędkości przepływu wody przez syfon v (m/s) i przy wysokości h (m) syfonu (odległość między dolną krawędzią wewnętrznego odcinka rury 44 a górną krawędzią zewnętrznego odcinka rury 46, średni czas przebywania jonu metalu ciężkiego w syfonie wynosi t = h/v (s). Żeby jon przy tym określonym czasie przebywania w syfonie mógł niezawodnie przebyć również drogę, którą wytycza maksymalna odległość b między elektrodami (odległość między rurą wewnętrzną 18 a wewnętrznym odcinkiem rury 44, ewentualnie między wewnętrznym odcinkiem rury 44 a zewnętrznym odcinkiem rury 46, to przy prędkości przemieszczania się jonu w (m²/Vs) wielkość przyłożonego gradientu napięcia musi wynosić AU = b/tw (V/m). Jest to wówczas zagwarantowane, że w czasie przebywania t wszystkie jony metalu ciężkiego przemieszczą się aż do masy czynnej wymieniacza jonowego 50 i zostaną tam zatrzymane.

Przy ciągłej eksploatacji urządzenia przy takim gradiencie napięcia może się na elektrodach pojawić potencjał o przeciwnej biegunowości. Dla uniknięcia tego pożądane by było działanie nieciągłe. Dlatego też urządzenie może być eksploatowane również i w ten sposób, że wielkość przyłożonego gradientu napięcia stanowi wielokrotność określonej wyżej wartości granicznej U, to znaczy jest AU = nAU. Ponieważ w związku z tym prędkość przemieszczania się jonów wzrasta n razy, to napięcie na czas (/n-1//n/t) może być wyłączone. Podczas tego wyłączenia potencjał o przeciwnej biegunowości ulega likwidacji. Ponadto powinowactwo masy czynnej wymieniacza jonowego do jonów metalu ciężkiego uniemożliwia wsteczne dyfundowanie tych jonów do przepływającej wody w okresach, kiedy napięcie jest wyłączone.

Układ zasilania wymieniacza jonowego 50 w energię jest tak skonstruowany, że płynąć mogą tylko bardzo małe prądy, co zapobiega osadzaniu się ciężkiego metalu na elektrodzie. W ten sposób wkładka 16 wymieniacza jonowego, montowana w urządzeniu jest wymienna, daje się bez trudności regenerować.

Oczywiste jest, że warunki należy każdorazowo dopasowywać do rodzaju zanieczyszczenia metalami ciężkimi, przewodności wody i wartości jej pH.

166 964

Departament Wydawnictw UP RP. Nakład 90 egz.

Cena 1,00 zł.

Claims

Zastrzeżenia patentowe

1. Sposób oczyszczania in situ wody gruntowej, zanieczyszczonej metalami ciężkimi, znamienny tym, że wprowadza się znajdujący się pod ciśnieniem gaz w obręb gruntu poniżej lustra wody gruntowej, następnie podnosi się miejscowo w obrębie magazynowania lustro wody gruntowej wywołując jej krążenie, potem przykłada się potencjał elektryczny w obrębie części strumienia przepływającej wody gruntowej, powstającego w wyniku jej krążenia oraz wychwytuje się ze strumienia wody gruntowej przemieszczające się jony metalu ciężkiego w wymieniaczu jonowym pod wpływem potencjału elektrycznego.
2. Sposób według zastrz. 1, znamienny tym, że gradient napięcia przykłada się poprzecznie do kierunku przepływu strumienia wody gruntowej.
3. Sposób według zastrz. 2, znamienny tym, że odpowiednio zwielokrotniony gradient napięcia przykłada się w sposób nieciągły.
4. Sposób według zastrz. 1 albo 2 albo 3, znamienny tym, że gradient napięcia (AU) spełnia zależność

AU > b/tw (V/m) gdzie:

b - odległość między elektrodami, poprzeczna względem kierunku przepływu strumienia wody(m) w - prędkość przemieszczania się jonów metalu ciężkiego (m²/Vs) t - h/v - średni czas przebywania jonów metalu ciężkiego w syfonie (s) h - wysokość syfonu (m), i v - prędkość przepływu w syfonie (m/s).
5. Sposób według zastrz. 4, znamienny tym, że gradient napięcia AU stanowi wielokrotność wartości minimalnej

AU¹ = n A U i w związku z tym, w wyniku n-krotnego wzrostu prędkości przemieszczania się jonów ciężkiego metalu, napięcie przykłada się w sposób nieciągły.
6. Urządzenie do oczyszczania in situ wody gruntowej, zanieczyszczonej metalami ciężkimi, znamienne tym, że zawiera rurę studzienną (10), sięgającą aż poniżej lustra (14) wody gruntowej, wkładkę (16) wymieniacza jonowego, wetkniętą w rurę studzienną (10), również sięgającą poniżej lustra (14) wody gruntowej, składającą się z rury wewnętrznej (18) i zbudowanego koncentrycznie względem niej syfonu, którego ścianka działowa - wewnętrzny odcinek rury (44) ma na sobie masę czynną wymieniacza, i względem rury wewnętrznej (18), ewentualnie pełniącego rolę ściany zewnętrznej syfonu koncentrycznego zewnętrznego odcinka rury (16), w kierunku poprzecznym do kierunku przepływu strumienia wody gruntowej ma potencjał elektryczny, przy czym zawiera ponadto urządzenie nagazowujące (24),usytuowane na dolnym końcu rury wewnętrznej (18), służące w urządzeniu do wprowadzania gazu w wodę gruntową i wytwarzania miejscowego podwyższenia poziomu wody gruntowej do powstania lustra (26) wody gruntowej, szczeliny przelotowe (42) w ścianie rury wewnętrznej (18) w obrębie górnej krawędzi miejscowego podwyższenia poziomu wody gruntowej, do doprowadzania wody gruntowej do syfonu, otwory odpływowe (38) w rurze studziennej w obrębie górnego końca zewnętrznego odcinka rury (46) do doprowadzania z powrotem do gruntu wody gruntowej, pozbawionej w wymieniaczu jonowym (50) metalu ciężkiego.

166 964
7. Urządzenie według zastrz. 6, znamienne tym, że cała wkładka (16) wymieniacza jonowego, dla umożliwienia jej regeneracji na zewnątrz, jest mocowana jako wymienna w zewnętrznej rurze studziennej (10).
8. Urządzenie według zastrz. 6 albo 7, znamienny tym, że między zewnętrzną rurą studzienną (10) a wkładką (16) wymieniacza jonowego usytuowane są nadmuchiwane uszczelnienia (40).
9. Urządzenie według zastrz. 6, znamienne tym, że wkładka (16) wymieniacza jonowego jest zbudowana z rury wewnętrznej (18) i koncentrycznych względem niej odcinków rur (44, 46), przy czym wewnętrzny odcinek rury (44) kończy się u dołu przy zwrocie kierunku przepływu o 180° przed zamkniętym spodem syfonu a z góry nad przenikającymi ścianę rury wewnętrznej (18) otworami przelotowymi (42), zaś zewnętrzny odcinek rury (46) jest połączony u dołu ze spodem syfonu i kończy bez zamknięcia w obrębie otworów odpływowych (38) rury studziennej (10) powyżej lustra wody gruntowej (14), ale poniżej miejscowego podwyższenia poziomu wody gruntowej (26), a między wewnętrznym odcinkiem rury (44) z jednej strony a rurą wewnętrzną (18) i/lub zewnętrznym odcinkiem rury (46) z drugiej strony występują dystansowe elementy mocujące (52).
10. Urządzenie według zastrz. 6 albo 9, znamienne tym, że masa czynna wymieniacza jonowego jest utrzymywana na ścianie wewnętrznego odcinka rury (44) za pomocą cylindrycznej dziurkowanej płyty (51).