СПОСОБ ОЧИСТКИ ПРИРОДНЫХ ВОД Российский патент 1998 года по МПК C02F1/463 

Изобретение относится к области очистки природных, например артезианских, вод или вод из поверхностных источников от различных примесей, а также для обесцвечивания их с последующим использованием в качестве питьевой воды и может быть использовано также для очистки оборотных и сточных вод.

Известен способ электрохимической обработки минерализованной природной и сточной воды, включающий смешение исходной воды с реагентом, содержащим хлорид-ионы, с последующей подачей ее в межэлектродное пространство электролизера с нерастворимыми перфорированными анодами, на которые нанесены диафрагмы и через которые осуществляют подачу в межэлектродное пространство реагента - деионизированной воды (авт.св. СССР N 1498715, кл. C 02 F 1/461, 1989 - аналог).

В ряде случаев непригодность природных вод в питьевых целях обусловлена их цветностью, связанной с присутствием в них гуматов.

Для извлечения гуминовых кислот из природных гуматсодержащих соединений существует способ перевода гуминовых кислот в раствор с последующим осаждением, причем перевод кислот в раствор ведут в катодной камере электролизера, заполненного 0,1-0,5% раствором K₂SO₄. Процесс ведут при циркуляции растворов в анодной и катодной камерах дополнительного электролизера (а.с. N 1721025 кл. C 02 F 1/46, 1992 г.) - аналог.

Основной недостаток известных способов очистки и обесцвечивания природных вод состоит в использовании различных химических реагентов в значительном количестве, что экологически нецелессобразно в схемах водоподготовки питьевых вод, требует значительных затрат, связанных с получением и доставкой этих реагентов к месту их использования. Кроме того, цветность природных вод после их очистки с использованием химических реагентов не всегда достигает значения, отвечающего нормативам ГОСТа для питьевых вод.

К числу недостатков способов очистки вод с использованием хлорсодежращих реагентов (активный хлор и перхлораты, образующиеся в процессе электролиза вод в присутствии NaCl) следует отнести возможность образования токсичных хлорорганических соединений.

Способы очистки вод с химическими реагентами весьма чувствительны к колебаниям исходного состава вод, температуры и кислотно-основных свойств, в результате чего избыток непрореагировавшего химического реагента часто попадает в питьевую воду, направляемую потребителю.

В качестве прототипа заявленного способа выбран способ обесцвечивания природной воды электрохимическим методом (В.Д.Дмитриев, Е.Н.Анисимова и Н.С. Соловьева. Обесцвечивание природной воды электрохимическим методом. "Водоснабжение и санитарная техника". -М.: Стройиздат, 1971, N 5, с. 12-13).

В прототипе обесцвечивание природных вод осуществляют методом электрокоагуляции в аппарате с использованием алюминиевых анодов.

Однако применение прототипа к исследуемым северным водам Иреляхского водохранилища, расположенного в Якутии, не дало положительного результата: цветность конечного продукта превышала в 1,5-2 раза нормативное значение, предусмотренное ГОСТом для питьевых вод и равное 20 град.

Технический результат изобретения заключается в обесцвечивании и обеззараживании природной воды до нормативов ГОСТа по питьевой воде при снижении энергозатрат и исключении дорогостоящих химических реагентов и замене дефицитных алюминиевых анодов на аноды из стали Ст.3 или на комбинированные аноды из стали Ст.3 и алюминия.

Сущность предлагаемого способа очистки природных вод состоит в том, что природную воду подвергают фильтрации для удаления механических примесей, электрокоагуляции в бездиафрагменном аппарате с растворимыми анодами из стали Ст.3 или комбинированными анодами из стали Ст.3 и алюминия при плотности тока от 2 до 60 А/м², отделению осадка от осветленной воды отстаиванием и последующей подачей этого осадка в очищаемую воду перед стадией электрокоагуляции при соотношении объема осадка к воде от 1:50 до 1:500, контрольной фильтрации осветленной воды с отделением осадка и электрохимической обработке фильтрата в бездиарфгаменном электролизере с нерастворимыми анодами.

Пример осуществления способа.

Лабораторные и стендовые эксперименты, а также опытно-промышленная проверка эффективности способа очистки вод осуществлена на природной воде Иреляхского водохранилища, являющегося единственным источником питьевой воды для бытовых объектов г. Мирного.

Вода этого бассейна характеризуется низким солесодержанием, малой мутностью и высокой цветностью, сезонно изменяющимися в широких пределах, что обусловливает сложность ее очистки обычными химическими методами.

Цветность данных природных вод обусловлена присутствием в них гумусовых веществ и их соединений с различными металлами, вымытыми из горных пород.

Комплексы гумусовых веществ с металлами, образующиеся при прохождении воды через различные породы, очень устойчивы и практически не выводятся из иреляхской воды используемыми химическими методами очистки.

Очищаемую воду предварительно фильтруют для удаления механических примесей, а затем проводят электрокоагуляцию в бездиафрагменном аппарате с растворимыми анодами с расстоянием между ними 4-8 мм. Катоды были выполнены из нержавеющей стали, а аноды - из стали Ст.3, а также комбинированные аноды из стали Ст. 3 и алюминия; после электрокоагуляции отделяют осадок от осветленной воды путем отстаивания, при этом полученный осадок подают на смешение с водой, направляемой на электрокоагуляцию, в соотношении объемов осадок:очищаемая вода от 1:50 до 1:500, а осветленную воду фильтруют и полученный фильтрат обеззараживают путем обработки в бездиафрагменном электролизере с нерастворимыми электродами.

Экспериментально установлено, что в процессе электрокоагуляции исследуемой природной воды оптимальны аноды, выполненные из стали Ст.3 и алюминия, что подтверждено данными табл. 1 (оп. 4).

Из табл. 1 видно, что использование анодов из стали Ст.3 и алюминия в процессе электрокоагуляции позволяет получить максимальное снижение цветности иреляхской воды до 8 град. при меньшей плотности тока - 30 А/м² (оп. 4).

Из-за дефицита и достаточно высокой стоимости алюминия растворимые аноды предлагается выполнить из стали Ст.3 и для интенсификации процесса электрокоагуляции подавать полученный в процессе электрокоагуляции осадок в очищаемую воду перед электрокоагуляцией при соотношении объема электрокоагулянта к воде от 1:50 до 1:500.

Полученный осадок после электрокоагуляции и отстаивания обработанной воды без сушки содержит твердую фазу в количестве около 10-15%.

Выделенный осадок после хранения в течение одних, семи, десяти и пятнадцати суток подавали в очищаемую воду перед электрокоагуляцией. В результате установлено, что эффективность осадка снижается незначительно при хранении его до 10 суток, после чего резко падает (см. чертеж).

Оптимальное соотношение объема осадка к объему очищаемой воды зависит от колебаний состава последней и, в основном, от количества и состава присутствующих в ней органических компонентов и их комплексов с различными металлами.

Для эффективного обесцвечивания природной воды Иреляхского водохранилища методом электрохимической коагуляции в аппарате с растворимыми анодами из стали Ст. 3 необходима подача осадка к очищаемой воде при объемном соотношении от 1:50 до 1:500.

Из табл. 2 видно, что при поддержании в процессе электрокоагуляции объемного соотношения осадка и очищаемой воды в пределах от 1:50 до 1:500 полученный целевой продукт после осветления обработанной воды в течение 30 мин и 12 часов характеризовался цветностью от 10,5 до 19,0 град. и от 5,4 до 15,9 град. , соответственно (оп. 3-7). Изменение этих показателей при одинаковой плотности тока, равной 30 А/м², достигалось изменением удельного расхода электроэнергии от 23,5 до 0,8 кВт•ч/м³. В ходе стендовых испытаний установлено, что при объемном соотношении электрокоагулянта и очищаемой воды, равном 1: 10, скорость осаждения коагулянта с "цветной" органикой довольно велика: при 30-минутном отстаивании и фильтрации осветленного продукта цветность фильтрата составила 5,4 град., изменяясь впоследствии незначительно. Однако в данном случае затруднительно получение необходимого количества осадка и требует повышенного расхода электроэнергии (оп. 2).

Изменение соотношения объемов осадка и очищаемой воды до 1:600 нежелательно, т.к. при 30-минутном отстаивании осветленный продукт после фильтрации по цветности практически не отличался от исходной воды, а после 12-часового отстаивания цветность была равна 25 град., что выше предусмотренного нормами ГОСТа (табл. 2, оп. 8).

В табл. 3 представлены результаты по обесцвечиванию воды Иреляхского водохранилища после ее электрокоагуляции при изменении плотности тока от 1 до 80 А/м² и различном объемом соотношении осадка и очищаемой воды. Из приведенных в табл. 3 данных видно, что оптимальный диапазон значений плотности тока в процессе электрокоагуляции, обеспечивающий получение продукта с цветностью 20 град. и менее, составляет 2-60 А/м². Необходимо отметить, что при соотношении осадка к очищаемой воде 1:100 (оп. 1-7) цветность, равная 18,5 град. , может быть получена после электрокоагуляции исходной воды при плотности тока 2 А/м² после отстаивания в течение 12 часов (оп. 3). При соотношении осадка к очищаемой воде 1:350 (оп. 8-14) минимальная плотность тока в процессе электрокоагуляции очищаемой воды, обеспечивающая получение продукта с цветностью менее 20 град., должна быть увеличена до 20-30 А/м² (оп. 11).

То есть для получения одной и той же цветности (20 град.) с увеличением объема очищаемой воды при одном и том же количестве осадка в процессе электрокоагуляции минимальная и достаточная плотность тока должна быть увеличена.

Увеличение плотности тока в процессе электрокоагуляции более 60 А/м² нецелесообразно вследствие получения конечного продукта, по цветности близкого продукту, полученному при 60 А/м² (6 и 13).

В табл. 4 приведены результаты очистки воды Иреляхского водохранилища в условиях прототипа (оп. 1) и заявленного способа (оп. 2).

Из табл. 4 видно, то осуществление очистки исследуемой воды Иреляхского водохранилища в условиях заявленного способа эффективнее, чем в условиях прототипа, цветность конечного продукта ниже в 1,6 - 2,4 раза, а расход электроэнергии меньше в 2,4 раза; операция обеззараживания проводится без использования хлорагентов, образующих токсичные соединения с присутствующими в исходной воде органическими веществами.

При очистке воды в условиях заявленного способа его эффективность значительно выше, чем в режиме прототипа: показатели относительной цветности - D/D₀ в заявляемом способе в 1,6 и 2,4 меньше, чем для прототипа.

По заключению центра санэпиднадзора г. Мирного после очистки иреляхской воды в конечном продукте колииндекс был менее 3 и роста общего микробного числа (ОМЧ) не наблюдалось.

В целом, при осуществлении очистки иреляхской воды по заявленному способу в сравнении с прототипом себестоимость 1 м³ очищенной воды снижается в 1,5 - 2 раза.

Способ предназначен для очистки природных вод от различных примесей, обесцвечивания их с последующим использованием в качестве питьевой воды, а также для очистки оборотных и сточных вод. Воду отделяют от механических примесей с последующей электрокоагуляцией с использованием анодов из стали Ст. 3 или комбинированных анодов из стали Ст.3 и алюминия при плотности тока 2-60 А/м². После электрокоагуляции отделяют осадок от осветленной воды отстаиванием и подают осадок на смешение с очищаемой водой перед стадией электрокоагуляции при соотношении объемов осадка и воды от 1:50 до 1:500, фильтруют осветленную воду, отделяют фильтрат и обрабатывают в бездиафрагменном электролизере с нерастворимыми электродами. Комбинированные электроды состоят из стали Ст.3 и алюминия в соотношении 6:1 Осадок на смешение с очищаемой водой подают при содержании твердой фазы в осадке 10 - 15%, при этом осадок можно использовать для очистки воды в течение 1 - 10 дней после его получения. Способ позволяет сократить энергозатраты при снижении себестоимости за счет использования менее дефицитных анодов из Ст.3. 3 з.п.ф-лы, 4 табл., 1 ил.

1. Способ очистки природных вод, включающий ее коагуляцию, отличающийся тем, что перед электрокоагуляцией отделяют механические примеси, а электрокоагуляцию ведут с использованием анодов из стали Ст.3 или комбинированных анодов из стали Ст.3 и алюминия при плотности тока 2 - 60 А/м² с последующим отделением осадка от осветленной воды и подачей осадка на смешение с очищаемой водой перед стадией электрокоагуляции при соотношении объемов осадка и воды от 1 : 50 до 1 : 500, фильтрацией осветленной воды и электрохимической обработкой фильтрата в бездиафрагменном электролизере с нерастворимыми анодами. 2. Способ по п.1, отличающийся тем, что комбинированные аноды изготовлены из стали Ст.3 и алюминия в соотношении 6 : 1. 3. Способ по п.1, отличающийся тем, что осадок на смешение с очищаемой водой подают при содержании твердой фазы в осадке 10 - 15%. 4. Способ по пп.1 и 2, отличающийся тем, что осадок можно использовать для очистки воды в течение 1 - 10 дней после его получения.