СПОСОБ ОЧИСТКИ ПОДЗЕМНЫХ ВОД ОТ ЖЕЛЕЗА И ДРУГИХ ПРИМЕСЕЙ Российский патент 1999 года по МПК C02F1/64 B01D39/00 

Изобретение относится к очистке подземных вод от железа и других примесей, и может найти применение в системах хозяйственно-бытового водоснабжения.

Известен метод упрощенной аэрации и фильтрации воды (Золотова Е.Ф., Аес Г.Ю. Очистка воды от железа, фтора, марганца и сероводорода. - М.: Стройиздат, 1975, глава 3), включающий аэрацию воды разбрызгиванием или изливом на открытую поверхность и фильтрацию ее в объемном фильтре. В этом фильтре практически одновременно происходят два процесса. Во-первых, идет реакция окисления растворенного в воде двухвалентного железа растворенным в воде кислородом воздуха с образованием нерастворимой в воде взвеси гидроокиси железа. Во-вторых, происходит задержание образовавшейся гидроокиси железа в толще фильтрующей загрузки. Но при прохождении аэрированной воды через фильтр на поверхностях зерен фильтра и задержанных фильтром механических примесей образуется трудносмываемая номинальным расходом воды пленка соединений железа, которая существенно ускоряет процесс окисления железа, т.е. оказывает каталитическое влияние. При проектировании объемных фильтров фактор каталитического ускорения процесса окисления железа учитывается, а продолжительность фильтрацикла закладывают, как правило, 12-24 ч.

К недостаткам способа следует отнести снижение эффективности работы фильтра в первое время после проведения его регенерации обратным током воды увеличенного расхода из-за выноса из фильтра мелких частиц с образовавшейся на их поверхностях каталитической пленки, что требует проектировать фильтры увеличенных размеров, т.е. более громоздкие.

Известен способ очистки подземных вод от железа аэрированием с последующим фильтрованием через двухслойную загрузку (авт. св. N 1058898, кл. C 02 F 1/64, опубл. 07.12.83 г., БИ N 45).

Первый слой загрузки по ходу воды выполнен крупными гранулами, второй слой из менее крупных гранул. Назначение первого слоя заключается в обеспечении частичного процесса автокаталитического окисления двухвалентного железа от гидроокиси железа, а второго мелкозернистого слоя - в завершении процесса перевода двухвалентного железа в гидроокись железа и фильтрации воды от гидроокиси. Размер гранул крупнозернистого слоя выбран из условия беспрепятственного прохода через него частиц гидроокиси железа при промывке мелкозернистого слоя обратным током воды. Размер гранул мелкозернистого слоя и толщина этого слоя выбраны из условия полной очистки воды от гидроокиси железа при оптимальном фильтроцикле. Неизменность расположения слоев загрузки по ходу очищающей воды обеспечивают размещением всего объема мелкозернистой загрузки в части межпорового пространства крупнозернистой загрузки.

Недостатками способа являются:
- громоздкость первого - крупнозернистого слоя фильтра, поскольку поставленная перед ним вторая задача - не задерживать частицы гидроокиси железа при регенерации фильтра обратным током воды, приводит к нежелательному уменьшению величины удельной поверхности этого слоя. Поскольку известно, что окисление двухвалентного железа происходит быстро не в объеме воды, а на поверхностях гранул, покрытых пленкой соединений железа, играющей роль катализатора процесса окисления, т.е., чем больше размер гранул, тем меньше их поверхность в единице объема, и тем пропорционально больший объем этого слоя необходим для автокаталитического окисления железа в прокачиваемой воде;
-громоздкость второго - мелкозернистого слоя фильтра, т.к. наличие в его объеме крупнозернистых гранул первого слоя резко снижает такой важный показатель любого фильтра, как пористость. Чем ниже пористость фильтра, тем пропорционально больше его объем.

Наиболее близким является способ очистки с двумя разделенными фильтрующими слоями (патент РФ N 2085512, кл. C 02 F 1/64 опубл. 27.07.97, БИ N 21).

Первый по ходу воды крупнозернистый фильтр (окислитель) должен обеспечить полное автокаталитическое окисление растворенного в воде двухвалентного железа от нерастворимой в воде гидроокиси железа. Измененное назначение крупнозернистого слоя позволяет снизить крупность гранул слоя до 7-10 мм. Это увеличивает площадь поверхности гранул в единице объема слоя, что позволяет уменьшить его объем, т.е. снизить громоздкость окислителя.

Второй по ходу воды мелкозернистый слой фильтра (фильтр тонкой очистки) должен обеспечивать очистку воды от образовавшейся в окислителе гидроокиси железа. Поскольку с фильтра тонкой очистки снята задача по доокислению двухвалентного железа, то это позволяет существенно снизить толщину фильтра тонкой очистки и довести ее, например, до нескольких миллиметров. Но одно условие должно выполняться - фильтр тонкой очистки должен улавливать частицы гидроокиси, размер которых в начальный момент не превышает 10-15 мкм. Фильтр тонкой очистки по мере забивания подвергается периодическим промывкам обратным током воды от накопленной гидроокиси железа, но в новых условиях работы эта операция не приводит к последующему кратковременному снижению эффективности работы фильтра.

Недостатками способа являются.

В исходной воде подземных источников (нами обследована вода в регионах Среднего Поволжья, Подмосковья, Тюменской обл., в частности водозабора городов Нижневартовск, Когалым, Радужный и др.) содержится много механических примесей и железоорганики. Высокая концентрация механических примесей в очищаемой воде приводит к быстрому забиванию первого по ходу воды крупнозернистого (7-10 мм) фильтра (окислителя), снижению расхода воды. При этом значительно снижается эффективность окисления железа, фильтроцикл может уменьшаться до нескольких дней, после чего необходимо производить специальные мероприятия по промывке окислителя, вплоть до выгрузки гранул и промывания их в специальной емкости и в специальном растворителе или полной их замены. Попытки увеличить крупность гранул с целью уменьшения их забивания не увенчались успехом, т. к. при этом значительно снижается эффективность окисления железа, либо существенно растут габариты аппарата.

Наличие в воде подземных источников органических веществ (особенно это характерно для Тюменской области, а также для некоторых регионов Татарии, Башкирии, Самарской, Ульяновской и других областей, в которых имеются обширные залежи нефти) приводит к отравлению (замазыванию) гранул окислителя и каталитического слоя, а также фильтра тонкой очистки (первого и второго фильтрующих слоев). Железо перестает окисляться, проходит через фильтр тонкой очистки, очищенная вода не соответствует ГОСТу. Для продолжения работы оба фильтрующих слоя приходится полностью заменять (через короткое время, иногда сутки или часы), что делает описанный способ явно нерентабельным. Все эти недостатки не позволили внедрить этот способ в народное хозяйство.

С целью интенсификации процесса окисления, увеличения ресурса и эффективности работы в предлагаемом способе очистки воды первый фильтрующий слой разделяют на две части.

Первая часть (предфильтр) представляет собой многокомпонентный фильтрующий слой, очищающий воду от механических примесей, органических соединений и других взвесей. Затем воду аэрируют и подают на вторую часть (окислитель), представляющую собой крупнозернистую загрузку, на которой происходит автокаталитическое окисление растворенного в воде железа и перевод его в нерастворимую гидроокисную форму, причем, т.к. вода прошла очистку от механических примесей и органических соединений, процесс автокаталитического окисления идет значительно лучше. Это позволяет увеличить крупность загрузки, уменьшить габариты и металлоемкость окислителя.

Кроме того, перед окислителем на водовоздушную среду накладывают колебания таким образом, чтобы в окислителе был организован мелкодисперсный колебательный пузырьковый режим. Это приводит к интенсификации процесса окисления и обмена примесей железа и других металлов и их коагуляции, и к самоочистке внутренних поверхностей окислителя. При этом происходит очистка воды и от других растворенных веществ, например марганца, меди и т.д.

Загрузка может быть выполнена из материала, плавающего в воде. Движение гранул в процессе очистки приводит к увеличению вероятности столкновений частиц гидрооксида железа и к их коагуляции. Затем гидрооксид железа отделяют от воды на фильтре тонкой очистки.

Способ очистки артезианских вод от железа осуществляют следующим образом.

Воду из скважин или водопровода подают на первый фильтрующий слой, состоящий из нескольких компонентов. Затем в воду подают атмосферный воздух от мембранного компрессора или с помощью эжектора. Достаточный объемный расход воздуха составляет 5-10% от расхода воды. Аэрированную воду подают на окислитель с загрузкой из гранул различного материала, крупностью 3-10 мм. На водовоздушную смесь накладывают колебания от гидромеханического генератора. В окислителе эффективно происходит процесс автокаталитического окисления двухвалентного растворенного в воде железа до нерастворимой в воде гидроокиси железа. Затем воду подают на фильтр тонкой очистки.

Пример. Для среднего расхода очищаемой воды до 1 м³/ч первый фильтрующий слой представляет собой многокомпонентный фильтрующий материал из полиэфирных волокон толщиной 7 мм, диаметром 70 мм, высота 1500 мм. Проходя через него, вода очищается от механических примесей и органических веществ. Затем с помощью эжектора с камерой смещения воду насыщают воздухом с расходом 100 нл/ч. Водовоздушная смесь подается на генератор колебаний и затем на окислитель, с высотой слоя загрузки 1500 мм и диаметром 150 мм. Далее вода поступает на фильтр тонкой очистки, представляющий собой металлокерамический фильтрующий материал высотой 1500 мм, диаметром 80 мм.

Накопленный на металлокерамическом фильтре тонкой очистки гидрооксид железа периодически - 1 раз в 10 дней, смывают обратным током чистой воды в шламоотстойники. При этом фильтроцикл установки очистки по сравнению с прототипом вырос от нескольких суток до нескольких месяцев в зависимости от состава исходной воды.

Для увеличения крупности частиц гидрооксида железа загрузку окислителя выполняют в виде гранул, свободно плавающих в воде. Движение гранул в воде, на которую наложили колебания, при работе окислителя приводит к увеличению вероятности столкновения частиц гидрооксида железа и их коагуляции. Более крупные частицы надежно удерживаются фильтром тонкой очистки, вероятность проскока мала. Это позволяет использовать в качестве фильтра тонкой очистки более грубые материалы, например тканые, вместо дорогих металлокерамических.

Таким образом, очистка подземных вод заявляемым способом позволила увеличить ресурс и эффективность работы установок очистки не менее, чем в 10 раз по сравнению с прототипом и другими известными способами.

Изобретение относится к очистке подземных вод от железа и других примесей, и может найти применение в системах хозяйственно-бытового водоснабжения. Для осуществления способа фильтрующий слой делят на три части. В первой происходит отделение механических взвесей, железоорганики и других примесей. После чего на водовоздушную смесь накладывают колебания и подают на вторую часть фильтрующего слоя. Во второй части происходит окисление железа и других металлов до нерастворимой фазы. В третьей части - фильтре тонкой очистки нерастворимые окислы удерживаются. Способ позволяет увеличить ресурс и эффективность установок, интенсифицировать процесс окисления и очистки подземных вод. 1 з.п. ф-лы.

1. Способ очистки подземных вод от железа и других примесей, включающий аэрирование и фильтрование, отличающийся тем, что фильтрующий слой разделен на три части, причем в первой части (предфильтре) происходит отделение механических взвесей, железоорганики, других примесей, во второй части (окислителе) происходит окисление железа и других металлов до нерастворимой фазы, а в третьей части (фильтре тонкой очистки) происходит удержание образовавшихся нерастворимых окислов железа и других металлов, причем перед второй частью (окислителем) на водовоздушную смесь накладывают колебания для организации колебательного режима. 2. Способ по п.1. отличающийся тем, что окислитель выполняют в виде плавающей зернистой загрузки.