СПОСОБ ОЧИСТКИ ВОДЫ ОТ ГУМУСОВЫХ ВЕЩЕСТВ И ЖЕЛЕЗА Российский патент 2000 года по МПК C02F1/28 C02F1/64 C02F1/28 C02F101/34 

Изобретение относится к сорбционным методам очистки вод, преимущественно поверхностных, и может быть использовано для очистки питьевой воды, а также технологических вод в пищевой промышленности, энергетике, нефтеперерабатывающей и других отраслях промышленности от гумусовых веществ и соединений железа, определяющих наряду с другими веществами окраску (цветность) воды.

Обуславливающие цветность воды гумусовые вещества находятся в природных водах во взвешенном состоянии (нерастворимые вещества почвы), а также в коллоидно- и истинно растворенном состоянии (фульвовые и гуминовые кислоты, находящиеся в воде преимущественно в виде солей щелочных и щелочноземельных металлов). При нейтральном значении pH воды гуминовые кислоты присутствуют в воде в виде коллоидов, а фульвовые кислоты - в растворенном виде.

Железо присутствует в природных водах в формах, зависящих от величины pH и окислительно-восстановительного потенциала. Оно может находиться в формах двух- и трехвалентных ионов, органических и неорганических коллоидов, комплексных соединений с гуматами и фульвокислотами, гидроксидов железа и других ( Николадзе Г.И.. Технология очистки природных вод: Учеб. для вузов. - М.: Высш. шк.-1987.-С. 20-27).

Обесцвечивание и обезжелезивание воды необходимо для улучшения органолептических свойств воды, а также для кондиционирования минерального состава в соответствии с требованиями, предъявляемыми к качеству воды в зависимости от цели использования.

Для очистки воды от гумусовых веществ традиционно используют коагуляцию, а также методы фильтрации и ультрафильтрации, адсорбцию, ионный обмен, окисление кислородом и озоном или их сочетание.

Удаление водорастворимых гуминовых кислот может быть осуществлено фильтрованием через чистый кварцевый песок фракции 0,25-2,00 мм. При этом достигается снижение концентрации гуминовых соединений с 50 до 2,5 мг/л (патент DD N 264908, публ. 15.02.89).

Для целей получения высокоочищенной от гумусовых веществ воды для ряда производств целесообразно применять адсорбционные способы очистки с использованием, в частности, активированного угля БАУ; ионитов, преимущественно высокоосновных (Маличенко А.В. Сорбция гумусовых соединений ионитами // Химия и технол. воды.- 1993. -15.- N 4.- с. 270-294; Вебер В. и др. Влияние различных факторов на адсорбцию гуминовых веществ активными углями // Реферативный журнал "Химия", реф. 12 И 232, 1984), а также алюмосиликатных сорбентов, модифицированных соединениями магния (Петров Е.Г. Современные методы очистки природных вод фильтрованием // ЦНИИ инф., техн.-экон. иссл. и проп. ж.-д. трансп. Обз. инф. Сер. проек. строит. - 1989.- N 1.-С.16-25).

Наиболее эффективным фильтрующим материалом для извлечения гуминовых и фульвовых кислот из воды являются углеродные сорбенты с развитой мезо- и макропористой структурой (Маличенко А.В. Сорбция гумусовых соединений ионитами // Химия и технол. воды.- 1993. -15.- N 4.- С. 270- 294).

Для обезжелезивания природных вод также широко используются сорбционные методы.

Известен способ очистки природных вод от железа путем фильтрования через зернистую загрузку с нанесенным на нее слоем реагента на основе марганца, в качестве которого используют полиперманганит меди формулы (CuMn)O_mMnO₂nH₂O (а.с. СССР N 1198016, публ. 15.12.85).

Известен также способ очистки воды от железа контактированием с углерод-минеральным сорбентом, представляющим собой зауглероженную природную глину, с последующей регенерацией сорбента обработкой раствором щавелевой кислоты (патент РФ N 2046102, публ. 20.10.95).

Известные способы предназначены для очистки вод от железа и не предусматривают очистки от гумусовых веществ.

Наиболее близким к заявляемому способу очистки воды по назначению и технической сущности является способ обезжелезивания вод, содержащих гуминовые вещества (а. с. СССР N 50702, опубл. 31.03.37). Способ заключается в последовательной двухстадийной фильтрации через песочные фильтры очищаемой воды, причем на первой стадии предварительно подкисляют воду до pH 3,0-4,0 с целью коагуляции гуминовых веществ с последующим их отфильтровыванием, а на второй стадии в очищенную от гуминовых веществ воду добавляют сернокислый глинозем (алюминий), повышают pH до 6,5-8,5 и затем отфильтровывают скоагулированные примеси железа.

Недостатки прототипа в первую очередь связаны с использованием на второй стадии очистки перед фильтрацией воды предварительной коагуляции примесей железа сернокислым алюминием.

Использование коагуляции сернокислым алюминием при обезжелезивании вод в указанном интервале pH приводит к тому, что значительное количество ионов алюминия остается в воде, что сказывается на ее конечном качестве.

Кроме того, известным способом невозможно достичь высокой степени очистки воды от железа вследствие значительной буферной емкости осадка гидроксида железа, затрудняющей достижение необходимых значений pH.

И, в третьих, в известном способе имеет место простая механическая очистка воды от грубых примесей на каждой из стадий фильтрации воды через песочные фильтры.

Перечисленные недостатки известного способа не позволяют получать высокоочищенную воду, вследствие чего очищенная вода пригодна для использования в ряде производств, но не пригодна для использования в качестве питьевой и для пищевых целей.

Кроме того, способ не предусматривает регенерации фильтров.

Задачей изобретения является улучшение технологических характеристик способа за счет регенерации сорбентов и возможности повторного их использования, осуществления очистки воды и регенерации сорбентов с использованием одних и тех же реагентов или технических средств для установления pH воды, в одном и том же технологическом объеме; упрощение способа за счет отказа от коагуляции при одновременном достижении высокоэффективной очистки воды; расширение возможностей способа, позволяющего получать очищенную воду более широкого ассортимента за счет различных вариантов установления pH очищаемой воды.

Поставленная задача решается способом очистки воды от гумусовых веществ и железа последовательным пропусканием ее в две стадии через фильтрующую загрузку с регулированием pH очищаемой воды на каждой стадии таким образом, что на первую стадию фильтрации подают воду с pH 3,0-4,0 для извлечения гумусовых веществ, а на вторую стадию фильтрации подают воду с pH 6,5-9,0 для извлечения железа. В отличие от известного способа, по мере насыщения сорбционных материалов осуществляют регенерацию фильтрующей загрузки, при этом для регенерации фильтрующей загрузки первой стадии фильтрации используют регенерационные воды с pH 11,0-13,0, а второй стадии фильтрации - с pH 0-2,0 и в качестве фильтрующей загрузки используют гидрофобные сорбционные материалы.

Достижение требуемого значения pH очищаемой воды может быть осуществлено различными методами.

Так, требуемое значение pH очищаемой воды может быть достигнуто добавлением кислоты перед первой стадией фильтрации и щелочи перед второй стадией (реагентный метод).

Природа и количество добавляемых для регулирования значений pH кислоты и щелочи определяются качеством исходной воды и требованиями к очищенной воде.

Другим возможным способом задания требуемого значения pH очищаемой воды может быть пропускание ее через катионит в H⁺-форме перед первой стадией фильтрации, и через анионит в OH^--форме перед второй стадией фильтрации. При этом одновременно достигается обессоливание воды.

Кроме этого, изменение pH очищаемой воды до требуемых значений перед первой и второй стадиями фильтрации может быть достигнуто пропусканием воды через соответственно анодную и катодную камеры электролизного устройства.

Предпочтительно в качестве гидрофобных сорбентов для очистки воды от примесей гумусовых веществ и железа использовать сорбенты с максимальной емкостью по указанным веществам с развитой мезо- и макропористой структурой.

Способ предусматривает регенерацию используемых для очистки гидрофобных сорбентов по мере их насыщения извлекаемыми примесями, причем для регенерации сорбента первой стадии фильтрации используют регенерационные воды с pH 11,0-13,0, а для сорбента второй стадии фильтрации - с pH 0-2,0.

Целесообразно для установления pH регенерационных вод использовать тот же метод, что и для установления pH очищаемой воды.

Предлагаемый способ реализуется в устройстве, которое в общем виде включает два фильтрующих элемента, заполненных гидрофобными сорбционными материалами, средства для установления необходимых значений pH очищаемой воды перед подачей на каждую стадию фильтрации и pH регенерационных вод, средства для пропускания воды, а также для переключения потоков при регенерации фильтров, представляющие собой трубопроводы с запорной арматурой.

В случае установления pH очищаемой воды и регенерационных вод реагентным методом - добавлением кислоты и щелочи соответственно перед первой и второй стадиями фильтрации, устройство включает емкости для кислоты и щелочи, смесители и систему пропорционального дозирования реагентов или дозирования реагентов с контролем по pH.

В случае установления pH очищаемой воды и регенерационных вод пропусканием их через катионит в H⁺-форме перед первой стадией фильтрации и через анионит в OH^--форме перед второй стадией фильтрации, устройство в качестве средства для установления pH включает две заполненные соответствующими ионообменными материалами колонки и, при необходимости, (определяется составом воды) систему пропорционального дозирования нейтральной соли.

В случае установления требуемого значения pH очищаемой воды и регенерационных вод пропусканием их через анодную и катодную камеры электролизного устройства, устройство для очистки воды в качестве средства для задания pH включает упомянутое электролизное устройство и, при необходимости, систему пропорционального дозирования нейтральной соли.

Сущность изобретения поясняется чертежами, где на фиг. 1 представлена схема очистки воды, а на фиг. 2 - схема регенерации сорбентов для осуществления способа с использованием одного из возможных методов установления pH очищаемой и регенерационных вод - с помощью реагентов.

На представленных схемах показаны фильтрующие элементы 1 и 2, смесители 3 и 4, установленные соответственно перед первым и вторым фильтрующими элементами, емкость 5 для кислоты с дозирующим насосом 6 и емкость 7 для щелочи с дозирующим насосом 8.

Способ осуществляют следующим образом.

Подлежащую очистке воду подают в смеситель 3, куда также подают кислоту из емкости 5 с помощью дозирующего насоса 6 до установления значения pH воды, равного 3,0-4,0. После перемешивания подкисленную воду пропускают через первый фильтрующий элемент 1. В результате подкисления воды до указанного значения pH происходит понижение коллоидной устойчивости гумусовых веществ, вследствие чего их сорбция происходит более эффективно, чем при нейтральном значении pH. На этой стадии извлекается также часть железа, прочно связанного с гуминовыми кислотами. Затем очищенную от гумусовых веществ воду подают в смеситель 4, куда также из емкости 7 с помощью дозирующего насоса 8 подают щелочь до установления pH воды 6,5-9,0, после чего воду пропускают через второй фильтрующий элемент 2, на котором происходит осаждение гидроксидов железа, не связанного в комплексы с гумусовыми веществами. Очищенная вода отводится потребителю.

По мере необходимости фильтрующие элементы 1 и 2 подвергают регенерации, для чего процесс очистки воды прекращают и переключают схему подачи реагентов.

Для регенерации фильтрующего элемента 1 в смеситель 3 подают исходную воду и с помощью дозирующего насоса 8 подают щелочь из емкости 7 до установления pH воды 11,0-13,0. Полученную воду пропускают через фильтрующий элемент 1 до прекращения вымывания гумусовых веществ.

Для регенерации фильтрующего элемента 2 в смеситель 4 подают исходную воду и с помощью дозирующего насоса 6 подают кислоту из емкости 5 до установления pH воды 0-2,0. Полученную воду пропускают через фильтрующий элемент 2 до отсутствия в промывных водах ионов железа.

Аналогичным образом проводят регенерацию фильтрующих элементов для способа очистки воды, в котором для регулирования pH используется электролизер.

Регенерацию сорбентов в способе очистки воды, в котором регулирование pH осуществляют с помощью ионитов, осуществляют одновременно с регенерацией самих ионитов, причем растворы после регенерации анионита пропускают через первый фильтрующий элемент, а растворы после регенерации катионита - через второй фильтрующий элемент.

Образующиеся после промывки фильтрующих элементов регенерационные растворы собирают в емкости.

Выбранные значения pH регенерационных вод обоснованы экспериментально с учетом оптимального расхода реагентов на регенерацию сорбирующих материалов, скорости ее осуществления и объемов образующихся сточных вод.

Опытным путем показано, что очистка воды предлагаемым способом позволяет снизить содержание гумусовых веществ в 16-32 раза, а железа - в 30-60 раз. При этом содержание гумусовых веществ в различных пробах очищенной воды колеблется от 0,05 до 0,2 мг/л, а железа - от 0,01 до 0,1 мг/л, что существенно ниже соответствующих показателей качества хозяйственно-питьевой воды по требованиям ГОСТа 2874-82 "Вода питьевая". Следовательно, предлагаемый способ обеспечивает получение высококачественной питьевой воды и для пищевых целей.

Содержание гумусовых веществ в воде определяли по перманганатной окисляемости воды.

Содержание железа определяли методом атомно-абсорбционной спектрофотометрии.

Таким образом, преимуществами предлагаемой системы очистки воды от гумусовых веществ и железа являются:
- улучшение технологических характеристик - регенерация сорбентов обеспечивает способу технологическую завершенность и дает возможность повторного их использования, очистка воды и регенерация сорбентов осуществляются с использованием одних и тех же реагентов или технических средств для установления pH воды, в одном и том же технологическом объеме;
- упрощение способа за счет отказа от коагуляции с присущими ей недостатками при одновременном достижении высокоэффективной очистки воды;
- расширение возможностей способа, позволяющего получать очищенную воду более широкого ассортимента, например обессоленную, обеззараженную, с заданной минерализацией, за счет различных вариантов установления pH очищаемой воды.

Это и является новым техническим результатом, достигаемым заявленным изобретением.

Изобретение иллюстрируется следующими примерами.

Пример 1.

Для очистки воды с использованием реагентной схемы установления pH используют два радиальных фильтра, содержащих по 20 г активированного углеродного волокна Актилен. Дозирование реагентов (1 N раствор NaOH и 1 N раствор HCl) осуществляют дозатором со скоростью 0,8 мл/мин. Скорость подачи очищаемой воды - 60 л/ч.

Результаты очистки воды с применением реагентной схемы установления pH приведены в табл. 1
Пример 2.

Для очистки воды с установлением pH очищаемой воды с помощью катионитов и анионитов используют два фронтальных фильтра, содержащих по 1 г активированного углеродного волокна Актилен, и два фронтальных фильтра, содержащих по 20 мл катионита КУ 2х8 в H⁺-форме и анионита АВ-17 в OH^--форме. Очистке подвергают воду с различающейся общей минерализацией.

Результаты очистки воды с применением катионитов и анионитов для установления pH приведены в табл. 2.

Пример 3.

Для очистки воды с установлением pH очищаемой воды с помощью электролизера используют два фронтальных фильтра, содержащих по 1 г активированного углеродного волокна Актилен, и электролизер со следующими параметрами: объем катодной и анодной камер по 10 мл каждая, площадь разделительной мембраны 15 см². Результаты очистки воды с применением электролизера для установления pH приведены в табл. 3.

Кроме того, способ очистки от гумусовых веществ и железа с регулированием pH добавлением реагентов был опробован в опытно-промышленных условиях для получения воды, пригодной к использованию в ликеро-водочном производстве.

В ходе испытаний было очищено 5 м³ воды. Установка для очистки была подсоединена к водоразборному крану городской сети водоснабжения и к выходу ионитового фильтра установки натрий-катионирования.

В табл. 4 приведены показатели качества воды, очищенной предлагаемым способом, в сравнении с водой, очищенной с помощью ионообменных материалов и коагуляционным методом.

Вода, очищенная методом с регулированием pH, соответствует техническим требованиям, предъявляемым к воде, используемой для изготовления ликеро-водочной продукции.

Использование: для очистки питьевой воды, а также технологических вод для различных отраслей промышленности. Сущность изобретения: очищаемую воду последовательно пропускают через два фильтрующих элемента, причем вода, подаваемая на первую стадию фильтрации для извлечения гумусовых веществ, имеет рН 3-4, а на вторую стадию фильтрации для извлечения железа - рН 6,5-9. В качестве фильтрующей загрузки используют гидрофобные сорбционные материалы, предпочтительно с развитой мезо- и макропористой структурой. Способ предусматривает регенерацию используемых сорбентов. Для регенерации фильтрующей загрузки первой стадии используют регенерационные воды с рН 11,0 - 13,0, а второй стадии фильтрации - с рН 0 - 2,0. Регулирование рН очищаемой воды осуществляют пропусканием воды через анодную камеру электролизера перед первой стадией фильтрации и через катодную камеру электролизера перед второй стадией фильтрации. Способ обеспечивает эффективное обесцвечивание и обезжелезивание воды, регенерацию сорбентов и возможность повторного их использования. 4 з.п. ф-лы, 4 табл., 2 ил.

1. Способ очистки воды от гумусовых веществ и железа последовательным пропусканием ее в две стадии через фильтрующую загрузку с регулированием рН очищаемой воды на каждой стадии, согласно чему на первую стадию фильтрации подают воду с рН 3,0 - 4,0 для извлечения гумусовых веществ, а на вторую стадию фильтрации подают воду с рН 6,5 - 9,0 для извлечения железа, отличающийся тем, что по мере насыщения осуществляют регенерацию фильтрующей загрузки, при этом для регенерации фильтрующей загрузки первой стадии фильтрации используют регенерационные воды с рН 11,0 - 13,0, а второй стадии фильтрации - с рН 0 - 2,0 и в качестве фильтрующей загрузки используют гидрофобные сорбционные материалы. 2. Способ по п.1, отличающийся тем, что установление рН очищаемой воды осуществляют добавлением кислоты перед первой стадией фильтрации и щелочи перед второй стадией фильтрации. 3. Способ по п.1, отличающийся тем, что установление рН очищаемой воды осуществляют пропусканием воды через катионит в H⁺-форме перед первой стадией фильтрации и через анионит в OH^---форме перед второй стадией фильтрации. 4. Способ по п.1, отличающийся тем, что установление рН очищаемой воды осуществляют пропусканием воды через анодную камеру электролизера перед первой стадией фильтрации и через катодную камеру электролизера перед второй стадией фильтрации. 5. Способ по п.1, отличающийся тем, что изменение рН регенерационных вод осуществляют способом, соответствующим способу изменения рН воды на стадии очистки.