РЕЗЕРВУАР ДЛЯ ОЧИСТКИ И КОНДИЦИОНИРОВАНИЯ ПИТЬЕВОЙ ВОДЫ Российский патент 2000 года по МПК C02F1/00 E03B11/00 B01D24/16 

Изобретение относится к получению питьевой воды и может быть использовано для очистки и кондиционирования водопроводных и природных вод.

Проблема получения высококачественной питьевой воды стоит сейчас как никогда более остро не только в России, но и во всем мире. Водопроводная вода в больших и малых городах, хотя и соответствует ГОСТ 284-82, все же является вредной для здоровья человека, так как технология водоочистки городских водопроводных станций была рассчитана на некогда чистые озерные, речные и подземные (скважинные) водозаборы, которые за последние 30 - 40 лет были загрязнены промышленными отходами.

На городских водопроводных станциях применяется хлорирование воды (для обеззараживания) и обработка сернокислым алюминием (для коагуляции). Хлор, реагируя с органическими веществами воды водозаборов, образует чрезвычайно токсичные хлорорганические вещества, а соли алюминия нейротоксичны. Плохого качества водопроводные трубы, подводящие воду в дома, корродируют под действием хлора и добавляют в питьевую воду соли железа, гораздо выше предельно допустимых концентраций.

Не лучше обстоит дело с питьевой водой в пригородных и дачных поселках. Например, по данным Ленкомэкологии из 12 скважинных водозаборов Карельского перешейка 10 не соответствуют санитарным нормам, так как в них обнаружены высокие концентрации фенолов и солей тяжелых металлов (1).

Вывод: необходима эффективная и недорогая технология доочистки водопроводной и очистки поверхностных природных вод до питьевых кондиций вблизи места ее потребления.

Известно большое количество разнообразных устройств, предназначенных для очистки воды. Например, устройство (2), при котором заполненный водой бак закрыт сверху пирамидальным кожухом из стекла или прозрачной синтетической смолы. С центральной частью бака соединен цилиндр, заполненный наполнителем для обработки воды, содержащим минеральные компоненты, главным образом кремнезем и глинозем. Через открытый сверху и снизу цилиндр, по высоте, составляющий ~ 2/3 высоты кожуха, проходит патрубок для подачи воды с верхним и боковыми выпускными отверстиями. С баком соединены трубопроводы с электронасосами для подачи и вывода воды.

Другое известное устройство (3) более упрощенной конструкции (без приводных механизмов) и предназначено для обезжелезивания питьевой воды. Это устройство содержит водонапорную башню со стволом и баком с крышей, трубопроводы подачи сырой и отбора чистой воды, аэраторный отстойник и фильтрующую зернистую загрузку. Трубопровод подачи сырой воды, проходящий внутри корпуса водяного бака, выведен сквозь его крышу и имеет перфорированные стенки.

Устройство (4) для очистки воды содержит вертикальный корпус, разделенный сетчатыми перегородками на секции, заполненные загрузкой различного фракционного состава, расположенную в нижней части корпуса камеру для исходной воды с подающим патрубком и расположенную в верхней части корпуса, расширяющуюся кверху камеру для сбора очищенной воды. Для очистки воды от тяжелых металлов оно снабжено расположенным в камере для исходной воды разделителем (в виде труб с соплами), выполненным в виде "лепестков тюльпана".

Известно устройство - контактный резервуар (5), гидравлически связанный с камерой смешения реагентов и аэрационной колонной, снабженный подвесным, с возможностью вертикального перемещения аэратором для образования водо-воздушного раствора в объеме неочищенной воды и связанным с ним гибким шлангом-воздухопроводом для подачи сжатого воздуха. Нормальная работа устройства обеспечивается путем пропуска в самотечном режиме всего объема очищаемой воды и распределения в ней части неочищенной воды, насыщенной воздухом, обеспечивающей флотационный эффект.

Известен и способ очистки воды (6), при котором воду сначала подвергают отстаиванию, затем - фильтрованию через песчаный фильтр и обработке кислородом и ионообменной смесью, содержащей 40 - 70% клиноптилолата, 30 - 15% аниоонообменного материала и 30 - 15% катиообменного материала (два последних - типа целлюлозы).

Известным является материал - окаменелые раковины (7), содержащие компоненты различных нектонов, планктона, водорослей или морских водорослей и состоящие из известняковых веществ или силиката. Их измельчают до состояния крупного песка, сушат горячим воздухом при 120 - 150^oC во вращающейся печи и охлаждают в холодильнике. Далее материал размалывают в порошок в шаровой мельнице и выделяют в циклоне в виде частиц размером 0,10 - 50,0 мкм. При такой обработке получают материал, оптимальный для улучшения качества воды.

В последние годы в продаже появилось множество различных водоочищающих устройств, предназначенных для доочистки водопроводной и природной воды. В этих устройствах используются разнообразные технологии: сорбция на активных углях, ионообменных смолах; ионообменные мембраны; электродиализ; осмос и т. д.

Для более глубокой очистки и кондиционирования питьевой воды существует целый ряд специальных установок, но особенно интересна по своей новизне и оригинальности установка, созданная на основе моделирования природных процессов самоочищения. Это устройство, частично решающее задачу очистки воды от органических, минеральных и бактериальных загрязнений (8), в котором для очистки и кондиционирования воды загрузки размещены в емкости последовательно расположенными слоями. Слой загрузки для первичной обработки выполнен из шунгита с суммарным содержанием кремнезема и алюмосиликатов, составляющем 30 - 70%, а последующий - из доломита, содержащего органические компоненты не более 0,1% от массы, в том числе: серы 1,5 - 2%, азота 0,3 - 0,6% от массы органического вещества. Возможно выполнение устройства со слоем загрузки для последующей обработки воды. Устройство может быть выполнено в погружном варианте. Емкость такого устройства выполняется из двух разъемных частей для первичной и последующей обработки воды, причем по меньшей мере часть поверхности каждой выполнена из материала с размером пор 1 - 100 мкм. Недостатками этого устройства является невозможность эффективной очистки воды от тяжелых металлов, органических и бактериальных загрязнений, а также одновременного кондиционирования ее микроэлементами.

Наиболее близким к данному изобретению является устройство для очистки и кондиционирования воды (9), содержащее емкость, в которой установлена трубка для подвода очищаемой воды. В емкости расположены слои засыпки для двухступенчатой обработки воды, при этом первый слой по ходу обрабатываемой воды выполнен из шунгита, а второй слой - из карбонатсодержащей породы. Устройство может быть выполнено с подачей очищающей воды сверху вниз и снизу вверх. В стенке емкости размещен выходной патрубок для отвода обработанной воды к потребителю. Вода может быть предварительно подвергнута фильтрованию для очистки от взвешенных загрязнителей, а также реагентной обработке, например, хлором.

Это устройство является наиболее близким к данному изобретению конкретным аналогом в практике отечественной и мировой водоочистки и принято за прототип.

К недостаткам вышеуказанных устройств следует отнести то, что большинство водоочистителей хотя в той или иной степени задерживают присутствующие в воде токсиканты, но при этом удаляют из воды полезные для человека компоненты - соли магния и кальция и, главное, комплекс микроэлементов, свойственных природной воде. Это лишает воду биологической активности, и потребитель имеет хотя и чистую, но "искусственную" воду.

Практическое применение устройства по аналогу (10) для создания резервуара большого объема для очистки и кондиционирования питьевой воды становится невозможным по ряду причин. Во-первых, при подаче воды с учетом предложенной схемы движения водных потоков (по трубке 2) в нижней части емкости 5 (в местах примыкания ее стен к днищу) и в удаленных от крана 4 местах в резервуаре 3 будут неизбежно образовываться застойные зоны воды, в результате чего будет ухудшаться качество очищаемой воды. Во-вторых, подача исходной очищаемой воды происходит непосредственно в материал фильтрующей засыпки под напором, что приведет к ее местному размыву турбулентными потоками воды из трубки 2 и выносу частиц материала засыпки в очищаемую воду.

Задачей изобретения является создание устройства, которое бы обладало следующими преимуществами перед другими устройствами для водоочистки:
а) давало бы возможность не только эффективно очищать воду от самых различных вредных веществ, но и корректировать ее состав по макро- (соли магния и кальция) и микроэлементам;
б) позволяло бы использовать более дешевые материалы для засыпки - природные минералы и породы, на основе которых моделировались бы природные процессы самоочищения воды;
в) предлагаемое устройство было бы эффективно при использовании в резервуарах больших объемов, входящих в состав систем хозяйственно-питьевого водоснабжения;
г) допускалась бы возможность замены фильтрующей засыпки на новую или ее регенерация (без разборки);
д) допускалась бы возможность использования изобретения для очистки воды в сетях не только холодного, но и горячего водоснабжения, а также для очистки сточных вод различных производств;
е) исключалась бы возможность образования внутри резервуара и внутри фильтрующей засыпки застойных зон воды, отрицательно влияющих на микробиологические и органолептические показатели качества воды.

Указанная задача решается тем, что резервуар для очистки и кондиционирования питьевой воды, включающий коаксиальную вертикальную башню, снабженную окнами для перелива очищенной воды в резервуар и горизонтальной несущей перфорированной диафрагмой с расположенным на ней слоем фильтрующей засыпки для очистки и кондиционирования исходной очищаемой воды, рабочее движение через которую предусмотрено снизу вверх, отличающаяся тем, что башня разделена дополнительной горизонтальной несущей диафрагмой жесткости на две части: водозаборный приямок для очищенной воды, в котором установлены погружные насосы или водозаборная воронка с трубопроводом, и приемное отделение, куда по трубопроводу подается исходная очищенная вода, и в верхней части которого размещена указанная перфорированная диафрагма с одним или несколькими слоями указанной засыпки, окна для перелива очищенной воды из приемного отделения в резервуар расположены группой равномерно по всему периметру стен приемного отделения башни на одинаковой высотной отметке над верхним слоем засыпки, а дополнительная - вторая группа окон, предназначенных для перелива очищенной воды из резервуара в водозаборный приямок, расположена в стенах башни непосредственно под днищем резервуара.

Сущность изобретения поясняется чертежами, где на фиг.1 представлен вертикальный разрез (по 1-1) резервуара для очистки и кондиционирования питьевой воды с рабочим движением исходной воды по направлению снизу вверх через фильтрующую засыпку; на фиг. 2 - горизонтальный разрез резервуара (по а-а); на фиг. 3 - то же (по б-б); на фиг.4 - то же (по в-в); на фиг. 5 -то же (по г-г); на фиг.6 - то же (по д-д); на фиг.7 - то же (по е-е).

Позиции на чертежах обозначают:
1 - резервуар для питьевой воды; 2 - коаксиальная циркуляционная вертикальная башня; 3 - горизонтальная несущая диафрагма; 4 - приемное отделение; 5 - водозаборный приямок; 6 - трубопровод подачи исходной очищаемой воды; 7 - горизонтальная несущая перфорированная диафрагма; 8 - нижний слой засыпки (измельченная углеродистая шунгитовая порода, содержащая алюмосиликаты, кварц и аморфный углерод); 9 - средний слой засыпки (карбонатсодержащая порода - измельченная и подвергнутая активации осадочная порода - окаменелые органические остатки древних организмов, по химическому и биохимическому составу близких к современным кораллам); 10 - верхний слой засыпки (чистый крупнозернистый песок); 11 - горизонтальная пористая прокладка; 12 - окна для перелива воды из приемного отделения башни в резервуар чистой воды; 13 - окна для перелива воды из резервуара чистой воды в водозаборный приямок; 14 - водозаборная воронка; 15 - трубопровод забора воды из резервуара; 16 - горизонтальные связи жесткости между стенами резервуара и башни; 17 - трубопровод аварийного перелива воды из резервуара; 18 - люк для загрузки материалов засыпки в приемное отделение; 19 - фильтр для очистки воздуха, поступающего в резервуар.

Резервуар для очистки и кондиционирования питьевой воды (см. фиг. 1) состоит из резервуара для питьевой воды 1 наземного, заглубленного или подземного исполнения, выполненного из металла, железобетона или других известных материалов, преимущественно цилиндрической формы в плане, внутри которого расположена коаксиальная циркуляционная вертикальная башня 2, разделенная горизонтальной несущей диафрагмой 3 на приемное отделение 4 (см. фиг.2, 3 и 4) и водозаборный приямок 5 (см. фиг.5), который может быть выполнен на одной отметке с днищем резервуара или заглубленным в него. Сквозь наружную стену резервуара и стену башни в приемное отделение подведен трубопровод подачи исходной очищаемой воды 6. В верхней части приемного отделения предусмотрена горизонтальная несущая перфорированная диафрагма 7, на которую последовательно уложены один или несколько слоев засыпки, предназначенной для обработки воды при ее рабочем движении по направлению снизу вверх. Засыпка может, например, состоять из трех слоев 8, 9 и 10: нижний слой - из измельченной шунгитовой породы 8; средний слой - из карбонатсодержащей породы 9; верхний слой - из чистого крупнозернистого песка 10. Каждый слой засыпки может быть уложен непосредственно друг на друга или на горизонтальную пористую прокладку 11. По периметру стен башни, выше отметки верхнего слоя засыпки, на одинаковой высотной отметке выполнены окна 12 для перелива воды из приемного отделения башни в резервуар чистой воды (после ее прохождения через все слои засыпки). Аналогичные окна 13 расположены в стенах водозаборного приямка. Они предназначены для перетекания чистой воды из резервуара к водозаборной воронке 14, откуда вода по трубопроводу 15 через водозаборную воронку, или с помощью погружных насосов откачивается потребителю. Кроме этого, в сооружении предусмотрены горизонтальные связи жесткости 16, установленные равномерно по периметру резервуара, между его наружными стенами и башней. Трубопровод 17 аварийного перелива воды предотвратит резервуар от разрушения в случае его переполнения. Резервуар также оборудован люком 18 для загрузки материалов засыпки в приемное отделение (кроме обычных люков), фильтрами 19 для очистки воздуха, поступающего в резервуар при его опорожнении.

Устройство работает следующим образом: в резервуар чистой воды 1, а точнее - в приемное отделение 4 центральной башни 2 по трубопроводу 6 подается исходная очищаемая вода. В горизонтальной несущей диафрагме 3, на которую льется вода, предварительно заложен трубопровод для спуска воды (с вентилем на нем) в водозаборный приямок 5 (например, при необходимости ремонта или очистки резервуара). При закрытом положении этого вентиля вода, заполняя приемное отделение 4, проникает через горизонтальную несущую перфорированную диафрагму 7 и горизонтальную пористую прокладку 11, после чего проникает в нижний слой засыпки 8, состоящий, например, из измельченной углеродистой шунгитовой породы. (Для гарантированного прохождения всего объема воды через засыпку предусматривается подача воды снизу вверх). При взаимодействии исходной воды с этим слоем засыпки происходит ряд физико-химических процессов, в том числе окисление и сорбция содержащихся в воде вредных примесей, подкисление воды, а также растворение некоторой части кремнеземистой составляющей шунгита и переход в воду молекул поликремниевых кислот, способных к комплексообразованию с поливалентными металлами и органическими соединениями сложной структуры. Далее вода, содержащая микроколичества поликремниевых кислот, проходит через горизонтальную пористую перегородку 11 и второй слой засыпки 9 (например, состоящий из карбонатсодержащей породы - окаменелых органических остатков древних микроорганизмов, по химическому и биохимическому составу близких к современным кораллам). Затем уже очищенная и минерализированная вода проходит через перегородку 11 и, например, третий слой засыпки 10 (чистый крупнозернистый песок), который задерживает захваченные из предыдущих слоев засыпки мелкие частицы. Заполнив доверху приемное отделение башни, чистая питьевая и минерализированная вода через переливные окна 12, расположенные на одинаковой высотной отметке (над верхним слоем засыпки) в стенах башни, самотеком переливается в резервуар чистой воды 1. Через аналогичные переливные окна 13, расположенные непосредственно над днищем резервуара в стенах башни 2, чистая вода перетекает в водозаборный приямок 5. Забор воды потребителю из приямка 5 осуществляется путем откачки через водозаборную воронку 14 по трубопроводу 15 с помощью соответствующего оборудования. Трубопровод 15 предназначен для полного опорожнения резервуара 1 (например, при необходимости ремонта или очистки резервуара).

В отличие от прототипа предложенное изобретение устраняет перечисленные выше недостатки, поскольку:
1) позволяет в больших объемах эффективно очищать воду от самых различных вредных веществ и корректировать ее состав по макро- и микроэлементам, подобрав для этого соответствующий состав фильтрующей засыпки (в зависимости от конкретных требований по водоочистке); вода при этом приобретает биологическую активность, свойственную природной родниковой воде;
2) позволяет использовать в качестве фильтрующей засыпки более дешевые природные минералы и породы, на основе которых можно смоделировать природные процессы самоочищения воды (есть возможность толщину отдельных слоев засыпки подобрать примерно такой же, какая встречается в естественных природных условиях);
3) предложенная схема движения водных потоков и наличие циркуляционной башни внутри резервуара исключает возможность образования застойных зон воды внутри сооружения;
Экономические показатели рекомендуемой для применения в резервуаре по изобретению фильтрующей засыпки: основной компонент - дробленая шунгитовая порода (шунгит III) добывается в Карелии АО "Карбон-шунгит", продажная цена - 250 долларов США за тонну. Для сравнения - цена 1 тонны активированного угля - наиболее дешевого и широко используемого материала для очистки воды - 3000 долларов США за тонну.

Разведанные в России запасы шунгитовых пород, пригодных для водоочистки, составляют порядка 300 млн. тонн. А стоимость других компонентов загрузки - глауканитовых известняков и гранитной крошки - по сравнению с шунгитом в 5 раз ниже. Их запасы на территории Российской Федерации исчисляются сотнями миллионов тонн.

Использованная литература:
1. Состояние окружающей среды Северо-западного и Северного регионов России. СПб.: "Наука", 1995, с.135.

2. Заявка на изобретение N 53-63566 от 26.05.78 г., МКИ4 C 02 F 1/68, 1/00, Япония, "Установка для обработки воды".

3. Заявка на изобретение N 93041219/26 от 16.08.93 г., МКИ6 C 02 F 1/64, "Устройство для очистки воды".

4. Патент РФ N 2052391, МКИ6 C 02 F 1/62, "Способ очистки сточных вод и устройство для его осуществления".

5. Заявка на изобретение N 93019832/26 от 14.04.93 г., МКИ4 C 02 F 1/24, "Контактный резервуар"
6. PCT (WO), C 02 F 1/42, УДК 628.33, Международная заявка N 84.03881, "Способ очистки воды", Бюл. N 24 от 10.11.84 г.

7. Заявка на изобретение N 2-265685, МКИ5 C 02 F 1/28, B 01 D 21/01, C 02 F 1/42, "Способ повышения качества обработки воды и материал для такой обработки".

8. Патент РФ N 2049070, МКИ6 C 02 F 1/18, "Устройство для очистки и кондиционирования воды".

9. Патент РФ N 2056358, МКИ6 C 02 F 1/18, "Устройство для очистки и кондиционирования воды".

10. Патент РФ N 2027828, МКИ6 E 03 B 11/02, "Система резервуаров суточного запаса питьевой воды".

Изобретение относится к получению питьевой воды. Техническим результатом является усовершенствование существующих устройств. В резервуаре для очистки и кондиционирования питьевой воды, включающем коаксиальную вертикальную башню, внутри которой имеется фильтрующая засыпка, башня разделена горизонтальной несущей диафрагмой жесткости на две части: водозаборный приямок для очищенной воды, в котором установлены погружные насосы или водозаборная воронка с трубопроводом, и приемное отделение, куда по трубопроводу подается исходная очищаемая вода. В верхней части приемного отделения на горизонтальной несущей перфорированной диафрагме расположены один или несколько слоев фильтрующей засыпки для очистки и кондиционирования исходной воды, рабочее движение которой через фильтрующую засыпку предусмотрено снизу вверх. Имеются две группы переливных окон - одна группа окон для перелива очищенной воды из приемного отделения в резервуар расположена равномерно по периметру стен башни, на одинаковой высотной отметке над верхним слоем засыпки, а вторая группа окон, предназначенных для перелива чистой воды из резервуара в водозаборный приямок, расположена в стенах башни непосредственно над днищем резервуара. 7 ил.

Резервуар для очистки и кондиционирования питьевой воды, включающий коаксиальную вертикальную башню, снабженную окнами для перелива очищенной воды в резервуар и горизонтальной несущей перфорированной диафрагмой с расположенным на ней слоем фильтрующей засыпки для очистки и кондиционирования исходной очищаемой воды, рабочее движение через которую предусмотрено снизу вверх, отличающийся тем, что башня разделена дополнительной горизонтальной несущей диафрагмой жесткости на две части : водозаборный приямок для очищенной воды, в котором установлены погружные насосы или водозаборная воронка с трубопроводом, и приемное отделение, куда по трубопроводу подается исходная очищаемая вода, и в верхней части которого размещена указанная перфорированная диафрагма с одним или несколькими слоями указанной засыпки, окна для перелива очищенной воды из приемного отделения в резервуар расположены группой равномерно по всему периметру стен приемного отделения башни на одинаковой высотной отметке над верхним слоем засыпки, а дополнительная - вторая группа окон, предназначенных для перелива очищенной воды из резервуара в водозаборный приямок, расположена в стенах башни непосредственно над днищем резервуара.