РЕЗЕРВУАР ДЛЯ ОЧИСТКИ И КОНДИЦИОНИРОВАНИЯ ПИТЬЕВОЙ ВОДЫ Российский патент 2001 года по МПК C02F1/00 E03B11/00 B01D24/12 

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) 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 водовоздушного 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 использование 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 устройству является устройство для очистки и кондиционирования воды (9), включающий коаксиальную циркуляционную вертикальную емкость - башню, снабженную окнами для перелива очищенной воды в резервуар, трубкой - трубопроводом - для подвода очищаемой воды, и горизонтальной несущей перфорированной диафрагмой с расположенным на ней слоем фильтрующей засыпки для очистки и кондиционирования исходной очищаемой воды. Первым по ходу обрабатываемой воды слоем является слой из шунгита, а вторым - из карбонатсодержащей породы. Устройство может быть выполнено с подачей очищающей воды сверху вниз и снизу вверх. В стенке емкости - башни - 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.

К недостаткам вышеуказанных устройств следует отнести то, что большинство водоочистителей хотя в той или иной степени задерживают присутствующие в воде токсиканты, 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 наиболее близкому аналогу (9) 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 - подающему трубопроводу - 2) в нижней части емкости - приемного отделения - 5 (в местах примыкания ее стен к днищу) и в удаленных от крана - устройства для забора воды из резервуара - 4 местах в резервуаре - башне - 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 ведет к ее местному размыву турбулентными потоками воды из трубки - подающего трубопровода - 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 в резервуаре для очистки и кондиционирования питьевой воды, включающем 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 сверху вниз, 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 внутри которого непосредственно на днище башни или над ним на указанной перфорированной диафрагме расположены один или несколько слоев указанной засыпки, окна для перелива очищенной воды из приемного отделения в резервуар расположены группой равномерно по периметру стен башни на одинаковой высотной отметке непосредственно над днищем резервуара, а дополнительная - вторая группа окон, предназначенных для перелива очищенной воды из резервуара в водозаборный приямок, расположена в его стенах на отметке верхнего максимального уровня воды в резервуаре.

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 сверху вниз 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).

Позиции на фиг. 1-5 обозначают:
1 - резервуар для питьевой воды; 2 - коаксиальная циркуляционная вертикальная башня; 3 - горизонтальная несущая диафрагма; 4 - приемное отделение; 5 - водозаборный приямок; 6 - трубопровод для 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 резервуара чистой воды в водозаборный приямок; 13 - окна для перелива воды из приемного отделения башни в резервуар чистой воды; 14 - водозаборная воронка; 15 - трубопровод забора воды из резервуара; 16 - горизонтальные связи жесткости между стенами резервуара и башни; 17 - трубопровод двойного назначения (переливной или для аварийного перелива воды из резервуара); 18 - люк для загрузки материалов засыпки в приемное отделение; 19 - фильтр для очистки воздуха, поступающего в резервуар; 20 - обратный клапан.

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 резервуара 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). Приямок 5 расположен в верхней части башни 2 и предназначен для заполнения чистой водой. Сквозь наружную стену резервуара и стену башни в приемное отделение 4 подведен трубопровод подачи исходной очищаемой воды 6. Водозаборный приямок 5 расположен в верхней части башни 2 и отделен несущей горизонтальной диафрагмой 3 от приемного отделения 4. В приямке 5 предусмотрены погружные насосы или водозаборная воронка с переливным трубопроводом 17. В приемное отделение 4 исходная вода подается по трубопроводу 6. Внутри отделения, непосредственно на днище башни (или над ним, на горизонтальной несущей перфорированной диафрагме 7), расположены один или несколько слоев фильтрующей засыпки 8-10. Рабочее движение исходной очищаемой воды осуществляется через все слои фильтрующей засыпки по направлению сверху вниз. Засыпка может, например, состоять из трех слоев: 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.

Первая группа окон 13, предназначенных для перелива очищенной воды из приемного отделения в резервуар 1, расположена равномерно по периметру стен башни, на одинаковой высотной отметке, непосредственно над днищем резервуара. Вторая группа окон 12, предназначенных для перелива чистой воды из резервуара в водозаборный приямок 5, расположена в его стенах на отметке верхнего максимального уровня воды в резервуаре. Для полного опорожнения резервуара предусмотрена воронка 14 с трубопроводом 15. 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, и обратным клапаном 20, обеспечивающим нормальное опорожнение и функционирование резервуара.

Устройство (см. фиг. 1) 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 горизонтальную несущую диафрагму 3, разделяющую башню 2 на водозаборный приямок 5 и приемное отделение 4, предварительно заложены водозаборная воронка и обратный клапан 20. Для гарантированного прохождения всего объема воды через засыпку предусматривается подача воды сверху вниз. Вода проникает через все слои фильтрующей засыпки, например, слои 8, 9 и 10, после чего проникает через горизонтальную несущую перфорированную диафрагму 7. Очищенная и минерализированная вода из приемного отделения башни 2 через переливные окна 13 самотеком переливается в резервуар чистой воды 1. Полностью заполнив его до максимальной отметки, чистая вода через переливные отверстия 12 заполняет приямок 5, из которого самотеком перетекает через водозаборную воронку по трубопроводу 17 потребителю (или в другой резервуар).

Воронка 14 и трубопровод 15 предназначены для спуска воды из 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 - глауконитовых известняков и гранитной крошки по сравнению с шунгитом в 5 раз ниже. Их запасы на территории Российской Федерации исчисляются сотнями миллионов тонн.

Источники информации
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 В 11/02, "Система резервуаров суточного запаса питьевой воды".

Изобретение относится к получению питьевой воды и может быть использовано для очистки и кондиционирования водопроводных и природных вод. Техническим результатом является увеличение эффективности очистки воды в устройстве, удешевление процесса очистки, возможность корректировки состава очищаемой воды по макро- и микроэлементам. Резервуар включает коаксиальную вертикальную башню, снабженную горизонтальной несущей перфорированной диафрагмой с расположенным на ней слоем фильтрующей засыпки для очистки и кондиционирования исходной очищаемой воды, рабочее движение через которую предусмотрено сверху вниз. 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 внутри которого непосредственно на днище башни или над ним на указанной перфорированной диафрагме расположены один или несколько слоев указанной засыпки. Окна для перелива очищенной воды из приемного отделения башни в резервуар расположены группой равномерно по периметру стен башни на одинаковой высотной отметке непосредственно над днищем резервуара, а дополнительная - вторая группа окон, предназначенных для перелива очищенной воды из резервуара в водозаборный приямок, расположена в его стенах на отметке верхнего максимального уровня воды в резервуаре. 5 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 сверху вниз, 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 очищенная вода, и внутри которого непосредственно на днище башни или над ним на указанной перфорированной диафрагме расположены один или несколько слоев указанной засыпки, окна для перелива очищенной воды из приемного отделения в резервуар расположены группой равномерно по периметру стен башни на одинаковой высотной отметке непосредственно над днищем резервуара, а дополнительная - вторая группа окон, предназначенных для перелива очищенной воды из резервуара в водозаборный приямок, расположена в его стенах на отметке верхнего максимального уровня воды в резервуаре.