СПОСОБ ОЧИСТКИ И ОБЕССОЛИВАНИЯ ПОВЕРХНОСТНЫХ И ПОДЗЕМНЫХ ВОД И МОДУЛЬНАЯ УСТАНОВКА ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ Российский патент 2002 года по МПК C02F1/64 B01D39/10 

Изобретение относится к водоснабжению, в частности к средствам и безреагентным способам получения питьевой воды из поверхностных и подземных вод повышенной минерализации (до 3000 мг/л и более) с высокой жесткостью (до 15 мг-экв/л) и большим содержанием железа (до 15 мг/л ) и ряд других примесей.

Железо в поверхностных и подземных водах присутствует 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 др. Гумусовые вещества в природных водах, обуславливающие цветность воды, находятся во взвешенном (нерастворимые вещества почвы), в коллоидном и в растворимом состояниях (фульвовые и гуминовые кислоты в виде солей щелочных и щелочноземельных металлов). При нейтральном значении pH воды гуминовые кислоты присутствуют в воде в виде коллоидов, а фульвовые кислоты - в растворимом виде) (Николадзе Г.И. "Технология очистки природных вод": Учебн. для вузов. - М.: Высш. шк. - 1987. - с. 20-27).

Очистка и обезжелезивание воды необходимо для улучшения органолептических свойств воды, а также для кондиционирования минерального состава в соответствии с требованиями, предъявляемыми к качеству воды.

Известен способ очистки подземных вод от железа аэрированием с последующим фильтрованием через два слоя фильтрующего материала, причем фильтрующие слои разделены между собой, при этом в первом фильтрующем слое происходит окисление железа до гидроксида, а во втором фильтрующем слое - удержание образовавшегося гидроксида железа, между фильтрующими слоями размещен коагулятор для укрупнения частиц гидроксида железа (см., например, патент РФ 2085512, С 02 F 1/64, публ. 27.07.97, Бюл. 21).

Недостатком способа является громоздкость предфильтра: высота фильтрующего слоя из крупнозернистой (7-10 мм) объемной загрузки (дробленый керамзит, антрацит, фарфор, керамика и т.п.) 1 м и довольно слабое отделение от воды взвешенной гидроокиси железа в фильтре тонкой очистки (крупностью всего выше 60 мкм), что обязательно приведет к проскокам железа, например, в питьевую воду, несмотря на наличие в схеме очистки коагулятора для укрупнения частиц гидроокиси железа.

Известен способ очистки воды от гумусовых веществ и железа последовательным пропусканием ее в две стадии через фильтрующую загрузку из гидрофобных сорбционных материалов с регулированием pH очищаемой воды на каждой стадии, согласно чему на первую стадию фильтрации подают воду с pH 3-4 для извлечения гумусовых веществ, а на вторую стадию фильтрации подают воду с pH 6,5-9 для извлечения железа с регенерацией фильтрующей загрузки первой стадии регенерационными водами с pH 11-13, а второй стадии фильтрации - с pH 0-2 (см., например, патент РФ 2158231, С 02 F 1/28, публ. 27.10.2000, Бюл. 30).

Недостатком способа является сложность технологического процесса водоподготовки, требующего многократной коррекции pH как при приготовлении регенерационных растворов, так и при установлении pH очищаемой воды, а также большое количество применяемых для этих целей и для регенерации ионообменных смол химических реагентов (кислоты и щелочи) или использование специального электролизера для коррекции pH, что значительно удорожает процесс очистки питьевой воды.

Известно также устройство для очистки подаваемой водопроводной воды через высокоградиентный магнитный сепаратор для выделения суспензированных в нем мелких магнитных частиц из присутствующих в воде ионов железа, патронный фильтр и емкость с большим количеством фильтрующих элементов, состоящих из тонких ферромагнитных проволок, расположенных в радиальном направлении, для удаления из воды этих частиц под воздействием магнитных сил торроидальных постоянных магнитов, с постепенно замедляющейся скоростью воды в системе фильтрации, с целью повышения качественных показателей питьевой воды (см., например, JP А, заявка 2-265688, С 02 F 1/48, публ. 90. 10. 30).

Недостатком устройства является использование для выделения суспензированных мелких магнитных частиц в обрабатываемой водопроводной воде высокоградиентного магнитного сепаратора с высокой общей напряженностью магнитного поля и при этом с обязательной необходимостью более частой обратной промывки совместно с отключением магнитного поля в системе фильтрации, включающей элементы из тонких ферромагнитных проволок, от постоянно налипающих на них мелких магнитных частиц, что значительно ограничивает возможности способа и повышает его конечную себестоимость.

Известен способ обессоливания природных вод, содержащих ионы жесткости, который ведут электродиализом с подачей анолита в катодную камеру электродиализатора, с целью повышения надежности способа за счет более полного предотвращения осадкообразования. Электродиализ ведут при циркуляции анолита через катодную и анодную камеры и соотношении катодной и анодной плотностей тока (7,5-15): 1 (см., например, авт. св. СССР 1430055, B 01 D 61/42, публ. 15.10.88, Бюл. 38).

К недостаткам данного способа следует отнести образование осадка, который, накапливась при повторении, например, кратковременных задержек циркуляции анолита через катодную и анодную камеры, который и приведет к остановке процесса.

Известен также способ обессоливания воды путем электродиализа в электродиализаторе с чередующимися камерами концентрирования и обессоливания, с подпиткой камер обессоливания, в котором, с целью снижения напряжения на электродиализаторе за счет предотвращения осадкообразования на мембранах, в камеры обессоливания через одну, начиная от электродных камер, подают раствор электролита, содержащий осадкообразующие ионы в количестве меньшем, чем соответствующее их произведение растворимости в камерах концентрирования (см. , например, авт. св. СССР 698632, В 01 D 61/44, публ. 25.11.79, Бюл. 43).

Недостатком способа является высокая себестоимость обессоливания воды с применением электролита с осадкообразующими ионами, не устраняющего полностью причину осадкообразования на мембранах электродиализатора.

Известна станция очистки и обессоливания воды, содержащая последовательно соединенные подводящую магистраль, блок параллельных фильтров, снабженный коллекторами подвода исходной воды и вывода очищенной воды, а также подводящим и отводящим коллекторами регенерационной воды, насос высокого давления и обратноосмотический аппарат с линиями вывода концентрата и обессоленной воды (см., например, патент РФ 2058273, С 02 F 9/00, публ. 20.04.96, Бюл. 11).

Недостатком станции очистки и обессоливания воды является отсутствие в ней предварительной аэрации воды с целью перевода растворимого железа в гидроксид и предотвращения попадания его на обратноосмотические мембраны и вывода их из строя. Введение в процесс очистки воды предварительной аэрации приведет к снижению затрат на поддержание производительности станции и соответственно к снижению себестоимости производства питьевой воды.

Известна мембранная установка по получению обессоленной воды, содержащая 3-и пары песчаных фильтров и промежуточных емкостей, снабженных микрофильтрами, насос высокого давления, 2-е пары мембранных фильтров, соединенных через соответствующие вентили со сборником пермеата, дроссель, емкость для хранения химических реагентов, соединенная с насосом подачи исходной воды через насос-дозатор (см., например, патент РФ 2139755, В 01 D 63/00, публ. 20.10.98, Бюл. 29).

Недостатком мембранной установки является отсутствие предварительной аэрации воды перед песчаными фильтрами с целью перевода растворимого железа в гидроксид и предотвращения попадания его на микрофильтры. Проскоки ионов железа на микрофильтры, частая их регенерация или замена нарушат непрерывность функционирования мембранной установки, увеличат затраты на регламентное обслуживание и при этом увеличится себестоимость производства питьевой воды.

Известна также установка для очистки и осветления воды, относящаяся к установкам предварительной очистки поверхностных и подземных вод с высокой жесткостью (до 300-400 мг-экв/л) и большим содержанием железа, для использования в комплексе с системами обессоливания при получении воды хозяйственно-питьевого назначения, состоящая из аэратора-эжектора, осветлителя, песчаного фильтра с дополнительным осветлителем и насосом отвода воды на песчаный фильтр, 2-х фильтров-прессов с насосами подачи осадка для получения его сухим (см. , например, патент РФ 2151744, C 02 F 1/52, 9/00, публ. 27.06.2000).

К недостаткам известного изобретения следует отнести громоздкость предложенного средства очистки, использование химических реагентов - щелочи и соды, требующих обязательной коррекции pH в случае его использования при получении питьевой воды, что значительно увеличит ее себестоимость.

Наиболее близким к заявляемому способу очистки и обессоливания поверхностных и подземных вод и модульной установки для его осуществления, по назначению и технической сущности, является способ очистки подземных вод от железа и других примесей, взятый авторами в качестве прототипа, включающий: насос высокого давления, фильтр механической очистки (предфильтр), блок газового насыщения со слоем окислителя, блок-очиститель (фильтр тонкой очистки), накопительную емкость для очищенной воды. Причем в предфильтре происходит отделение механических взвесей, железоорганики и других примесей, в блоке газового насыщения со слоем окислителя, выполненным в виде плавающей зернистой загрузки, происходит окисление железа и других металлов до нерастворимой фазы, в фильтре тонкой очистки происходит удержание образовавшихся нерастворимых окислов железа и других металлов, причем перед окислителем на водовоздушную смесь накладывают колебания для организации колебательного режима (см. , например, патент РФ 2142432, С 02 F 1/64, публ. 10.12.99, Бюл. 34).

Недостатком известного способа очистки подземных вод от железа и других примесей является отсутствие автоматизации процесса очистки и громоздкость установки - фильтрующий слой (предфильтр) представляет собой многокомпонентный фильтрующий материал из полиэфирных волокон толщиной 7 мм, диаметром 70 мм и высотой 1500 мм; окислитель - с высотой слоя загрузки 1500 мм и диаметром 150 мм, а фильтр тонкой очистки - металлокерамический фильтрующий материал высотой 1500 мм и диаметром 80 мм. К тому же, фильтрующий слой (предфильтр), несущий основную нагрузку по очистке воды от механических примесей, органических веществ и частично от трехвалентных ионов железа, будет быстро загрязняться и выходить из строя, что значительно повысит затраты на поддержание производительности установки из-за частой регенерации или его замены, что значительно увеличивает себестоимость питьевой воды
Целью предлагаемого изобретения является автоматизация процесса очистки и обессоливания поверхностных и подземных вод, а также промывки фильтрующих элементов, уменьшение габаритных размеров модульной установки, снижение себестоимости производства питьевой воды, повышение степени очистки и улучшение качественных показателей питьевой воды.

Указанная цель достигается тем, что способ очистки и обессоливания поверхностных и подземных вод и модульная установка для его осуществления, включающий предочистку, аэрирование, центробежное отделение взвешенных частиц и фильтрование, обессоливание и обеззараживание, отличающийся тем, что используется мелкодисперсный пузырьковый режим аэрации в блоке газового насыщения, создаваемый насосом высокого давления, водовоздушным эжектором или компрессором и диспергатором, установленным на дне аэрационной колонки с автоматическим клапаном сброса избыточного воздуха, и обеспечивающий окисление железа до нерастворимой фазы и превращение окислов железа в магнетиты, которые при прохождении через блок из постоянных магнитов превращаются в центры кристаллизации с размером частиц 1-3 мкм и далее мгновенно удаляются центробежными силами и фильтрованием в напорном фильтре-гидроциклоне, а оставшиеся в воде мелкие магнитные частицы с размером менее 1 мкм доочищаются зарядной фильтрацией в блоке-очистителе из полимерного материала с пространственно-глобулярной структурой (ПГС), меняющей электрический заряд в зависимости от физического состояния частиц (+) или (-), затем вода обессоливается в электродиализном аппарате, регулируется ее общее солесодержание с помощью блока ротаметров и финишно осуществляется обеззараживание воды ультрафиолетовым стерилизатором и подается в накопительную емкость для очищенной воды, при этом между блоком газового насыщения блоком-очистителем последовательно расположены блок из постоянных магнитов и напорный фильтр-гидроциклон, а за блоком-очистителем последовательно расположены электродиализный аппарат с блоком ротаметров, ультрафиолетовый стерилизатор и накопительная емкость для очищенной воды.

Заданный мелкодисперсный пузырьковый режим позволяет аэрировать воду воздухом с диаметром пузырьков 0,2-0,6 мм при давлении 1,3-2,0 ати.

Блок из постоянных магнитов набран из отдельных сердечников магнитных элементов с напряженностью магнитного поля 1000-2000 Э на трубопроводе из нержавеющей стали.

Процесс обессоливания "омагниченной" воды, в электродиализном аппарате с чередующимися камерами концентрирования и обессоливания, осуществляется без применения мер по предотвращению осадкообразования на мембранах.

Модульная установка для очистки и обессоливания поверхностных и подземных вод использует для отделения механических взвесей, железоорганики и других примесей фильтр механической очистки с сеткой саржевого плетения из нержавеющей стали с размером ячеек 5 мкм и системой обратной промывки и дополнительно содержит гидравлически соединенные блок газового насыщения с насосом высокого давления через фильтр механической очистки и диспергатором, блок из постоянных магнитов, фильтр-гидроциклон, электродиализный аппарат, блок ротаметров и ультрафиолетовый стерилизатор.

На чертеже представлена принципиальная схема модульной установки для очистки и обессоливания поверхностных и подземных вод.

Модульная установка для очистки и обессоливания поверхностных и подземных вод работает следующим образом.

Исходная вода из приемной емкости, в которую погружным насосом у потребителя вода по подводящей магистрали подается из поверхностных или подземных источников, насосом высокого давления 1 подается на фильтр механической очистки 2 с системой обратной промывки, где отделяются сеткой саржевого плетения из нержавеющей стали механические взвеси, железоорганика и другие примеси с размером частиц более 5 мкм, а шлам из шламовой камеры сбрасывается в дренажную систему. Время регенерации обратным током воды не более 1 мин.

Очищенная от механических взвесей, железоорганики и других примесей вода далее поступает в блок газового насыщения 3 для аэрации мелкодисперсным воздухом, с диаметром пузырьков 0,2-0,6 мм при давлении 1,3-2 ати, с помощью водовоздушного эжектора 12 и диспергатора 13 с целью окисления растворимого и частично гидролизованного железа в гидроксид и превращения его в магнетиты - Fe₂O₃ и Fе₃O₄ в диапазоне 6,5<рН>9,7 (Радовенчик В.М., Гомеля Н.Д., Лукяник С. И. "Измерение окислительно-восстановительного потенциала при аэрации желесодержащих растворов". ISSN 0204-3556. Химия и технология воды, 1997, т. 19, 4, с.339-344). Для большинства природных вод коррекции pH не требуется. В случае необходимости коррекции pH природных вод на этой стадии обработки, с целью ускорения процесса осуществления реакции ферритизации с образованием кристаллического осадка с магнитными характеристиками и размерами частиц порядка 0,1 мкм, анолит или католит берется из рабочих камер электродиализного аппарата 8.

Далее вода поступает в блок из постоянных магнитов 6, с напряженностью магнитного поля 1000-2000 Э, в котором мельчайшие частицы оксидов железа приобретают свойства постоянных магнитиков, благодаря чему они растут и, поступая в напорный фильтр-гидроциклон 7, превращаются уже в грубодисперсные частицы твердой фазы (ассоциаты) с размером порядка 1-3 мкм, к которым присоединяются и частицы солей жесткости. Эти частицы, прижимаясь центробежными силами к конической части напорного фильтра-гидроциклона 7, мгновенно попадают уже с размерами от 10 до 60 мкм в его шламовую камеру с автоматическим сбросом накопившегося шлама. Время сброса шлама - 30-40 с. Осадок, после предварительной его осушки, можно использовать в специальных технологиях получения красок в виде добавок пигментов.

Формирование крупных ассоциатов в напорном фильтре-гидроциклоне 7 является одной из основных функций этого устройства, обуславливающей его высокие сепарирующие качества, а получение на нем максимально возможного перепада давления позволяет, как правило, получить высокую скорость поступления воды в напорный фильтр-гидроциклон 7 и обеспечить более интенсивное из воды шламоотделение.

Более мелкие частицы (менее 1 мкм), проходя через сетку саржевого плетения из нержавеющей стали фильтра-патрона напорного фильтра-гидроциклона 7 с размером ячеек 1 мкм, будут выноситься потоком чистой воды для последующего их удаления в блоке-очистителе 4 с помощью полимерного материала с пространственно-глобулярной структурой (ПГС), работающего за счет зарядной фильтрации, проявляющейся при взаимодействии электромагнитных заряженных частиц с микроглобулами ПГС, которые меняют электрический заряд в зависимости от физического состояния этих частиц (+) или (-). Взвешенные вещества и соли жесткости в блоке-очистителе 4 не будут проникать в полимерный материал, а будут от него отталкиваться и стекать по поверхности очистителя в камеру для шлама, из которой он сбрасывается в дренажную систему. Блок-очиститель 4 регенерируется обратной продувкой воздухом, с использованием, например, компрессора, в течение 30-40 с или обратной промывкой водой в течение 1-2 мин.

Далее вода сначала поступает в электродиализный аппарат 8 для обессоливания воды повышенной минерализации с регулированием ее солесодержания на выходе с помощью блока ротаметров 9 (при необходимости, рассол, образовавшийся в рабочих камерах концентрирования, сбрасывается в дренажную систему), затем в ультрафиолетовый стерилизатор 10 для ее обеззараживания и, соответственно, в накопительную емкость для очищенной воды 5 для ее запаса в случае пикового расхода потребителем.

При обессоливании воды путем электродиализа, в электродиализном аппарате 8 с чередующимися рабочими камерами концентрирования и обессоливания, после удаления при водоподготовке из воды железоорганики и других примесей с применением предварительной аэрации, "омагничивания" и мгновенным удалением образовавшегося мелкокристаллического шлама в напорном фильтре-гидроциклоне 7 и блоке-очистителе 4, практически не образуются осадки на мембранах в камерах обессоливания и концентрирования из-за изменения структуры присутствующих в воде карбонатов кальция и магния, повышается проницаемость воды через мембраны, улучшается процесс очистки и промывки электродных камер от продуктов электродиализа, улучшается качество питьевой воды по сравнению с прототипом и другими известными способами.

При обеззараживании питьевой воды УФ-облучением с длиной волны 254 нм разрушаются молекулы ДНК в клетках бактерий и микроорганизмов, препятствуя их размножению.

Пример. По приведенному выше описанию и предложенному способу очистки и обессоливания поверхностных и подземных вод на модульной установке для его осуществления, производительностью 2 м³/час, проводилась очистка, обессоливание и обеззараживание модельного раствора следующего химического и микробиологического состава: железо общее - 10 мг/л, мутность - 23,1 ЕМ/л, марганец - 0,74 мг/л, сухой остаток - 2950 мг/л, жесткость общая - 4,1 ммоль/л, ОМЧ - 1200 КОЕ/л, Коли-индекс - 10 КОЕ/л.

После очистки, обессоливания и обеззараживания модельного раствора получены следующие результаты: железо общее - 0,02 мг/л, мутность - 0,5 ЕМ/л, марганец < 0,01 мг/л, сухой остаток - 60 мг/л, жесткость общая < 0,2 ммоль/л, ОМЧ - 10 КОЕ/л, Коли-индекс < 3 КОЕ/л.

Гигиенический норматив (СанПиН, МДУ, ПДК и т.д.): железо общее - 0,3 мг/л, мутность - 2,6 ЕМ/л, марганец - 0,1 мг/л, сухой остаток - 1000 мг/л, жесткость общая - 7 мг-экв/л, ОМЧ - 50 КОЕ/л, Коли-индекс - 3 КОЕ/л.

Способ очистки и обессоливания поверхностных и подземных вод для повышения качества очистки заключается в том, что используют мелкодисперсный пузырьковый режим аэрации в блоке газового насыщения, создаваемый насосом высокого давления, водовоздушным эжектором или компрессором и диспергатором. А модульная установка для осуществления способа для повышения эффективности в эксплуатации содержит фильтр механической очистки с сеткой саржевого плетения из нержавеющей стали с размером ячеек 5 мкм. 2 с. и 3 з.п. ф-лы, 1 ил.

1. Способ очистки и обессоливания поверхностных и подземных вод, включающий предочистку, аэрирование, центробежное отделение взвешенных частиц и фильтрование, обессоливание и обеззараживание, отличающийся тем, что используется мелкодисперсный пузырьковый режим аэрации в блоке газового насыщения, создаваемый насосом высокого давления, водовоздушным эжектором или компрессором и диспергатором, установленным на дне аэрационной колонки с автоматическим клапаном сброса избыточного воздуха, и обеспечивающий окисление железа до нерастворимой фазы и превращение окислов железа в магнетиты, которые при прохождении через блок из постоянных магнитов превращаются в центры кристаллизации с размером частиц 1-3 мкм и далее мгновенно удаляются центробежными силами и фильтрованием в напорном фильтре-гидроциклоне, а оставшиеся в воде мелкие магнитные частицы с размером менее 1 мкм доочищаются зарядной фильтрацией в блоке-очистителе из полимерного материала с пространственно-глобулярной структурой (ПГС), меняющей электрический заряд в зависимости от физического состояния частиц (+) или (-), затем вода обессоливается в электродиализном аппарате, регулируется ее общее солесодержание с помощью блока ротаметров и финишно осуществляется обеззараживание воды ультрафиолетовым стерилизатором и подается в накопительную емкость для очищенной воды, при этом между блоком газового насыщения, блоком-очистителем последовательно расположены блок из постоянных магнитов и напорный фильтр-гидроциклон, а за блоком-очистителем последовательно расположены электродиализный аппарат с блоком ротаметров, ультрафиолетовый стерилизатор и накопительная емкость для очищенной воды. 2. Способ очистки и обессоливания поверхностных и подземных вод по п. 1, отличающийся тем, что заданный мелкодисперсный пузырьковый режим позволяет аэрировать воду с воздухом с диаметром пузырьков 0,2-0,6 мм при давлении 1,3-2,0 ати. 3. Способ очистки и обессоливания поверхностных и подземных вод по п. 1, отличающийся тем, что блок из постоянных магнитов набран из отдельных сердечников магнитных элементов с напряженностью магнитного поля 1000-2000 Э на трубопроводе из нержавеющей стали. 4. Способ очистки и обессоливания поверхностных и подземных вод по п. 1, отличающийся тем, что процесс обессоливания "омагниченной" воды, в элекродиализном аппарате с чередующимися камерами концентрирования и обессоливания, осуществляется без применения мер по предотвращению осадкообразования на мембранах. 5. Модульная установка для очистки и обессоливания поверхностных и подземных вод, включающая предфильтр, аэратор и окислитель, фильтр тонкой очистки, емкость для очищенной воды, отличающаяся тем, что для отделения механических взвесей, железоорганики и других примесей используется фильтр механической очистки с сеткой саржевого плетения из нержавеющей стали с размером ячеек 5 мкм, модульная установка дополнительно содержит гидравлически соединенные блок газового насыщения с насосом высокого давления через фильтр механической очистки и диспергатором, блок из постоянных магнитов, фильтр-гидроциклон, электродиализный аппарат, блок ротаметров и ультрафиолетовый стерилизатор.