СПОСОБ ГЛУБОКОЙ ОЧИСТКИ ВОДЫ Российский патент 2002 года по МПК C02F9/12 C02F9/12 C02F1/28 C02F1/32 C02F1/44 C02F1/50 C02F103/04 

Изобретение относится к многостадийным методам обработки природной воды открытых и подземных водоисточников и может быть использовано в хозяйственно-питьевом водоснабжении домов, усадьб, коттеджей, пунктов общественного питания, лечебных и детских учреждений и т.д.

Известен способ очистки воды, сочетающий ее хлорирование с обработкой ионами меди, серебра или цинка (US 5858246, С 02 F 1/50, 1999). Однако он эффективен лишь тогда, когда концентрация ионов тяжелых металлов превосходит их ПДК в воде.

Другой известный способ очистки и обеззараживания сильно загрязненных природных вод включает первую стадию грубой, а затем тонкой механической фильтрации, вторую стадию удаления токсичных анионов и катионов при помощи ионообменных смол, третью стадию очистки на активированном угле, четвертую стадию стерилизации с использованием УФ-излучения и заключительную стадию кондиционирования (придания консервирующих свойств) путем пропускания воды через покрытый серебром песок (RO 116545, 30.03.2001). Его недостатки: сложность и большая продолжительность осуществления, высокая стоимость.

Известный из патента RU 2033976, 1995 способ очистки и опреснения воды включает ее механическую обработку в две стадии, импульсное ультрафиолетовое (УФ) облучение сплошного спектра, опреснение при помощи обратного осмоса, пропускание через углеволокнистый сорбент и повторное УФ-облучение сплошного спектра. Этот способ является достаточно сложным и продолжительным, кроме того он не решает проблему биообрастания обратноосмотических мембран и углеволокнистого сорбента.

Наиболее близким аналогом заявленного изобретения является способ глубокой очистки воды, включающий стадию микрофильтрации на половолоконном фильтре и последующее двухступенчатое разделение на обратноосмотических мембранах с периодической дезинфекцией аппарата второй ступени при помощи раствора нитрата серебра, залитого в капсулу с полупроницаемой стенкой, помещенную в пермеатотводящий канал, стадию сорбционной очистки активированным углем, импрегнированным соединениями серебра, и стадию обработки УФ-излучением (RU 2046643, 1995). Известный способ позволяет получить воду высокой степени чистоты, однако он не лишен недостатков: является сложным и продолжительным, не исключает вероятность развития микроорганизмов на мембранных элементах и в обработанной воде.

Технической задачей, на решение которой направлено настоящее изобретение, являлось расширение арсенала эффективных средств очистки и обессоливания питьевой воды и создание надежного в эксплуатации, экологически чистого способа, обеспечивающего возможность длительной работы без биообрастания используемых мембран и сорбента и предотвращающего вторичное бактериальное заражение воды в течение длительного времени (не менее месяца).

Поставленная задача решается тем, что способ глубокой очистки воды, включающий микрофильтрацию, сорбционную очистку активированным углем, импрегнированным соединениями серебра, и обработку УФ-излучением, отличается тем, что стадию микрофильтрации проводят после ультрафильтрации, затем воду пропускают через реактор, содержащий импульсные ксеноновые лампы сплошного спектра, преимущественно вырабатывающие УФ-излучение длиной волны 200-400 нм, при частоте 1-1,3 Гц, удельных энергозатратах 1-3 кДж/м³ и плотности потока 1-3 кВт/м², после чего воду направляют на сорбционную очистку угольным фильтром, предварительно обработанным раствором аммиачного комплексного соединения серебра, полученным смешением 0,1-1,0%-ного раствора соли серебра А₂SО₄ или АgSО₄ и газообразного аммиака или аммиачной воды до достижения массового соотношения Аg⁺: NН₃, равного 2,8-3,0, при этом периодически при помощи дозатора указанный раствор вводят в обрабатываемую воду перед ультрафильтрацией из расчета содержания ионов серебра 0,005 мг/л и перед микрофильтрацией из расчета содержания ионов серебра 0,002 мг/л.

В частном случае, когда содержание солей в исходной воде велико, дополнительно проводят обратноосмотическое разделение воды.

Предпочтительно процесс ведут при скорости движения потока воды 0,4-0,8 м/ч.

Наиболее предпочтительный вариант осуществления изобретения предусматривает периодическое введение в обрабатываемую воду перед обратноосмотическим разделением указанного раствора аммиачного комплексного соединения серебра из расчета содержания ионов серебра 0,002 мг/л.

Дополнительные отличия заключаются в том, что, предпочтительно, указанный раствор вводят через каждые 8 часов работы установки в течение 0,5-1 часа в обрабатываемую воду перед микрофильтрацией, ультрафильтрацией и при необходимости перед обратноосмотическим разделением.

При перерывах в работе установки, превышающих 72 часа, ее промывают указанным раствором аммиачного комплексного соединения серебра, содержащим 0,01 мг/л серебра.

В частности, способ осуществляют в установке модульного типа. Например, элементы установки в виде контейнеров могут быть установлены на автомобиле и обеспечивать водой питьевого качества в полевых условиях формирования МЧС при ликвидации ими землетрясений, наводнений, экологических катастроф и т.д.

Совокупность признаков, изложенных в формуле изобретения, характеризует способ, позволяющий получить воду питьевого качества практически из любой природной воды, в том числе с высоким уровнем загрязнения, - речной, озерной, подземной, морской. Использование различных мембранных методов разделения воды - ультрафильтрации и микрофильтрации - способствует эффективному удалению механических частиц, взвесей, антропогенных и сильнодействующих ядовитых веществ, включая пестициды и гербициды, а также бактерий, вирусов и грибков. Дополнительное использование обратноосмотических мембран позволяет опреснить солоноватую и морскую воду до уровня питьевой.

Импрегнирование активированного угля предлагаемыми комплексными соединениями серебра не только предотвращает биообрастание сорбента, но и позволяет вводить ионы Ag⁺ в воду и тем самым консервировать ее и предотвращать вторичное бактериальное загрязнение. Введение аммиака в растворы солей серебра повышает их растворимость за счет образования комплексных соединений Аg(NН₃)₂•NО₃ или [Аg(NН₃)₂] ₂•S0₄. Предложенное массовое соотношение между ионами серебра и аммиаком превосходит приблизительно на 3-5% стехиометрическое и необходимо для получения максимально стабильного соединения. Указанный диапазон концентрации растворов солей серебра, используемых для приготовления комплексов, является оптимальным для хранения этих реагентов. Восстановление аммиачных комплексов происходит медленнее, чем Аg, следовательно, максимальный бактерицидный эффект проявляется в течение большего промежутка времени.

Введение в обрабатываемую воду перед стадиями мембранного разделения раствора аммиачного комплексного соединения серебра по указанной схеме полностью предотвращает биообрастание мембран и других элементов установки, используемой для осуществления предлагаемого способа.

Использование импульсных ксеноновых ламп сплошного спектра, предпочтительно излучающих в области 200-400 нм ультрафиолетового спектра, включающей "бактерицидный" участок и участок, соответствующий условиям деструкции органических соединений, позволяет получить высокий обеззараживающий и очищающий эффект, снижает время обработки и обеспечивает экологическую чистоту, поскольку замена ртутных ламп на ксеноновые исключает возможность заражения воды ртутью при разрушении лампы.

Предложенные параметры процесса являются оптимальными для данной схемы обработки воды.

Ниже приведены примеры осуществления предложенного способа.

Пример 1.

Исходная прудовая вода имела следующие показатели: мутность 200 мг/л, цветность 55 град, окисляемость 50 мг О/л, солесодержание 2,4 г/л, рН 6,7, температура 16^oС. Воду искусственно заражали бактериями и вирусами. В качестве модели бактерий использовали односуточную культуру кишечной палочки E. coli (штамм 1257) в концентрации (1,4 ±0,2)•10⁶ кл./л. Для моделирования вирусов был использован колифаг MS2 безоболочный, имеющий икосаэдрическую форму, РНК-содержащий, в концентрации (4,0±1,0)•10⁵ БОЕ/л. Воду обрабатывали на установке, содержащей:
- блок ультрафильтрации с половолоконными мембранами на основе полисульфона с пористостью 75% и преимущественным диаметром пор 0,01 мкм;
- блок патронных микрофильтров с фторопластовыми мембранами марки МФФК, имеющими пористость 80% и преимущественный диаметр пор 0,1 мкм;
- блок ультрафиолетовой обработки, содержащий установленные в слое воды импульсные ксеноновые лампы сплошного спектра, преимущественно излучающие в диапазоне 200-400 нм при частоте импульсов 1 Гц, плотности потока 2 кВт/см² и удельных энергозатратах 2 Дж/см³ воды;
- блок сорбционной очистки с активированным углем БАУ-А, удельная поверхность которого составляла величину 1000 м/г, обработанным раствором аммиачного комплексного соединения серебра.

Этот раствор в количестве 10 л готовили в отдельной емкости, подавая при помощи дозаторов 50 г AgNO₃ и воду. Полученный 0,5%-ный раствор АgNО₃ смешивали с 10,5 г газообразного аммиака, который вводили из баллона. При этом массовое соотношение Аg⁺: NН₃ в приготовленном растворе составляло соответственно 3:1.

Предварительно промытый соляной кислотой и дистиллированной водой активированный уголь БАУ-А выдерживали в приготовленном растворе аммиачного комплексного соединения серебра в течение 1 часа, затем промывали водой и загружали в блок сорбционной очистки.

Исходную воду последовательно пропускали со скоростью 5 л/мин (0,3 м³/ч) через блок ультрафильтрации (средний перепад давления на мембранах составлял 0,15 МПа), блок микрофильтрации (средний перепад давления на мембранах составлял 0,05 МПа), блок УФ-обработки и блок сорбционной очистки.

Через каждые 8 часов работы установки в обрабатываемую воду перед блоком ультрафильтрации и блоком микрофильтрации в течение 1 часа вводили вышеуказанный раствор аммиачного комплексного соединения серебра из расчета содержания ионов серебра 0,005 мг/л и 0,002 мг/л соответственно. Эта операция полностью предотвращала развитие бактерий и вирусов на мембранных аппаратах в процессе эксплуатации, а также в перерывах в работе, не превышающих 72 часа. В том случае, когда технологические остановки были больше указанного времени, перед пуском установки ее промывали раствором аммиачного комплексного соединения серебра при концентрации ионов серебра 0,01 мг/л.

Показатели обработанной воды: мутность 0,5 мг/л, цветность 10 град, окисляемость 11 мг О/л, солесодержание 1,4 мг/л, рН 7,3, температура 22^oС. E.coli 1257 и колифаг MS2 обнаружены не были. Запах и неприятный вкус у воды отсутствовали. Полученная вода соответствовала ГОСТу 2874-82 "Вода питьевая". Консервирующий эффект сохранялся в течение не менее 2-х месяцев.

Сравнительные опыты, проведенные без введения раствора аммиачного комплексного соединения серебра перед блоками ультрафильтрации и микрофильтрации, показали, что уже через 13 часов работы на мембранных аппаратах обнаруживалась патогенная микрофлора, а вода после блока ультрафильтрации содержала 140±30 микробных клеток в 1 мл, после блока микрофильтрации 92±10 кл./мл, а после блока сорбционной очистки 195±25 кл./мл.

Пример 2.

Для исследований использовали исходную воду, описанную в примере 1. Дополнительно вода содержала загрязнения (ядохимикаты), указанные в таблице, в концентрации, в 50 раз превышающей их ПДК, а вместо E.coli 1257 и MS2 содержала споры B.cerencs (штамм 96) в концентрации (1,7±0,7)•10⁴eд./л.

Способ осуществляли аналогично примеру 1 за исключением следующего: скорость течения воды составляла 0,8 м³/ч. Блок ультрафильтрации содержал половолоконные мембранные элементы на основе фенилона, а блок микрофильтрации - патронные мембранные элементы на основе полиамидной мембраны ММК. Установка дополнительно включала блок обратноосмотического разделения, содержащий мембраны МГА-100 пористостью 75%, средний перепад давления на мембранах составлял в этом блоке 5 МПа.

В блоке УФ-обработки частота импульсов ксеноновой лампы сплошного спектра составляла 1,3 Гц, плотность потока 3 кВт/см² и удельные энергозатраты 3 Дж/см³.

В качестве импрегната для активированного угля и дезинфектанта для мембранных блоков использовали раствор аммиачного комплекса Аg₂SO₄•4NН₃, приготовленный путем смешения в отдельной емкости 0,8%-ного раствора Ag₂SO₄ и аммиачной воды до достижения массового соотношения Ag⁺:NН₃, равного 2,8, т.е. при избытке аммиака около 5% относительно стехиометрии.

Результаты испытаний показаны в таблице.

Как видно из полученных данных, предложенный способ позволяет снизить содержание всех исследованных органических загрязнителей до концентрации, значительно меньшей, чем их ПДК в воде. Предложенный многоступенчатый способ также полностью обезвреживает воду от спор B.cerencs.

При использовании раствора аммиачного комплексного соединения серебра после 30 суток хранения в герметично закрытой посуде из темного стекла его бактерицидные свойства практически не изменились. Это было обнаружено при его использовании как для первичной обработки сорбента, так и для повторного его импрегнирования после того, как достигший насыщения сорбент регенерировали и промывали, а также для обработки мембранных блоков во время работы установки.

Для сравнения предлагаемого многоступенчатого метода обработки воды и его отдельных стадий оценивали эффективность удаления указанных загрязнений с использованием только одного блока - обратноосмотического разделения (т.е. блока, содержащего мембраны с минимальным размером пор и максимальной задерживающей способностью) или с использованием только блока сорбционной очистки. Критерием задерживающей способности обратноосмотических элементов служила селективность, которую определяли по выражению:

где ϕ - селективность,
С_и - концентрация вещества в исходной воде,
С_п - концентрация вещества в пермеате.

Время защитного действия сорбента определяли как время до момента обнаружения (проскока) исследуемого вещества-загрязнителя в концентрации на уровне ПДК в воде, прошедшей через сорбент.

В таблице указаны значения селективности обратноосмотических элементов и времени защитного действия сорбента по различным веществам. Полученные данные свидетельствуют о том, что в отличие от предложенного многоступенчатого способа его отдельные стадии не могут обеспечить полную очистку воды от рассмотренных органических примесей, а также от патогенных микроорганизмов.

Таким образом, предложенный способ обеззараживания воды является эффективным, относительно простым и доступным. Наиболее целесообразно его использовать для обработки сильно загрязненной воды, а также в условиях, когда велика опасность вторичного загрязнения долго хранящейся воды.

Изобретение относится к многостадийным методам обработки природной воды открытых и подземных водоисточников и может быть использовано в хозяйственно-питьевом водоснабжении домов, усадьб, коттеджей, пунктов общественного питания, лечебных и детских учреждений. Способ глубокой очистки воды включает ее ультрафильтрацию, последующую микрофильтрацию и обработку УФ-излучением, для чего воду пропускают через реактор, содержащий импульсные ксеноновые лампы сплошного спектра, преимущественно вырабатывающие УФ-излучение длиной волны 200-400 нм, при частоте 1-1,3 Гц, удельных энергозатратах 1-3 кДж/м³ и плотности потока 1-3 кВт/м², затем воду направляют на сорбционную очистку угольным фильтром, предварительно обработанным 0,1-1,0%-ным раствором соли серебра Аg₂SO₄ или AgNO₃ с добавлением в него при перемешивании газообразного аммиака или аммиачной воды до достижения массового соотношения Ag⁺: NH₃, равного 2,8-3,0, при этом периодически при помощи дозатора указанный раствор аммиачного комплексного соединения серебра вводят в обрабатываемую воду перед ультрафильтрацией из расчета содержания ионов серебра 0,005 мг/л и перед микрофильтрацией из расчета содержания ионов серебра 0,002 мг/л. Технический результат - расширение арсенала эффективных средств очистки и обессоливания питьевой воды и создание надежного в эксплуатации, экологически чистого способа, обеспечивающего возможность длительной работы без биообрастания используемых мембран и сорбента и предотвращающего вторичное бактериальное заражение воды в течение длительного времени (не менее месяца). 6 з.п. ф-лы, 1 табл.

1. Способ глубокой очистки воды, включающий микрофильтрацию, сорбционную очистку активированным углем, импрегнированным соединениями серебра, и обработку УФ-излучением, отличающийся тем, что перед микрофильтрацией проводят ультрафильтрацию, после микрофильтрации воду пропускают через реактор, содержащий импульсные ксеноновые лампы сплошного спектра, преимущественно вырабатывающие УФ-излучение длиной волны 200-400 нм, при частоте 1-1,3 Гц, удельных энергозатратах 1-3 кДж/м³ и плотности потока 1-3 кВт/м², после чего воду направляют на сорбционную очистку угольным фильтром, предварительно обработанным раствором аммиачного комплексного соединения серебра, полученным смешением 0,1-1,0%-ного раствора соли серебра Аg₂SO₄ или AgNO₃ и газообразного аммиака или аммиачной воды до достижения массового соотошения Ag⁺: NH₃, равного 2,8-3,0, при этом периодически при помощи дозатора указанный раствор аммиачного комплексного соединения серебра вводят в обрабатываемую воду перед ультрафильтрацией из расчета содержания ионов серебра 0,005 мг/л и перед микрофильтрацией из расчета содержания ионов серебра 0,002 мг/л. 2. Способ по п. 1, отличающийся тем, дополнительно проводят обратноосмотическое разделение воды. 3. Способ по п. 1 или 2, отличающийся тем, что обработку ведут при скорости потока воды 0,4-0,8 м³/ч. 4. Способ по любому из пп. 1-3, отличающийся тем, что периодически в обрабатываемую воду перед обратноосмотическим разделением вводят указанный раствор из расчета содержания ионов серебра 0,002 мг/л. 5. Способ по любому из пп. 1-4, отличающийся тем, что указанный раствор аммиачного комплексного соединения серебра вводят в течение 0,5-1ч в обрабатываемую воду перед микрофильтрацией, ультрафильтрацией и, при необходимости, перед обратноосмотическим разделением через каждые 8 ч работы установки. 6. Способ по любому из пп. 1-5, отличающийся тем, что при перерывах в работе установки, превышающих 72 ч, ее промывают указанным раствором аммиачного комплексного соединения серебра, содержащим 0,01 мг/л серебра. 7. Способ по любому из пп. 1-6, отличающийся тем, что его осуществляют на установке модульного типа.