СПОСОБ ОЧИСТКИ ВОДЫ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ Российский патент 2003 года по МПК C02F1/64 B01D24/10 B01D37/00 C02F1/64 C02F101/10 C02F103/02 

Изобретение относится к технологии очистки грунтовых и поверхностных вод на фильтрах с зернистой загрузкой и может применяться для осветления воды, промышленных стоков, для очистки воды от соединений железа, марганца и кальция и для придания питьевой воде заданных органолептических свойств, а также может применяться для предварительной обработки солоноватых вод перед мембранным опреснением.

Известен способ удаления железа под давлением из воды, включающий в себя аэрацию воды в окислительной колонне, заполненной вулканической лавой, и последующей подачей в песчаный фильтр (см., например, книгу "Технические записки по проблемам воды": Пер. с англ. в 2 т. Т.2. /К. Бараке, Ж. Бебен и др. ; Под ред. Т.А. Карюхиной, И.Н. Чурбановой. - М.: Стройиздат, 1983, стр. 645-648, рис.20.5).

Такой способ характеризуется низкой эффективностью работы песчаного фильтра, обусловленной необходимостью частой его промывки из-за малой грязеемкости. При таком способе коллоидные частицы задерживаются верхним слоем песка, за счет чего возрастает сопротивление и падает производительность.

Известен также способ очистки воды, при котором исходную воду аэрируют и подают в фильтр с зернистой загрузкой, а регенерацию фильтра осуществляют путем подачи в него потока исходной воды в направлении снизу вверх (а.с. 1278303, МПК C 02 F 1/64, 1986 г.).

Описанный способ эффективнее предыдущего, но так же имеет низкую производительность, обусловленную низкой грязеемкостью фильтра с зернистой загрузкой и большой продолжительностью времени регенерации, и высокую энергоемкость из-за высокого гидродинамического сопротивления загрузки.

Известна установка для очистки воды, содержащая смеситель перегородочного типа, окислительную колонну (аэратор) для контактного окисления воздухом и фильтр с противоточной промывной водой и воздухом (книга "Технические записки по проблемам воды": Пер. с англ. в 2 т. Т. 2. К. Бараке, Ж. Бебен и др. ; Под ред. Т.А. Карюхиной, И.Н. Чурбановой. М.: Стройиздат, 1983, стр. 647, рис.20.5).

Однако такая установка недостаточно эффективна из-за низкой производительности, обусловленной малой грязеемкостью фильтра с зернистой загрузкой и повышенной энергоемкостью при регенерации.

Аналогичные установки, укомплектованные фильтром с зернистой загрузкой, содержащим корпус, дренажное основание, на котором размещен слой зернистой загрузки, подающие и отводящие трубопроводы и набор неподвижно установленных пластин, верхние кромки которых расположены над слоем загрузки, причем пластины установлены под углом менее 90^o к горизонту, нижние их кромки размещены в верхней части слоя загрузки и пластины выполнены в горизонтальном сечении гофрированными, либо выполнены в виде системы наклонных лотков (см., например, патент РФ 2096066 МПК, В 01 D 24/46, 1997 г.).

Однако и такая установка характеризуется недостаточной производительностью из-за низкой грязеемкости и большими энергозатратами на регенерацию.

В качестве прототипа выбран способ по а.с. 1278303, а в качестве прототипа устройства выбрано техническое решение с использованием устройства по патенту РФ 2096066.

Задачей изобретения является повышение производительности и снижение энергоемкости процессов очистки воды и регенерации зернистой загрузки.

Поставленная задача достигается тем, что согласно способу очистки воды, включающему аэрирование исходной воды перед подачей ее в фильтр с зернистой загрузкой и регенерацию фильтра путем подачи в него потока исходной воды в направлении снизу вверх, аэрируют часть исходной воды, аэрированную воду и второй поток исходной воды при регенерации вводят в фильтр ниже верхней поверхности зернистой загрузки посредствам погружения в нее сверху открытых снизу соединенных между собой коллектором клинообразных полостей, боковые стенки которых расположены под углом к горизонту. Другую, не аэрированную, часть исходной воды при фильтровании подают непосредственно на верхний слой зернистой загрузки. Кроме того, после загрязнения верхнего слоя загрузки давление в нем снижают до величины ниже давления в клиновидных полостях.

Поставленная задача достигается также тем, что установка для очистки воды содержащая эжектор, реактор, фильтр с зернистой загрузкой и два насоса, один из которых соединен на выходе с фильтром зернистой загрузки, а на входе с рециркуляционным контуром аэрации, образованным последовательно соединенными трубопроводами насосом, водовоздушным эжектором и реактором, причем насос рециркуляционного контура аэрации и насос подачи исходной воды соединены с установленным в фильтре с зернистой загрузкой перфорированным коллектором, снабженным расположенными под углом к горизонту пластинами, образующими открытые снизу клинообразные полости, погруженные сверху в зернистую загрузку и тем, что эжектор с запорным органом установлен на обводном трубопроводе насоса рециркуляционного контура.

Деление потока исходной воды на две части, аэрацию одной части исходной воды и введение аэрированной воды при фильтровании и исходной воды при регенерации в фильтр ниже верхней поверхности зернистой загрузки посредством погруженных в нее сверху открытых снизу соединенных между собой коллектором клинообразных полостей, боковые стенки которых расположены под углом к горизонту, обеспечивает повышение производительности. Это достигается за счет увеличения лобовой поверхности зернистой загрузки, так как подача воды в слой зернистой загрузки происходит с верхней поверхности зернистой загрузки и вдоль наружных стенок клинообразных полостей за счет стеночного эффекта под давлением насоса исходной жидкости и через нижние щели клинообразных полостей под давлением насоса рециркуляционного контура. При этом площадь подачи воды, выходящей через нижнюю щель клинообразных полостей, увеличивается по мере забивания зернистой загрузки задерживаемыми примесями, так как под действием давления происходит раздвигание частиц зернистой загрузки с возможностью ее выдавливания вверх. Подача другой, не аэрированной части исходной воды при фильтровании непосредственно на верхний слой зернистой загрузки способствует интенсификации процесса фильтрации и окисления железа.

Снижение давления в верхнем слое загрузки ниже давления в клиновидных полостях как раз позволяет использовать описанный выше эффект. При увеличении гидравлического сопротивления зернистой загрузки, что наблюдается как по увеличению давления на входе фильтра, так и по уменьшению производительности фильтра, давление в верхнем слое загрузки снижают. При этом происходит взрыхление верхней части зернистой загрузки и увеличение ее проницаемости, что позволяет примерно на 40% увеличить ее грязеемкость.

Увеличение проницаемости загрузки ведет к снижению требуемого давления в процессе фильтрации, что обеспечивает снижение энергоемкости. Этому же способствует подача в толщу зернистой загрузки промывной воды при регенерации. Промывка верхнего слоя зернистой загрузки в сужающихся клиновидных каналах увеличивает интенсивность отбивки загрязнений от поверхности частиц загрузки за счет увеличения числа соударений друг с другом и о стенки погруженных в загрузку пластин. Это сокращает процесс регенерации загрузки и за счет этого позволяет снизить энергоемкость и увеличить производительность.

Соединение насоса рециркуляционного контура аэрации и насоса подачи исходной воды с установленным в фильтре с зернистой загрузкой перфорированным коллектором, снабженным расположенными под углом к горизонту пластинами, образующими открытые снизу клинообразные полости, погруженные сверху в зернистую загрузку, позволяет снизить энергоемкость при фильтровании и при регенерации зернистой загрузки. При фильтровании подача воды осуществляется сверху на двух уровнях - сверху над слоем зернистой загрузки (часть исходной воды не аэрированная) и ниже верха зернистой загрузки из нижних щелей клинообразных полостей (аэрированная часть исходной воды). При этом оба потока перемешиваются, и соединения железа осаждаются на зернистой загрузке, образуя на частицах плотную пленку, которую можно удалить только химическим путем. За счет увеличения поверхности любого фильтрующего слоя уменьшается гидравлическое сопротивление загрузки, позволяющее уменьшить мощность насосов. В процессе регенерации промывная вода подается снизу фильтра и через нижние щели клинообразных полостей. За счет этого обеспечивается наиболее интенсивная отмывка верхней части загрузки, в которой содержится большая часть задерживаемых частиц. Это позволяет увеличить производительность установки и снизить энергоемкость за счет уменьшения продолжительности регенерации.

Установка эжектора на обводном трубопроводе насоса рециркуляционного контура обеспечивает дополнительное растворение воздуха в воде за счет дополнительного перемешивания водовоздушной смеси при вращении крыльчатки насоса, через которую многократно циркулирует вода с воздушными включениями. Установка перед эжектором запорного органа позволяет уменьшить потери расхода. При высоком содержании железа степень открытия запорного органа выше, а при пониженном запорный орган прикрывают. При этом эжектор может подсасывать большее или меньшее количество воздуха.

На чертежах показаны: на фиг.1 гидравлическая схема устройства для очистки воды, общий вид, на фиг.2 показано сечение фильтра с зернистой загрузкой при регенерации, на фиг.3 показано расположение коллектора, вид сверху, на фиг.4 показано поперечное сечение клиновидной полости и на фиг.5 показан вариант с размещением эжектора с запорным органом на обводном трубопроводе насоса рециркуляционного контура.

Способ очистки воды заключается в следующем. Исходную воду делят на потоки, часть исходной воды под давлением пропускают через эжектор и получают водовоздушную смесь, которую подают в реактор, в котором воздух растворяется в воде, насыщая ее кислородом. Так как скорость растворения воздуха зависит от ряда параметров: температуры (при повышении температуры растворимость уменьшается), от давления (чем выше давление, тем выше растворимость), от способа перемешивания (возрастает при турбулизации за счет кавитационного эффекта) и т.д., то эту смесь заставляют циркулировать через насос. Полученную смесь подают в фильтр с зернистой загрузкой в слой ниже верхнего уровня загрузки. Для этого на выходе циркуляционного насоса установлены два запорных органа, служащих делителями потока. В верхнюю часть фильтра с зернистой загрузкой вторым насосом подают другую, не аэрированную часть исходной воды, которая, проходя через верхний слой, встречается со слоем зернистой загрузки, пропитанной водой, насыщенной кислородом. При этом на покрытой пленкой окиси железа поверхности зернистой загрузки происходит окисление закисного железа в окисное в автокаталитическом режиме. Воду, пропущенную через толщу зернистой загрузки, из фильтра отводят на потребление. В процессе фильтрования верхний слой зернистой загрузки покрывается коллоидными веществами, при этом возрастает давление фильтрования из-за уменьшения проницаемости зернистой загрузки. Для устранения забивания загрузки давление в верхнем ее слое снижают до величины давления ниже значения давления в клиновидных полостях, при этом происходит вспучивание верхнего слоя зернистой загрузки, и разрушение сплошности коллоидной пленки, и восстановление проницаемости загрузки.

При регенерации зернистой загрузки в нижнюю часть фильтра и в слой зернистой загрузки через клиновидные полости подают исходную воду. При этом происходит интенсивное вымывание во встречных потоках из зернистой загрузки задерживаемых примесей. Так как процесс промывки верхней части зернистой загрузки проводят в сужающихся зазорах между клиновидными полостями при высоких скоростях промывочной воды, достигается высокая степень регенерации загрузки.

Пример.

Для подтверждения эффективности предлагаемого способа были проведены сравнительные испытания на песчаном фильтре диаметром 1500 мм, снаряженном кварцевым песком с размером зерен 1-2 мм и высотой загрузки 1600 мм. Опыты 1 и 2 проводились без коллектора, опыты 3 и 4 - с установленным коллектором с характеристиками: внутренний диаметр коллектора 50 мм, ширина пластин 210 мм, суммарная длина клиновидных коробов 6200 мм, ширина щели в свету 2 мм. Результаты приведены в таблице.

Устройство содержит фильтр, состоящий из корпуса 1, слоя зернистой загрузки 2, опирающегося на ложное дно 3 с установленными в нем колпачками 4. В верхней части полости корпуса 1 над зернистой загрузкой 2 установлен коллектор 5 в виде зигзагообразной перфорированной трубы, к которой на прямых участках с обеих сторон приварены пластины 6 так, что образуют открытые снизу клинообразные полости, расположенные под углом к горизонту. В верхней части корпуса 1 находится патрубок 7, а в нижней части - патрубок 8. На выходе коллектора 5 расположены патрубки 9. В состав устройства также входят насос 10 и насос 11. Насос 10 соединен через вентиль 12 и эжектор 13 с реактором 14, нижняя часть которого через вентиль 15 соединена с входом насоса 10. Насос 10 через вентиль 16 соединен также с патрубком 9. Насос 11 через вентили 17 и 18 соединен с патрубком 7, через вентиль 19 - с патрубком 9 и через вентиль 20 - с патрубком 8. Патрубок 7 через вентиль 21 соединен с линией очищенной воды, а патрубок 8 через вентиль 22 с канализацией. На входе насоса 10 установлен вентиль 23, а на выходе - манометр 24, а у насоса 11 соответственно вентиль 25 и манометр 26. Возможен и другой вариант, как это показано на фиг.5. В этом случае эжектор 13 устанавливается на обводном трубопроводе насоса 10. В этом случае перед эжектором 13 устанавливается вентиль 27.

Устройство работает следующим образом.

Исходная вода подается на вход насосов 10 и 11 из водопроводной линии через открытые вентили 23 и 25. Из насоса 10 вода вновь поступает на его вход, проходя через рециркуляционный контур, включающий соединенные трубопроводами вентиль 12, эжектор 13, реактор 14 и вентиль 15. При этом за счет подсоса в эжекторе 13 в воду поступает воздух, который смешивается с водой в реакторе 14. При необходимости максимального насыщения воздухом, например при высоких концентрациях железа из артезианской скважины, воду многократно пропускают по рециркуляционному контуру. При прохождении воды через реактор 14 большая часть железа осаждается на поверхности зернистой загрузки реактора. После этого открываются вентиль 16 и часть отаэрированной воды подается на вход патрубка 9, откуда вода поступает в коллектор 5, откуда через перфорацию трубы поступает в зазор между пластинами 6 и выходит через нижнюю щель в зернистую загрузку 2. Из насоса 11 исходная вода без аэрации через вентиль 18 поступает в корпус 1 и проходит через зернистую загрузку 2, при этом смешиваясь с отаэрированной водой, выходящей из зазора между пластинами 6. При смешении исходной воды с отаэрированной создаются необходимые условия для окисления соединений двухвалентного железа в трехвалентные, которые в автокаталитическом режиме осаждаются на частицах зернистой загрузки 2. Вода, проходя через зернистую загрузку 2, очищается от соединений железа и различных взвесей. При этом гидравлическое сопротивление зернистой загрузки будет существенно ниже, чем в обычных скорых фильтрах, из-за стеночного эффекта, снижающего сопротивление вдоль пластин 6, и за счет разрушения пленки потоком из зазора между ними. Очищенная вода через патрубок 8 и открытый вентиль 22 поступает на потребление.

Окончание фильтрования и переключение установки на режим промывки определяется по повышению сопротивления зернистой загрузки, что определяется по показаниям манометров 24 и 26. Для промывки вентили 12, 23, 15, 22 и 18 закрываются, насос 10 отключается, вентили 19, 20 и 21 открываются и зернистая загрузка 2 промывается обратным потоком исходной воды, удаляемой в канализацию через патрубок 7 и вентиль 21. Наиболее загрязненная часть загрузки 2, расположенная в верхней части корпуса 1, промывается потоками из коллекторов 8 и 9, что интенсифицирует процесс промывки за счет отбивки загрязнений о пластины 6 и соударений частиц зернистой загрузки, а также воздействия кавитации при турбулизации потока при движении потока между пластинами. При установке эжектора 13 на обводном трубопроводе, как показано на фиг.5, часть потока многократно циркулирует через насос 10, что способствует лучшему перемешиванию воды и воздуха и позволяет повысить эффективность работы реактора 14.

В процессе последующей работы происходит оседание частиц и выравнивание верхней поверхности зернистой загрузки, что также повышает грязеемкость внешней поверхности зернистой загрузки.

Изобретение предназначено для очистки грунтовых и поверхностных вод фильтрованием. Способ очистки воды включает аэрирование части исходной воды и подачу ее в фильтрующий слой ниже верхней поверхности зернистой загрузки фильтра, не аэрированную часть потока исходной воды подают непосредственно на верхний слой зернистой загрузки фильтра. При регенерации часть потока исходной воды подают в загрузку снизу вверх, а другую часть - ниже верхней поверхности загрузки. Установка для очистки воды содержит фильтр с зернистой загрузкой и перфорированный коллектор, снабженный расположенными под углом к горизонту пластинами, образующими открытые снизу клинообразные полости, погруженные сверху в зернистую загрузку. Через полости вода поступает в глубь загрузки. Технический результат заключается в повышении производительности и снижении энергоемкости очистки воды. 2 с. и 2 з.п.ф-лы, 5 ил., 1 табл.

1. Способ очистки воды, включающий аэрирование исходной воды перед подачей ее в фильтр с зернистой загрузкой и регенерацию фильтра путем подачи в него потока исходной воды в направлении снизу вверх, отличающийся тем, что аэрируют часть исходной воды, аэрированную воду и второй поток исходной воды при регенерации вводят в фильтр ниже верхней поверхности зернистой загрузки посредством погружения в нее сверху открытых снизу соединенных между собой коллектором клинообразных полостей, боковые стенки которых расположены под углом к горизонту, а другую, не аэрированную, часть исходной воды при фильтровании подают непосредственно на верхний слой зернистой загрузки. 2. Способ по п.1, отличающийся тем, что после загрязнения верхнего слоя загрузки, давление в нем снижают до величины ниже значения давления в клиновидных полостях. 3. Установка для очистки воды, содержащая эжектор, реактор, фильтр с зернистой загрузкой и два насоса, один из которых соединен на выходе с фильтром с зернистой загрузкой, а на входе с рециркуляционным контуром аэрации, образованным последовательно соединенными трубопроводами насосом, водовоздушным эжектором и реактором, отличающаяся тем, что насос рециркуляционного контура аэрации и насос подачи исходной воды соединены с установленным в фильтре с зернистой загрузкой перфорированным коллектором, снабженным расположенными под углом к горизонту пластинами, образующими открытые снизу клинообразные полости, погруженные сверху в зернистую загрузку. 4. Установка для очистки воды по п.3, отличающаяся тем, что эжектор с запорным органом установлен на обводном трубопроводе насоса рециркуляционного контура.