СПОСОБ И УСТАНОВКА ДЛЯ ОЧИСТКИ ЖИДКИХ СТОКОВ, СОДЕРЖАЩИХ В ЧАСТНОСТИ ВО ВЗВЕШЕННОМ СОСТОЯНИИ ЗАГРЯЗНЯЮЩИЕ ВЕЩЕСТВА Российский патент 2007 года по МПК C02F9/02 

Настоящее изобретение касается способа, а также устройства, предназначенных для обеспечения очистки жидких стоков, содержащих в частности в растворенном состоянии загрязняющие вещества, например вещества органического происхождения, микрозагрязнения и т.д.

В подобных способах и устройствах применяются средства разделения гравитационного действия, на базе известных систем типа декантаторов или флотационных установок с установленными после них устройствами фильтрации на слое гранулированного материала. Известно, что при очистке жидких стоков могут потребоваться различные порошкообразные реагенты, такие, как адсорбенты (в роли которых могут выступать, например, бентонитовая глина или ионообменные смолы с гелеобразной или макропористой структурой и со скелетной формулой стандартного или магнитного типа). Добавка этих реагентов в технологическую линию очистки жидких стоков производится чаще всего одновременно с другими реагентами, способствующими коагуляции, флоккуляции и гравитационному отделению находящихся в растворенном состоянии загрязняющих веществ. Подобное применение средств разделения позволяет устранить из потока жидкого стока, подвергаемого очистке, частицы загрязняющих веществ, находящиеся в коллоидальном или растворенном состоянии. Однако известно также и то, что для повышения эффективности проведения технологических процессов этого типа, целесообразно вносить в очищаемый жидкий сток адсорбирующий реагент по времени до реагента, вызывающего коагуляцию, так как эти реагенты ведут себя во взвешенном состоянии, как коллоиды и необходимо учитывать факт их присутствия в стоке при регулировке доз реагентов, требующихся для проведения процесса осветления.

Появление технологий мембранного разделения, в частности основанных на применении процессов ультрафильтрации жидких стоков, позволило повысить общую эффективность применения средств осветления и фильтрации, устанавливаемых до устройств мембранного разделения (для частиц, размеры которых превышают разделительную способность используемых мембран, К.П.Д. разделения последних равен 100%). Учитывая вышеизложенное, желательно вспрыскивать коагулирующий реагент в очищаемый жидкий сток по времени до впрыска адсорбирующих реагентов: гидроокись металла, образующаяся в процессе коагуляции и флоккуляции, позволяет адсорбировать большую часть органического вещества (состоящего из молекул с высоким молекулярным весом), что повышает адсорбцию остаточного органического вещества и микрозагрязнений порошкообразным адсорбентом.

Вещества органического происхождения и микрозагрязнения обладают, как оказалось, в отношении одних и тех же адсорбентов одинаковой способностью к адсорбции; в этой связи производительность рассматриваемой линии очистки может быть повышена за счет увеличения количества мест впрыска реагентов, а также большего разнообразия применяемых адсорбентов. Так, например, в технологической цепочке, состоящей из декантатора и установленных за ним мембран, первый адсорбент будет добавляться перед декантатором, а второй - перед мембранами. При этом вид и количество каждого из вводимых в сток реагентов будут подбираться с учетом характеристик подлежащих удалению из стоков веществ и применяемых адсорбентов. Именно такого типа установок и касается настоящее изобретение.

Известны (FR-A-2 628 337) установки для очистки сред с помощью мембран, в которые вводится адсорбирующий реагент, например, активированный уголь, порошкообразный и/или гранулированный, причем ввод этого адсорбирующего реагента в поток очищаемой среды, выполняется перед фильтрующими мембранами.

Известны (US-A-4 610 792) установки по очистке сточных вод, имеющие в своем составе средства осветления и средства мембранного разделения, выступающие в роли устройств окончательной очистки. В установках указанного типа порошкообразный реагент, например активированный уголь, вводится в технологическую линию обработки сырой воды между средствами осветления классического типа и средствами мембранного разделения, причем порошкообразный реагент возвращается в фильтрационный контур мембранного разделения между средствами осветления и средствами мембранного разделения.

Известны также и более старые системы ввода порошкообразных реагентов, в которых реагент впрыскивается в технологическую линию обработки непосредственно перед устройством гравитационного разделения (флотационного или декантационного типа).

И, наконец, известны (FR-A-2 696 440) установки для очистки сред, содержащие средства разделения гравитационного действия и средства мембранного разделения, в которых порошкообразный реагент вводится перед мембранами, причем воды, использованные для обратной промывки этих мембран и содержащие этот порошкообразный реагент, возвращаются в цикл, поступая на вход средств гравитационного разделения.

Задача настоящего изобретения состоит в усовершенствовании технических решений из известного уровня техники, позволяющем повысить производительность процесса удаления загрязнений, растворенных в жидкой среде при одновременном снижении стоимости эксплуатации используемых устройств.

Поставленная задача решается способом очистки и фильтрации сред, а именно жидких стоков, таких, как сырая вода, содержащая в растворенном состоянии вещества органического происхождения, предусматривающим использование средств гравитационного разделения, таких в частности, как декантатор и флотационная установка, а также средств мембранного разделения, применяемых на этапе окончательной очистки, в соответствии с которым первый порошкообразный адсорбирующий реагент вводят в поток очищаемой среды перед устройством гравитационного разделения, а второй порошкообразный адсорбирующий реагент вводят перед устройством мембранного разделения, отличающимся тем, что коагулянт, необходимый для выполнения процесса разделения, вводят по времени до первого порошкообразного адсорбирующего реагента, причем указанные первый и второй порошкообразные адсорбирующие реагенты имеют разные характеристики, а именно имеют разный гранулометрический состав и адсорбционную способность, соответствующую характеристикам тех загрязняющих веществ, которые подлежат удалению, а указанный второй порошкообразный адсорбирующий реагент возвращают в цикл, подавая с выхода средств мембранного разделения на вход средств разделения гравитационного действия.

Целесообразно, чтобы время пребывания первого порошкообразного адсорбирующего реагента в реакторе, в котором происходит его контакт с очищаемой средой, находилось в диапазоне от 5 до 60 часов, а предпочтительно в пределах от 5 до 20 часов.

Целесообразно также, чтобы порошкообразные адсорбирующие реагенты состояли из таких реагентов, как активированный уголь, бентонитовая глина или ионообменные смолы с гелеобразной или макропористой структурой и со скелетной формулой стандартного или магнитного типа.

Поставленная задача решается также устройством для осуществления вышеуказанного способа, включающим в себя линию очистки, содержащую средства гравитационного разделения, средства мембранного разделения, применяемые на этапе окончательной очистки, средства, позволяющие обеспечить соответственно ввод коагулянта и первого порошкообразного адсорбирующего реагента в точке, расположенной перед средствами гравитационного разделения второго порошкообразного адсорбирующего реагента в точке, расположенной перед средствами мембранного разделения, отличающимся тем, что дополнительно содержит контур рециркуляции второго порошкообразного адсорбирующего реагента, начинающийся в месте промывки средств мембранного разделения и заканчивающийся в трубопроводе, расположенном перед средствами гравитационного разделения с возможностью циркулирования очищаемого жидкого стока, причем средства ввода коагулянта, необходимого для отделения загрязняющих веществ, расположены перед средствами ввода первого порошкообразного адсорбирующего реагента.

Предпочтительно, чтобы средства гравитационного разделения были выполнены в виде аппарата для осветления, в качестве которого используется декантатор с осадочным слоем, который может содержать систему ламеллярного разделения, перед которой предусмотрены либо зона контакта, в которой производится ввод коагулянта, либо этап очистки, включающий в себя коагуляцию и флокуляцию.

Предпочтительно также, чтобы средства гравитационного разделения были выполнены в виде аппарата для осветления, в качестве которого может быть использована флотационная установка, дополняемая либо зоной контакта, в которой производится ввод коагулянта, либо этапом очистки, включающим в себя коагуляцию и флокуляцию.

Целесообразно, чтобы средства гравитационного разделения были выполнены в виде аппарата для осветления, в качестве которого может быть использован аппарат для рециркуляции осадка, дополняемый системой ламеллярного разделения, перед которым предусмотрены либо зона контакта, в которой производится ввод коагулянта, либо этап очистки, включающий в себя коагуляцию и флокуляцию.

Целесообразно также, чтобы средства гравитационного разделения были выполнены в виде фильтра со слоем гранулированного материала, с восходящим или нисходящим потоком очищаемой среды, перед которым предусмотрены либо зона контакта, предназначенная для ввода коагулянта, либо этап очистки, включающий в себя процессы коагуляции и флокуляции.

Целесообразно также, чтобы средства мембранного разделения были выполнены в виде систем микрофильтрации, ультрафильтрации и нанофильтрации, либо устройств обратного осмоса.

Другие характеристики и преимущества настоящего изобретения вытекают из приведенного ниже описания, снабженного ссылками на прилагаемые фигуры чертежей, иллюстрирующие лишь один пример осуществления рассматриваемого изобретения, который не носит какого-либо ограничительного характера. Фиг.1, 2 представляют собой схематические изображения двух методов реализации устройства очистки, в котором используется способ, являющийся предметом настоящего изобретения.

При рассмотрении фиг.1 можно убедиться в том, что устройство согласно настоящему изобретению включает в себя уже известное устройство гравитационного разделения, обозначенное позицией 10, которое может состоять из осветлителя 11 с установленным за ним фильтром со слоем гранулированного материала 12 и из средства мембранного разделения 13, выполненного, например, в виде систем микрофильтрации, ультрафильтрации, нанофильтрации или даже устройств обратного осмоса. Осветлитель 11 может состоять из декантатора с осадочным слоем или из аппарата с рециркуляцией осадочного слоя, выполненного в виде флотационной установки или декантатора, возможно дополненного системой ламеллярного разделения.

В устройстве согласно изобретению предусмотрен ввод в сырую воду коагулирующего реагента в точке 18 трубопровода подачи сырой воды, после чего последняя поступает в реактор 14, в котором происходит ее перемешивание и контакт с указанным коагулирующим реагентом. Устройство включает в себя также средства для ввода первого порошкообразного реагента (Адсорбент 1) перед разделителем гравитационного действия 10, но после точки 18 впрыска коагулирующего реагента, и средства для ввода второго порошкообразного реагента (Адсорбент 2) перед мембранным разделителем 13. Предусмотрено также наличие реактора 15 для перемешивания и контакта очищаемой воды с реагентом, располагаемого между средствами ввода Адсорбента 2 и средствами мембранного разделения 13.

В устройстве согласно настоящему изобретению предусмотрена также рециркуляция второго порошкообразного реагента (Адсорбента 2), который с места промывки мембранного разделителя 13 возвращается в цикл очистки. Указанная рециркуляция выполняется посредством байпасного трубопровода 16, по которому второй порошкообразный реагент возвращается в трубопровод подачи сырой воды в точке 17, расположенной до разделителя гравитационного разделения 10, но после точки 18 ввода коагулянта.

Как упоминалось выше, порошкообразные реагенты (Адсорбенты 1 и 2) обладают различными характеристиками (состав материала, гранулометрический состав, адсорбционная способность, адаптированная к параметрам загрязнений, подлежащих удалению из очищаемого продукта).

Фиг.2 иллюстрирует другой вариант устройства согласно изобретению. Рассмотрение этого варианта позволяет сделать вывод о том, что в предлагаемом устройстве средство гравитационного разделения 10' не содержит осветлителя и оно может состоять из фильтра со слоем гранулированного материала 12' (с процессом фильтрации, происходящим с восходящим или нисходящим потоком очищаемой среды), которому возможно предшествует либо зона контакта, предназначенная для впрыска коагулянта, либо полный этап очистки, включающий в себя процессы коагуляции и флоккуляции. Средство мембранного разделения 13 может быть выполнено в виде устройств ультрафильтрации. Рассматриваемый вариант устройства представляет, в частности, интерес в случае осветления вод, характеризующихся низкими содержаниями веществ, находящихся в коллоидном или взвешенном состоянии.

Согласно изобретению и как это уже подчеркивалось выше, этот вариант предусматривает применение средства ввода коагулирующего реагента в трубопровод подачи сырой воды в точке 18, расположенной перед местом впрыска первого порошкообразного реагента, за которым предусмотрена установка реактора 14, в котором происходит перемешивание и контакт очищаемого продукта с указанным реагентом; средства впрыска порошкообразного реагента (Адсорбента 1) в точке, расположенной перед фильтрами со слоем гранулированного материала 12'; средства впрыска второго порошкообразного реагента (Адсорбента 2) в точке, расположенной до мембранного разделителя 13. Предусмотрен также возврат в рабочий цикл второго порошкообразного реагента (Адсорбента 2), который забирается с места промывки мембранного разделителя 13 и направляется по байпасному трубопроводу 16 в трубопровод подачи сырой воды в точку 17, расположенную на трубопроводе подачи сырой воды перед разделителем гравитационного разделения 10', но за точкой 18 впрыска коагулянта.

Таким образом, по сравнению с известной технологией, в том виде, как она представлена в публикациях, приведенных выше, отличительной особенностью предлагаемого изобретения является то, что оно предлагает использовать два порошкообразных реагента с различными характеристиками и вводить их в линию очистки продукта в различных точках и то, что коагулянт впрыскивается по времени до первого порошкообразного реагента. Благодаря этому удается оптимизировать процесс адсорбции различных загрязняющих веществ органического происхождения (так как и коагулянт и адсорбент в этом случае не противодействуют друг другу), уменьшив при этом расходы по эксплуатации технологической линии.

Ниже приведены результаты тестирования способа согласно изобретению с указанием значений повышения эффективности процесса адсорбции органических веществ (МО) и пестицидов. Эти результаты приведены в таблицах 1 и 2.

Таблица 1
Сравнение (в процентном отношении) значений повышения эффективности удаления из очищаемой среды вещества органического происхождения (СОТ) в случаях одновременного и производимого со сдвигом по времени впрыска коагулирующего и адсорбирующего реагентов.Время контакта (в минутах)Одновременное прохождение процессов коагуляции и адсорбцииКоагуляция при t₀=0, затем адсорбция при t₀+3 минуты00%701057%712065%763065%806068%8212070%8518072%90

В обоих рассматриваемых случаях применяли для одной и той же воды, содержавшей 10 мг/л СОТ (Общий Органический Углерод), дозировку коагулянта, равную 60 мг/л хлорида железа, и дозировку адсорбента в размере 15 мг/л порошкообразного активированного угля, марки Norit W35. Эффективность удаления загрязнений значительно повысилась в случае сдвига по времени моментов впрыска коагулирующего и адсорбирующего реагентов.

Таблица 2
Эффективность процесса адсорбции СОТ, отмеченная на технологических линиях разного составаСостав технологической линииПроцент удаления СОТ из очищаемого продуктаПроцент удаления μ -загрязняющих веществКомментарии15 мг/л CAP₁ в декантаторе с осадочным слоем3050 15 мг/л CAP₂ в мембранах (см. патент FR 2628337)3070(1)15 мг/л CAP₂ в мембранах с рециркуляцией в декантатор (см. патент FR 2696440)4575-80(2)10 мг/л CAP₁ на декантаторе + 5 мг/л CAP₂ в мембранах с рециркуляцией в декантатор55-6090-99(3)(4)

CAP₁=порошкообразный не просеянный активированный уголь (гранулометрический состав: 50-100 μм) марки Norit W35.

CAP₂=порошкообразный просеянный активированный уголь (гранулометрический состав: 10 μм) марки Norit S.A.U.F.

(1): с учетом того, что время контакта в осадочном слое составляет от 12 до 48 часов, а то же время в случае мембран составляет около 60 минут, высокое значение удельной поверхности САР₂ позволяет получать равнозначный результат по СОТ, который однако, будет выше в случае микрозагрязнений.

(2): применение рециркуляции позволяет оптимизировать использование всего объема CAP.

(3): улучшенные показатели очистки, сочетающиеся со снижением расходов, ввиду того, что стоимость CAP₁ значительно ниже стоимости САР₂. Использование даже малых доз CAP₂ позволяет работать в режиме фронтальной фильтрации и без рециркуляции.

(4): САР₂ показал себя более эффективным при очистке среды от пестицидов (микрозагрязнений) в тех случаях, когда содержание СОТ в CAP₁ предварительно уменьшалось.

По сравнению с известными способами, предусматривающими комбинированное использование средств гравитационного разделения с фильтрацией и со средствами мембранного разделения, изобретение имеет следующие преимущества:

- Установление определенного порядка впрыска реагентов (когда первый порошкообразный адсорбирующий реагент вносится в предварительно обработанную коагулянтом сырую воду) позволяет оптимизировать процесс полного удаления из воды соединений органического происхождения (Полный органический углерод - СОТ), отличающихся повышенной концентрацией (несколько мг/л).

- Ввод в точке, расположенной до мембран второго адсорбирующего порошкообразного реагента, обеспечивает создание двойного барьера адсорбции для микрозагрязнений (пестицидов, соединений, ответственных за вкус и запах) с низкой концентрацией (несколько μг/л). Этот второй адсорбент показал себя намного более эффективным при адсорбции микрозагрязнений, что объясняется снижением перед мембранами в результате процессов коагуляции и адсорбции концентрации природного вещества органического происхождения (СОТ).

- Возврат в цикл очистки второго адсорбирующего порошкообразного реагента, осуществляемый путем его подачи с выхода средств мембранного разделения в то место технологической линии, которое располагается перед средствами гравитационного разделения (указанные средства характеризуются значительным временем пребывания в них реагента) позволяет повысить концентрацию этого порошкообразного реагента и увеличить общую эффективность адсорбции средств гравитационного разделения.

- Отходы средств мембранного разделения, содержащие второй порошкообразный реагент, направляются на смешение с осадками, поступающими из разделителя гравитационного действия, содержащими первый адсорбент. Это упрощает проблему обработки осадков, образующихся в линии очистки, и уменьшает до минимума количество воды, "теряемой" вместе с удаляемым осадком.

Настоящее изобретение не ограничивается вышеприведенными примерами его осуществления и использования, но напротив охватывает все варианты в рамках материалов заявки.

Способ и установка для очистки и фильтрации сред, а именно жидких стоков, предусматривают использование средств гравитационного разделения, а также средств мембранного разделения, применяемых на этапе окончательной очистки, причем перед устройством гравитационного разделения вводят в очищаемый поток первый порошкообразный адсорбирующий реагент, перед устройством мембранного разделения вводят второй порошкообразный адсорбирующий реагент, коагулянт, необходимый для выполнения процесса разделения, вводят по времени перед первым порошкообразным адсорбирующим реагентом, а указанный второй порошкообразный адсорбирующий реагент возвращают в цикл, подавая его с выхода средств мембранного разделения на вход средств разделения гравитационного действия. Указанные первый и второй порошкообразные адсорбирующие реагенты имеют разные характеристики, а именно разный гранулометрический состав и адсорбционную способность, соответствующую характеристикам тех загрязняющих веществ, которые подлежат удалению. Технический результат - повышение эффективности и производительности процесса очистки жидких стоков. 2 н. и 7 з.п. ф-лы, 2 ил., 2 табл.

1. Способ для очистки и фильтрации сред, а именно жидких стоков, таких, как сырая вода, содержащая в растворенном состоянии вещества органического происхождения, предусматривающий использование средств гравитационного разделения, таких в частности, как декантатор и флотационная установка, а также средств мембранного разделения, применяемых на этапе окончательной очистки, в соответствии с которым первый порошкообразный адсорбирующий реагент вводят в поток очищаемой среды перед устройством гравитационного разделения, а второй порошкообразный адсорбирующий реагент вводят перед устройством мембранного разделения, отличающийся тем, что коагулянт, необходимый для выполнения процесса разделения, вводят по времени до первого порошкообразного адсорбирующего реагента, причем указанные первый и второй порошкообразные адсорбирующие реагенты имеют разные характеристики, а именно имеют разный гранулометрический состав и адсорбционную способность, соответствующую характеристикам тех загрязняющих веществ, которые подлежат удалению, а указанный второй порошкообразный адсорбирующий реагент возвращают в цикл, подавая с выхода средств мембранного разделения на вход средств разделения гравитационного действия.2. Способ по п.1, отличающийся тем, что время пребывания первого порошкообразного адсорбирующего реагента в реакторе, в котором происходит его контакт с очищаемой средой, находится в диапазоне от 5 до 60 ч, а предпочтительно в пределах от 5 до 20 ч.3. Способ по п.1, отличающийся тем, что порошкообразные адсорбирующие реагенты состоят из таких реагентов, как активированный уголь, бентонитовая глина или ионообменные смолы с гелеобразной или макропористой структурой и со скелетной формулой стандартного или магнитного типа.4. Устройство для осуществления способа по одному из пп.1-3, включающее в себя линию очистки, содержащую средства гравитационного разделения, средства мембранного разделения, применяемые на этапе окончательной очистки, средства, позволяющие обеспечить соответственно ввод коагулянта и первого порошкообразного адсорбирующего реагента в точке, расположенной перед средствами гравитационного разделения и второго порошкообразного адсорбирующего реагента в точке, расположенной перед средствами мембранного разделения, отличающееся тем, что дополнительно содержит контур рециркуляции второго порошкообразного адсорбирующего реагента, начинающийся в месте промывки средств мембранного разделения и заканчивающийся в трубопроводе, расположенном перед средствами гравитационного разделения с возможностью циркулирования очищаемого жидкого стока, причем средства ввода коагулянта, необходимого для отделения загрязняющих веществ, расположены перед средствами ввода первого порошкообразного адсорбирующего реагента.5. Устройство по п.4, отличающееся тем, что средства гравитационного разделения выполнены в виде аппарата для осветления, в качестве которого используется декантатор с осадочным слоем, который может содержать систему ламеллярного разделения, перед которой предусмотрены либо зона контакта, в которой производится ввод коагулянта, либо этап очистки, включающий в себя коагуляцию и флокуляцию.6. Устройство по п.4, отличающееся тем, что средства гравитационного разделения выполнены в виде аппарата для осветления, в качестве которого может быть использована флотационная установка, дополняемая либо зоной контакта, в которой производится ввод коагулянта, либо этапом очистки, включающим в себя коагуляцию и флокуляцию.7. Устройство по п.4, отличающееся тем, что средства гравитационного разделения выполнены в виде аппарата для осветления, в качестве которого может быть использован аппарат для рециркуляции осадка, дополняемый системой ламеллярного разделения, перед которым предусмотрены либо зона контакта, в которой производится ввод коагулянта, либо этап очистки, включающий в себя коагуляцию и флокуляцию.8. Устройство по п.4, отличающееся тем, что средства гравитационного разделения выполнены в виде фильтра со слоем гранулированного материала, с восходящим или нисходящим потоком очищаемой среды, перед которым предусмотрены либо зона контакта, предназначенная для ввода коагулянта, либо этап очистки, включающий в себя процессы коагуляции и флокуляции.9. Устройство по любому из пп.4-7, отличающееся тем, что средства мембранного разделения выполнены в виде систем микрофильтрации, ультрафильтрации и нанофильтрации либо устройств обратного осмоса.