СПОСОБ ОЧИСТКИ СТОЧНЫХ ВОД Российский патент 2011 года по МПК C02F1/46 C02F1/64 C02F5/00 

1. Область техники

Настоящее изобретение относится к способам очистки сточных вод, а также вод, непригодных для использования из-за повышенного содержания железа и других элементов, и может быть использовано для получения воды, требуемой сельскохозяйственной, коммунальной и другими отраслями жизнедеятельности, при одновременной защите экологической среды от загрязнения.

2. Уровень техники

Технический прогресс, связанный с растущим потреблением пресной питьевой и технической воды в коммунальной, добывающей, сельскохозяйственной и других отраслях техники, обуславливает растушую потребность в чистой воде, которая, в связи с техногенным загрязнением окружающей среды, становится все большим дефицитом. В то же время существует актуальная проблема очистки сточных и других загрязненных вод, в том числе находящихся в недрах Земли.

Известен способ одновременного умягчения и обезжелезивания воды, включающий пропускание воды через засыпку, состоящую из смеси активированного угля и ионитов: карбоксильного катионита в Na⁺-форме, сульфокислотного катионита в H⁺-форме, сульфокислотного катионита в Ag⁺-форме и сильноосновного катионита в HCC^- ₃-форме (RU №2010007, кл. C02F 1/28, 1994 г.).

Недостатком известного способа является то, что при незначительной глубине умягчения он не обеспечивает требуемую степень очистки воды.

Наиболее близким аналогом заявленного предложения, принятым в качестве прототипа, является способ одновременного умягчения и обезжелезивания воды, включающий пропускание исходной воды через засыпку, состоящую из катионита КУ-2-8 в Na⁺-форме, обработанного слабокислым раствором трилона Б с последующей регенерацией отработанного катионита вначале взрыхлением и отмывкой водой осадка соединений железа с поверхности зерен катионита, затем обработкой раствором хлорида натрия и слабокислым раствором трилона Б (RU №2176988, кл. C02F 1/42, 1997 г.).

Недостатки прототипа состоят в следующем:

- использование в качестве электрических зарядов засыпки, заряды которой не соответствуют зарядам (рН) исходной воды и могут колебаться в широких пределах, что потребует оперативных изменений технологии;

- известный способ технологически сложен и трудоемок, в частности, из-за использования дорогих и громоздких материалов.

3. Раскрытие изобретения

Задачей изобретения является повышение глубины и степени очистки сточных вод за счет управляемого использования в процессе очистки активного химического реагента - гидратированного электрона (e_aq ^-).

Поставленная задача решается за счет того, что способ очистки сточных вод включает пропускание предварительно очищенной от механических примесей исходной воды через электролизер, представляющий собой цилиндрическую электролитическую камеру, выполненную в виде вставки в основной трубопровод, ось которого совпадает с осью камеры, причем электролитическая камера состоит из секций, в каждой из которых установлены цилиндрические электроды, один из которых устанавливают по оси электролитической камеры, а второй - на ее внутренней поверхности, и разделена общей для секций цилиндрической ионопроницаемой перегородкой на анодные и катодные пространства, при этом поток исходной воды последовательно пропускают сначала через одну, а затем через другую секцию, электроды которой имеют противоположные заряды относительно электродов первой секции, с последующим пропусканием воды через песок при одновременном отборе выделяющихся из воды газов и периодическом смыве с поверхности частиц песка налипшего осадка соединений железа и других примесей.

В качестве засыпки используют песок с высокой поверхностной энергией.

Для интенсификации выделения метаносодержащих и других газов исходную сточную воду предварительно нагревают (40-60)°С. Подогрев исходной воды осуществляют за счет пропускания через камеру, содержащую электрические тены.

4. Сущность изобретения

В качестве исходной сточной воды используется сточная вода, предварительно подогретая и очищенная от механических примесей (плавника, твердых и волокнисто-иловых включений и т.д.), с помощью известных средств (решеток, сеток, отстойников), а в качестве засыпки используют песок с высокой поверхностной энергией.

Схема реализации заявленного способа изображена на прилагаемом чертеже, где 1 - трубопровод, подающий предварительно очищенную от механических примесей исходную воду, 2 - цилиндрическая электролитическая камера, выполненная в виде вставки в основной трубопровод, ось которого совпадает с осью камеры, состоящей из двух секций 3 и 4, в каждой из которых установлены цилиндрические электроды, один из которых в виде стержня 5 устанавливают по оси электролитической камеры, а второй, в виде цилиндра 6 - на ее внутренней поверхности, внутренний диаметр цилиндра которого совпадает с внутренней поверхностью трубопровода, и разделенной общей цилиндрической, проницаемой для электрических зарядов перегородкой 7 на анодные и катодные пространства, имеющие одинаковые геометрические размеры и являющиеся продолжением одно другого, причем полярность знаков электродов в каждой из секций противоположна. 8 - фильтр, заполненный засыпкой 9 в виде песка с высокой поверхностной энергией, обеспечивающей акцептирование нерастворимых в воде соединений железа и других элементов, с устройством отбора выделяющихся газов и газовых примесей 10. В секции 3 электрод 5 является анодом, а электрод 6 - катодом, а в секции 4 электроды 5 и 6 подключены к противоположным полюсам источника постоянного тока.

Исходную сточную воду предварительно нагревают (до 40-60)°С с помощью, например, электрических тэнов.

Работает описанное устройство следующим образом.

Очищаемая вода представляет собой электролит, в котором присутствуют в наиболее заметных концентрациях, моль/кг: Н₂О - 53,6; Cl^- - 0,546; Na⁺ - 0,469; Fe³⁺ - 0,60; Mg²⁺ - 0,0528, - ионы, обуславливающие проводимость электрического тока электролитов (Измайлов Н.А. Электрохимия растворов. 3 изд., М., 1976).

Ионная проводимость обеспечивается следующим образом. Под действием напряженности электрического поля, создаваемой за счет подключения к источнику постоянного тока анода (+) и катода (-) электролизера, положительные ионы (катионы) идут к катоду 6 секции 3 (в секции 4 направление движения электронов противоположно) цилиндрической электролитической камеры 2, разделенной общей для обеих секций ионопроницаемой перегородкой 7, установленной на подающем воду трубопроводе 1, где положительные ионы, входящие в состав очищаемой воды, получают недостающие им электроны, в то время как отрицательные ионы (анионы) идут к аноду 5, которому они отдают лишние электроны.

Таким образом, обеспечивая ионную электропроводность раствора, электроды нейтрализуют поступившие к ним ионы, которые теряют с ними электрическую связь, превращаясь в атомы соответствующих веществ, уходящие в отборник 10 или выпадающие в осадок на поверхность песка 9 отстойника 8, расположенного за секцией 4, т.е. анионы и катионы очищаемой воды отдают лишние электроны аноду или анионам и получают недостающие электроны от катода или от катионов, в результате реакций замещения электронов с одновременной нейтрализацией соответствующих зарядов как анионов, так и катионов, выпадающих из раствора в фильтре 8, расположенном за электролитической камерой 2, а газы отбираются устройством 10, а твердые отходы оседают на поверхности песка 9, с которого они периодически смываются обратным током воды (на чертеже не показано, чтобы не загромождать технологическую схему).

Физическая суть процесса налипания твердых ионизированных примесей на поверхность песка заключается в следующем. Как известно, поверхностный пограничный с жидкостью слой твердых тел, как правило, составляют электроны, т.е. он отрицательный, в связи с чем каждая песчинка обволакивается положительными ионами (FeO²⁺ и др.). В свою очередь, образовавшийся поверхностный слой положительных ионов притягивает отрицательные ионы и т.д. Таким образом, на поверхности песка аккумулируются все твердые примеси, которые предварительно ионизировались в электролитической камере 2. При этом соединения железа и другие примеси находятся в гидролизованном виде и легко смываются обратным током воды (на схеме не показано).

Вода в анодной зоне в течение долей секунды насыщается высокоактивными окислителями: HClO, О₃, Н₂О₂ и др., обеспечивающими деструкцию примесей и бактерий.

При поступлении в сточную воду гидратированных электронов (e^- _aq), т.е. окруженных сольватной оболочкой электронов е^-, источником которых является катод электролизера, в катодных и анодных зонах (частично в объеме воды, где имеют место обменные реакции, вызванные разными значениями сродства к электрону тех или иных веществ), происходят химические реакции, типа следующих (Харт Э., Анбар М. Гидратированный электрон. М.: «Атомиздат», 1973. 268 с.):

Катодные реакции: Aⁿ⁺+e^- _aq→Aⁿ, например:

2Na⁺+2e^- _aq+SO₄ ^2-→Na₂SO₄↓ (e^- _aq играет ассоциирующую роль);

Na⁺+Cl^-+e^- _aq→NaCl↓(e^- _aq играет ассоциирующую роль);

Са²⁺+2e^- _aq+2H₂O→Ca(OH)₂↓+H₂↑(e^- _aq играет ассоциирующую роль).

NH₃ ⁺+e^- _aq→NH₃↑

Анодные реакции: A^n--e^- _aq→Aⁿ, например:

2Cl^--2e^- _aq→Cl₂↑

4OH^--4e^- _aq→2H₂↑+2O₂↑

2Al+3H₂O-6e^- _aq→Al₂O₃+3H₂↑

Учитывая, что в устройствах для очистки сточных вод (аэротенках, метантенках) имеют место в основном окислительные реакции, «сжигающие» примеси, желательно сточные воды пропускать в основном через анодные камеры электролизера, где происходят окислительные реакции, выводящие ионы примесей из растворов, типа следующих:

- для CH₂ - групп этилена и водорода: 2H⁺+СН₂ ^2-→CH₄↑;

- для окиси кальция и метана: СаО²⁺СН₄ ^2-→CH₄↑+CaO↓

Для получения преимущественно окислительных (анодных) реакций, типа вышеприведенных, из уровня техники известны разные приемы, такие как повторное пропускание через электролизер католита, разные размеры анодных и катодных камер и др. (В.М.Бахир, Ю.Г.Задорожный. Установки для электрохимического кондиционирования и очистки питьевой воды. Электрохимическая активация. Второй международный симпозиум. М., 1999 г., с.342-356).

Во время протекания воды через анодное пространство образуются продукты анодного окисления, например HClO, ClO^-, а также озон и кислород, окисляющие микроорганизмы и органические примеси по типу:

НСНО+2OH^--2е^- _aq→H₂↑+СО₂+Н₂О

Таким образом, проходя сначала через анодную (катодную), а затем катодную (анодную) камеры электролизера, очищаемая вода подвергается нейтрализации как катионов, так и анионов, попутно обеспечивая диссоциацию органических примесей в более доступные формы.

Учитывая, что для соответствующих технологических процессов желательна вода с той или иной степенью водородного показателя (рН), необходимую воду можно получить соответствующей настройкой параметров электролизера, в частности напряженности его электрического поля или увеличения площади контактов электродов. Известно, что, например, для промывки нефтяных или газовых скважин нужна щелочная вода, для переработки кожи или для дезинфекции помещений - кислая, а для большей части сельскохозяйственных культур в качестве оросительной воды наиболее благоприятной является вода с рН>7,0, которую агрономы называют «живой водой», в отличие от воды с рН<7,0 («мертвая вода»). При этом те или иные виды растений предпочитают воду с разными рН, вплоть до рН<7,0, которую потребляют солончаковые растения, цветущие и плодоносящие только на солончаках (Генкель П.А. Основные пути изучения солеустойчивости растений. Сельскохозяйственная биология, 1970, т.5, №2).

Для интенсификации выделения метаносодержащих и других газов исходную сточную воду предварительно нагревают (до 40-60)°С, для чего в ней размещают, например, электрические тэны.

Как видим, способ согласно изобретению можно осуществить с помощью вставки в трубопровод, в котором установлены цилиндрические электроды, к которым подключают постоянный электрический ток. Учитывая высокую электропроводность сточных вод, в тысячи раз превышающую электропроводность обычной питьевой воды, анодные и катодные процессы будут происходить во всем объеме воды, пропускаемой через электролитическую камеру.

5. Технические результаты

Настоящее изобретение предлагает дешевый способ производства больших объемов очищенной сточной воды без использования дорогостоящих химических веществ и без значительных затрат электроэнергии, как, например, при электродиализе или обратном осмосе.

Дополнительным эффектом может служить получение (горючих) газов, способных, в частности, произвести электрическую энергию.

Твердые осадки, выпадающие в отстойнике, размещенном после электролитической камеры, удаляются в больших количествах (отношение воды к осадку примерно составляет 100:5) и могут использоваться в добывающей промышленности (вплоть до золотодобычи) и как стройматериалы.

При этом секционное исполнение электролизера обеспечивает эффективное разделение сред при минимальных гидравлических сопротивлениях.

Преимущество заявленного способа по сравнению с прототипом состоит в том, что он обеспечивает в большей мере возможности как анодной, так и катодной нейтрализации вредных веществ, которые выводятся из очищаемой воды, при более высоких технико-экономических показателях процесса очистки.

Настоящее изобретение относится к способам очистки сточных вод и может быть использовано для получения воды, требуемой для эффективного использования в сельской, коммунальной и других отраслях жизнедеятельности. Сущность изобретения заключается в том, что предварительно очищенную от механических примесей исходную воду пропускают через электролизер, представляющий собой цилиндрическую электролитическую камеру, выполненную в виде вставки в основной трубопровод, ось которого совпадает с осью камеры, с последующим пропусканием воды через песок при одновременном отборе выделяющихся из воды газов и периодическом смыве с поверхности частиц песка налипшего осадка соединений железа и других примесей. При этом электролитическая камера состоит из секций, в каждой из которых установлены цилиндрические электроды, один из которых устанавливают по оси электролитической камеры, а второй - на ее внутренней поверхности, и разделена общей для секций цилиндрической ионопроницаемой перегородкой на анодные и катодные пространства. Причем поток исходной воды последовательно пропускают сначала через одну, а затем через другую секцию, электроды которой имеют противоположные заряды относительно электродов первой секции. Технический результат заключается в обеспечении высокого качества очистки воды при одновременном повышении технико-экономических показателей процесса очистки. 2 з.п. ф-лы, 1 ил.

1. Способ очистки сточных вод, включающий пропускание предварительно очищенной от механических примесей исходной воды через электролизер, представляющий собой цилиндрическую электролитическую камеру, выполненную в виде вставки в основной трубопровод, ось которого совпадает с осью камеры, причем электролитическая камера состоит из секций, в каждой из которых установлены цилиндрические электроды, один из которых устанавливают по оси электролитической камеры, а второй - на ее внутренней поверхности, и разделена общей для секций цилиндрической ионопроницаемой перегородкой на анодные и катодные пространства, при этом поток исходной воды последовательно пропускают сначала через одну, а затем через другую секцию, электроды которой имеют противоположные заряды относительно электродов первой секции, с последующим пропусканием воды через песок при одновременном отборе выделяющихся из воды газов и периодическом смыве с поверхности частиц песка налипшего осадка соединений железа и других примесей.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что исходную сточную воду предварительно нагревают.

3. Способ по п.2, отличающийся тем, что исходную сточную воду предварительно нагревают электрическими тэнами.