СПОСОБ ОЧИСТКИ ПРИРОДНЫХ ВОД Российский патент 2014 года по МПК C02F9/04 C02F1/58 C02F1/52 C02F1/28 

Изобретение относится к области очистки воды и может быть использовано для получения питьевой воды из поверхностных и подземных источников.

Известен способ обработки воды в жидкостно-газовом эжекторе кислородом воздуха, подающимся в эжектор при давлении 0,3-0,7 ата, и последующей обработкой воды минеральной кислотой (Патент RU 2208598 С1, МПК C02F 9/08, опубл. 20.07.2003). Недостатком способа является необходимость использования минеральной кислоты, соли которой в очищенной воде необходимо удалять, что требует усложнения установки.

Известен способ очистки питьевой воды (Патент RU 2238912 C2, МПК C02F 1/64, опубл. 20.08.2003), включающий последовательную обработку очищаемой воды перманганатом калия и пероксидом водорода с последующим фильтрованием. Недостатком способа является необходимость использования дефицитного и неустойчивого пероксида водорода.

Наиболее близким по технической сущности к заявленному является способ очистки воды от примесей железа, марганца, углекислоты и органических примесей, включающий аэрацию воды воздухом, последовательное окисление гипохлоритом натрия и подщелачивание известью в смесителях с последующим двухстадийным фильтрованием. На первой стадии фильтрования на осветительном фильтре (кварцевый песок) задерживаются гидроксиды железа, марганца, а также сера, затем осветленную воду дополнительно подвергают окислению гипохлоритом натрия и пропускают через сорбционный фильтр (А.С. SU 1368846, C02F 9/00, опубл. 23.01.1988).

Недостатком известного способа является двукратное использование при очистке питьевой воды гипохлорита натрия, неполнота очистки от коллоидных железоорганических частиц, повышение жесткости исходной воды и невозможность очистки от примесей анионного характера, в частности кремниевой кислоты и ее растворимых солей.

Задачей изобретения является комплексная очистка воды из подземных и поверхностных (речных, озерных, болотных) источников за счет удаления из воды соединений железа, марганца, бикарбонатов щелочно-земельных металлов, кремниевой кислоты и ее солей и органических примесей, упрощение схемы очистки воды и снижение содержания примесей до значений, не превышающих предельно допустимых концентраций.

Поставленная задача решается тем, что в способе очистки природных вод, включающем окисление, нейтрализацию и двухстадийное фильтрование, окисление с одновременным переводом примесей в растворимое состояние проводят раствором угольной кислоты, получаемой при насыщении исходной воды диоксидом углерода, а нейтрализацию образовавшихся соединений проводят раствором гидроксида кальция с концентрацией 1-1.3 г/л с последующим удалением осадка сначала в отстойнике и на фильтрате с нейтральной засыпкой, а затем на фильтре со слабоосновной засыпкой.

Насыщение исходной воды диоксидом углерода производят путем его подачи во всасывающий патрубок центробежного насоса при давлении диоксида углерода более 0,1 МПа.

В качестве слабоосновной засыпки на второй стадии фильтрации используется брусит Mg(OH)₂ с размером зерен 3-10 мм.

Железо в природных водах может находиться в виде ионов двухвалентного железа, в виде коллоидных органических и неорганических соединений и в виде истинного раствора органических соединений двух- и трехвалентного железа. В водах рек и озер, особенно болотного происхождения, железо может содержаться в виде органических соединений или в коллоидной форме. Марганец в подземной водах содержится в виде солей двухвалентного марганца, хорошо растворимых в воде. В поверхностных водах марганец может содержаться в виде коллоидных или комплексных органических соединений (Справочник проектировщика. Водоснабжение населенных мест и промышленных предприятий- М.: Стройиздат, 1977, с.191-193).

При аэрировании природных вод в результате окисления кислородом воздуха соединения железа и марганца переходят в нерастворимое состояние в виде коллоидных Fe(OH)₃ и Мn(ОН)₄. Аналогичные процессы протекают и при контакте кислорода воздуха с поверхностными водами, сопровождающимися процессами адсорбции гуминовых и других органических соединений на поверхности коллоидных частиц гидроксидов с образованием весьма устойчивых комплексов нанодисперсного размера, удаление которых из воды является сложной технической проблемой. В предлагаемом способе вместо аэрации используется насыщение исходной воды диоксидом углерода, в результате чего образуется раствор угольной кислоты с концентрацией CO₂ в воде в пределах 60-440 мг/л, (pH 6,2-4,1) при 20°C. При взаимодействии угольной кислоты с коллоидными органоминеральными частицами гидроксидов железа и марганца происходит разрушение этих частиц и образуются водорастворимые гидрокарбонаты металлов по реакциям:

$$Fe{\left(OH\right)}_2+2C{O}_2=Fe{\left(HC{O}_3\right)}_2;\left(1\right)$$

$$Fe{\left(OH\right)}_3+2C{O}_2=Fe{\left(HC{O}_3\right)}_2+O{H}^{-}\left(2\right)$$

$$Mn{\left(OH\right)}_4+4C{O}_2=Mn{\left(HC{O}_3\right)}_4.\left(3\right)$$

Технологическая схема насыщения исходной воды диоксидом углерода и ее очистки представлена на фиг.1.

Исходная вода из бака 1 по трубопроводу 2 поступает в центробежный насос 3, во всасывающий патрубок которого из баллона 4 подается диоксид углерода при давлении 0,05-0,15 МПа. При вращении рабочего колеса насоса газожидкостная смесь под действием центробежной силы радиально отбрасывается к внутренней поверхности улитки насоса, где возникает повышенное давление, под действием которого увеличивается интенсивность насыщения воды диоксидом углерода. Величина давления в нагнетающем патрубке насоса обусловлена величиной напора, который необходимо создать для преодоления всех гидравлических сопротивлений, возникающих на всем тракте движения воды. Внутри улитки насоса происходит не только растворение газа в воде, но и начинают протекать реакции (1-3).

Под действием напора, создаваемого насосом 3, вода через регулировочный кран 5 поступает в промежуточную емкость 6 для завершения процессов растворения диоксида углерода в воде и далее в конический реактор 7 с насадкой из инертного заполнителя (гравий, керамзит) с размером зерен 10-20 мм. В нижнюю часть реактора 7 с помощью насоса 8 из емкости 9 подается известковая вода с концентрацией гидроксида кальция 1,17-1,22 г/л (А.В.Волженский. Минеральные вяжущие вещества. - М.: Стройиздат, 1986, с.92). При приготовлении известковой воды используется либо исходная вода, либо вода, подаваемая из фильтра первой ступени очистки 10 центробежным насосом 11, которая поступает в нижнюю часть емкости 9 и, проходя через слой засыпки (кассету) гидроксида кальция, насыщается им. При контакте известковой воды с водой, насыщенной диоксидом углерода, в реакторе 7 протекают следующие реакции:

$$Ca{\left(HC{O}_3\right)}_2+Ca{\left(OH\right)}_2=2CaC{O}_3+2H_{2}O;\left(4\right)$$

$$Mg{\left(HC{O}_3\right)}_2+Ca{\left(OH\right)}_2=CaC{O}_3\cdot MgC{O}_3+2H_{2}O;\left(5\right)$$

$$Fe{\left(HC{O}_3\right)}_2+Ca{\left(OH\right)}_2=CaC{O}_3+FeC{O}_3+2H_{2}O;\left(6\right)$$

$$Mn{\left(HCO3\right)}_2+Ca{\left(OH\right)}_2=CaC{O}_3+MnC{O}_3+2H_{2}O+C{O}_2;\left(7\right)$$

$$H_{2}Si{O}_3+Ca{\left(OH\right)}_2=CaO\cdot Si{O}_2\cdot 2H_{2}O.\left(8\right)$$

При протекании реакций (4-8) образуются практически нерастворимые в воде соединения: кальцит CaCO₃, доломит CaCO₃·MgCO₃, сидерит FeCO₃, карбонат марганца МnСO₃ и гидросиликаты кальция CaO·SiO₂·2H₂O. По такой же схеме происходит образование других металлов, ионы которых присутствуют в исходной воде.

Вода из реактора 7 поступает в отстойник 12, в котором в результате протекания процесса самопроизвольной коагуляции (автокоагуляция), происходит осветление воды. Осветленная вода поступает на фильтр первой ступени очистки 10, заполненный нейтральной насадкой (кварцевый песок, глинистые сланцы, полипропиленовая вата, дробленые горелые и цеолитовые породы), а затем на фильтр второй ступени очистки 13, заполненный слабоосновной насадкой, в качестве которой используется дробленый брусит Mg(OH)₂ с размером зерен 3-10 мм. Очищенная вода поступает в емкость 14, откуда центробежным насосом 15 подается в водопроводную сеть чистой питьевой воды.

Пример исполнения.

Предложенный способ испытан при очистке скважинной воды с концентрацией железа 5,6 мг/л, марганца 0,18 мг/л, органических гумусовых веществ 3,8 мгO₂/л и кремния 20 мг/л при pH 7,5±0,2. 200 мл воды с температурой 15°C помещали в стеклянный стакан с плотной крышкой, снабженный мешалкой (500 об/мин) и патрубком для подачи непосредственно в воду диоксида углерода из баллона при 0,05-0,15 МПа. Насыщение воды газом проводили в течение 1, 3, 5, и 10 мин. После насыщения воды диоксидом углерода вода переливалась из мешалки в стеклянный стакан, в который приливалась известковая вода в соотношении 2:1. После приливания известковой воды к воде, насыщенной углекислотой, наблюдалось во всех случаях образование мути, которая через 5-10 мин объединялась в хлопья за счет автокоагуляции, и после дополнительного перемешивания, оседания осадка и отстаивания проводилась фильтрация на однослойном бумажном фильтре. В полученном фильтрате определялось содержание примесей железа, марганца, кремния и органики. Все данные по насыщению исходной воды углекислотой и по содержанию примесей после нейтрализации известковой водой представлены в таблице, анализ которой позволяет сделать следующие выводы:

- концентрация углекислоты, растворенной в воде, зависит от давления подаваемого газа и времени контакта воды с диоксидом углерода;

- удовлетворительные результаты по насыщению воды CO₂ получаются при давлении CO₂ более 0,1 МПа в течение 5-10 мин;

- содержание определяемых примесей в воде после ее очистки не превышает значений ПДК.

Большое значение в предлагаемом способе очистки воды имеет предварительное насыщение воды углекислотой, в результате чего вода приобретает кислотные свойства, в которой растворяются коллоидные органоминеральные частицы и за счет этого происходит разрушение этих частиц. Процесс нейтрализации такой воды известковой водой сопровождается образованием сначала нанодисперсных частиц с последующим объединением их в хлопья, которые не растворимы в воде и обладают высокой адсорбционной способностью. Все эти факты подтверждают высокую эффективность предлагаемого способа очистки воды, которой невозможно достичь при использовании многих известных способов. Предлагаемый способ очистки воды является простым в осуществлении, не требует использования дефицитных реагентов, а образующиеся осадки представляют собой экологически безвредные карбонаты различных металлов. Способ можно использовать для снабжения питьевой водой небольших населенных пунктов, вахтовых поселков в районах Сибири и Крайнего Севера.

Способ очистки природных вод Давление CO₂, МПа Время насыщения воды CO₂, мин Концентрация CO₂ в воде, мг/л Значение pH воды Содержание примесей после очистки воды, мг/л Железо (ПДК=0,3 мг/л) Марганец (ПДК=0,1 мг/л) Кремний (ПДК=10 мг/л) Органика (ПДК=5 мг O₂/л)   1 60 6,2 2,3 0,16 18,0 3,2   3 160 5,8 0,8 0,11 17,5 2,9 0,05 5 250 5,1 0,25 0,07 12,5 2,7   10 340 4,6 0,22 0,05 12,0 2,5   1 90 6,0 0,91 0,14 17,6 2,8   3 180 5,5 0,72 0,10 14,3 2,5 0,10 5 280 5,0 0,20 0,07 10,2 2,0   10 360 4,4 0,20 0,05 10,0 2,0   1 140 5,8 0,82 0,12 16,2 2,8 0,15 3 220 5,3 0,24 0,07 11,4 2,4   5 340 4,7 0,18 0,05 9,8 2,0   10 440 4,1 0,15 0,05 9,5 1,8

Изобретение относится к области очистки природных вод и может быть использовано для получения питьевой воды. Способ очистки природных вод включает окисление, нейтрализацию и двухстадийную фильтрацию. Окисление с одновременным переводом примесей в растворимое состояние проводят раствором угольной кислоты, получаемой при насыщении исходной воды диоксидом углерода. Нейтрализацию образовавшихся соединений проводят раствором гидроксида кальция с концентрацией 1-1,3 г/л с последующим удалением осадка сначала в отстойнике и на фильтре с нейтральной засыпкой, а затем на фильтре со слабоосновной засыпкой. Изобретение позволяет удалять из воды соединения железа, марганца, бикарбонатов щелочно-земельных металлов, кремниевой кислоты и ее солей и органические примеси, упростить схему очистки воды и снизить содержание примесей до значений, не превышающих предельно допустимых концентраций. 2 з.п. ф-лы, 1 ил., 1 табл.

1. Способ очистки природных вод, включающий окисление, нейтрализацию и двухстадийную фильтрацию, отличающийся тем, что окисление с одновременным переводом примесей в растворимое состояние проводят раствором угольной кислоты, получаемой при насыщении исходной воды диоксидом углерода, а нейтрализацию образовавшихся соединений проводят раствором гидроксида кальция с концентрацией 1-1,3 г/л с последующим удалением осадка сначала в отстойнике и на фильтре с нейтральной засыпкой, а затем на фильтре со слабоосновной засыпкой.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что насыщение исходной воды диоксидом углерода производят путем его подачи во всасывающий патрубок центробежного насоса при давлении диоксида углерода более 0,1 МПа.

3. Способ по п.1, отличающийся тем, что в качестве слабоосновной засыпки на второй стадии фильтрации используют брусит Mg(OH)₂ с размером зерен 3-10 мм.