СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ ВОДЫ ПИТЬЕВОГО КАЧЕСТВА Российский патент 2015 года по МПК C02F9/00 

Изобретение относится к области водоснабжения коллективных пользователей и может быть использовано для получения питьевой воды из поверхностных или подземных источников.

В настоящее время в силу неудовлетворительной экологической обстановки, сокращения ресурсов водных источников и нарушения целостности существующих водоводных магистралей и централизованных систем водоподготовки одной из основных проблем жизнеобеспечения стала проблема обеспечения населения водой питьевого качества.

Особенно остро эта проблема возникает в районах стихийных бедствий вследствие непредвиденных катастроф (землетрясения, штормы, наводнения, засухи и т.п.), разрушения водопровода и загрязнения источников воды (родников, колодцев, рек, прудов и т.п.) самыми различными типами загрязнений.

Для сельского населения и жителей поселков, удаленных от центральных станций водоподготовки питьевая вода или отсутствует, или становится очень дорогой и невостребованной, поскольку прокладка магистралей и строительство централизованных станций водоочистки является очень затратным и долговременным мероприятием, а вода питьевого качества, расход которой на питьевые нужды составляет 5-7% от общего объема водопотребления, оказывается невостребованной из-за высоких тарифов по цене.

По этой причине разработка новых доступных методов получения воды питьевого качества и производство автономных станций для их осуществления с целью обеспечения населения районов стихийных бедствий и удаленных сельских поселений субъектов Российской Федерации водой питьевого качества, а также обеспечение чистой водой социально-значимых объектов (школы, детские сады и больницы), является весьма актуальной задачей.

Известен способ обратноосмотического обессоливания воды, включающий введение в обрабатываемую воду добавок с последующей фильтрацией воды через обратноосмотическую мембрану, причем в качестве добавок используют инертные частицы углерода, например фуллерена или сажи [Описание изобретения к патенту РФ №2216521 от 04.01.2003, МПК⁷ C02F 1/44, опубл. 20.11.2003]. Способ предотвращает загрязнение пермеата добавляемыми в процессе обессоливания веществами и сокращает их расход.

К недостаткам способа следует отнести снижение производительности за счет забивания по истечении некоторого времени поверхности мембраны механическими частицами добавок.

Известен способ очистки природных вод, включающий две стадии механической обработки, опреснение обратным осмосом, после двух стадий механической обработки проводят дехлорирование сульфитом натрия, далее воду очищают микрофильтрацией и добавляют ингибитор, опреснение обратным осмосом проводят в две стадии, после первой стадии концентрат сбрасывают, а в пермеат добавляют ингибитор и едкий натр, повышая pH до 10,4, затем проводят вторую стадию опреснения обратным осмосом, причем концентрат после второй стадии обратного осмоса подмешивают в поток на вход первой стадии опреснения, а в пермеат добавляют кислоту и пропускают его через фильтры-кондиционеры с кальциево-магниевой загрузкой [Описание изобретения к патенту РФ №2225369 от 13.03.2003, МПК⁷ C02F 9/08, опубл. 10.03.2004]. Способ обеспечивает снижение капитальных затрат и затрат на обслуживание опреснительных станций, повышение качества очищенной воды-пермеата до уровня, соответствующего рекомендациям ВОЗ, в том числе по бору и солям жесткости.

К недостаткам этого способа следует отнести его многостадийность и сложность аппаратного оформления. Кроме этого производительность способа отличается нестабильностью и зависит от степени загрязнения обратноосмотических мембран.

Известен способ глубокого обессоливания пресных и солоноватых вод, включающий последовательные процессы по ступеням: осветление, обработку осветленной воды на ионообменных фильтрах и обессоливание в обратноосмотической ступени с отводом концентрата из каждой ступени очистки, при этом процесс обратноосмотического обессоливания ведут двухстадийно при более высоком давлении очищаемой воды на каждой последующей стадии обессоливания, причем давление очищаемой воды устанавливают на первой стадии не более 1,6 МПа и не более 4,0 МПа на последней стадии при отношении расходов пермеата к концентрату обратноосмотической ступени в пределах n=7-99, отвод концентрата из обратноосмотической ступени производят в каждой стадии на регенерацию ионообменных фильтров, а пермеат после обратноосмотической ступени очистки подвергают H-OH-ионированию [Описание изобретения к патенту РФ №2283288 от 23.11.2004, МПК⁷ C02F 9/08, B01D 61/12, C02F 1/42, C02F 1/44, опубл. 10.09.2006]. Достигаемые результаты - увеличение выхода пермеата, уменьшение расхода концентрата, повышение качества обессоленной воды, сокращение сбросов концентрата по ступеням обессоливания и уменьшение расходов воды на собственные нужды установки.

К недостаткам способа, как и в предыдущем случае, следует отнести многостадийность и сложность аппаратного оформления, а также периодичность работы, связанную с необходимостью восстановления рабочих функций оборудования.

Также известен способ получения осветленной воды для питания водооборотных циклов аммиачного производства, заключающийся в заборе исходной воды, ее последующем осветлении, флокуляции, фильтрации от механических и взвешенных частиц и подаче на установку получения деминерализованной воды нанофильтрацией и обратным осмосом, а по мере загрязнения мембранных элементов проводят их очистку путем подачи и выдержки по времени моющих растворов: 50% серной кислоты и 42% щелочи или 20% гипохлорита натрия [Описание изобретения к патенту РФ №2294794 от 25.11.2004, МПК B01D 61/14, C02F 9/08, C02F 1/52, опубл. 10.03.2007]. Использование изобретения обеспечивает получение качественной воды, пригодной для надежной и эффективной работы нанофильтрационных и обратноосмотических установок, используемых в схемах водоподготовок химических производств.

К недостаткам способа следует отнести большие капитальные затраты на подготовку воды к подаче в обратноосмотический блок.

Наиболее близким по совокупности существенных признаков заявляемому способу является способ очистки и обеззараживания воды, включающий последовательное выделение из нее в несколько стадий механических примесей и загрязнений с помощью двух напорных сорбционных фильтров и обратноосмотического блока, работающих с остановкой между рабочими циклами для гидравлической очистки мембранного элемента обратноосмотического блока и удаления концентрата, причем на время простоя напорный канал мембранного элемента (напорная емкость обратноосмотического блока) заполняют фильтратом (пермеатом) [Описание изобретения к патенту РФ №2360870 от 25.10.2007, МПК C02F 9/08, опубл. 10.07.2009]. Способ обеспечивает единичную производительность 250-500 дм³/час в течение 8-20 час/сутки для компактно расположенных коллективных пользователей, при обеспечении заданного по физико-химическим свойствам качества питьевой воды.

Несмотря на то, что этот способ получил широкое применение при обессоливании воды с различной исходной концентрацией растворенных веществ, как и все подобные методы разделения, он имеет существенные недостатки, к которым следует отнести его многостадийность, необходимость тщательной подготовки воды для обратноосмотической очистки, что влечет большие капитальные и эксплуатационные затраты, недостаточную производительность и, соответственно, сложность аппаратного оформления.

По этой причине разработка технологических схем, включающих обратноосмотическое обессоливание и управление режимами их эксплуатации с целью снижения капитальных и энергетических затрат, является первостепенной, актуальной и востребованной.

Задача, решаемая первым изобретением группы, и достигаемый технический результат заключаются в упрощении способа очистки и повышении его производительности до 250-60000 дм³/час в течение 8-20 час/сутки.

Для решения поставленной задачи и достижения заявленного технического результата в способе получения воды питьевого качества, включающем выделение из нее механических примесей и загрязнений с помощью фильтра механической очистки и обратноосмотического блока, работающих с остановкой между рабочими циклами для гидравлической очистки мембранного элемента обратноосмотического блока и удаления концентрата, причем на время технологического перерыва напорную емкость обратноосмотического блока заполняют пермеатом, при этом вначале из обрабатываемой воды с помощью фильтра выделяют механические примеси с размером частиц более 5 мкм, после чего ее подают в напорную емкость обратноосмотического блока, при этом также осуществляют периодическую гидравлическую промывку мембранного элемента в течение рабочего цикла без остановки оборудования с интервалом, определяемым формулой:

где

a - эмпирическая константа, равная 3,5 мг/ дм³ час;

C - концентрация растворенных ионов, приводящих к образованию коллоидных частиц, мг/ дм³.

Размерность константы a - миллиграмм на дециметр кубический в час - мг/ дм³ час, а физический смысл - удельная временная концентрация, которая не имеет иного прикладного значения, кроме заявленного в качестве некой эмпирической константы.

Кроме этого:

- в воду, очищенную от механических примесей с размером частиц более 5 мкм перед подачей в напорную емкость обратноосмотического блока вводят ингибиторы из расчета 1,5-4,5 г/м³ обрабатываемой воды;

- используют ингибиторы на основе полифосфатов или полиакрилатов;

- на время технологического перерыва, после проведения гидравлической промывки мембранного элемента обратноосмотического блока и удаления концентрата с поверхности мембраны, осуществляют растворение солей неорганических кислот путем заполнения напорной емкости обратноосмотического блока пермеатом с pH=5,0-6,0.

Изобретение поясняется чертежом, на котором изображена схема автономной станции, реализующей способ получения воды питьевого качества.

Способ получения воды питьевого качества реализован на автономной станции, которая включает установленные в технологической последовательности фильтр 1 механической (грубой) очистки, напорный насос 2, связанный с напорной емкостью 3 обратноосмотического блока 4, безнапорная емкость 5 которого соединена с накопительной емкостью 6 пермеата, при этом напорная емкость 3 обратноосмотического блока 4 имеет единый штуцер 7 для отвода концентрата и подвода пермеата из накопительной емкости 6 посредством дополнительного насоса 8, и систему управления (условно не показана), при этом фильтр 1 механической очистки выполнен с возможностью отделения механических примесей с размером частиц более 5 мкм, а к выходу 9 фильтра 1 механической очистки подключен расходный бак 10 ингибитора.

Следует отметить, что под термином «напорная емкость обратноосмотического блока» понимают внутренний объем трубопроводов, примыкающих к мембране обратноосмотического блока 4, и где сосредоточена подлежащая очистке вода. В свою очередь, «безнапорная емкость» - внутренний объем трубопроводов на выходе с мембраны обратноосмотического блока 4, где сосредоточена очищенная вода (фильтрат, пермеат).

Пример 1

Для выделения из воды механических примесей и загрязнений с помощью фильтра 1 механической очистки и обратноосмотического блока 4, работающих с остановкой между рабочими циклами для гидравлической очистки мембранного элемента 11 (показан условно) обратноосмотического блока 4 и удаления концентрата, причем на время технологического перерыва напорную емкость 3 обратноосмотического блока 4 заполняют пермеатом, при этом вначале из обрабатываемой воды с помощью фильтра 1 выделяют механические примеси с размером частиц более 5 мкм, после чего ее подают в напорную емкость 3 обратноосмотического блока 4, при этом осуществляют периодическую гидравлическую промывку мембранного элемента 11 в течение рабочего цикла без остановки оборудования с интервалом в часах, определяемым формулой:

, где

a - эмпирическая константа, равная 3,5 мг/ дм³ час;

C - концентрация растворенных ионов, приводящих к образованию коллоидных частиц (концентрация взвешенных частиц), мг/дм³.

Воду, очищенную от механических примесей с размером частиц более 5 мкм, перед подачей в напорную емкость 3 обратноосмотического блока 4 вводят ингибиторы на основе полифосфата «ИОМС-1» из расчета 1,5 г/м³ обрабатываемой воды, а на время технологического перерыва, после проведения гидравлической промывки мембранного элемента 11 (или мембраны) обратноосмотического блока 4 и удаления концентрата с поверхности мембраны, осуществляют растворение солей неорганических кислот путем заполнения напорной емкости 3 обратноосмотического блока 4 пермеатом с pH=5,0.

Пример 2

В воду, очищенную от механических примесей с размером частиц более 5 мкм, перед подачей в напорную емкость 3 обратноосмотического блока 4 вводят ингибиторы на основе полифосфата «Аминат Д» из расчета 4,5 г/м³ обрабатываемой воды, а на время технологического перерыва, после проведения гидравлической промывки мембранного элемента 11 (или мембраны) обратноосмотического блока 4 и удаления концентрата с поверхности мембраны, осуществляют растворение солей неорганических кислот путем заполнения напорной емкости 3 обратноосмотического блока 4 пермеатом с pH=6,0.

Пример 3

В воду, очищенную от механических примесей с размером частиц более 5 мкм, перед подачей в напорную емкость 3 обратноосмотического блока 4 вводят ингибиторы на основе полиакрилата VITEK из расчета 1,7 г/м³ обрабатываемой воды, а на время технологического перерыва, после проведения гидравлической промывки мембранного элемента 11 (или мембраны) обратноосмотического блока 4 и удаления концентрата с поверхности мембраны, осуществляют растворение солей неорганических кислот путем заполнения напорной емкости 3 обратноосмотического блока 4 пермеатом с pH=5,5.

Пример 4.

В воду, очищенную от механических примесей с размером частиц более 5 мкм, перед подачей в напорную емкость 3 обратноосмотического блока 4 вводят ингибиторы на основе полиакрилата ROPUR из расчета 4,3 г/м³ обрабатываемой воды, а на время технологического перерыва, после проведения гидравлической промывки мембранного элемента 11 (или мембраны) обратноосмотического блока 4 и удаления концентрата с поверхности мембраны, осуществляют растворение солей неорганических кислот путем заполнения напорной емкости 3 обратноосмотического блока 4 пермеатом с pH=5,9.

Преимущество изобретения обусловлено следующим. Традиционно установки с обратноосмотическими блоками включают сложные системы предварительной подготовки воды для ее подачи на мембрану. Фактически воду максимально очищают от механических примесей. При этом между рабочими циклами установок (как правило, это одна рабочая смена) производят восстановление фильтров и гидравлическую очистку мембранного элемента обратноосмотического блока с удалением концентрата. На время технологического перерыва напорную емкость обратноосмотического блока заполняют пермеатом для предотвращения выпадения солей на поверхность мембранного элемента.

В настоящем техническом решении способ получения воды существенно упрощен.

Вначале из обрабатываемой воды с помощью фильтра 1 выделяют механические примеси с размером частиц более 5 мкм. Это наиболее простой, доступный, высокопроизводительный и дешевый вид подготовки воды. Такую заведомо «недоочищенную» воду подают в напорную емкость 3 обратноосмотического блока 4. При работе на такой воде происходит загрязнение мембраны обратноосмотического блока 4 и быстрое снижение его производительности по пермеату. Наблюдения работы обратноосмотических систем на различных типах загрязненных вод показали, что по истечении одного месяца работы производительность снизилась в 3 раза.

Для удаления рыхлых осадков взвешенных частиц и коллоидного железа с поверхности мембранного элемента 11 в обратноосмотических блоках 4 рулонного типа была применена схема, использующая периодическую гидравлическую промывку поверхности мембран. Был проведен анализ гидродинамики потоков в рулонном мембранном элементе 11 обратноосмотического блока 4, и рассмотрено влияние гидродинамических параметров на процесс обратноосмотической очистки.

Оказалось, что для достижения эффективной гидравлической промывки достаточно повысить скорость потока воды в напорном канале 12 примерно в 2-3 раза путем сброса давления на мембране (в напорной емкости 3). Для реализации этого, на линии 13 концентрата установлен магнитный клапан 14, включающий процесс быстрой гидравлической промывки.

В связи с этим, представляется важным определить оптимальную периодичность гидравлических промывок мембранного элемента 11 обратноосмотического блока 4. Для этого выбран комбинированный параметр S, т.н. концентрация взвешенных частиц, - равный сумме концентраций растворенных ионов, которые могут привести к образованию коллоидных частиц C_i, мг/дм³:

Таким образом параметр S определяется исходя из качества исходной питающей воды.

На основании собственного массива экспериментальных данных о работе обратноосмотической системы на исходной воде различного состава (с предварительной очисткой и без нее) и литературных данных установлено, что интервал гидравлических промывок т (час) в зависимости от S описывается аналитическим выражением

где a - эмпирическая константа, равная 3,5 мг/ дм³ час.

Пример расчета.

Например, концентрация растворенных ионов, приводящих к образованию коллоидных частиц (концентрация взвешенных частиц), в воде составляет 3,7 мг/дм³. Интервал промывок составит 3,7/3,5=1,06 час или менее, что может быть увязано с продолжительностью рабочей смены на станции получения воды или удобством настойки ее системы управления. Длительность интервала гидравлической промывки, большее расчетного будет способствовать избыточному загрязнению мембранного элемента 11, а, следовательно, снижению производительности станции, в зависимости от величины превышения нормируемого параметра.

Экспериментально установлено, что применение периодических гидравлических промывок позволило увеличить фильтроцикл системы обратноосмотической очистки воды более чем в 2 раза.

Поскольку в составе концентрата преобладают соединения CaCO₃+CaSO₄ и взвешенные вещества, была рассмотрена схема с ингибированием осадкообразования.

Анализ количества и состава осадка показал, что на поверхности мембранного элемента 11 образуются плотные осадки взвешенных веществ, карбоната и сульфата кальция, которые в свою очередь значительно снижают эффективность работы систем обратноосмотической очистки. Объясняется этот факт тем, что действие ингибитора основывается на образовании пленок на поверхности мембранного элемента 11, что уменьшает количество центров кристаллообразования и предотвращает образование отложений минеральных солей на поверхности мембран. В случае использования установок обратноосмотической очистки без предварительной подготовки воды на поверхности мембранных элементов 11 образуются осадки взвешенных и коллоидных частиц, и ингибитор перестает действовать эффективно. Также действие ингибиторов уменьшает высокое содержание в исходной воде растворенное и коллоидное железо.

Отсюда можно сделать вывод, что основными загрязнителями мембранных элементов 11 являются быстро накапливающиеся на поверхности мембран рыхлые осадки. Также отмечено, что эти осадки эффективно удаляются с помощью гидравлических промывок. При этом, в случае работы с гидравлической промывкой продолжительность фильтроцикла напрямую зависит от накопления плотных карбонатных отложений, для предотвращения которых ранее ничего не применялось. Поэтому было исследовано поведение обратноосмотической системы, при проведении процесса с ингибированием осадкообразования и гидравлической промывкой. Полученные данные показали, что в случае применения ингибиторов осадкообразования совместно с гидравлическими промывками, удается значительно увеличить фильтроцикл системы обратноосмотической очистки по сравнению со всеми известными схемами. Эффективное удаление рыхлых осадков, взвешенных веществ и гидроксида железа позволяет работать ингибиторам гораздо эффективнее на поверхности мембранного элемента 11.

Ингибиторы вводят из расчета 1,5-4,5 г/м³ обрабатываемой воды, в зависимости от ее качественного состава. Меньшее из указанного предела количество ингибиторов не позволяет осуществить эффективную защиту поверхности мембраны. Большее - ведет к перерасходу ингибитора, что экономически нецелесообразно. Многочисленные опыты позволили выявить наиболее эффективные ингибиторы. Ими оказались ингибиторы на основе полифосфатов, такие, например, как «ИОМС-1», «Аминат Д» и другие, или полиакрилаты, такие, например, как VITEK, ROPUR и другие.

Применение совместно гидравлических промывок и ингибирования дает хорошие результаты и позволяет эксплуатировать системы обратноосмотической очистки на неподготовленной воде, теоретически позволяет увеличить продолжительность фильтроциклов в 5-6 раз до проведения химических моек мембран, при этом срок службы мембранных элементов 11 не сокращается, что позволяет конкурировать с системами, имеющими в своем составе блоки предварительной подготовки воды перед ее подачей в обратноосмотические блоки. При этом состав воды после очистки в конце фильтроцикла соответствует нормативным требованиям.

Дополняя вышеописанную технологию очистки воды заполнением напорной емкости 3 обратноосмотического блока 4 на время технологических перерывов пермеатом, можно реализовать еще более эффективную схему проведения процесса обратноосмотической очистки - в сочетании с периодической гидравлической очисткой мембранного элемента 11 и ингибированием осадкообразования. Пермеат обратноосмотического блока 4 не только является глубоко деминерализованной водой, которая растворяет оставшуюся часть осадков, но также благодаря пониженным значениям pH (pH=5,0-6,0) значительно повышает растворимость в нем солей неорганических кислот. Несмотря на то, что количество неудаленных в результате промывки солей невелико, это позволяет восстановить свойства мембранного элемента практически до исходного состояния, а, следовательно, улучшить условия его работы и обеспечить более высокую производительность. Применяя гидравлическую промывку и ингибирование, а также заполняя на время остановки станции напорной емкости 3 обратноосмотического блока 4 пермеатом, можно добиться практически полного удаления загрязнений с поверхности мембранного элемента 11, что приводит к устойчивой работе системы обратноосмотической очистки на воде с повышенным содержанием загрязнений.

При сопоставлении различных схем проведения обратноосмотической очистки (обессоливания) реализация заявленного способа позволяет существенно снизить не только капитальные, но и эксплуатационные затраты без изменения качества получаемой воды.

Как видно из описания и примеров, создан способ получения воды питьевого качества, который отличается доступностью и простотой реализации и обеспечивает производительность до 250-60000 дм³/час в течение 8-20 час/сутки.

Изобретение относится к области водоснабжения коллективных пользователей и может быть использовано для получения питьевой воды из поверхностных или подземных источников. Способ получения воды питьевого качества включает выделение из нее механических примесей и загрязнений с помощью фильтра механической очистки и обратноосмотического блока, работающих с остановкой между рабочими циклами для гидравлической очистки мембранного элемента обратноосмотического блока и удаления концентрата. На время технологического перерыва напорную емкость обратноосмотического блока заполняют пермеатом. Вначале из обрабатываемой воды с помощью фильтра выделяют механические примеси с размером частиц более 5 мкм. После чего ее подают в напорную емкость обратноосмотического блока, при этом осуществляют периодическую гидравлическую промывку мембранного элемента в течение рабочего цикла без остановки оборудования с интервалом, определяемым формулой:

где

a - эмпирическая константа, равная 3,5 мг/ дм³ час;

C - концентрация растворенных ионов, приводящих к образованию коллоидных частиц, мг/дм³.

Изобретение позволяет упростить способ очистки и повысить его производительность до 250-60000 дм³/час в течение 8-20 час/сутки. 3 з.п. ф-лы, 1 ил.

1. Способ получения воды питьевого качества, включающий выделение из нее механических примесей и загрязнений с помощью фильтра механической очистки и обратноосмотического блока, работающих с остановкой между рабочими циклами для гидравлической очистки мембранного элемента обратноосмотического блока и удаления концентрата, причем на время технологического перерыва напорную емкость обратноосмотического блока заполняют пермеатом, отличающийся тем, что вначале из обрабатываемой воды с помощью фильтра выделяют механические примеси с размером частиц более 5 мкм, после чего ее подают в напорную емкость обратноосмотического блока, при этом осуществляют периодическую гидравлическую промывку мембранного элемента в течение рабочего цикла без остановки оборудования с интервалом, определяемым формулой:
, где
a - эмпирическая константа, равная 3,5 мг/дм³ час;
C - концентрация растворенных ионов, приводящих к образованию коллоидных частиц, мг/дм³.

2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что в воду, очищенную от механических примесей с размером частиц более 5 мкм, перед подачей в напорную емкость обратноосмотического блока вводят ингибиторы из расчета 1,5-4,5 г/м³ обрабатываемой воды.

3. Способ по п. 2, отличающийся тем, что используют ингибиторы на основе полифосфатов или полиакрилатов.

4. Способ по п. 1, отличающийся тем, что на время технологического перерыва, после проведения гидравлической промывки мембранного элемента обратноосмотического блока и удаления концентрата с поверхности мембраны, осуществляют растворение солей неорганических кислот путем заполнения напорной емкости обратноосмотического блока пермеатом с pH=5,0-6,0.