СПОСОБ КОМБИНИРОВАННОЙ ОЧИСТКИ ПРИРОДНОЙ ВОДЫ Российский патент 2017 года по МПК C02F9/12 C02F1/32 C02F1/76 C02F103/04 

Изобретение относится к области обработки воды, в частности к многостадийной обработке воды, и может быть использовано для получения питьевой воды путем очистки природных поверхностных и подземных вод до питьевых стандартов.

Системы централизованного водоснабжения, обслуживающие в настоящее время городское и сельское население страны и ориентированные, как правило, на поверхностные источники, довольно часто подают воду хозяйственно-питьевого назначения, не отвечающую гигиеническим требованиям по целому ряду показателей (стандарту по вкусовым качествам, цветности, запаху и мутности), по содержанию ионов железа и марганца, нефтепродуктов и фенола, а также по микробиологическим показателям.

Микробное загрязнение воды хозяйственно-питьевого назначения является одной из наиболее частых причин возникновения массовых заболеваний острыми кишечными инфекциями (дизентерией, энтероколитами, брюшным тифом, паратифами, вирусными гепатитами А и Е), а также другими энтеровирусными инфекциями.

Главной причиной снижения качества подаваемой населению воды является нарастающее загрязнение природных вод, при этом существующие технологические схемы водоподготовки не в полной мере обеспечивают соответствие воды установленным требованиям эпидемической безопасности, особенно при контаминации ее вирусами и кишечными простейшими. Все эти проблемы требуют совершенствования общепринятых, разработки и использования принципиально новых технологий очистки и обеззараживания питьевой воды.

Известен способ обработки природной воды, описанный в патенте Российской Федерации №2188169 на изобретение: "Способ получения питьевой воды", МПК C02F 9/12, приоритет от 29.11.2001 г., включающий ее фильтрацию, предварительную обработку, стерилизацию УФ-излучением и последующее кондиционирование введением ионов серебра. Предварительную обработку ведут хлорированием, стерилизацию проводят импульсным УФ-излучением сплошного спектра, по крайней мере, в одной установке погружного типа с использованием ксеноновых ламп, преимущественно вырабатывающих УФ-излучение длиной волны 200-400 нм, при удельных энергозатратах 1-10 Дж на 1 см³ воды и плотности потока 1-10 Вт/см2. Кондиционирование осуществляют при помощи раствора, содержащего диамминаргенат-ионы [Ag(NH3)2]+, полученные при электролизе воды в электролизере с периодической сменой полярности электродов, содержащих не менее 99 мас. % серебра, и последующем введении газообразного аммиака или аммиачной воды при условии 3-5%-ного избытка аммиака относительно стехиометрии, при этом указанный раствор дозируют в воду в количестве, соответствующем концентрации в ней серебра 0,001-0,02 мг/л, и соблюдают соотношение концентрации хлора, вводимого на стадии хлорирования, и концентрации серебра, добавляемого на последней стадии, в пределах 100-500:1 соответственно.

Недостатком известного технического решения является его сложность и высокая дороговизна, связанные с использованием при очистке воды значительного количества серебра.

Наиболее близким аналогом заявляемого в качестве изобретения способа является техническое решение, описанное в патенте Российской Федерации №2220115 на изобретение: "Способ получения питьевой воды", МПК C02F 9/12, приоритет от 26 декабря 2002 года.

Известный способ включает первичную обработку исходной воды ультрафиолетовым облучением, физико-химическую очистку воды, включающую реагентную обработку коагулянтом - сульфатом алюминия и флокулянтом, осветление, фильтрование через кварцевый песок, сорбцию на активированном угле, а также обеззараживание гипохлоритом натрия. Первичную обработку исходной воды осуществляют ультрафиолетовым облучением с дозой ультрафиолета 30 мДж/см², в качестве флокулянта используют полиакриламид в количестве 0,05-0,2 мг/дм³. Осветление осуществляют пропусканием воды через слой пенопластовых кубиков или вспененный полистирол, фильтрование осуществляют через кварцевый песок с крупностью зерен 0,3-1,5 мм и гравий от 2 до 32 мм, сорбцию осуществляют на гранулированном активированном угле с крупностью зерен 0,5-5 мм.

Одним из недостатков ближайшего аналога является то, что первичная обработка исходной воды ультрафиолетовым облучением не обеспечивает ее обеззараживания, так как является технологическим процессом, направленным на подавление биообъектов (фито- и зоопланктона, микроорганизмов) с целью предотвращения биообрастания и развития микробиологических объектов на технологическом оборудовании, то есть на первой стадии использование ультрафиолетового облучения носит чисто технологический характер, не связанный с эффектом финишного обеззараживания, применяемого для достижения обеззараживающего эффекта по микробиологическим показателям, соответствующим СанПиН.

Кроме того, способ, описанный в ближайшем аналоге, не позволяет оценить эффективность обеззараживания воды, которая определяется ее соответствием нормативам по микробиологическим и паразитологическим показателям, поскольку процесс завершения обеззараживания и очистки характеризуется только количественным показателем - величиной свободного остаточного хлора, равной 0,03 мг/л.

Технической задачей, на решение которой направлено настоящее изобретение, является создание способа, обеспечивающего высокое качество очистки и обеззараживания природных вод.

Поставленная задача решается тем, что в способе комбинированной очистки природной воды, включающем первичную обработку исходной воды ультрафиолетовым облучением, физико-химическую очистку, в качестве которой используют коагулянт сульфат алюминия и осветление воды путем отстаивания, а также обеззараживание гипохлоритом натрия, согласно изобретению, после физико-химической очистки воду подвергают вторичной обработке ультрафиолетовым облучением, после чего проводят обеззараживание гипохлоритом натрия с концентрацией 7 мг/л в течение 60 минут и отстаивание ее, по крайней мере, до величины остаточного хлора 0,4 мг/л, причем плотность потока ультрафиолетового облучения при первичной и вторичной обработке воды составляет 75 мДж/см².

На чертеже представлена блок-схема очистки природной воды, иллюстрирующая заявляемый способ.

Ниже приведены примеры осуществления заявленного способа.

Пример 1

На первой стадии очистки (поз. 1 чертежа) исходный состав природной воды объемом 5 л подвергали первичной обработке путем воздействия ультрафиолетовым облучением, используя установку УОВ - 0, 5, производительностью 0,5 м³/ч и плотностью потока излучения 75 мДж/см². На первой стадии очистки обработка ультрафиолетовым облучением является технологическим процессом, направленным на подавление биообъектов (фито и зоопланктона, микроорганизмов) с целью предотвращения биообрастания и развития микробиологических объектов на технологическом оборудовании. На второй стадии полученную воду подвергали физико-химической очистке (поз. 2 чертежа), при этом могут быть использованы различные процессы и аппараты для физико-химической очистки воды. В данном примере для физико-химической очистки использовали обработку воды коагулянтом, например сульфатом алюминия (сернокислым алюминием) в количестве 20-60 мг/л, и осветление воды путем отстаивания ее в течение 1 часа. Конечная стадия обработки (поз. 3 чертежа) для достижения 100% обеззараживающего эффекта, соответствующего СанПиН, включала комбинацию ультрафиолетового облучения (поз. 4 чертежа) и гипохлорита натрия (поз. 5 чертежа), так как в процессе исследований было установлено, что 100% эффекта в процессе обеззараживания можно достичь только в сочетании физического метода (в данном случае ультрафиолетового облучения) и химического метода, используя один из окислителей (в данном случае гипохлорит натрия), то есть использование одновременно двух методов обеззараживания дает синергетический эффект. На конечной стадии воду подвергали вторичной обработке ультрафиолетовым облучением с плотностью потока излучения 75 мДж/см², используя установку УОВ - 0,5 производительностью 0,5 м³/ч, и последующему обеззараживанию в течение 60 минут гипохлоритом натрия с концентрацией 7 мг/л и отстаиванию ее (поз. 6 чертежа) в резервуаре чистой воды до величины остаточного хлора 0,4 мг/л. Гипохлорит натрия получали при электролизе 10% раствора хлорида натрия в электролизере циклического действия бездиафрагменного типа с металлическими электродами (разработка ГУП «Инженерный центр "Водоканал"»), покрытыми оксидом рутения. Затем определяли основные показатели обработанной воды, которые приведены в таблице.

Пример 2

Обработку воды осуществляли аналогично примеру 1 за исключением следующего. Использовали стационарное устройство с объемом воды 5 л.

Исходный состав природной воды объемом 5 л предварительно подвергали бактериологическому заражению путем внесения кишечной палочки E. coli (штамм 1257) в количестве (3-5)×10⁶ КОЕ/л, и по достижении в резервуаре чистой воды величины остаточного хлора 0,4 мг/л проводили бактериологический анализ воды. Коли формы обнаружены не были. Запах и неприятный вкус у воды отсутствовал.

Пример 3

Обработку воды осуществляли аналогично примеру 1 за исключением следующего. Использовали стационарное устройство с объемом воды 5 л. Исходный состав природной воды объемом 5 л предварительно подвергали бактериологическому заражению путем внесения спор сульфитредуцирующих клостридий в количестве (3-5)×10⁶ КОЕ/л и по достижении в резервуаре чистой воды величины остаточного хлора 0,4 мг/л проводили бактериологический анализ воды. Споры сульфитредуцирующих клостридий обнаружены не были. Запах и неприятный вкус у воды отсутствовал.

Пример 4

Обработку воды осуществляли аналогично примеру 1 за исключением следующего. Использовали стационарное устройство с объемом воды 5 л.

Исходный состав природной воды объемом 5 л предварительно подвергали бактериологическому заражению путем внесения вируса полиомиелита в количестве 4,0-4,6 lg ТЦД⁵⁰/мл и по достижении в резервуаре чистой воды величины остаточного хлора 0,4 мг/л проводили бактериологический анализ воды. Споры вируса полиомиелита обнаружены не были. Запах и неприятный вкус у воды отсутствовал.

Пример 5

Обработку воды осуществляли аналогично примеру 1 за исключением следующего. Использовали стационарное устройство с объемом воды 5 л. Исходный состав природной воды объемом 5 л предварительно подвергали бактериологическому заражению путем внесения цист лямблий в количестве (4-5)×10³ цист/л и по достижении в резервуаре чистой воды величины остаточного хлора 0,4 мг/л проводили бактериологический анализ воды. Цисты лямблий обнаружены не были. Запах и неприятный вкус у воды отсутствовал.

Техническое преимущество заявляемого в качестве изобретения способа заключается в том, что в процессе очистки природной воды достигается 100% обеззараживающий эффект за счет образования синергетического эффекта, основанного на сочетании на конечном этапе очистки комбинации ультрафиолетового облучения и гипохлорита натрия. При этом синергетический эффект образуется именно благодаря последовательности действий, при которой сначала проводят ультрафиолетовое облучение, а затем дозируют раствор гипохлорита натрия, что позволяет обеспечить в конечном продукте остаточный хлор. Таким образом, при заявляемой последовательности обработки воды процесс дозирования гипохлорита натрия с концентрацией 7 мг/л в течение 60 минут и отстаивание воды, по крайней мере, до величины остаточного хлора 0,4 мг/л на конечной стадии позволяет осуществить окончательное обеззараживание воды, сохраняя при этом определенное количество остаточного хлора, необходимого для дальнейшей транспортировки очищенной воды по трубопроводу в соответствии с требованиями СанПиН. Кроме того, вторичная обработка воды ультрафиолетовым облучением с плотностью потока 75 мДж/см² позволяет нейтрализовать большое количество бактерий и микробов и, тем самым, снизить дозу гипохлорита натрия, необходимую для обработки воды на последней стадии очистки, а также избежать передозировки гипохлорита натрия. В то же время в ближайшем аналоге применяют только первичную обработку исходной воды ультрафиолетовым облучением, что не обеспечивает ее обеззараживания, так как является технологическим процессом, направленным на подавление биообрастания аппаратуры и трубопроводов, образующегося за счет наличия микроорганизмов, слизи и водорослей в природной воде.

Кроме того, в ближайшем аналоге отсутствуют конкретные данные по концентрации гипохлорита натрия и времени его воздействия на обрабатываемую воду, что не позволяет оценить качество обеззараживания конечного продукта.

Как видно из данных, приведенных в таблице, качество питьевой воды не уступает качеству ближайшего аналога, а также соответствует нормативам по микробиологическим и паразитологическим показателям, а также нормативам, регламентирующим органолептические свойства воды.

Изобретение может быть использовано в системах централизованного водоснабжения для получения питьевой воды путем очистки природных поверхностных и подземных вод до питьевых стандартов. Для осуществления способа комбинированной очистки природной воды проводят первичную обработку исходной воды ультрафиолетовым облучением (1), физико-химическую очистку, включающую обработку коагулянтом, и осветление воды отстаиванием (2), вторичную обработку ультрафиолетовым облучением (4), после чего осуществляют обеззараживание гипохлоритом натрия (5) с концентрацией 7 мг/л в течение 60 минут и отстаивание (6) по крайней мере до величины остаточного хлора 0,4 мг/л. Плотность потока ультрафиолетового облучения при первичной и вторичной обработке воды составляет 75 мДж/см². Способ обеспечивает высокое качество очистки, 100%-ное обеззараживание исходных природных вод, сокращение расхода гипохлорита натрия и исключение его передозировки. 1 ил., 1 табл., 5 пр.

Способ комбинированной очистки природной воды, включающий первичную обработку исходной воды ультрафиолетовым облучением, физико-химическую очистку, в качестве которой используют коагулянт сульфат алюминия, и осветление воды путем отстаивания, а также обеззараживание гипохлоритом натрия, отличающийся тем, что после физико-химической очистки воду подвергают вторичной обработке ультрафиолетовым облучением, после чего осуществляют обеззараживание гипохлоритом натрия с концентрацией 7 мг/л в течение 60 минут и отстаивание ее по крайней мере до величины остаточного хлора 0,4 мг/л, причем плотность потока ультрафиолетового облучения при первичной и вторичной обработке воды составляет 75 мДж/см².