УСТРОЙСТВО И СПОСОБ ДЛЯ ОЧИСТКИ СОЛЕНОЙ ВОДЫ Российский патент 2017 года по МПК C02F9/04 C02F1/24 C02F1/52 C02F1/44 

Изобретение относится к устройству для очистки воды в соответствии с ограничительной частью п. 1, а также к способу очистки воды в соответствии с п. 21 формулы изобретения.

Подготовка питьевой воды для достаточного снабжения постоянно растущего населения земного шара является одной из наиболее серьезных проблем, которые предстоит решать мировому сообществу в будущих десятилетиях.

Ввиду ограниченности ресурсов для подготовки питьевой воды возрастает необходимость разработки и обеспечения подходящих альтернатив, в особенности на основе морской воды, для достаточного снабжения питьевой водой.

Так уже в 50-е и 60-е годы прошлого столетия на Ближнем Востоке были введены в эксплуатацию первые крупные промышленные установки для опреснения морской воды, в которых соль термически отделялась от воды путем выпаривания и конденсации. В ходе дальнейшего усовершенствования установок для опреснения морской воды в 1970-е годы возникли первые обратноосмотические установки для опреснения морской воды, эксплуатация которых является энергетически значительно более выгодной по сравнению с чисто термической обработкой воды.

Обратный или реверсивный осмос представляет собой физический метод концентрации растворенных в жидкостях веществ, при которой с помощью давления реверсируется процесс естественного осмоса. При этом на одной стороне полупроницаемой мембраны создается большее давление, чем естественное осмотическое давление. В случае опреснения морской воды морская вода для преодоления осмотического давления пропускается под высоким давлением через полупроницаемую мембрану из полиамида, политетрафторэтилена или сульфированных сополимеров с диаметром пор от 5×10^-7 до 5×10^-6 мм. Полупроницаемая мембрана действует как фильтр и пропускает через мембрану лишь молекулы воды, в то время как соли и другие вещества, такие как бактерии и вирусы, или же токсические вещества, такие как тяжелые металлы, задерживаются, так что получается чистая питьевая вода. По мере усиления концентрации соли осмотическое давление возрастает, так что в какой-то момент процесс должен был бы остановиться. Для противодействия этому концентрат отводится. Одна из самых больших проблем при обратном осмосе состоит в том, что происходит отложение задержанных или отфильтрованных веществ на мембране для обратного осмоса, вызывая засорение мембраны. Для противодействия нежелательному засорению мембраны очищаемая вода до поступления в установку обратного осмоса должна быть насколько возможно освобождена от крупных частиц, органических веществ и загрязнений. Соответственно процесс опреснения морской воды требует тщательной предварительной очистки опресняемой морской воды.

В прошлом применялись различные методы и устройства для предварительной очистки воды, в особенности соленой воды, Так, соответствующие установки могут быть оснащены фильтрами предварительной очистки, позволяющими отделять грубые вещества с размером частиц до 20 мкм. Дополнительные фильтры с активированным углем дают возможность улавливать органические вещества, например, пестициды или другие токсические вещества. Можно также установить на одном из этапов предварительной очистки ультрафиолетовое облучение, что позволит убить множество опасных для здоровья микроорганизмов, таких как вирусы и бактерии.

Утвердившимся в прошедшие годы и часто применявшимся подходом к предварительной очистке воды для обратного осмоса является метод флотации растворенным воздухом (ФРВ). ФРВ - это особая формойа флотации. Флотация представляет собой метод осаждения под действием силы тяжести для разделения жидкостно-твердых или жидкостно-жидкостных систем. При этом создаются пузырьки газа, например, воздуха, и вводятся в жидкую фазу, причем находящиеся в жидкой фазе гидрофобные частицы, например, органические вещества, оседают на этих также гидрофобных пузырьках и за счет вызванной пузырьками газа увеличенной подъемной силы поднимаются на поверхность. На поверхности жидкой фазы эти агломераты, скапливаясь, образуют слой шлама, который может быть легко удален механическими средствами.

В методе ФРВ присутствующий в жидкости при усиленном давлении в растворенном виде газ вводится в очищаемую жидкость. За счет понижения давления в очищаемой жидкости газ выделяется в виде мельчайших пузырьков, имеющих диаметр микронного диапазона. Таким образом, поднимающиеся газы имеют очень большую удельную поверхность, на которой могут осаждаться гидрофобные частицы из очищаемой воды. Поэтому флотация, в особенности ФРВ, подходит для отделения взвешенных веществ с очень малой плотностью, например, микроскопических водорослей, или для отделения органических гидрофобных компонентов.

В частности устройство для ФРВ включает в себя флокуляционую установку для флокуляции взвешенных веществ и органических компонентов и так называемую флотационную камеру. Загрязненная, смешанная с подходящим флокулянтом очищаемая вода поступает из флокуляционой установки в зону контакта флотационной камеры, в которую впрыскивается перенасыщенная газом вода, с которой непосредственно вступает в контакт поступившая в зону контакта очищаемая вода. Благодаря господствующему во флотационной камере пониженному давлению пузырьки газа выделяются из впрыснутого раствора и образуются микропузырьки диаметром от 10 до 100 мкм. Такое скопление пузырьков называется «white water» [англ. «белая вода»]. Эти микроскопические пузырьки присоединяются к флокулированным частицам и в виде агломерата или смеси флокул и пузырьков газа поднимаются в осадочную зону флотационной камеры. В результате подъема агломерата флокул и пузырьков газа на поверхности воды во флотационной камере образуется слой твердого вещества (так называемая плавающая по поверхности воды масса), который механически отделяется и собирается при помощи подходящих очистных устройств, например, скреперов. Под этим слоем твердого вещества или плавающим слоем находится очищенная вода, которая, по крайней мере, частично после перенасыщения соответствующим газом возвращается в зону контакта флотационной камеры. Другая часть очищенной воды отводится для дальнейшего использования.

Метод ФРВ позволяет очень хорошо удалять микроскопические водоросли и другие микроорганизма из сильно загрязненной сточной воды, однако требует относительно высокого потребления энергии в связи с вводом воздуха посредством колонны насыщения в возвращаемую часть потока. Также при помощи ФРВ невозможно обрабатывать очень мутную и сильно зашламованную воду.

Таким образом, задача данного изобретения состояла в том, чтобы представить устройство и способ, который позволил бы уменьшить или устранить недостатки известных флотационных методов, в особенности метода ФРВ с его высоким энергопотреблением.

Эта задача решается устройством с признаками п. 1, а также способом в соответствии с п. 21 формулы изобретения.

Соответственно, устройство для очистки воды, в особенности соленой воды или морской воды, включает в себя минимум один резервуар для приема перемешанной с минимум одним флокулянтом воды для отделения содержащихся в воде органических и при известных условиях биологических компонентов, например, таких как микроскопические водоросли, минимум одну размещенную в резервуаре аэрационную установку и, кроме того, минимум один фильтрующий элемент. Минимум один резервуар может быть также обозначен как флотационная камера или очистительный бассейн.

В соответствии с изобретением резервуар (флотационная камера) включает в себя минимум одну зону контакта для контактирования перемешанной с флокулянтом воды, например, потока жидкости из флокуляционной установки в резервуар, с минимум одним газом, в особенности воздухом, для образования агломерата флокул и пузырьков газа, а также минимум одну осадочную зону для отделения вытесняемых газом флокулированных органических компонентов.

В соответствии с данным изобретением в зоне контакта резервуара размещена минимум одна аэрационная установка, а в осадочной зоне резервуара минимум один фильтрующий элемент.

Данное устройство отличается тем, что минимум один газ впрыскивается в резервуар для образования агломерата флокул и пузырьков газа через минимум одну размещенную в зоне контакта резервуара аэрационную установку без применения жидкости-носителя. Как еще будет детально описано ниже, газ соответственно вносится непосредственно в резервуар без предварительного растворения или закачивания в жидкость.

Минимум один фильтрующий элемент предпочтительно размещен со смещением продольно горизонтальной плоскости резервуара относительно аэрационной установки. При этом в соответствии с данным изобретением выражение «со смещением» означает, что фильтрующий элемент размещен сдвинутым поперечно или пространственно либо горизонтально от аэрационной установки; таким образом фильтрующий элемент и аэрационная установка не находятся вертикально друг над другом и не перекрывают друг друга, а размещаются предпочтительно продольно горизонтальной плоскости резервуара вплотную друг к другу или рядом друг с другом. Таким образом, выходящие из аэрационной установки пузырьки газа не попадают прямо и непосредственно в расположенный вертикально над аэрационной установкой фильтрующий элемент. Фильтрующий элемент и аэрационная установка размещены в разных пространственных отделах или зонах резервуара.

Минимум одному резервуару может предшествовать флокуляционая установка для приема очищаемой воды и минимум одного флокулянта для флокуляции содержащихся в воде органических компонентов. Предпочтительно между флокуляционой установкой и резервуаром существует жидкостное сообщение и флокулированные во флокуляционой установке органические компоненты могут быть перемещены потоком жидкости из флокуляционой установки в резервуар.

Флокуляционая установка может быть либо выполнена отдельно от резервуара, либо интегрирована в резервуар, то есть выполнена как одно целое с резервуаром. При интегрировании флокуляционой установки в резервуар флокуляционая установка может включать в себя минимум один, предпочтительно два, изолированный от собственно флотационной камеры участок или отдел. В этот изолированный отдел вводятся очищаемая вода и флокулянт и интенсивно перемешиваются при необходимости с применением смесителя. Перемешанная с флокулянтом вода затем может быть либо введена во второй изолированный от флотационной камеры отдел резервуара, в котором, например, могут быть добавлены другие вспомогательные средства для флокуляции, или же непосредственно введена во флотационную камеру в зону контакта флотационной камеры, то есть в направлении аэрационной установки.

Таким образом, данное устройство комбинирует метод флотации с фильтрованием через мембранный фильтр. Благодаря дополнительному фильтрованию через мембранный фильтр происходит лучшая очистка воды, чем только путем флотации. И наоборот, фильтрование через мембранный фильтр может производиться более эффективно, поскольку в преддверии фильтрования частицы уже удаляются путем флотации. Благодаря комбинации флотации и фильтрования в одном резервуаре улучшается динамика процесса, поскольку может использоваться резервуар меньшего размера в виде флотационной камеры и достигается более высокая пропускная способность. Кроме того, отпадает необходимость в рециркулирующем потоке, то есть в рециркуляции, как при ФРВ, что будет показано ниже. А это в свою очередь обусловливает снижение энергопотребления насосов и в целом также уменьшает занимаемую оборудованием площадь. В результате данного процесса получается совсем немного отработанной воды, поскольку слой твердого вещества может быть непосредственно удален вместе с очень небольшим количеством воды. Все эти факторы оказывают положительное влияние на экономическую эффективность и экологическую совместимость данного способа. Данный способ обеспечивает возможность как интеграции процесса, так и интенсификации процесса, что приводит к уменьшению занимаемой оборудованием площади и снижению капитальных затрат и издержек производства, а также дополнительно улучшает результат очистки.

Используемый в данном устройстве резервуар, например, в виде флотационной камеры, предпочтительно выполнен в виде открытого с верхней, противоположной поверхности дна стороны резервуара или чаши длиной а, шириной b и высотой h, причем предпочтительно a>b и a>h. Ширина b и высота h могут быть одинаковыми или разными. Таким образом, резервуар предпочтительно включает в себя две удлиненные боковые стенки и две короткие боковые стенки. Исходя из этого, особенно подходящим в качестве флотационной камеры или водоочистительного бассейна является резервуар, имеющий прямоугольную конфигурацию. Соответственно, резервуар имеет шесть прямоугольных поверхностей или стенок, причем образованные а×b поверхности описываются как поверхность дна или противоположная поверхности дна открытая сторона или поверхность, образованные а×h поверхности как удлиненные боковые стенки, а образованные b×h поверхности как короткие боковые стенки резервуара. При этом упомянутая выше горизонтальная плоскость резервуара проходит предпочтительно параллельно длине а резервуара.

Как было изложено выше, зона контакта является той областью, в которой поток жидкости из флокуляционой установки вступает в контакт с введенным газом и происходит образование агломерата флокул и пузырьков газа. Область зоны контакта предпочтительно определяется расположением или позиционированием аэрационной установки на дне резервуара или чаши. Так, область зоны контакта может иметь длину в диапазоне 0,15-0,25, предпочтительно 0,2 длины а резервуара, и имеет ширину, соответствующую ширине b резервуара. Высота зоны контакта определяется уровнем перемешанной с флокулянтом воды в резервуаре.

Осадочная зона является той областью резервуара, в которой происходит отделение вытесняемых газом флокулированных органических компонентов от воды. Такое отделение вытесненных органических агломератов происходит предпочтительно на поверхности при помощи подходящих механических приспособлений, например, очистных приспособлений, например, в виде скреперов. Специалистам известны такого рода средства.

Осадочная зона охватывает большую по сравнению с зоной контакта область резервуара. Так, осадочная зона предпочтительно охватывает область длиной, соответствующей 0,75-0,85, предпочтительно 0,8 длины а резервуара. Ширина осадочной зоны соответствует ширина b резервуара. Высота осадочной зоны определяется уровнем перемешанной с флокулянтом воды в резервуаре.

Переход зоны контакта в осадочную зону в резервуаре предпочтительно является плавным, то есть не существует резкого пространственного разделения зоны контакта и осадочной зоны в резервуаре. Лишь описываемый ниже направляющий лоток может рассматриваться как своего рода пространственная граница или разделительная линия между зоной контакта и осадочной зоной.

В одной из форм выполнения данного устройства под образованным вытесненными, флокулированными органическими компонентами слоем в резервуаре размещен минимум один фильтрующий элемент. В особенности предпочтительно, если минимум один фильтрующий элемент размещен на дне резервуара внутри осадочной хоны. Иными словами, фильтрующий элемент погружен в осадочную зону резервуара.

Фильтрующий элемент имеет в особенности подогнанную к флотационной камере прямоугольную форму. Длина фильтрующего элемента соответствует предпочтительно 0,5-0,7, особенно предпочтительно 0,6 длины а флотационной камеры. Ширина фильтрующего элемента соответствует предпочтительно 0,6-0,9, особенно предпочтительно 0,8 ширины b флотационной камеры. Таким образом, фильтрующий элемент распространяется не на всю ширину резервуара, а имеет небольшое расстояние от удлиненных боковых стенок резервуара. По высоте фильтрующий элемент выполнен так, что она соответствует 0,1-0,4, предпочтительно 0,2-0,3 высоты h резервуара. Разумеется, возможны и другие размеры применяемого фильтрующего элемента.

В предпочтительном варианте выполнения минимум один фильтрующий элемент представлен в виде керамической фильтрующей мембраны, в особенности в виде керамической мембраны для микро- или ультрафильтрации. Такого рода керамические фильтрующие мембраны имеют высокую химическую стойкость и длительный срок службы. Кроме того, керамические фильтрующие мембраны являются более водопроницаемыми и менее подвержены засорению, поскольку они более гидрофильные, чем полимерные мембраны. Благодаря их механической стабильности также не требуется предварительного просеивания. Особенно подходящим оказался мембранный модуль со средним размером пор от 20 нм до 500 нм, предпочтительно от 100 нм до 300 нм, особенно предпочтительно 200 нм.

Предпочтительно применяемый модуль фильтрующей мембраны может состоять из нескольких пластин, одной или нескольких трубок или других геометрических форм.

Особенно подходящим керамическим материалом оказался α-Al₂O₃, однако в фильтрующем элементе могут использоваться также и другие керамические оксиды и не оксиды, такие как карбид кремния или оксид циркония.

В дальнейшем предпочтительном варианте выполнения устройство включает в себя минимум одно средство для продувки фильтрующего элемента с тем, чтобы соответствующим образом вентилировать минимум один фильтрующий элемент. Подходящее воздухововлекающее средство может существовать, например, в виде перфорированных шлангов. Воздухововлекающее средство может быть заправлено воздухом, чтобы создать на поверхности фильтрующего элемента большие срезающие усилия для предотвращения или минимизации засорения поверхности мембраны. Дальнейшими возможностями предотвращения или снижения засорения фильтрующего элемента являются обработка подходящими химическими веществами, такими как лимонная кислота, для предотвращения неорганических загрязнений, или подходящим окислителем, как например, гипохлорид натрия, для уменьшения биологических загрязнений.

В одной из форм выполнения данного устройства посредством находящейся в зоне контакта аэрационной установки в водоочистительный бассейн вносятся микроскопические пузырьки газа, в особенности пузырьки воздуха. Используемая аэрационная установка может состоять из одной или нескольких пластин или дисков, трубок или других геометрических форм, при этом аэрационная установка соединяется непосредственно с трубопроводом сжатого газа. Особенно предпочтительным материалом оказалась керамика, в особенности оксид алюминия α-Al₂O₃. Однако возможно использование и других керамическихоксидов и не оксидов, таких как карбид кремния или оксид циркония. Таким образом, она также может называться мембраной.

В одной из форм выполнения данного устройства применяемая в нем минимум одна аэрационная установка сформирована из 1-10, предпочтительно 2-6, особенно предпочтительно 4-6 аэрационных мембран. Применяемые керамические аэрационные мембраны могут иметь, например, средний размер пор от 1 мкм до 10 мкм, предпочтительно от 1 мкм до 8 мкм, особенно предпочтительно от 2 мкм до 4 мкм, причем средний размер пор 2 мкм является самым предпочтительным. Средний диаметр вносимых через аэрационные мембраны пузырьков газа, в особенности пузырьков воздуха, может составлять от 10 мкм до 100 мкм, предпочтительно от 20 мкм до 80 мкм, особенно предпочтительно 50 мкм. На образование пузырьков на аэрационной мембране можно воздействовать в особенности посредством подходящего объемного потока газа и давления. Чем выше давление, тем в большем количестве и тем большего размера пузырьки возникают при этом. Установленный объемный поток играет в данном случае лишь подчиненную роль.

В особенно предпочтительном варианте выполнения аэрационные мембраны размещены параллельно друг другу продольно ширине резервуара. Число аэрационных мембран соответственно зависит от ширины резервуара и размеров отдельных аэрационных мембран. Так, например, на дне аэрационного резервуара, то есть резервуара для приема перемешанной с флокулянтом воды, могут быть размещены минимум четыре параллельных аэрационных мембраны для образования пузырьков газа, в особенности пузырьков воздуха. В принципе также возможно, чтобы аэрационные мембраны были размещены вертикально друг над другом. В этом случае число размещенных друг над другом аэрационных мембран зависит от высоты резервуара и уровня наполнения резервуара.

При этом размещение аэрационной установки на дне резервуара может быть таким, чтобы поднимающиеся пузырьки газа не попадали в область между первым направляющим лотком (см. тж. ниже) и боковой стенкой резервуара. Предпочтительно аэрационная установка размещается на расстоянии от боковой стенки, в особенности от короткой боковой стенки, аэрационного резервуара, причем расстояние аэрационной мембраны от боковой стенки соответствует расстоянию или отверстию между направляющим лотком и боковой стенкой аэрационного резервуара.

Как упоминалось выше, ввод газа происходит в данном случае путем непосредственного впрыскивания газа, например, воздуха, в виде мельчайших пузырьков через аэрационную мембрану. Преимущество непосредственного впрыскивания газа, например, посредством описанной аэрационной установки, по сравнению с ФРВ состоит в особенности в том, что отпадает необходимость в рециркулирующем потоке и колонне насыщения, поскольку газ, например, воздух, может извлекаться непосредственно из трубопровода сжатого воздуха или из газового баллона. Это особенно благоприятно в случае предварительной очистки морской воды для опреснения, поскольку повышенная температура и повышенное содержание соли в морской воде осложняют насыщение воздухом в процессе ФРВ, поскольку в рециркулирующем потоке растворяется меньше воздуха. Соответственно не требуется и энергия уплотнения для достижения высокого уровня давления во всем рециркулирующем потоке. Кроме того часть впрыснутых пузырьков газа в результате завихрений, прежде чем подняться на поверхность воды, может попасть непосредственно в зону фильтрации и, следовательно, оказаться вблизи от фильтрующего элемента. Благодаря этому в фильтрующем элементе возникают дополнительные срезающие усилия, которые могут противодействовать засорению. Важное преимущество применения данной керамической аэрационной установки по сравнению с ФРВ заключается в простом и низкоэнергетичном образовании микроскопических пузырьков.

Кроме того, в предпочтительной форме выполнения данного устройства между зоной контакта и осадочной зоной аэрационного резервуара размещен минимум один, первый направляющей лоток для направления вытесненных газом флокулированных органических компонентов из зоны контакта в осадочную зону. Этот первый направляющий лоток предпочтительно размещается параллельно двум противолежащим коротким боковым стенкам аэрационного резервуара. При этом ширина b' этого минимум первого направляющего лотка предпочтительно равна ширине b аэрационного резервуара и, соответственно, равна длине короткой боковой стенки. Однако высота h' минимум первого направляющего лотка меньше высоты h резервуара, так что обеспечивается сообщение между зоной контакта и осадочной зоной в аэрационном резервуаре.

При этом минимум первый направляющий лоток предпочтительно подвижно или жестко закреплен на дне резервуара.

Кроме того, размещение первого направляющего лотка предпочтительно таково, что между первым направляющим лотком и дном резервуара существует угол от 90° до 50°, предпочтительно от 80° до 55°, особенно предпочтительно от 75° до 60°. Первый направляющий лоток предпочтительно ориентирован таким образом, что при угле менее 90° он имеет наклон в направлении осадочной зоны в сторону от зоны контакта, в результате чего перемешанный с пузырьками газа поток жидкости, например, в виде жидкости с агломератами флокул и пузырьков газа, направленно проводится из зоны контакта вдоль наклоненного первого направляющего лотка к осадочной зоне и при этом в осадочной зоне предпочтительно непосредственно к поверхности жидкости в аэрационном резервуаре. В особенно предпочтительном варианте выполнения первый направляющий лоток размещается под углом 60° относительно дна резервуара, в результате чего происходит направление агрегатных флокул и пузырьков воздуха от зоны контакта в осадочную зону, а здесь в особенности над фильтрующим элементом.

Наряду с минимум первым направляющим лотком в одной из форм выполнения данного устройства в области зоны контакта на противолежащих удлиненных боковых стенках резервуара может быть размещен минимум один второй направляющий лоток. При этом минимум второй направляющий лоток при помощи подходящих крепежных средств предпочтительно закреплен на кромках, ограничивающих открытую сверху сторону резервуара, противолежащих удлиненных боковых стенок резервуара. При этом второй направляющий лоток предпочтительно размещен таким образом, чтобы между дном резервуара и вторым направляющим лотком было расстояние. Иными словами, второй направляющий лоток не контактирует с дном резервуара. Таким образом, высота hʺ второго направляющего лотка меньше высоты h резервуара, причем ширина bʺ второго направляющего лотка предпочтительно равна ширине b резервуара и, таким образом, соответствует ширине короткой боковой стенки резервуара.

В особенно предпочтительном варианте выполнения первый направляющий лоток и второй направляющий лоток имеют одинаковые размеры, то есть b'=bʺ и h'=hʺ.

В предпочтительной форме выполнения данного устройства минимум первый направляющий лоток и минимум второй направляющий лоток размещены со смещением относительно друг друга и напротив друг друга, так что можно добиться течения поступающей в резервуар перемешанной с флокулянтом воды в виде меандра. Под размещением друг против друга в данном случае следует понимать, что первый и второй направляющий лоток закреплены на противолежащих сторонах резервуара. Как уже было описано, первый направляющий лоток размещен на дне резервуара и находится на расстоянии от противолежащей стороны резервуара, в то время как второй направляющий лоток предпочтительно так закреплен на кромках удлиненных боковых стенок резервуара, ограничивающих открытую сверху стенку резервуара, что между дном резервуара и вторым направляющим лотком имеется расстояние.

Кроме того, второй направляющий лоток может быть размещен на ограничивающих открытую сверху сторону резервуара кромках удлиненных боковых стенок резервуара под углом от 90° до 70°, предпочтительно от 85° до 75°, особенно предпочтительно под углом 80° относительно противолежащей дну резервуара открытой стороны резервуара. При этом второй направляющий лоток предпочтительно ориентирован таким образом, что он при угле меньше 90° наклонен к одной из в особенности коротких боковых стенок резервуара в сторону от осадочной зоны. Возможно также, чтобы второй направляющий лоток был наклонен в сторону от первой короткой боковой стенки резервуара.

В предпочтительной форме выполнения данного устройства фильтрующий элемент, первый направляющий лоток, второй направляющий лоток и аэрационная установка располагаются друг за другом продольно длине а резервуара. Если следовать, например, за потоком перемешанной с флокулянтом воды из флокуляционой установки в резервуар, то последовательность или цепочка размещенных в резервуаре средств является такой: второй направляющий лоток, аэрационная установка, первый направляющий лоток и фильтрующий элемент. Возможно также, чтобы происходило частичное перекрытие внахлестку при размещении второго направляющего лотка и аэрационной установки, поскольку второй направляющий лоток может быть хотя бы частично размещен над аэрационной установкой. Соответственно поток перемешанной с флокулянтом воды при поступлении в резервуар сначала попадает непосредственно на второй направляющий лоток, по которому поток целенаправленно направляется в сторону размещенной на дне резервуара аэрационной установки; поток перемешанной с флокулянтом воды в аэрационной установке смешивается с минимум одним газом, в особенности воздухом, и образованный таким образом агломерат флокул и пузырьков газа направляется по первому направляющему лотку, который предпочтительно расположен с наклоном, в сторону осадочной зоны и фильтрующего элемента. Данная система имеет соответственно горизонтальный принцип действия.

Соответственно перемешанная с флокулянтом вода может вноситься в резервуар из флокуляционой установки на открытой верхней стороне резервуара, то есть флокулирующая смесь может вводиться в резервуар сверху. Если флокулирующая смесь вводится в резервуар сверху, то особенно предпочтительно, если перемешанная с флокулянтом вода вносится в тот отдел резервуара, который ограничивается вторым направляющим лотком и находящейся ближе всего ко второму направляющему лотку короткой боковой стенкой.

Как уже было отмечено выше, второй направляющий лоток может иметь угол наклона к ближайшей короткой боковой стенке резервуара. При этом величина угла наклона второго направляющего лотка предпочтительно может регулироваться в зависимости от количества поступающей перемешанной с флокулянтом воды. При этом угол наклона может устанавливаться так, чтобы второй направляющий лоток вел в направлении боковой стенки аэрационного резервуара, но не касался ее, чтобы между вторым направляющим лотком и ближайшей короткой боковой стенкой резервуара оставалось входное или проходное отверстие или плоскость.

Проходная плоскость для перемешанной с флокулянтом воды (флокулирующой смеси), которая перетекает из флокуляционного сосуда в резервуар, предпочтительно установлена таким образом, чтобы скорость течения флокулирующой смеси на проходной плоскости между вторым направляющим лотком и короткой боковой стенкой резервуара была большой. Возможно, например, чтобы проходная плоскость имела ширину 1-5 см. Второй направляющий лоток позволяет равномерно вносить флокулирующую смесь по всей ширине резервуара. Также и зона контакта K, которая образуется между вторым направляющим лотком и короткой боковой стенкой, может определяться размером проходной плоскости. Предпочтительно небольшая проходная плоскость флокулирующой смеси между вторым направляющим лотком и короткой боковой стенкой резервуара, а также обусловленная этим большая скорость течения флокулирующой смеси через проходной зазор приводит к тому, что восходящие из аэрационной установки пузырьки газа не поднимаются в резервуар против направления поступления флокулирующой смеси.

Наряду с упомянутым выше вводом перемешанной с флокулянтом воды из флокуляционой установки с верхней открытой стороны резервуара в принципе также возможно, чтобы перемешанная с флокулянтом вода или флокулирующая смесь из флокуляционой установки вводилась, в особенности впрыскивалась, в резервуар параллельно и на небольшом расстоянии от дна резервуара. При этом расстояние между дном резервуара и вводом флокулирующой смеси зависит от общего объема резервуара.

Задача данного изобретения решается также способом очистки воды, в особенности предварительной очистки морской воды, с применением соответствующего изобретению устройства. При этом такой способ включает в себя следующие шаги:

- ввод перемешанной с минимум одним флокулянтом воды в минимум один резервуар;

- контактирование перемешанной с минимум одним флокулянтом воды с минимум одним введенным в резервуар посредством минимум одной аэрационной установки газом, в особенности воздухом, для образования агломерата флокул и пузырьков газа, в особенности агломерата флокул и микропузырьков газа,

- отделение поднявшегося на поверхность находящейся в резервуаре воды агломерата флокул и пузырьков газа,

- слив освобожденной от агломерата флокул и пузырьков газа воды через минимум один размещенный в резервуаре фильтрующий элемент, и

- подача слитой через фильтрующий элемент воды для дальнейших шагов по очистке.

В одной из форм осуществления способа добавка минимум одного флокулянта к очищаемой воде для флокуляции содержащихся в воде органических компонентов происходит в минимум одной предшествующей резервуару флокуляционой установке. Предпочтительно флокуляция содержащихся в очищаемой воде растворенных органических компонентов происходит посредством известных химических веществ, причем применение солей Fe³⁺ или Al³⁺, например, таких как FeCl₃, оказалось особенно предпочтительным.

Перемешанная во флокуляционой установке с флокулянтом вода затем предпочтительно переводится в виде потока жидкости в минимум один резервуар, в котором поток жидкости смешивается с введенными в резервуар через аэрационную установку пузырьками газа, в особенности пузырьками воздуха. Образующийся при этом агломерат пузырьков газа и флокулированных органических компонентов поднимается на поверхность находящейся в резервуаре жидкости, скапливается там и механически удаляется. Освобожденная таким образом от большей части органических компонентов вода в заключение перегоняется через размещенный на поверхности дна резервуара фильтрующий элемент и подается для дальнейших шагов по очистке.

Данный способ, соответственно, представляет собой гибридный процесс микрофлотации и фильтрования через мембранной фильтр в одном особом устройстве.

Ниже изобретение будет детально рассмотрено на одном примере осуществления со ссылкой на чертежи. Они показывают следующее:

фиг. 1A - схематичный вид сбоку устройства для очистки воды в соответствии с первой формой выполнения,

фиг. 1B - схематичный вид сбоку устройства для очистки воды в соответствии со второй формой выполнения,

фиг. 2 - вид сверху устройства для очистки воды;

фиг. 3 - схематичный вид сбоку устройства для очистки воды в соответствии с третьей формой выполнения; и

фиг. 4 - схематичное изображение способа в установке, включающей в себя устройство для очистки воды.

Общая структура первой формы выполнения соответствующего изобретению устройства показана на фиг. 1а.

Вид сбоку по фиг. 1a включает в себя резервуар 10, аэрационную установку 30, мембранный фильтрующий элемент 40, первый направляющий лоток 1 и второй направляющий лоток 2. Резервуар 10 имеет верхнюю сторону, которая открыта, и расположенную напротив этой открытой стороны поверхность дна. Аэрационная установка 30, первый направляющий лоток 1 и фильтрующий элемент 40 размещены продольно этой поверхности дна и на этой поверхности дна.

Резервуар 10 включает в себя наряду с верхней открытой стороной и поверхностью дна две противолежащие удлиненные боковые стенки и две противолежащие короткие боковые стенки. В целом резервуар 10 выполнен в виде прямоугольного параллелепипеда с длиной а, шириной b и высотой h. Удлиненные боковые стенки резервуара определяются длиной а и высотой h, в то время как размеры короткой боковой стенки устанавливаются шириной b и высотой h резервуара.

В данной первой форме выполнения длина а составляет, например, 1 м, ширина b 0,61 м и высота h 0,5 м.

Важно отметить, что эти размеры являются лишь примерными и выбраны в данном случае для того, чтобы описать и отобразить соответствующие пропорции и соотношения при расположении отдельных компонентов формы выполнения устройства относительно друг друга, причем в случае переноса модели пропорции отдельных компонентов могут быть одинаковыми или, по крайней мере, подобными друг другу. Кроме того следует указать на то, что при увеличении масштаба описанной формы выполнения устройства может учитываться гидравлическое подобие. Специалистам известны методы, позволяющие, исходя, например, из лабораторной установки или пилотной установки, произвести «up-scale» [англ. увеличение масштаба] установки и процесса.

В случае, если резервуар 10 имеет указанные выше размеры, то аэрационная установка 30, состоящая из четырех отдельных аэрационных мембран, размещена на расстоянии, например, 0,1 м от первой короткой боковой стенки шириной b. Аэрационная установка 30 распространяется на всю ширину b резервуара 10 и может состоять из нескольких дисков, пластин, трубок или других геометрических форм.

Над этой аэрационной установкой 30 находится второй направляющий лоток 2, который также расположен на расстоянии 0,1 м от первой короткой боковой стенки и закреплен на кромках удлиненной стенки верхней открытой стороны резервуара 10. В показанном на фиг. 1A первом варианте второй направляющий лоток 2 размещен вертикально и соответственно параллельно первой короткой боковой стенке. Расстояние между поверхностью дна резервуара 10 и вторым направляющим лотком 2 составляет в данной форме выполнения 0,12 м.

Если следовать длине стенки а резервуара 10, то в данной форме выполнения первый направляющий лоток 1 размещен на расстоянии, например, 0,2 м от первой короткой боковой стенки и закреплен на поверхности дна резервуара 10. Первый направляющий лоток 1 наклонен под углом α от 50 до 90°, например 60°, относительно поверхности дна резервуара 10 в сторону от первой короткой боковой стенки ко второй короткой боковой стенке резервуара 10. Соответственно расстояние между поверхностью дна резервуара 10 и верхней кромкой первого направляющего лотка 1 из-за уклона составляет, например, 0,26 м.

В направлении взгляда от первой короткой боковой стенки вдоль длины а резервуара 10 за первым направляющим лотком 1 размещен фильтрующий элемент 40 на расстоянии, например, 0,39 м от первой короткой боковой стенки. Мембранный фильтрующий элемент 40 распространяется продольно поверхности дна до второй короткой боковой стенки и, таким образом, имеет длину, например, 0,61 м. В случае показанной здесь формы выполнения высота фильтрующего устройства составляет, например, 0,14 м, а высота уровня заполнения резервуара 10, например, 0,33 м. Соответственно фильтрующий элемент полностью погружен в находящуюся в резервуаре 10 жидкость.

Показанная на фиг. 1B вторая форма выполнения соответствует по существу показанной на фиг. 1A первой форме выполнения, так что далее можно в полном объеме ссылаться на рассуждения относительно первой формы выполнения.

Вторая форма выполнения по фиг. 1B отличается от первой формы выполнения по фиг. 1A лишь относительно угла наклона второго направляющего лотка 2. Второй направляющий лоток 2, закрепленный на верхних кромках стенок резервуара 10, в случае второй формы выполнения наклонен под углом β 70-90°, предпочтительно 80° относительно противолежащей поверхности дна открытой стороны резервуара 10 в сторонупервой короткой боковой стенки резервуара 10. По причине наклона второго направляющего лотка 2 расстояние между первой короткой боковой стенкой и нижним концом второго направляющего лотка 2 сокращается и соответственно уменьшается ширина зазора для протекания введенной перемешанной с флокулянтом воды. А это в свою очередь повышает скорость потока флокулирующой смеси.

Фиг. 2 показывает вид сверху представленной на фиг. 1 первой формы выполнения, причем в данном случае размещение четырех керамических аэрационных мембран на поверхности дна аэрационного резервуара 10 поясняется относительно размещения первого и второго направляющего лотка 1, 2. Четыре керамических аэрационных мембраны размещены параллельно вдоль первой короткой боковой стенки в пределах расстояния 0,1 м от упомянутой первой короткой боковой стенки. Диаметр каждой из аэрационных мембран составляет в данном случае 0,15 м, но может и отклоняться от этих размеров.

Фиг. 3 показывает дальнейшую предпочтительную форму выполнения данного устройства. В отличие от показанных на фиг. 1A, B форм выполнения, в которых флокуляционая установка 20 размещается пространственно отделенной от резервуара 10 (не показано), в изображенной на фиг. 3 форме выполнения флокуляционая установка 20 интегрирована в резервуар 10.

При этом предусматривается флокуляционая камера или отсек 20 резервуара 10, куда подается очищаемая вода и флокулянт.

После перемешивания очищаемой воды с флокулянтом, например, с применением смесителя, смесь в верхнем отделе флокуляционого отсека 20 над перегородкой может быть введена в еще один отделенный от самой флотационной камеры 10 отсек 21, в котором может быть добавлено еще одно вспомогательное средство для флокуляции. Соответственно предусмотренная между флокуляционым отсеком 20 и отсеком 21 для внесения дальнейшего вспомогательного средства для флокуляции перегородка может иметь такую высоту, которая позволяет переносить перемешанную с флокулянтом воду из флокуляционого отсека 20 в отсек 21.

После добавки других вспомогательных средств для флокуляции в отсеке 21 очищаемая вода проводится сверху вниз в отсеке 21 и может затем на дне резервуара попасть в зону контакта K резервуара 10 и быть проведена через аэрационную установку 30. Соответственно, очищаемая вода в форме выполнения по фиг. 3 проводится в виде меандра из флокуляционого отсека 20 в отсек 21 и затем в зону контакта K флотационной камеры или резервуара 10.

В связи с фиг. 4 далее будет описана форма осуществления способа очистки воды с применением устройства в соответствии со второй формой выполнения.

В данном экспериментальном способе используется загрязненная вода, перемешанная с гуминовыми веществами.

Совокупность органических веществ в загрязненной воде в данном случае моделируется гуминовыми веществами, которые и в природе возникают в результате нормального биологического разложения. Гуминовые вещества являются сложными молекулярными цепями из алкильных и ароматических единиц с функциональными группами, например, -COOH, -NH₂ и -RSH. На основе ионизированных кислотных групп они образуют отрицательно заряженные макромолекулы.

Для флокуляции содержащихся в воде гуминовых веществ в качестве осаждающих средств предполагаются прежде всего содержащие трехвалентные ионы железо- и алюминийсодержащие вещества, которые могут быть в жидком или твердом виде. В данном случае применяется твердый FeCl₃ для изготовления жидкого осаждающего средства. Загрязненная вода соединяется с раствором, содержащим гуминовые кислоты, и затем перемешивается с применением статического смесителя в резервуаре для флокулирования 20 с раствором, содержащим FeCl₃. В резервуаре для флокулирования 20 происходит флокуляция содержащихся в загрязненной воде гуминовых кислот при помощи флокулянта FeCl₃.

Перемешанная с FeCl₃ загрязненная вода в данном экспериментальном способе затем вводится из резервуара для флокулирования 20 в разделительный резервуар или резервуар для аэрации 10 объемным потоком 400 литров в час. Ввод в резервуар 10 происходит в области между первой короткой боковой стенкой резервуара 10 и вторым направляющим лотком 2, то есть в области перед вторым направляющим лотком 2. Это может происходить сверху через открытую сторону резервуара 10 или также сбоку снизу в резервуар 10. При этом второй направляющий лоток 2 наклонен под углом β, например, 80°, в сторону короткой боковой стенки, так что в связи с уменьшением ширины зазора между боковой стенкой и вторым направляющим лотком происходит увеличение скорости течения введенной флокулирующой смеси в направлении размещенной на дне резервуара для аэрации 10 аэрационной мембраны 30.

Через аэрационную установку 30, которая в данном случае состоит из четырех отдельных аэрационных мембран, впрыскивается газ, в особенности воздух, причем происходит образование микроскопических пузырьков непосредственно во введенной, перемешанной с флокулянтом воде. Образованные таким образом агломераты флокул и пузырьков воздуха проводятся вдоль наклоненного первого направляющего лотка 1 в сторону поверхности содержащейся в резервуаре 10 жидкости и соответственно в осадочную зону S резервуара 10.

Пузырьки, которые выделяются по центру газовой мембраны, в связи с тем, что облако пузырьков имеет свойство скапливаться, развивают меньшую скорость подъема, чем наружные. Чем выше газовая мембрана находится в воде, то есть чем больше находящийся в резервуаре 10 объем газовой мембраны, тем меньше скорость подъема вследствие меньшего диаметра пузырьков. В целом пузырьки выделяются относительно равномерно по всей поверхности мембраны. Чем выше установленное давление газа, тем возникает больше пузырьков, большего размера и более быстрых. При уменьшении входного зазора до 1 см, то есть проходного зазора для поступающей флокулирующой смеси, входная скорость флокулирующой смеси в зону контакта K резервуара 10 является величиной того же порядка, что и скорость подъема пузырьков, так что пузырьки не могут подниматься в области проходного зазора на левом крае резервуара.

Благодаря присоединению микропузырьков к флокулированным органическим компонентам они поднимаются в направлении поверхности находящейся в резервуаре 10 жидкости и образуют на поверхности воды слой твердого вещества, который удаляется механически, например, с применением очистных приспособлений, например, скреперов. Под этим слоем твердого вещества в осадочной зоне S резервуара 10 находится очищенная вода. Предварительно очищенная таким образом вода отводится с применением насоса Е1 через погруженный фильтрующий элемент 40 и в качестве очищенной воды готова для дальнейшей переработки, например, для дальнейших процессов опреснения.

Для предотвращения засорения поверхности фильтрующего элемента 40 через снабженные отверстиями шланги непосредственно на поверхность фильтрующего элемента 40 может подаваться воздух, что приводит к механическому удалению отложений на поверхности фильтрующего элемента 40.

Перечень ссылочных обозначений

1 первый направляющий лоток

2 второй направляющий лоток

10 резервуар

20 флокуляционая установка

21 отсек резервуара 10 для внесения других вспомогательных средств для флокуляции

30 аэрационная установка

40 мембранный фильтрующий элемент

K зона контакта резервуара 10

S осадочная зона резервуара 10

α угол наклона первого направляющего лотка 1

β угол наклона второго направляющего лотка 2

Изобретение относится к очистке воды. Устройство для очистки соленой воды включает в себя минимум один резервуар (10) для приема перемешанной с минимум одним флокулянтом воды для отделения содержащихся в воде органических и биологических компонентов. Резервуар (10) включает в себя минимум одну зону контакта K для контактирования перемешанной с флокулянтом воды с минимум одним газом, в особенности воздухом, и минимум одну осадочную зону S для отделения вытесненных газом флокулированных органических компонентов. В минимум одной зоне контакта K размещена минимум одна аэрационная установка (30) одной или более керамических аэрационных мембран со средним размером пор 2 мкм. В минимум одной осадочной зоне S размещен минимум один мембранный фильтрующий элемент (40). Аэрационная установка (30) соединяется непосредственно с трубопроводом сжатого газа так, что минимум один газ впрыскивается через минимум одну аэрационную установку (30) без применения жидкости-носителя. Изобретение относится также к способу очистки соленой воды с применением указанного устройства. Изобретение позволяет снизить энергопотребление, устранить засорение мембраны и обеспечить обработку мутной и сильно загрязненной воды. 2 н. и 21 з.п. ф-лы, 5 ил.

1. Устройство для очистки соленой воды, в особенности предварительной очистки морской воды, включающее в себя

- минимум один резервуар (10) для приема перемешанной с минимум одним флокулянтом воды для отделения содержащихся в воде органических и биологических компонентов,

- причем минимум один резервуар (10) включает в себя минимум одну зону контакта К для контактирования перемешанной с флокулянтом воды с минимум одним газом, в особенности воздухом, и минимум одну осадочную зону S для отделения вытесненных газом флокулированных органических компонентов,

- причем в минимум одной зоне контакта К размещается минимум одна аэрационная установка (30) одной или более керамических аэрационных мембран со средним размером пор 2 мкм, а в минимум одной осадочной зоне S минимум один мембранный фильтрующий элемент (40),

отличающееся тем, что

аэрационная установка (30) соединяется непосредственно с трубопроводом сжатого газа таким образом, что минимум один газ впрыскивается непосредственно, по крайней мере, в один резервуар через минимум одну аэрационную установку (30) без применения жидкости-носителя.

2. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что минимум один мембранный фильтрующий элемент (40) и минимум одна аэрационная установка (30) размещены со смещением по горизонтали относительно друг друга.

3. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что резервуар (10) представляет собой открытый на верхней поверхности, противолежащей поверхности дна, резервуар (10) длиной а, шириной b и высотой h с двумя удлиненными и двумя короткими боковыми стенками.

4. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что минимум один мембранный фильтрующий элемент (40) размещен в резервуаре (10) под образованным вытесненными флокулированными органическими компонентами слоем, в особенности на дне резервуара (10) внутри осадочной зоны S.

5. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что минимум один мембранный фильтрующий элемент (40) является керамической фильтрующей мембраной, в особенности керамической мембраной для микрофильтрации или мембраной для ультрафильтрации.

6. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что минимум один мембранный фильтрующий элемент (40) является мембранным модулем со средним размером пор от 20 до 500 нм, предпочтительно от 100 до 300 нм, особенно предпочтительно 200 нм.

7. Устройство по п. 1, отличающееся минимум одним средством для продувки минимум одного мембранного фильтрующего элемента (40).

8. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что минимум одна аэрационная установка (30) сформирована из 1-10, предпочтительно 2-8, особенно предпочтительно из 4-6 аэрационных мембран.

9. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что минимум одна аэрационная установка (30) сформирована из размещенных параллельно и/или вертикально друг над другом керамических аэрационных мембран.

10. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что между зоной контакта К и осадочной зоной S размещается минимум один первый направляющий лоток (1) для направления вытесненных газом флокулированных органических компонентов из зоны контакта К в осадочную зону S.

11. Устройство по п. 10, отличающееся тем, что первый направляющий лоток (1) подвижно или жестко закреплен на дне резервуара (10).

12. Устройство по п. 10, отличающееся тем, что первый направляющий лоток (1) размещен под углом α от 90 до 50°, предпочтительно от 80 до 55°, особенно предпочтительно от 75 до 60° относительно дна резервуара (10).

13. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что минимум один второй направляющий лоток (2) размещен в области зоны контакта K на противолежащих удлиненных боковых стенках резервуара (10).

14. Устройство по п. 13, отличающееся тем, что второй направляющий лоток (2) размещен таким образом, что между дном резервуара (10) и вторым направляющим лотком (2) имеется расстояние.

15. Устройство по п. 13, отличающееся тем, что первый направляющий лоток (1) и второй направляющий лоток (2) размещены со смещением относительно друг друга и напротив друг друга, так что по направляющим лоткам (1, 2) может вызываться течение в виде меандра.

16. Устройство по п. 13, отличающееся тем, что второй направляющий лоток (2) размещен на боковых стенках резервуара (10) под углом β от 90 до 70°, предпочтительно от 85 до 75°, особенно предпочтительно 80° относительно противолежащей дну резервуара открытой верхней стороны резервуара (10).

17. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что перемешанная с флокулянтом вода вносится в резервуар с открытой верхней стороны резервуара (10).

18. Устройство по п. 17, отличающееся тем, что перемешанная с флокулянтом вода вносится в тот отдел резервуара (10), который ограничивается вторым направляющим лотком (2) и расположенной ближе всего ко второму направляющему лотку (2) короткой боковой стенкой резервуара.

19. Устройство по п. 1, отличающееся минимум одной предшествующей резервуару (10) флокуляционой установкой (20) для приема очищаемой воды и минимум одного флокулянта для флокуляции содержащихся в воде органических компонентов.

20. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что между минимум одной флокуляционой установкой (20) и резервуаром (10) существует жидкостное сообщение для перемещения флокулированных во флокуляционой установке (20) органических компонентов потоком жидкости из флокуляционой установки (20) в резервуар (10).

21. Способ очистки соленой воды, в особенности предварительной очистки морской воды, с применением устройства по п. 1, включающий в себя следующие шаги:

- ввод перемешанной с минимум одним флокулянтом воды в минимум один резервуар (10);

- контактирование перемешанной с минимум одним флокулянтом воды с минимум одним введенным в резервуар (10) посредством минимум одной аэрационной установки (30) газом, в особенности воздухом, для образования агломерата флокул и пузырьков газа, в особенности агломерата флокул и микропузырьков газа,

- отделение поднявшегося на поверхность находящейся в резервуаре (10) воды агломерата флокул и пузырьков газа,

- слив освобожденной от агломерата флокул и пузырьков газа воды через минимум один размещенный в резервуаре (10) мембранный фильтрующий элемент (40), и

- подачу слитой через мембранный фильтрующий элемент (40) воды для дальнейшей переработки.

22. Способ по п. 21, отличающийся тем, что добавка минимум одного флокулянта к очищаемой воде для флокуляции содержащихся в воде органических компонентов происходит в минимум одной предшествующей резервуару (10) флокуляционой установке (20).

23. Способ по п. 22, отличающийся тем, что перемешанная во флокуляционой установке (20) с флокулянтом вода в виде потока жидкости переводится в минимум один резервуар (10).