СПОСОБ ОЧИСТКИ ПОДЗЕМНЫХ ВОД Российский патент 2018 года по МПК C02F9/12 C02F1/32 C02F1/46 C02F1/72 C02F101/20 C02F103/10 

Изобретение относится к области очистки воды для ее потребления в качестве питьевой и может быть использовано, в частности, для очистки и повышения качества подземных вод, загрязненных в результате техногенного воздействия при разведке и разработке месторождений полезных ископаемых.

Известен способ глубокой очистки подземных вод, включающий ее дегазацию, двухстадийную фильтрацию и постадийную промывку фильтров. При этом в качестве фильтрующей загрузки на первой стадии используют инертный материал (кварцевый песок, кварциты, альбитофир, гранодиорит, горелые породы), а на второй - фильтрующую загрузку выполняют двухслойной, соответственно, из сорбента (активированный уголь) и ионообменного материала (клиноптилолит). После очистки воду облучают светом в ультрафиолетовой области спектра (см. патент RU 2087427, МПК⁶ С02F 9/00, опубл. 20.08.1997).

Недостатком данного способа является то, что при такой очистке не достаточно полно удаляются из воды растворенное железо и мышьяк.

Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату к заявляемому является способ фотохимической обработки воды с образованием в ней гидроксил-ионов, ионов гидроксония и пероксида водорода (см. патент RU 2095316, МПК⁶ С02F 1/00, Е21B 43/28, опубл. 10.11.1997).

Недостатком данного способа является то, что с его помощью не удается получить воду со стабильными параметрами очистки воды от железа и мышьяка, поскольку смола постепенно насыщается нерастворимой гидроокисью железа и неполноценно регенерируется.

Задача, на решение которой направлено заявляемое изобретение, состоит в повышении эффективности очистки воды от железа и мышьяка за счет использования электрохимических и фотохимических процессов образования высокоактивных окислителей в отдельных порциях, смешиваемых с ее основным объемом перед фильтрацией.

Технический результат, который может быть получен при реализации изобретения, состоит в повышении степени очистки воды от железа и мышьяка.

Указанный технический результат достигается тем, что способ очистки подземных вод от железа и мышьяка, включающий фотохимическую обработку воды с образованием в ней гидроксил-ионов, ионов гидроксония и пероксида водорода, отличается тем, что формирование в воде гидроксил-ионов, ионов гидроксония и пероксида водорода осуществляют путем фильтрования потока подземной воды через фильтр с наполнителем, в качестве которого используют мелкодробленый кремень и/или цеолит, обработанные перед помещением в фильтр в фотохимическом реакторе, или ионообменную смолу, насыщенную кремнекислотой, затем, после фильтрации, разделения воды на два потока с соотношением объемов 0,85:0,15, электрохимической обработки напряжением 28В и силой тока 0,3А меньшего по объему потока воды, для разделения ее на водород и кислород, фотохимической обработки указанного потока воды, возвращения этого потока в начало процесса очистки и объединения его с входным потоком подземной воды перед фильтрованием.

Способ включает очистку воды от растворенных загрязнителей с использованием активных гидратированных окислителей, сформированных в ней путем обработки предварительно очищенной от растворенного железа воды, разделяемой на два потока: меньший по объему из которых проходит сначала электрохимическую, а затем фотохимическую обработку с образованием в нем соответственно, сначала двухатомарного кислорода и водорода, метастабильной перекиси водорода, а затем гидроксил-ионов, ионов гидроксония и перекиси водорода, после чего этот поток возвращают в начало процесса очистки, т.е. объединяют с входной водой, чем обеспечивают окисление этими соединениями двухвалентного железа и марганца, содержащихся в основном объеме воды, в порах и на поверхности искусственного каталитического материала и последующее формирование из образующегося трехвалентного железа его гидроокиси, на поверхности основного наполнителя. Этот процесс коагуляции полученной при окислении гидроокиси железа, обеспечивает мелкодробленый кремень, и/или цеолит, обработанные перед помещением в фильтр в фотохимическом реакторе, или ионообменная смола, насыщенная кремнекислотой. Поликремниевые кислоты, сформированные предварительной обработкой перечисленных наполнителей, обеспечивают катализ процесса коагуляции гидроксида железа. Цеолит, для повышения содержания на внутренней поверхности его микропор кремниевых кислот, обрабатывают слабощелочным раствором силиката натрия или силикагеля. При подготовке цеолита к обработке вод с аномально высоким содержанием железа и/или марганца используют раствор перманганата калия в слабощелочной аммонийной среде, для формирования на внутренних и внешних поверхностях пленок цеолита высокоактивного окислителя - диоксида марганца. Свежеобразованную гидроокись железа, осажденную фильтрующим материалом, используют как сорбент для ионов марганца, тяжелых металлов, мышьяка и сурьмы. После накопления загрязняющих воду компонентов, фильтр регенерируют обратной промывкой.

На фиг. 1 изображена принципиальная схема системы очистки воды, где: 1 - патронные фильтры, 2 - наполнитель, 3 - обезжелезивающий фильтр, 4 - электрохимический реактор, 5 - фотохимический реактор, 6 - накопитель.

Способ водоподготовки осуществляется следующим образом. Полученную из любых источников водоснабжения, например скважин, колодцев, водопроводной сети, воду подвергают очистке от механических примесей.

Это может быть осуществлено путем отстаивания воды в течение определенного промежутка времени в накопительных емкостях или ее фильтрации через слой мелкодробленого инертного материала (гравия, песка и т.п.) или мелкопористые патронные фильтры 1. После очистки от механических примесей, воду очищают от растворенного железа и мышьяка с доведением их содержаний как минимум до установленных нормативов ПДК (предельно допустимых концентраций).

Доведение содержания растворенного в воде железа до предельно допустимых концентраций, осуществляют его окислением с последующей коагуляцией, а двухвалентного марганца дополнительно и сорбцией свежеобразованной гидроокисью железа в фильтрационной колонне (наполнитель 2). Окисление этих элементов можно осуществлять растворенным в воде кислородом, причем скорость и полноту окисления повышают использованием активных форм кислорода (АФК) - перекиси водорода и др., а также фильтрационного гранулированного материала, обладающего каталитическими свойствами (включая искусственный гранулированный материал, ускоряющий процесс окисления железа, и обработанный природный и/или искусственный материал, катализирующий коагуляцию образующейся гидроокиси трехвалентного железа). Активные формы кислорода продуцируют в части очищенной от железа воды сначала посредством электрохимической обработки в электрохимическом реакторе 4, а затем фотохимической обработки при помощи облучения погружной УФ-лампой, установленной внутри корпуса фотохимического реактора 5, после чего объединяют этот поток с активными окислителями железа с входной водой, обеспечивая окисление этими соединениями двухвалентного железа.

Окисление железа активными формами кислорода ускоряют искусственным каталитическим материалом (обезжелезивающий фильтр 3), например Birm, входящим в определенной пропорции в состав фильтрующего материала (помещенного в фильтрационную колонну или наполнитель 2) и/или опосредованно путем катализа кластеризации молекул гидроксида железа и ионов двухвалентного железа при ее взаимодействии с гидратированными поликремниевыми кислотами на начальной стадии коагуляции. При этом из двухвалентного железа формируется трехвалентное железо. Трехвалентное железо при гидратации образуют гидроокиси. Гидроокись железа коагулирует и осаждается в фильтрующем материале фильтра, в основном катализирующим процесс коагуляции гидроокиси железа. Свежеобразованная гидроокись железа задерживается фильтрующим материалом. Далее она работает как сорбент для ионов марганца, тяжелых металлов, мышьяка и сурьмы. После исчерпания емкости наполнителя, т.е. предельного накопления в нем загрязняющих воду компонентов, фильтр регенерируют обратной промывкой для подготовки к следующему циклу очистки. При этом вода подается в фильтрационную колонну снизу вверх и вымываемая взвесь удаляется через слив 7 (слив после обратной промывки).

При включении фильтра после перерыва в его работе, на вход, для смешивания с исходной очищаемой водой, подается зарезервированная в накопителе 6 (емкость с обезжелезенной водой) порция очищенной воды, в которой в ходе электрохимической и фотохимической обработки образуются указанные выше окислители.

Пример конкретного выполнения способа

Скважинная вода проходила очистку от механических взвесей на патронном фильтре с диаметром пор 10 мкм. После этого, для очистки от железа, содержанием 10 мг/л, в том числе двухвалентного 7.5 мг/л и мышьяка 0.35 мг/л, вода очищалась в специальной установке, состоящей из фильтрующей колонны, электрохимического реактора и фотохимического реактора. Фильтрующая колонна наполнена мелкодробленой (-2.5 мм) крошкой кремня, обработанной в щелочной среде в фотохимическом реакторе для образования на ее поверхности поликремниевых кислот и каталитического материала Вита (30% от общего объема наполнителя). Вода, после выхода из фильтра, разделялась на два потока 0.85 м³/час и 0.15 м³/час, меньший по объему из которых проходил сначала обработку в электрохимическом, а затем в фотохимическом реакторах. При обработке в электрохимическом реакторе, при напряжении 28 В и силе тока 0.3 А, вода в приэлектродных зонах разделяется на водород и кислород, которые затем отделяются в виде пузырьков. После фотохимической обработки, в газовых пузырьках кислорода образуются озон, атомарный кислород, в смешанных газовых пузырьках (водорода и кислорода) - ряд радикалов и ион-радикалов. При диффузии в воду этих соединений, в ней формируются гидроксил-ионы, ионы гидроксония и перекись водорода. После обработки, этот поток воды возвращали в начало процесса очистки. Поток обработанной воды, содержащий после обработки вышеупомянутые соединения, объединяли с входной водой, чем обеспечивали окисление этими соединениями двухвалентного железа, которое особенно интенсивно протекает на поверхности гранул каталитического материала фильтра. Из образующегося при окислении трехвалентного железа формируется его гидроокись, сначала в форме кластеров, затем скоагулированных комплексов. Последние процессы происходят преимущественно на поверхности гранул кремня, содержащего поликремниевые кислоты. После накопления загрязняющих воду компонентов, фильтр регенерировали обратной промывкой. После очистки содержание железа снизилось до 0.05 мг/л, мышьяка - менее 0.01 мг/л.

Изобретение может быть использовано при разведке и разработке месторождений полезных ископаемых для очистки подземных вод, загрязненных в результате техногенного воздействия. Для осуществления способа проводят очистку вод от механических примесей в фильтре (1), разделение очищенной в обезжелезивающем фильтре (3) воды на два потока с соотношением объемов 0,85:0,15. Меньший по объему поток сначала проходит электрохимическую (4), а затем фотохимическую обработку (5) с образованием в нем гидроксил-ионов, ионов гидроксония, пероксида водорода. Затем объединяют этот поток с входной водой для окисления этими соединениями двухвалентного железа и формирования гидроксида трехвалентного железа, который осаждается в фильтрующем материале (2), содержащем поликремниевые кислоты. Свежеобразованный гидроксид железа, осажденный фильтрующим материалом (2) в фильтре (3), сорбирует ионы марганца, тяжелых металлов, мышьяка и сурьмы. Способ обеспечивает повышение степени очитки от загрязняющих компонентов и увеличивает содержание растворенного кислорода в обработанной воде для её употребления в качестве питьевой. 1 ил., 1 пр.

Способ очистки подземных вод от железа и мышьяка, включающий фотохимическую обработку воды с образованием в ней гидроксил-ионов, ионов гидроксония и пероксида водорода, отличающийся тем, что формирование в воде гидроксил-ионов, ионов гидроксония и пероксида водорода осуществляют путем фильтрования потока подземной воды через фильтр с наполнителем, в качестве которого используют мелкодробленый кремень и/или цеолит, обработанные перед помещением в фильтр в фотохимическом реакторе, или ионообменную смолу, насыщенную кремнекислотой, затем, после фильтрации, разделения воды на два потока с соотношением объемов 0,85:0,15, электрохимической обработки напряжением 28 В и силой тока 0,3 А меньшего по объему потока воды для разделения ее на водород и кислород, фотохимической обработки указанного потока воды, возвращения этого потока в начало процесса очистки и объединения его с входным потоком подземной воды перед фильтрованием.