СПОСОБ АДСОРБЦИОННОЙ ОЧИСТКИ ВОД ПОВЕРХНОСТНЫХ ИСТОЧНИКОВ Российский патент 2019 года по МПК E02B15/00 C02F1/28 C02F1/50 B01J20/12 

Изобретение относится к области промышленной экологии и может быть использовано для очистки вод поверхностных источников (реки, озера, пруды и т.п.) до нормативных требований по предельно-допустимым концентрациям содержания загрязнителей.

Известно, что воды с цветностью более 30 градусов по платино-кобальтовой шкале и содержанием взвешенных примесей более 100 мг/л очищаются через стадию коагулирования (Водоподготовка: Справочник. / Под ред. д.т.н. С.Е. Беликова. М: Аква-Терм, 2007. - 240 с., Жуков А.И., Монгайт И.Л., Родзиллер И.Д. Методы очистки производственных сточных вод. - М.: Стройиздат, 1977. - 208 с.). Процесс очистки (осветления) проводится в специальных резервуарах с добавлением в очищаемую воду коагулянтов, например, сульфата алюминия или оксихлорида алюминия с дальнейшей очисткой через песчаные фильтры. Однако очистка сточных вод коагуляцией требует значительных затрат времени, введения дополнительных реактивов и наличия емкостного оборудования. При этом загрязняющие вещества, находящиеся в растворенном состоянии, остаются в очищаемой воде.

Известно, что мелкоизмельченный алюмосиликатный адсорбент, добавляемый в очищаемую воду на длительное время, является эффективным адсорбентом для тяжелых металлов. Например, в патенте РФ 2412756, кл. B01J 20/00, опубл. 2011 предложен способ очистки стоков мелкодисперсным алюмосиликатным сорбентом, получаемого как отход производства. Сорбцию свинца и кадмия осуществляют при перемешивании жидкой фазы с сорбентом в течение 6-32 часов. Недостатками способа являются низкая скорость сорбции и необходимость отделения значительного количества мелкодисперсного алюмосиликатного адсорбента, который в водной среде может дополнительно диспергироваться до микроразмеров.

Известен также способ очистки вод адсорбентом «Глинт», взятый нами за прототип. Адсорбент «Глинт» (ТУ 2163-001-15191069-2003) получают спеканием глины и соединений щелочно-земельных элементов, разработанный и применяемый для очистки промышленных и поверхностно-ливневых сточных вод путем осаждения катионов тяжелых металлов (см. Инструкция по применению. Активированный алюмосиликатный адсорбент Глинт. ЗАО "Квант минерал". Санкт-Петербург.2007 г., 6 с.). При большом сроке службы адсорбента и возможности его многократных промывок при использовании в существующих технологических схемах очистки сточных вод к недостаткам адсорбента «Глинт» следует отнести ограничения по кислотности обрабатываемых стоков (рН 7,5÷8,0), что требует предварительной подготовки стоков (2-3-ступенчатая очистка). К недостаткам адсорбента «Глинт» можно отнести и ограниченную сорбционную емкость по ионам тяжелых металлов (2,5÷5,6 г/дм), что приводит к необходимости частых промывок фильтрующей системы, а это существенно усложняет технологический процесс очистки воды.

Исследованиями Атаевой А.А. с соавторами (2009-2017) показано, что в воде из поверхностных водоисточников Чеченской республики присутствуют ионов таких тяжелых металлов как стронций, цинк и никель в сочетании с литием и галогенами. Это способствует образованию целого комплекса солей этих металлов, которые не элиминируются в процессе водоподготовки и могут влиять на состояние жизненно важных систем и органов человека. Приоритетными загрязнителями поверхностных вод ЧР являются нефтепродукты, СПАВ, тяжелые металлы, которые в некоторых источниках обнаружены в концентрациях выше предельно-допустимых в среднем на 12,9%.

Предлагаемое нами изобретение направлено на решение важной экологической проблемы - высокоэффективную очистку поверхностных высокозагрязненных вод.

Технический результат предлагаемого изобретения - разработка наиболее надежного, экологически чистого и экономически эффективного способа очистки вод поверхностных источников до нормативных требований, предъявляемых к питьевой воде по предельно допустимым концентрациям загрязнителей.

Способ адсорбционной очистки поверхностных вод, отличающийся тем, что загрязнители различной природы (гуминовые вещества, ионы тяжелых металлов, взвеси, синтетические поверхностно-активные вещества и т.п.) поглощаются (адсорбируются) на минеральных гранулах высокой поглотительной емкости, состоящих из бентонита и брусита (природный минерал, представляющий собой гидроокись магния). Исходные компоненты - бентонит и брусит - измельчаются до размеров частиц не более 10 мкм. Такой размер частиц смешиваемых веществ позволяет достигнуть высокой степени однородности адсорбционного материала. Повышенная поглотительная способность адсорбента достигается за счет рецептуры геля, из которого формуются гранулы, его ультразвуковой активации и режима обжига гранул (термообработки).

Состав геля - бентонит : вода : брусит=10:30:2. Этот состав определен экспериментально как оптимальный исходя из стойкости полученных гранул в слабокислой среде. Гель производится двухстадийно в ультразвуковом (УЗ) поле реактора мощностью более 10 Вт/см². На первой стадии в УЗ-реакторе готовится суспензия брусита в воде в течение времени не менее 5 мин. На второй стадии добавляется бентонит и обработку получаемого геля ведут 8-10 минут. Под действием ультразвука происходит равномерное распределение смешиваемых компонентов и образование геля. Далее гель сушится до заданной влажности (50-60%). Гранулы из полученного геля формуются методом экструзии. Режим термообработки полученных гранул - 2 часа при 550°С - 600°С. Найденный экспериментально оптимальный режим термообработки позволяет получать гранулы с развитой поверхностью и устойчивые к водной среде в широком диапазоне рН. В таблице 1 (см. в графической части) приведены сравнительные характеристики полученного нами адсорбента и адсорбента «Глинт».

Пример 1. Приготовление адсорбента. Использовался бентонит Даш-Салахлинского месторождения, Республика Азербайджан, и брусит, предоставленный ООО «Русское горно-химическое общество». Исходные компоненты - бентонит и брусит, измельчаются на лабораторной установке до размеров частиц не более 10 мкм. Рецептура рассчитывается на 1,5 литра воды (объем УЗ-реактора - 2 литра) На первой стадии в ультразвуковом реакторе при подаваемой мощности 12 Вт/см² готовится суспензия брусита (100 г) в воде (соотношение брусит : вода=30:2) в течение 5 мин. На второй стадии добавляется бентонит 500 г из расчета 10 частей бентонита на 30 частей воды. Гель подсушили в термошкафу при температуре 50°С до влажности 50%. Гранулы адсорбционного материала размером 0,5-2 мм получены на лабораторном экструдере. Термообработка выполнена в муфельной печи. Режим термообработки - 600°С в течение двух часов.

Пример 2. Оценка эффективности использования предлагаемого способа на примере очистки поверхностных вод Гойтинского водозабора р. Терек, г. Грозный. Отбор проб воды исследуемых водных объектов осуществляли согласно ГОСТ Р 51593-2000. Проводили измерение мутности и цветности (ГОСТ 3351-74 «Вода питьевая. Методы определения вкуса, запаха, цветности и мутности» и ГОСТ Р 52769-2007 «Вода. Методы определения цветности»), определяли нитриты (ПНД Ф 14.1:2.3-95), хлорид-ионы (ПНД Ф 14.1:2.96-97), нитраты (ГОСТ 18826-73), общее солесодержание (ПНДФ 14.1:2:3:4.121-97). В таблице 2 (см. в графической части) приведены результаты исследования воды из Гойтинского водозабора.

Установлено улучшение большинства определяемых показателей качества воды при фильтрации через фильтр с разработанным адсорбционным материалом: в среднем на 25%, показатель мутности снизился на 80%, а цветности - на 70%.

Пример 3. Оценка эффективности использования предлагаемого способа на примере очистки поверхностных вод Сунженского водозабора, г. Грозный. Отбор проб воды исследуемых водных объектов осуществляли согласно ГОСТ Р 51593-2000. Проводили измерение мутности и цветности (ГОСТ 3351-74 «Вода питьевая. Методы определения вкуса, запаха, цветности и мутности» и ГОСТ Р 52769-2007 «Вода. Методы определения цветности»), определяли нитриты (ПНД Ф 14.1:2.3-95), хлорид-ионы (ПНД Ф 14.1:2.96-97), нитраты (ГОСТ 18826-73), общее солесодержание (ПНДФ 14.1:2:3:4.121-97). В таблице 3 (см. в графической части) приведены результаты исследования воды Сунженского водозабора. Установлено улучшение большинства определяемых показателей качества воды при фильтрации через фильтр с разработанным адсорбционным материалом. Исходные пробы воды из Сунженского водозабора характеризовались высоким содержанием гуминовых веществ, обуславливающих цветность, взвешенных частиц и иловых остатков, повышающих мутность. Фильтрование этих вод через экспериментальный фильтр с разработанным адсорбционным материалом сопровождалось снижением цветности на 96%, мутности - на 99%. Особенно была эффективной очистка от микробного загрязнения.

Актуальность проблемы обеспеченности населения Чеченской республики качественной питьевой водой связана с изменением природных вод под действием сбросов хозяйственно-бытовых, производственных и ливневых сточных вод различной степени загрязнения. Из общего объема сточных вод на долю промышленных приходится около 17%, остальные - на жилищно-коммунальный комплекс. Очистка поверхностных вод общепринятыми способами является недостаточной. Адсорбент состоит из мелкодисперсных (не более 10 мкм) минералов бентонита и брусита, его приготовление осуществляется в водной среде с использованием ультразвука. Полученные гранулы проходят термообработку в диапазоне 550°С - 600°С, приобретают высокую механическую прочность, большую удельную поверхность и способность к адсорбции веществ различной природы. Техническим результатом предлагаемого изобретения является способ очистки вод поверхностных источников от загрязнителей различной природы с помощью комплексного минерального адсорбента. 3 табл., 3 пр.

Способ адсорбционной очистки вод поверхностных источников, отличающийся тем, что загрязнители различной природы (гуминовые вещества, ионы тяжелых металлов, взвеси) поглощаются (адсорбируются) на минеральных гранулах высокой поглотительной емкости, состоящих из бентонита и брусита, измельченных до размеров частиц не более 10 мкм, а высокая поглотительная способность минерального адсорбента достигается за счет рецептуры геля, из которого формуются гранулы, его ультразвуковой активации и режима обжига гранул (термообработки), причем состав геля - бентонит : вода : брусит = 10:30:2, приготовление геля производится в ультразвуковом поле мощностью более 10 Вт/см² в ультразвуковом реакторе, гранулы из полученного геля формуются методом экструзии, режим термообработки полученных гранул - 2 часа при 550°С - 600°С.