СПОСОБ ОЧИСТКИ И ОБЕЗЗАРАЖИВАНИЯ СТОЧНЫХ ВОД Российский патент 2020 года по МПК C02F9/12 C02F1/44 C02F1/32 C02F1/48 C02F1/78 B01D61/02 B01D61/14 

Область техники, к которой относится изобретение

Изобретение относится к способу очистки и обеззараживания сточных вод от широкого спектра загрязнений (солей тяжелых металлов, токсичных, неспособных к биологическому разложению сложных органических веществ, а также взвешенных, эмульгированных и растворенных загрязнителей) в широком диапазоне концентраций. Изобретение может быть использовано в системах очистки в химической, металлургической, горной, целлюлозно-бумажной и других отраслях промышленности, для очистки дренажных вод и фильтратов полигонов твердых бытовых отходов (ТБО).

Уровень техники

В настоящее время повышение экологических требований к качеству очистки сточных вод, вызванное развитием промышленности, сельского хозяйства, жилищно-коммунального хозяйства (ЖКХ), увеличивающимся дефицитом водных ресурсов, делает необходимым разработку универсальных способов глубокой очистки и обеззараживания воды, позволяющих очищать воды до нормативов водоотведения в водоем рыбохозяйственного назначения или для использования в системах оборотного водоснабжения.

Известные способы очистки сточных вод, включающие стадии коагуляции/флотации с последующим отстаиванием, электрохимической обработки, адсорбционной очистки, механической фильтрации, мембранной фильтрации, биологической очистки, обеззараживания очищенной воды имеют ограниченную область применения из-за привязанности к ограниченному виду загрязнителей, узкому диапазону объемов очищаемых сточных вод, низкой надежности либо сложности конструкции, высоких затрат на реагенты и электроэнергию, образованию больших объемов неутилизируемых или сложно утилизируемых шламов, осадков, при размещении которых происходит вторичное загрязнение окружающей среды [Информационно-технический справочник по наилучшим доступным технологиям / ИТС 8-2015 Очистка сточных вод при производстве продукции (товаров), выполнении работ и оказании услуг на крупных предприятиях. - М.: Бюро НДТ, 2015. - 129 с.; Информационно-технический справочник по наилучшим доступным технологиям / ИТС 47-2017 Системы обработки (обращения) со сточными водами и отходящими газами в химической промышленности. - М.: Бюро НДТ, 2017. - 114 с.].

Из уровня техники [патент RU 2701827 С1, опубл. 01.10.2019] известен способ очистки сточных вод посредством блочно-модульного комплекса, в котором предварительно в модуле механической очистки удаляют крупные твердые частицы посредством сгустителя, далее воду насыщают кислородом воздуха и в модуле биологической очистки в мембранном биореакторе удаляют органические загрязнения и биогенные элементы, далее в модуле адсорбции и химического окисления или декарбонизации воды с помощью озона окисляют растворенные и взвешенные органические вещества. Доочистку очищенной воды осуществляют в установке обратного осмоса.

Недостатком данного способа является образование вторичных загрязнений в виде сырого осадка в модуле механической очистки, неэффективность использования для очистки воды, содержащей высокотоксичные и трудноокисляемые органические соединения, из-за быстрой дезактивации микроорганизмов загрузки модуля биологической очистки.

Также из уровня техники [патент RU 2169708 С2, опубл. 27.06.2001] известен способ очистки сточных вод от взвешенных, неорганических и органических веществ, включающий методы флотации, коагуляции, флокуляции, озонирования, фильтрации и отделения осадка. Процесс очистки осуществляется последовательно в одном аппарате.

Недостатком данного способа является невозможность масштабирования процесса очистки, неэффективность очистки от различного вида загрязнений в многокомпонентных системах из-за отсутствия возможности обеспечения необходимого для завершения каждого процесса очистки времени пребывания в одном аппарате и сложность обслуживания и ремонта аппарата.

Известен способ очистки сточных вод [патент RU 2337070 С2, опубл. 27.10.2008], включающий обработку импульсными высоковольтными разрядами с одновременным насыщением воды диспергированным воздухом и последующую очистку на зернистых и сорбционных фильтрах в присутствии коагулянта. Данный способ позволяет очищать воду от железа, марганца, цинка, органических загрязнений, нефтепродуктов, бактерий, вирусов и других загрязняющих веществ.

Недостатком данного способа является низкая производительность, малый срок службы загрузок фильтров в результате их необратимого загрязнения продуктами окисления, а также высокие затраты на замену зернистой загрузки из гранулированного алюминия.

Известен способ очистки сточных вод [патент RU 2440931 С2, опубл. 27.01.2012], включающий механическое отделение взвесей, коагуляцию и электрообработку в электрофлотаторе. Данный способ позволяет очищать производственные сточные воды предприятий пищевой и рыбной промышленности, содержащие белки, липиды и другие органические вещества.

Недостатком данного способа является энергозатратность и ограниченность по очищаемым загрязнителям, также способ требует использования в качестве коагулянта большого количества морской воды - 25-35 об. % от объема обрабатываемой сточной воды и использования дорогостоящих анодов на основе оксидов рутения и титана, что ограничивает его применение.

Известен способ очистки воды [патент RU 2524939 С2, опубл. 10.08.2014], в котором воду предварительно пропускают через модуль центробежных фильтров с электромагнитными элементами, после чего подают в накопительную емкость с одновременной подачей в воду хлоросодержащего препарата, полученного в электролизере электролизом поваренной соли, далее воду подают на батарею половолоконных ультрафильтров, после чего осуществляют окончательную обработку воды на фотокаталитической колонке на основе нанокристаллического диоксида титана и ультрафиолетовым излучением в бактерицидном модуле.

Недостатком данного способа при очистке концентрированных вод (сточных и производственных растворов) является повышенный износ ультрафиолетовых ламп. Кроме того, использование хлорсодержащих веществ в сочетании с последующим облучением будет приводить к образованию новых токсичных хлорорганических соединений (диоксинов и диоксидов и пр.).

Из уровня техники [патент RU 2530106 С2, опубл. 10.10.2014] известно устройство для очистки и обеззараживания сточных вод, состоящее из блока предварительной очистки, содержащего отстойник и фильтр, блока коагуляции-флотации, содержащего высоконапорный насос, гидродинамический кавитатор, расходную емкость коагулянта и флотатор-коагулятор, и блока доочистки и обеззараживания, содержащего фильтр и агрегат ультрафиолетового облучения с ультразвуковым излучателем.

Недостатком данного устройства являются высокие эксплуатационные затраты из-за повышенного износа ультрафиолетовых ламп, в случае очистки концентрированных сточных вод.

Из уровня техники [патент RU 2136602 С1, опубл. 10.09.1999] известно устройство для очистки и обеззараживания воды с использованием высоковольтных электрических разрядов, получаемых на объемном многоострийном электроде в виде ерша, и озонирования кислородосодержащим газом, в котором процесс очистки и обеззараживания воды осуществляется за счет окисления примесей, находящихся в воде, озоном, атомарным кислородом, возбужденными молекулами кислорода и т.п., образующимися при электрических разрядах в кислородосодержащем газе и воде. Данное техническое решение позволяет повысить эффективность очистки и обеззараживания воды, снизить удельные энергозатраты при повышении надежности конструкции установки.

Недостатком данного устройства является быстрый износ высоковольтного электрода, выполненного в виде объемного многоострийного электрода в виде ерша. При работе устройства при электрических разрядах происходит частичное выгорание острий высоковольтного электрода, что значительно понижает эффективность его работы, так как при замене высоковольтного электрода требуется остановка работы устройства.

Известен способ очистки сточных вод от ионов металлов, токсичных органических загрязнений и бактериальной микрофлоры [патент RU 2333154 С1, опубл. 10.09.2008] путем прокачивания очищаемой воды через установленный в трубе гидродинамический излучатель в режиме кавитации, смешения с окислителем (озоном или кислородом и озоном или воздухом и озоном) из газовой фазы, диспергированием полученной газожидкостной смеси в контактной камере перед преграждающей поверхностью и последующим фильтрованием очищаемой воды от твердых взвесей.

Недостатком этого способа является необходимость многократного прокачивания всего объема сточной воды через гидродинамический излучатель для достижения глубокой очистки, приводящее к быстрой изнашиваемости оборудования и к высоким энергозатратам на осуществление процесса очистки.

Рассмотренные выше способы и технические решения применяются для очистки и обеззараживания сточных вод, но каждое по отдельности не обеспечивает по качеству очистки, производительности, энергозатратам, ресурсам возросшие требования к очистке сточных вод.

Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату к предлагаемому способу является способ очистки концентрированных сточных вод [патент RU 2589139 С2, опубл. 10.07.2016], включающий электрохимическую очистку, реагентную обработку коагулянтом и флокулянтом с последующим отстаиванием, ультрафильтрацию, обратноосмотическое разделение в две ступени по пермеату, доочистку на ионообменных смолах.

Недостаток данного способа - высокие энергозатраты на стадии электрохимической очистки, высокие эксплуатационные затраты на замену сорбента на стадии доочистки пермеата, низкая производительность установки, ограниченность его использования для очистки от широкого спектра загрязнений.

Раскрытие сущности изобретения

Техническая задача предлагаемого изобретения состояла в создании эффективного способа очистки сточных вод от широкого спектра загрязнений в широком диапазоне концентраций.

Технический результат настоящего изобретения заключается в повышении качества очистки воды от широкого спектра загрязнений (токсичных, неспособных к биологическому разложению неорганических и органических веществ, взвешенных, эмульгированных и растворенных), снижении эксплуатационных и энергозатрат.

Техническая задача решается и технический результат достигается способом очистки и обеззараживания сточных вод, который включает стадии ультрафильтрации и обратноосмотического разделения в две ступени по пермеату, при этом, в соответствии с настоящим изобретением, перед стадией ультрафильтрации исходную воду пропускают через реактор роторно-вихревого типа для гидродинамической обработки в присутствии ферромагнитных частиц, а после стадии обратноосмотического разделения пермеат обратного осмоса второй ступени дополнительно очищают и обеззараживают в блоке фотолитического озонирования с использованием ультрафиолетового излучения и озона.

В одном из вариантов осуществления настоящего изобретения в реакторе роторно-вихревого типа дополнительно может быть осуществлена реагентная обработка коагулянтом и/или корректировка рН.

В еще одном варианте осуществления изобретения стадия ультрафильтрации может быть реализована в режиме прямого потока (тупиковая фильтрация).

В еще одном варианте осуществления изобретения после дополнительной очистки и обеззараживания с использованием ультрафиолетового излучения и озона может быть осуществлено разложение остаточного озона и продуктов окисления органических соединений на адсорбционно-каталитическом фильтре.

Краткое описание чертежей

На фиг. 1 представлена функциональная схема блочно-модульной установки очистки и обеззараживания сточных вод в виде графических условных обозначений элементов, связанных функционально линиями движения воды и осадка (шлама): I - модуль гидродинамической обработки; II - модуль мембранной очистки; III - модуль финишной очистки и обеззараживания; IV - модуль сбора и обезвоживания осадка; 1, 4, 10 - накопительные емкости; 2 - реактор роторно-вихревого типа; 3 - седиментатор; 5 - блок ультрафильтрации; 6 - обратный осмос первой ступени блока обратного осмоса; 7 - обратный осмос второй ступени блока обратного осмоса; 8 - блок фотолитического озонирования; 9 - адсорбционно-каталитический фильтр.

На фиг. 2 и фиг. 3 показаны результаты изменения показателя химического потребления кислорода (ХПК) на разных стадиях очистки: 0 - исходная вода; 2 - реактор роторно-вихревого типа; 5 - блок ультрафильтрации; 6 - обратный осмос первой ступени блока обратного осмоса; 7 - обратный осмос второй ступени блока обратного осмоса; 8 - блок фотолитического озонирования; 9 - адсорбционно-каталитический фильтр.

Осуществление изобретения

Для реализации заявленного способа предлагается представленная на фиг. 1 блочно-модульная установка очистки и обеззараживания сточных вод. Установка состоит из следующих основных модулей: модуль гидродинамической обработки I, модуль мембранной очистки II, модуль финишной очистки и обеззараживания III, модуль сбора и обезвоживания осадка IV. Модуль гидродинамической обработки I содержит узел подготовки и ввода реагентов - для корректировки рН, коагулянты, кислород, инертные газы и др. (на фиг. 1 не представлен), аппарат с вращающимся электромагнитным полем оригинальной конструкции - реактор роторно-вихревого типа (РРВТ) 2 и седиментатор 3. Модуль мембранной очистки II содержит блок ультрафильтрации 5 и обратный осмос первой ступени 6 и обратный осмос второй ступени 7 блока обратного осмоса. В модуле финишной очистки и обеззараживания III для доочистки воды методом окисления используется ультрафиолетовое излучение, озон в блоке фотолитического озонирования 8 и адсорбционно-каталитический фильтр 9. В установке также предусмотрен модуль сбора и обезвоживания осадка IV перед подачей его на переработку или утилизацию. В состав установки, кроме того, входят узел подачи озона, насосы, трубопроводная обвязка, регулирующая и запорная арматура, датчики, ручная и автоматическая система управления (на фиг. 1 не представлены).

Способ осуществляется следующим образом.

Исходная загрязненная вода (промышленные сточные воды) через накопительную емкость 1 поступает в модуль гидродинамической обработки I, где в аппарате РРВТ 2 осуществляется очистка воды за счет интенсивной ее обработки ферромагнитными частицами, вращающимися в магнитном поле, в ходе которой возникают кавитационные и электромагнитные эффекты, обеспечивающие эффективное удаление загрязнений различной природы. Далее очищаемая вода поступает в седиментатор 3, где происходит отделение осадка от воды. Образовавшийся осадок поступает в модуль сбора и обезвоживания осадка IV, где собирается в емкости 4, затем поступает на обезвоживание, захоронение, переработку и т.п. Гидродинамическая и кавитационная обработка воды в модуле гидродинамической очистки обеспечивает снижение в ней показателей ХПК, биологического потребления кислорода (БПК), содержания нефтепродуктов, поверхностно-активных веществ (ПАВ) и других загрязнителей, в результате чего вода может быть использована в системах оборотного промышленного водоснабжения или доочищена до нормативов водоотведения в водоемы рыбохозяйственного назначения в следующих модулях установки. Преимуществом модуля гидродинамической обработки с РРВТ является то, что на данной стадии очистки происходят первичные процессы обеззараживания воды кавитацией, дегазация жидкой фазы вплоть до практически полного разложения карбонатов и гидрокарбонатов, обусловленных солями временной жесткости.

Далее очищенная вода насосом подается в модуль мембранной очистки II на блок ультрафильтрации 5. Ультрафильтрация предназначена для эффективной и экономичной подготовки воды перед обратным осмосом с целью увеличения эффективности и долговечности обратноосмотических мембран. В блоке ультрафильтрации 5 реализуется режим прямого потока (тупиковая фильтрация), позволяющий получить концентрат с максимальным содержанием загрязнений.

Далее очищенная вода подается насосом в блок обратного осмоса (обратный осмос первой ступени 6 и обратный осмос второй ступени 7). В зависимости от степени загрязненности воды для достижения нормативных показателей по ХПК, ионам аммония, тяжелым металлам и пр. в модуле мембранной очистки II применяется одна или две ступени обратного осмоса. Вторая ступень обратного осмоса предназначена для удаления растворимых в воде низкомолекулярных органических соединений. В случае применения в модуле мембранной очистки II двух ступеней обратного осмоса вода из блока ультрафильтрации 5 с помощью насоса подается на установку обратного осмоса высокого давления (первая ступень), из которой пермеат с помощью насоса подается на обратноосмотические мембраны низкого давления (вторая ступень). Пермеат с обратного осмоса второй ступени собирается в накопительной емкости модуля мембранной очистки. Концентрат обратного осмоса второй ступени направляется на вход обратного осмоса первой ступени. Такая организация подачи воды позволяет максимально уменьшить количество сбросных вод с блока обратного осмоса. Преимуществом блока обратного осмоса является получение высокочистого пермеата ввиду отсутствия необходимости корректировки рН и использования других реагентов для удаления углекислого газа, образующего при разложении в кислых средах гидрокарбонатов и карбонатов, а также образование минимальных количеств высококонцентрированного концентрата, который может быть в дальнейшем переработан и/или утилизирован совместно со шламом после модуля гидродинамической очистки.

Последней стадией очистки в модуле финишной очистки и обеззараживания III является воздействие на воду озона высокой концентрации и ультрафиолетового излучения от резонансных ртутных ламп, обеспечивающих фотоокисление прошедших через обратный осмос растворимых в воде низкомолекулярных органических соединений (низкомолекулярных спиртов, альдегидов и т.п.). Модуль III содержит блок фотолитического озонирования 8, состоящий из узла генерации озона, системы ввода озона в воду, аппарата с резонансными ртутными лампами, системы газоотделения. Дополнительно в модуле может использоваться адсорбционно-каталитический фильтр 9 для удаления остаточного озона и продуктов окисления органических соединений. Озон эжектируется во входной патрубок насоса, интенсивно перемешивается с водой и полностью растворяется в ней при повышенном давлении, создаваемом насосом. Далее давление сбрасывается и образуется большое количество тонкодисперсных пузырьков. Такой способ ввода озона позволяет получать максимальную величину поверхности раздела газ-жидкость, тем самым создавая условия для максимально возможной скорости фотохимических реакций.

Очищенная вода поступает далее в накопительную емкость чистой воды 10 или направляется потребителям для использования в замкнутых циклах промышленного водоснабжения, или сбрасывается в водоемы рыбохозяйственного назначения.

Таким образом, число, назначение и работа функциональных единиц установки обеспечивает полное и комплексное решение повышения качества очистки воды от широкого спектра загрязнений, снижение эксплуатационных и энергозатрат.

Изобретение иллюстрируется следующими примерами.

Пример 1. Воду с ХПК 15000 мг/дм³ подавали в модуль гидродинамической обработки, затем в модуль мембранной очистки на блок ультрафильтрации и на две ступени обратного осмоса, далее - в модуль финишной очистки и обеззараживания. Результаты испытаний приведены на фиг. 2.

Пример 2. Воду с ХПК 1500 мг/дм³ подавали в модуль гидродинамической обработки, затем в модуль мембранной очистки на блок ультрафильтрации и на одну ступень обратного осмоса, далее - в модуль финишной очистки и обеззараживания. Результаты испытаний приведены на фиг. 3.

Пример 3. Воду с ХПК 250 мг/дм³ подавали в модуль гидродинамической обработки, затем в модуль мембранной очистки на блок ультрафильтрации и на одну ступень обратного осмоса, далее - в модуль финишной очистки и обеззараживания. Результаты испытаний приведены на фиг. 3.

Пример 4. Воду подавали в модуль гидродинамической обработки, в модуль мембранной очистки на блок ультрафильтрации и на одну ступень обратного осмоса, далее в модуль финишной очистки и обеззараживания с использованием адсорбционно-каталитического фильтра. Результаты испытаний по очистке воды от основных загрязнителей приведены в таблице 1.

Как видно из результатов эксперимента, заявленное изобретение позволяет очищать воду от широкого спектра загрязнений, в широком диапазоне концентраций и довести очистку до 98-100%.

Изобретение может быть использовано в системах очистки в химической, металлургической, горной и целлюлозно-бумажной промышленности для очистки дренажных вод и фильтратов полигонов твердых бытовых отходов. Способ очистки и обеззараживания сточных вод включает стадии ультрафильтрации и обратноосмотического разделения в две ступени по пермеату. Перед стадией ультрафильтрации исходную воду пропускают через реактор роторно-вихревого типа для гидродинамической обработки в присутствии ферромагнитных частиц. После стадии обратноосмотического разделения пермеат обратного осмоса второй ступени дополнительно очищают и обеззараживают в блоке фотолитического озонирования с использованием ультрафиолетового излучения и озона. Изобретение обеспечивает повышение качества очистки воды от токсичных, неспособных к биологическому разложению неорганических и органических веществ, а также взвешенных, эмульгированных и растворенных примесей, снижение эксплуатационных и энергозатрат. 3 з.п. ф-лы, 3 ил., 1 табл.

1. Способ очистки и обеззараживания сточных вод, включающий стадии ультрафильтрации и обратноосмотического разделения в две ступени по пермеату, отличающийся тем, что перед стадией ультрафильтрации исходную воду пропускают через реактор роторно-вихревого типа для гидродинамической обработки в присутствии ферромагнитных частиц, а после стадии обратноосмотического разделения пермеат обратного осмоса второй ступени дополнительно очищают и обеззараживают в блоке фотолитического озонирования с использованием ультрафиолетового излучения и озона.

2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что в реакторе роторно-вихревого типа дополнительно осуществляют реагентную обработку коагулянтом и/или корректировку рН.

3. Способ по п. 1, отличающийся тем, что стадию ультрафильтрации реализуют в режиме прямого потока (тупиковая фильтрация).

4. Способ по п. 1, отличающийся тем, что после дополнительной очистки и обеззараживания с использованием ультрафиолетового излучения и озона осуществляют разложение остаточного озона и продуктов окисления органических соединений на адсорбционно-каталитическом фильтре.