УСТАНОВКА ДЛЯ ОБРАБОТКИ ВОДЫ ПОСРЕДСТВОМ ИНТЕГРИРОВАННЫХ БАЛЛАСТИРОВАННОЙ ФЛОКУЛЯЦИИ И ДЕКАНТАЦИИ И СООТВЕТСТВУЮЩИЙ СПОСОБ Российский патент 2022 года по МПК B01D21/08 C02F1/52 

Область техники, к которой относится изобретение

Изобретение относится к области физико-химической обработки воды.

Более конкретно, изобретение относится к технологии, предназначенной для обработки загрязненных вод, таких как питьевая вода, бытовые и промышленные сточные воды, дождевая вода или морская вода, с целью снижения содержания в таких водах суспендированных веществ, а также, в случае необходимости, их мутности, концентрации в них водорослей, содержания в них органических веществ, а также их цветности.

Изобретение находит свое применение, в частности, в области обработки воды с целью обеспечения ее пригодности для питья, а также в области обработки бытовых и промышленных сточных вод с целью их очистки.

Уровень техники

Среди известных специалистам технологий физико-химической обработки воды наиболее распространенными являются методы, включающие в себя этап коагуляции, этап флокуляции и этап декантации хлопьев.

Для повышения эффективности этих технологий на этапе флокуляции добавляют балластный материал. На практике, декантация с балластированными хлопьями состоит в добавлении балласта, например, микропеска, во время этапа флокуляции, чтобы повысить плотность хлопьев и увеличить скорость декантации. Как правило, после отделения от отстоявшегося осадка балласт рециркулируют.

Из патента FR2627704В1 известен способ обработки воды, содержащий этап коагуляции, этап балластированной флокуляции и этап отделения хлопьев посредством декантации. Эта технология включает в себя рециркуляцию балласта, осуществляемую посредством гидроциклонной обработки осадка.

Такой способ позволяет отделять содержащиеся в водах органические вещества, но требует наличия реактора-коагулятора, реактора-флокулятора и отстойника. Следовательно, соответствующие установки занимают большую площадь на земле, причем эти установки часто должны находиться вблизи стоков недалеко от города или в самом городе, где пространство, необходимое для установок этого типа, является ограниченным и дорогим.

Таким образом, существует реальная потребность в уменьшении размера земли, выделенной под эти установки обработки воды.

Кроме того, в установках, описанных в документе FR2627704В1, необходимо непрерывно собирать отстоявшийся осадок при помощи скребков и в некоторых случаях перемещать его в бункер для последующего извлечения. Использование скребков и, в случае необходимости, бункеров приводит к усложнению установок и к их удорожанию.

Другим недостатком известных установок является то, что гидроциклоны, применяемые для рециркуляции балласта, потребляют много энергии. Кроме того, их эффективность снижается при увеличении диаметра отделяемых частиц, что может приводить к большим потерям балласта. Следовательно, существует реальная потребность в повышении эффективности рециркуляции балласта в рамках такого способа.

Задачи изобретения

Задача изобретения состоит в создании установки для обработки воды путем флокуляции и декантации с балластированными хлопьями, которая позволяет устранить по меньшей мере некоторые из упомянутых выше недостатков.

В частности, данное изобретение призвано предложить такую установку, которая занимает меньшую производственную площадь, чем известные установки, при эквивалентных мощностях обработки.

Данное изобретение призвано также предложить такую установку, использование которой обеспечивает повышение эффективности разделения твердой и жидкой фаз.

Данное изобретение призвано также предложить такую установку, которую можно адаптировать для разных расходов обработки и/или для разного качества обрабатываемой воды.

Данное изобретение призвано также предложить такую установку, которая позволяет препятствовать утечке балласта во время его рециркуляции.

Данное изобретение призвано предложить также способ, в рамках которого применяют такую установку обработки воды.

Раскрытие сущности изобретения

Все или часть этих задач решаются при помощи изобретения, относящегося к установке для обработки воды, содержащей:

средства подачи предназначенной для обработки и предварительно коагулированной воды,

устройство флокуляции-декантации, оснащенное средствами распределения по меньшей мере одного флокулирующего реагента, средствами распределения по меньшей мере одного балласта, средствами извлечения отстоявшегося осадка,

средства удаления обработанной воды,

средства отделения указанного балласта, содержащегося в балластированном осадке,

и средства рециркуляции очищенного таким образом указанного балласта в направлении указанного устройства флокуляции-декантации,

при этом согласно изобретению:

указанное устройство флокуляции-декантации содержит единственный чан, в нижней части которого расположена мешалка;

указанный единственный чан оснащен в своей верхней части пластинами;

указанные пластины отделены от указанной мешалки расстоянием “d”, составляющим примерно от 0,5 метра до примерно 3 метров.

Предназначенная для обработки вода является водой, предварительно коагулированной путем введения коагулянта либо в трубопровод подачи воды, либо в реактор, предусмотренный на входе установки.

Во время применения такой установки флокуляция и декантация воды являются интегрированными в том смысле, что они происходят в одном отсеке, а именно в единственном чане, в котором находится мешалка.

По сравнению с известными установками, в которых флокуляцию осуществляют в одном чане, а декантацию - в другом, заявленная установка занимает меньшую площадь на земле. Таким образом, устройство флокуляции-декантации в соответствии с изобретением позволяет объединить во время применения изобретения этап балластированной флокуляции и этап декантации и, следовательно, значительно уменьшить размер установки, необходимой для этого применения.

Во время использования такой установки флокуляция происходит в нижней части чана, оснащенного мешалкой. В этой части мешалка обеспечивает тесный контакт между балластом, полимером и коагулированной водой, что приводит к образованию агрегатов (хлопьев), утяжеленных балластом.

Разделение между этими хлопьями и водой происходит в зоне между лопастями мешалки и пластинами. Расстояние “d”, разделяющее эти два элемента, составляет в соответствии с изобретением примерно от 0,5 метра до примерно 3 метров и рассчитано таким образом, чтобы во время применения установки создавать зону, в которой вода не перемешивается или очень мало перемешивается мешалкой. Эта спокойная зона способствует отделению твердого вещества, состоящего из балласта и осадка, от остальной части воды. В данном случае расстояние “d” следует понимать как расстояние между горизонтальной плоскостью, в которой находится нижний край пластин, и горизонтальной плоскостью, в которой находится верхняя часть мешалки (кроме вертикального вала и двигателя).

Согласно изобретению, чан оснащен в своей верхней части пластинами, установленными параллельно между собой, неподвижно или с возможностью поворота. Предпочтительно эти пластины имеют наклон под углом, образованным пластинами и горизонтальной плоскостью, составляющим от 15° до 60°. Эти пластины позволяют создать физический барьер для не слипшихся мелких частиц и генерировать потерю напора, обеспечивающую равномерное распределение между отверстиями пластинчатого блока. Предпочтительно эти пластины объединены в пластинчатый блок, высота Н которого составляет от 0,3 метра до 1,4 метра.

Следует отметить, что заявленная установка не требует наличия скребка для сбора осадка в нижней части чана.

На практике балласт выбирают среди песка, микропеска, граната, ильменита или любого другого гранулированного материала, имеющего реальную плотность, превышающую 2,3 тонны/м³. Добавление такого балласта позволяет увеличить плотность хлопьев и ускорить скорость декантации. Под «балластированным осадком» следует понимать отстоявшийся осадок, смешанный с балластом.

Согласно варианту заявленной установки, указанные средства отделения указанного балласта, содержащегося в указанном балластированном осадке, включают в себя насос и устройство разделения, при этом указанный насос выполнен с возможностью подачи указанного балластированного осадка внутрь указанного устройства разделения.

Согласно другому варианту, эти средства включают в себя средства нагнетания воздуха в указанный балластированный осадок и устройство отделения.

Такие средства нагнетания воздуха образуют восходящий воздушный поток (air lift) за счет нагнетания воздушных пузырьков в вертикальный трубопровод удаления балластированного осадка. Такой поток air lift способствует увлечению балласта пузырьками и позволяет очищать балласт, благодаря движениям, создаваемым пузырьками, что приводит к абразии образующегося вокруг него агломерата и позволяет отделять балласт от остальной части осадка.

Предпочтительно указанное устройство разделения осадка и балласта содержит лопастной смеситель или аналогичный орган, вращающийся с высокой скоростью и связанный с отстойником небольшого размера. Скоростной смеситель обеспечивает отделение балласта от остальной части осадка, которое может начаться еще во время перемещения балластированного осадка потоком air lift в устройство разделения. Отстойник небольшого размера позволяет собирать в своей нижней части балласт и в своей верхней части флотирующий осадок. Флотацию осадка можно улучшить путем нагнетания текучей среды, такой как воздух. Этот осадок, отделенный от балласта, извлекают для подачи в устройство специальной обработки.

Мешалка, которой оснащен единственный чан, может быть выполнена в разных вариантах. Так, предпочтительно она содержит лопасти, установленные с возможностью вращения на вертикальной оси. Согласно предпочтительному варианту, указанная мешалка дополнительно содержит направляющую поток цилиндрическую трубу, расположенную вокруг указанных лопастей.

Таким образом, во время применения такой мешалки вода циркулирует внутри направляющей трубы сверху вниз и снаружи направляющей трубы снизу вверх. Это позволяет оптимизировать смешивание воды с флокулирующим реагентом и балластом.

Согласно другому предпочтительному варианту изобретения, указанная мешалка дополнительно содержит статическое препятствие, расположенное на дне чана и в основном центрованное вокруг указанной оси в продолжении мешалки, при этом указанное статическое препятствие содержит наружную поверхность, имеющую в плоскости, проходящей через ось, наружный поперечный размер, который увеличивается по мере удаления от лопастей параллельно указанной оси, с наклоном относительно указанной оси, который является постоянным или увеличивается. Смесь увлекается вдоль этой оси к статическому препятствию, задающему траектории в основном в виде U, что позволяет воде подниматься в направлении спокойной зоны. Статическое препятствие позволяет также балластированным хлопьям скапливаться в углах во время декантации.

Объектом изобретения является также способ обработки воды с применением описанной выше установки, при этом указанный способ содержит этап коагуляции, этап балластированной флокуляции, этап декантации и этап отделения и рециркуляции балласта на указанный этап балластированной флокуляции, при этом согласно изобретению, указанный этап балластированной флокуляции и указанный этап декантации осуществляют в указанном единственном чане.

Предпочтительно способ содержит этапы, на которых:

внутри единственного чана в предварительно коагулированную воду добавляют флокулирующий реагент и балласт;

в нижней части единственного чана, оснащенного мешалкой, смешивают коагулированную воду, балласт и флокулирующий реагент;

в верхней части единственного чана между мешалкой и пластинчатым блоком оставляют спокойную не перемешиваемую зону, способствующую декантации образующихся хлопьев;

обработанную воду удаляют при помощи указанных средств удаления обработанной воды, предусмотренных в верхней части указанного чана, после ее прохождения через указанные пластины;

осадок удаляют при помощи указанных средств удаления балластированного осадка; и

в указанный осадок нагнетают воздух для отделения содержащегося в нем балласта и для очистки последнего без применения гидроциклонной обработки;

очищенный балласт рециркулируют в единственный чан и удаляют осадок.

Таким образом, в заявленном способе не применяют этапа гидроциклонной обработки. Это позволяет снизить расход энергии, необходимой для разделения, и уменьшить утечку балластного материала.

Предпочтительно время нахождения воды внутри указанного внутреннего чана составляет от 2 минут до 30 минут. Это время нахождения зависит от природы обрабатываемой воды, а также от природы используемого балласта.

Краткое описание чертежей

Другие отличительные признаки и преимущества изобретения будут более очевидны из нижеследующего описания предпочтительного варианта осуществления, представленного в качестве иллюстративного и неограничивающего примера, и из прилагаемых чертежей, на которых:

на фиг. 1 схематично показан пример варианта осуществления заявленной установки;

на фиг. 2 представлена мешалка установки, показанной на фиг. 1.

Осуществление изобретения

Показанная на фиг. 1 заявленная установка содержит средства 1 подачи предназначенной для обработки воды, которая была предварительно коагулирована посредством добавления коагулянта. Коагуляцию воды можно осуществлять в реакторе-коагуляторе, оснащенном средствами распределения реагента-коагулянта, а также средством перемешивания, представляющим собой лопастную мешалку, установленную с возможностью вращения вокруг вертикальной оси. Эту коагуляцию можно также осуществлять, нагнетая коагулянт напрямую в трубопровод подачи предназначенной для обработки воды.

На практике коагулянт может быть органическим или минеральным. Предпочтительно его выбирают среди сульфата алюминия, алюмината натрия, хлорида железа, сульфата железа, сернокислого железа, полиаминов (эпихлоргидрин или Polydadmac®), меламиноформальдегидных смол, полиэтилениминов, а также некоторых растительных катионных полимеров.

Кроме того, установка содержит устройство 11 флокуляции-декантации, содержащее единственный чан 12, оснащенный мешалкой 13. В своей центральной части этот чан 12 содержит трубу 2, в которую поступает коагулированная вода, подаваемая средствами 1, чтобы доставлять ее в нижнюю часть чана 12 над мешалкой 13.

Эта мешалка 13 содержит подвижные лопасти 16, установленные с возможностью вращения вокруг вертикальной оси 19. Как показано на фиг. 2, мешалка 13 содержит также направляющую поток цилиндрическую трубу 17, представляющую собой участок трубы, и статическое препятствие 18, центрованное вокруг оси 19. Это препятствие 18 в основном имеет пирамидальную форму. Направляющая поток труба удерживается на месте вокруг лопастей при помощи четырех вертикальных перегородок 3, две из которых показаны на фиг. 1 и которые позволяют закрепить ее на боковых стенках чана 12 и используются для улучшения гидравлического потока.

Установка дополнительно содержит средства 5 распределения флокулирующего реагента в трубе 2 чана 12. Например, флокулирующий реагент можно выбирать среди водорастворимых полимеров животного или растительного происхождения и водорастворимых полиэлектролитов с большим молекулярным весом и с разной степенью ионизации.

Кроме того, установка содержит средства 6 распределения балласта в трубе 2 чана 12. Согласно изобретению, этот балласт представляет собой материал в виде порошка или гранул, имеющий реальную плотность, превышающую 2,3 тонны на кубический метр. Предпочтительно речь идет о песке, о порошке граната или о порошке ильменита.

Верхняя часть чана 12 оснащена также пластинчатым блоком, образованным наклонными пластинами 10. Этот пластинчатый блок предпочтительно может иметь высоту Н, составляющую от 0,3 м до 1,4 м. Нижняя часть этого блока находится на расстоянии “d” от мешалки, которое на практике в зависимости от вариантов осуществления может меняться от 0,5 м до 3 м. Это расстояние “d” является расстоянием между горизонтальной плоскостью, в которой находится верхняя часть мешалки (кроме оси 19), в данном случае верхняя часть направляющей поток цилиндрической трубы 17, и горизонтальной плоскостью, в которой находится нижний конец пластин пластинчатого блока 10.

В верхней части чана 12 предусмотрены средства 9 удаления обработанной воды, включающие в себя желоб.

Кроме того, установка содержит вертикальный трубопровод 14 для удаления осадка, при этом указанный трубопровод 14 находится внутри чана 12.

Установка содержит также средства отделения указанного балласта, содержащегося в указанном балластированном осадке, за которыми следуют средства 8 рециркуляции очищенного таким образом указанного балласта в указанное устройство флокуляции-декантации.

Например, указанные средства отделения включают в себя средства 15 нагнетания воздуха в виде пузырьков в трубопровод 14, что позволяет получить восходящий воздушный поток air lift, и устройство 20 отделения балласта, содержащегося в осадке, переносимом этим потоком air lift. Устройство разделения, в которое заходит трубопровод 14, оснащено лопастным смесителем 20а, вращающимся на высокой скорости, за которым следует отстойник 20b небольшого размера, оснащенный коллектором 20с нагнетания воздуха и желобом 20d удаления флотирующего осадка.

Использование air lift позволяет не только доставлять осадок в устройство разделения, но также начать отделение содержащегося в нем балласта и уменьшить, таким образом, потери балласта по причине отделения.

Согласно изобретению, средства отделения не содержат гидроциклона.

Далее следует описание работы такой установки.

Средства 1 подают коагулированную воду через трубу 2 в нижнюю часть чана 12. В нижнюю часть чана 12 направляют флокулирующий реагент и балласт соответственно при помощи средств 5 и 6. В этой нижней части вращательное движение лопастей 16 позволяет смешать коагулированную воду, балласт и флокулирующий реагент. Это смешивание и флокуляцию оптимизируют, благодаря направляющей поток цилиндрической трубе 17 и статическому препятствию 18. Это смешивание включает в себя движение внутри направляющей трубы 17 сверху вниз, затем снаружи направляющей трубы 17 снизу вверх, как показано стрелками на фиг. 1.

Скорость лопастей 16 мешалки 13 рассчитывают таким образом, чтобы между мешалкой и пластинчатым блоком при смешивании воды, балласта и полимера образовалась зона спокойствия, способствующая декантации хлопьев и их осаждению на дне чана. Декантация этих хлопьев ускоряется, благодаря заключенному в них балласту.

Затем отделенная от хлопьев вода проходит через пластинчатый блок 10, позволяющий задерживать содержащиеся в ней мелкие частицы, которые не соединились в хлопья во время флокуляции. После этого обработанную воду удаляют через средства 9, содержащие желоб, в верхней части чана 12.

Осадок извлекают из чана 12 через трубопровод 14, в нижнюю часть которого при помощи средств 15 нагнетают воздух. Созданный восходящий воздушный поток air lift увлекает осадок в устройство 20 разделения и позволяет начать отделение балласта от остальной части осадка. Это отделение завершается в устройстве 20. Очищенный балласт опять поступает в чан 12 устройства 11 через трубопровод 8, и осадок удаляется через желоб 20d для специальной обработки.

Изобретение может быть использовано при обработке питьевой воды, бытовых и промышленных сточных вод, дождевой или морской воды. Установка для обработки воды содержит: средство (1) подачи предназначенной для обработки предварительно коагулированной воды; устройство (11) флокуляции-декантации, оснащенное средствами (5) распределения флокулирующего реагента, средствами (6) распределения балласта и средствами (20d) извлечения отстоявшегося осадка, средством (9) удаления обработанной воды; средствами (14) отделения балласта от осадка; а также средством (8) рециркуляции очищенного балласта. Устройство (11) выполнено в виде единственного чана (12), оснащённого в верхней части пластинами (10), а в нижней части - мешалкой (13), причём расстояние "d" между пластинами (10) и мешалкой (13) составляет 0,5-3,0 м. Балласт выбран из песка, ильменита и граната. Средства (14) отделения балласта включают средства (15) нагнетания воздуха, насос и устройство (20) разделения, оснащённое лопастным смесителем (20а), связанным с отстойником (20b). Мешалка (13) содержит лопасти (16), установленные на вертикальной оси (19), направляющую поток цилиндрическую трубу (17), статическое препятствие (18). Для обработки воды в указанной установке добавляют в чан (12) флокулирующий реагент, балласт и предварительно коагулированную воду; перемешивают их мешалкой (13); в верхней части чана (12) оставляют спокойную зону, способствующую декантации образующихся хлопьев, удаляют обработанную воду и балластированный осадок; нагнетают в него воздух; рециркулируют очищенный балласт в чан (12) и удаляют отстоявшийcя осадок. Снижается содержание суспендированных веществ, водорослей и органических веществ, а также мутность и цветность. 2 н. и 9 з.п. ф-лы, 2 ил.

1. Установка для обработки воды, содержащая:

средства (1) подачи предназначенной для обработки и предварительно коагулированной воды,

устройство (11) флокуляции-декантации, оснащенное средствами (5) распределения по меньшей мере одного флокулирующего реагента, средствами (6) распределения по меньшей мере одного балласта, средствами (20d) извлечения отстоявшегося осадка,

средства (9) удаления обработанной воды,

средства (14) отделения указанного балласта, содержащегося в балластированном осадке, и

средства (8) рециркуляции очищенного таким образом указанного балласта в направлении указанного устройства (11) флокуляции-декантации,

отличающаяся тем, что:

указанное устройство (11) флокуляции-декантации содержит единственный чан (12), в нижней части которого расположена мешалка (13);

указанный единственный чан (12) оснащен в своей верхней части пластинами (10);

указанные пластины отделены от указанной мешалки (13) расстоянием "d", составляющим примерно от 0,5 метра до примерно 3 метров,

указанные средства (14) отделения указанного балласта, содержащегося в указанном балластированном осадке, содержат средства (15) нагнетания воздуха в указанный балластированный осадок.

2. Установка по п. 1, отличающаяся тем, что указанный балласт имеет реальную плотность, превышающую 2,3 тонны на метр кубический, и выбран предпочтительно среди песка, ильменита и граната.

3. Установка по п. 1 или 2, отличающаяся тем, что указанные средства отделения указанного балласта, содержащегося в указанном балластированном осадке, включают в себя насос и устройство разделения.

4. Установка по п. 1 или 2, отличающаяся тем, что указанные средства (14) отделения указанного балласта, содержащегося в указанном балластированном осадке, содержат устройство (20) разделения.

5. Установка по одному из пп. 3 или 4, отличающаяся тем, что указанное устройство (20) разделения содержит лопастной смеситель (20а), связанный с отстойником (20b).

6. Установка по любому из пп. 1-5, отличающаяся тем, что указанная мешалка (13) содержит лопасти (16), установленные на вертикальной оси (19), и направляющую поток цилиндрическую трубу (17), расположенную вокруг указанных лопастей (16).

7. Установка по п. 6, отличающаяся тем, что указанная мешалка дополнительно содержит статическое препятствие (18), в основном центрованное вокруг указанной оси в продолжении мешалки, при этом указанное статическое препятствие (18) содержит наружную поверхность, имеющую в плоскости, проходящей через ось, наружный поперечный размер, который увеличивается по мере удаления от лопастей (16) параллельно указанной оси (19), с наклоном относительно этой оси, который является постоянным или увеличивается.

8. Установка по одному из пп. 1-6, отличающаяся тем, что указанные пластины объединены в пластинчатый блок, высота Η которого составляет от 0,3 метра до 1,4 метра.

9. Способ обработки воды с применением установки по любому из пп. 1-8, включающий этап подачи предварительно коагулированной воды, этап балластированной флокуляции, этап декантации и этап отделения и рециркуляции балласта на указанный этап балластированной флокуляции,

отличающийся тем, что указанный этап балластированной флокуляции и указанный этап декантации осуществляют в указанном единственном чане указанного устройства флокуляции-декантации указанной установки, при этом нагнетают воздух в указанный балластированный осадок для отделения содержащегося в нем балласта.

10. Способ по п. 9, отличающийся тем, что содержит этапы, на которых:

добавляют в единственный чан флокулирующий реагент и балласт в предварительно коагулированную воду;

смешивают коагулированную воду, балласт и флокулирующий реагент в нижней части единственного чана, оснащенного мешалкой;

оставляют спокойную неперемешиваемую зону в верхней части единственного чана между мешалкой и пластинчатым блоком, при этом указанная зона способствует декантации образующихся хлопьев;

удаляют обработанную воду при помощи указанных средств удаления обработанной воды, расположенных в верхней части указанного чана, после ее прохождения через указанные пластины;

удаляют балластированный осадок при помощи указанных средств удаления балластированного осадка; и

нагнетают воздух в указанный балластированный осадок для его очистки без применения гидроциклонной обработки;

рециркулируют очищенный балласт в единственный чан и удаляют отстоявшийся осадок.

11. Способ по п. 10, отличающийся тем, что время нахождения воды внутри указанного единственного чана составляет от 2 до 30 минут.