Способ очистки подземных вод от радона, альфа-активности, железа, марганца, солей жесткости и углекислоты Российский патент 2023 года по МПК C02F9/00 C02F1/42 

Изобретение относится к области автономного водоснабжения объектов с малым водопотреблением (например, коттедж, ферма, строительный городок, фельдшерский пункт, придорожные кафе, гостиница или автозаправка) с часовым расходом до 2,5 м³/час.

Использование подземных вод чаще всего осложняется наличием в воде растворенных газов (радона, углекислоты, сероводорода) и растворенных железа (II) и марганца (II). Предлагаемый способ очистки подземных вод от содержащихся в них растворенных газов (радона, углекислоты), растворенных форм железа (II), марганца (II), радионуклидов альфа-активности, солей жесткости отличается простотой, надежностью и доступностью для индивидуального жилищного строительства с гарантированным дебетом скважины 0,5-1,5 м³/час.

Известен способ очистки подземных вод от радона и дочерних продуктов распада радона, устройство для его осуществления, патент RU №2623777 С2, МПК C02F 1/58, C02F 1/28, G21F 9/12, G21F 9/14, B01D 24/46, с приоритетом от 23.11.2015 г., опубл. 29.06.2017 г. Способ очистки воды включает фильтрацию очищаемой воды через фильтр с сорбирующим материалом с защитным экраном и обратную промывку сорбирующего материала нагретой водой до температуры от 50 до 85°С. Промывные воды собирают в емкость-сборник и выдерживают до распада радона и дочерних продуктов радона. Недостатком известного способа является отсутствие предочистки подземных вод, невозможность очистки от железа, марганца, углекислоты, промывка требует специально подготовленной воды. Изобретение может являться финишной ступенью более сложной установки.

Известен способ очистки подземных вод от железа, марганца и солей жесткости, патент RU №2285669 C1, МПК C02F 1/64, C02F 5/02, C02F 103/06, с приоритетом от 14.05.2005 г., опубл. 20.10.2006 г. Способ очистки воды включает окисление соединений железа и марганца с одновременной дегазацией воды с удалением сероводорода и углекислоты на незатопленной загрузке из гранулировано-волокнистых полимеров, доокисление соединений железа и марганца, обезжелезивание и деманганацию на плавающей полимерной неоднородной гранулированной загрузке при самотечном режиме, химическим умягчением едким натром во взвешенном слое инертной мелкозернистой контактной массы с последующей глубокой доочисткой фильтрованием через зернистый фильтрующий слой. Недостатком известного способа является его сложность для объектов с малым водопотреблением.

Известен способ очистки подземных вод для сельскохозяйственного использования, патент RU №2717522 С1, МПК C02F 9/02, C02F 1/28, A61L 2/00, C02F 1/72, C02F 103/06, B01D 24/00, B01D 39/02, C01B 32/30, B01J 20/10, с приоритетом от 23.09.2019 г., опубл. 23.03.2020 г. Способ очистки подземных вод включает упрощенную аэрацию, фильтрацию через двухслойную загрузку, дезинфекцию воды ультрафиолетовым излучением. Изобретение позволяет снизить мутность, содержание железа общего, марганца, солей жесткости. Учитывая, что в составе способа присутствует аэрация, то удаление радона тоже возможно. Недостатком известного способа является сложность удаления углекислоты при упрощенной аэрации, преждевременный выход из строя загрузки фильтра в результате кольматации активированного угля соединениями железа и марганца. Способ больше подходит для промышленных фильтровальных станций.

Известен метод обезжелезивания подземных вод катионированием, который применяется одновременно для удаления железа (II) и умягчения (Фрог Б.Н., Первов А.Г. Водоподготовка. Учеб. для вузов: - М.: Издательство АСВ, 2015. - 512 с.). При этом марганец (II) сопутствует железу (II) и в небольших количествах тоже может удаляться катионированием. Метод обезжелезивания и деманганации воды с Na-катионированием следует применять, при значениях pH≤8, невысокой перманганатной окисляемости. Метод считается простым, но малоэффективным, дорогим и редко применяется в промышленности.

Напротив, в индивидуальном жилищном строительстве метод Na-катионирования получил широкое применение за простоту и доступность. Применение обезжелезенной и умягченной воды повышает надежность и срок эксплуатации популярной в индивидуальном жилищном строительстве отопительной, водогрейной и санитарной техники. Кроме того, вода с низким содержанием катионов кальция является неблагоприятной средой для развития микроорганизмов, что позволяет экономить на методах обеззараживания обрабатываемой воды. Однако, одним из недостатков ионного обмена является повышение агрессивности обрабатываемой воды (индекс Ланжелье ), что вызывает коррозию металлов сантехнических приборов, водогрейного оборудования и трубопроводов. Коррозионной активности способствует присутствующая в подземных водах свободная углекислота. Присутствие свободной углекислоты в подпиточной воде вызывает завоздушивание системы отопления и водопровода. Еще одной проблемой является применение ионообменных фильтров без резервуара чистой воды и насоса второго подъема по причине ограниченности пространства для установки. В этом случае фильтр работает в режиме фильтрации с переменным расходом, что приводит к нестабильному качеству обработанной воды.

Технической задачей предлагаемого изобретения является создание для объектов с малым водопотреблением способа очистки подземных вод, содержащих железо (II), марганец (II), альфа-активность, соли жесткости, углекислоту и радон в любой комбинации до норм питьевого водоснабжения, снижающего агрессивность обрабатываемой воды.

Технический результат заявляемого изобретения заключается в снижении количества загрязнений, понижении агрессивности, повышении стабильности качества воды в режиме фильтрации с переменным расходом.

Указанный технический результат достигается за счет того, что способ очистки подземных вод от радона, альфа-активности, железа, марганца, солей жесткости и углекислоты характеризуется тем, что подают подземную воду с расходом 0,5-1,5 м³/ч на магистральный фильтр картриджного типа с фильтрующим пористым материалом 5-50 мкм, после отфильтрованную подземную воду подают с таким же расходом на фильтр Na-катионирования, использующего в качестве фильтрующего материала многослойную загрузку - Экотар Б с высотой слоя загрузки 500-700 мм и скоростью фильтрования 10-20 м/ч, прошедшую через фильтр Na-катионирования воду подают в аэратор с последующей дегазацией при удельном расходе подаваемого противотоком воздуха 2,4-19,2 м³/м³ и выдержкой времени аэрации 20-40 минут, после чего подают воду с расходом 0,5-2,5 м³/ч на магистральный фильтр картриджного типа с фильтрующим пористым материалом 5 мкм.

Подача подземной воды с расходом 0,5-1,5 м³/ч на магистральный фильтр картриджного типа с фильтрующим пористым материалом 5-50 мкм позволяет отфильтровать взвешенные вещества, выносимые из скважины.

При подаче отфильтрованной подземной воды с расходом 0,5-1,5 м³/ч на фильтр Na-катионирования, имеющим высоту слоя ионообменного фильтрующего материала высотой 500-700 мм, происходит процесс Na-катионирования, замена катионов железа (II), марганца (II), радионуклидов с альфа-активностью и солей жесткости, вода умягчается, по окончанию фильтрацикла происходит автоматическая промывка и регенерация раствором поваренной соли NaCl.

При подаче, прошедшей через фильтр Na-катионирования воды в аэратор с последующей дегазацией при удельном расходе подаваемого противотоком воздуха 2,4-19,2 м³/м³ и выдержкой времени аэрации 20-40 минут обеспечивается удаление растворенных газов (свободной углекислоты, радона и др.)

Время аэрации определено экспериментально по концентрации углекислоты в аэрированной воде и расчете индекса Ланжелье, результат представлен в таблице 1. Подача воздуха в аэратор более 30 мин после прекращения водоразбора не целесообразна, т.к. дальнейшее снижение концентрации углекислоты и повышение индекса Ланжелье происходят незначительно.

Таблица 1 Время аэрации, мин Концентрация углекислоты, [CO₂], мг/л Индекс Ланжелье, LSI 0 21,7 -3,0 10 19,4 -2,9 20 3,2 -1,9 30 3,0 -1,9 60 2,3 -1,8

При подаче воды с расходом 0,5-2,5 м³/ч на магистральный фильтр картриджного типа с фильтрующим пористым материалом 5 мкм происходит процесс фильтрования воды с удалением остаточных взвешенных веществ и нерастворимых в воде гидроксидов железа (III) и марганца (III, IV) после аэрации.

Способ поясняется следующим примером.

Исходную подземную воду с pH 7,5, содержащую цветность 1,4 градуса, мутность 2,8 ЕМФ, свободную углекислоту CO₂=21,7 мг/л, радон-222 94 Бк/кг, альфа-активность 0,44 Бк/кг, железо общее Fe_общ=0,56 мг/л, марганец Mn=0,056 мг/л и соли жесткости Ж_общ=5,5 мг-экв/л, подают с расходом 0,78 м³/ч на магистральный фильтр картриджного типа с фильтрующим пористым материалом 5 мкм при этом происходит процесс фильтрования с удалением взвешенных веществ, выносимых из скважины, индекс Ланжелье для исходной воды составил .

Отфильтрованная вода подается с расходом 0,78 м³/ч на напорный фильтр Na-катионирования, типоразмером 1054 с автоматическим клапаном управления и реагентным баком с поваренной солью (NaCl), вода проходит через слой ионообменного фильтрующего материала высотой 544 мм со скоростью фильтрования 15 м/ч при этом происходит процесс Na-катионирования, содержание в обработанной воде катионов железа (II) 0 мг/л, марганца (II) 0 мг/л, солей жесткости Ж_общ=0 мг-экв/л, индекс Ланжелье после ионного обмена составил , по окончанию фильтрацикла происходит автоматическая промывка и регенерация раствором поваренной соли NaCl, при этом концентрация катиона натрия в обработанной воде составила 126,5 мг/л, что ниже ПДК для питьевой воды.

Умягченная и обезжелезенная вода подается в аэратор подземных вод, где разбрызгивается в колонне 300 литров в виде конуса на рассекателе и стекает по стенкам колонны, пройдя зону аэрации от рассекателя до устройства барботажа, вода попадает в зону осаждения, при этом водородный показатель составил pH=8,3, индекс Ланжелье после аэрации составил , происходит дегазация воды, остаточное содержание углекислоты составило CO₂=2,3 мг/л, остаточное содержание радона 8 Бк/кг, и окисление остаточных железа (II) и марганца (II) при удельном расходе подаваемого противотоком воздуха 6,15 м³/м³ и времени аэрации 30 мин, забор аэрированной воды осуществляется насосом выше зоны накопления осадка под устройством барботажа воды.

Вода после аэрации - дегазации подается насосом второго подъема с расходом 1,8 м³/ч на магистральный фильтр картриджного типа с фильтрующим пористым материалом 5 мкм, при этом происходит процесс фильтрования воды с удалением остаточных взвешенных веществ и нерастворимых в воде гидроксидов остаточных железа (III) и марганца (III, IV) после аэрации, их остаточное содержание составляет 0 мг/л.

Очищенная и умягченная вода имеет следующий состав: , свободная углекислота CO₂=2,3 мг/л, радон-222 8 Бк/кг, альфа-активность 0,08 Бк/кг, железо общее Fe_общ=0,0 мг/л, марганец Mn=0,0 мг/л и соли жесткости Ж_общ=0-2 мг-экв/л; индекс Ланжелье .

Особенностью работы предлагаемого способа является небольшой выброс из фильтра Na-катионирования катионов жесткости, железа (II), марганца (II) и радионуклидов в колонну аэратора при повторно-кратковременном режиме работы установки. В аэраторе подземных вод происходит окисление железа (II), марганца (II) и образование гидроксидов железа (III) и марганца (III, IV), которые хорошо улавливаются на пористом материале последующего магистрального фильтра. Это явление также объясняет причину остаточной жесткости и альфа-активности.

Совокупность таких признаков, как осуществление аэрации-дегазации, окисление и удаление остаточных железа (II) и марганца (II) после Na-катионирования позволяет снизить до минимума количество загрязнений, понизить агрессивность обрабатываемой воды и повысить стабильность качества воды в режиме фильтрации с переменным расходом.

Дополнительным преимуществом является простота способа, доступность оборудования и материалов, необходимых для его реализации на объектах с малым водопотреблением.

Требования к исходной воде для данного способа диктуются условиями эксплуатации ионообменной смолы и фильтрующего пористого материала, а именно: низкая мутность и цветность подземных вод; Fe_общ≤1,0 мг/л; Mn≤1,0; содержание свободной углекислоты CO₂≤25 мг/л; содержание радона-222 не более 400 Бк/кг; содержание альфа-активности не более 1,1 Бк/кг.

Изобретение относится к области автономного водоснабжения объектов с малым водопотреблением с часовым расходом до 2,5 м³/час. В способе очистки подземных вод от радона, альфа-активности, железа, марганца, солей жесткости и углекислоты подают подземную воду с расходом 0,5-1,5 м³/ч на магистральный фильтр картриджного типа с фильтрующим пористым материалом. Отфильтрованную подземную воду подают с таким же расходом на фильтр Na-катионирования, использующего в качестве фильтрующего материала многослойную загрузку – Экотар Б с высотой слоя загрузки 500-700 мм и скоростью фильтрования 10-20 м/ч. Прошедшую через фильтр Na-катионирования воду подают в аэратор с последующей дегазацией при удельном расходе подаваемого противотоком воздуха 2,4-19,2 м³/м³ и выдержкой времени аэрации 20-40 минут. Затем подают воду с расходом 0,5-2,5 м³/ч на магистральный фильтр картриджного типа с фильтрующим пористым материалом 5 мкм. Обеспечивается снижение количества загрязнений, понижение агрессивности, повышение стабильности качества воды в режиме фильтрации с переменным расходом. 1 табл., 1 пр.

Способ очистки подземных вод от радона, альфа-активности, железа, марганца, солей жесткости и углекислоты, удовлетворяющих следующим требованиям по содержанию загрязняющих веществ: Fe_общ≤1,0 мг/л; Mn≤1,0 мг/л; содержание свободной углекислоты CO₂≤25 мг/л; содержание радона-222 не более 400 Бк/кг; содержание альфа-активности не более 1,1 Бк/кг, характеризующийся тем, что подают подземную воду с расходом 0,5-1,5 м³/ч на магистральный фильтр картриджного типа с фильтрующим пористым материалом, отфильтрованную подземную воду подают с таким же расходом на фильтр Na-катионирования, использующий в качестве фильтрующего материала многослойную загрузку – Экотар Б с высотой слоя загрузки 500-700 мм и скоростью фильтрования 10-20 м/ч, прошедшую через фильтр Na-катионирования воду подают в аэратор с последующей дегазацией при удельном расходе подаваемого противотоком воздуха 2,4-19,2 м³/м³ и выдержкой времени аэрации 20-40 минут, затем подают воду с расходом 0,5-2,5 м³/ч на магистральный фильтр картриджного типа с фильтрующим пористым материалом 5 мкм.