Способ и установка для очистки кислых шахтных вод Российский патент 2024 года по МПК C02F1/66 C02F1/46 C02F9/00 

Область применения

Изобретение относится к очистке кислых шахтных сточных вод от взвешенных частиц, ионов загрязняющих веществ, в том числе ионов тяжелых металлов, и может быть использовано при очистке шахтных сточных вод, образующихся при добыче руд цветных металлов шахтным и карьерным способом.

Уровень техники

Известен способ нейтрализации кислых шахтных вод и установка для его осуществления (патент РФ №2293063 кл. МПК C02F 1/66, д.п. 10.02.2007) заключающийся в том, что в качестве нейтрализующего карбонатсодержащего материала используют пульпу из шлама отхода Березниковского содового завода, состоящую из мелкодисперсного карбоната кальция не менее 80 мас. % и приготовленную в смесителе с использованием воды из шахтного самоизлива, при этом пульпу подают дозированным сливом в зону реакции - канал самоизлива кислых шахтных вод - с последующей подачей очищенных стоков в отстойник.

Известен способ нейтрализации подотваловых кислых сульфатосодержащих сточных вод (патент РФ №2438999 кл. МПК C02F 9/04, д.п. 10.02.2012), для осуществления которого кислые подотвальные сульфатсодержащие сточные воды нейтрализуют 5%-ным известковым молоком до рН 9,4-9,5, затем вводят анионный флокулянт в концентрации 5-8 мг/л и пиритные отвальные хвосты горно-обогатительного производства в концентрации 2,5-10 г/л. Полученную смесь перемешивают и отстаивают. После отстаивания воду разделяют на два потока. Один поток направляют на доочистку перед сбросом в водные объекты. Другой поток направляют на орошение отвалов для частичной нейтрализации подотвальных вод, образуя поток рециркуляции.

Известен способ очистки кислых сточных вод рудников от ионов тяжелых цветных металлов (патент РФ №2186038 кл. МПК C02F 1/62, д.п.27.07.2002), включающий сбор кислых дренажных вод из-под отвала горных пород, подачу их вместе или отдельно с шахтной водой на нейтрализацию до рН 8,0-9,2 путем смешения с пульпой шлама водной отмывки руд от компонентов бетонозакладочной смеси, отстаивание образующейся суспензии при высоте слоя воды в прудке шламонакопителя около 2 м и складирование шлама в шламонакопителе, а отвод очищенной осветленной воды осуществляют с поверхности прудка шламонакопителя через выход в его борту на уровне поверхности прудка.

Недостатками данных способов является то, что раствор карбоната кальция имеет низкую щелочность. В молекуле карбоната кальция присутствует кислород, углерод и кальций, и при вступлении карбоната кальция в реакцию с кислой шахтной водой образуется большое количество углекислого газа, от которого скорость становится очень низкой из-за бурнопротекающей реакции, а так же образуются большое количество нерастворимых солей кальция, которые обладают свойствами цементов. Поэтому вместе с загрязнениями, находящимися в воде, эти соли после осаждения зацементируют отстойник вместе с загрязнениями. При этом, в очищенной таким способом воде будет достаточно много ионов загрязняющих веществ, так как после нейтрализации ионы тяжелых металлов образуют растворимые в воде оксиды, а при данном методе они не окисляются до нерастворимой формы.

Известен способ нейтрализации кислых сульфатосодержащих сточных вод (патент РФ №2355647 кл. МПК C02F 1/66, д.п. 20.05.2009), для осуществления которого кислые сульфатсодержащие сточные воды нейтрализуют известковым молоком и осаждают образовавшиеся взвешенные частицы в присутствии флокулянта. Нейтрализацию проводят 5%-ным известковым молоком до рН 9,4-9,5, затем вводят анионный флокулянт в концентрации 5-8 мг/л и пиритные отвальные хвосты горно-обогатительного производства в концентрации 2,5-10,0 г/л, после чего перемешивают и отстаивают.

Известен способ очистки кислых маломутных шахтных и подотвальных вод (патент РФ №2386592 кл. МПК C02F 1/52, д.п.20.04.2010), для осуществления которого исходные сточные воды, содержащие ионы тяжелых металлов, нейтрализуют известковым молоком до рН 7,0-8,5, обрабатывают флокулянтом на основе полиакриламида, отстаивают и отделяют осветленную воду от осадка. В качестве флокулянта используют смесь анионного и катионного полиакриламидов с молекулярной массой не менее 10x106 в объемном соотношении, равном 3-2:1.

Недостатками данных способов является то, что раствор карбоната кальция имеет низкую щелочность, поэтому для доведения кислых шахтных вод от Ph3-4, до РИ7-8, потребуется огромное его количество. При этом, в молекуле карбоната кальция присутствует кислород, углерод и кальций, а при вступлении карбоната кальция в реакцию с кислой шахтной водой образуется большое количество углекислого газа, от которого скорость осаждения будет очень низкой из-за бурнопротекающей реакции, а так же образуется большое количество нерастворимых солей кальция, которые обладают свойствами цементов. Поэтому вместе с загрязнениями, которые были в воде, эти соли после осаждения зацементируют отстойник вместе с загрязнениями. Предлагаемый флокулянт является очень дорогим, при этом его эффективность сводится к нулю из-за постоянно проходящей реакции с выделением большого количества углекислого газа, который будет мешать процессу флокуляции. В очищенной таким способом воде останется достаточно много ионов загрязняющих веществ, так как после нейтрализации ионы тяжелых металлов образуют растворимые в воде оксиды, а при данном методе они не окисляются до нерастворимой формы.

Известен способ нейтрализации кислых шахтных вод (патент РФ №2622132 кл. МПК C02F 1/66, д.п.13.06.2017), для осуществления которого в качестве нейтрализующего кальцийсодержащего материала используют шлак, образующийся при производстве феррованадия силикоалюминотермическим методом и включающий до 97 мас. % частиц размером менее 2 мм. Шлак содержит оксид кальция в количестве 53,0-60,0 мас. % и оксид магния в количестве 8,0-9,0 мас. %. Нейтрализацию осуществляют проточным методом, используя шлак в виде фильтрующей дамбы, сооружаемой из расчета 14-16 кг шлака на нейтрализацию 1 м3 кислой шахтной воды с начальным значением рН=4. Недостатком данного способа является низкая скорость, так как дамбу надо будет менять после каждой реакции нейтрализации, а также значительная стоимость, так как потребуется транспортировка огромного количества шлака до водоочистного сооружения и от водоочистного сооружения для утилизации. При этом после очистки кислой шахтной воды данным методом, в ней все еще будет содержаться большое количество ионов загрязняющих веществ.

Наиболее близким по достигаемому техническому результату и конструктивному исполнению является технология системно-комплексной электрокоагуляционной подготовки питьевой воды и модульная станция «ВОДОПАД» для ее осуществления (патент РФ №2591937 кл. МПК C02F 9/12, д.п. 20.07.2016), содержащая последовательно расположенные функциональные модули: модуль предварительной очистки и дегазации исходной воды, модуль циркуляционного кондиционирования воды, модуль комплексной электрокоагуляционной обработки воды, модуль каскадного осветления и очистки воды, модуль тонкой финишной очистки и обеззараживания воды. Технологию подготовки питьевой воды реализуют посредством непрерывного осуществления управляемых технологических процессов удаления из воды взвешенных загрязняющих веществ, свободной углекислоты, сероводорода, аммиака, летучих пахнущих веществ, насыщения воды кислородом воздуха, кондиционирования воды путем циркуляционной механо-химической дезагрегации коллоидных и гидратно-ассоциированных загрязняющих веществ с одновременным дозированием хлорида натрия, щелочных или кислотных реагентов, обеспечивающих оптимальные величины электропроводности и водородного показателя воды, степени окисления загрязняющих веществ. Затем осуществляют комплексную электрокоагуляционную, электрохимическую и электромагнитную обработку кондиционированной воды в электрокоагуляторе с растворимыми электродами из высокочистого алюминия с осуществлением очистки указанных электродов, удаляют переведенные в нерастворимое состояние минеральные и органические вещества в процессе каскадного осветления воды с обеспечением организованного движения очищаемой воды сначала сверху вниз, а затем снизу вверх и тонкой финишной очистки путем фильтрования с заключительным обеззараживанием ультрафиолетовым облучением. Недостатком данного способа является то, что он не рассчитан для очистки кислых шахтных вод, а узлы и элементы, из которых состоит устройство, недостаточно эффективны для очистки кислых шахтных вод.

Раскрытие сущности изобретения

Техническим результатом заявляемого изобретения является повышение степени очистки кислых шахтных вод, обеспечивающее соответствие значений содержащихся в ней веществ требованиям стандартов по безопасному ее использованию.

Указанный технический результат достигается благодаря тому, что для очистки кислых шахтных вод используют установку, включающую бак накопления исходной очищаемой кислой шахтной воды, внутри которого размещены блок эжектирования, при этом установка включает бак дозирования реагента с реагентом NaOH, бак дозирования реагента с реагентом NaCl, выходы которых гидравлически связаны с блоком эжектирования, при этом, выход бака накопления исходной очищаемой кислой шахтной воды гидравлически связан с входом в последовательно соединенные электролизеры с растворяющимися электродами, в одном из которых электроды выполнены из алюминия, при этом, выход из электролизеров гидравлически связан с дегазатором, выход которого гидравлически связан с входом в бак гравитационного разделения и осветления с размещенными внутри него блоком гравитационного разделения и блоком осветления, а выход из бака гравитационного разделения и осветления гидравлически связан со входом комплексного напорного фильтра, выход которого гидравлически связан со входом в бак очищенной воды, при этом, внутри бака накопления очищаемой кислой шахтной воды размещен блок гальванического умягчения, выполненный из набора пластин металлогальванической пары из меди и алюминия, а в одном из электролизеров растворимые электроды выполнены из железа.

Указанный технический результат достигается благодаря тому, что с использованием описанной выше установки реализуют способ очистки шахтных сточных вод следующим образом: в блоке эжектирования бака поступившую обрабатываемую кислую шахтную воду подвергают вакуумно-эжекционной обработке с использованием нескольких эжекторов, производят дозированную подачу раствора NaOH из бака дозирования реагента в обрабатываемую кислую шахтную воду, повышая Ph до значений не менее 9,5, но не более 10,5, что приводит к выведению ионов загрязняющих веществ, находящихся в кислой шахтной воде, в нерастворимую форму, при этом уровень Ph приближается к показателям 7,5-8,5 спустя 12-15 часов после обработки, при этом, производят дозированную подачу NaCl из бака дозирования реагентов для повышения эффективности процесса электролиза в электролизерах и увеличения электропроводности обрабатываемой воды, после чего осуществляют комплексную электромагнитную и электрохимическую обработку в электролизерах, которая приводит к образованию взвеси из коагулянта и флокулянта гидроксида алюминия и гидроксида железа, получаемых за счет растворения в электролизерах электродов из алюминия и железа по действием электрического тока, получают хлопья сконденсированных загрязнений, включающие коагулянты и флокулянты в виде гидроксида железа и гидроксида алюминия, которые далее, вместе с потоком обрабатываемой воды направляют в дегазатор для отделения образовавшихся в ходе электролиза газов, при этом, обрабатываемую воду направляют в бак гравитационного разделения и осветления, где окисленные и сконденсированные загрязнения в виде хлопьев используют в качестве дополнительного фильтрующего элемента, при этом, очищаемую воду с утяжеленными загрязняющими веществами, хлопьями коагулянта и флокулянта направляют в блок гравитационного разделения, в котором отделяют большую часть загрязняющих веществ, а воду с меньшим количеством загрязняющих веществ направляют в блок осветления, где оставшиеся загрязнения выпадают осадком на дно бака, при этом, производят фильтрование очищаемой воды на комплексном напорном фильтре, при этом, после вакуумно-эжекционной обработки используют блок гальванического умягчения для частичного восстановления ионного баланса обрабатываемой воды за счет воздействия на нее гальванической пары из меди и алюминия.

Краткое описание чертежей

На Фиг. 1 представлена схема установки для очистки кислых шахтных вод.

Осуществление изобретения

Кислую шахтную воду, поступающую из источника через насос и сетчатый фильтр (на рисунке не показаны), направляют на установку для очистки кислых шахтных вод (Фиг. 1). Установка включает соединенные гидравлически: бак 1 накопления исходной очищаемой кислой шахтной воды, внутри которого размещены блок эжектирования 2, включающий несколько эжекторов, и блок гальванического умягчения 3, выполненный из набора пластин металлогальванической пары из меди и алюминия. Установка включает отдельно стоящие бак дозирования реагента 4 с реагентом NaOH, бак дозирования реагента 5 с реагентом NaCl. Выходы баков 4 и 5 гидравлически связаны с блоком эжектирования 2. Гидравлическая линия 6 соединяет выход бака 1 со входом последовательно соединенных электролизеров 7 и 8 с растворяющимися электродами, в одном из которых электроды выполнены из железа, а в другом - из алюминия. Выход электролизера 8 гидравлически связан с дегазатором 9, который может быть выполненным закрытым или, например, в виде бака с открытым верхом. Выход дегазатора 9 гидравлически связан со входом бака 10 гравитационного разделения и осветления с размещенными внутри него блоком гравитационного разделения 11 и блоком осветления 12. Выход бака 10 гидравлически связан со входом комплексного напорного фильтра 13, выход которого гидравлически связан со входом в бак очищенной воды 14. Гидравлическая линия 15, связанная трубопроводами с блоками 7,8, 13,14, служит для промывки загрязняющихся в процессе эксплуатации элементов установки. Элементы установки 1,7,8,10,13 14 гидравлически связаны с дренажной линией 16. Из блока эжектирования 2 и дегазатора 9, газы, выделившиеся при обработке, направляют в газоотвод 17. Гидравлические линии установки включают необходимое насосное оборудование, счетчики и запорную арматуру (на рисунке не показаны).

Способ очистки кислых шахтных вод реализуют с использованием установки очистки кислых шахтных вод (Фиг. 1) следующим образом: в блоке эжектирования 2 бака1 поступившую обрабатываемую кислую шахтную воду подвергают вакуумно-эжекционной обработке с использованием нескольких эжекторов, работающих по принципу трубки Вентури. В результате происходит резкое снижение давления на выходе из форсунки эжектора обрабатываемой жидкости с образованием глубокого вакуума, нарушающего первичную молекулярную структуру исходной обрабатываемой воды. Образовавшийся глубокий вакуум позволяет выделить летучие вещества из исходной обрабатываемой воды, втягивая воздух из окружающей среды, смешивает обрабатываемую воду с воздухом в камере смешения эжекторов блока эжектирования 2, при этом, наличие кислорода из поступившего воздуха способствует окислению недоокисленных веществ, находящихся в обрабатываемой кислой шахтной воде.

Так как в исходной кислой шахтной воде достаточно низкий водородный показатель (порядка 3-4 единиц), на данной стадии производят дозированную подачу раствора NaOH из бака дозирования реагента 4 в обрабатываемую кислую шахтную воду, повышая Ph до значений не менее 9,5 но не более 10,5, что приводит к выведению ионов загрязняющих веществ, находящихся в кислой шахтной воде, в нерастворимую форму, при этом уровень Ph приближается к показателям 7,5-8,5 спустя 12-15 часов после обработки.

Дозированную подачу NaCl из бака дозирования реагентов 5 производят для повышения эффективности процесса электролиза в электролизерах 7 и 8, увеличивая электропроводность обрабатываемой воды, и в дальнейшем, для образования новых химических соединений, улучшающих ее очистку.

Блок гальванического умягчения 3, размещенный в баке 1, используют для частичного восстановления ионного баланса обрабатываемой воды за счет воздействия на нее гальванической пары из меди и алюминия.

Следующая ступень обработки кислой шахтной воды включает комплексную электромагнитную и электрохимическую обработку в электролизерах 7 и 8, которая приводит к структурным изменениям обрабатываемой кислой шахтной воды с одновременным образованием взвеси из коагулянта и флокулянта гидроксида алюминия и гидроксида железа, получаемых за счет растворения под действием электрического тока электродов из алюминия и железа, находящихся в электролизерах 7, 8. В результате образуются хлопья сконденсированных загрязнений, включающие коагулянты и флокулянты в виде гидроксида железа и гидроксида алюминия, которые далее направляют на следующую ступень очистки кислых шахтных вод.

Образовавшиеся хлопья коагулянта и флокулянта, связывающие загрязняющие вещества, вместе с потоком обрабатываемой воды направляют в дегазатор 9 для отделения образовавшихся в ходе электролиза газов, которые могут быть направлены далее в газоотвод 17. Обрабатываемую воду направляют в бак гравитационного разделения и осветления 10, где окисленные и сконденсированные загрязнения в виде хлопьев используют в качестве дополнительного фильтрующего элемента.

Воду с утяжеленными загрязняющими веществами, хлопьями коагулянта и флокулянта направляют в блок гравитационного разделения И, в котором отделяют большую часть загрязняющих веществ, а воду с меньшим количеством загрязняющих веществ направляют в блок осветления 12, где оставшиеся загрязнения выпадают осадком на дно бака 10. Осадок из бака 10, блоков 11 и 12 периодически сбрасывают в накопительные емкости, а осветленную очищенную воду направляют на следующую ступень обработки.

Завершающей ступенью очистки кислых шахтных водят является фильтрование на комплексном напорном фильтре 13, представляющем собой многосекционную конструкцию, где каждая секция имеет различные фильтрующие и стабилизирующие нагрузки.

После фильтрования, прошедшую все этапы обработки кислую шахтную воду направляют в бак чистой воды 14, где установлен блок бактерицидной обработки, после чего вода, удовлетворяющая требованиям санитарных правил и норм, готова к использованию.

Согласно заданному циклу, после проведения очистки определенного объема кислых шахтных вод, фильтр 13 и электролизеры 7,8 автоматически промывают чистой водой с использованием гидравлической линии 15, а промывочную загрязненную воду сбрасывают в дренажную линию 16.

Газы, выделившиеся в процессе обработки кислой шахтной воды на блоке эжектирования 2 и дегазаторе 9, направляют в газоотвод 17.

Способ с использованием установки по очистке кислых шахтных вод реализован следующим образом: в июне 2023 года произведен отбор пробы кислой шахтной воды из водоема Кизеловского угольного бассейна Пермского края. Проба взятой воды имела небольшую мутность и легкий оранжевый осадок. Содержание свинца в пробе превышало допустимую концентрацию в 5000 раз, меди - в 800 раз, железа - в 7 333 раза, содержание хлоридов - в 3,8 раза, фторидов - в 16,6 раза.

После проведения описанного выше цикла очистки на установке очистки кислых шахтных вод получена визуально чистая вода. Показатели качества исходной пробы воды Кизеловского угольного бассейна Пермского края до и после очистки, осуществленной предложенным способом, приведены в Таблице.

В результате проведенного цикла очистки пробы кислой шахтной воды предложенным способом, концентрация по свинцу и меди оказалась значительно меньше предельно допустимой, а по железу, хлоридам и фторидам-не превышает предельно допустимые нормы.

Таким образом, с использованием предлагаемого способа, реализуемого на данной установке, осуществлена очистка кислых шахтных вод до предельно допустимых значений концентрации содержащихся в ней веществ, удовлетворяющих требованиям ее безопасного использования.

Изобретение относится к очистке кислых шахтных сточных вод от взвешенных частиц, ионов загрязняющих веществ, в том числе ионов тяжелых металлов, и может быть использовано при очистке шахтных сточных вод, образующихся при добыче руд цветных металлов шахтным и карьерным способом. В блоке эжектирования бака накопления исходной воды поступившую кислую шахтную воду подвергают вакуумно-эжекционной обработке с использованием нескольких эжекторов. Частично восстанавливают ионный баланс обрабатываемой воды в блоке гальванического умягчения за счет воздействия на нее гальванической пары из меди и алюминия. Производят дозированную подачу раствора NaOH из бака дозирования реагента, повышая рН до значений не менее 9,5, но не более 10,5. Уровень рН приближается к показателям 7,5-8,5 спустя 12-15 часов после обработки. Производят дозированную подачу NaCl из бака дозирования реагентов. Осуществляют комплексную электромагнитную и электрохимическую обработку в электролизерах, которая приводит к образованию взвеси из коагулянта и флокулянта. В электролизерах получают хлопья сконденсированных загрязнений в виде гидроксида алюминия и гидроксида железа, получаемых за счет растворения в электролизерах под действием электрического тока электродов из алюминия и железа. Полученные хлопья сконденсированных загрязнений, включающие коагулянты и флокулянты, вместе с потоком обрабатываемой воды направляют в дегазатор для отделения образовавшихся в ходе электролиза газов. Очищаемую воду с утяжеленными загрязняющими веществами, хлопьями коагулянта и флокулянта направляют в блок гравитационного разделения, в котором отделяют большую часть загрязняющих веществ, а воду с меньшим количеством загрязняющих веществ направляют в блок осветления. В блоке осветления оставшиеся загрязнения выпадают осадком на дно бака. В баке гравитационного разделения и осветления окисленные и сконденсированные загрязнения в виде хлопьев используют в качестве дополнительного фильтрующего элемента. Производят фильтрование очищаемой воды на комплексном напорном фильтре. Технический результат: повышение степени очистки кислых шахтных вод. 2 н.п. ф-лы, 1 табл., 1 ил.

1. Установка для очистки кислых шахтных вод, включающая бак накопления исходной очищаемой кислой шахтной воды, внутри которого размещены блок эжектирования, при этом установка включает бак дозирования реагента с реагентом NaOH, бак дозирования реагента с реагентом NaCl, выходы которых гидравлически связаны с блоком эжектирования, при этом выход бака накопления исходной очищаемой кислой шахтной воды гидравлически связан с входом в последовательно соединенные электролизеры с растворяющимися электродами, в одном из которых электроды выполнены из алюминия, при этом выход из электролизеров гидравлически связан с дегазатором, выход которого гидравлически связан с входом в бак гравитационного разделения и осветления с размещенными внутри него блоком гравитационного разделения и блоком осветления, а выход из бака гравитационного разделения и осветления гидравлически связан с входом комплексного напорного фильтра, выход которого гидравлически связан с входом в бак очищенной воды, отличающаяся тем, что внутри бака накопления очищаемой кислой шахтной воды размещен блок гальванического умягчения, выполненный из набора пластин металлогальванической пары из меди и алюминия, а в одном из электролизеров растворимые электроды выполнены из железа.

2. Способ очистки кислых шахтных вод, заключающийся в том, что в блоке эжектирования бака поступившую обрабатываемую кислую шахтную воду подвергают вакуумно-эжекционной обработке с использованием нескольких эжекторов, производят дозированную подачу раствора NaOH из бака дозирования реагента в обрабатываемую кислую шахтную воду, повышая Ph до значений не менее 9,5, но не более 10,5, что приводит к выведению ионов загрязняющих веществ, находящихся в кислой шахтной воде, в нерастворимую форму, при этом уровень Ph приближается к показателям 7,5-8,5 спустя 12-15 часов после обработки, производят дозированную подачу NaCl из бака дозирования реагентов для повышения эффективности процесса электролиза в электролизерах и увеличения электропроводности обрабатываемой воды, после чего осуществляют комплексную электромагнитную и электрохимическую обработку в электролизерах, которая приводит к образованию взвеси из коагулянта и флокулянта, при этом полученные хлопья сконденсированных загрязнений, включающие коагулянты и флокулянты, вместе с потоком обрабатываемой воды направляют в дегазатор для отделения образовавшихся в ходе электролиза газов, при этом очищаемую воду с утяжеленными загрязняющими веществами, хлопьями коагулянта и флокулянта направляют в блок гравитационного разделения, в котором отделяют большую часть загрязняющих веществ, а воду с меньшим количеством загрязняющих веществ направляют в блок осветления, где оставшиеся загрязнения выпадают осадком на дно бака, при этом производят фильтрование очищаемой воды на комплексном напорном фильтре, отличающийся тем, что после вакуумно-эжекционной обработки кислой шахтной воды частично восстанавливают ионный баланс обрабатываемой воды в блоке гальванического умягчения за счет воздействия на нее гальванической пары из меди и алюминия, при этом при осуществлении комплексной электромагнитной и электрохимической обработки в электролизерах получают хлопья сконденсированных загрязнений в виде гидроксида алюминия и гидроксида железа, получаемых за счет растворения в электролизерах под действием электрического тока электродов из алюминия и железа, при этом в баке гравитационного разделения и осветления окисленные и сконденсированные загрязнения в виде хлопьев используют в качестве дополнительного фильтрующего элемента.