Безреагентный способ очистки сточных вод Российский патент 2025 года по МПК C02F1/28 B01J20/30 

Изобретение относится к способам безреагентной очистки сточных вод от нефтепродуктов и других видов загрязняющих веществ и может быть использовано для очистки сточных вод в составе канализационных сооружений малой и средней производительности или локальных очистных сооружений для очистки поверхностных сточных вод.

Одна из основных проблем сорбционных технологий - это эффективный, но дорогостоящий сорбент. При этом необходимо решить следующие задачи: эффективная очистка воды, отсутствие вторичных загрязнений и утилизация отработанного сорбента. Сорбенты на растительной основе наиболее привлекательны и биосферно совместимы: безопасны, отсутствие дорогостоящего оборудования, нет необходимости в регенерации ввиду дешевой и многотоннажной сырьевой базы, возможны более экологически чистые способы утилизации, способность к биоразложению.

Известен способ очистки сточных вод от нефтепродуктов, который включает механическую очистку и доочистку фильтрованием через слой неподвижного сорбента (патент RU №2483028 С1, МИК C02F 1/28, B02J 20/02, опубликован 27.05.2013 бюллетень №15). В качестве сорбента предусмотрено использование высушенного до 3-20% влажности карбонатного шлама осветлителей тепловых электрических станций.

Для реализации предлагаемого способа необходима предварительная механическая очистка сточной воды. Недостатком данного способа является использование химического отхода, который не решает вопрос утилизации отработанного сорбента.

Известен способ очистки сточных вод от нефтепродуктов, включающий пропускание воды через слой адсорбента, отличающийся тем, что в качестве адсорбента используют древесную стружку или опилки (патент UA №10384 А, МПК C02F 1/40, опубликован 25.12.1996).

Предлагаемое изобретение имеет ограниченность применения - очистка сточных вод, преимущественно, от органических веществ типа нефтепродуктов, и не предусматривает глубокую очистку от иных растворенных загрязнений; сорбент не подвергается предварительной модификации, усиливающей эффект очистки.

Известна установка очистки сточных вод, обеспечивающая обеззараживание сточных вод сверхвысокочастотным и ультрафиолетовым излучениями перед выпуском в водоемы (патент RU №193171 U1, МПК C02F 1/30, C02F 1/32, C02F 1/48, A61L 2/10, A61L 2/12, опубликован 15.10.2019 бюллетень №29).

Предлагаемый способ очистки сточных вод, осуществляющийся в данном устройстве, имеет узкое применение электромагнитного излучения при обработке сточных вод - бактерицидное действие.

Наиболее близким по технической сущности к заявляемому способу является способ получения адсорбента для очистки промышленных сточных вод путем приготовления композитного порошка методом микроволнового воздействия (патент CN №110665468А, МПК B01J 20/24, B01J 20/30, C02F 1/28, опубликован 04.04.2018 г. ): смешивают и измельчают заранее приготовленный порошок оболочки семян хлопчатника и вспученного вермикулита в массовом соотношении 1:0,5-0,8, заливают дистиллированной водой, которая в 5-8 раз превышает общий вес порошка оболочки семян хлопчатника и вспученного вермикулита, обрабатывают ультразвуковыми колебаниями в течение 10-15 минут, переносят смесь в микроволновую печь для активации окисления, затем отправляют в центрифугу, промывают водой и сушат.

Недостатком данного способа является сложность изготовления сорбента, а также материальные затраты в связи с высокой мощностью (800 Вт) и длительной обработкой (2 ч) сверхвысокочастотным электромагнитным излучением, последующей сушкой при температуре плюс 60°C в течение 18 ч.

Задачей изобретения является создание технически простого, природоподобного и экономически выгодного способа очистки сточных вод.

Техническим результатом является повышение эффективности и удешевление способа очистки сточных вод от различных видов загрязняющих веществ (взвешенных веществ, нефтепродуктов, нитрат-ионов, ионов металлов и других), а также вторичное использование отходов.

Технический результат достигается за счет того, что в безреагентном способе очистки сточных вод, включающем механическую и сорбционную очистку фильтрованием через слой сорбента, согласно предлагаемому изобретению в качестве сорбента используют модифицированные сосновые опилки фракцией от 1 до 3 мм в воздушно-сухом состоянии, обработанные совместно с очищаемой сточной водой сверхвысокочастотным электромагнитным излучением (или СВЧ) при частоте излучения 2450 МГц, мощности 140-300 Вт, продолжительности - до достижения температуры смеси от плюс 32°C до плюс 50°C или обработанные до их контакта с водой при частоте излучения 2450 МГц, мощности 440-600 Вт, продолжительности - до достижения ими температуры от плюс 50°C до плюс 77°C.

Техническое решение поясняется иллюстративными материалами, где на фиг.1 представлена зависимость сорбционной емкости сосновых опилок от мощности их СВЧ- обработки, полученная на модельных растворах нефтепродуктов при варьировании значениймощности микроволнового излучения; на фиг. 2 - зависимость сорбционной емкости сосновых опилок от продолжительности их СВЧ-обработки, полученная на модельных растворах нефтепродуктов при варьировании продолжительности обработки; на фиг.3 - изотермы сорбции растворенных нефтепродуктов, полученные при изучении сорбционной активности нативных (в исходном виде без обработки) и модифицированных сосновых опилок на модельных растворах с концентрацией нефтепродуктов от 5 до 50 мг/дм³; на фиг. 4 - кривые сорбции растворенных нефтепродуктов нативными и модифицированными сосновыми опилками в динамических условиях; в табл.1 - эффективность извлечения различных загрязняющих веществ нативными и модифицированными сосновыми опилками из разных видов сточных вод.

Сущность изобретения заключается в том, что способ включает механическую и сорбционную очистку фильтрованием через слой сорбента, в качестве которого используют модифицированные сосновые опилки, обработанные сверхвысокочастотным электромагнитным излучением до контакта или совместно с очищаемой сточной водой. Частота излучения составляет 2450 МГц, мощность при совместной обработке опилок и очищаемой сточной воды - 140-300 Вт, мощность при обработке опилок до контакта с водой - 440-600 Вт, продолжительность обработки зависит от скорости нагрева обрабатываемого материала до определенной температуры: при совместной обработке опилок и очищаемой сточной воды - до температуры смеси от плюс 32°C до плюс 50°C, при обработке опилок до контакта с водой - до температуры опилок от плюс 50°C до плюс 77°C. Сточную воду фильтруют через слой сорбента со скоростью 5-20 м/ч.

При проведении очистки сточных вод по предлагаемому способу в качестве загрузки используют сосновые опилки в исходном виде без какой-либо предварительной подготовки (нативные) фракцией от 1 до 3 мм в воздушно-сухом состоянии, являющиеся отходами деревоперерабатывающего производства, которые уже в процессе очистки сточных вод подвергаются модифицированию.

Очистке по заявленному техническому решению подлежат сточные воды: поверхностные (дождевые и талые), производственные, хозяйственно-бытовые. Предварительной очистки сточная вода не требует.

Для реализации всех этапов предлагаемого способа очистки сточной воды используется техническое устройство - порционный реактор сорбционного действия для очистки сточных вод.

На первом этапе осуществляется предварительное модифицирование загрузки. На втором этапе происходит механическая очистка (задержание крупных загрязнений, мелкодисперсных взвесей, нерастворимых примесей верхним слоем) с последующейсорбционной очисткой (поглощение растворенных веществ). На третьем этапе осуществляется обеззараживание. Четвертый этап - утилизация отработанной загрузки.

Пример 1.

Первый этап. В порционный реактор сорбционного действия подают сточные воды и загружают опилки. Перемешивая механической мешалкой, опилки совместно со сточной водой подвергают СВЧ-обработке при мощности излучения 140-300 Вт и частоте 2450 МГц до достижения смесью температуры от плюс 32°C до плюс 50°C.

Второй этап. Далее начинают фильтрование сточной воды со скоростью 5-20 м/ч сверху вниз через слой опилок, осаждающихся под действием гравитационных сил.

Третий этап. На заключительной стадии выполняется СВЧ-обработка очищенной сточной воды при большей мощности излучения, например, при 800-1000 Вт в течение 5-10 минут, так как известно, что импульсные и непрерывные микроволны обладают бактерицидным действием.

Четвертый этап. Отработанный сорбент извлекают и утилизируют в виде топливных брикетов.

Пример 2.

Первый этап. Опилки загружают в порционный реактор сорбционного действия для очистки сточных вод. Перемешивая механической мешалкой, опилки подвергают СВЧ- обработке при мощности излучения 440-600 Вт и частоте 2450 МГц до достижения опилками температуры от плюс 50°C до плюс 77°C. Затем в емкость подают сточные воды. Совместно со сточной водой опилки перемешивают механической мешалкой для их равномерного распределения.

Второй этап. Далее начинают фильтрование сточной воды со скоростью 5-20 м/ч сверху вниз через слой опилок, осаждающихся под действием гравитационных сил.

Третий этап. На заключительной стадии выполняется СВЧ-обработка очищенной сточной воды при большей мощности излучения, например, при 800-1000 Вт в течение 5-10 минут для достижения бактерицидного эффекта.

Четвертый этап. Отработанный сорбент извлекают и утилизируют в виде топливных брикетов.

В результате осуществления предлагаемого способа очистки модельных водных растворов нефтепродуктов и сточных вод получены следующие результаты.

Пример 1.

На модельных растворах с исходной концентрацией растворенных нефтепродуктов 15 мг/дм³ в статических условиях определены оптимальные режимы выполнения модифицирования сосновых опилок для достижения их максимальной статическойсорбционной емкости (ССЕ) путем варьирования рабочих параметров СВЧ-обработки (фиг. 1, 2):

- при совместной обработке опилок и раствора нефтепродуктов - мощность излучения 140-300 Вт, время обработки - 1 минута, температура смеси - от плюс 32°C до плюс 50°C (ССЕ возросла в 1,1 раза);

- при предварительной обработке опилок - мощность излучения 440-600 Вт, время обработки 1 минута, температура опилок - от плюс 50°C до плюс 77°C (ССЕ возросла в 1,3 раза).

При СВЧ-обработке опилок до контакта с нефтепродуктами при низких мощностях на структуру сорбента не оказывается значительного воздействия: сперва наблюдается стандартная диффузия нефтепродуктов и физическая адсорбция, после насыщения функциональных групп на поверхности опилок поглощение нефтепродуктов снижается. Но при увеличении мощности до оптимальных значений температура сорбента увеличивается и запускается процесс изменения его структуры и сорбция увеличивается до максимума. При СВЧ-обработке опилок совместно с раствором нефтепродуктов сорбция же достигает своего пика при наименьших мощностях излучения, так как в данном случае вода особенно сильно поглощает микроволновое излучение и, проникая в структуру сорбента и нагреваясь, запускает в нем процесс увеличения микропор и трещин, высвобождения функциональных групп. Дальнейшее увеличение мощности в обоих случаях приводит к закупорке пор смолистыми веществами и к разрушению микроструктуры опилок, и сорбция начинает падать (фиг. 1).

В обоих случаях кратковременное воздействие микроволн (менее 30 секунд) не оказывает влияние на процесс сорбции и после первоначального насыщения сорбента поглощение нефтепродуктов снижается. При более длительном воздействии микроволон (более 30 секунд) сорбент нагревается, его структура начинает изменяться и становиться более пористой, процесс сорбции усиливается (фиг. 2). После достигнутого оптимума последующее повышение как продолжительности, так и мощности СВЧ-обработки и, соответственно, температуры провоцирует увеличение кинетической энергии молекул, уменьшающей вероятность связи сорбата с поверхностью сорбента, и сорбция снижается (фиг. 1, 2).

Пример 2.

Изучена сорбционная активность модифицированных опилок по растворенным нефтепродуктам из водных растворов с исходной концентрацией от 5 мг/дм³ до 50 мг/дм³ в статических условиях. Модифицирование опилок выполнено при оптимальных рабочих параметрах СВЧ-обработки (мощность излучения, время обработки), полученных в примере 1. Построены изотермы сорбции (фиг. 3).

Полученные изотермы сорбции соответствуют II типу изотерм по классификации Брунауера-Эммета-Теллера (БЭТ), описывающей теорию полимолекулярной адсорбции. Определено, что максимальное увеличение ССЕ опилок достигается при их обработке микроволновым излучением перед контактом с водным раствором: при исходных концентрациях нефтепродуктов ниже 12,5 мг/дм³ ССЕ возросла в 6,8 раза, при концентрациях от 15 мг/дм³ и выше - в 1,3 раза. При обработке опилок совместно с раствором нефтепродуктов сорбция также увеличивается, но ССЕ изменяется в меньших пределах: при концентрациях нефтепродуктов до 12,5 мг/дм³ - в 5,8 раза, при концентрациях выше 15 мг/дм³ - 1,1 раза.

Пример 3.

Для производственных процессов наибольшее значение имеет сорбция в динамических условиях. Сорбция в динамических условиях позволяет более полно использовать емкость сорбента. Проба модельного раствора нефтепродуктов с исходной концентрацией 17,2 мг/дм³ непрерывно фильтровалась сверху вниз через колонку, заполненную сосновыми опилками, с постоянным расходом и скоростью фильтрации 0,125 м/ч до полного насыщения навески сорбента сорбатом. Модифицирование опилок выполнено при оптимальных рабочих параметрах СВЧ-обработки (мощность излучения, время обработки), полученных в примере 1. Построены кривые сорбции растворенных нефтепродуктов сосновыми опилками в динамических условиях (фиг.4).

В динамических условиях СВЧ-обработка также интенсифицирует процесс сорбции: динамическая сорбционная емкость (ДСЕ) при совместной обработке опилок и раствора нефтепродуктов возросла на 60,3%, при предварительной обработке опилок перед контактом с раствором - на 61,9%.

Пример 4.

Для всех исследуемых образцов сорбента (нативные и модифицированные сосновые опилки) определен эффект очистки в динамическом режиме без достижения их полной сорбционной емкости относительно некоторых загрязнений, характерных для различных видов сточных вод. Для исследования выбраны модельные растворы, хозяйственно-бытовые сточные воды из септика и производственные сточные воды молокозавода. Установлено, что сосновые опилки являются многофункциональным сорбентом, эффекты очистки по различным веществам которых отражены в таблице 1.

Предлагаемый способ позволяет без применения реагентов и с минимальными материальными затратами однозначно снизить мутность и цветность сточных вод, а также содержание таких загрязнений, как растворенные и нерастворенные нефтепродукты, взвешенные вещества, ионы нитратов, фосфатов и аммония.

После очистки поверхностный сток сбрасывают в систему хозяйственно-бытовой канализации или систему технического водоснабжения, а также в водные объекты или на рельеф при соответствующем разрешении.

Результаты экспериментов подтверждаются экспертным заключением о проведении лабораторных испытаний в ФБУЗ «Центр гигиены и эпидемиологии в Тюменской области». Определяемые показатели: общее микробное число при температуре плюс 22°C. Результаты исследований: в пробе очищенной сточной воды после фильтрования через слой сорбента, модифицированного СВЧ-обработкой совместно со сточной водой, общее микробное число снизилось на 33,3%.

Выполненные сравнительные технико-экономические расчеты по обоснованию заявленного технического решения показывают, что предлагаемый способ позволяет снизить себестоимость очистки сточных вод на 87,8%, чем при использовании активированного угля в качестве загрузки фильтров доочистки.

При внедрении модифицированных опилок в систему очистки, например, поверхностного стока от нефтепродуктов и взвешенных веществ предотвращенный экологический ущерб составит 39,43 тыс.руб./год.

Простота технологического процесса и низкая стоимость сорбционного материала позволяют получить универсальный и недорогой способ очистки сточных вод, а также решить проблему вторичного использования отходов.

Безреагентный способ очистки сточных вод

Таблица 1 Показатель Единица измерения До очистки Опилки нативные СВЧ-обработка опилок совместно с водным раствором нефтепродуктов (1 минута, 140-300 Вт) После очистки Эффект очистки, % После очистки Эффект очистки, % Модельный раствор Медь мг-экв/дм³ 1,0 0,66 34 0,36 64 Хлориды Cl₂^- мг-экв/дм³ 3740,0 3704,0 0,96 3400,0 9,1 Растворенные нефтепродукты мг/дм³ 17,2 8,92 48,2 7,24 57,9 Нерастворенные нефтепродукты мг/дм³ 100 20,1 80 6,9 93 Хозяйственно-бытовые сточные воды из септика Взвешенные вещества мг/дм³ 2000,0 10 99,5 9,6 99,5 рН - 7,85 8,10 - 8,13 - Мутность мг/дм³ 168,4 139,3 17,3 128,8 23,5 Цветность град. 382,12 368,49 3,57 361,48 5,4 Производственные сточные воды молокозавода Нитрат-ион NO₃^- мг/дм³ 15,15 1,61 89,4 2,67 82,4 Фосфат-ион PO₄^3- мг/дм³ 90,70 80,98 10,7 80,88 10,8 Ион аммония NH₄⁺ мг/дм³ 20,94 17,25 17,6 19,74 5,7

Изобретение относится к способам очистки сточных вод от нефтепродуктов и других видов загрязняющих веществ и может быть использовано для очистки сточных вод безрегаентным способом. Способ включает механическую и сорбционную очистку фильтрованием через слой сорбента. Сорбент представляет собой модифицированные сосновые опилки фракцией от 1 до 3 мм в воздушно-сухом состоянии, обработанные совместно с очищаемой сточной водой сверхвысокочастотным электромагнитным излучением. Частота излучения составляет 2450 МГц при мощности 140-300 Вт, обработку осуществляют до достижения температуры смеси от плюс 32°С до плюс 50°С. Технический результат: повышение эффективности и возможность вторичного использования отходов. 4 ил., 1 табл., 6 пр.

Безреагентный способ очистки сточных вод, включающий механическую и сорбционную очистку фильтрованием через слой сорбента, представляющего собой модифицированные сосновые опилки фракцией от 1 до 3 мм в воздушно-сухом состоянии, обработанные совместно с очищаемой сточной водой сверхвысокочастотным электромагнитным излучением, отличающийся тем, что частота излучения составляет 2450 МГц при мощности 140-300 Вт, обработку осуществляют до достижения температуры смеси от плюс 32°С до плюс 50°С.