Способ очистки вод и устройство для его осуществления Российский патент 2025 года по МПК C02F1/64 C02F1/78 C02F1/52 C02F1/24 B01D21/02 B01D61/14 

Область техники

Настоящее изобретение относится к способам и устройствам для очистки промышленных и природных вод от железа, марганца и нефтепродуктов путем окисления примесей озоном, флотации и последующей фильтрации.

Уровень техники

Очистка промышленных и природных вод от марганца, железа и нефтепродуктов является актуальной задачей для обеспечения производств химической промышленности, требующей системного подхода и использования эффективных методов.

Из уровня техники известен способ очистки воды от соединений железа по патенту US 4780215 A [1] «Устройство очистки воды», включающий получение обогащенного озоном воздуха путем пропускания потока воздуха через электрическую дугу, подачу обогащенного озоном потока воздуха в воду, которая находится в колодце (скважине), удаление воды после окисления примесей из колодца (скважины) и её фильтрацию.

К недостаткам данного способа можно отнести низкую эффективность окисления примесей из-за малого времени и площади контакта озона с водой, т.к. после непродолжительного прохождения озона через слой воды (барботирование) он свободно утекает в окружающее пространство. Для обеспечения необходимой степени окисления примесей требуется большой расход озона. Указано, что сверху колодца (скважины) расположено воздуховыпускное отверстие, это ведет к свободной утечке озона, который не успел прореагировать в толще воды, такая компоновка может нанести вред здоровью человека. Способ не раскрывает предпочтительного метода фильтрации и порядка удаления осадка, образовывающегося в скважине в процессе окисления примесей. Способ не предусматривает также методов удаления примесей в виде нефтепродуктов.

Из уровня техники известен способ очистки подземных вод от железа и марганца по патенту RU 2105729 C1 [2] «Способ очистки подземных вод от железа и марганца», включающий озонирование и последовательное двухступенчатое фильтрование через зернистую загрузку с подачей воды снизу вверх на первой ступени и сверху вниз на второй ступени, отличающийся тем, что перед подачей воды на первую ступень она подвергается упрощенной аэрации, а озонирование осуществляется перед второй ступенью фильтра в количестве 3,5-5,5 мг/дм³, причем диаметр пористой загрузки первой ступени фильтра составляет 1,25-2,5 мм, второй ступени 0,63-1,25 мм.

Недостатком данного метода является необходимость периодического обновления зернистой загрузки и проведение окисления в две стадии, что не всегда технологически оправдано. Способ не предусматривает удаления из воды примесей в виде нефтепродуктов.

Из уровня техники известен способ очистки промышленных сточных вод с помощью электрохимических методов и процессов дополнительного окисления по патенту RU 2624643 C2 [3] «Способ и устройство для электрохимической обработки промышленных сточных и питьевых вод», включающий фазу подготовки загрязненной среды посредством осаждения, реакционную фазу в первой реакторной емкости, где загрязненную среду обрабатывают реакторными электродами, изготовленными из закрепленных пластин из нержавеющей стали, через которые пропускают постоянный ток с проведением электрокоагуляции, электроокисления, электрофлотации и дезинфекции среды посредством циркуляции озона и облучения УФ с циркуляцией и электромагнитной и ультразвуковой обработкой, реакционную фазу во второй реакторной емкости, где загрязненную среду обрабатывают реакторными электродами из закрепленных стальных пластин, через которые пропускают постоянный ток с последующим пропусканием через дополнительный набор реакторных электродов из закрепленных алюминиевых пластин с проведением электрокоагуляции, электроокисления, электрофлотации и дезинфекции среды посредством циркуляции озона и облучения УФ с циркуляцией и электромагнитной и ультразвуковой обработкой, фазу коагуляции и флокуляции, фазу отделения посредством осаждения, дополнительную фазу окисления с одновременным озонированием и обработкой ультрафиолетовым излучением, фазу фильтрации через песочный фильтр и фильтр из активированного угля.

К недостаткам данного способа можно отнести сложное исполнение оборудования для его осуществления, его избыточность для целей очистки воды от примесей, среди которых преобладают железо и марганец, в т.ч. применение реакторов с электродами для электрокоагуляции, электроокисления и электрофлотации является энергозатратным и требует регулярной замены электродов. Данный способ также не предусматривает удаления примесей в виде нефтепродуктов.

Из уровня техники известно устройство для очистки сточных вод от моющих средств, масла и накипи согласно патенту KR 100538347 B1 [4], устройство обеспечивает озонирование с последующей флотацией и фильтрацией. Операция флотации позволяет отделить примеси нефтепродуктов.

Устройство позволяет проводить окисление примесей, а также отделение примесей в виде нефтепродуктов, однако в патенте не раскрыты оптимальные методов озонирования, отделения и фильтрации твердых примесей, что необходимо при промышленной переработке вод, загрязненных железом и марганцем.

Из уровня техники известно устройство для очистки вод по патенту CN 214031993 U [5], в котором осуществляют флотацию совместно с озонированием.

Недостатками устройства является его сложная конструкция, которая не адаптирована под очистку вод от железа, марганца и нефтепродуктов, устройство служит цели переработки вод, получаемых в процессе выращивания аквакультур.

Из уровня техники известен способ и устройство по патенту RU 2811343 C1 [6], которые обеспечивают безреагентную очистку вод от железа и марганца.

Способ включает обработку воды озоном путем смешивания воды и озона в эжекторе, перемешивание воды и озона в статическом смесителе, направление воды в отстойник для осаждения осадка, фильтрацию воды с использованием хотя бы одного дискового фильтра с рейтингом фильтрации не менее 20 мкм и тангенциальную микрофильтрацию воды способом кросс-флоу.

Устройство содержит генератор озона, линию для подачи озона, насос для подачи воды, линию для подачи воды, эжектор для смешивания воды с озоном, статический смеситель, расположенный после эжектора, отстойник для осаждения осадка, хотя бы один дисковый фильтр с рейтингом фильтрации не менее 20 мкм и хотя бы один фильтр тангенциальной микрофильтрации, установленный после дискового фильтра и обеспечивающий тангенциальную микрофильтрацию способом кросс-флоу.

Данный способ и устройство полностью удовлетворяют требованиям в части очистки воды от железа и марганца, но не обеспечивают эффективного удаления примесей нефтепродуктов.

Данный патент был выбран в качестве прототипа.

Поиск эффективного метода очистки воды от железа, марганца и нефтепродуктов является актуальной задачей для нефтехимической промышленности.

Сущность изобретения.

Природные воды и рассолы, получаемые совместно с добычей нефти и газа, имеют примеси в виде нефтепродуктов, наличие которых негативно сказывается на процессе переработки вод и рассолов для извлечения ценных химических компонентов или получения пригодной для использования в производстве воды. Марганец и железо также являются нежелательными примесями, их наличие влияет на чистоту конечных продуктов и ведет к повышенной нагрузке на оборудование, его загрязнению.

Целью настоящего изобретения является обеспечение эффективной очистки вод от железа, марганца и нефтепродуктов со снижением затрат на проведение процесса очистки и обслуживания оборудования.

Поставленная цель достигается тем, что осуществляют обработку воды озоном путем смешивания воды и озона в эжекторе, перемешивание воды и озона в статическом смесителе, направление воды в отстойник для осаждения осадка, фильтрацию воды с использованием хотя бы одного дискового фильтра с рейтингом фильтрации не менее 20 мкм и тангенциальную микрофильтрацию воды способом кросс-флоу, при этом после перемешивания воды и озона в статическом смесителе и перед направлением воды в отстойник для осаждения осадка осуществляют добавление в воду флокулянта и напорную флотацию.

Поставленная цель достигается тем, что для осуществления способа используется устройство, включающее генератор озона, линию для подачи озона, насос для подачи воды, линию для подачи воды, эжектор для смешивания воды с озоном, статический смеситель, расположенный после эжектора, устройство напорной флотации, отстойник для осаждения осадка, хотя бы один дисковый фильтр с рейтингом фильтрации не менее 20 мкм и хотя бы один фильтр тангенциальной микрофильтрации, установленный после дискового фильтра и обеспечивающий тангенциальную микрофильтрацию способом кросс-флоу.

Заявляемый технический результат: эффективная очистка вод от железа, марганца и нефтепродуктов, снижение себестоимости процесса очистки, снижение трудоемкости и частоты обслуживания фильтрующего оборудования, обеспечение эффективного окисления примесей, экономное расходование озона.

Технический результат достигается тем, что в процессе очистки воды смешивание воды с озоном проводят в эжекторе, а затем в статическом смесителе, что обеспечивает наиболее полное перемешивание и наибольшую полный контакт примесей с озоном, что обеспечивает наиболее полное их окисления и экономию расхода озона.

Устройство для осуществления данного способа также обеспечивает смешивание воды с озоном в эжекторе, а затем в статическом смесителе.

Технический результат достигается тем, что в процессе очистки вод используют напорную флотацию, что обеспечивает эффективное удаление примесей нефтепродуктов за счет насыщения обрабатываемой воды пузырьками воздуха, подаваемыми с компрессора.

Технический результат достигается тем, что перед напорной флотацией в воду вводят флокулянт для обеспечения работы флотатора, при этом доза флокулянта зависит от количества загрязняющих веществ, что обеспечивает эффективное отделение нефтепродуктов.

Технический результат достигается тем, что в процессе очистки вод от железа и марганца используют отстойник для отстаивания и отделения нерастворимого осадка, что увеличивает время непрерывной работы фильтров за счет отделения части примесей до проведения фильтрации, это также обеспечивает снижение гидравлического сопротивления и увеличивает общий срок службы фильтрующих элементов.

Устройство для осуществления данного способа также оснащено отстойником для отстаивания осадка, устройство также может быть оснащено системой выгрузки осадка.

Технический результат достигается тем, что на первом этапе фильтрации применяют хотя бы один дисковый фильтр с рейтингом фильтрации не менее 20 мкм, применение таких дисковых фильтров обеспечивает снижение нагрузки на тангенциальные фильтры за счет фильтрования крупнодисперсных загрязняющих веществ, при этом такой рейтинг фильтрации не создает избыточного сопротивления потоку и избыточных нагрузок на насосное оборудование, при этом дисковые фильтры обладают возможностью промывки без их разборки и демонтажа.

Устройство для осуществления данного способа также оснащено хотя бы одним дисковым фильтром с рейтингом фильтрации не менее 20 мкм.

Технический результат достигается тем, что на втором этапе фильтрации проводят тангенциальную микрофильтрацию способом кросс-флоу, что обеспечивает высокую степень очистки от взвешенных и коллоидных веществ с достижением менее 3 мг/дм³ по общему содержанию железа и марганца, при этом установка тангенциальной микрофильтрации не требует частого обслуживания за счет того, что в тангенциальной схеме стенки мембран мало подвержены зарастанию примесями за счет движения потока вдоль них.

Устройство для осуществления данного способа также оснащено узлом тангенциальной микрофильтрации способом кросс-флоу.

Технический результат достигается тем, что перед обработкой воды озоном осуществляют её обработку раствором щелочи с обеспечением pH воды не менее 5 единиц, что обеспечивает очистку воды с минимальным дозированием реагентов (флокулянта), в случае если рН исходной воды выше 5 то добавление щелочи не требуется, что является экономически целесообразным. Обеспечение нужного уровня pH положительно влияет на эффективность процессов очистки воды озонированием и напорной флотацией.

Для этих целей устройство для осуществления данного способа также может быть оснащено линией подвода флокулянта, которая обеспечивает подачу флокулянта в поток воды, или линией, которая обеспечивает подачу флокулянта в устройство напорной флотации.

Описание чертежей

Фиг. 1. Общая схема установки для очистки вод.

Фиг. 2. Схема установки для очистки вод. Пример 1.

Фиг. 3. Схема установки для очистки вод. Пример 2.

В наиболее общем виде очистку вод от железа, марганца и нефтепродуктов по настоящему изобретению осуществляют следующим образом.

Загрязненную воду направляют в эжектор с одновременной подачей в него озона, где за счет увеличения сечения канала в эжекторе возникает зона разряжения, куда подсасывается озон, что обеспечивает равномерность его подачи и распределения в потоке воды, из эжектора насыщенная озоном вода поступает в статический смеситель, где происходит дополнительное перемешивание потока, что повышает эффективность окисления за счет повышения равномерности распределения озона в объеме воды, из статического смесителя вода поступает в установку напорной флотации, где за счет подачи в воду газа и образования пузырьков происходит разделение воды и нефтепродуктов, нефтепродукты удаляются, также частично выпадает осадок примесей железа и марганца, а вода далее поступает в отстойник для осаждения осадка, где происходит выпадение осадка в виде оксидов железа и марганца, отстойник выполняется в виде емкости с дном конусной формы, которое имеет вывод для выгрузки осадка, например с использованием шнека, в хвостохранилище. Избыток озона удаляется из верхней части отстойника в термокаталитический деструктор. Из отстойника вода поступает в узел фильтрации с дисковыми фильтрами, где последний фильтр имеет рейтинг фильтрации 20 мкм, что обеспечивает удаление большей части нерастворимых примесей в т.ч. оксидов марганца и железа, после узла фильтрации с дисковыми фильтрами вода поступает на тангенциальную фильтрацию методом кросс-флоу, используется фильтрующий элемент выполненный с рейтингом фильтрации 0,2 мкм, при этом происходит разделение растворов на концентрат, содержащей основное количество примесей и пермеат в виде очищенной воды, которая поступает в емкость для очищенной воды, концентрат сбрасывается в отстойник. Для повышения качества отделения нефтепродуктов в емкость флотатора или поток жидкости после озонирования подмешивают флокулянт.

Очистка вод может осуществляться указанным способом, но не ограничена им.

В наиболее общем виде схема установки для осуществления способа представлена на Фиг. 1 и включает: генератор озона (1), линию для подачи озона (2), насос для подачи воды (3), линию для подачи воды (4), эжектор для смешивания воды с озоном (5), статический смеситель (6), напорный флотатор (7), источник флокулянта (8), накопитель нефтепродуктов (9), отстойник для осаждения осадка (10), узел дисковой фильтрации (11), оборудованный фильтром с рейтингом фильтрации 20 мкм, контур тангенциальной микрофильтрации (12), емкость для сбора очищенной воды (13).

Указанная установка для очистки вод может быть реализована с использованием заявленных элементов, но не ограничена ими.

Для более подробного раскрытия сущности изобретения приведены примеры его осуществления.

Пример 1.

Для очистки воды была смонтирована установка согласно схеме, представленной на Фиг. 2, установка включала: генератор озона (1), линию для подачи озона (2), насос для подачи воды (3), линию для подачи воды (4), эжектор для смешивания воды с озоном (5), статический смеситель (6), напорный флотатор (7), накопитель нефтепродуктов (9), отстойник для осаждения осадка (10), узел дисковой фильтрации (11), контур тангенциальной микрофильтрации (12), емкость для сбора очищенной воды (13).

Проводили очистку пластовой воды с содержанием марганца 15 мг/л, железа 75 мг/л и нефтепродуктов 50мг/л.

Очистку воды производили следующим образом.

Подавали поток воды на очистку по линии подачи воды (4) в эжектор (5), куда по линии подачи озона (2) поступал озон из генератора озона (1), озон дозировали, из эжектора поток воды с озоном поступал в статический смеситель (6), откуда вода поступала в напорный флотатор (7).

Перед подачей воды во флотатор (7) к ней подмешивали флокулянт.

Флокулянт представлял собой 0,2 % водный раствор полиакриламида и дозировался из расчета 1-2 литра на 1 м³ воды.

Флотатор работал по схеме с рециркуляцией части очищенной воды, насыщаемой воздухом. Вода подавалась в напорном режиме с помощью насоса (расход контролировался по расходомеру). При сбросе давления растворенный воздух выделялся из воды в виде микропузырьков. Микропузырьки прилипали к частицам загрязнений, в том числе нефтепродуктов и поднимали их в верхнюю часть камеры флотации (зону флотации), образуя пенный слой. Очищаемая вода из зоны флотации поступала в зону сепарации, расположенную в нижней части флотационной камеры и оснащенную тонкослойными элементами. В данной секции происходило окончательное выделение растворенного воздуха, наличие тонкослойных элементов ускоряло всплытие микропузырьков. При выходе из тонкослойных элементов поток очищенной воды менял направление на восходящее и поступал в камеру очищенной воды, откуда отводился самотеком. Часть очищенной воды циркуляционным насосом подавали в сатуратор, где происходило насыщение воды воздухом. Подача воздуха в воду производилась через эжектор циркуляционного насоса. Из сатуратора насыщенная воздухом вода подавалась на вход камеры флотации. Флотопена, содержащая нефтепродукты и взвешенные вещества, удалялась с поверхности воды скребковым механизмом с электроприводом в приемный лоток, из которого отводилась самотеком. Образующийся осадок собирается в нижней конусной части флотационной камеры и периодически отводится из установки.

В результате флотации происходило отделение нефтепродуктов, их направляли в накопитель нефтепродуктов (9), из напорного флотатора (7) вода поступала в отстойник для осаждения осадка (10), откуда поступала на узел дисковой фильтрации (11), который был выполнен в виде двух дисковых фильтров, установленных последовательно с рейтингом фильтрации 50 (первый фильтр) и 20 (последний фильтр) мкм.

По мере загрязнения дисковых фильтров осуществляли их обратную промывку. Условием осуществления промывки служило достижение перепада давления более 2 кгс/см².

Из узла фильтрации (11) вода поступала на контур тангенциальной микрофильтрации (12), где происходило получение пермеата, который направляли в емкость для сбора очищенной воды (13) и получение концентрата, который направлялся в отстойник (10).

На этапе тангенциальной фильтрации методом кросс-флоу использовали мембраны с рейтингом фильтрации 0,2 мкм. Для очистки мембран периодически проводили воздушную очистку обратным ходом для восстановления производительности. Периодически по мере снижения эффективности воздушной промывки проводили химическую промывку соляной кислотой.

Расход озона контролировался на уровне минимально необходимого для эффективного окисления примесей. Очистка фильтров осуществлялась без их демонтажа и разборки.

Очищенная вода содержала не более 2,5 мг/л железа и марганца и 0,05 мг/л нефтепродуктов.

Пример 2.

Осуществляли очистку воды аналогично Примеру 1 с тем отличием, что установка дополнительно включала источник флокулянта (8), соединенный с линей подачи воды в напорный флотатор (7) и соединенный с напорным флотатором (7), что обеспечивало возможность автоматизированного ввода флокулянта в процессе очистки.

Схема установки представлена на Фиг. 3.

В поток воды, поступающий в напорный флотатор (7), подмешивали флокулянт из источника флокулянта (8), также флокулянт подавали из источника флокулянта (8) непосредственно в напорный флотатор (7).

Пример 3.

Осуществляли очистку воды аналогично Примеру 2 с тем отличием, что избыток озона дополнительно выводится из верхней части напорного флотатора (7) в термокаталитический деструктор озона, где озон утилизировался.

Пример 4.

Осуществляли очистку воды аналогично Примеру 2 с тем отличием, что избыток озона дополнительно выводится из верхней части отстойника для осаждения осадка (10) в термокаталитический деструктор озона, где озон утилизировался.

Пример 5.

Осуществляли очистку воды аналогично Примеру 2 с тем отличием, что вода, поступающая на очистку, имела pH 4, перед очисткой корректировали pH воды путем ввода 10% раствора гидроксида натрия через смеситель с обеспечением pH равным 5 единиц, что обеспечило эффективное озонирование и флотацию.

Пример 6.

Осуществляли очистку воды аналогично Примеру 2 с тем отличием, что вода, поступающая на очистку, представляла собой природный рассол хлоркальциевого типа.

Используемые источники информации.

1. Патент US 4780215 A. МПК C02F 1/78. Устройство очистки воды / Рассел Л. Карлсон / Заявка от 08.06.1987. Опубл. 25.10.1988.

2. Патент RU 2105729 C1. C02F 1/64. Способ очистки подземных вод от железа и марганца / Фомин С.Н., Антонов Л.А. Заявка от 03.10.1996. Опубл. 27.02.1998.

3. Патент RU 2624643 C2. C02F 9/00, C02F 1/00, C02F 1/28, C02F 1/32, C02F 1/36, C02F 1/463, C02F 1/465, C02F 1/467, C02F 1/52, C02F 1/78, B01D 21/00. Способ и устройство для электрохимической обработки промышленных сточных вод и питьевой воды / Орешчанин В., Микулич Н., Петляк Д. Заявка от 27.03.2013. Опубл. 25.04.2017.

4. Патент KR 100538347 B1. МПК C02F 1/78. Аппараты для очистки сточных вод / Чон Хо-Сэм. Заявка от 12.12.2003. Опубл. 17.06.2005.

5. Патент CN 214031993 U. МПК C02F 103/20. Комплексная система очистки сточных вод породы / У Ицюнь, Чжан Бинь. Заявка от 04.11.2020. Опубл. 24.08.2021.

6. Патент RU 2811343 C1. МПК C02F 1/64, C02F 1/78, B01D 61/14. Способ безреагентной очистки вод от железа и марганца и устройство для его осуществления / Богатырев Святослав Игоревич, Шкабура Алексей Петрович, Яруткин Евгений Николаевич, Лазарев Дмитрий Александрович, Степанкин Александр Сергеевич, Игнатов Антон Олегович. Заявка от 07.11.2023. Опубл. 11.01.2024.

Настоящее изобретение относится к способу для очистки промышленных и природных вод от железа, марганца и нефтепродуктов. Способ включает обработку воды озоном путем смешивания воды и озона в эжекторе, перемешивание воды и озона в статическом смесителе, направление воды в отстойник для осаждения осадка, фильтрацию воды с использованием хотя бы одного дискового фильтра с рейтингом фильтрации не менее 20 мкм и тангенциальную микрофильтрацию воды способом кросс-флоу. После перемешивания воды и озона в статическом смесителе и перед направлением воды в отстойник для осаждения осадка осуществляют добавление в воду флокулянта и напорную флотацию. Изобретение также касается устройства. Технический результат - эффективная очистка вод с минимизацией затрат на проведение процесса очистки и обслуживания оборудования. 2 н. и 3 з.п. ф-лы, 3 ил., 6 пр.

1. Способ очистки воды от железа, марганца и нефтепродуктов, включающий обработку воды озоном путем смешивания воды и озона в эжекторе, перемешивание воды и озона в статическом смесителе, направление воды в отстойник для осаждения осадка, фильтрацию воды с использованием хотя бы одного дискового фильтра с рейтингом фильтрации не менее 20 мкм и тангенциальную микрофильтрацию воды способом кросс-флоу, отличающийся тем, что после перемешивания воды и озона в статическом смесителе и перед направлением воды в отстойник для осаждения осадка осуществляют добавление в воду флокулянта и напорную флотацию.

2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что перед обработкой воды озоном осуществляют её обработку раствором щелочи с обеспечением pH воды не менее 5 единиц.

3. Устройство для реализации способа по п. 1, содержащее генератор озона, линию для подачи озона, насос для подачи воды, линию для подачи воды, эжектор для смешивания воды с озоном, статический смеситель, расположенный после эжектора, отстойник для осаждения осадка, хотя бы один дисковый фильтр с рейтингом фильтрации не менее 20 мкм и хотя бы один фильтр тангенциальной микрофильтрации, установленный после дискового фильтра и обеспечивающий тангенциальную микрофильтрацию способом кросс-флоу, отличающееся тем, что дополнительно содержит устройство напорной флотации, размещенное после статического смесителя и перед отстойником для осаждения осадка.

4. Устройство по п. 3, отличающееся тем, что после статического смесителя и перед устройством напорной флотации установлена линия подвода флокулянта, которая обеспечивает подачу флокулянта в поток воды.

5. Устройство по п. 3, отличающееся тем, что устройство напорной флотации имеет линию подвода флокулянта, которая обеспечивает подачу флокулянта в устройство напорной флотации.