Способ очистки сточных вод Российский патент 2025 года по МПК C02F1/62 C02F1/66 C02F1/72 

Изобретение относится к способам очистки воды, а именно к способам очистки сточных вод – ливневых, производственных и других.

Загрязнения, содержащиеся в потоке сточных вод, могут представлять собой как взвешенные частицы, так и растворенные загрязнения. Микрочастицы и другие твердые загрязнения обычно удаляются путем фильтрации с использованием твердых сред, таких как песок, и седиментации, при которой твердые загрязнения с более высокой плотностью, чем вода, оседают. Растворенные загрязнения обычно удаляются путем флокуляции/коагуляции и (или) сорбции.

Для повышения эффективности очистки сточных вод ведутся разработки в области, например, состава материала использующихся фильтров, состава коагулянтов, регулирования условий проведения фильтрации и/или коагуляции. В качестве коагулянта часто используются соединения переходных металлов, предпочтительно железа.

Известен способ обработки сточных вод (заявка US20070119785A1, опубл. 31.05.2007, МПК: C02F 1/68), включающий обеспечение источника железа, причем указанный источник железа содержит соль железа или металлическую структуру железа с относительно большой площадью поверхности, контакт загрязненной воды, включающей по меньшей мере 1 загрязнитель, с указанным источником железа в присутствии потока газа, содержащего кислород, при этом указанный этап контактирования обеспечивает снижение концентрации указанного загрязнителя в выходном потоке за счет его окисления, осаждения, соосаждение или восстановление до металлической формы, так что указанный загрязнитель с указанным источником железа образует металлический шлам. Соль железа может представлять собой соль железа, такую как сульфат железа или карбонат железа. Способ может быть реализован в диапазоне pH от 5 до 9.

Общими признаками известного и заявляемого способов является использование соли железа, а также реализация способа при определенном диапазоне значений pH.

Однако, во-первых, в известном способе взаимодействие загрязнений с солью железа реализуется в свободном объеме воды при интенсивном перемешивании для обеспечения протекания реакции, во-вторых, требуется наличие достаточно большого количества железа и необходимость нагнетания газа, содержащего кислород (имеющегося кислорода в потоке воды недостаточно). Для реализации известного способа требуется обеспечить достаточный объем используемой аппаратуры и время для протекания реакции. Известный способ не может быть осуществлен в условиях непрерывного технологического процесса (постоянной подачи сточных вод). При этом образующийся шлам остается во всем объеме воды и требуется стадия разделения, включающая осаждение или фильтрацию шлама переходных металлов из выходного потока воды.

Известный способ основан на процессах взаимодействия соединений железа с загрязнениями в потоке, в том числе за счет окисления кислородом воздуха, нагнетаемого в объем воды, в результате которого происходит образование взвешенной фазы Fe(OH)₃, который обладает коагулирующими свойствами.

Образование взвешенной фазы Fe(OH)₃ при окислении солей железа (II) кислородом, содержащемся в потоке воды или поступающем при пропускании потока воздуха через воду, известно и используется, в частности, для очистки воды от железа (патент RU2179956, опубл. 27.02.2002, МПК: C02F 1/64, C02F 103/04). Однако требуется отделение взвешенной фазы гидроксида железа, которая находится в объеме воды. Например, как предложено в известном способе – путем разделения процесса окисления и процесса фильтрования. При этом известный способ направлен на выделение именно солей железа из воды, но условия протекания этого способа не обеспечивают удаление других примесей и очистку сточных вод.

Также из заявки US20170036933A1 (опубл. 2017-02-09, МПК: C02F 1/70, B01J 20/06 C02F 1/68, C02F 1/52, C02F 1/66, B01J 20/02, C02F 1/74) известен способ, который включает подачу сточных вод в реактор с псевдоожиженным слоем катализатора, включающих среду ноль-валентного железа, механическое перемешивание сточных вод в реакторе с псевдоожиженным слоем с помощью мешалки, нагнетание кислородсодержащего газа в реакционную зону около смесителя, включающий добавление источника ионов Fe²⁺  в реактор с псевдоожиженным слоем.

При этом источник ионов Fe²⁺ добавляют в реактор с псевдоожиженным слоем со скоростью потока, поддерживающей концентрацию ионов примерно от 5 мг/л и примерно до 50 мг/л, также добавляют в реактор с псевдоожиженным слоем агент, регулирующий pH, при скорости потока, которая поддерживает рН  сточных вод в реакторе с псевдоожиженным слоем между примерно 6,0 и примерно 8,0.

Общими признаками являются использование источника ионов Fe²⁺ (соль железа (II)) и поддержание значений pH при реализации способов.

Однако, в известном способе требуется создание условий, в которых часть потока воды будет взаимодействовать с источником ионов железа (II) в свободном объеме, что требует достаточно больших объемов используемой аппаратуры, усложняет осуществление известного способа и не позволяет осуществлять способ в условиях непрерывного технологического процесса.

Во всех известных способах взаимодействие загрязнений, содержащихся в потоке воды, с использующимися солями железа происходит в свободном объеме воды, при этом происходит образование коагулированных частиц загрязнений, которые находятся в свободном объеме воды и в дальнейшем отделяются с использованием различных известных способов (седиментация, фильтрация и другое). Это приводит к увеличению количества и/или объема используемых аппаратов, не позволяет осуществлять способ в непрерывном проточном технологическом цикле, а также усложняет способ за счет необходимости использовать дополнительные стадии очистки всего объема воды от коагулированных частиц.

Также во всех известных способах поддержание pH для обеспечения взаимодействия загрязнений с источниками железа производится в свободном объеме воды при интенсивном перемешивании, например, при создании условий псевдосжиженного (взвешенного) слоя. При этом недостатками использования псевдосжиженного слоя для заявляемого способа являются:

- распространение коагулированных загрязнений во всем объеме воды, что требует дальнейшей очистки, усложняет процесс очистки и требует увеличение габаритных характеристик всей технологической цепочки по очистке воды

- за счет постоянного движения частиц коагуляция на поверхности каталитической засыпки протекает менее эффективно в связи с постоянным «отрыванием» активных частиц коагулянта от поверхности катализатора и снижению количества центров коагуляции.

В качестве ближайшего аналога выбран способ, известный из патента US7713423 (опубл. 11.05.2010, МПК: C02F 1/28, C02F 1/52, C02F 1/62). Известный способ включает добавление реагента на основе соли металла в воду в достаточном количестве и концентрации, чтобы позволить реакциям осаждения между реагентом на основе соли металла и растворенным в воде загрязнителем дойти, по меньшей мере, до почти полного завершения и оставить непрореагировавший реагент на основе соли металла в воде, пропускание воды через змеевиковую трубу, выполненную с возможностью создания более турбулентного потока через изгибы трубы и менее турбулентного потока через прямые участки трубы, пропускание воды через слой движущегося фильтрующего материала, при этом непрореагировавший реагент на основе соли металла в воде реагирует с фильтрующим материалом с образованием на фильтрующем материале реакционноспособного оксида или гидроксида металла для адсорбции растворенных загрязняющих веществ, остающихся в воде. Также в описании известного решения раскрыт вариант отделения коагулированных загрязнений от основного потока воды с использованием минимального количества объема воды от общего потока.

Общими признаками является наличие соли металла в потоке воды для отделения загрязнений, содержащихся в потоке сточных вод, а также образование на поверхности материала фильтрующего слоя (в известном решении - песка) покрытия реакционноспособного соединения (в известном решении - оксида или гидроксида металла), которые должны обеспечивать отделение растворимых загрязнений.

Однако, известный способ является двухстадийным – так же как и во всех известных способах обеспечивают предварительно взаимодействие введенной соли металла с загрязнениями в потоке воды, обеспечивая образование коагулированных частиц, которые затем с потоком воды проходят через фильтр. Это требует обеспечить время и условия для протекания реакции, что в свою очередь приводит к увеличению объемов используемого оборудования и усложнению самого способа. Взаимодействие загрязнений с поверхностью фильтрующего материала происходит в результате сорбции. При взаимодействии солей железа с песком в указанных условиях с образованием «реакционной поверхности», на которой происходит доокисление остаточных загрязнений, но не позволяет обеспечить протекание контактной коагуляции.

Технической задачей является разработка способа очистки сточных вод, который будет обеспечивать одновременно высокую степень очистки, обеспечение режима непрерывного пропускания потока сточных вод через устройства очистки и сокращение объема использующегося в процессе оборудования, т.е. способа, который будет обеспечивать уровень очистки воды по сущности постоянным по времени, который не требует последующей фильтрации всего объема воды, поступающей на очистку и не требует дополнительных устройств для проведения коагуляции/флокуляции.

Технический результат разработанного способа заключается в упрощении процесса очистки потока сточных вод (одностадийность) и уменьшении массогабаритных характеристик устройств, используемых для него, одновременно с сохранением высокой эффективности извлечения загрязнений (взвешенных частиц, железа и других), в том числе ионов цветных и тяжелых металлов, из потока сточных вод. Также обеспечивается использование малого количества воды (до 10%) относительно основного потока, поступающего на очистку для отделения примесей, содержащихся в потоке сточных вод, что также дополнительно сокращает количество оборудования, требуемого для отделения загрязнений, которые были извлечены из потока сточных вод.

Технический результат обеспечивается для способа очистки сточных вод, включающего пропускание потока сточных вод через слой вещества с каталитическими свойствами, обеспечивающими окисление железа (II) до железа (III) на его поверхности, при этом перед слоем вещества с каталитическими свойствами в потоке сточных вод поддерживают содержание солей железа (II) в количестве не менее 0,5 мг/л, поддерживают значение pH потока сточных воды в диапазоне от 7,5 до 8,5 в слое вещества с каталитическими свойствами, поток сточных вод пропускают с объемной скоростью от 1 до 50 объемов слоя вещества с каталитическими свойствами в час.

Технический результат достигается за счет создания в слое вещества с каталитическими свойствами (катализатора) при пропускании через него потока сточных вод реакционной зоны, в которой на поверхности катализатора протекает процесс окисления железа (II) до железа (III) и гидролиз образующихся в результате окисления соединений железа (III). Выделение загрязнений на поверхности катализатора протекает в данных условиях по механизму контактной коагуляции, а не по механизму сорбции.

Катализатор (вещество с каталитическими свойствами) обеспечивает протекание реакции окисления кислородом, всегда содержащимся в потоке сточных вод, при контакте солей железа (II) с поверхностью катализатора. Образующееся в результате оксиления железо (III) гидролизуется при взаимодействии с водой, а образующиеся в результате гидролиза в указанных условиях соединения железа (III) являются высокоэффективным коагулянтом. При взаимодействии с этим коагулянтом загрязнения, содержащиеся в потоке сточных вод при прохождении через каталитический слой, коагулируются и остаются на поверхности катализатора. Коагулированные частицы связаны с поверхностью катализатора слабыми дисперсионными взаимодействиями.

Соотношение объема каталитического слоя и скорости пропускаемого через него потока сточных вод обеспечивает время нахождения фронта потока сточных вод, достаточное для протекания всех указанных реакций. При этом поддержание содержания соединений железа (II) в количестве не менее 0,5 мг/л перед пропусканием через каталитический слой (катализатор) обеспечивает начало соответствующих реакций.

Из уровня техники известно, что значение pH играет существенную роль как в процессах окисления железа, так и в процессах гидролиза и коагуляции. Эти процессы протекают в широком диапазоне pH, но предпочтительно при pН не менее 6 и не более 9. В связи с чем, известные способы, выбранные в качестве аналогов, проводятся именно в этом диапазоне значений pH. При этом в зависимости от рН воды и наличия в ней окислителей и восстановителей, окисление железа (II) может предшествовать гидролизу, идти параллельно с ним или окислению будут подвергаться продукты гидролиза солей железа (II). В связи с чем, механизмы протекающих реакций и влияние условий на них – продолжают активно исследоваться.

В данном случае обеспечивается создание реакционной зоны, в которой обеспечивается протекание последовательных реакций, в результате которых загрязнения с высокой эффективностью извлекаются из потока сточных вод в условиях непрерывного проточного процесса очистки.

При уменьшении или увеличении значений pH эффективность реакций, протекающих в реакционной зоне, снижается. Это может происходить за счет образования на поверхности катализатора смешанных продуктов, которые обладают разной эффективностью при коагуляции загрязнений, а также за счет выпадения в осадок или растворения других соединений. Так, при снижении значений pH будет происходить увеличение растворимости загрязнений, что будет снижать эффективность их извлечения из потока сточных вод. При увеличении pH будет снижаться эффективность протекающих реакций на поверхности катализатора и степень очистки потока сточных вод. Также pH не может превышать 8,5 в соответствии с нормами водоотведения.

В связи с тем, что при гидролизе соединений железа происходит падение значений pH в результате связывания гидроксогрупп, – необходимо обеспечивать поддержание pH в диапазоне от 7,5 до 8,5. Поддержание pH потока сточных вод может осуществляться путем добавления агентов, регулирующих pH, при изменении значений pH ниже 7,5 или выше 8,5. Наиболее предпочтительно поддерживать уровень pH=8.

Поддержание pH включает контроль значений pH в слое вещества с каталитическими свойствами.

Необходимость поддерживать pH именно в реакционной зоне (слое катализатора) связана с тем, что при увеличении pH в потоке воды на входе в каталитический слой будет происходит выпадение гидроксида железа (II) в осадок и процесс окисления на поверхности катализатора протекать не будет.

Толщина каталитического слоя засыпки, практически используемая в устройствах малой производительности, составляет не менее 15 см. В устройствах большей производительности толщина слоя катализатора увеличивается. Максимальная толщина слоя может определяться специалистом в зависимости от типа используемого устройства.

В случае использования тонких слоев катализатора – перепад значений pH может быть не очень значителен и контроль pH может либо не использоваться в принципе, длибо осуществляться в любой точке слоя вещества с каталитическими свойствами. При использовании толстых слоев катализатора контроль pH проводят послойно. Так, если толщина слоя вещества с каталитическими свойствами превышает значение максимального поперечного размера его сечения, контроль pH осуществляют от границы слоя вещества с каталитическими свойствами по ходу потока сточных вод на расстоянии, не превышающем упомянутое значение максимального поперечного размера сечения слоя вещества с каталитическими свойствам. В частности, если сечение слоя вещества с каталитическими свойствами, перпендикулярное пропускаемому потоку сточных вод, имеет круглую форму и толщина слоя вещества с каталитическими свойствами превышает значение диаметра указанного сечения, контроль pH осуществляют от границы слоя вещества с каталитическими свойствами по ходу потока сточных вод регулярно по толщине на расстояниях, не превышающих значения этого диаметра (в случае если устройство представляет трубу). В случае, если устройство имеет квадратную форму, контроль pH осуществляют на расстоянии от границы слоя вещества с каталитическими свойствами по ходу потока сточных вод не более значения стороны квадрата сечения, перпендикулярного проходящему потоку сточных вод. Это позволяет учесть даже незначительный перепад значений pH и сохранить эффективность протекания реакций.

При этом в качестве слоя вещества засыпки с каталитическими свойствами (катализатора) может использоваться любой известный тип катализатора, который обеспечивает окисление железа (II) до железа (III), а сам слой представляет собой твердое сыпучее вещество (например, мелкодисперсный порошок, гранулы или другие известные виды). В частности, может быть использован оксид марганца или иные катализаторы.

Для поддержания содержания соединений железа (II) в количестве не менее
0,5 мг/л проводят определение количества соединений железа (II) в составе сточных вод, которые направляются на очистку. 0,5 мг/л – минимально достаточное количество, которое позволяет обеспечить протекание процессов в реакционной зоне (слое катализатора) и способствует очистке воды. В случае наличия в составе сточных вод соединений железа (II) – дополнительное введение не требуется. Предпочтительно, чтобы содержание солей железа (II) составляло от 5 до 10 мг/л. При таком содержании солей железа обеспечивается высокая степень извлечения загрязнений и обеспечивается возможность длительного использования вещества каталитического слоя без необходимости промывки.

В случае наличия в потоке воды соединений железа (II) в количестве не менее
0,5 мг/л – дополнительное введение соединений железа (II) может быть увеличено в зависимости от количества загрязнений в потоке сточных вод. Конкретное количество может быть определено специалистом любым известным способом, который используется при расчете количества коагулянта для очистки сточных вод.

В случае отсутствия в потоке сточных вод соединений железа (II) в поток сточных вод дополнительно вводят источник железа (II). В качестве источника ионов железа (II) может использоваться соль железа (II), либо железо (II) может быть введено любым известным специалисту способом.

Поток сточных вод может изначально содержать соли железа (III), предпочтительно соотношение железа (II) к железу (III) должно составлять не менее 2:1.

Значение скорости потока взаимосвязано со значением объема вещества с каталитическими свойствами и обеспечивает время взаимодействия потока воды со слоем катализатора (время нахождения в реакционной зоне), достаточное для протекания указанных реакций и эффективности процесса очистки потока сточных вод. Меньшая скорость потока нецелесообразна с точки зрения технологичности процесса, большая скорость потока будет приводить к снижению времени взаимодействия потока сточных вод со слоем катализатора для протекания всех реакций, что будет снижать эффективность процесса очистки.

В результате создания приведенных условий реализации способа очистки обеспечивается окисление железа (II), содержащегося в потоке воды, до железа (III) на поверхности катализатора, в водном растворе происходит гидролиз окисленного железа (III) – на поверхности катализатора образуется высокоэффективный коагулянт.

Известно, что при добавлении коагулянта в воду, под его воздействием коллоиды теряют заряд и уже при столкновении не отталкиваются друг от друга, а объединяются в группы и выпадают в осадок – коагулят. В данном случае частицы сталкиваются с поверхностью твердой засыпки (катализатора), на которой образовался коагулянт, и объединяются в группы на поверхности катализатора, а за счет ионной природы воды и растворенных в ней веществ, а так же электростатических сил, частицы, образующиеся при коагуляции притягиваются друг к другу, образуя более крупные агломераты с большой молекулярной массой, что значительно облегчает процесс их осаждения, в результате чего обеспечивается очистка потока воды.

В результате взаимодействия загрязнений, содержащихся в потоке воды (как взвешенных частиц, так и растворенных) с таким высокоэффективным коагулянтом происходит концентрирование на поверхности катализатора коагулированных частиц.

Способ может включать также стадию удаления из слоя вещества с каталитическими свойствами загрязнений от потока сточных вод путем мехнического воздействия на слой вещества с каталитическими свойствами, а именно – отделение с поверхности катализатора коагулированных частиц.

В одном варианте реализации изобретения используется неподвижный слой катализатора. В этом случае отделение коагулированных частиц осуществляется за счет механического воздействия, например, путем промывки слоя катализатора малым объемом воды. Для этого после очистки потока сточных вод (после остановки процесса) осуществляют промывку небольшим объемом воды с обеспечением встряхивания материала катализатора. В результате частицы загрязнений, которые связаны с поверхностью твердого вещества относительно слабыми силами дисперсионного взаимодействия (силы Ван-дер-Ваальса), отделяются от поверхности и отмываются водой с образованием суспензии. Для промывки используется небольшой объем воды. Обычно он составляет не более 1-5 % от потока сточных вод, прошедшего через слой катализатора. В этом случае отсутствует необходимость использования дополнительных химических реагентов или корректировка рН для растворения загрязнений.

В связи с тем, что окисление железа (II) протекает за счет кислорода, растворенного в потоке сточных вод, содержание кислорода в потоке сточных вод может дополнительно контролироваться. На основании полученных значений может приниматься решение о необходимости нагнетания потока воздуха в поток сточных вод для насыщения кислородом. Это является известным в данной области техники. Предпочтительно, поддерживать содержание кислорода в потоке не менее 5 мг/л, наиболее предпочтительно от 5 мг/л до 10 мг/л.

Во втором (предпочтительном) варианте реализации удаление из слоя вещества с каталитическими свойствами загрязнений от потока сточных вод путем механического воздействия на слой вещества с каталитическими свойствами осуществляют за счет введения в него потока воздуха, способного привести в движение вещество с каталитическими свойствами без образования псевдосжиженного слоя.

Такой поток воздуха может дополнительно насыщать поток сочных вод кислородом для сохранения эффективности процесса окисления и обеспечивать движение частиц вещества слоя в потоке сточных вод, при котором происходит отделение от поверхности катализатора коагулированных частиц. Наиболее предпочтительно, чтобы барботируемый воздух (поток воздуха) обеспечивал условия аэрлифта. В результате суспензия с отделенными коагулированными частицами может быть отделена от основного потока воды с использованием малого (до 5%) относительно основного очищаемого объема воды. Этот вариант реализации, по сути, аналогичен варианту реализации в части отделения суспензии с загрязнениями после прохождения фильтра от основного потока воды, приведенному в прототипе, и дополнительно обеспечивает непрерывность процесса очистки.

Под непрерывностью технологического процесса очистки потока сточных вод понимается исключение стадии, на которой часть потока сточных вод предварительно направляется в отдельный резервуар, в котором она перемешивается с реагентом для коагуляции загрязнений, а потом направляется для отделения коагулированных частиц, после чего в резервуар направляется следующий объем потока сточных вод. При использовании заявленного способа – поток сточных вод пропускается через слой вещества с каталитическими свойствами без разделения на части.

Таким образом, предлагаемое техническое решение обеспечивает условия отделения загрязнений, содержащихся в потоке воды, в условиях реактора идеального вытеснения, в котором процессы перемешивания исключены в принципе. Обеспечивается взаимодействие потока сточных вод со слоем или лежащего, или медленно движущегося катализатора. При этом в слое катализатора создается реакционная зона, в которой за счет поддержания ряда условий (а именно: содержание солей железа (II) в количестве не менее 0,5 мг/л в потоке сточных вод на входе в слой, поддержание pH во всем слое вещества с каталитическими свойствами при прохождении через него потока сточных вод в диапазоне от 7,5 до 8,5, значение объемной скорости потока сточных вод, пропускаемого через слой, соответствует значению от 1 до 50 объемов слоя вещества с каталитическими свойствами в час) на поверхности вещества (катализатора) происходит окисление железа (II) кислородом, содержащимся в потоке воды, гидролиз образующегося железа (III) и образованием на поверхности катализатора за счет контактной коагуляции частиц коагулированных загрязнений, связанных с поверхностью слабыми дисперсионными взаимодействиями.

Т.е. все процессы идут непосредственно в слое вещества с каталитическими свойствами и коагулированные частицы остаются на поверхности или в слое катализатора. Слой катализатора может лежать в устройстве (в случае варианта с неподвижным слоем), может быть размещен между двумя мелкоячеистыми ложными днищами внутри устройства, которое используется при реализации способа, для исключения выноса вещества каталитического слоя, что является известным для специалиста.

Таким образом, при использовании данного способа не происходит образование взвешенной фазы во всем объеме сточных вод, идущих на очистку, а обеспечиваются условия, при которых образующийся коагулянт остается связанным с поверхностью катализатора, при этом обеспечивает захват частиц загрязнений. Даже при реализации варианта способа, который дополнительно включает подачу воздуха в слой катализатора, за счет того, что не достигается псевдосжиженность обеспечивается отделение частиц с поверхности катализатора только в локальных зонах, что позволяет сохранить взаимодействие воды в реакционной зоне с поверхностью катализатора и протекание указанных реакций. Этот вариант обеспечивает только удаление образовавшейся на поверхности катализатора взвеси, и дополнительное окисление, протекание реакции обеспечивается только на поверхности катализатора.

Упрощение способа очистки сточных вод достигается за счет исключения дополнительных стадий очистки, в частности, предварительного взаимодействия потока сточных вод с коагулянтом. Процесс, представленный в настоящем изобретении, является одностадийным.

Снижение массогабаритных характеристик устройств, использующихся для реализации способа, достигается за счет взаимодействия загрязнений с образующимся на поверхности катализатора коагулянтом и также связано с обеспечением одностадийности процесса очистки сточных вод. При наличии неподвижного слоя – они остаются в слое катализатора, последующая очистка которого требует значительно меньших объемов воды. При наличии подвижного слоя – за счет движения частиц катализатора происходит отделение коагулированных на поверхности частиц и их отделение. При этом процесс очистки сточных вод осуществляется в непрерывном технологическом процессе и не требует отдельного аппарата, в котором обеспечивается взаимодействие время и коагулянтов (солей железа) с загрязнениями, содержащимися в сточных водах. В связи с тем, что загрязнения, в том числе при удалении с поверхности вещества с каталитическими свойствами, сконцентрированы в малом объеме, это исключает необходимость дальнейшего использования крупногабаритных технологических аппаратов.

При этом сохраняется высокая эффективность извлечения загрязнений (взвешенных частиц, железа и других) из потока сточных вод за счет реакций, протекающих в реакционной зоне, создаваемой в слое вещества с каталитическими свойствами при пропускании потока сточных вод. Создание реакционной зоны обеспечивается за счет условий, при которых осуществляю пропускание потока сточных вод через слой вещества с каталитическими свойствами.

Дополнительно способ может включать этап обезвоживания загрязнений, которые отделяют с поверхности вещества с каталитическими свойствами, из которого выполнен слой, для их дальнейшей утилизации.

Для повышения качества очистки дополнительно с заявляемым способом могут быть использованы любые известные стадии очистки воды в зависимости от целей и задач процесса очистки. Например, в случае наличия в очищаемой воде, кроме растворимых веществ, значительного количества так называемых «взвешенных» веществ и нефтепродуктов, на предварительной стадии очистки дополнительно могут использоваться фильтры с движущимся слоем с инертной или угольной загрузкой. В случае относительно малых загрязнений дополнительные операции не требуются и очищаемая воды может быть подана на очистку, например, непосредственно после гравитационного осветления.

Согласно способу поток сточных вод пропускают через слой вещества с каталитическими свойствами, обеспечивающими окисление железа (II) до железа (III) на его поверхности. При этом на входе в слой вещества с каталитическими свойствами поддерживают содержание солей железа (II) в количестве не менее 0,5 мг/л, во всем слое вещества с каталитическими свойствами при прохождении через него потока сточных вод поддерживают pH потока воды в диапазоне от 7,5 до 8,5, а значение объемной скорости потока сточных вод, пропускаемого через слой, соответствует значению от 1 до 50 объемов слоя вещества с каталитическими свойствами в час.

Ниже представлены примеры реализации способа, который иллюстрирует заявленное изобретение, но не ограничивает его.

Пример 1. Поток сточной воды из нефтеловушки с расходом 1,05 м³/час направляют в установку, в которой находится слой вещества с каталитическими свойствами, обеспечивающими окисление железа (II) до железа (III) на его поверхности (каталитической загрузки). Поток сточных вод подается в установку снизу. Состав воды, поступившей на очистку, представлен в таблице 1.

В качестве каталитической загрузки использовался слой сорбента МФУ толщиной 2,0 м (объем катализатора составил 125,6 дм³). На расстоянии 40 см друг от друга по высоте слоя катализатора осуществляют контроль pH. Во всем слое катализатора поддерживают значение не ниже pH=8. При падении pH ниже 8 в слой катализатора вводят раствор щелочи.

Как видно из таблицы 1, общее содержание железа в потоке сточных вод составляет 3,9 мг/л. Установлено, что в потоке сточной воды содержится железо (II) в количестве
2,6 мг/л (соотношение железа (II) к железу (III) составило 2:1). В связи с чем, дополнительное введение источника железа (II) в данном случае не требуется.

Сточные воды, имеющиеся на выходе из нефтеловушки, обычно содержат достаточное количество ионов железа (II), что исключает необходимость дополнительного введения источника железа (II).

Слой катализатора находится в движении за счет подачи потока воздуха из нижней части устройства. Прохождение пузырьков воздуха через слой катализатора обеспечивает условия работы аэрлифта с организацией локальных зон интенсивного перемещения, но не образует состояние псевдосжиженного слоя всего катализатора. Дополнительно это также обеспечивает насыщение потока воды кислородом, необходимым для окисления железа (II) до железа (III).

При прохождении потока сточной воды из нефтеловушки через реакционную зону в слое катализатора – на поверхности твердых частиц катализатора происходит окисление железа (II) кислородом, содержащемся в потоке сточной воды, до железа (III), гидролиз образовавшегося железа (III) и коагуляция загрязнений.

В результате использования потока воздуха в зонах интенсивного перемещения при прохождении пузырьков за счет механического воздействия без использования дополнительных химических веществ происходит отделение коагулированных загрязнений от поверхности катализатора (каталитической засыпки) и регенерация последней. Все отделяемые загрязнения сконцентрированы, таким образом, в малом объеме воды. При движении потока воды вверх после слоя катализатора за счет разности плотности чистой воды и воды, которая захватывает отделившиеся от поверхности катализатора загрязнения в верхней части аппарата реализованы разные выходы: выше выход для потока чистой воды, ниже выход для потока воды с загрязнениями. Возможность реализации такого решения также представлена в аналоге US7713423. В результате получают основной объем очищенной воды и малый объем концентрированных загрязняющих веществ, поступающих на дальнейшее обезвоживание.

Объем воды, который содержит загрязнения и был отделен от основного потока воды, составил 5% от объема потока сточных вод, направленных на очистку.

Состав очищенной воды представлен в таблице 1.

Таблица 1. Состав сточных вод, поступающих на очистку и результаты очистки.

№ Место отбора проб Взв.в-ва мг/л Fe
мг/л Al
мг/л Mn
мг/л Zn
мг/л Cu
мг/л Нефтепродукты
мг/л 1 На входе в установку 120 3,9 5,6 1,0 1,3 0,4 1,1 2 На выходе из установки 6,3 0,15 0,34 0,05 0,04 0,03 0,03

Как видно из представленной таблицы – при реализации заявленного способа обеспечивается извлечение широкого спектра загрязнений, в том числе ионов цветных металлов и комплексная очистка растворов сточных вод.

Возможность отделения малого объема воды для дальнейшего обезвоживания, а также возможность реализовать динамический непрерывный технологический процесс, не требующий отдельных емкостей, в которых часть потока воды задерживается для обеспечения взаимодействия коагулянта с загрязнениями, исключает необходимость дальнейшего использования крупногабаритных технологических аппаратов.

Процесс реализован в непрерывном технологическом цикле, обеспечивающем получение основного объема очищенной воды и малого объема концентрированных взвесей загрязняющих веществ, поступающих на дальнейшее обезвоживание.

Пример 2. Аналогично представленному в примере 1 способу была проведена очистка потока сточных вод, состав которых представлен в таблице 2. Общее содержание железа составило 3 мг/л. Содержание железа (II) составило 2 мг/л, в связи с чем в данном случае также отсутствовала необходимость дополнительно введения железа (II).

Подача потока воды проводилась стабилизированным расходом непосредственно через слой катализатора без использованиями операций дополнительной предварительной коагуляции, отстаивания и (или) флотации.

Состав полученной очищенной воды представлен в таблице 2.

Таблица 2. Состав сточных вод, поступающих на очистку, и результаты очистки.

№ Место отбора проб Взв.в-ва мг/л Fe
мг/л Al
мг/л Mn
мг/л Zn
мг/л Нефтепродукты
мг/л 1 На входе в установку 101 3,0 8,9 1,3 3,8 0,45 2 На выходе из установки 8,4 0,11 0,16 0,03 0,08 0,04

Состав очищенной воды соответствует требованиям, предъявляемым к водам после очистки. При этом исключена необходимость в аппаратах, в которых обеспечивается предварительное взаимодействие загрязнений с коагулянтом, также исключена необходимость дополнительной фильтрации после взаимодействия с коагулянтом (например, с использованием псевдосжидженного слоя), что приводит к снижению габаритных характеристик используемых устройств.

Создание условий в реакционной зоне, при которых загрязнения остаются в слое катализатора и затем удаляются с его поверхности, без участия всего объема очищаемых вод, позволяют обеспечить непрерывный технологический процесс очистки потока сточных вод и направлять потока воды на очистку стабилизированные расходом.

Представленные примеры реализации подтверждают достижение технического результата: упрощение процесса очистки потока сточных вод (возможность проведения одностадийной очистки) и уменьшение массогабаритных характеристик устройств для реализации способа одновременно с повышением эффективности удаления загрязнений (взвешенных частиц, ионов тяжелых и цветных металлов). Уменьшение массогабаритных характеристик используемых для реализации способа устройств связано с исключением отдельных устройств (в частности, резервуаров) для взаимодействия загрязнений в потоке воды с веществам, обеспечивающими их извлечение, коагуляцию, а также с непрерывностью процесса и снижением объема воды, содержащей загрязнения для дальнейшей очистки. Также обеспечивается упрощение конструкций устройств, используемых для реализации способа, что связано с необходимостью обеспечения только прохождения потока через слой вещества с каталитическими свойствами при определенных условиях.

Изобретение относится к способам очистки воды, а именно к способам очистки сточных вод - ливневых, производственных и других. Поток сточных вод пропускают через слой вещества с каталитическими свойствами, обеспечивающими окисление железа (II) до железа (III) на его поверхности. Перед слоем вещества с каталитическими свойствами в потоке сточных вод поддерживают содержание солей железа (II) в количестве не менее 0,5 мг/л. Поддерживают значение рН потока сточных воды в диапазоне от 7,5 до 8,5 в слое вещества с каталитическими свойствами. Поток сточных вод пропускают с объемной скоростью от 1 до 50 объемов слоя вещества с каталитическими свойствами в час. Удаляют из слоя вещества с каталитическими свойствами загрязнения от пропущенного через него потока сточных вод путем механического воздействия на слой вещества с каталитическими свойствами путем введения в него потока воздуха, способного привести в движение вещество с каталитическими свойствами без образования псевдоожиженного слоя. Технический результат: упрощение процесса очистки потока сточных вод и уменьшение массогабаритных характеристик устройств, используемых для него, одновременно с сохранением высокой эффективности удаления загрязнений (взвешенных частиц, ионов тяжелых и цветных металлов). 7 з.п. ф-лы, 2 табл., 2 пр.

1. Способ очистки сточных вод, включающий пропускание потока сточных вод через слой вещества с каталитическими свойствами, обеспечивающими окисление железа (II) до железа (III) на его поверхности, при этом:

- перед слоем вещества с каталитическими свойствами в потоке сточных вод поддерживают содержание солей железа (II) в количестве не менее 0,5 мг/л,

- поддерживают значение рН потока сточных воды в диапазоне от 7,5 до 8,5 в слое вещества с каталитическими свойствами,

- поток сточных вод пропускают с объемной скоростью от 1 до 50 объемов слоя вещества с каталитическими свойствами в час,

и удаление из слоя вещества с каталитическими свойствами загрязнений от пропущенного через него потока сточных вод путем механического воздействия на слой вещества с каталитическими свойствами, при этом механическое воздействие на слой вещества с каталитическими свойствами осуществляют путем введения в него потока воздуха, способного привести в движение вещество с каталитическими свойствами без образования псевдосжиженного слоя.

2. Способ по п. 1, в котором поток воздуха способен обеспечить условия аэрлифта в слое вещества с каталитическими свойствами.

3. Способ по п. 1, в котором поддержание рН потока сточных вод в указанном диапазоне осуществляют путем добавления агентов, регулирующих рН, при изменении значений рН ниже 7,5 или выше 8,5.

4. Способ по п. 3, в котором поддержание рН потока сточных вод в указанном диапазоне включает контроль рН в слое вещества с каталитическими свойствами.

5. Способ по п. 4, в котором в случае, если толщина слоя вещества с каталитическими свойствами превышает значение максимального поперечного размера его сечения, контроль рН осуществляют от границы слоя вещества с каталитическими свойствами по ходу потока сточных вод на расстоянии, не превышающем упомянутое значение максимального поперечного размера сечения слоя вещества с каталитическими свойствами.

6. Способ по п. 1, в котором толщина слоя вещества с каталитическими свойствами составляет не менее 15 см.

7. Способ по п. 1, в котором поддержание в потоке сточных вод указанного содержания солей железа (II) перед слоем вещества осуществляют путем введения в поток сточных вод источника железа (II) в случае содержания солей железа менее 0,5 мг/л.

8. Способ по п. 1, в котором в потоке сточных вод поддерживают соотношение количества солей железа (II) к соединениям железа (III) не менее 2:1.