СПОСОБ ОЧИСТКИ ВОДЫ Российский патент 2025 года по МПК C02F9/00 C02F1/34 C02F1/46 C02F1/52 

Изобретение относится к способам очистки воды населенных пунктов, промышленных предприятий, воды в естественных и искусственных водохранилищах от органических соединений и может быть использовано при очистке воды для производства воды хозяйственно-питьевого и промышленно-технического назначения.

Из уровня техники известны способы обработки воды коагулированием, включающие добавление к воде минеральных солей с гидролизующимися катионами, анодное растворение металлов или простое изменение рН среды, если в обрабатываемой воде уже содержатся в достаточном количестве катионы, способные образовывать при гидролизе малорастворимые соединения. В практике очистки питьевых вод в качестве коагулянтов обычно используются соли алюминия, соли железа или их смеси в разных пропорциях. В редких случаях находят применение соли магния, цинка и титана (Бабенков Е.В. Очистка воды коагулянтами. - М.: Наука, 1977, с. 72).

Известен способ обеззараживания воды по заявке на изобретение RU №2001112045 (МПК C02F 1/50, C02F 9/12, C02F 1/32, C02F 1/34, дата публ. 26.06.2003), согласно которому предварительную гидродинамическую обработку потока воды осуществляют в кавитационном реакторе проточного типа с последующей обработкой ультрафиолетовым излучением, при этом гидродинамическую кавитацию осуществляют ступенчато с помощью дополнительно устанавливаемых возбудителей кавитации, при этом перед началом кавитационной обработки поток жидкости сужают до достижении скорости потока 19,0÷28,0 м/с, а ультрафиолетовое облучение проводят интенсивностью 13,5÷15,0 мДж/см². Наряду с преимуществами безреагентной обработки воды, недостатком данного метода является зависимость эффективности обеззараживания от мутности и цветности воды, содержания железа, а также возможность вторичного роста микроорганизмов.

Известен способ очистки природных подземных вод (патент RU №2187462, МПК C02F 1/64, C02F 9/04, C02F 101/20, C02F 103/04, дата публ. 20.08.2002), реализуемый с использованием блока окисления, блока осветления, блока фильтрации, системы регенерации, блока ввода коагулянтов и флокулянтов, при этом блок фильтрации содержит фильтры, заполненные природным материалом со слабоосновными свойствами, природным инертным материалом, а система регенерации состоит из линий подачи воздуха, подключенной к верхнему слою загрузки фильтров, линии отвода регенерирующих растворов. Здесь в результате взаимодействия с коагулянтом, нейтрализующим заряд коллоидных частиц и тем самым приводящим к разрушению коллоидного раствора за счет первичного слипания частиц, а затем в результате взаимодействия с флокулянтом, приводящим к вторичному слипанию частиц и образованию крупных хлопьев, которые осаждаются, создавая нисходящий поток осадка. За счет противоточного контактного взаимодействия перерабатываемой воды с осаждающимся веществом (осветление в контактной среде) процессы укрупнения осадка и осветления воды происходят со скоростью, достаточной для того, чтобы за характерное время пребывания перерабатываемой воды в реакторе-осветлителе 15 (около 1 часа) из его верхней части выходила преимущественно осветленная вода, которая поступает в каскад отстойников (полочный отстойник). Недостатком данного изобретения является то, что данная установка для проведения процесса регенерации фильтрующих материалов требует остановки процесса фильтрации воды.

Известен наиболее близкий по совокупности существенных признаков, выбранный в качестве прототипа способ очистки воды (патент RU ИЗ №2769109, МПК C02F 9/12, дата публ. 28.03.2022) от различных загрязнений, заключающийся в последовательном воздействии на обрабатываемую воду электроимпульсного воздействия, что приводит к усилению процесса разрушения гидратных оболочек ионов и инициирует начало процесса перекрестных окислительно-восстановительных реакций между свободными от гидратных оболочек ионами загрязнителей, далее воду подают в коноидальную форсунку для создания высокоскоростной струи воды, затем создают искусственно сформированную кавитацию за счет удара скоростных насыщенных воздухом капель воды о мишень, при этом возникает низкотемпературное кипение и дегазация, далее происходит коагуляция образующихся мелкодисперсных частиц загрязнений, которые подхватываются пузырьками воздуха, образуя пену, и далее подаются на фильтрацию или дальнейшую очистку. Недостатком данного технического решения является нестабильность сохранения нормативных показателей качества при очистке от органических загрязнений.

В связи с этим возникает необходимость разработки такого способа очистки воды, способного обеспечить поддержание постоянства заданного качества очистки воды согласно нормативным показателям.

Задачей, решаемой заявляемым техническим решением является достижение и сохранение стабильности нормативных показателей очистки воды от органических соединений.

Техническим результатом заявляемого решения является повышение качества очистки воды с высоким содержанием органических соединений за счет сохранения стабильности нормативных показателей, а именно по мутности, цветности, щелочности, окисляемости, водородному показателю и остаточному алюминию путем синергетического эффекта от кавитационного и электроимпульсного процесса с коагуляцией и флокуляцией.

Решение поставленной технической задачи достигается тем, что в способе очистке воды, включающей электроимпульсную, кавитационную с подачей воздуха, ультразвуковую обработку подаваемой на очистку воды и фильтрацию, дополнительно в воду перед электроимпульсной обработкой в импульсном режиме вводят смесь коагулянта и флокулянта в соотношении 17:1 соответственно дозой 6-9 мг/л, а кавитационную обработку осуществляют при давлении 350-400 кПа с последующей фильтрацией на полистирольной загрузке с фракционным составом 0,8-1,2 мм.

Для понимания сущности заявляемого технического решения на фиг.1 представлено схематическое изображение способа очистки воды, где 1 - напорный трубопровод для подачи воды; 2 - патрубок для подачи раствора коагулянта в напорный трубопровод; 3 - патрубок для подачи раствора флокулянта в напорный трубопровод; 4 - блок электроимпульсной обработки; 5 - кавитационный реактор; 6 - отводящий патрубок пены; 7 - фильтрующая полистирольная загрузка; 8 - сетка для предотвращения уноса зерен фильтрующей загрузки; 9 - блок фильтра; 10 - перелив; 11 - трубопровод отвода промывных вод.

Сущность заявляемого технического решения состоит в том, что воду с расходом 6,86-7,43 м³/ч подают в напорный трубопровод 1, где в воду одновременно в импульсном режиме вводят раствор коагулянта 2 и флокулянта 3 в соотношении 17:1 дозой 6-9 мг/л. Экспериментально установлено, что увеличение и уменьшение дозы коагулянта за пределами указанного диапазона не приводит к увеличению эффективности очистки. Затем воду, содержащую растворы коагулянта и флокулянта, подают в зону действия электроимпульсной обработки воды 4, где на воду оказывают поочередное воздействие положительными и отрицательными импульсами электрического поля (в диапазоне напряжений от 35 кВ до 50 кВ при частоте при частоте импульсов от 0,1 Гц до 20 Гц [патент RU 2769109, дата публ. 28.03.2022, МПК C02F 9/12]), в результате чего происходит разрушение гидратных оболочек ионов, которые затем под действием растворов коагулянта и флокулянта образуют первичные хлопья загрязнителей. Далее воду с растворами коагулянта и флокулянта подают в кавитационный реактор 5, представляющий собой форсунку с входной камерой коноидальной формы и выходной камерой в форме диффузора. В камере коноидальной формы кавитационного реактора производят ускорение движения воды и формирование высокоскоростной струи, а также насыщение воды пузырьками воздуха за счет создания в камере коноидального реактора вакуума и последующего всасывания воздуха давлением 350 - 400 кПа, а также активное перемешивание воды с поступающим воздухом и растворами коагулянта и флокулянта. Выходящая из коноидального реактора трассированная струя потока воды, содержащая растворы коагулянта и флокулянта ударяется в установленную на его пути упругую мишень. В результате чего происходит искусственно сформированная кавитация - схлопывание пузырьков, перемешанных с потоком, и, как следствие кипение, активная дегазация воды. Вследствие разрушения гидратных оболочек ионов загрязнений, органическая составляющая, имеющая гидрофобную поверхность, прилипает к пузырькам газа и выносится с ними в отводящий патрубок 6 в виде пены. Гидрофильные загрязнения, гидратные оболочки которых разрушены, характеризуется -потенциалом, близким к нулю, в результате такие частицы способны при сталкивании к слипанию и укрупнению. При этом положительно заряженные коллоидные частицы коагулянта и флокулянта нейтрализуют отрицательно заряженные коллоидные примеси воды, способствуя тому, что частицы различной природы слипаются друг с другом, образуя хлопьевидный осадок. Вода с хлопьевидным осадком поступает в нижнюю часть блока фильтра 9 и далее на фильтрующую полистрирольную загрузку 7, которая удерживается сеткой 8, где по мере движения воды снизу вверх через полистирольную загрузку задерживается образующийся хлопьевидный осадок. В результате очищенная осветленная вода, образующаяся над слоем полистирольной загрузки, самотеком через перелив 10 направляется в резервуары хранения. А промывные воды, образующиеся при промывке фильтра, по трубопроводу отвода промывных вод 11 подаются в систему канализации.

Таким образом, совокупность воздействующих на подаваемую на очистку воду факторов с учетом синергетического эффекта от кавитационного и электроимпульсного процесса с коагуляцией и флокуляцией в соотношении коагулянта к флокулянту 17:1 соответственно дозой 6-9 мг/л и наличия фильтрующей загрузки фракции 0,8-1,2 обеспечивают решение поставленной задачи - повышение качества очистки воды с высоким содержанием органических соединений за счет сохранения стабильности нормативных показателей, а именно по мутности, цветности, щелочности, окисляемости, водородному показателю и остаточному алюминию.

На фиг.1 представлено схематическое представление реализации способа очистки воды по заявляемому техническому решению. На примерах рассмотрена очистка воды из Ладожского озера в Ленинградской области и Большегрязнеского озера в г. Североморск. Исходные показатели качества подаваемой на очистку воды приведены в таблице 1.

Согласно схематическому представлению реализации способа очистки воды, приведенной на фиг.1, воду расходом 7 м³/ч подают в напорный трубопровод 1, где затем одновременно в импульсном режиме в воду вводят через патрубки 2 и 3 растворы коагулянта и флокулянта соответственно в соотношении 17:1 дозой 6-9 мг/л. Затем воду, содержащую растворы коагулянта и флокулянта, подают в зону действия блока электроимпульсной обработки воды 4. В этой зоне обработку воды производят импульсами частотой от 0,1 Гц до 20 Гц. От этих процессов в напорном трубопроводе 1 формируются синфазно с частотой генерации импульсов электрического поля импульсы ультразвуковой и звуковой частоты, которые затем распространяются по напорному трубопроводу 1. Это приводит к разрушению гидратных оболочек ионов загрязнений, которые затем под действием растворов коагулянта и флокулянта образуют первичные хлопья загрязнителей.

Далее воду с растворами коагулянта и флокулянта подают в кавитационный реактор 5, представляющий собой форсунку с входной камерой коноидальной формы и выходной камерой в форме диффузора. Выходящая из камеры в форме диффузора кавитационного реактора 5 трассированная струя потока воды ударяется в установленную на его пути упругую мишень. В результате чего происходит искусственно сформированная кавитация - схлопывание пузырьков, перемешанных с потоком. Возникает кипение, активная дегазация воды. В результате органическая составляющая, имеющая гидрофобную поверхность, прилипает к пузырькам газа и выносится с ними в отводящий патрубок 6 в виде пены. Более тяжелые укрупненные частицы загрязнений вследствие действия растворов коагулянта и флокулянта под действием сил тяжести оседают на дне блока фильтра 9, в котором содержится фильтрующая полистирольная загрузка 7. За счет своего небольшого удельного веса загрузка всплывает, поднимаемая потоками воды к верху блока фильтрации 9, где удерживается сеткой 8, позволяющей создать плавучий плотный слой загрузки обладающий необходимой степенью задержки загрязнений. Таким образом, после кавитационного реактора 5 поток воды самотеком поступает в нижнюю часть фильтра 9, представляющего собой зерна полистирольной загрузки диаметром 0,8-1,2 мм, объем фильтра - 4,5 м³, высота загрузки 1,5 м. Дальше воду подают снизу-вверх через полистирольную загрузку 7, удерживаемую сеткой 8, образуя над этой сеткой уже слой очищенной и осветленной воды, которая через перелив 10 самотеком направляется в резервуары хранения. А промывные воды, образующиеся при промывке фильтра, по трубопроводу отвода промывных вод 11 подаются в систему канализации.

В таблице 2 приведены показатели качества очищенной воды из Ладожского озера, расположенного в Ленинградской области. Из представленных данных видно, что наиболее оптимальной дозой коагулянта и флокулянта при расходе воды 7 м³/ч является доза 7 мг/дм³.

Так при этой дозе показатели мутности составляют 0,10-0,24 мг/дм³, окисляемости - 4,3-5 мг/дм³, цветности 4,3-5,0 градусов, щелочности 0,6-0,8 ммоль/дм³, остаточному алюминию 0,0026 мг/дм³, что соответствует нормативным показателям качества согласно СанПиН 01.2.3685-21.

Дальнейшее увеличение дозы коагулянта и флокулянта не приводит к существенному увеличению эффективности очистки.

При очистке воды из Большегрязненского озера, г. Североморск (таблица 3), характеризующейся более низкими значениями водородного показателя рН 6 - 6,5, т.е. - более высокой щелочностью (таблица 1), также достигаются высокие показатели очистки при оптимальной дозе коагулянта и флокулянта 8 мг/дм³ (таблица 3): показатели мутности составляют не более 0,1-1,5 мг/дм³, цветности не более 3,8 мг/дм³, щелочности 0,55-0,8 ммоль/дм³, окисляемости 4-10 мг/дм³, что соответствует нормативным показателям согласно СанПиН 01.2.3685-21.

Уменьшение расхода с 7 м³/ч до 6,86 м³/ч подаваемой на очистку воды рассмотрено на примере очистки воды из поверхностного источника - реки Невы. Как видно из представленных в таблице 4 данных, снижение расхода до 6,86 м³/ч практически не приводит к ухудшению качества очистки, показатели качества, такие как мутность, цветность, окисляемость, рН остаются в пределах нормы в соответствии с СанПиН 01.2.3685-21, что подтверждает достижение заявляемого технического результата.

Изобретение относится к способам очистки воды населенных пунктов, промышленных предприятий, воды в естественных и искусственных водохранилищах от органических соединений и может быть использовано при очистке воды для производства воды хозяйственно-питьевого и промышленно-технического назначения. Способ включает электроимпульсную, кавитационную с подачей воздуха, ультразвуковую обработку подаваемой на очистку воды и фильтрацию. В воду дополнительно перед электроимпульсной обработкой в импульсном режиме вводят смесь коагулянта и флокулянта в соотношении 17:1 соответственно дозой 6-9 мг/л. Кавитационную обработку осуществляют при давлении 350-400 кПа с последующей фильтрацией на полистирольной загрузке с фракционным составом 0,8-1,2 мм. Технический результат - повышение качества очистки воды с высоким содержанием органических соединений за счет сохранения стабильности нормативных показателей, а именно по мутности, цветности, щелочности, окисляемости, водородному показателю путем синергического эффекта от кавитационного и электроимпульсного процесса с коагуляцией и флокуляцией. 1 ил., 4 табл.

Способ очистки воды, включающий электроимпульсную, кавитационную с подачей воздуха, ультразвуковую обработку подаваемой на очистку воды и фильтрацию, отличающийся тем, что в воду дополнительно перед электроимпульсной обработкой в импульсном режиме вводят смесь коагулянта и флокулянта в соотношении 17:1 соответственно дозой 6-9 мг/л, кавитационную обработку осуществляют при давлении 350-400 кПа с последующей фильтрацией на полистирольной загрузке с фракционным составом 0,8-1,2 мм.