Способ очистки природных, производственных и сточных вод Российский патент 2025 года по МПК C02F9/00 C02F1/52 B01D24/14 B01D24/46 

Область техники, к которой относится изобретение

Изобретение относится к технологии очистки природных и сточных вод физико-химическими методами и может быть использовано в различных отраслях, таких как энергетика, химическая, нефтехимическая, пищевая промышленность, в частности для очистки производственных, бытовых, атмосферных, шахтных, пластовых, карьерных вод и воды хвостохранилищ.

Уровень техники

В качестве наиболее близкого аналога выбран способ очистки природных и сточных вод на установке (см. патент RU 75160, опубликован 27.07.2008), включающий очистку воды на двух напорных фильтрах - фильтре с плавающей зернистой загрузкой и на фильтре с тяжелой зернистой загрузкой. В качестве материала для плавающей зернистой загрузки 1-го фильтра используется пенополистирол. В качестве материала для тяжелой зернистой загрузки используется двухслойная загрузка, состоящая из верхнего слоя антрацита высотой 0,8-1,5 м и с размером гранул 1,0-2,5 мм и нижнего слоя кварцевого песка высотой 0,6-1,2 м и с размером гранул 0,6-1,8 мм. Очищаемую воду, в поток которой возможна подача коагулянта, направляют в фильтр с плавающей загрузкой, где происходит очистка от коллоидных и механических примесей. Далее, для тонкой очистки, воду направляют в фильтр с тяжелой зернистой загрузкой.

В то же время, описываемый способ очистки на установке свидетельствует недостатках:

1) В процессе эксплуатации плавающая зернистая загрузка из пенополистирола сильно сжимается и под механическим воздействием теряет свои фильтровальные свойства.

2) Увеличивается перепад давления на фильтре, что приводит к частым выводам на промывку или к поломке.

3) Поскольку тонкая очистка проводится с использованием дополнительного фильтра с тяжелой зернистой загрузкой, то для его размещения требуются дополнительные площади. При больших производительностях системы очистки таких аппаратов будет несколько, что влечет ограничения для размещения подобной установки на площади, отведенной для строительства установки очистки.

Сущность изобретения

Изобретение решает задачу повышения качества очищения природных, производственных и сточных вод в широком диапазоне загрязнений.

Достигаемый технический результат заключается в повышении реакционной способности между загрязняющими веществами и вводимыми реагентами на стадии предварительной обработки; уменьшении кольматации фильтрующей загрузки; повышении эффективности очистки.

Указанный технический результат достигается способом очистки природных, производственных и сточных вод, состоящим в том, что

- обеспечивают поток очищаемой воды и подают упомянутый поток в емкость для предварительной обработки;

- обеспечивают возможность подачи в упомянутую емкость химических реагентов в составе: коагулянт и флокулянт, при этом упомянутые химические реагенты подают в упомянутую емкость через патрубки, расположенные на различной высоте, а объем упомянутой емкости выбирают таким образом, чтобы продолжительность взаимодействия очищаемой воды с химическими реагентами достигала до 60 минут при температуре от +1°С до +30°С;

- после предварительной обработки очищаемую воду подают из упомянутой емкости на вход фильтра с полимерной загрузкой в направлении сверху-вниз;

- в качестве фильтрующего материала используют слой толщиной не менее 0,5 м, состоящий из полимерных гранул размером от 2 мм до 10 мм и с плотностью от 1,01 г/см³ до 1,5 г/см³;

- прошедшую очистку воду отводят из упомянутого фильтра;

- по мере накопления загрязнений осуществляют промывку фильтрующего материала путем частичного дренирования фильтра с последующей подачей сжатого воздуха в направлении снизу-вверх и подачей промывающей воды в направлении снизу-вверх.

Для получения очищенной воды высокой степени очистки в качестве фильтрующего материала дополнительно к слою полимерных гранул можно использовать нижний слой сыпучей минеральной загрузки толщиной от 0,5 м до 1,5 м с размером гранул от 0,4 мм до 2,5 мм.

В качестве емкости для предварительной обработки могут быть использованы безнапорная и напорная емкости.

Перечень фигур чертежей

На фиг. 1 показана общая схема реализации способа с безнапорной емкостью и фильтром с полимерной загрузкой.

На фиг. 2 показана общая схема реализации способа с напорной емкостью и фильтром с полимерной загрузкой.

На фиг. 3 показана общая схема реализации способа с безнапорной емкостью и фильтром с двухслойной загрузкой.

На фиг. 4 показана общая схема реализации способа с напорной емкостью и фильтром с двухслойной загрузкой.

Осуществление изобретения

В связи с повышением требований обеспечения населения питьевой и технической водой, а также необходимостью очистки природных, производственных и сточных вод ставятся новые технические задачи перед разработчиками средств и технологий по очистке и подготовке воды.

Настоящее изобретение решает задачу очистки природных, производственных и сточных вод за счет комплекса физико-химических воздействий.

Способ предусматривает предварительную обработку и химическую очистку в емкости, в которой предусмотрена возможность подачи химических реагентов в составе: коагулянт и флокулянт.

Указанные реагенты подают в емкость на разных уровнях, обеспечивая тем самым усиление эффекта от воздействия каждого далее вводимого реагента.

После предварительной обработки очищаемую воду подают из емкости для основной очистки на вход фильтра с полимерной загрузкой в направлении сверху-вниз.

Общая схема реализации изобретения представлена на Фиг. 1.

Исходную очищаемую воду направляют в трубопровод 1 подачи исходной воды и подают в емкость 4 для осуществления предварительной обработки.

На фиг. 1 показан вариант с применением безнапорной емкости 4, представляющей из себя резервуар, который может быть изготовлен из углеродистой, нержавеющей стали, железобетона или полимерных материалов.

В емкость 4 дозированно вводят раствор коагулянта из бака 2 посредством насоса-дозатора 3 и раствор флокулянта из бака 5 посредством насоса-дозатора 6 через патрубки, расположенные на разной высоте в емкости.

Загрязнения, находящиеся в исходной очищаемой воде, начинают взаимодействовать с реагентами в емкости 4, где происходит интенсивное образование и укрупнение хлопьев загрязнений. Объем емкости 4 выбирается таким образом, чтобы обеспечить необходимую длительность обработки воды реагентами до 60 минут при температуре от +1°С до +30°С.

Далее обработанная вода подается с помощью насоса 7 на фильтр с полимерной загрузкой 9 через установленный на трубопроводе дискповоротный затвор 8.

Безнапорную емкость целесообразно применять для обработки воды с температурой от +1°С до +10°С.

Напорную емкость, приведенную на Фиг. 2, целесообразно применять для обработки воды с температурой от +10°С до +30°С.

Напорная емкость 15 представляет из себя цилиндрический аппарат с эллиптическими или торическими днищами.

Напорная емкость может быть изготовлена из углеродистой, нержавеющей стали или полимерных материалов.

Исходная вода по трубопроводу 1 подается в напорную емкость 15, а реагенты вводятся в той же последовательности, что при обработке с использованием безнапорной емкости - подача коагулянта и флокулянта в емкость 15 через патрубки, расположенные на разной высоте в емкости.

Обработанная вода после емкости 15 под остаточным давлением поступает на фильтр с полимерной загрузкой 9 через установленный на трубопроводе дискповоротный затвор 8.

На Фиг. 1 и 2 представлен фильтр 9 с однослойной фильтрующей полимерной загрузкой (ФПЗ). Обработка воды на ФПЗ 9 осуществляется в нисходящем направлении, т.е. сверху-вниз.

ФПЗ 9 представляет из себя цилиндрический аппарат с эллиптическими или торическими днищами. Внутри ФПЗ расположены верхнее дренажно-распределительное устройство 10 (ВДРУ) и нижнее дренажно-распределительное устройство 13 (НДРУ). В качестве фильтрующей загрузки используют слой фильтрующего материала 12 толщиной не менее 0,5 м, состоящий из полимерных гранул размером от 2 мм до 10 мм и с плотностью от 1,01 г/см³ до 1,5 г/см³.

В качестве фильтрующего материала 12 используют искусственные и природные полимерные материалы с добавками для увеличения массы или без них. В качестве материала для полимерных гранул полимерной загрузки могут быть использованы поливинилхлорид, полистирол, полиэтилен, полипропилен и другие полимерные материалы с различными утяжеляющими добавками или без них, причем форма самих гранул может быть сферической, полусферической, эллипсоидной и цилиндрической.

Очищаемая вода, предварительно обработанная реагентами в емкости 4 или 15, поступает в ФПЗ 9 в направлении сверху-вниз через ВДРУ 10 и распределяется по объему аппарата к нижнему днищу. По мере поступления воды к фильтрующей загрузке 12 происходит образование водного пространства 11, которое обеспечивает дополнительное время реакции для находящихся в воде реагентов с частицами загрязнений, которые задерживаются гранулами фильтрующей загрузки 12. Очищенная вода выводится из аппарата через НДРУ 13 и отводится через установленный на трубопроводе очищенной воды дискповоротный затвор 14.

По мере загрязнения фильтрующей загрузки в ФПЗ 9 периодически проводится взрыхляющая промывка, которая восстанавливает загрузку и приводит фильтр к исходному состоянию для последующей очистки воды. Промывка проводится путем частичного дренирования фильтра с последующей подачей сжатого воздуха в направлении снизу-вверх и подачей промывающей воды в направлении снизу-вверх.

В качестве фильтра с полимерной загрузкой могут применяться как однокамерные, так и многокамерные фильтры, корпус которых состоит из двух или трех камер, герметично разделенных перегородками. В этом случае каждая камера имеет собственные ВДРУ и НДРУ, соединенные с трубопроводами подачи очищаемой воды в аппарат и отвода очищенной воды из аппарата. Применение многокамерных фильтров позволяет увеличить производительность очистки.

ФПЗ многокамерный может иметь ряд дополнительных преимуществ:

- Увеличенная производительность за счет увеличения площади фильтрования в 2 раза (для двухкамерного ФПЗ), в 3 раза (для трехкамерного ФПЗ);

- Поскольку в каждую из камер будет равномерно подаваться обработанная реагентами исходная очищаемая вода, причем в каждой камере это происходит в направлении «сверху-вниз», то в каждой из камер присутствует эффект образования водного пространства, что обеспечивает одинаково устойчивое образование флокул загрязнений;

По мере загрязнения фильтрующей загрузки многокамерных ФПЗ проводится взрыхляющая промывка, аналогичным образом как при проведении промывки однокамерных ФПЗ.

Для обеспечения высокого качества очищенной воды целесообразно использовать двухслойный фильтрующий материал в фильтре 9, как показано на Фиг. 3 и 4. В качестве дополнительного нижнего слоя фильтрующего материала 16 целесообразно использовать слой сыпучей минеральной загрузки толщиной от 0,5 м до 1,5 м с размером гранул от 0,4 мм до 2,5 мм, при этом плотность минеральной загрузки подбирается таким образом, чтобы она была выше плотности полимерной загрузки 12.

В таком варианте исполнения фильтра 9 исходная очищаемая вода, предварительно обработанная реагентами после емкости 4 или 15, поступает на очистку в ФПЗ через установленный на трубопроводе дискповоротный затвор 8 и вводится в фильтр через ВДРУ 10 в нисходящем потоке, т.е. сверху-вниз, Образовавшиеся укрупненные хлопья загрязнений сначала задерживаются гранулами полимерной фильтрующей загрузки 12. Далее происходит финишная доочистка через расположенную ниже минеральную загрузку 16. Очищенная вода выводится из фильтра через НДРУ 13 и отводится через установленный на трубопроводе очищенной воды дискповоротный затвор 14.

По мере загрязнения двухслойной фильтрующей загрузки ФПЗ 9 периодически проводится взрыхляющая промывка, которая восстанавливает загрузку и приводит фильтр к исходному состоянию для последующей очистки воды. Промывка проводится одновременно для обоих слоев загрузки путем частичного дренирования фильтра с последующей подачей сжатого воздуха в направлении снизу-вверх и подачей промывающей воды в направлении снизу-вверх.

Предлагаемое изобретение поясняется следующими примерами.

Пример 1. Станция подготовки воды, Тверская область, Вышний Волочек

Для очистки речной воды с целью получения воды питьевого качества в количестве 20 м³/ч, направляемой в сеть водоснабжения, использовались следующие стадии очистки в составе: коагуляция исходной воды и фильтрация на вертикальных осветительных фильтрах. Качество воды не соответствовало нормам СанПиН, предъявляемым к качеству питьевой воды.

Были проведены пилотные испытания с использованием следующей схемы очистки:

- обработка исходной воды коагулянтом и флокулянтом непосредственно перед подачей на фильтры;

- подача воды на фильтр с полимерной и минеральной загрузкой;

- обеззараживание очищенной воды раствором гипохлорита натрия.

Предложенное изобретение позволило обеспечить совокупное дополнительное время контакта исходной воды с реагентами до 15 мин. Вследствие внедренных решений отмечено образование устойчивых хлопьев загрязнений, которые эффективно задерживаются в ФПЗ благодаря процессу налипания загрязнений на гранулах полимерной загрузки. К тому же не было обнаружено случаев сверхнормированного дозирования реагентов, которые наблюдались при эксплуатации существующей схемы очистки.

Был проведен сравнительный анализ между качеством очищенной воды, получаемой на эксплуатируемой ранее установке, и воды, очищенной в соответствии с настоящим изобретением. Результаты представлены в таблице 1.

По результаты проведенных пилотных испытаний по модернизированной схеме достигнуты требования, предъявляемые к качеству очищенной воды.

Пример 2. Очистные сооружения, Кемеровская область

Для обеспечения комплексной очистки шахтных и ливневых вод, подаваемых от существующего отстойника, с достижением качества очищенной воды, необходимым для возврата на технологические нужды производства, либо для подачи на последующую ступень очистки с целью сброса в водный объект, требовалась установка предварительной очистки шахтных вод производительностью 1370 м³/ч. В результате разработанных заказчиком основных технических решений (OTP) была использована технология с применением очистки на фильтрующей дамбе в объеме отстойников и доочистка на скорых фильтрах.

В результате проведения пилотных испытаний схемы, отраженной в OTP, а также альтернативной технологической схемы (обработка воды коагулянтом, флокулянтом и фильтрация на фильтре с полимерной загрузкой) были получены данные, отраженные в таблице 2.

По результаты проведенных пилотных испытаний по альтернативной технологической схеме достигнуты требования, предъявляемые к качеству очищенной воды.

Пример 3. Подготовка технической воды, Белгородская область На металлургическом предприятии, в связи с наращиванием производственного цикла продукции, появилась потребность в проектировании и строительстве новой установки водоподготовки, которая должна обеспечить очистку речной воды в объеме 600 м³/ч. Существующая устаревшая установка не могла обеспечить в необходимом объеме предприятие водой заданного качества.

На стадии проектирования была заложена в проект технологическая схема с использованием осветительных фильтров с песчаной загрузкой. С целью подтверждения работоспособности схемы очистки, были проведены пилотные испытания (ПИ) установки, работающей по заложенной в проект технологии, а также с использованием альтернативной технологии, описываемой в настоящем изобретении (предварительная обработка воды с использованием реагентов и дальнейшей фильтрацией на ФПЗ с полимерной загрузкой).

В процессе проведения ПИ были отмечены значительные превышения показателей качества исходной речной воды по присутствующим в ней загрязнениям по сравнению с указанными на стадии проектирования. Результаты работы очистки речной воды на установках, работающих по проектной схеме и по альтернативной, приведены в таблице 3.

В результате полученных данных отмечено, что качество очистки воды по альтернативной схеме выше, чем по проектной схеме.

Приведенные выше примеры подтверждают высокий технический уровень изобретения и возможность достижения указанных технических результатов.

Улучшение реакционной способности между загрязняющими веществами и вводимыми реагентами обеспечивается путем ввода коагулянта и флокулянта в емкость (напорной, безнапорной) для увеличения времени срабатывания реагентов и для усиления эффекта хлопьеобразования.

Использование полимерного материала в качестве фильтрующей загрузки позволяет исключить разрушение минеральной загрузки при использовании флокулянта. Полимерные гранулы практически не подвержены истиранию, размер их гранул больше, вследствие чего грязеемкость загрузки ФПЗ значительно увеличивается вместе с увеличением продолжительности фильтроцикла. Также, для промывки ФПЗ требуется меньшее количество воды на собственные нужды, что влечет за собой экономию на электроэнергии и эксплуатационных затратах.

Снижается потребность в частой досыпке или полной замене фильтрующей полимерной загрузки, поскольку она имеет значительно больший срок службы по сравнению с минеральными загрузками.

Дополнительный технический результат, состоящий в увеличении производительности очистки решается путем внедрения фильтров многокамерных с полимерной загрузкой.

Повышенное качество очищенной воды обеспечивается дополнительным введением нижнего слоя минерального фильтрующего материала.

Изобретение относится к технологии очистки природных и сточных вод физико-химическими методами и может быть использовано в различных отраслях. Обеспечивают поток очищаемой воды и подают упомянутый поток в емкость для предварительной обработки. В упомянутую емкость подают химические реагенты в составе: коагулянт и флокулянт. Химические реагенты подают в емкость через патрубки, расположенные на различной высоте. Объем емкости выбирают таким образом, чтобы продолжительность взаимодействия очищаемой воды с химическими реагентами достигала до 60 минут при температуре от +1°С до +30°С. После предварительной обработки очищаемую воду подают из емкости на вход фильтра с полимерной загрузкой в направлении сверху-вниз. В качестве фильтрующего материала используют слой толщиной не менее 0,5 м, состоящий из полимерных гранул размером от 2 мм до 10 мм и с плотностью от 1,01 г/см³ до 1,5 г/см³. Прошедшую очистку воду отводят из фильтра. По мере накопления загрязнений осуществляют промывку фильтрующего материала путем частичного дренирования фильтра с последующей подачей сжатого воздуха в направлении снизу-вверх и подачей промывающей воды в направлении снизу-вверх. Технический результат: повышение реакционной способности между загрязняющими веществами и вводимыми реагентами на стадии предварительной обработки, уменьшение кольматации фильтрующей загрузки, повышение эффективности очистки. 3 з.п. ф-лы, 3табл., 4 ил., 3 пр.

1. Способ очистки природных, производственных и сточных вод, состоящий в том, что

- обеспечивают поток очищаемой воды и подают упомянутый поток в емкость для предварительной обработки;

- обеспечивают возможность подачи в упомянутую емкость химических реагентов в составе: коагулянт и флокулянт, при этом упомянутые химические реагенты подают в упомянутую емкость через патрубки, расположенные на различной высоте, а объем упомянутой емкости выбирают таким образом, чтобы продолжительность взаимодействия очищаемой воды с химическими реагентами достигала до 60 минут при температуре от +1°С до +30°С;

- после предварительной обработки очищаемую воду подают из упомянутой емкости на вход фильтра с полимерной загрузкой в направлении сверху-вниз;

- в качестве фильтрующего материала используют слой толщиной не менее 0,5 м, состоящий из полимерных гранул размером от 2 мм до 10 мм и с плотностью от 1,01 г/см³ до 1,5 г/см³;

- прошедшую очистку воду отводят из упомянутого фильтра;

- по мере накопления загрязнений осуществляют промывку фильтрующего материала путем частичного дренирования фильтра с последующей подачей сжатого воздуха в направлении снизу-вверх и подачей промывающей воды в направлении снизу-вверх.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что в качестве фильтрующего материала дополнительно к слою полимерных гранул используют нижний слой сыпучей минеральной загрузки толщиной от 0,5 м до 1,5 м с размером гранул от 0,4 мм до 2,5 мм, причем плотность минеральной загрузки подбирается таким образом, чтобы она была выше плотности полимерной загрузки.

3. Способ по п.1, отличающийся тем, что в качестве емкости для предварительной обработки используется безнапорная емкость.

4. Способ по п.1, отличающийся тем, что в качестве емкости для предварительной обработки используется напорная емкость.