СПОСОБ ОЧИСТКИ ПРИРОДНЫХ ВОД
METHOD OF TREATING NATURAL WATER

Изобретение относится к области очистки воды и может быть использовано для получения питьевой воды из поверхностных и подземных источников.
Известен способ обработки воды в жидкостно-газовом эжекторе кислородом воздуха, подающимся в эжектор при давлении 0,3-0,7 ата, и последующей обработкой воды минеральной кислотой (Патент RU 2208598 С1, МПК C02F 9/08, опубл. 20.07.2003). Недостатком способа является необходимость использования минеральной кислоты, соли которой в очищенной воде необходимо удалять, что требует усложнения установки.
Известен способ очистки питьевой воды (Патент RU 2238912 C2, МПК C02F 1/64, опубл. 20.08.2003), включающий последовательную обработку очищаемой воды перманганатом калия и пероксидом водорода с последующим фильтрованием. Недостатком способа является необходимость использования дефицитного и неустойчивого пероксида водорода.
Наиболее близким по технической сущности к заявленному является способ очистки воды от примесей железа, марганца, углекислоты и органических примесей, включающий аэрацию воды воздухом, последовательное окисление гипохлоритом натрия и подщелачивание известью в смесителях с последующим двухстадийным фильтрованием. На первой стадии фильтрования на осветительном фильтре (кварцевый песок) задерживаются гидроксиды железа, марганца, а также сера, затем осветленную воду дополнительно подвергают окислению гипохлоритом натрия и пропускают через сорбционный фильтр (А.С. SU 1368846, C02F 9/00, опубл. 23.01.1988).
Недостатком известного способа является двукратное использование при очистке питьевой воды гипохлорита натрия, неполнота очистки от коллоидных железоорганических частиц, повышение жесткости исходной воды и невозможность очистки от примесей анионного характера, в частности кремниевой кислоты и ее растворимых солей.
Задачей изобретения является комплексная очистка воды из подземных и поверхностных (речных, озерных, болотных) источников за счет удаления из воды соединений железа, марганца, бикарбонатов щелочно-земельных металлов, кремниевой кислоты и ее солей и органических примесей, упрощение схемы очистки воды и снижение содержания примесей до значений, не превышающих предельно допустимых концентраций.
Поставленная задача решается тем, что в способе очистки природных вод, включающем окисление, нейтрализацию и двухстадийное фильтрование, окисление с одновременным переводом примесей в растворимое состояние проводят раствором угольной кислоты, получаемой при насыщении исходной воды диоксидом углерода, а нейтрализацию образовавшихся соединений проводят раствором гидроксида кальция с концентрацией 1-1.3 г/л с последующим удалением осадка сначала в отстойнике и на фильтрате с нейтральной засыпкой, а затем на фильтре со слабоосновной засыпкой.
Насыщение исходной воды диоксидом углерода производят путем его подачи во всасывающий патрубок центробежного насоса при давлении диоксида углерода более 0,1 МПа.
2
В качестве слабоосновной засыпки на второй стадии фильтрации используется брусит Mg(OH) с размером зерен 3-10 мм.
Железо в природных водах может находиться в виде ионов двухвалентного железа, в виде коллоидных органических и неорганических соединений и в виде истинного раствора органических соединений двух- и трехвалентного железа. В водах рек и озер, особенно болотного происхождения, железо может содержаться в виде органических соединений или в коллоидной форме. Марганец в подземной водах содержится в виде солей двухвалентного марганца, хорошо растворимых в воде. В поверхностных водах марганец может содержаться в виде коллоидных или комплексных органических соединений (Справочник проектировщика. Водоснабжение населенных мест и промышленных предприятий- М.: Стройиздат, 1977, с.191-193).
3
4
2
При аэрировании природных вод в результате окисления кислородом воздуха соединения железа и марганца переходят в нерастворимое состояние в виде коллоидных Fe(OH) и Мn(ОН). Аналогичные процессы протекают и при контакте кислорода воздуха с поверхностными водами, сопровождающимися процессами адсорбции гуминовых и других органических соединений на поверхности коллоидных частиц гидроксидов с образованием весьма устойчивых комплексов нанодисперсного размера, удаление которых из воды является сложной технической проблемой. В предлагаемом способе вместо аэрации используется насыщение исходной воды диоксидом углерода, в результате чего образуется раствор угольной кислоты с концентрацией CO в воде в пределах 60-440 мг/л, (pH 6,2-4,1) при 20°C. При взаимодействии угольной кислоты с коллоидными органоминеральными частицами гидроксидов железа и марганца происходит разрушение этих частиц и образуются водорастворимые гидрокарбонаты металлов по реакциям:
<mrow><mi>F</mi><mi>e</mi><msub><mrow><mrow><mo>(</mo><mrow><mi>O</mi><mi>H</mi></mrow><mo>)</mo></mrow></mrow><mn>2</mn></msub><mo>+</mo><mn>2</mn><mi>C</mi><msub><mi>O</mi><mn>2</mn></msub><mo>=</mo><mi>F</mi><mi>e</mi><msub><mrow><mrow><mo>(</mo><mrow><mi>H</mi><mi>C</mi><msub><mi>O</mi><mn>3</mn></msub></mrow><mo>)</mo></mrow></mrow><mn>2</mn></msub><mo>;</mo><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mrow><mo>(</mo><mn>1</mn><mo>)</mo></mrow></mrow>
<mrow><mi>F</mi><mi>e</mi><msub><mrow><mrow><mo>(</mo><mrow><mi>O</mi><mi>H</mi></mrow><mo>)</mo></mrow></mrow><mn>3</mn></msub><mo>+</mo><mn>2</mn><mi>C</mi><msub><mi>O</mi><mn>2</mn></msub><mo>=</mo><mi>F</mi><mi>e</mi><msub><mrow><mrow><mo>(</mo><mrow><mi>H</mi><mi>C</mi><msub><mi>O</mi><mn>3</mn></msub></mrow><mo>)</mo></mrow></mrow><mn>2</mn></msub><mo>+</mo><mi>O</mi><msup><mi>H</mi><mo>−</mo></msup><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mrow><mo>(</mo><mn>2</mn><mo>)</mo></mrow></mrow>
<mrow><mi>M</mi><mi>n</mi><msub><mrow><mrow><mo>(</mo><mrow><mi>O</mi><mi>H</mi></mrow><mo>)</mo></mrow></mrow><mn>4</mn></msub><mo>+</mo><mn>4</mn><mi>C</mi><msub><mi>O</mi><mn>2</mn></msub><mo>=</mo><mi>M</mi><mi>n</mi><msub><mrow><mrow><mo>(</mo><mrow><mi>H</mi><mi>C</mi><msub><mi>O</mi><mn>3</mn></msub></mrow><mo>)</mo></mrow></mrow><mn>4</mn></msub><mo>.</mo><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mrow><mo>(</mo><mn>3</mn><mo>)</mo></mrow></mrow>
Технологическая схема насыщения исходной воды диоксидом углерода и ее очистки представлена на фиг.1.
Исходная вода из бака 1 по трубопроводу 2 поступает в центробежный насос 3, во всасывающий патрубок которого из баллона 4 подается диоксид углерода при давлении 0,05-0,15 МПа. При вращении рабочего колеса насоса газожидкостная смесь под действием центробежной силы радиально отбрасывается к внутренней поверхности улитки насоса, где возникает повышенное давление, под действием которого увеличивается интенсивность насыщения воды диоксидом углерода. Величина давления в нагнетающем патрубке насоса обусловлена величиной напора, который необходимо создать для преодоления всех гидравлических сопротивлений, возникающих на всем тракте движения воды. Внутри улитки насоса происходит не только растворение газа в воде, но и начинают протекать реакции (1-3).
Под действием напора, создаваемого насосом 3, вода через регулировочный кран 5 поступает в промежуточную емкость 6 для завершения процессов растворения диоксида углерода в воде и далее в конический реактор 7 с насадкой из инертного заполнителя (гравий, керамзит) с размером зерен 10-20 мм. В нижнюю часть реактора 7 с помощью насоса 8 из емкости 9 подается известковая вода с концентрацией гидроксида кальция 1,17-1,22 г/л (А.В.Волженский. Минеральные вяжущие вещества. - М.: Стройиздат, 1986, с.92). При приготовлении известковой воды используется либо исходная вода, либо вода, подаваемая из фильтра первой ступени очистки 10 центробежным насосом 11, которая поступает в нижнюю часть емкости 9 и, проходя через слой засыпки (кассету) гидроксида кальция, насыщается им. При контакте известковой воды с водой, насыщенной диоксидом углерода, в реакторе 7 протекают следующие реакции:
<mrow><mi>C</mi><mi>a</mi><msub><mrow><mrow><mo>(</mo><mrow><mi>H</mi><mi>C</mi><msub><mi>O</mi><mn>3</mn></msub></mrow><mo>)</mo></mrow></mrow><mn>2</mn></msub><mo>+</mo><mi>C</mi><mi>a</mi><msub><mrow><mrow><mo>(</mo><mrow><mi>O</mi><mi>H</mi></mrow><mo>)</mo></mrow></mrow><mn>2</mn></msub><mo>=</mo><mn>2</mn><mi>C</mi><mi>a</mi><mi>C</mi><msub><mi>O</mi><mn>3</mn></msub><mo>+</mo><mn>2</mn><msub><mi>H</mi><mn>2</mn></msub><mi>O</mi><mo>;</mo><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mrow><mo>(</mo><mn>4</mn><mo>)</mo></mrow></mrow>
<mrow><mi>M</mi><mi>g</mi><msub><mrow><mrow><mo>(</mo><mrow><mi>H</mi><mi>C</mi><msub><mi>O</mi><mn>3</mn></msub></mrow><mo>)</mo></mrow></mrow><mn>2</mn></msub><mo>+</mo><mi>C</mi><mi>a</mi><msub><mrow><mrow><mo>(</mo><mrow><mi>O</mi><mi>H</mi></mrow><mo>)</mo></mrow></mrow><mn>2</mn></msub><mo>=</mo><mi>C</mi><mi>a</mi><mi>C</mi><msub><mi>O</mi><mn>3</mn></msub><mo>⋅</mo><mi>M</mi><mi>g</mi><mi>C</mi><msub><mi>O</mi><mn>3</mn></msub><mo>+</mo><mn>2</mn><msub><mi>H</mi><mn>2</mn></msub><mi>O</mi><mo>;</mo><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mrow><mo>(</mo><mn>5</mn><mo>)</mo></mrow></mrow>
<mrow><mi>F</mi><mi>e</mi><msub><mrow><mrow><mo>(</mo><mrow><mi>H</mi><mi>C</mi><msub><mi>O</mi><mn>3</mn></msub></mrow><mo>)</mo></mrow></mrow><mn>2</mn></msub><mo>+</mo><mi>C</mi><mi>a</mi><msub><mrow><mrow><mo>(</mo><mrow><mi>O</mi><mi>H</mi></mrow><mo>)</mo></mrow></mrow><mn>2</mn></msub><mo>=</mo><mi>C</mi><mi>a</mi><mi>C</mi><msub><mi>O</mi><mn>3</mn></msub><mo>+</mo><mi>F</mi><mi>e</mi><mi>C</mi><msub><mi>O</mi><mn>3</mn></msub><mo>+</mo><mn>2</mn><msub><mi>H</mi><mn>2</mn></msub><mi>O</mi><mo>;</mo><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mrow><mo>(</mo><mn>6</mn><mo>)</mo></mrow></mrow>
<mrow><mi>M</mi><mi>n</mi><msub><mrow><mrow><mo>(</mo><mrow><mi>H</mi><mi>C</mi><mi>O</mi><mn>3</mn></mrow><mo>)</mo></mrow></mrow><mn>2</mn></msub><mo>+</mo><mi>C</mi><mi>a</mi><msub><mrow><mrow><mo>(</mo><mrow><mi>O</mi><mi>H</mi></mrow><mo>)</mo></mrow></mrow><mn>2</mn></msub><mo>=</mo><mi>C</mi><mi>a</mi><mi>C</mi><msub><mi>O</mi><mn>3</mn></msub><mo>+</mo><mi>M</mi><mi>n</mi><mi>C</mi><msub><mi>O</mi><mn>3</mn></msub><mo>+</mo><mn>2</mn><msub><mi>H</mi><mn>2</mn></msub><mi>O</mi><mo>+</mo><mi>C</mi><msub><mi>O</mi><mn>2</mn></msub><mo>;</mo><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mrow><mo>(</mo><mn>7</mn><mo>)</mo></mrow></mrow>
<mrow><msub><mi>H</mi><mn>2</mn></msub><mi>S</mi><mi>i</mi><msub><mi>O</mi><mn>3</mn></msub><mo>+</mo><mi>C</mi><mi>a</mi><msub><mrow><mrow><mo>(</mo><mrow><mi>O</mi><mi>H</mi></mrow><mo>)</mo></mrow></mrow><mn>2</mn></msub><mo>=</mo><mi>C</mi><mi>a</mi><mi>O</mi><mo>⋅</mo><mi>S</mi><mi>i</mi><msub><mi>O</mi><mn>2</mn></msub><mo>⋅</mo><mn>2</mn><msub><mi>H</mi><mn>2</mn></msub><mi>O</mi><mo>.</mo><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mrow><mo>(</mo><mn>8</mn><mo>)</mo></mrow></mrow>
3
3
3
3
3
2
2
При протекании реакций (4-8) образуются практически нерастворимые в воде соединения: кальцит CaCO, доломит CaCO·MgCO, сидерит FeCO, карбонат марганца МnСO и гидросиликаты кальция CaO·SiO·2HO. По такой же схеме происходит образование других металлов, ионы которых присутствуют в исходной воде.
2
Вода из реактора 7 поступает в отстойник 12, в котором в результате протекания процесса самопроизвольной коагуляции (автокоагуляция), происходит осветление воды. Осветленная вода поступает на фильтр первой ступени очистки 10, заполненный нейтральной насадкой (кварцевый песок, глинистые сланцы, полипропиленовая вата, дробленые горелые и цеолитовые породы), а затем на фильтр второй ступени очистки 13, заполненный слабоосновной насадкой, в качестве которой используется дробленый брусит Mg(OH) с размером зерен 3-10 мм. Очищенная вода поступает в емкость 14, откуда центробежным насосом 15 подается в водопроводную сеть чистой питьевой воды.
Пример исполнения.
2
Предложенный способ испытан при очистке скважинной воды с концентрацией железа 5,6 мг/л, марганца 0,18 мг/л, органических гумусовых веществ 3,8 мгO/л и кремния 20 мг/л при pH 7,5±0,2. 200 мл воды с температурой 15°C помещали в стеклянный стакан с плотной крышкой, снабженный мешалкой (500 об/мин) и патрубком для подачи непосредственно в воду диоксида углерода из баллона при 0,05-0,15 МПа. Насыщение воды газом проводили в течение 1, 3, 5, и 10 мин. После насыщения воды диоксидом углерода вода переливалась из мешалки в стеклянный стакан, в который приливалась известковая вода в соотношении 2:1. После приливания известковой воды к воде, насыщенной углекислотой, наблюдалось во всех случаях образование мути, которая через 5-10 мин объединялась в хлопья за счет автокоагуляции, и после дополнительного перемешивания, оседания осадка и отстаивания проводилась фильтрация на однослойном бумажном фильтре. В полученном фильтрате определялось содержание примесей железа, марганца, кремния и органики. Все данные по насыщению исходной воды углекислотой и по содержанию примесей после нейтрализации известковой водой представлены в таблице, анализ которой позволяет сделать следующие выводы:
- концентрация углекислоты, растворенной в воде, зависит от давления подаваемого газа и времени контакта воды с диоксидом углерода;
2
2
- удовлетворительные результаты по насыщению воды CO получаются при давлении CO более 0,1 МПа в течение 5-10 мин;
- содержание определяемых примесей в воде после ее очистки не превышает значений ПДК.
Большое значение в предлагаемом способе очистки воды имеет предварительное насыщение воды углекислотой, в результате чего вода приобретает кислотные свойства, в которой растворяются коллоидные органоминеральные частицы и за счет этого происходит разрушение этих частиц. Процесс нейтрализации такой воды известковой водой сопровождается образованием сначала нанодисперсных частиц с последующим объединением их в хлопья, которые не растворимы в воде и обладают высокой адсорбционной способностью. Все эти факты подтверждают высокую эффективность предлагаемого способа очистки воды, которой невозможно достичь при использовании многих известных способов. Предлагаемый способ очистки воды является простым в осуществлении, не требует использования дефицитных реагентов, а образующиеся осадки представляют собой экологически безвредные карбонаты различных металлов. Способ можно использовать для снабжения питьевой водой небольших населенных пунктов, вахтовых поселков в районах Сибири и Крайнего Севера.
Способ очистки природных вод
Давление CO<sub>2</sub>, МПа
Время насыщения воды CO<sub>2</sub>, мин
Концентрация CO<sub>2</sub> в воде, мг/л
Значение pH воды
Содержание примесей после очистки воды, мг/л
Железо (ПДК=0,3 мг/л)
Марганец (ПДК=0,1 мг/л)
Кремний (ПДК=10 мг/л)
Органика (ПДК=5 мг O<sub>2</sub>/л)
1
60
6,2
2,3
0,16
18,0
3,2
3
160
5,8
0,8
0,11
17,5
2,9
0,05
5
250
5,1
0,25
0,07
12,5
2,7
10
340
4,6
0,22
0,05
12,0
2,5
1
90
6,0
0,91
0,14
17,6
2,8
3
180
5,5
0,72
0,10
14,3
2,5
0,10
5
280
5,0
0,20
0,07
10,2
2,0
10
360
4,4
0,20
0,05
10,0
2,0
1
140
5,8
0,82
0,12
16,2
2,8
0,15
3
220
5,3
0,24
0,07
11,4
2,4
5
340
4,7
0,18
0,05
9,8
2,0
10
440
4,1
0,15
0,05
9,5
1,8