УСТРОЙСТВО ДЛЯ ПОЛУЧЕНИЯ ВОДЫ ПИТЬЕВОГО КАЧЕСТВА

Полезная модель относится к области водоснабжения коллективных пользователей и может быть использована для получения питьевой воды из поверхностных или подземных источников.
В настоящее время в силу неудовлетворительной экологической обстановки, сокращения ресурсов водных источников и нарушения целостности существующих водоводных магистралей и централизованных систем водоподготовки одной из основных проблем жизнеобеспечения стала проблема обеспечения населения водой питьевого качества.
Особенно остро эта проблема возникает в районах стихийных бедствий вследствие непредвиденных катастроф (землетрясения, штормы, наводнения, засухи и т.п.), разрушения водопровода и загрязнения источников воды (родников, колодцев, рек, прудов и т.п.) самыми различными типами загрязнений.
Для сельского населения и жителей поселков, удаленных от центральных станций водоподготовки питьевая вода или отсутствует, или становится очень дорогой и невостребованной, поскольку прокладка магистралей и строительство централизованных станций водоочистки является очень затратным и долговременным мероприятием, а вода питьевого качества, расход которой на питьевые нужды составляет 5-7% от общего объема водопотребления оказывается невостребованной из-за высоких тарифов по цене.
По этой причине разработка новых доступных методов получения воды питьевого качества и производство автономных станций для их осуществления с целью обеспечения населения районов стихийных бедствий и удаленных сельских поселений субъектов Российской Федерации водой питьевого качества, а также обеспечение чистой водой социально-значимых объектов (школы, детские сады и больницы), является весьма актуальной задачей.
Известно устройство для обратноосмотического обессоливания воды, включающее введение в обрабатываемую воду добавок с последующей фильтрацией воды через обратноосмотическую мембрану, причем в качестве добавок используют инертные частицы углерода, например фуллерена или сажи [см. патент RU №2216521 от 04.01.2003, C02F 1/44, 20.11.2003]. Устройство предотвращает загрязнение пермеата добавляемыми в процессе обессоливания веществами и сокращает их расход.
К недостаткам устройства следует отнести снижение производительности за счет забивания по истечении некоторого времени поверхности мембраны механическими частицами добавок.
Известно устройство, с помощью которого осуществляют очистку природных вод, включающую две стадии механической обработки, опреснение обратным осмосом, после двух стадий механической обработки проводят дехлорирование сульфитом натрия, далее воду очищают микрофильтрацией и добавляют ингибитор, опреснение обратным осмосом проводят в две стадии, после первой стадии концентрат сбрасывают, а в пермеат добавляют ингибитор и едкий натр, повышая рН до 10,4, затем проводят вторую стадию опреснения обратным осмосом, причем концентрат после второй стадии обратного осмоса подмешивают в поток на вход первой стадии опреснения, а в пермеат добавляют кислоту и пропускают его через фильтры-кондиционеры с кальциево-магниевой загрузкой [см. патент RU №2225369, 13.03.2003, C02F 9/08, 10.03.2004].
Данное устройство обеспечивает снижение капитальных затрат и затрат на обслуживание опреснительных станций, повышение качества очищенной воды-пермеата до уровня соответствующего рекомендациям ВОЗ, в том числе по бору и солям жесткости.
К недостаткам этого устройства следует отнести его многостадийность и сложность аппаратного оформления. Кроме этого производительность способа, которое осуществляется данным устройством, отличается нестабильностью и зависит от степени загрязнения обратноосмотических мембран.
Известно устройство, с помощью которого осуществляют способ глубокого обессоливания пресных и солоноватых вод, включающий последовательные процессы по ступеням: осветление, обработку осветленной воды на ионообменных фильтрах и обессоливание в обратноосмотической ступени с отводом концентрата из каждой ступени очистки, при этом процесс обратноосмотического обессоливания ведут двухстадийно при более высоком давлении очищаемой воды на каждой последующей стадии обессоливания, причем давление очищаемой воды устанавливают на первой стадии не более 1,6 МПа и не более 4,0 МПа на последней стадии при отношении расходов пермеата к концентрату обратноосмотической ступени в пределах n=7-99, отвод концентрата из обратноосмотической ступени производят в каждой стадии на регенерацию ионообменных фильтров, а пермеат после обратноосмотической ступени очистки подвергают Н-ОН-ионированию [см. патент RU №2283288 23.11.2004, C02F 9/08, B01D 61/12, C02F 1/42, C02F 1/44,].
Достигаемые результаты - увеличение выхода пермеата, уменьшение расхода концентрата, повышение качества обессоленной воды, сокращение сбросов концентрата по ступеням обессоливания и уменьшение расходов воды на собственные нужды установки.
К недостаткам следует отнести многостадийность и сложность аппаратного оформления, а также периодичность работы, связанную с необходимостью восстановления рабочих функций оборудования.
Известно устройство, с помощью которого осуществляют способ получения осветленной воды для питания водооборотных циклов аммиачного производства, заключающийся в заборе исходной воды, ее последующем осветлении, флокуляции, фильтрации от механических и взвешенных частиц и подаче на установку получения деминерализованной воды нанофильтрацией и обратным осмосом, а по мере загрязнения мембранных элементов проводят их очистку путем подачи и выдержки по времени моющих растворов: 50% серной кислоты и 42% щелочи или 20% гипохлорита натрия [см. патент RU №2294794 25.11.2004, B01D 61/14, C02F 9/08, C02F 1/52, 10.03. 2007].
Использование данного устройства обеспечивает получение качественной воды, пригодной для надежной и эффективной работы нанофильтрационных и обратноосмотических установок, используемых в схемах водоподготовок химических производств.
К недостаткам следует отнести большие капитальные затраты на подготовку воды к подаче в обратноосмотический блок.
Известно устройство для очистки с помощью которого осуществляют способ очистки и обеззараживания воды, включающий последовательное выделение из нее в несколько стадий механических примесей и загрязнений с помощью двух напорных сорбционных фильтров и обратноосмотического блока, работающих с остановкой между рабочими циклами для гидравлической очистки мембранного элемента обратноосмотического блока и удаления концентрата, причем на время простоя напорный канал мембранного элемента (напорная емкость обратноосмотического блока) заполняют фильтратом (пермеатом) [см. патент RU №2360870 25.10.2007, C02F 9/08, 10.07.2009].
3
Применение данного устройства обеспечивает единичную производительность 250-500 дм/час в течение 8-20 час/сутки для компактно расположенных коллективных пользователей, при обеспечении заданного по физико-химическим свойствам качества питьевой воды.
Несмотря на то, что этот способ получил широкое применение при обессоливании воды с различной исходной концентрацией растворенных веществ, как и все подобные методы разделения, он имеет существенные недостатки, к которым следует отнести его многостадийность, необходимость тщательной подготовки воды для обратноосмотической очистки, что влечет большие капитальные и эксплуатационные затраты, недостаточную производительность и, соответственно, сложность аппаратного оформления.
По этой причине разработка технологических схем, включающих обратноосмотическое обессоливание и управление режимами их эксплуатации с целью снижения капитальных и энергетических затрат являются первостепенными, актуальными и востребованными.
3
Наиболее близкой по совокупности существенных признаков заявляемой конструкции устройства является автономная установка для очистки и обеззараживания воды, включающая установленные в технологической последовательности напорный сорбционный фильтр грубой (механической) очистки, напорный насос, связанный с напорным каналом мембранного элемента (напорной емкостью) обратноосмотического блока, безнапорный канал (безнапорная емкость) которого соединена с накопительной емкостью фильтрата (пермеата), при этом напорная емкость обратноосмотического блока имеет единый штуцер для отвода концентрата в дренажную систему и подвода пермеата из накопительной емкости посредством дополнительного насоса, и систему управления установкой [см. патент RU №2360870, С02F 9/08, 10.07.2009]. Установка обеспечивает единичную производительность 250-500 дм/час в течение 8-20 час/сутки для компактно расположенных коллективных пользователей, при обеспечении заданного по физико-химическим свойствам качества питьевой воды.
К недостаткам установки следует отнести конструктивную сложность ее многостадийного процесса, необходимого для тщательной подготовки воды к ее последующей очистке в обратноосмотическом блоке и недостаточную производительность, снижающуюся в течение рабочего цикла в результате непрерывной работы.
3
Задача, решаемая заявленной полезной моделью, заключается в расширении арсенала технологических средств для получения воды питьевого качества, в упрощении способа очистки и повышении его производительности до 250-60000 дм/час в течение 8-20 час/сутки.
Поставленная задача решается за счет того, что устройство для очистки питьевой воды от механических примесей, согласно полезной модели, выполнено в виде автономной станции и содержит фильтр механической очистки, выполненный с возможностью отделения примесей с размером частиц более 5 мкм, к выходу которого подключен расходный бак ингибитора и напорный насос, при этом фильтр и напорный насос связаны с обратноосмотическим блоком, выполненным в виде напорной и безнапорной емкости, а также, по меньшей мере, одного низконапорного рулонного мембранного элемента, выполненного с возможностью разделения воды на пермеат и концентрат.
Техническим результатом, на достижение которого направлена заявленная полезная модель, является повышение надежности работы устройства с одновременным повышением качества очистки воды.
Полезная модель поясняется чертежом, на котором изображена схема заявленного устройства.
Устройство, выполненное в виде автономной станции, включает установленные в технологической последовательности фильтр 1 механической (грубой) очистки, напорный насос 2, связанный с напорной емкостью 3 обратноосмотического блока 4, безнапорная емкость 5 которого соединена с накопительной емкостью 6 пермеата, при этом напорная емкость 3 обратноосмотического блока 4 имеет единый штуцер 7 для отвода концентрата и подвода пермеата из накопительной емкости 6 посредством дополнительного насоса 8, и систему управления (условно не показана), при этом фильтр 1 механической очистки выполнен с возможностью отделения механических примесей с размером частиц более 5 мкм, а к выходу 9 фильтра 1 механической очистки подключен расходный бак 10 ингибитора.
Следует отметить, что под термином «напорная емкость обратноосмотического блока» понимают внутренний объем трубопроводов, примыкающих к мембране обратноосмотического блока 4, и где сосредоточена подлежащая очистке вода. В свою очередь, «безнапорная емкость» - внутренний объем трубопроводов на выходе с мембраны обратноосмотического блока 4, где сосредоточена очищенная вода (фильтрат, пермеат).
Автономная станция получения воды питьевого качества отличается от известных установок тем, что подготовка воды к подаче в обратноосмотический блок 4 осуществляется единственно с помощью фильтра 1 механической очистки, обеспечивающем отделение механических примесей с размером частиц более 5 мкм. Возможно оснащение станции расходным баком 10 для подачи ингибитора. В остальном, станция реализует уникальный алгоритм, позволяющий обеспечить работоспособность оборудования, получение воды требуемого качества и достаточную производительность.
Фильтр 1 механической очистки с рейтингом фильтрования 5 мкм (Sediment 5 micron) представляет собой типовой блок, включающий корпус фильтра (10′′-20′′ Filter Housing), картриджи (10′′-20′′ Cartridge), монтажный кронштейн и ключ. Среди имеющихся на рынке можно отметить такие, как фильтры серий ABR-1/2, 3/4 и другие, мультипатронные фильтры серий AEG-C14, FYT, CF05-28 и другие. Настоящие фильтры используются для механической очистки от ржавчины, песка и других механических примесей размером более 5 мкм. Применение их в качестве основной и единственной ступени для подготовки воды к подаче в обратноосмотический блок 4 неизвестно.
Типовой обратноосмотический блок 4 состоит из одного обратноосмотического низконапорного рулонного мембранного элемента desal ak диаметром 8′′ модели ak8040f с внешним покрытием из стеклопластика. Блок характеризуется высокой селективностью и низким рабочим давлением (6,9 бар) и предназначен для деминерализации вод хозяйственно-бытового и питьевого назначения и солоноватых вод.
3
Система дозирования ингибитора осадкообразования представляет собой расходный бак 10 и насос-дозатор 15 ингибитора, который работает параллельно с рабочим насосом подачи исходной воды (на схеме условно не показан) и дозирует ингибитор осадкообразования в исходную воду, поступающую по линии 16. В качестве ингибиторов осадкообразования используются, например, «Аминат Д» и/или «ИОМС-1» в соответствующей дозе на 1 м обрабатываемой воды.
Система периодической гидравлической промывки реализована посредством использования магнитного клапана 14 на линии 13 концентрата. Гидравлическая промывка проводится каждый раз при включении и выключении станции, а также через определенные, рассчитанные для конкретной, подлежащей очистке воды, промежутки времени τ (час) при непрерывной работе станции.
Система заполнением напорной емкости 3 обратноосмотического блока 4 на время технологических перерывов пермеатом (условное название - «ополаскивание пермеатом») реализована посредством использования магнитного клапана 17 на дополнительной линии 18 пермеата, выходящего из накопительной емкости 6 при работе насоса 8.
Также в составе станции получения воды питьевого качества используется и другое типовое, как правило, стандартизованное оборудование, необходимое для ее работы - разнообразные краны, датчики, манометры, расходомеры, обратные клапаны и пр. (на схеме показаны не все).
3
3
Номинальная производительность описанной автономной станции по пермеату, как упоминалось выше, составляет 0,25-60,0 м/час, при этом общий расход воды, подаваемый в напорную емкость обратноосмотического блока составляет 0,5-90,0 м/час.
Автономная станция получения воды питьевого качества работает следующим образом.
Исходная вода поступает под давлением 2,0-6,0 бар (атм.) на станцию по линии 16 через запорный кран 19. Проходя последовательно через фильтр 1 механической очистки, вода очищается от ржавчины, песка и других механических примесей размером более 5 мкм. Такая предварительная очистка необходима как для обратноосмотического блока 4, так и для нормальной работы насоса 2. На выходе 9 фильтра 1 в подготовленную воду из расходного бака 10 ингибитора с помощью насоса-дозатора 15 поступает необходимое количество, например, полифосфатов. Далее с помощью насоса 2 под давлением около 10 бар подготовленная и заправленная ингибитором вода подается в напорную емкость 3 обратноосмотического блока 4, который представляет собой один или несколько свернутых в рулон мембранных элементов 11, что зависит от требуемой производительности станции. При прохождении воды через мембрану (мембраны) происходит ее разделение на два потока - пермеат (фильтрат) и концентрат - воду, обогащенную коллоидными частицами и растворенными солями, которая сливается в дренаж (или в собственную накопительную емкость для повторного пропускания через станцию, в случае дефицита исходной воды).
Прошедшая через мембранный элемент 11 обратноосмотического блока 4 вода полностью очищается от взвешенных и коллоидных частиц, микроорганизмов, низкомолекулярных органических соединений и солей тяжелых металлов, на 90-99% удаляются соли одновалентных ионов и соли жесткости. Очищенная вода из безнапорной емкости 5 обратноосмотического блока 4 по линии 20 через запорный кран 21 подается в накопительную емкость 6, а оттуда - потребителям. Часть пермеата будет использована при «консервации» напорной емкости 3 во время технологических перерывов. Производительность станции по пермеату определяется ротаметром 22, а его качество контролируется датчиком кондуктометра 23.
Гидравлическая промывка мембранного элемента 11 обратноосмотического блока 4 при включении станции, а также через определенные промежутки времени при непрерывной работе станции, осуществляется посредством использования магнитного клапана 14 на линии 13 концентрата. При срабатывании магнитного клапана 14 давление в напорной емкости 3 падает до уровня атмосферного. Резкое падение давления и увеличение скорости потока воды способствуют очищению поверхности мембраны от загрязнений. По истечении примерно 10 секунд магнитный клапан 14 отключается. В это время не прекращается процесс подачи пермеата в накопительную емкость 6 от обратноосмотического блока 4 - просто временно снижается его давление.
Гидравлическая промывка мембранного элемента 11 при выключении станции на технологический перерыв отличается тем, что после ее проведения насос 2 и магнитный клапан 14 отключаются для обеспечения возможности заполнения напорной емкости 3 обратноосмотического блока 4 пермеатом. Для этого срабатывает магнитный клапан 17 на линии 18 подвода пермеата из накопительной емкости 6 и слабо-кислый пермеат под напором насоса 8 через штуцер 7 устремляется в напорную емкость 3 с вытеснением оттуда воды подготовленной для очистки, но еще не прошедшей ее. Только после этого станция может быть полностью отключена до истечения технологического перерыва. Подобная операция не только «консервирует» мембрану обратноосмотического блока 4, препятствуя осаждению солей на ее поверхности, но и растворяет соли, которые не были удалены в результате гидравлической промывки.
Безусловно, по истечении определенного времени меняют фильтр 1 механической очистки станции на новый, и проводят ее плановое техническое обслуживание с промывкой магистралей и оборудования химическими реагентами.
Паспортная производительность станции рассчитывается при температуре воды 25°С. Однако производительность мембраны обратноосмотического блока сильно зависит от температуры исходной воды. При уменьшении температуры воды на 1°С производительность по пермеату снижается ориентировочно на 3%. Поэтому производительность станции следует рассчитывать исходя из реальной температуры исходной воды.
Количество получаемого пермеата зависит также от ее рабочего давления, концентрации солей в ней, загрязненности фильтра 1 механической очистки и мембранного элемента 11 обратноосмотического блока 4.
3
3
Одна станция с производительностью по пермеату 1,5 м/час способна выдать до 24 м воды питьевого качества в течение двух рабочих смен по 8 часов, тем самым обеспечить водой более 12000 человек. Станция в отсутствии централизованных источников энергии (электричество с напряжением 220 в и частотой 50 гц) может работать автономно на базе специально подобранных генераторов или автомобильных двигателей.
3
В результате использования полезной модели был расширен арсенал технологических средств для получения воды питьевого качества - было разработано соответствующее устройство, которое отличается доступностью и простотой реализации, и обеспечивают производительность до 250-60000 дм/час в течение 8-20 час/сутки.