УСТРОЙСТВО ДЛЯ ОЧИСТКИ ПИТЬЕВОЙ ВОДЫ
DEVICE FOR TREATMENT OF DRINKING WATER

Изобретение относится к области водоподготовки, а именно к области устройств очистки воды, и может быть использовано для очистки питьевой воды от растворенных в ней природных примесей в промышленном и хозяйственно-бытовом водоснабжении.
Известен (US, патент 3497068) фильтр для очистки воды, содержащий корпус с подводящим и отводящим патрубками и расположенными в корпусе слоями крупнозернистой (щебень) и мелкозернистой (песок) фильтрующей загрузкой. При этом указанный фильтр рекомендовано периодически промывать, подавая в патрубок отвода очищенной воды промывочную воду.
Недостатком известного фильтра следует признать низкое качество регенерации загрузки при промывке, а также вынос из корпуса фильтрующей загрузки при обратной промывке.
Развитием конструкции этого фильтра можно признать (SU, авторское свидетельство 1022722) конструкцию фильтра для очистки воды от твердых и эмульгированных включений. Известный фильтр содержит корпус с подводящим и отводящим патрубками и расположенными в корпусе слоями крупнозернистой (щебень) и мелкозернистой (песок) фильтрующей загрузкой, при этом мелкозернистая загрузка расположена в поровом пространстве крупнозернистой, последняя выполнена не расширяющейся при промывке, а соотношение высот слоев из крупнозернистой и мелкозернистой загрузок составляет 1:0,3-0,8.
Недостатком известной конструкции фильтра можно признать слабое удерживание из-за неоптимальности состава загрузки таких загрязнений воды, как соединения двухвалентного железа, сероводорода, тяжелых металлов, гуматов.
Известен (SU, авторское свидетельство 1754174) зернистый фильтр, содержащий фильтрующие элементы, корпус которых заполнен зернистым материалом (гравием). Фильтрующие элементы расположены по окружности. Кроме того, фильтр снабжен установленным по оси окружности устройством для загрузки зернистого материала.
Недостатком известной конструкции фильтра можно признать слабое удерживание из-за неоптимальности состава загрузки таких загрязнений воды, как соединения двухвалентного железа, сероводорода, тяжелых металлов, гуматов.
Известна конструкция (RU, патент 41303) фильтра для очистки воды, содержащая установленный в водоеме каркас с размещенным внутри него заполнителем для очистки. Дно водоема несет слой щебенки, боковые стенки водоема несут слой щебенки и бетонные упоры и основания с образованием жесткого поперечного проема для размещения в нем каркаса, имеющего технологические проушины и проволочную оцинкованную сетку или перфорированные стенки. В качестве заполнителя использованы ионообменные природные или искусственные щебневые сорбенты с размером фракций, выполненных с обеспечением возможности устранения перелива сточных вод через верхнюю поверхность каркаса. В частности, рекомендовано использовать в качестве сорбентов шунгит, цеолит, опоку.
Недостатком известной конструкции фильтра можно признать слабое удерживание из-за неоптимальности состава загрузки таких загрязнений воды, как соединения двухвалентного железа, сероводорода, тяжелых металлов, гуматов.
Известна конструкция (RU, патент 36938) установки очистки воды. Установка содержит корпус камеры с патрубками ввода и вывода воды, насыпной фильтр со средством регенерации фильтра и средство сброса загрязнений. Насыпной фильтр выполнен многослойным, с разной зернистостью слоев, размещенных на опорной перфорированной пластине, закрепленной в нижней части очистной камеры, причем слой фильтра, примыкающий к опорной пластине, выполнен мелкозернистым, а вышерасположенные слои выполнены с последовательно увеличивающейся зернистостью в направлении от нижнего к верхнему слою. Средство регенерации фильтра выполнено в виде воздушного распределительного патрубка, подключенного к источнику сжатого воздуха и размещенного в пространстве между опорной перфорированной пластиной и дном корпуса камеры, патрубки ввода и вывода воды снабжены электрическими клапанами, а средство сброса загрязнений выполнено в виде патрубка с входным срезом, расположенным на уровне расположения верхней поверхности фильтра, и оборудованного электрическим клапаном. В случае выполнения фильтра двухслойным в качестве нижнего слоя фильтра использован песок с крупностью частиц, составляющей 0,5-3 мм, а в качестве верхнего слоя фильтра использован гранитный щебень с крупностью частиц, составляющей 5-20 мм. В случае выполнения фильтра трехслойным в качестве нижнего слоя фильтра использован песок с крупностью частиц, составляющей 0,5-3 мм, в качестве среднего слоя фильтра использован гранитный щебень с крупностью частиц, составляющей 5-20 мм, а в качестве верхнего слоя фильтра использован дробленый кварц с крупностью частиц, составляющей 20-40 мм, при этом предпочтительно высоты слоев фильтра в направлении от нижнего слоя к верхнему слою соотносятся как 3:2:1. Вместо гранитного может быть использован базальтовый щебень.
Недостатком известной конструкции фильтра можно признать слабое удерживание из-за неоптимальности состава загрузки таких загрязнений воды, как соединения двухвалентного железа, сероводорода, тяжелых металлов, гуматов.
Техническая задача, на решение которой направлено настоящее техническое решение, является разработка усовершенствованной конструкции устройства для очистки питьевой воды.
Технический результат, достигаемый при реализации разработанной конструкции устройства для очистки питьевой воды, состоит в обеспечении возможности уменьшения общей мутности воды за счет удаления из питьевой воды, кроме взвешенных частиц, таких загрязнений, как соединения двухвалентного железа, сероводорода, тяжелых металлов и гуматов.
Для достижения указанного технического результата предложено использовать разработанное устройство для очистки питьевой воды, содержащее корпус с патрубками подвода очищаемой воды и вывода очищенной воды, насыпной многослойный фильтр с различной зернистостью слоев и со средством регенерации фильтра и патрубок слива промывочных вод. Патрубок подвода воды подключен к корпусу через аэратор, в верхней части корпуса установлен патрубок слива промывных вод, в нижней части корпуса расположены патрубки отвода очищенной воды, подвода промывочных вод и слива в канализацию. В корпусе расположена трехслойная зернистая загрузка, верхний слой которой составляет шунгит, второй слой составляет кварцевый песок или антрацит, а третий слой состоит из щебня, при этом на поверхности частиц загрузки размещен слой двуокиси марганца. В третьем слое зернистой загрузки расположена дренажная система, подключенная к указанным патрубкам отвода очищенной воды, подвода промывочных вод и слива в канализацию, выполненная в виде набора трубок с отверстиями, подключенных к центральной дренажной трубе, выход которой подключен к патрубкам отвода очищенной воды, подвода промывочных вод и слива в канализацию, при этом на внешнюю поверхность трубок с зазором надеты чехлы из пропускающего очищенную воду материала. Предпочтительно патрубки отвода очищенной воды, подвода промывочных вод и слива в канализацию расположены в нижней части корпуса на его боковой поверхности. В одном из вариантов реализации разработанного устройства патрубки отвода очищенной воды, подвода промывочных вод и слива в канализацию размещены на общем выводе из корпуса. Преимущественно третий слой засыпки состоит из гранитного, мраморного или кварцевого щебня. Трубки дренажной системы могут быть выполнены со щелевыми или круглыми отверстиями. В предпочтительном варианте реализации размер частиц шунгита составляет от 1 до 5 мм, размер частиц засыпки второго слоя составляет от 0,6 до 3 мм, а размер частиц засыпки нижнего слоя - от 5 до 40 мм. Преимущественно соотношение высот слоев составляет 1:(2-7):(2-7). Чехлы могут быть выполнены из фильтровальных тканей полиэфирного или полипропиленового волокна или капроновых сит. Обычно размер пор в чехлах не превышает 0,3 мм, а зазор между поверхностью трубок и чехлами составляет от 0,5 до 2,0 мм.
В разработанном устройстве в качестве первого фильтрующего слоя использован минерал шунгит, представляющий собой природный комплексный сорбент, сочетающий свойства силикатных адсорбентов и активированного угля, дополнительно активированный нанесенным на него слоем диоксида марганца. Диоксид марганца на зернах загрузки (особенно на зернах шунгита) является катализатором окисления двухосновного железа до трехосновного, перевода тяжелых металлов в высшие формы окисления, окисления серы в сероводороде, а также окисления органических соединений. При протекании очищаемой воды через зернистую загрузку, особенно покрытую слоем диоксида марганца и соединениями железа, из нее удаляются механические примеси, как за счет физической сорбции на поверхности зерен, так и вследствие каталитического действия насыпного фильтра, которым по факту также является зернистая загрузка. Кроме того, за счет химического взаимодействия с диоксидом марганца, поверхностью шунгита (и, возможно, антрацита) из очищаемой воды удаляют растворимые примеси элементов группы железа, тяжелых металлов, сероводород, гуматы и другие неорганические и органические соединения, определяющие величину мутности воды. Данная загрузка фильтра содействует значительному снижению числа вредных микроорганизмов.
Недостатком дренажных систем известных устройств очистки воды (см., в частности, Николадзе Г.И. Водоснабжение. М., «Стройиздат», 1989) следует признать забивание зернистой загрузкой отверстий в дренажных трубках. Указанные отверстия не могут быть достаточно большими, чтобы в них не застревала зернистая загрузка, поскольку в этом случае зерна загрузки будут поступать в очищенную воды, что вызовет необходимость установки дополнительного фильтра. Указанные отверстия не могут быть и слишком малыми, чтобы зерна загрузки не блокировали отверстия, поскольку это значительно уменьшит производительность фильтра. Для обеспечения возможности использовать в установке очистки воды оптимальный по производительности размер отверстий было предложено предпочтительно использовать щелевые отверстия в дренажных трубках и, кроме того, для максимального сбора очищенной воды (и лучшего распределения промывных вод по площади корпуса) выполнить дренажную систему в виде центральной дренажной трубы, выход которой подключен к патрубкам отвода очищенной воды, подвода промывочных вод и слива в канализацию и к которой подключены выходы малых трубок дренажной системы, расположенных под углами (предпочтительно прямыми) к указанной дренажной трубе, при этом отверстия для протока воды через дренажную систему выполнены предпочтительно только в дренажных трубках, однако не исключен вариант реализации дренажной системы, когда в центральной дренажной трубе также выполнены отверстия. Плотность расположения дренажных трубок в дренажной системе зависит от предполагаемого расхода очищаемой воды.
Для дополнительной защиты отверстий в дренажной системе от забивания зернами загрузки на указанные дренажные трубки предложено надеть с зазором чехлы из водопроницаемого материала. Поскольку размер пор в чехлах заведомо меньше размера зерен загрузки забивание отверстий практически исключено.
В качестве аэратора предпочтительно используют эжектор водовоздушной системы, хотя возможно использование аэраторов любой известной на момент проектирования установки конструкции.
На фиг.1 приведен вид устройства, выполненного в предпочтительном варианте реализации (в разрезе). На фиг.2 приведена дренажная система, при этом использованы следующие обозначения: корпус 1, патрубок 2 подвода очищаемой воды, аэратор 3, первый патрубок 4 слива в канализацию, слой 5 шунгита, слой 6 кварцевого песка или антрацита, слой 7 щебня, общий выход 8 патрубков отвода очищенной воды, подвода промывочных вод и слива в канализацию, центральная труба 9 дренажной системы, боковые трубки 10 дренажной системы, чехлы 11 дренажной системы.
Разработанное устройство работает следующим образом.
Предварительно промывают водой помещенную в корпус 1 устройства зернистую загрузку 5-7 с целью удаления загрязняющих зернистую загрузку 5-7 частиц. Промывные воды удаляют в канализацию через патрубок 4. Затем через патрубок 2 на зернистую загрузку 5-7 подают раствор реактивов, способных посадить на зерна загрузки 5-7 диоксид марганца (предпочтительно смесь растворов перманганата калия и щелочи) и гидроксид железа. Указанные реактивы после прохождения через зернистую загрузку 5-7 с формированием слоя диоксида марганца также удаляют в канализацию через патрубок 8. Повторно промывают зернистую загрузку 5-7 водой для удаления следов растворов реактивов.
Для получения чистой питьевой воды подключают аэратор 3 (соотношение расходов воздуха и воды предварительно подбирают экспериментально по контролю мутности очищенной воды) и подают через патрубок 2 насыщенную кислородом воду на зернистую загрузку 5-7. На зернах шунгита 5, покрытых слоем диоксида марганца, в присутствии кислорода происходит окисление химических элементов (группа железа, тяжелые металлы, сера, органические соединения) в высшие степени окисления, что значительно улучшает качество воды. Доокисление происходит на слоях 6 и 7. Очищенная вода через дренажную систему 9-11, а затем через патрубок 8 поступает потребителю.
Периодически аэратор 3 отключают, перекрывают подачу очищаемой воды и последовательно подают промывочную воду через патрубок 8, дренажную систему 9-11 в зернистую нагрузку 5-7. Затем через патрубок 4 удаляют промывочную воду в канализацию.
3
3
3
3
При пропускании через установку разработанной конструкции исходной воды, содержащей 4,1 мг/дм железа, 0,56 мг/дм марганца и с мутностью 10 мг/дм, на выходе получают воду питьевой квалификации с содержанием железа не свыше 0,15 мг/л, марганца - 0,1 мг/л и мутностью не свыше 1,4 мг/дм.