УСТАНОВКА ДЛЯ ОЧИСТКИ ПОДЗЕМНЫХ ВОД ОТ ЖЕЛЕЗА, МАРГАНЦА И СОЛЕЙ ЖЕСТКОСТИ

Изобретение относится к области очистки жестких, агрессивных подземных вод от железа, сероводорода, агрессивной углекислоты, марганца и солей жесткости для питьевых целей, а, более конкретно, к установкам для очистки этих вод.
Известна установка для очистки подземных вод, включающая устройство обработки исходной воды окислителем и зернистый фильтр, оснащенный инертной загрузкой, в котором фильтрацию ведут в режиме противотока через подвижной слой загрузки, в качестве которой используют кварцевый песок фракции 0,3-2,0 мм; промывку загрузки осуществляют в верхней части фильтра одновременно с фильтрацией воды. Установка оснащена дополнительным картриджным фильтром и сепаратором или отстойником для разделения промывной воды на твердую и жидкую фазы (см. заявку RU №2003131161/15, МПК C 02 F 9/12 с приоритетом 23.10.2003 г., опубл. 27.10.2004 г.).
Недостатком известной установки является отсутствие возможности дегазации, окисления аэрацией и удаления солей жесткости.
Известна установка для очистки подземных вод от железа, марганца и сероводорода для питьевых целей, состоящая из трубопровода подачи исходной воды, фильтра предварительной очистки с трубчатыми фильтроэлементами, выполненными из нержавеющей, стальной сетки с величиной пор 30-50мкм. На трубопроводе между фильтром предварительной очистки и последовательно установленным фильтром-окислителем размещено устройство для подачи и распределения воздуха, состоящее из компрессора, ресивера с реле для включения и выключения компрессора, влагоуловителя, обратного клапана и водоструйного эжектора. Фильтр-окислитель с восходящим потоком очищаемой воды оснащен загрузкой из полимерного материала с пространственной
неориентированной ячеистой структурой, образованной переплетающимися нитями пористостью не менее 96% с прикрепленными микроорганизмами - деструкторами железа, марганца и сероводорода. Фильтр-окислитель соединен с контактным фильтром с загрузкой в виде трубчатых фильтроэлементов из пористого полимерного материала, например, полипропилена с величиной пор 10-50 мкм и далее с обеззараживающим устройством. Последнее, в свою очередь, соединено с осветлительным фильтром, трубчатые фильтроэлементы которого выполнены из пористого материала, спеченного из порошка титана с величиной пор 10-50 мкм. Фильтр-окислитель, контактный фильтр и осветлительный фильтр снабжены устройствами для отведения газов в виде поплавковых клапанов, и соединены так же, как и фильтр предварительной очистки через запорные устройства с трубопроводом отвода промывной воды (см. патент RU №2206519, С2, МПК C 02 F 9/02 с приоритетом 30.08.01 г., опубл. 20.06.03 г.)
Недостатком известной установки является сложность конструкции, обусловленная сложностью аэрационного устройства, включающего компрессор, ресивер, реле включения-выключения компрессора, влагоуловителя, обратного клапана и водоструйного эжектора, а так же высокая стоимость установки, как в силу вышесказанного, так и из-за большой площади, занимаемой отдельно стоящими сооружениями и большой металлоемкости. Недостатком установки является так же необходимость периодической замены трубчатых фильтроэлементов в связи с невозможностью их полной эффективной отмывки без демонтажа. Данная установка не решает проблему удаления солей жесткости.
Известна установка для очистки подземных вод от железа, фильтра, марганца и других примесей для питьевых целей, состоящая из: пред оснащенного многокомпонентным фильтрующим слоем из полиэфирных волокон толщиной 7, диаметром поперечного сечения слоя 70 и его высотой 1500 мм, для удаления из воды механических примесей и
органических соединений, устройства для подачи и распределения в воде воздуха - эжектора с камерой смешения, генератора колебаний для создания мелкодисперсного колебательного пузырькового режима, фильтра-окислителя диаметром 150 мм, оснащенного крупнозернистой загрузкой с высотой слоя 1500, которая может быть выполнена из материала, плавающего в воде, и фильтра тонкой очистки, оснащенного тканым или металлокерамическим фильтрующим материалом. Предусмотрена промывка фильтра тонкой очистки от накопившегося гидроксида железа обратным током воды (см. патент RU №2142432, МПК C 02 F 1/64 с приоритетом 7.07.98 г., опубл. 10.12.99 г.).
Недостатком известной установки является отсутствие возможности умягчения жестких подземных вод и полной отмывки фильтра тонкой очистки в процессе эксплуатации до требуемой степени, что требует его частой замены.
Известна установка для очистки подземных вод от железа, марганца и солей жесткости для питьевых целей, наиболее близкая по назначению и технической сущности к заявляемой, состоящая из устройства для подачи и распределения исходной воды аэрацией, в котором происходит окисление соединений двухвалентного железа до его нерастворимой гидроокиси, фильтра для обезжелезивания и деманганации на инертной загрузке, Na-катионитового фильтра для удаления солей жесткости и электродиализатора для обессоливания воды. В качестве инертной загрузки используют кварцевый песок, кварцит, альбитофир, гранодиорит, горелые породы и др. (см. патент RU №2182890, МПК C 02 F 9/06 с приор. 08.12.2000 г., опубл. 27.05.2002 г.).
Недостатками известной установки являются:
- отсутствие возможности эффективной предочистки подземных вод, содержащих одновременно железо, марганец, сероводород, диоксид углерода и соли жесткости перед умягчением из-за незначительной степенью удаления сероводорода и диоксида углерода в процессе
аэрации и невысокой степени удаления железа на инертной загрузке с небольшой удельной поверхностью ее зерен, что приводит к низкой эффективности работы Na-катионитового фильтра и его неэкономичности;
- сложность и громоздкость установки, обусловленные необходимостью включения в ее состав устройства для предварительной очистки исходной воды от органических соединений и специального устройства для приготовления регенерационного раствора, используемого для регенерации загрузки Na-катионитового фильтра;
- высокая стоимость установки, обусловленная, как большой металлоемкостью, так и необходимыми большими площадями для размещения отдельно стоящих сооружений, дорогостоящими реагентами - ионообменными смолами, дорогостоящей утилизацией промывных регенерационных растворов после их использования на Na-катионитовом фильтре.
3
3
3
Себестоимость очистки 1 м воды на такой установке производительностью 650 м/ч достигает 10-15 руб./м.
Техническим результатом заявляемой полезной модели является возможность очистки подземных вод, содержащих одновременно железо, марганец, сероводород, диоксид углерода и соли жесткости до норм, предъявляемых к качеству питьевых вод, упрощение и удешевление конструкции.
Технический результат достигается тем, что установка для очистки подземных вод от железа, марганца и солей жесткости, включающая устройства для подачи исходной воды, подачи и распределения воздуха для окисления, фильтра для обезжелезивания и деманганации с инертной загрузкой и устройства для умягчения воды, снабжена цилиндрическим корпусом с конической крышкой и коническим днищем, дегазатор-окислитель, оснащенный вентиляционным стояком, размещен в верхней
части корпуса, плавающая полимерная загрузка дегазатора - окислителя имеет гранулировано-волокнистую структуру, устройство для подачи воды и рассредоточенного ее распределения смонтировано над слоем загрузки, а устройство для распределения воздуха размещено под этим слоем с зазором по отношению к последнему, фильтр обезжелезивания и деманганации, размещенный в нижней части установки, под дегазатором-окислителем, гидравлически сообщен с последним, полимерная загрузка его выполнена плавающей, неоднородной, из гранул пенополистирола с их убывающей крупностью по ходу фильтрационного потока, при этом соотношение диаметров дегазатора-окислителя и фильтра обезжелезивания и деманганации составляет 2:1,8-1,2:1, корпус установки в средней части снабжен трубопроводом для отведения очищенной воды, установка дополнительно оснащена устройством для умягчения воды и фильтром доочистки, при этом устройство для умягчения выполнено в виде вихревого реактора, размещенного в корпусе фильтра доочистки с зернистой загрузкой, оснащенного трубопроводами для отведения умягченной воды, подачи и отведения промывной воды.
На чертеже представлена установка для очистки подземных вод от железа, марганца и солей жесткости.
Установка для очистки подземных вод от железа, марганца и солей жесткости состоит из: цилиндрического корпуса 1 с конической крышкой 2 и коническим днищем 3. Дегазатор-окислитель 4 размещен в верхней части корпуса 1 и оснащен вентиляционным стояком 5, проходящим через коническую крышку 2. Дегазатор-окислитель 4 оснащен плавающей загрузкой 6, имеющей гранулировано-волокнистую структуру из вспененных гранул пенополистирола и синтетического нитевидного волокна.
Над слоем загрузки 6 дегазатора-окислителя 4 размещены трубопровод подачи исходной воды 7 и устройство ее рассредоточенного распределения 8, а под слоем загрузки 6 - устройство распределения и
диспергирования воздуха 9, смонтированное с зазором по отношению к слою загрузки 6.
Под устройством для распределения воздуха 9, в цилиндрической части корпуса 1, размещен фильтр обезжелезивания и деманганации 10, оснащенный неоднородной полимерной, плавающей загрузкой 11 из пенополистирола с убывающей крупностью гранул по ходу фильтрационного потока, удерживаемой от всплытия специальной решеткой 12.
Использование неоднородной плавающей загрузки из пенополистирола с убывающей крупностью гранул по ходу фильтрационного потока по сравнению с инертной загрузкой известной установки позволяет увеличить грязеемкость фильтрующего слоя в 3-4 раза и осуществлять промывку загрузки без дополнительных промывных насосов и специальных запасных емкостей промывных вод.
Соотношение диаметров дегазатора-окислителя 4 и фильтра обезжелезивания и деманганации 10 составляет от 2:1,8 до 1,2:1.
3
3
3
3
Такое соотношение диаметров обеспечивает необходимую продолжительность контакта очищаемой воды и воздуха, позволяющую интенсифицировать процесс дегазации: при содержании в исходной воде сероводорода 1,074 мг/дм и диоксида углерода 85 мг/дм, степень дегазации по сероводороду снижается на 65-70%, т.е. его концентрация снижается до 0,322-0,376 мг/дм, а по диоксиду углерода - на 70-80%, что приводит к снижению его концентрации до 17-25,5 мг/дм. Интенсивная дегазация влечет за собой эффективное обезжелезивание, которое, в свою очередь, позволяет использовать более экономичное и более эффективное устройство для умягчения воды - вихревой реактор с обеспечением на выходе установки качества воды, соответствующего требованиям к качеству питьевых вод (СанПин 2.1.4.1074-01).
Изменение соотношения диаметров в сторону увеличения приведет к неоправданному увеличению длительности контакта очищаемой воды и
3
3
3
3
воздуха, и к повышению на 10-15% стоимости очистки, а изменение соотношения диаметров в сторону уменьшения приводит к недостаточности времени контакта очищаемой воды и кислородом воздуха и, следовательно, к снижению степени удаления сероводорода и диоксида углерода соответственно на 40-60% (0,644-0,430 мг/дм) и 50-60% (34-42,5 мг/дм), что, в свою очередь, приведет к снижению степени обезжелезивании, т.е. при содержании его в исходной воде 6-10 мг/дмувеличению железа в очищенной воде на 10-15% (0,35-0,40 мг/дм), что не позволит решить поставленную задачу.
Устройство для умягчения воды, выполненное в виде вихревого реактора 13, смонтировано в корпусе фильтра доочистки с тяжелой зернистой загрузкой 14 и оснащено окнами 15 для отведения умягченной воды в фильтр доочистки 13.
Корпус установки 1 в своей средней части оснащен трубопроводом 16 для отведения через среднюю дренажную систему 17 очищенной от железа, марганца, сероводорода и диоксида углерода воды в нижнюю часть вихревого реактора 13. Фильтр обезжелезивания и деманганации 10 корпуса 1 и фильтр доочистки с тяжелой зернистой загрузкой 14 оснащены системой трубопроводов для отвода промывных вод 18. К трубопроводу для подачи очищенной воды в нижнюю часть вихревого реактора 13 присоединена труба 19 для подачи раствора едкого натра. Фильтр доочистки 14 оснащен трубопроводом с задвижкой 20 для отведения очищенной воды и системой трубопроводов 21, расположенных на его днище, для подачи чистой воды на промывку загрузки этого фильтра с помощью промывного насоса 22.
Установка очистки подземных вод от железа, марганца и солей жесткости работает следующим образом:
по трубопроводу подачи исходной воды 7 и устройству ее рассредоточенного распределения 8 вода подается в дегазатор-окислитель 4, оснащенный вентиляционным стояком 5, размещенным в верхней части
конической крышки 2 цилиндрического корпуса 1 установки, и фильтруется сверху вниз через слой плавающей комбинированной загрузки 6 дегазатора-окислителя 4, имеющей гранулировано-волокнистую структуру с развитой поверхностью синтетических нитевидных волокон и вспененных гранул полистирола. Преимуществом этой загрузки является возможность регулирования пористости комбинированного слоя за счет разной степени сжимаемости волокнистого слоя при изменении толщины слоя и диаметра гранул пенополистирольного слоя. Преимущество такого слоя состоит также в возможности его промывки в нисходящем потоке исходной воды без специальных промывных насосов.
Посредством устройства для подачи и распределения воздуха 9, смонтированного с зазором по отношению к слою загрузки 6, воздух подают под этот слой. При этом в слое загрузки 6, одновременно идут следующие процессы: каталитическое окисление двухвалентного растворенного железа и марганца до нерастворимой их формы -гидроокисей и удаление из воды газов - сероводорода и диоксида углерода интенсивной отдувкой через вентиляционный стояк 5 дегазатора-окислителя 4, а процесс обезжелезивания и деманганации воды происходит в фильтре обезжелезивания и деманганации 10, оснащенном неоднородной полимерной плавающей загрузкой 11 из гранул пенополистирола с их убывающей крупностью по ходу фильтрационного потока, удерживаемой от всплытия специальной решеткой 12.
Очищенная от железа, марганца, сероводорода и диоксида углерода вода из фильтра обезжелезивания и деманганации 10 но трубопроводу 16 поступает на умягчение в нижнюю часть вихревого реактора 13, перед которым она смешивается с раствором едкого натрия, подаваемого по трубе 19. Умягченная вода через водоотводящие окна 15 поступает на дочистку в фильтр доочистки с зернистой загрузкой 14, откуда затем отводится по трубопроводу 20 в резервуар чистой воды (на чертеже не показан).
Благодаря тому, что на выходе из фильтра для обезжелезивания и деманганаци 10 концентрация сероводорода, диоксида углерода, железа и марганца достигает минимальных значений, а умягчение очищенной воды производят в вихревом реакторе, размещенном в фильтре доочистки, обеспечивается получение воды, удовлетворяющей требованиям к качеству питьевых вод с менее существенными затратами.
Промывку плавающей загрузки фильтра 10 ведут объемом воды, накопленным в дегазаторе-окислителе 4 при нисходящем ее потоке, а промывку тяжелой зернистой загрузки фильтра 14 с помощью промывного насоса 22, забирающего воду из резервуара очищенной воды в восходящем потоке воды при закрытии задвижки на трубопроводе 20 и открытии задвижки на трубопроводе 21.
Отвод промывных вод из фильтров обезжелезивания и деманганации 10 и доочистки 14 в канализационный коллектор осуществляют по трубопроводу 18.
Очищенная вода соответствует требованиям, предъявляемым к качеству питьевых вод СанПин 2.1.4.1074-01.
Предложенная установка для очистки подземных вод от железа, марганца, сероводорода, диоксида углерода и солей жесткости по сравнению с известной, обеспечивает:
- возможность очистки подземных вод от железа, марганца, сероводорода, диоксида углерода и солей жесткости (до норм, предъявляемых к качеству питьевых вод), обусловленную эффективным удалением сероводорода и углекислоты, интенсивным окислением примесей железа и марганца на загрузке дегазатора-окислителя с развитой поверхностью, эффективным удалением железа и марганца на фильтре обезжелезивания с высокой грязеемкостью, обеспечивающими минимальное значение концентраций сероводорода, диоксида углерода, железа и марганца в очищенной воде, перед
последующим умягчением очищенной воды в вихревом реакторе, размещенном в корпусе фильтра доочистки и доочисткой умягченной воды в фильтре доочистки;
- упрощение конструкции за счет объединения в цилиндрическом корпусе с конической крышкой дегазатора-окислителя, размещенного в верхней части корпуса, и фильтра обезжелезивания и деманганации, расположенного под ним, и объединения вихревого реактора с зернистым фильтром для доочистки воды за счет размещения вихревого реактора в корпусе фильтра, а так же использования в дегазаторе-окислителе слоя гранулировано-волокнистой загрузки с развитой поверхностью и возможностью регулирования пористости слоя в фильтре обезжелезивания и деманганации с плавающей пористой загрузкой из пенополистирола с убывающей крупностью гранул по ходу фильтрационного потока.
Предложенная комбинированная установка дешевле известной, поскольку позволяет:
- сэкономить занимаемую площадь, снизить металлоемкость конструкции;
- увеличить в 3-4 раза грязеемкость фильтрующего слоя фильтра обезжелезивания и деманганации и осуществлять его промывку без дополнительных промывных насосов и запасных емкостей промывной воды;
- исключить Na-катионитовые фильтры, требующие дорогостоящих реагентов - ионообменных смол и дорогостоящей утилизации промывных регенерационных растворов.
Дополнительным преимуществом является существенная экономия удельных эксплуатационных затрат, которая только за счет уменьшения
3
3
3
расходов реагентов по сравнению с известной установкой производительностью 650 м/ч, обеспечивает достижение экономии по себестоимости очищенной умягченной воды, т.е. себестоимость очистки 1 м воды снижается с 10-15 до 5-8 руб/м.