УСТРОЙСТВО ДЛЯ ОЧИСТКИ ПОДЗЕМНЫХ ВОД

Предлагаемая полезная модель относится к устройствам очистки воды с высоким содержанием растворенных органических примесей, растворенных газов, ионов аммония, кремния, железа и марганца, и предназначена для обеспечения качества питьевой воды, соответствующего нормативным требованиям.
Подземные воды в ряде случаев характеризуются высокой концентрацией взвешенных веществ, растворенных органических примесей (гуминовых и фульвокислот), неорганических примесей (железа, марганца, мышьяка и пр.), а также растворенных газов (метана, сероводорода, аммиака, углекислого газа). При высокой окисляемости и цветности исходной воды, указывающих на присутствие органических примесей, очистка таких вод до требований СанПиН оказывается весьма сложной задачей.
Одним из распространенных подходов к очистке природных вод с высоким содержанием органических загрязнений является применение сорбентов.
Известна установка для очистки и кондиционирования питьевой воды (Патент RU 2084411, опубл. 20.07.1997 г., C02F 009/00), включающая узел предочистки, выполненный в виде одного или нескольких сорбционных фильтров со сменным картриджем, узел основной сорбционной очистки, включающий в себя сорбционные фильтры с фильтрующе-сорбирующими слоями модифицированного цеолита, карбоксильного катионообменника и активного углеродного адсорбента, и узел финишной очистки, выполненный в виде одного или нескольких фильтров, снабженных микрофильтрационными элементами с размером пор 0,5-10 мкм.
Недостатками известного решения являются значительные эксплуатационные затраты, связанные с необходимостью регулярной замены сорбционных и ионообменных загрузок.
Снижение эксплуатационных затрат возможно при использовании безреагентных схем обработки воды, либо технических решений, характеризующихся минимальным расходом химических реагентов.
Наиболее близким по технической сущности к предлагаемой полезной модели является способ и устройство, описанные в статье (Яворовский Н.А., Соколов В.Д., Сколубович Ю.Л. и Ли И.С. // Водоснабжение и санитарная техника, 2000, №1 с. 12-14). Для очистки подземных вод от органических и неорганических примесей предложено использовать импульсный электрический разряд в двухфазной водо-воздушной среде. Система электроразрядной обработки воды состоит из реактора из нержавеющей стали и импульсного источника питания. Реактор содержит систему электродов, с помощью которой происходит формирование электрического разряда. Разряд создается между цилиндрическими электродами, которые изолированы друг от друга при помощи диэлектрических барьеров. В качестве барьеров используют кварцевые трубки. Напряжение подают на систему электродов от магнитотиристорного генератора импульсов. В электрическом разряде происходит генерация активных частиц - окислителей (атомарного кислорода, озона, гидроксильных радикалов ОН, и пр.). Окислители производятся непосредственно на месте их потребления, в газовой фазе, близи поверхности обрабатываемой воды. При этом имеет место деструкция органических примесей, окисление неорганических веществ и обеззараживание воды. Электроразрядная обработка воды положена в основу технологии подготовки питьевой воды из подземных источников, которая включает аэрацию для удаления из воды растворенных газов и окисления ионов железа(II), электроразрядную обработку для деструкции органических веществ и окисления неорганических примесей (железа и марганца) и фильтрование. Аэратор заполнен полиэтиленовой насадкой (призмами или стружкой) для лучшего перемешивания воды и воздуха. Аэратор и электроразрядный блок конструктивно представляют собой единую реакционную колонну. На заключительной стадии обработки воду осветляют на скорых фильтрах с зернистой загрузкой для удаления взвешенных веществ.
Однако, использование известного механического фильтрования не позволяет обеспечить качества очищенной воды, соответствующего требованиям СанПиН. При высоком содержании взвешенных веществ и органических примесей затраты энергии на электроразрядную обработку оказываются весьма высокими, и могут превышать несколько киловатт-часов на один кубометр воды. Кроме того, при высоком содержании в воде взвешенных веществ сокращается длительность фильтроцикла, что приводит к общему снижению эффективности процесса очистки воды и увеличению объемов промывных вод фильтров.
Обеспечение высокого качества очистки воды при относительно невысоких энергозатратах возможно при использовании комплексного подхода, сочетающего использование безреагентных технологий с современными реагентными методами.
Основной задачей полезной модели является создание устройства для очистки подземных вод, повышающего качество очищенной воды и обеспечивающего снижение эксплуатационных затрат на обслуживание установки.
Техническим результатом от использования полезной модели является обеспечение качества очищенной воды, соответствующего требованиям СанПиН.
Технический результат достигается тем, что устройство для очистки подземных вод содержит электроразрядный модуль, состоящий из аэратора, блока электроразрядной обработки воды, объединенных в реакционную колонну, и бака-реактора, а также скорые фильтры с зернистой загрузкой, СОГЛАСНО ПОЛЕЗНОЙ МОДЕЛИ, электроразрядный модуль имеет две реакционные колонны, которые установлены на баке-реакторе последовательно относительно потока воды и каждая из которых снабжена водо-воздушным эжектором, электроразрядный модуль подключен с одной стороны к вакуумному дегазатору с подогреваемым резервуаром, с другой стороны - через камеру хлопьеобразования к отстойнику и блоку фильтрования, который выполнен из последовательно соединенных фильтров с зернистой нагрузкой и блока глубокой очистки воды на ионообменных и сорбционных фильтрах.
Полезная модель поясняется рисунком, на котором приведена схема устройства.
Устройство содержит вакуумный дегазатор 1, промежуточный подогреваемый резервуар 2, электроразрядный модуль 3, камеру хлопьеобразования 4 с дозировочным устройством 5, отстойник 6, фильтры осветлительные с зернистой загрузкой 7, 8, фильтр с загрузкой ионообменными материалами 9, сорбционные фильтры 10, 11, блок ультрафиолетового обеззараживания 12, промывной насос 13, перекачивающие насосы 14 и 15, и резервуар чистой воды 16. Основными элементами электроразрядного модуля 3 являются две идентичные реакционные колонны 17, 18 и бак-реактор 19. В головной секции каждой из реакционных колонн 17, 18 установлен водо-воздушный эжектор 20, с помощью которого происходит диспергирование воды в воздухе на капли. В каждой из реакционных колонн 17, 18 установлена система электродов импульсного разряда 21 (например, импульсного барьерного или коронного разряда). Питание на системы электродов подается от генераторов высоковольтных импульсов 22. Над системой электродов 21 расположены аэраторы 23. Для повышения интенсивности массообмена аэраторы 23 могут быть загружены хордовой насадкой из хвойных пород дерева или других материалов, инертных к озоно-воздушной смеси.
Основными отличиями предложенной конструкции от прототипа является применение двух аэрационных колонн вместо одной для более глубокого окисления органических примесей, а также уменьшенная высота реакционной колонны, что достигается за счет использования укороченного аэратора 23. Использование укороченного аэратора значительно сокращает габаритные размеры установки. При этом обрабатываемая вода последовательно пропускается через реакционные колонны 17, 18.
Устройство работает следующим образом. Исходная вода, содержащая растворенные примеси и взвешенные вещества, поступает на вход вакуумного дегазатора 1, который содержит гидроциклон первичной дегазации с воздушным эжектором и насадочную колонну вакуумной дегазации, заполненную кольцами Паля (на чертеже не показаны). Основное назначение дегазатора - удаление растворенных в воде газов - метана, сероводорода, аммиака и углекислого газа. После дегазации вода накапливается в подогреваемом резервуаре 2, где нагревается до температуры 10-12°C, что способствует интенсификации процессов коагуляции и окисления примесей воды, а также снижению содержания ионов аммония (). С выхода резервуара 2 вода насосом 14 подается на вход первой реакционной колонны 17 электроразрядного модуля 3, где она диспергируется водо-воздушным эжектором 20 на капли, после чего последовательно проходит стадии аэрации в аэраторах 23 и электроразрядной обработки в системе электродов импульсного разряда 21. На стадии аэрации происходит насыщение воды кислородом воздуха с целью окисления ионов железа Fe(II). На стадии электроразрядной обработки имеет место окисление органических и неорганических примесей в плазме импульсного электрического разряда. Железо в исходной воде может содержаться как в минеральной форме, так и в виде металлоорганических комплексов. Для удаления из воды связанных форм железа используют разрушение комплексов с помощью сильных окислителей (озона, гидроксильных радикалов), генерируемых в электрическом разряде. Для генерации сильных окислителей могут использоваться импульсный барьерный, импульсный коронный, тлеющий и другие виды разрядов атмосферного давления объемного типа.
После обработки в первой реакционной колонне 17 вода накапливается в баке-реакторе 19, после чего воду разделяют на два потока с равной объемной скоростью. Часть воды поступает на вход второй реакционной колонны 18, где осуществляют доокисление примесей воды, а другую часть подают в камеру хлопьеобразования 4 и затем в отстойник 6. Для перекачивания воды используют насос 15. В камеру хлопьеобразования 4 или в трубопровод непосредственно перед камерой 4 с помощью дозирующего устройства 5 вводят коагулянт и флокулянт, под действием которых происходит коалесценция взвешенных веществ и образование флоккул. Интенсивное перемешивание воды в камере хлопьеобразования 4 способствует формированию флоккул, после чего вода поступает в отстойник 6, где происходит осаждение взвешенных веществ. Хлопья осадка дополнительно выступают в качестве сорбентов, осуществляющих более глубокую очистку воды от растворенных органических веществ. При этом основным критерием эффективности работы отстойника 6 является достаточно низкая скорость подачи воды для обеспечения более полного удаления осадка. Линейная скорость движения воды в отстойнике 6 в проведенных экспериментах составляла от 2 до 7 м/час. При этом наиболее высокая эффективность осветления наблюдалась в диапазоне скоростей потока воды от 2,0 до 3,5 м/час. Учитывая необходимость обеспечить максимально возможный расход воды через отстойник 6, целесообразно поддерживать линейную скорость движения воды в осветлителе не более 2,7-3,3 м/час, что позволяет обеспечить максимальную эффективность осветления воды.
С выхода отстойника 6 вода поступает на скорые фильтры с зернистой загрузкой 7, 8, на которых осуществляют доочистку воды от взвешенных веществ. Применение отстойника 6 перед фильтрованием позволяет значительно снизить нагрузку на фильтры 7, 8. Промывку отстойника 6 и фильтров 7, 8 производят очищенной водой из резервуара чистой воды 16.
После обработки воды на скорых фильтрах 7 и 8 вода поступает на ионообменный фильтр 9 для удаления из воды аммиака. В качестве загрузки фильтра 9 используют природный цеолит Сокирницкого месторождения. Далее вода дополнительно проходит стадию доочистки на сорбционных фильтрах 10, 11, загруженных кокосовым углем, для удаления растворенных примесей. Применение двухступенчатой адсорбционной схемы фильтрования позволяет обеспечить более глубокую и надежную очистку воды от примесей, а использование многоступенчатой схемы очистки воды позволяет снизить нагрузку на сорбционные фильтры 10, 11 и увеличить срок службы сорбционных загрузок.
На выходе установки перед подачей воды в резервуар чистой воды 16 дополнительно устанавливают блок ультрафиолетового обеззараживания 12, обеспечивающего снижение бактериологических показателей качества воды до нормативных требований.
Таким образом, разработанная установка очистки подземных вод позволяет обеспечить высокое качество очищенной воды при умеренных эксплуатационных затратах. Удаление основного объема растворенных газов, взвешенных веществ, органических и неорганических примесей происходит на стадиях дегазации, электроразрядной обработки и осветления в отстойнике 6 и на фильтрах с зернистой загрузкой 7, 8, регенерация которых осуществляется обратной промывкой и не требует применения дорогостоящих химических реагентов и сложных технологических операций. Доочистка воды на фильтрах с ионообменной 9 и сорбционной 10, 11 загрузками позволяет обеспечить высокое качество воды в соответствии с требованиями СанПиН 2.1.4.1074-01.