СПОСОБ ЭЛЕКТРОЛИЗА И СПОСОБ И УСТАНОВКА ДЛЯ ПРЕДВАРИТЕЛЬНОЙ ОБРАБОТКИ НЕОЧИЩЕННОЙ ВОДЫ
ELECTROLYSIS METHOD AND METHOD AND APPARATUS FOR PRETREATMENT OF RAW WATER

Настоящее изобретение относится к способу электролиза, а также к способу и установке для предварительной обработки неочищенной воды, предназначенных для получения такой воды, которая может быть затем легко подвергнута обработке для получения питьевой воды или воды, называемой «технической», т.е. воды, которая не подходит для потребления, но которая может найти применение для бытовых, сельскохозяйственных и промышленных нужд, таких как очистка, мытье, стирка, промывка туалетов, поливка садов или орошение.
Предпосылки создания изобретения
В Европейской патентной заявке EP 0595178 описывается устройство для электролитической обработки сточных вод, имеющее вертикальные электроды. Как указано в этой патентной заявке, при электролизе применяется постоянный ток, растворяемый железный анод и суспензия или частицы «коксовой» пыли (см. страницу 3, столбец 32, строки 32 и 34) с целью осуществления гальванокоагуляции.
В патенте США №US 4014766 описывается способ обработки неочищенной воды с применением устройства, имеющего вертикальные катод и анод, содержащие железную стружку (столбец 3, строка 5) для флокуляции гидроксида железа. Флокулированный осадок затем подвергается окислению.
В патентной заявке Франции №FR 2459067 описывается установка для электроочистки воды, в которой процесс электрокоагуляции осуществляют при помощи электродов, состоящих из корзин, содержащих железный лом (страница 5, строки 10, 11).
В патенте США, опубликованном под №2005/0167285, описано изобретение, которое относится к удалению арсенатов, содержащихся в питьевой воде. В патенте описывается образование гидроксида металла посредством анодного растворения (страница 3, абзац [00461]) анода, который может быть изготовлен из мягкой стали или нержавеющей стали (абзац [00481]).
6+
3+
В патентном документе Японии JP 51150866 описывается способ сброса сточных вод, содержащих ионы Cr, в которых эти ионы электролитически восстанавливаются в ионы Cr в устройстве, имеющем окружающие вертикальный катод частицы, содержащиеся в приемнике.
В патентной заявке США №US 2006/0000784 описывается способ обработки сточных вод, включающий несколько стадий. Первая стадия может заключаться в получении промежуточного вытекающего потока, например, путем коагуляции или флокуляции (страница 2, левый столбец, строка 2). На второй стадии можно осуществлять обработку промежуточного вытекающего потока (абзац [0021]) путем:
- либо самопроизвольной электролитической обработки, при которой применяют бросовый железный лом, подвергающийся активации предпочтительно ионами трехвалентного железа; эти ионы трехвалентного железа могут быть образованы путем окисления металлического железа или ионов двухвалентного железа с применением, в частности, активного хлора;
- либо не самопроизвольной электрохимической обработки, которая осуществляется путем приложения электрического напряжения к бросовому лому металла или к ионам трехвалентного железа.
В патенте США №US 5578200 упоминаются обычно применяемые коагулянты. Такими коагулянтами обычно являются неорганические коагулянты, такие как сульфат алюминия, хлорид алюминия и хлорид железа. В вышеупомянутой патентной заявке США №US 2006/0000784 также упоминается (абзац [0015]) применение бросового лома металлов, которыми могут быть, кроме железа и алюминия, такие металлы как никель, кобальт, цинк, медь и их комбинации.
Более десяти лет назад автор изобретения согласно настоящей патентной заявке разработал способ предварительной обработки неочищенной воды, который является предметом изобретения согласно заявке на патент Франции, опубликованной под номером FR 2740129.
Этот способ включает стадию ударного хлорирования с применением гипохлорита и затем стадию тщательной дезинфекции при помощи электролиза частиц железа, которые могут содержаться в титановых или циркониевых корзинах, покрытых катализатором, и подвергаться механическому или ультразвуковому перемешиванию.
Во время этой тщательной дезинфекции обрабатываемая вода подвергается электролизу с применением переменного тока с целью восстановления остаточного активного хлора. В это же самое время также подвергается электролизу остаточный гипохлорит, остающийся в обрабатываемой воде, концентрация которого очень низкая, порядка 1-5 ppm (ppm - частей на миллион).
Автор изобретения продолжил свои исследования с целью усовершенствования этого способа и введения новых стандартов в отношении питьевой воды. В частности, Европейского стандарта DWD 98/83/ЕС, а также самых последних рекомендаций Всемирной организации здравоохранения (ВОЗ) в этой области.
Таким образом, автору изобретения удалось успешно разработать новые способы, устройства и установки, которые могут осуществлять предварительную обработку воды даже более низкого качества, чем это было ранее, а также с более высоким содержанием осадков, солей, нитритов, органических соединений и/или тяжелых металлов.
Сущность изобретения
Настоящее изобретение основано на разработке нового коагулянта, который получают при помощи электролиза водного раствора, имеющего высокую концентрацию концентрированного гипохлорита натрия в присутствии железа.
Природа коагулянта, получаемого во время этого электролиза, в точности до сих пор не известна (в настоящее время проводятся исследования для ее определения). По всей вероятности, он образован из плотной суспензии, содержащей ионы трехвалентного железа и тонкодисперсные частицы. Как бы то ни было, этот коагулянт оказался особенно активным.
Таким образом, основным предметом настоящего изобретения является способ электролиза по пункту 1 формулы изобретения, который приводится ниже.
1. Способ электролиза водного раствора, при котором
- частицы железа вводят в металлический приемник, содержащийся в резервуаре, снабженном электродом, не соприкасающимся с этим металлическим приемником,
- водный раствор, содержащий гипохлорит натрия, вводят в указанный резервуар, так чтобы он по меньшей мере частично покрывал частицы железа и контактировал с электродом,
- ток подводят к металлическому приемнику и электроду,
- продукт электролиза извлекают из резервуара, отличающийся тем, что
- ток является постоянным током,
- металлический приемник, содержащий частицы железа, является анодом, а электрод является катодом, и
- концентрация гипохлорита натрия в водном растворе составляет по меньшей мере 1 г/л (1000 ppm).
Преимущественные признаки, характеризующие способ электролиза, описанный в вышеприведенном пункте 1 формулы изобретения, указаны в нижеприведенных пунктах 2-4 формулы изобретения.
2. Способ электролиза по п.1, при котором концентрация гипохлорита натрия в водном растворе составляет более чем 4 г/л, в частности около 6,5 г/л.
3. Способ электролиза по п.1 или 2, при котором водный раствор содержит также хлорид натрия.
4. Способ электролиза по п.3, при котором концентрация хлорида натрия составляет по меньшей мере 10 г/л и предпочтительно составляет около 15 г/л.
Таким образом, продукт, получаемый при помощи этого способа электролиза, представляет собой содержимое резервуара. После извлечения из резервуара он может быть применен в качестве коагулянта при обработке неочищенной воды.
Настоящее изобретение относится также к способу предварительной обработки неочищенной воды по пункту 5 формулы изобретения, который приводится ниже.
5. Способ предварительной обработки неочищенной воды, при котором продукт электролиза, получаемый способом по одному из пп.1-4, применяют в качестве коагулянта.
Преимущественные признаки, характеризующие способ предварительной обработки неочищенной воды по пункту 5 формулы изобретения, указываются в нижеприведенных пунктах 6-9 формулы изобретения.
6. Способ предварительной обработки неочищенной воды по п.5, включающий:
- стадию введения коагулянта в обрабатываемую неочищенную воду,
- стадию аэробного и затем анаэробного биологического фильтрования.
7. Способ предварительной обработки неочищенной воды по п.6, включающий дополнительно
- стадию электролиза воды, получаемой на стадии аэробного и затем анаэробного биологического фильтрования.
8. Способ предварительной обработки неочищенной воды по п.7, включающий дополнительно
- стадию введения гипохлорита натрия в воду, получаемую на стадии аэробного и затем анаэробного биологического фильтрования, перед стадией электролиза.
9. Способ предварительной обработки неочищенной воды по одному из пп.5-8, включающий дополнительно
- стадию получения водного раствора гипохлорита натрия.
Другим предметом настоящего изобретения является установка для предварительной обработки неочищенной воды, содержащая электролизер, предназначенный для реализации процесса электролиза согласно настоящему изобретению, основные отличительные признаки которого указаны в нижеприведенном пункте 10 формулы изобретения.
10. Установка для предварительной обработки неочищенной воды, содержащая электролизер, содержащий резервуар, включающий в себя металлический приемник и электрод, не соприкасающийся с указанным металлическим приемником,
- выпускное отверстие указанного электролизера, расположенное над выпрямителем потока или подсоединенное к трубе подачи обрабатываемой неочищенной воды, перед биологическим фильтром, содержащим аэробный фильтрующий слой с последующим анаэробным фильтрующим слоем.
Преимущественные признаки, характеризующие устройство для предварительной обработки неочищенной воды, указанного в вышеприведенном пункте 10 формулы изобретения, указываются в нижеприведенных пунктах 11-19 формулы изобретения.
11. Установка по п.10, в которой катод расположен горизонтально над металлическим приемником или внутри металлического приемника, в его верхней части.
12. Установка по пп.10 или 11, в которой катод выполнен в виде решетки.
13. Установка по одному из пп.10-12, содержащая также перемешивающие средства для металлического приемника.
14. Установка по одному из пп.10-13, содержащая дополнительно
- второй электролизер, содержащий резервуар, включающий в себя второй металлический приемник и второй электрод,
- впускное отверстие этого второго электролизера, подсоединенного к выпускному отверстию биологического фильтра,
15. Установка по п.14, в которой второй электролизер расположен горизонтально сверху или внутри второго металлического приемника в его верхней части.
16. Установка по пп.14 или 15, в которой второй электролизер снабжен электромагнитом или петлей индуктивности, окружающей второй металлический приемник.
17. Установка по пп.10-16, содержащая дополнительно устройство для получения водного раствора гипохлорита натрия, выпускное отверстие которого подсоединено к впускному трубопроводу первого электролизера.
18. Установка по п.17, в которой, когда это относится к пп.14, 15 или 16, трубопровод соединяет устройство для получения водного раствора гипохлорита натрия с впускным отверстием второго электролизера.
Установка для предварительной обработки неочищенной воды по пп.17 и 18 обладает огромным практическим преимуществом, заключающимся в том, что для ее работы требуются только лишь легкодоступные исходные материалы:
- соль (хлорид натрия) для получения гипохлорита натрия,
- частицы железа для получения коагулянта,
а также электричество для осуществления электролиза (и по дополнительному выбору - питающие насосы, электромагнит, соленоидные клапаны, воздушный компрессор, а также система управления и регулирования),
- вода, применяемая для получения раствора гипохлорита натрия, которая может быть взята из воды, подвергаемой предварительной обработке при помощи установки.
Полученная в результате предварительной обработки вода может быть затем подвергнута дополнительным видам обработки для того, чтобы, в частности, повысить ее чистоту.
Такие способы и установка для предварительной обработки неочищенной воды обладают основным преимуществом, заключающимся в возможности осуществления обработки воды из самых различных источников.
Другие отличительные признаки и преимущества будут описаны подробно со ссылками на прилагаемый чертеж, на котором схематически показан предпочтительный вариант выполнения установки для предварительной обработки неочищенной воды.
Подробное описание изобретения
На прилагаемом чертеже показана установка для предварительной обработки неочищенной воды согласно настоящему изобретению, при помощи которой можно реализовать способ электролиза согласно настоящему изобретению. Эта установка состоит из трех основных частей, которыми являются:
- фильтрующее устройство 1, в которое поступает неочищенная вода;
- первый электролизер 2, применяемый для получения коагулянта, предназначенного для фильтрующего устройства 1; и
- второй электролизер 3, применяемый для обработки воды, поступающей из фильтрующего устройства после добавления к ней водного раствора гипохлорита натрия.
а) Фильтрующее устройство
Фильтрующее устройство, показанное на чертеже, содержит отсек 4, служащий в качестве выпрямителя потока для неочищенной воды. Таким образом, происходит снижение скорости потока неочищенной воды, поступающей в верхней части отсека 4 через трубопровод 5, и уменьшение завихрений потока неочищенной воды.
Кроме того, коагулянт, вводимый через выпускной трубопровод 8 первого электролизера 2 (описанного более подробно ниже), вливают в верхнюю часть отсека 4 или вводят в трубопровод 5 и добавляют к неочищенной воде или смешивают с ней.
Таким образом, внутри отсека 4 самые большие частицы неочищенной воды, а также мельчайшие частицы, которые подвергаются коалесценции или коагуляции и флокуляции благодаря воздействию коагулянта, осаждаются на дно отсека 4.
Отверстие 6, проделанное в нижней части стенки отсека 4, позволяет воде поступать в смежный отсек 7, который действует в качестве коагулятора.
Наклонная плоскость, пересекающая отсеки 4 и 7, позволяет осуществлять выпуск больших или коагулированных частиц из отсеков 4 и 7 при помощи выпускного трубопровода 33.
Отверстие 9, проделанное вблизи верхней части отсека 7, позволяет воде проникнуть в примыкающий промежуточный отсек 10, в нижней части одной стенки которого проделано отверстие 11, которое образует впускное отверстие в пластинчатый осадительный резервуар 12, предпочтительно, имеющий пластины, ориентированные под углом 40°.
Частицы, которые в основном являются фосфатными соединениями, осаждаются на дне отсека 10, коагулированные осадки - на дне пластинчатого осадительного резервуара 12, и благодаря наклонной плоскости, пересекающей дно отсека 10 и пластинчатого осадительного резервуара, происходит выпуск этих частиц и коагулированных осадков через трубопровод 22.
Выпускное отверстие осадительного резервуара 12 образовано из отверстия 13, расположенного над пластинками этого осадительного резервуара 12, в верхней части одной из его стенок. Оставшаяся светлая жидкость вводится через отверстие 13 в примыкающий промежуточный отсек 14, в который подается воздух через трубопровод 17, так чтобы происходило насыщение воды воздухом и чтобы происходило окисление элементов в растворе или в суспензии, которые могут быть подвергнуты окислению. Таким образом, например, остаточные ионы двухвалентного железа, присутствующие в следовых количествах, окисляют ионы трехвалентного железа.
Промежуточный отсек 14 содержит стенку, нижняя часть которой снабжена отверстием 15, образующим впускное отверстие в биологический фильтр.
Этот биологический фильтр состоит из первого отсека 16 аэробного фильтрования, содержащего слой гидрофобных и олеофильных волокон, изготовленных из полипропилена. Этот слой волокон подвергается интенсивному аэрированию при помощи свободного воздуха или воздуха в растворе, переносимого при помощи воды, поступающей из отсека 14, и обогащается сжатым воздухом, вводимым при помощи воздуховода 17. В качестве варианта возможен также ввод кислорода или смеси подходящих газов, содержащих кислород.
Вследствие этого происходит нитрификация. Частицы, оседающие на дно промежуточного отсека 14 или первого отсека 16, удаляются через трубопровод 23 благодаря наклонной плоскости, пересекающей промежуточный отсек 14 и отсек 16.
Вода, поднимаясь в обратном направлении внутрь первого отсека 16 биологического фильтра, поступает к отверстию 18, проделанному в верхней части одной стенки этого отсека 16, для прохождения в примыкающий промежуточный отсек 19, имеющий стенку, в нижней части которой предусмотрено отверстие 20, образующее впускное отверстие во второй отсек 21 биологического фильтра. Вода поднимается в обратном направлении во второй отсек 21, в котором находятся второй слой гидрофобных и олеофильных волокон, также изготовленных из полипропилена. Однако, в отличие от первого слоя волокон, этот второй слой не подвергается аэрированию. А данном случае не применяется воздуховод 17, и поэтому происходит анаэробное фильтрование, которое путем денитрификации деструктурирует азотсодержащее и органическое вещество, содержащиеся в воде.
Частицы, оседающие на дне примыкающего промежуточного отсека 19 или второго отсека 21 анаэробного фильтрования, удаляются через трубопровод 24 благодаря наклонной плоскости, пересекающей эти отсеки.
Механические перемешивающие средства (не показано), например цилиндры, предпочтительно применяются для перемешивания фильтрующих слоев и отделения образовавшейся биомассы.
Преимущественно каждый из отсеков 16, 21 биологического фильтрования снабжен подводящими трубопроводами 31, 32. Эти подводящие трубопроводы 31, 32 подсоединены к трубопроводу 5 для подачи неочищенной воды и позволяют тем самым осуществить начальное покапельное введение неочищенной воды. Это небольшое количество неочищенной воды обеспечивает подачу бактерий, которые сцепляются с волокнами фильтрующих слоев. В результате происходит бактериальная инокуляция. В качестве варианта возможно также предусмотреть отверстие или устройство, которые создают возможность для введения в отсеки 16, 21 биологического фильтрования или в трубопроводы 31, 32 бактерий в виде водорастворимого бактериального препарата или в виде гелевых капсул или порошка в дозированном виде.
В зависимости от условий, преобладающих в среде, бактерии, которые колонизируют каждый из двух отсеков биологического фильтра, оказывают специализированное действие. В зависимости от того, какой случай имеет место, эти бактерии позволяют осуществлять нитрификацию или денитрификацию и разлагают масла и жиры, захватываемые волокнами, очищая тем самым последние. Аналогично этому, происходит нитрификация водного раствора аммиака с последующим разложением и образованием азота в отсутствие кислорода.
Выпускное отверстие 28, предусмотренное в верхней части стенки отсека 21, создает возможность для того, чтобы вода, содержащая биологическую массу, поступала в примыкающий промежуточный отсек 25, нижняя часть которого снабжена отверстием 26, образующим впускное отверстие в сепаратор 27. Этот сепаратор 27 образован из пористых перегородок, изготовленных из полипропилена. Вода проходит через этот сепаратор 27 снизу вверх и затем после поступления в верхнюю часть выпускается через трубопровод 30 во второй электролизер 3.
Частицы, осаждающиеся на дне промежуточного отсека 25 сепаратора 27, удаляются через трубопровод 29 благодаря наклонной плоскости, пересекающей сепаратор 27.
b) Электролизер 2
Как было описано выше, это устройство предназначено для получения коагулянта, который затем должен быть введен при помощи выпускного трубопровода 8 в выпрямитель потока 4 и затем в коагулятор 7, который сообщается с одной стороны с выпускным отверстием выпрямителя потока 4 и с другой стороны с пластинчатым осадительным резервуаром 12.
Обычно этот электролизер 2 включает резервуар, содержащий:
- водный раствор гипохлорита натрия;
- анод, содержащий металлический приемник, такой как корзина 46, содержащая шарики железа, погруженные в водный раствор гипохлорита натрия; и
- катод 47, обычно выполненный в виде решетки, имеющий по меньшей мере одну погруженную часть, в водном растворе гипохлорита натрия, причем эта погруженная часть находится над шариками железа.
Катод 47 предпочтительно расположен горизонтально над металлическим приемником или внутри металлического приемника в его верхней части.
Гипохлорит натрия обычно поступает из резервуара 34 с водным раствором гипохлорита натрия и обычно вливается через впускной трубопровод 35 электролизера 2 над катодом 47.
Согласно одному преимущественному варианту осуществления настоящего изобретения, в резервуар 34 подают гипохлорит натрия, полученный на месте при помощи дополнительного устройства в виде электролизера 49, который погружен в электрическую ячейку 50, заполненную раствором хлорида натрия, концентрация которого составляет 20-26 г/л и более, преимущественно около 22 г/л. Этот солевой раствор получают путем смешивания соленасыщенного рассола 57, содержащегося в резервуаре 51, с умягченной питьевой водой, подаваемой посредством трубопровода 53, через эдуктор 52. При помощи этого эдуктора 52 происходит всасывание и смешивание концентрированного рассола с умягченной питьевой воды для получения солевого раствора, содержащего соль в количестве 22 г/л и вливаемого в электролитическую ячейку 50 через трубопровод 54. К электролизеру 49 подводят постоянный ток до тех пор, пока не будет получен раствор гипохлорита натрия, содержащий эквивалент хлора в количестве 6,5 г/л. Когда уровень раствора гипохлорита натрия в резервуаре 34 после его расходования становится достаточно низким, открывается клапан 55 для опоражнивания электролитической ячейки 50 и заполнения резервуара 34.
Кроме этого, применение дополнительного устройства дает преимущество, заключающееся в том, что оно обеспечивает получение водного раствора, который содержит как гипохлорит натрия с высокой концентрацией, так и хлорид натрия. Благодаря увеличению проводимости вследствие присутствия хлорида натрия напряжение электролиза в электролизере 2 может оставаться низким, обычно менее 10 вольт.
Для предотвращения химического воздействия, оказываемого раствором, выпускаемым из резервуара 34, металлический приемник или корзину, содержащую железные шарики, обычно изготовливают по меньшей мере частично из титана или из титанового сплава, например из сплава титана и серебра, содержащего от 2 до 5% серебра, из сплава титана и палладия или титана и оксидов драгоценных металлов. А также они могут быть изготовлены из циркония или сплава циркония.
Корзина в основном подвешена при помощи ручек 56, которые закрепляются на двух стенках резервуара электролизера. Корзина в основном имеет круглое или прямоугольное поперечное сечение. Она может быть образована из металлической сетки или металлической фольги, имеющей достаточно небольшие перфорационные отверстия, так чтобы шарики не могли пройти сквозь них. Эта перфорационные отверстия позволяют осуществлять циркуляцию водного раствора.
Возможно также применение железной дроби или стружки вместо шариков железа.
Неожиданно было выявлено, что нет необходимости в том, чтобы лицевая сторона катодной решетки 47, обращенная к шарикам, была снабжена стандартным разделительным элементом, который в основном представляет собой пористую текстильную ткань пищевой марки, которой может являться, например, геотекстильная ткань, изготовленная из стеклоткани маленькой толщины, или текстильная ткань, изготовленная из полиэтилена или полипропилена, тканая или нетканая, которая во многих случаях обладает сопротивлением разрыву. Даже несмотря на отсутствие разделительного элемента не происходит никаких коротких замыканий.
Катодная решетка 47 может быть изготовлена из титана, из сплава титана, из сплава «хейсталлой» (Hastelloy) (жаро- и коррозионностойкого сплава на никелевой основе) или изготовлена из любого другого металла или сплава, который обладает коррозионной стойкостью по отношению к ионам трехвалентного железа в хлоридной и гипохлоритной среде.
При условии, что катодная решетка 47 расположена над частицами железа, а также что выпускной трубопровод 8 выходит со дна 36 резервуара, циркуляция продукта электролиза осуществляется сверху вниз, эффект которой состоит в том, что не происходит возврата, направленного в обратном направлении (по направлению к верхней части) ионов двухвалентного и трехвалентного железа, и вследствие этого не происходит восстановления последних. Этот эффект усиливается за счет того, что электролиз происходит при пропускании постоянного тока.
Кроме того, такая конфигурация обладает преимуществом, заключающимся в возможности лучшего распределения линий тока, что повышает эффективность его работы. К тому же нет необходимости в том, чтобы устройство содержало более одного металлического приемника, что позволяет упростить его изготовление.
Дно 16 резервуара предпочтительно является наклонным по направлению к выпускному трубопроводу 8.
Электролизер 2 предпочтительно снабжен средством (не показано) для перемешивания содержимого металлического приемника, которое может представлять собой пневматический или электрический вибратор или цилиндр или магнитный или ультразвуковой вибратор.
Работа электролизера 2
Хотя электролизер 2 может работать в режиме периодического действия, предпочтительной является работа в непрерывном режиме.
Совершенно очевидно, что частицы железа вводят в перфорированную корзину в самом начале, а затем частицы железа добавляют после определенного рабочего цикла. Как правило, количество частиц железа в виде шариков пополняют каждые две недели, так чтобы в корзине всегда имелись эти шарики.
Аналогично этому во время запуска установки необходимо подождать несколько минут/часов для того, чтобы мог быть осуществлен электролиз, при этом резервуар имеет такие размеры, чтобы процесс приготовления длился от 3 до 5 часов до извлечения коагулянта из резервуара.
Водный раствор гипохлорита натрия (NaClO) вводят в резервуар при помощи трубопровода 35.
К аноду и катоду подводят постоянный ток. Сила этого тока может изменяться. Он может быть также импульсным, с низким напряжением, в основном, менее чем 10 B, например от 0,5 B до 1 B.
2+
3+
3
2
Внутри корзины, благодаря присутствию гипохлорита натрия, при температуре окружающей среды и при pH, близком к нейтральному значению, происходят электрохимическое растворение и различные реакции, во время которых ионы двухвалентного железа (Fe) окисляются в ионы трехвалентного железа (Fe). Это приводит к образованию хлорида, содержащего трехвалентное железо (FeCl·6HO), а также к образованию, по всей видимости, в меньших количествах, другого нерастворимого микрокристаллического соединения, возможно, образованного из микрокристаллов оксида-гидроксида железа. Таким образом, в резервуаре получают суспензию, которая, как считается, содержит хлорид железа, гидроксиды железа и оксид-гидроксид железа.
Перемешивающие средства предусмотрены для перемешивания анода. Нет необходимости в том, чтобы эти средства осуществляли перемешивание катода. Путем перемешивания анода эти средства предотвращают образование на шариках покрытия, которое может прекратить или замедлить электролиз.
Выпуск продукта электролиза или реакционной смеси, содержащейся в резервуаре, происходит через выпускной трубопровод 8 для применения в качестве коагулянта в выпрямителе потока 4, за которым находится коагулятор 7. Этот коагулянт предназначен для большего загущения веществ в суспензиях, содержащихся в обрабатываемой воде, таких как осадки и выпавшие в осадок фосфаты. Наряду с этим осадки содержат также образуемые за счет реакции и абсорбции другие вещества, такие как, например, тяжелые металлы, включая свинец и мышьяк, но также нитраты и органические соединения; что касается цианидов, то происходит их немедленная нейтрализация.
Предпочтительным является размещение электролизера 2 в верхнем положении, а именно над выпрямителем потока. Таким образом, для циркуляции этой жидкости является достаточным только давление напора жидкости в резервуаре. В том случае, когда это невозможно, для ввода коагулянта в выпрямитель потока 4 применяют дозирующий насос.
3
3
3
3
3
3
3
Количество коагулянта, вводимого в выпрямитель потока 4, определяется в зависимости от количества неочищенной воды, подвергаемой обработке. Так, например, для 1 м/ч неочищенной воды, содержащей от 5 мг/л до 50 мг/л суспендированного вещества, расход вводимого коагулянта составляет 130 см/ч-850 см/ч, для воды, содержащей от 50 мг/л до 150 мг/л суспендированного вещества, расход коагулянта составляет 850 см/ч-1350 см/ч, и для воды, содержащей от 150 мг/л до 1500 мг/л суспендированного вещества, расход коагулянта составляет 1350 см/ч-2680 см/ч.
c) Электролизер 3
Электролизер 3 содержит те же самые части, что и электролизер 2: перфорированную корзину 47а, имеющую ручки 56а, катод 47а, предпочтительно расположенный горизонтально и который может представлять собой решетку, над которой происходит открывание трубопровода 37.
Однако размеры электролизера 3 обычно значительно больше, так как он предназначен для обработки всей воды, циркулирующей по всей установке.
В этом электролизере концентрация гипохлорита натрия в водном растворе ниже, чем в электролизере 2, и составляет порядка 1 мг/л-5 мг/л (ppm) для электролизера 3 вместо обычной концентрации порядка 6500 ppm для электролизера 2, а суммарное содержание хлорида натрия в электролизере 3 является очень низким, порядка 15 мг/л-25 мг/л.
Из вышеприведенного следует, что проводимость жидкости является более низкой. Следовательно, расстояние между катодом 47а и слоем шариков должно быть коротким. Оно соответствует обычно толщине пористого разделительного элемента, т.е. приблизительно 0,7 мм. В данном случае этим элементом обычно является пористая ткань, предназначенная для разделения, катодная решетка покрывается этой тканью и опирается на слой шариков железа.
Этот электролизер снабжен также электромагнитом, состоящим из соленоида 44, окружающего корзину, имеющую ручки 56а и содержащую шарики. Переменный ток проходит через соленоид и образует магнитное поле, индукция которого составляет более чем 0,01 Тесла.
В предпочтительном варианте внутренняя часть корзины предпочтительно покрыта, по меньшей мере частично, слоем катализатора, которым обычно является палладий.
Аналогично этому катод 47а сам по себе также предпочтительно покрыт, по меньшей мере частично, слоем катализатора, которым обычно является палладий, в частности, на той стороне, которая обращена к шарикам.
Размеры электролизера 3 обычно отличаются от размеров электролизера 2, так как он предназначен совсем для других целей.
Фактически, электролизер 3 предназначен, в частности, для нижеследующих целей:
- он уменьшает избыток гипохлорита, остающегося в воде,
- он экстрагирует тяжелые металлы и токсичные элементы, такие как мышьяк,
- он изменяет кристаллографический характер карбоната кальция, содержащегося в воде, и
- он разрушает органогалогенированные соединения, в частности хлораминированные соединения, содержащиеся в воде.
Тем самым он придает или вновь придает воде свойства родниковой воды.
Этот электролизер обладает тем преимуществом, что он позволяет обрабатывать воду, содержащую тяжелые металлы и/или токсичные элементы, такие как мышьяк и/или органические соединения, воду, обладающую кальциевой жесткостью более чем 15°F (это означает, что концентрация карбоната кальция в этой воде составляет более чем 150 мг/л), а также стоячую воду, например, из слабоаэрируемых накопителей или из резервуаров, в которых эта вода находилась слишком долго.
Работа электролизера 3
На прилагаемом чертеже показано, что вода, выпускаемая через выпускной трубопровод 30 из сепаратора 27 фильтрующего устройства 1, содержит раствор гипохлорита натрия, поступающего из резервуара 34 через дополнительный трубопровод 48 перед тем, как она поступает во второй электролизер 3 через впускной трубопровод 37 этого электролизера.
Также в данном случае один преимущественный вариант заключается в применении дополнительного устройства уже упомянутого в качестве источника гипохлорита натрия для резервуара 34. В первую очередь гипохлорит натрия предназначен для дезинфекции воды, поступающей через выпускной трубопровод 30. Значение pH раствора гипохлорита натрия, получаемого при помощи этого дополнительного устройства, составляет около 7. Этот раствор обладает тем преимуществом, что он содержит хлорноватистую кислоту, которая является более активным дезинфицирующим средством, чем гипохлорит натрия, по отношению к микробам.
Внутри резервуара электролизера 3 постоянный ток циркулирует через анод 46а и катод 47а. В результате этого происходит окисление железа шариков с образованием катиона двухвалентного железа и затем катиона трехвалентного железа на аноде.
Весь этот процесс соответствует нижеследующей суммарной реакции:
2+
-
-
3+
2
2Fe+ClO+НO=Cl+2OH+2Fe.
2+
Одновременное присутствие железа и ионов трехвалентного железа позволяет паре Fe/Fe, участвующей в реакции восстановления, воздействовать на определенные ионы тяжелых металлов. Кроме того, хлорид, содержащий трехвалентное железо, окисляет некоторые другие ионы, а гидроксид, содержащий трехвалентное железо, абсорбирует виды веществ, которые не являются очень хорошо растворимыми и которые образуются как путем восстановления, так и окисления. Затем они выпадают в осадок и могут быть удалены через трубопровод 40, предусмотренный внизу этого электролизера. Таким образом, присутствуют тяжелые металлы, которые не исчезли полностью на стадии предшествующей коагуляции и биологического фильтрования, такие как кадмий, хром или ртуть, при этом их концентрации значительно снижаются.
Предусмотрены средства (не показано) для перемешивания шариков. Эти средства обеспечивают трение шариков друг о друга, позволяя тем самым удалить с поверхностей шариков окисный слой и осадки, которые образуются на них. Эта окись и эти осадки затем также удаляются через трубопровод 40.
В предпочтительном варианте в качестве перемешивающих средств используется электромагнит, к которому предпочтительно подводят переменный ток для создания переменного магнитного поля. Электромагнит обладает тем преимуществом, что он не содержит движущихся частиц, которые могут изнашиваться, а также тем, что можно избежать применения уплотнений и подвижных электрических контактов. Кроме того, перемешивающий эффект затрагивает большую часть шариков, так как перемешивание не ограничивается поверхностным слоем.
Разность потенциалов между анодом и катодом предпочтительно составляет от 0,5 B до 1,5 B.
Постоянный ток предпочтительно является прерывистым, т.е. отсечка происходит периодически или согласно последовательности импульсов, с частотой в диапазоне от 0,1 Гц до 5 Гц, предпочтительно в диапазоне от 0,5 Гц до 1 Гц. Этим достигается два эффекта: с одной стороны, во время периодов отсутствия тока происходит деполяризация электродов, вследствие чего диффузия ионов осуществляется более свободно, и с другой стороны, гипохлорит, который пересекает катод, не восстанавливается при помощи катода 47а и, следовательно, может быть восстановлен путем окисления ионов двухвалентного железа с образованием ионов трехвалентного железа.
3
Сила тока зависит от расхода воды, проходящей через электролизер 3. Например, при расходе воды 4,550 м/час сила тока составляет около 14 А.
Вода, присутствующая на дне электролизера, вводится через отверстие 38, проделанное в нижней части одной стенки электролизера, в нижнюю часть примыкающего пластинчатого осадительного резервуара 41. Частицы, оседающие на дно этого осадительного резервуара, удаляют через выпускной трубопровод 40, а образующуюся сверху воду вводят через отверстие 42 в другие устройства для осуществления других известных видов обработки воды, в частности, для дальнейшего повышения степени ее чистоты.
Палладиевое покрытие корзины оказывает разлагающее воздействие на органические соединения, такие как органогалогенированные соединения, в частности, такие органогалогенированные соединения, как хлораминированные соединения, а также на часть остаточных нитратов. К тому же палладий позволяет усилить эффект восстановления ионов гипохлорита (ClO) и хлорноватистой кислоты (HClO) при помощи ионов двухвалентного железа.
Электромагнит также создает магнитное поле, которое изменяет структуру карбоната кальция, при этом ионы кальция ориентируются сами по себе различным образом, что в последующем будет способствовать скорее образованию кристаллов не очень прилипающего арагонита, чем крустифицированного кальцита, и будет ограничивать закупорку пор фильтрующих мембран, когда вода будет впоследствии подвергаться мембранному фильтрованию.
Кроме того, магнитное поле осуществляет реорганизацию атомов молекул воды и тем самым вновь придает ей ее исходные свойства.
К электромагниту подводят переменный ток, например, 50 Гц.
Весь цикл работы установки согласно настоящему изобретению
Ниже в качестве примера приводятся данные, касающиеся обработки неочищенной воды, приблизительно 5000 л/с, содержащей суспендированные вещества в концентрации от 5 мг/л до 1500 мг/л.
Концентрация водного раствора гипохлорита натрия, вводимого в первый электролизер 2, обычно составляет порядка 6,5 г/л, и его расход обычно составляет от 3 л/ч до 15 л/ч.
Расход коагулянта, вводимого до стадии биологического фильтрования, обычно составляет от 0,5 л/ч до 15 л/ч.
2
2
Площадь поверхности корзины первого электролизера 2, который может иметь круговое или прямоугольное поперечное сечение, составляет обычно от 5 дм до 50 дм. Ее высота обычно составляет от 30 мм до 100 мм.
Сила постоянного тока для электролиза в первом электролизере 2 обычно составляет 40-120 ампер.
Получаемая предварительно обработанная вода, выпускаемая через трубопровод 42 из второго электролизера 3, уже имеет чистоту, известную как «техническая» чистота, и это означает, что она должна быть подвергнута дополнительным видам обработки для того, чтобы она могла стать питьевой водой.
В определенных случаях, в зависимости от состава исходной неочищенной воды, предварительно обработанная вода, выпускаемая через выпускное отверстие 42 из второго электролизера 3, может быть питьевой водой или для того, чтобы она стала питьевой водой, требуется только лишь ограниченная дополнительная обработка.
Этими последующими видами обработки могут быть, например, фильтрование, осуществляемое через песочный фильтр и/или через микрофильтрующий элемент патронного типа.
Может также быть предусмотрено фильтрование через активированный уголь для устранения запахов, неприятного привкуса и цвета воды, а также следов остаточного гипохлорита. Пестициды и органические соединения (фенолы, ароматические углеводороды и т.п.), которые могут дополнительно присутствовать в воде, большей частью удаляются.
Если очищенная вода имеет слишком низкое значение pH (менее чем 6,51) при условии, что ни фильтрующее устройство 1, ни вспомогательные устройства 2 и 3 не оказывают значительного действия на значение pH, может быть предусмотрено добавление известкового молока (водного раствора гидрохлорида кальция), перед коагулятором 7, например в отсеке 4.
Если, с другой стороны, значение pH очищенной воды является слишком высоким (более чем 8,5), возможно применение перед коагулятором 7 устройства для нейтрализации с применением серной кислоты.
Может быть также предусмотрена ультрафильтрация для улавливания всех частиц, имеющих размер более чем 0,01 мкм, включая бактерии и вирусы, обладающие стойкостью к воздействию гипохлорита натрия), что позволяет получить бактериологически чистую воду, а также для экстрагирования больших органических молекул с целью значительного уменьшения количества остаточных суспендированных веществ для получения чистой воды, т.е. воды, обладающей практически нулевой мутностью.
Может быть также предусмотрена нанофильтрация или обратный осмос, в частности, в тех случаях, когда невозможно осуществить улавливание видов веществ в растворе при помощи ульрафильтрации.
Само собой разумеется, что установка согласно настоящему изобретению снабжена дополнительными устройствами, которые известны специалисту в данной области, такие как детекторы хлора, pH-зонды, соединенные с pH-метрами, термометры или термопары, расходомеры, устройства для измерения проводимости, насосы, электроклапаны или пневмоклапаны, расходомеры для воды или воздуха, средства для регулирования или осуществления работы насосов, воздушный компрессор, электронные и/или компьютерные устройства для мониторинга и управления работой устройств расчета различных параметров или записи результатов и т.д.
Пример
Этот пример демонстрирует эффективность коагулянта, полученного способом согласно настоящему изобретению.
Неочищенную воду, поступающую из канала, подвергают обработке в установке, показанной на прилагаемом чертеже. Расход неочищенной воды на входе составляет 4550 л/ч, ее мутность на входе является высокой, 65 TU/ F90° (TU/F - Единица Мутности по Формазину).
3
Коагулянт, получаемый на месте при помощи первого электролизера 2, вводят в начале обработки, при расходе 600 см/ч.
Получают нижеследующие результаты:
Виды веществ, присутствующие в неочищенной воде или введенные в неочищенную воду
Количества, содержащиеся в воде на входе (взятые из трубопровода 5)
Количества, содержащиеся в воде после введения коагулянта и осаждения (взятые из отсека 14)
Количества, содержащиеся после коагуляции, осаждения и пропускания через биологический фильтр (взятые из отсека 25)
Мезофильные аэробные бактерии/мл
250
220
95
Escherichia Coli, единиц/100 мл
51
50
00
Enterococcus, единиц/100 мл
180
160
02
- Мышьяк, мкг/л
50
<0,01
<0,01
- Свинец, мкг/л
110
<0,01
<0,01
- Хром, мкг/л
200
132
95
- Кадмий, мкг/л
20
13
<2
- Нитрат <maths num="1"><math display="block"><mrow><mi>N</mi><msubsup><mi>O</mi><mn>3</mn><mo>−</mo></msubsup></mrow></math><img file="00000001.tif" he="7" wi="10" img-content="undefined" img-format="tif" /></maths>
, мг/л
60
29
3,4
- Фосфат P, мг/л
3,10
0,45
0,40
- Цианид CN<sup>-</sup>, мкг/л
60
<10
<10
С одной стороны, следует отметить, что коагулянт очень эффективен в отношении металлов, в частности, мышьяка и свинца (см. результаты в третьей колонке таблицы).
С другой стороны, применение коагулянта согласно настоящему изобретению и применение фильтрующего устройства превосходно дополняют друг друга (см. результаты в четвертой колонке таблицы).
На основании этой таблицы можно даже сделать вывод о том, что благодаря применению коагулянта согласно настоящему изобретению и аэробного и анаэробного биологического фильтрования имеет место синергетический эффект.