СПОСОБ ОЧИСТКИ И ОБЕЗЗАРАЖИВАНИЯ ВОДЫ (ВАРИАНТЫ) И УСТАНОВКА ДЛЯ ОЧИСТКИ И ОБЕЗЗАРАЖИВАНИЯ ВОДЫ (ВАРИАНТЫ)
METHOD OF WATER (VERSIONS) PURIFICATION AND DISINFECTION AND PLANT FOR WATER (VERSIONS) PURIFICATION AND DISINFECTION

Изобретения относятся к области водоснабжения расположенных коллективных пользователей и могут быть использованы для подготовки воды поверхностных или подземных источников с целью получения питьевой воды заданного по физико-химическим свойствам качества.
Известно, что подлежащая очистке (подготовке) вода из-за возможного воздействия различных видов загрязняющих веществ природного и антропогенного происхождения может содержать:
- механические примеси, к которым, например, относятся неорганические составляющие почвы (песок, глина), частицы породы и т.д.;
- химические соединения, ухудшающие показатели качества воды по жесткости, по содержанию хлоридов, сульфатов, нитратов, тяжелых металлов, фенола, хлорорганических и поверхностно-активных веществ, по перманганатной окисляемости, по насыщению кислородом и другим санитарно-гигиеническим показателям качества для питьевой воды;
- патогенные и условно-патогенные микроорганизмы, вызывающие инфекционные и паразитарные заболевания;
- разнообразные остатки растительного и животного происхождения [Протасов В.Ф., Молчанов А.В. Экология, здоровье и природопользование в России /Под ред. В.Ф.Протасова. - М.: Финансы и статистика, 1995. с.215-225].
Именно по этой причине проблема очистки природной воды представляет собой серьезную техническую задачу.
3
7
Известен способ получения питьевой воды, по которому исходную воду подготавливают в водозаборном и очистных сооружениях и подают с расходом не менее 200 м/сутки от источника водоснабжения через фильтры, смеситель, комбинированный осветлитель, сорбционный фильтр, насос, причем подаваемую воду подвергают ультрафиолетовому обеззараживанию, коагуляции, флокуляции, фильтрованию, сорбции и обеззараживанию [Описание изобретения к патенту РФ №2206523 от 16.11.2001, МПК C02F 9/12, опубл. 20.06.2003].
Известный способ отличается сложностью, поскольку предназначен для очистки воды, подвергшейся антропогенному воздействию, как правило, неизвестного происхождения. Применение способа в абсолютном большинстве случаев является нецелесообразным из-за избыточности заложенных в него технических возможностей.
6
Известен способ очистки и обеззараживания воды, включающий предварительное введение в воду отмытого и измельченного кремня и воздействие на обрабатываемую воду в закрытой емкости ультрафиолетовым облучением и дневным светом [Описание изобретения к патенту РФ №2040474 от 30.12.1992, МПК C02F 1/32, опубл. 25.07.1995].
Данный способ нельзя применить для воды, взятой из поверхностных источников с большим содержанием органики или подземных источников с большим содержанием солей, таких, например, как соли железа и др.
7
Известен способ очистки природной подземной воды, включающий обработку воды окислителем, фильтрацию через инертную загрузку, в качестве которой используют кварцевый песок, промывку загрузки в режиме противотока через ее подвижный слой одновременно с фильтрацией воды, дезинфекцию воды ультрафиолетовым излучением и подачу потребителю [Описание изобретения к патенту РФ №2238916 от 23.10.2003, МПК C02F 9/12, опубл. 27.10.2004].
2+
Этот способ позволяет очистить природную подземную воду, в частности от ионов Fe, для чего инициируют процесс окисления железа и выводят твердую фазу из процесса после ее фильтрации, сепарации или отстаивания. В результате этот способ не обеспечивает очистку воды от органических остатков и не позволяет снижать ее жесткость.
Известен способ водоподготовки, включающий очистку воды от механических примесей и других видов загрязнений, ее облучение светом в ультрафиолетовой области спектра, при этом для насыщения воды активным растворенным кислородом ее облучение светом в ультрафиолетовой области спектра производят порциями многократно, затем облученную воду пропускают через дезинтегрированный неклассифицированный минеральный материал, состоящий из кварцевого песка и глиносодержащего минерального комплекса, и обеспечивают гидрогеологический режим миграции воды, соответствующий условиям формирования родниковых вод [Описание изобретения к патенту РФ №2278830 от 24.01.2005, МПК C02F 9/04, опубл. 27.06.2006].
Известный способ предназначен, в основном для очистки воды, подвергшейся техногенному воздействию при разведке и разработке месторождений полезных ископаемых. Он отличается относительной сложностью, его трудно воплотить в серийно выпускаемом оборудовании.
6
Известен способ глубокой очистки и обеззараживания воды из подземных источников, включающий последовательное извлечение из нее в несколько стадий механических примесей и других видов загрязнений с последующим облучением очищенной воды ультрафиолетовыми лучами [Описание изобретения к патенту РФ №2087427 от 20.06.1996, МПКC02F 9/00, опубл. 20.08.1997]. При относительной простоте способ очистки воды, тем не менее, включает дегазацию, двухстадийное фильтрование с постадийной промывкой и использованием в качестве фильтрующей загрузки на первой стадии инертного материала, а на второй - сорбента, при этом дегазацию осуществляют путем барботажа, фильтрование на первой стадии ведут с водовоздушной промывкой фильтрующей загрузки, а на второй стадии фильтрование ведут сверху вниз через фильтрующую загрузку, выполненную из двух слоев в последовательности сорбент - ионообменный материал, промывку ведут противотоком в последовательности ионообменный материал - сорбент, при этом ионообменный материал регенерируют раствором хлористого натрия.
Реализация этого достаточно сложного способа подразумевает наличие специально подготовленного квалифицированного персонала, что возможно не всегда. По этой причине данный способ не может быть тиражируем для компактно расположенных коллективных пользователей, таких как небольшие поселки, школы, больницы и др.
3
Задача, на решение которой направлено первое изобретение группы, и достигаемый технический результат заключаются в создании очередного способа очистки и обеззараживания воды, рассчитанных на среднюю 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.
3
2
Для решения поставленной задачи и достижения заявленного технического результата в способе очистки и обеззараживания воды, включающем последовательное извлечение из нее в несколько стадий механических примесей и других видов загрязнений с последующим облучением очищенной воды ультрафиолетовыми лучами, часть механических примесей и других видов загрязнений извлекают с использованием, по меньшей мере, двух напорных сорбционных фильтров, из которых второй включает активированный уголь в качестве сорбента, при этом воду подают в сорбционные фильтры в режиме сервиса сверху под магистральным давлением 0,15-0,60 МПа, с расходом 250-500 дм/час, с соотношением диаметра корпуса каждого сорбционного фильтра к скорости фильтрации воды для применяемого сорбента, лежащим в пределах от 60 до 90 с, после чего очищенную от механических примесей и других видов загрязнений воду подают в фильтр тонкой очистки с площадью фильтрации не менее 2,4 дм, а промывку каждого из фильтров осуществляют в конце рабочего цикла противотоком воды, начиная с фильтра тонкой очистки.
Кроме этого:
- первый сорбционный фильтр включает в качестве сорбента алюмосиликат;
- часть очищенной воды аккумулируют в промежуточной емкости в качестве демпфера неравномерности ее расхода;
- в качестве рабочего цикла берут, по меньшей мере, одну рабочую смену.
Приведенный выше уровень техники может быть отнесен и ко второму изобретению группы.
3
Задача, на решение которой направлено второе изобретение группы, и достигаемый технический результат также заключаются в создании очередного способа очистки и обеззараживания воды, рассчитанных на среднюю 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.
3
2
2
Для решения поставленной задачи и достижения заявленного технического результата в способе очистки и обеззараживания воды, включающем последовательное извлечение из нее в несколько стадий механических примесей и других видов загрязнений с последующим облучением очищенной воды ультрафиолетовыми лучами, часть механических примесей и других видов загрязнений извлекают с использованием, по меньшей мере, двух напорных сорбционных фильтров, из которых второй включает активированный уголь в качестве сорбента, при этом воду подают в сорбционные фильтры в режиме сервиса сверху под магистральным давлением 0,15-0,60 МПа, с расходом 500-750 дм/час, с соотношением скорости фильтрации воды для применяемого сорбента к диаметру корпуса каждого сорбционного фильтра, лежащим в пределах от 60 до 90 с, после чего очищенную от механических примесей и других видов загрязнений воду подают в фильтр тонкой очистки с площадью фильтрации не менее 2,4 дм и через напорный насос в обратноосмотический блок с площадью мембраны не менее 50 дм, а промывку каждого из фильтров осуществляют в конце рабочего цикла противотоком воды, начиная с фильтра тонкой очистки, при этом регенерацию обратноосмотического блока осуществляют посредством гидравлической очистки и/или химическими средствами с его последующей промывкой фильтратом.
Кроме этого:
- первый сорбционный фильтр включает в качестве сорбента Birm;
- часть очищенной воды аккумулируют в промежуточной емкости в качестве демпфера неравномерности ее расхода;
- в качестве рабочего цикла берут, по меньшей мере, одну рабочую смену, при этом в промежутках между рабочими циклами, по меньшей мере, напорный канал обратноосмотического блока заполняют фильтратом.
6
Известна бытовая установка для доочистки питьевой воды, содержащая емкость исходной воды, фильтр предварительной очистки, обратноосмотический модуль, распределитель, электронный блок управления и емкость для сбора фильтрата. Дополнительно, установка снабжена фильтром тонкой очистки, двухсекционным насосом с электродвигателем и датчиком электропроводности воды, размещенным в емкости для сбора фильтрата, при этом электронный блок управления связан с электродвигателем насоса и датчиком электропроводности воды, емкость исходной воды последовательно соединена с фильтром предварительной очистки, нижней секцией насоса, фильтром тонкой очистки и обратноосмотическим модулем, выход для очищенной воды которого соединен с емкостью для сбора фильтрата, а выход очищаемой воды соединен с распределителем, который связан с верхней секцией насоса и емкостью исходной воды [Описание изобретения к патенту РФ №2046008 от 29.04.1993, МПК B01D 63/08, опубл. 20.10.1995].
Недостатком известной установки является то, что она должна работать в непрерывном режиме - не останавливаясь. На больших высокопроизводительных установках, имеющих большой ресурс по производительности и наработке до плановой остановки на технологическое обслуживание, это оправдано. Для бытовых установок каждая внеплановая остановка грозит тем, что часть оборудования, и в первую очередь обратноосмотический модуль, выйдет из строя - произойдет отложение солей на его мембране. Именно по этой причине данная установка не пошла в серийное производство.
6
В известном способе глубокой очистки и обеззараживания воды из подземных источников описано устройство (установка) для его осуществления, которое, в частности, включает установленные в технологической последовательности фильтр грубой очистки, напорный сорбционный фильтр, фильтр тонкой очистки и ультрафиолетовый облучатель [Описание изобретения к патенту РФ №2087427 от 20.06.1996, МПК C02F 9/00, опубл. 20.08.1997].
Для того чтобы работать на данном устройстве, необходимо, чтобы обслуживающий персонал имел соответствующий уровень знаний и специальную подготовку, что не всегда возможно. Именно по этой причине использование известного устройства для компактно расположенных коллективных пользователей, таких как небольшие поселки, школы, больницы и др., не нашло распространения. Кроме этого, конструктивное исполнение устройства отличается определенной сложностью.
3
Задача, решаемая третьим изобретением группы, и достигаемый технический результат заключаются в создании очередных конструкций установок для очистки и обеззараживания воды, рассчитанных на среднюю 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.
3
Для решения поставленной задачи и достижения заявленного технического результата в установке для очистки и обеззараживания воды, включающей установленные в технологической последовательности фильтр грубой очистки, напорный сорбционный фильтр, фильтр тонкой очистки и ультрафиолетовый облучатель, напорный сорбционный фильтр включает активированный уголь в качестве сорбента, при этом перед ним установлен дополнительный напорный сорбционный фильтр, оба фильтра снабжены блоками управления, реализующими, по меньшей мере, две функции, одна из которых служит для подачи сверху очищаемой воды, а другая - для подачи воды снизу в режиме промывки, причем диаметры сорбционных фильтров лежат в пределах 1,6-4,0 дм, а объем засыпки в них сорбента составляет 25-37 дм.
Кроме этого:
- дополнительный напорный сорбционный фильтр включает алюмосиликат в качестве сорбента;
- после фильтра грубой очистки параллельно линии подачи воды установлен напорный насос, на линии входа которого расположен запорный кран, а на линии выхода - обратный клапан, при этом на участке подключения напорного насоса установлен дополнительный запорный кран;
- напорные сорбционные фильтры и фильтр тонкой очистки выполнены с возможностью индивидуального подключения к дренажной системе;
- фильтр грубой очистки, напорные сорбционные фильтры и фильтр тонкой очистки выполнены самопромывными;
- на выходе из фильтра тонкой очистки расположен аккумулятор очищенной воды с напорным насосом и ультрафиолетовым облучателем на его выходе;
- между фильтром тонкой очистки и аккумулятором очищенной воды установлен запорный кран.
Приведенный выше для третьего изобретения уровень техники может быть отнесен и к четвертому изобретению группы.
3
Задача, на решение которой направлено четвертое изобретение, и достигаемый технический результат также заключаются в создании очередных конструкций установок для очистки и обеззараживания воды, рассчитанных на среднюю 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.
3
Для решения поставленной задачи и достижения заявленного технического результата в установке для очистки и обеззараживания воды, включающей установленные в технологической последовательности фильтр грубой очистки, напорный сорбционный фильтр, фильтр тонкой очистки и ультрафиолетовый облучатель, напорный сорбционный фильтр включает активированный уголь в качестве сорбента, при этом перед ним установлен дополнительный напорный сорбционный фильтр, оба фильтра снабжены блоками управления, реализующими, по меньшей мере, две функции, одна из которых служит для подачи сверху очищаемой воды, а другая - для подачи воды снизу в режиме промывки, причем диаметры сорбционных фильтров лежат в пределах 1,6-4,0 дм, а объем засыпки в них сорбента составляет 25-37 дм, кроме того, выход фильтра тонкой очистки снабжен обратноосмотическим блоком, который связан с ним через собственный напорный насос.
Кроме этого:
- дополнительный напорный сорбционный фильтр включает Birm в качестве сорбента;
- после фильтра грубой очистки параллельно линии подачи воды установлен напорный насос, на линии входа которого расположен запорный кран, а на линии выхода - обратный клапан, при этом на участке подключения напорного насоса установлен дополнительный запорный кран;
- напорные сорбционные фильтры, фильтр тонкой очистки и обратноосмотический блок выполнены с возможностью индивидуального подключения к дренажной системе, при этом подключение обратноосмотического блока выполнено в виде быстродействующего крана;
- на выходе из обратноосмотического блока расположен аккумулятор очищенной воды с напорным насосом и ультрафиолетовым облучателем на его выходе;
- между фильтром тонкой очистки и входом напорного насоса обратноосмотического блока и на выходе обратноосмотического блока установлены запорные краны;
- обратноосмотический блок включает бак химической мойки, при этом вход напорного насоса обратноосмотического блока выполнен с возможностью подключения к аккумулятору очищенной воды и баку химической мойки, который установлен с возможностью дополнительного подключения к дренажной системе и линии выхода очищенной воды.
Изобретения иллюстрируются чертежами, где:
на фиг.1 показан общий вид установки, реализующий первый вариант способа очистки и обеззараживания воды;
на фиг.2 показан вариант общего вида установки, реализующий второй вариант способа очистки и обеззараживания воды.
В общем виде способ очистки и обеззараживания воды включает последовательное извлечение из нее в несколько стадий механических примесей и других видов загрязнений с последующим облучением очищенной воды ультрафиолетовыми лучами.
3
2
По первому варианту способа, часть механических примесей и других видов загрязнений извлекают с использованием, по меньшей мере, двух напорных сорбционных фильтров 1 и 2, из которых фильтр 1 включает в качестве сорбента алюмосиликат, а фильтр 2 - активированный уголь, при этом воду подают в сорбционные фильтры 1 и 2 в режиме сервиса сверху под магистральным давлением 0,15-0,60 МПа, с расходом 250-500 дм/час, с соотношением диаметра корпуса каждого сорбционного фильтра 1 или 2 к скорости фильтрации воды для применяемого сорбента, лежащим в пределах от 60 до 90 с, после чего очищенную от механических примесей и других видов загрязнений воду подают в фильтр 3 тонкой очистки с площадью фильтрации не менее 2,4 дм, а промывку каждого из фильтров 1-3 осуществляют противотоком воды в конце рабочего цикла, в качестве которого берут, по меньшей мере, одну рабочую смену, начиная с фильтра 3 тонкой очистки, при этом соотношение диаметра корпуса каждого сорбционного фильтра 1 или 2 к скорости фильтрации воды для применяемого сорбента при промывке лежит в пределах от 30 до 45 с. Часть очищенной воды аккумулируют в промежуточной емкости 4 в качестве демпфера неравномерности ее расхода.
3
2
2
По второму варианту способа часть механических примесей и других видов загрязнений также извлекают с использованием, по меньшей мере, двух напорных сорбционных фильтров 1 и 2, из которых фильтр 1 включает в качестве сорбента Birm, а фильтр 2 - активированный уголь, при этом воду подают в сорбционные фильтры в режиме сервиса также - сверху под магистральным давлением 0,15-0,60 МПа, но с расходом 500-750 дм/час. Скорость фильтрации воды для применяемого сорбента к диаметру корпуса каждого сорбционного фильтра 1 или 2 лежит в пределах от 60 до 90 с, после чего очищенную от механических примесей и других видов загрязнений воду подают в фильтр 3 тонкой очистки с площадью фильтрации не менее 2,4 дм, и через напорный насос 5 в обратноосмотический блок 6 с площадью мембраны не менее 50 дм, а промывку каждого из фильтров 1-3 осуществляют аналогично первому варианту изобретения, регенерацию обратноосмотического блока 6 осуществляют посредством гидравлической очистки и/или химическими средствами с его последующей промывкой фильтратом. Также фильтратом заполняют напорный канал обратноосмотического блока в промежутках между рабочими циклами. Как и в предыдущем варианте, часть очищенной воды аккумулируют в промежуточной емкости 4 в качестве демпфера неравномерности ее расхода.
Способы очистки и обеззараживания воды могут быть реализованы на соответствующих установках.
3
Первый вариант установки, реализующий первый вариант способа, включает установленные в технологической последовательности фильтр 7 грубой очистки, напорный сорбционный фильтр 1 с алюмосиликатом в качестве сорбента, напорный сорбционный фильтр 2 с активированным углем, фильтр 3 тонкой очистки, на выходе которого расположен аккумулятор 4 очищенной воды с напорным насосом 8 и ультрафиолетовым облучателем 9 на его выходе. Напорные сорбционные фильтры 1 и 2 снабжены блоками управления 10 и 11, реализующими, по меньшей мере, две функции, одна из которых служит для подачи сверху очищаемой воды, а другая - для подачи воды снизу в режиме промывки, причем внутренние диаметры корпусов 12 сорбционных фильтров 1 и 2, как это упоминалось выше, лежат в пределах 1,6-4,0 дм, а объем засыпки в них сорбента составляет 25-37 дм. После фильтра 7 грубой очистки параллельно линии 13 подачи воды установлен напорный насос 14, на линии входа которого расположен запорный кран 15, а на линии выхода - обратный клапан 16, при этом на участке подключения напорного насоса 14 установлен дополнительный запорный кран 17. Между фильтром 3 тонкой очистки и аккумулятором 4 очищенной воды установлен запорный кран 18. Напорные сорбционные фильтры 1 и 2 и фильтр тонкой очистки 3 выполнены с возможностью индивидуального подключения к дренажной системе 19, при этом фильтры 1, 2, 3 и 7 выполнены самопромывными.
Второй вариант установки, реализующий второй вариант способа очистки и обеззараживания воды, во многом аналогичен установке по первому варианту, но имеет свои особенности, которые заключаются в том, что напорный сорбционный фильтр 1 включает Birm в качестве сорбента, выход фильтра 3 тонкой очистки снабжен следующей ступенью очистки - обратноосмотическим блоком 6, который связан с ним через собственный напорный насос 5, а аккумулятор 4 очищенной воды связан с выходом 20 обратноосмотического блока 6, при этом подключение обратноосмотического блока 6 к дренажной системе 19 выполнено в виде быстродействующего крана 21. Дополнительно, между фильтром 3 тонкой очистки и входом напорного насоса 5 обратноосмотического блока 6 и на выходе 20 обратноосмотического блока 6 установлены запорные краны 22 и 23, соответственно. Кроме того, обратноосмотический блок 6 включает бак 24 химической мойки, при этом вход напорного насоса 5 обратноосмотического блока 6 выполнен с возможностью подключения через краны 25 и 26 к аккумулятору 4 очищенной воды и баку 24 химической мойки, соответственно, а бак 24 химической мойки, в свою очередь, установлен с возможностью дополнительного подключения к дренажной системе 19 через кран 27 и через кран 28 к линии выхода 20 очищенной воды обратноосмотического блока 6.
Проанализируем существенность признаков изобретений.
Проблема снабжения качественной питьевой водой очень актуальна, например, для Саратовской области, где ее единственным источником являются открытые водоемы, для Калмыкии, где вода из подземных источников непригодна для употребления по причине содержания в ней большого количества солей и т.д.
Первый вариант способа очистки и обеззараживания воды и первый вариант установки для его осуществления предназначены для воды из открытых водоемов и водотоков, которая может быть загрязнена за счет попадания в поверхностные воды промышленных, сельскохозяйственных и бытовых сточных вод и/или за счет дождевых и паводковых стоков с прилегающих территорий. Наиболее часто в сточных водах присутствуют минеральные и органические кислоты, растворители, азот- и хлорсодержащие вещества, пестициды, гербициды, микроорганизмы и многое другое.
Второй вариант способа очистки и обеззараживания воды и второй вариант установки для его осуществления предназначены для воды из подземных источников, которая, как правило, чище, чем поверхностные воды. Воды подземных источников из-за природных особенностей местности могут иметь высокие количественные показатели по содержанию железа, хлоридов, карбонатов, сульфатов и других нежелательных составляющих. Кроме того, загрязнение подземных вод может произойти в результате аварийного разлива нефти и других жидкостей, вымывания растворимых веществ со свалок и просачивания сточных вод из других накопителей отходов, таких как шламовые, навозные и пр.
Заявляемые изобретения в полной мере решают задачу очистки, обеззараживания и доведения до уровня питьевой такой воды.
3
3
3
В обоих случаях вода может поступать на очистку под магистральным давлением от 0,15 до 0,60 МПа, что следует понимать как ее поступление либо самотеком из магистрального трубопровода (линии подачи воды 13), либо принудительно - напорным насосом 14. Расход 250-500 дм/час воды при подаче для первого варианта способа и 500-750 дм/час при подаче для второго варианта позволяет обеспечить на выходе из установки поступление качественной питьевой водой в количестве (3-4 м, хотя может быть и больше), достаточном для водоснабжения небольшого поселка с населением до 1000 жителей, школы, больницы или других подобных объектов. При этом установки будут работать неполный рабочий день, как правило, одну рабочую смену 8 ч, что позволит провести профилактические мероприятия по регенерации и/или восстановлению фильтроэлементов 1, 2, 3, 6 и 7. Регулярная профилактика обеспечивает получение питьевой воды стабильно высокого качества, чего нельзя добиться на большинстве известных фильтрационных установках - вначале они «загрязняются» до определенного допустимого уровня и только после этого восстанавливаются, и вода, соответственно, вначале имеет очень высокие показатели качества, а потом эти показатели снижаются и, в лучшем случае, потребитель имеет воду просто хорошего качества.
Для проектирования оптимальных с точки зрения затрат на изготовление эксплуатацию и обслуживание установок появилась необходимость ввести некий показатель эффективности соотношения геометрических характеристик насыпных сорбционных фильтров 1 и 2 с технологическими характеристиками используемых сорбентов. Характеристики этих фильтров определяют работоспособность установок в целом, и именно при их проектировании чаще всего закладывают неоправданно высокий параметрический резерв в части осуществления ими функции фильтрации, а это ведет к перерасходу материалов, неоправданному увеличению веса установки и ее стоимости.
В качестве показателя эффективности было выбрано соотношение внутреннего диаметра корпуса 12 каждого сорбционного фильтра 1 или 2 к скорости фильтрации воды для применяемого сорбента (в случае изобретения это алюмосиликат, Birm и активированный уголь (здесь и далее о сорбентах см., например, Каталог Компании «ЭКОДАР» «Оборудование для очистки воды и водоподготовки - комплектующие», Выпуск 1; 117810, Москва, ул. Профсоюзная, 84/32, 6 п.; тел.: 495-334-1501, 333-8033, факс 495-333-8256; http://www.ekodar.ru; e-mail: ekodar@ekodar.ru), которое лежит в пределах от 60 до 90 с. Физически этот показатель характеризует тот факт, что за время 60-90 секунд множество молекул воды, равномерно распределенных по площади фильтрации, однозначно пройдет столб зерновой засыпки сорбента сверху донизу, т.е. произойдет их гарантированная очистка от соответствующих механических примесей - подготовительный этап для дальнейшей обработки воды на следующих ступенях фильтрации.
Время в соотношении большее, чем 90 с, обеспечивает очистку воды с избытком, т.е. нижние слои сорбента не работают - имеется его явный избыток (перерасход сорбента, утяжеление установки и т.д.). Время в соотношении меньшее, чем 60 с, означает, что очистка воды не обеспечивается в полной мере - загрязнители не успевают застрять в межзерновом пространстве или адсорбироваться на поверхности сорбента. Применение выбранного показателя эффективности позволяет исключить случаи, когда при фильтрации используется не вся площадь поперечного сечения засыпки, ограниченная внутренним диаметром корпуса 12 фильтра 1 или 2 (тем более - объем), а лишь ее некоторая часть, поскольку избыточная площадь позволяет очищаемой воде найти оптимальный путь наименьшего сопротивления, например непосредственно под входящей струей воды, или благодаря особому случайному расположению зерен найти оптимальную траекторию для прохождения объема засыпки, и в этом случае налицо нерациональная компоновка фильтра.
3
Заявляемые в качестве изобретений установки были рассчитаны на очистку 2-4 м воды в сутки - это средняя норма потребления питьевой воды небольшого поселка, школы, больницы и т.д. В этом случае количество фильтрующих регенерируемых сорбентов должно быть таким, чтобы все профилактические мероприятия проводились одновременно для всех элементов установки. На промышленных установках большой производительности, предназначенных, например, для водоснабжения города, профилактику можно проводить по мере необходимости для каждого ее элемента - индивидуально или путем остановки всей установки, включая при этом дублирующее оборудование.
Заявляемые установки проектируются по принципу оптимального соотношения выполняемой функции, массогабаритных характеристик и цены.
2
Проблема оптимизации компоновки установки в целом решается только в том случае, когда оптимизируются параметры ее каждого элемента. Именно по этой причине рабочая площадь фильтрации фильтра 3 тонкой очистки имеет ограничение - не менее 2,4 дм, поскольку большая площадь фильтрации практически не сказывается на габаритах установки.
Проблема нейтрализации большого количества механических примесей и органических соединений решена в изобретениях за счет использования в качестве сорбента на первом этапе фильтрации алюмосиликата. Возможно применение и других зерновых сорбентов (кварцевый песок, Filter-AG и др.), но в этом случае, следуя логике оптимизации, придется отойти от унификации корпуса 12 фильтра 1 с корпусом 12 фильтра 2, предназначенного для активированного угля - они станут разными по геометрическим характеристикам или будут загружены по-разному. Использование активированного угля (преимущественно, березового или из скорлупы кокосовых орехов) в качестве сорбента на втором этапе фильтрации позволяет в наибольшей степени использовать его давно зарекомендовавшие себя положительные качества (см. Каталог Компании «ЭКОДАР»).
Подземные воды, как правило, содержат большое количество растворенного железа. Для его абсорбции и коагуляции (во вторых вариантах изобретений) на первом этапе фильтрации в качестве сорбента используют Birm. В отличие от других подобных сорбентов, например Manganese Greensand, MTM и некоторых других, которые восстанавливают свою фильтрующую способность с помощью перманганата калия, сорбент Birm является каталитически активным материалом, фильтрующая активность которого может восстанавливаться промывкой обратным потоком воды.
2
3
Наличие в установке для очистки и обеззараживания воды обратноосмотического блока 6 с площадью мембраны не менее 50 дм позволяет производить обессоливание предварительно очищенной на предыдущих этапах воды. При этом, безусловно, увеличивается ее расход, поскольку от 30 до 50% концентрата будет уходить в дренаж. Тем не менее, на выходе 20 обратноосмотического блока 6 расход очищенной воды будет составлять необходимые 250-500 дм/час.
Регенерация обратноосмотического блока 6 происходит с использованием промежуточной гидравлической очистки, что позволяет значительно реже прибегать к очистке химическими средствами. Смысл гидравлической очистки заключается в том, что в определенный момент времени во входной полости обратноосмотического блока 6 рабочее давление, а это примерно 10 МПа, резко сбрасывают с помощью быстродействующего крана 21. Давление во входной полости падает до уровня атмосферного, начинается интенсивное движение воды в турбулентном режиме, при этом резко падает давление в полости фильтрата - происходит микрогидравлический удар, в результате чего налипшие на мембрану и застрявшие в ее порах частицы приобретают подвижность и легко смываются потоком воды, после чего мембрана блока 6 восстанавливает свои функции практически на 90% и более. Дополнительный эффект от гидравлической очистки может проявиться при локальном повышении давления в 1,2-1,6 раза (по сравнению с номинальным) внутри обратноосмотического блока 6 непосредственно перед его сбрасыванием. При этом происходит более полное отделение налипших и застрявших частиц, но на установках небольшой производительности, подобно заявляемым в качестве изобретений, реализация этой функции ведет к усложнению конструкции и схемы управления. Таким образом, применение гидравлической очистки существенно упрощает обслуживание установки.
На время простоя между рабочими сменами внутренние полости обратноосмотического блока 6 заполняются фильтратом, который берут из аккумулятора 4 очищенной воды. Этот прием позволяет дополнительно увеличить ресурс работы обратноосмотического блока 6.
Установка, реализующая первый вариант способа очистки и обеззараживания воды, работает следующим образом.
Очищаемая вода поступает на очистку и обеззараживание под магистральным давлением, например, из водонапорной башни. При этом запорный кран 15 на входе напорного насоса 14 закрыт, а кран 17 на участке подключения напорного насоса 14 открыт. В другом случае вода в установку может поступать непосредственно из открытого водоема, для чего используют напорный насос 14, предварительно подключив его к магистрали - закрыв запорный кран 17 и открыв кран 15.
На входе в установку вода проходит фильтр 7 грубой очистки, который задерживает наиболее крупные частицы механических примесей. Далее вода поступает в напорный сорбционный фильтр 1, сорбентом в котором является алюмосиликат - AG, задерживающий в пространстве между зернами крупные частицы, прошедшие фильтр грубой очистки, и сорбирующий на свою поверхность соединения, обеспечивающие цветность и мутность воды, и другие примеси. После этого вода поступает во второй напорный сорбционный фильтр 2, сорбентом в котором является активированный уголь, задерживающий в межзерновом пространстве и сорбирующий на свою поверхность все то, что не задержалось на предыдущей ступени фильтрации. Происходит дальнейшая подготовка воды, после чего она поступает в фильтр 3 тонкой очистки типа распространенного ныне фильтра «Экофильтр» (ТУ 3697-001-57334436-2004), где происходит ее окончательная очистка от оставшихся механических примесей, химических загрязнений и, частично, бактерий. Очищенная вода собирается в аккумуляторе 4, который представляет собой оборудованную соответствующим образом емкость. На выходе из емкости 4 после напорного насоса 8 стоит ультрафиолетовый облучатель 9, после прохождения через который гибнут оставшиеся от предыдущих очисток болезнетворные микроорганизмы. Потребитель получает питьевую воду, соответствующую утвержденным стандартам качества.
По истечении рабочей смены подача воды в установку отключается. При необходимости продолжается ее подача потребителю из аккумулятора 4 очищенной воды.
Регенерация фильтроэлементов установки происходит в следующем порядке. Очистка фильтра 7 грубой очистки от песка, ила и других крупных засорителей производится открытием или отворачиванием, в зависимости от конструкции, крана или заглушки в его нижней части и спуском грязной воды в канализацию или соответствующую тару, или очисткой и промывкой специальной сетки. Регенерацию напорных сорбционных фильтров 1 и 2 производят последовательно, начиная с фильтра 1, для чего с помощью блока управления 10, например, вручную включается функция подачи воды снизу. Автоматически верхняя часть корпуса 12 фильтра 1 соединяется с дренажной системой 19. Поступающая вода разрыхляет (взвешивает) зерновую засыпку и в течение 15-20 минут вымывает загрязнители из межзернового пространства сорбента и, по большей части, с поверхности зерен, и они уходят в дренаж. После этого блок управления 10 включает функцию подачи воды сверху - прямотоком. По истечении 4-7 минут фильтр 1 считается восстановленным, дренаж перекрывается, и приступают к восстановлению фильтра 2, которое осуществляется аналогично процедуре восстановления фильтра 1, используя блок управления 11. После промывки фильтра 2 приступают к промывке фильтра 3 тонкой очистки. Для этого его отключают (изолируют) от магистрали путем соответствующего включения блока управления 11 на фильтре 2 и перекрывания запорного крана 18. После этого на 5-10 секунд открывают быстродействующий кран 29, соединяя соответствующую полость фильтра 3 с дренажной системой 19. Автоматически включается аккумулятор 30 фильтра 3, подавая воду под давлением в режиме противотока. Фильтроэлемент очищается от загрязнителей, которые уходят в дренаж. Связь с дренажем перекрывается. Блок управления 11 и запорный кран 18 (аналог крана 22 во втором варианте устройства) переводятся в режим включения фильтра 3 тонкой очистки в магистраль.
Таким образом, осуществляется функция самопромывки фильтров 1, 2 3, что соответствует их восстановлению (или регенерации) без замены сорбентов, картриджей и т.п.
После восстановления функции водоочистки всех фильтроэлементов фильтров 1, 2, 3 и 7 установку включают для приведения ее в исходное состояние, соответствующее заполнению магистрали, восстановления функции гидроаккумулятора 30 на фильтре 3 тонкой очистки и началу поступления очищенной воды в аккумулятор 4. В этом состоянии установку выключают. Следующее включение установки осуществляют в соответствующую рабочую смену, как правило на другой день.
По истечении достаточно длительного периода эксплуатации установки возникает необходимость полной (капитальной) регенерации всех ее фильтроэлементов для устранения тех загрязнителей и засорений, которые не удалялись в процессе плановых мероприятий. Для этого используют, как правило, химические средства, например раствор лимонной кислоты, в котором вымачивают картридж фильтра 3 тонкой очистки. Допускается промывка в растворе лимонной кислоты зерновых сорбентов, например алюмосиликата. После обработки раствором кислоты зерновые сорбенты досыпают до их необходимого количества, пополняя, таким образом, изношенный сорбент. Следует отметить, что в большинстве случаев отработанный сорбент целесообразнее всего заменить на новый. Таким образом, после капитальной регенерации потребитель начинает эксплуатировать практически новую установку.
Установка, реализующая второй вариант способа очистки и обеззараживания воды, работает аналогично установке по первому варианту, с той лишь разницей, что вода подземных источников содержит свои специфические включения и загрязнители, например повышенное количество железа, в том числе растворенного, для абсорбции которого используется сорбент Birm или аналогичный ему по свойствам, а также появляется дополнительная ступень очистки воды от растворенных солей - обратноосмотический блок 6, куда под повышенным давлением напорным насосом 5 подается очищенная на предыдущих ступенях вода.
В обратноосмотическом блоке 6 происходит разделение воды на фильтрат и концентрат, фильтрат поступает в аккумулятор 4, а концентрат выводится в дренаж.
Регенерация установки по второму варианту способа очистки аналогична регенерации по первому варианту. Все отличие заключается в восстановлении мембраны обратноосмотического блока 6. Восстановление мембраны осуществляют также в конце рабочей смены, как и фильтры 1, 2, 3 и 7 предшествующих ступеней, посредством гидравлической очистки, которую производят в следующем порядке. Выход 20 обратноосмотического блока 6 перекрывают путем закрытия крана 23. Кран 28 подразумевается закрытым. Очищенную на предыдущих ступенях воду насосом 22 под давлением подают в обратноосмотический блок 6 и включают быстродействующий, например, шаровой кран 21, соединяющий входную полость обратноосмотического блока 6 с дренажной системой 19. За счет резкого последовательного падения давления в обеих полостях обратноосмотического блока 6, увеличения скорости прохождения воды и турбулизации потока мембрана освобождается от загрязнителей, практически (как упоминалось выше) на 90-95% восстанавливая свою рабочую функцию. После очистки кран 21, соединяющий входную полость обратноосмотического блока 6 с дренажной системой 19, перекрывается, а кран 23 открывается. Установка может продолжать работу в режиме очистки. В противном случае ее отключают, предварительно заполнив входную полость обратноосмотического блока 6 фильтратом из аккумулятора 4. Следующее включение установки осуществляют в соответствующую рабочую смену.
При необходимости полной регенерации мембраны обратноосмотического блока 6 осуществляют его химическую промывку. Для этого выход фильтра 3 тонкой очистки перекрывают при помощи крана 22. Соединение выхода 20 обратноосмотического блока 6 с аккумулятором 4 перекрывают краном 23. Также отсоединяют выход аккумулятора 4 очищенной воды от входа в напорный насос 8. Одновременно вход напорного насоса 5 и выход 20 обратноосмотического блока 6 посредством кранов 26 и 28, соответственно, соединяют с баком 24 химической мойки. Включают насос 5. Раствор 10% лимонной или, например, щавелевой кислоты начинает циркулировать по контуру: входная полость обратноосмотического блока 6 - выходная полость (полость фильтрата) - бак 24 химической мойки - вход насоса 5 и снова - входная полость блока 6. По истечении 5-7 минут мембрана полностью очищается от загрязнителей. Соединение бака 24 химической мойки со входом напорного насоса 5 перекрывается. Одновременно вход насоса 5 соединяется с аккумулятором 4 и обратноосмотический блок 6 промывается от химического раствора фильтратом. Контур химической мойки полностью отключается. Контроль состояния реактива в баке 24 и его технологические параметры контролируются отдельно. Оборудование водоочистки возвращается в исходное положение. В перерывах между рабочими сменами, по меньшей мере, входная полость обратноосмотического блока 6, как упоминалось выше, должна быть заполнена фильтратом, который должен оставаться там (или во всем объеме блока 6) до следующего включения установки.
В остальном эксплуатация двух вариантов установок и их технологическое обслуживание по большей части совпадает и не требует приобретения обслуживающим персоналом каких-либо специальных знаний и навыков.
3
В результате решения поставленных задач были разработаны и реализованы на практике очередные способы очистки и обеззараживания воды (или единичных модулей очистки и обеззараживания воды), рассчитанные на среднюю единичную производительность 250-500 дм/час в течение 8-20 час/сутки для компактно расположенных коллективных пользователей, при этом были получены гарантированные по физико-химическим свойствам показатели качества питьевой воды.