СПОСОБ И УСТАНОВКА ДЛЯ ОБРАБОТКИ ВОДЫ
METHOD AND DEVICE FOR WATER TREATMENT

Изобретение относится к области обработки воды. Более конкретно, изобретение относится к способам обработки воды, содержащим стадию отделения от воды твердых частиц и, по меньшей мере, одну стадию фильтрации.
Изобретение применимо, в частности, но не исключительно, для предварительной обработки воды, предназначенной для последующей обработки с использованием обратноосмотических или нанофильтрационных мембран.
В целом изобретение относится, в частности, к следующим областям:
- повторное использование сточных вод для различных целей (технологическая вода для производственных процессов, в том числе на предприятиях микроэлектроники, фильтрация грунтовых вод, подготовка питьевой воды и т.п.);
- опреснение морской воды или минерализованной воды;
- обработка поверхностных вод с большими перепадами мутности и/или содержания органических веществ;
- обработка поверхностных вод с большими перепадами содержания водорослей и других органических или неорганических веществ, обладающих высокой способностью засорять трубы и фильтры.
Обычные поверхностные воды (река, озеро или водохранилище) иногда подвергают обработке с использованием нанофильтрационных мембран для уменьшения содержания пестицидов или других органических загрязняющих микрочастиц, которые могут быть удалены нанофильтрацией.
Нанофильтрация также обеспечивает удаление бивалентных анионов, таких как сульфаты, а также снижение содержания других солей, таких как, например, нитраты.
При осуществлении процесса обратного осмоса используются мембраны, аналогичные нанофильтрационным мембранам, но с более высокой разделительной способностью. Этот процесс обеспечивает удаление из воды почти всех органических и неорганических загрязняющих частиц. Обратный осмос используется, в частности, при приготовлении воды для питья, или для другого ее использования человеком, или котловой воды из морской или минерализованной воды.
Обратный осмос также все больше используется для обработки с целью повторного использования сточных вод для получения технологической воды, после того как она прошла через установку обработки сточных вод.
Обратноосмотические мембраны, подобно нанофильтрационным мембранам, очень чувствительны к засорению и требуют предварительной обработки воды для уменьшения ее способности забивать фильтры. Способность воды, предназначенной для осуществления нанофильтрации или обратноосмотической фильтрации, засорять фильтры часто измеряется индексом плотности взвешенных частиц (), который обычно стараются снизить до минимума в процессе предварительной обработки, и в любом случае до величины, меньшей 4 (≤4).
Если имеет значения, превышающие 4, то это приводит к интенсивному засорению обратноосмотической или нанофильтрационной мембраны, в результате чего требуется частое промывание мембран химическими реагентами, что снижает их срок службы.
Предварительная обработка, которая в настоящее время используется перед обработкой с использованием обратноосмотических или нанофильтрационных мембран, обычно предусматривает отделение на малой скорости твердых частиц (простое отстаивание или отстаивание на полках, или флотация на скоростях, не превышающих 15 м/ч) с использованием фильтрации через песок или через угольные фильтры.
Часто перед отделением от воды твердых частиц выполняется флокуляционная коагуляция. Однако величину SDI воды, предварительно обработанной известными способами, трудно постоянно поддерживать ниже или равной 4.
Более того, обычные технологии предварительной обработки требуют применения громоздкого оборудования (отстаивание на скоростях, не превышающих 15 м/ч, фильтрация на гранулированном материале в один этап или даже в два этапа) и не обеспечивают непрерывного поддержания (или обеспечивают с большими затратами) необходимых величин SDI, не превышающих 4.
Целью изобретения является устранение недостатков известных технических решений.
Более конкретно, целью изобретения является создание способа, который обеспечивает улучшение регулирования индекса засорения фильтров (или SDI) обработанной воды по сравнению с известными техническими решениями, то есть обеспечивает снижение величины этого индекса по сравнению со значениями, которые получают в известных способах.
Целью изобретения также является создание способа, который позволяет уменьшить объем соответствующего оборудования.
Другой целью изобретения является создание установки, в которой реализуется предложенный в изобретении способ.
Другой целью изобретения является создание такого способа и такой установки, которая имеет простую конструкцию и проста в изготовлении.
Указанные цели, а также и другие, которые будут указаны ниже, достигаются в предложенном в изобретении способе, содержащем стадию отделения от воды твердых частиц, после которой выполняют по меньшей мере одну стадию фильтрации, причем стадия отделения твердых частиц содержит стадию отстаивания, выполняемую на скорости, превышающей 15 м/ч, и фильтрацию осуществляют непосредственно по меньшей мере на одной микрофильтрационной или ультрафильтрационной мембране.
Ясно, что в соответствии с изобретением указание на то, что стадия фильтрации выполняется непосредственно на мембранах, означает, что перед стадией ультра- или микрофильтрации нет необходимости выполнять громоздкую фильтрацию на инертном гранулированном материале.
Поэтому предложенные в изобретении способ и установка противоречат опыту специалистов в данной области техники, который заключается в том, что низкая величина SDI может быть получена на стадии предварительной обработки только при длительном отстаивании и при совместном использовании отстаивания с фильтрацией через песок и/или через угольные фильтры.
Однако заявитель неожиданно обнаружил, что использование технологии ускоренного отделения от воды твердых частиц, выполняемого на скоростях, превышающих 15 м/ч, например, на скоростях, превышающих 30 м/ч, и даже 90-200 м/ч, после которого, без промежуточной фильтрации через песок или антрацит, выполняют непосредственную фильтрацию на микро- или ультрафильтрационных мембранах, может обеспечить непрерывное получение воды, величина SDI которой не превышает 4, и даже может быть меньше 3 или 2, причем соответствующая установка довольно компактна и экономична.
Изобретение позволяет устранить следующие два недостатка известных технических решений:
- громоздкость установки из-за одновременного использования отстойников, работающих на скоростях, не превышающих 15 м/ч, и одной или нескольких ступеней фильтрации на гранулированном материале (обычно песок или песок с антрацитом);
- трудность непрерывного поддержания величины SDI ниже 4.
В соответствии с первым вариантом осуществления изобретения указанную стадию отделения от воды твердых частиц выполняют отстаиванием с получением хлопьев на тонком инертном гранулированном материале (балласте), плотность которого выше плотности воды.
В этом случае хлопья на частицах балласта предпочтительно получают с использованием тонкого песка.
Испытания, проведенные заявителем, действительно, показали, что величина SDI, не превышающая 4, часто даже не превышающая 2, была получена в непрерывном режиме для воды, прошедшей предварительную обработку на первой стадии отделения от воды твердых частиц, выполняемой на скорости, превышающей 15 м/ч, в отстойниках с осаждением хлопьев на частицах балласта, описанных в патентных заявках, опубликованных за номерами FR-2553082 и US-4388195, а также на скорости более 30 м/ч с использованием флотации и от 30 м/ч до 90 м/ч и более при использовании отстойников с осаждением хлопьев на частицах балласта, описанных в патентах, опубликованных за номерами FR-2627704 и FR-2719234, и после этого выполнялась стадия микрофильтрации (МФ) или ультрафильтрации (УФ) в герметичных или погружных модулях.
В соответствии со вторым вариантом осуществления изобретения указанную стадию отделения твердых частиц выполняют с использованием флотации.
В соответствии с третьим вариантом осуществления изобретения указанную стадию отделения твердых частиц выполняют путем отстаивания с осаждением хлопьев на частицах балласта и с рециркуляцией осадка.
В соответствии с предпочтительным вариантом способ содержит, по меньшей мере, одну стадию устранения засорения мембран, причем вода, возвращаемая для устранения засорения (рециркуляция), подают перед стадией отделения твердых частиц.
В соответствии с одним возможным альтернативным вариантом осуществления изобретения способ содержит при осуществлении стадии отделения твердых частиц стадию инжекции в воду, по меньшей мере, одного из реагентов, относящихся к следующим группам:
- органический коагулянт;
- неорганический коагулянт;
- органический флокулянт;
- неорганический флокулянт;
- органический абсорбент;
- неорганический абсорбент.
В соответствии с другим предпочтительным вариантом осуществления изобретения способ содержит, между стадией отделения от воды твердых частиц и стадией мембранной фильтрации, по меньшей мере, одну стадию инжекции в воду, по меньшей мере, одного окислительного реагента.
В этом случае окислительные реагенты содержат, по меньшей мере, один реагент, относящийся к одной из следующих групп:
- озон;
- хлорсодержащие окислители;
- перекись водорода.
В соответствии с еще одним предпочтительным вариантом осуществления изобретения способ содержит стадию обработки ультрафиолетовым излучением между стадией отделения от воды твердых частиц и стадией мембранной фильтрации.
В соответствии с другим предпочтительным вариантом осуществления изобретения способ содержит, между стадией отделения от воды твердых частиц и стадией мембранной фильтрации, по меньшей мере, одну стадию инжекции в воду порошка активированного угля.
Способ предпочтительно содержит стадию обработки с использованием обратного осмоса, осуществляемой после стадии мембранной фильтрации.
Способ содержит стадию нанофильтрации, осуществляемой после упомянутой стадии мембранной фильтрации.
Изобретение также относится к установке для обработки воды, содержащей устройство для отделения твердых частиц и фильтрационного устройства, отличающейся тем, что устройство для отделения твердых частиц содержит, по меньшей мере, один отстойник, работающий на скорости, превышающей 15 м/ч, а фильтрационное устройство содержит первое фильтрационное устройство, в котором после стадии отделения твердых частиц осуществляется первая стадия фильтрации с использованием по меньшей мере одной микрофильтрационной или ультрафильтрационной мембраны.
В соответствии с первым вариантом осуществления установки устройство для отделения от воды твердых частиц содержит устройство для инжекции коагулянта, по меньшей мере, один флокуляционный резервуар, соединенный с устройством для инжекции тонкого песка во флокуляционный резервуар или перед этим резервуаром, причем, по меньшей мере, один отстойник, соединенный с устройством для отвода осветленной воды, и устройство для отделения, осветляющего осадка.
При этом установка предпочтительно содержит устройство для рециркуляции смеси осветляющего осадка и песка с подачей этой смеси в флокуляционный резервуар или перед этим резервуаром.
В соответствии со вторым вариантом осуществления установки устройство для отделения от жидкости твердых частиц содержит, по меньшей мере, один флотационный резервуар, соединенный, по меньшей мере с одним устройством генерации микропузырьков.
Установка предпочтительно содержит устройство для инжекции воды для устранения забивания мембран и устройство для рециркуляции этой воды в устройство для отделения от жидкости твердых частиц или перед этим устройством.
В соответствии с предпочтительным техническим решением установка содержит устройство для инжекции озона перед устройством отделения от воды твердых частиц или после этого устройства.
Установка предпочтительно содержит фильтрационное устройство с использованием обратного осмоса или нанофильтрации после первого фильтрационного устройства.
В соответствии с предпочтительным техническим решением установка содержит устройство обхода устройства отделения от воды твердых частиц.
В соответствии с другим предпочтительным техническим решением установка содержит устройство обхода устройства инжекции озона.
Таким образом, можно осуществлять непосредственную ультра- или микрофильтрацию, если переменные характеристики загрязнения поступающей в установку воды позволяют осуществлять такую непосредственную мембранную обработку с инжекцией коагулянта или флокулянта или без такой инжекции.
Другие отличительные признаки и достоинства изобретения станут более понятными из нижеприведенного описания двух предпочтительных вариантов осуществления изобретения, которые используются лишь в качестве иллюстративных примеров, не ограничивающего объем изобретения, а также из прилагаемых фигур, на которых показано:
фигура 1 - блок-схема первого (упрощенного) варианта осуществления изобретения;
фигура 2 - блок-схема второго (предпочтительного) варианта осуществления изобретения.
Как указывалось выше, идея изобретения состоит в предварительной обработке воды с использованием способа, содержащего по меньшей мере одну стадию отделения от воды твердых частиц с последующим осуществлением по меньшей мере одной стадии фильтрации на микро- или ультрафильтрационных мембранах, причем стадия отделения от воды твердых частиц осуществляется на скорости, превышающей 15 м/ч, и при этом перед стадией ультра- или микрофильтрации не осуществляется фильтрация на инертном гранулированном материале.
В зависимости от вида и состава поступающей в установку воды, подлежащей обработке, предварительная обработка улучшается путем добавления одного или нескольких реагентов из нижеуказанных групп:
- неорганические коагулянты, такие как соли железа или алюминия, или органические коагулянты, такие как полимеры, в том числе полидиаллилдиметиламмоний хлорид (катионный органический полимер), в основном, перед отделением от воды твердых частиц, но также и перед МФ- или УФ-мембранами (необязательно);
- органические флокулянты, такие как, например, акриловые полимеры, а также неорганические флокулянты, такие как глина, в основном, перед отделением от воды твердых частиц;
- окислительные реагенты или дезинфекционные средства (предпочтительно озон, а также хлор и его производные, перекись водорода или ультрафиолетовое излучение) между стадией отделения от воды твердых частиц и стадией МФ- или УФ-фильтрации;
- органические и неорганические абсорбенты, такие как порошок активированного угля, либо перед стадией отделения от воды твердых частиц, либо между указанной стадией и стадией фильтрации с использованием МФ- или УФ-мембран.
Указанные реагенты используются, в основном, в следующих случаях:
- коагулянты и флокулянты будут использоваться для воды с высокими концентрациями органических материалов, коллоидов или частиц в суспензии;
- озон будет использоваться в случае, если поступающая в установку вода содержит водоросли, планктон или другие живые микроорганизмы, например, на этапе роста водорослей, а также в том случае, когда вода содержит высокие концентрации железа или марганца, или в случае очень мутной воды;
- порошок активированного угля будет использоваться в том случае, когда вода содержит высокие концентрации углеводородов и растворенных загрязняющих микрочастиц, влияющих на способность воды засорять фильтры.
Способ также обеспечивает устранение засорения микро- и ультрафильтрационных мембран, и рециркуляционная вода для устранения их засорения предпочтительно подается на вход устройства отделения от воды твердых частиц.
В завершение, после стадии микро- или ультрафильтрации может осуществляться стадия обратного осмоса или нанофильтрации предварительно обработанной воды, в результате чего обеспечивается непрерывное поддержание величины SDI ниже 4.
В соответствии с упрощенным вариантом, блок-схема которого показана на фигуре 1, устройство для осуществления вышеописанного способа содержит устройство 1 ускоренного (скорость больше 15 м/ч) отделения от воды твердых частиц, выбранное среди устройств простого отстаивания или отстаивания на полках, или флотации, с последующей фильтрацией 2 на микро- или ультрафильтрационных мембранах.
Предпочтительно устройства инжекции коагулянта и флокулянта, соответственно, 3 и 4 располагаются перед устройством отделения от воды твердых частиц.
Устройство 5 для рециркуляции воды для устранения засорения мембран подает эту воду перед устройством отделения твердых частиц, так чтобы минимизировать потери воды.
В предпочтительном варианте, блок-схема которого приведена на фигуре 2, предлагаемая в изобретении установка содержит устройство 3 коагуляции 3, устройство 4 флокуляции и отстойник 1, в котором осуществляется осаждение хлопьев, полученных на микрочастицах песка (балласт), при скорости воды на стадии отстаивания от 15 м/ч до 200 м/ч, предпочтительно от 30 м/ч до 90 м/ч.
3
В состав устройства отделения от воды твердых частиц входит отстойник 1, расположенный после резервуара 4 флокуляции, причем отстойник соединяется с устройством отделения осветленной воды 1b1 и устройством отделения осветляющего осадка 1b2 таким образом, чтобы обеспечить рециркуляцию смеси осветляющего осадка и песка в резервуар 4 (или перед ним), и устройством отделения осадка 1b3 для его обработки. После флокуляционного резервуара и отстойника располагается устройство 6 инжекции озона, обеспечивающее подачу озона с расходом в диапазоне 0,5-5 мг О/л, и затем располагается устройство фильтрации на ультра- или микрофильтрационных мембранах, и вода для устранения засорения мембран возвращается по рециркуляционной линии 5 в начало процесса флокуляции-отстаивания.
Во флотационный резервуар предпочтительно встраивается устройство генерации микропузырьков.
Система обработки предпочтительно снабжается линией 7 для обхода стадии отделения от воды твердых частиц и линией 8 для обхода необязательной стадии озонирования, так чтобы обеспечить непосредственную ультра- или микрофильтрационную обработку, если переменные характеристики поступающей в установку воды позволяют осуществлять такую непосредственную мембранную обработку, с инжекцией коагулянта или флокулянта или без такой инжекции.
Химические реагенты могут подаваться с использованием устройства 10 инжекции в начале стадии отделения от воды твердых частиц.
Также может инжектироваться порошок активированного угля с использованием устройства 10 (в начале стадии отделения от воды твердых частиц) или устройства 11 (между стадией отделения от воды твердых отходов и стадией ультра- или микрофильтрации).
Обработка дополняется, если это является конечной целью обработки, устройством 9 обратноосмотической мембранной фильтрации или нанофильтрации.
Были проведены испытания вышеописанного способа и соответствующей установки.
Результаты, обобщенные в таблице 1, были получены для следующих условий.
Исходная поверхностная вода, окрашенная, с содержанием органических материалов, с мутностью, достигавшей 2000 NTU в процессе проведения испытаний, и величина 5-минутной величины SDI превышала 15, направлялась на первую стадию коагуляции (с подачей сульфата алюминия в количестве 10-12 мг Al/л), флокуляции и отстаивания с использованием песчаного балласта во флокуляционном отстойнике ACTIFLO (зарегистрированный товарный знак).
Осветленная вода с мутностью, не превышающей 5 NTU, и с 15-минутной величиной SDI, не превышающей 6, направлялась в модуль микрофильтрации с порогом пропускания 0,1 мкн. Вода, выходящая из модуля микрофильтрации, имела мутность ниже 0,2 NTU, и величина SDI непрерывно поддерживалась на уровне, не превышающем 4.
Таблица 1
Исходная вода
Осветленная вода
Вода после микрофильтрации
Мутность, в NTU
1-2000
<5
<0,2
Цветность, мг/л Pt/Co
5-200
<5-10
<5
Перманг. окисл. KMnO<sub>4</sub> мг/л
2-15
1-5
<5
SDI
>15 (5 мин)
<6 (15 мин)
<4
Дополнительные испытания (обобщенные в таблице 2) проводились с дополнительной стадией озонирования после стадии осветления воды в отстойнике ACTIFLO.
В то время как число частиц в исходной воде было больше 2000 шт./мл и в осветленной воде было ниже 500 шт./мл, озонирование обеспечивает поддержание числа частиц в диапазоне 50-100 шт./мл в озонированной осветленной воде, соответствующей 15-минутной величине SDI, не превышающей 5 (вместо 6 для осветленной воды без озонирования).
Примечательно, что величина SDI, полученная после микрофильтрации озонированной осветленной воды была ниже 3 (без озонирования было получено ниже 4).
Таблица 2
Исходная вода
Осветленная вода
Вода после микрофильтрации
Число частиц, в шт./мл
>2000
<500
<50 - 100
SDI
>15 (5 мин)
<6 (15 мин)
<5 (15 мин)