СПОСОБ ОЧИСТКИ ВОДЫ
METHOD OF WATER TREATMENT

Настоящее изобретение относится к технологии водоподготовки и может быть использовано при очистке питьевой (или сточной) воды от ионов железа, солей бария и органических соединений для снижения перманганатной окисляемости (уменьшения содержания окисляемых органических загрязнений), цветности, мутности, для улучшения органолептических показателей качества воды.
Известен способ очистки воды путем осаждения бария сульфатом натрия (В.А.Клячко, И.Э.Апельцин. Очистка природных вод. - М.: Стройиздат, 1971, с.549). Задержание выделенного осадка, как правило, производится на фильтрах с зернистым фильтрующим материалом (кварцевый песок, дробленый керамзит и др.).
Его недостатком является ограничение в очистке воды, так как работает только сульфат натрия, а фильтрующий материал ведет себя инертно. При этом в очистке воды не происходит существенного уменьшения числа ионов железа и понижения перманганатной окисляемости, цветности, мутности.
Известен способ адсорбционной очистки воды (Патент РФ №2111171, кл. С02Р 1/28, опубл. 1998.05.20) фильтрованием через природный адсорбент смешанного минерального состава, содержащий (мас.%): опал-кристобаллит (30-49%), цеолит (7-25%), глинистую составляющую (7-25%), остальное - обломочно-песчано-алевролитовый материал, прокаленный при температуре +250°С в течение 2 часов.
В данном способе очистки воды в качестве адсорбента используют породы, отобранные с месторождений на территории Республики Татарстан. Это повышает стоимость способа очистки воды. Кроме того, не удается произвести очистку воды от органических соединений, а также от ионов железа и солей бария, что обусловлено наличием в адсорбенте различных примесей, которые вступают в очищаемую среду, внося в нее соответствующие загрязняющие компоненты или вызывающие их образование.
Известен способ очистки воды (Патент РФ №2296718, МКИ C02F 1/28; 1/64; 103/04, опубл. 10.04.2007). Для удаления органических веществ из породы он включает фильтрацию через природный адсорбент, который предварительно прокален при температуре +500°С в течение 2 часов. В качестве адсорбента используют цеолитсодержащую (анальцим) породу, которая отобрана с Южного Тиммана в Республике Коми. Для снижения перманганатной окисляемости, уменьшения содержания свободного кислорода в воде, цветности, мутности и для улучшения органолептических показателей качества воды адсорбент имеет смешанный минеральный состав, содержащий (мас.%): глинистые минералы (62-68%), цеолит (анальцим) (17-22%), кварц (11-20%).
По сравнению с аналогами преимущество этого известного способа очистки воды заключается в использовании нового природного адсорбента. Этот адсорбент представляет собой цеолитсодержащую породу смешанного минерального состава, в которой содержание минералов, характеризующих адсорбционную активность по отношению к вредным примесям, составляет от 80 до 89%. Такая порода смешанного состава характеризуется более высокими значениями пор по бензолу (7,5-9,5 нм) и водостойкости (99,4-99,6%).
Однако и это известное изобретение имеет существенные недостатки, которые заключаются в высокой стоимости реализации данного известного способа, в сложности, а в ряде случаев и в невозможности удаления из воды солей бария и ионов железа.
Известен способ глубокой очистки подземных вод (Патент РФ №2182890, МПК C02F 9/06 // (C02F 103/02), опубл. 27.05.2002). Этот способ включает последовательные стадии механической фильтрации с соответствующими растворами и электродиализное обессоливание, а также обработку воды аэрацией перед ее механической фильтрацией, а механическую фильтрацию осуществляют в напорном фильтре, заполненном инертным материалом. На стадии электродиализного обессоливания обеспечивают соотношение потоков дилюата и соответствующего рассола в заранее заданном диапазоне.
Это известное техническое решение выбирается в качестве прототипа как имеющее наибольшее число существенных признаков, совпадающих с существенными признаками заявляемого изобретения.
Прототип имеет сложную технологию очистки воды, что обусловлено наличием большого числа различных технологических операций. Кроме того, для его реализации требуются большие финансовые затраты. Все это - существенные недостатки прототипа.
Задачей настоящего изобретения является совершенствование технологии и достижение технического результата, связанного с повышением эффективности удаления из воды солей бария при одновременном снижении расходов на реализацию способа очистки воды.
Поставленная задача решена следующим образом. В известном способе очистки воды, включающем механическую фильтрацию воды, ее обработку в баке-аэраторе и последующую повторную механическую фильтрацию в напорном фильтре, предварительно заполненном инертным материалом зернистой структуры, согласно настоящему изобретению применяют сульфат натрия, который одновременно вводят с подачей воды в бак-аэратор, а аэрационную обработку ведут в принудительном режиме с образованием в верхней части бака-аэратора режима естественной аэрации, при этом в качестве инертного материала зернистой структуры используют цеолит Холинского месторождения.
Такое новое техническое решение всей своей совокупностью существенных признаков позволяет получить следующие технические результаты:
1. Повысить эффективность процесса очистки воды за счет формирования равномерного и интенсивного взаимодействия сульфата натрия с солями бария при одновременном уменьшении доли применяемого сульфата натрия. Это обусловлено тем, что сульфат натрия вводят в бак-аэратор одновременно с подачей в него воды на очистку, которая за счет естественной аэрации быстрее и в более полном объеме перемешивается с сульфатом натрия. При ее переходе в зону принудительной аэрации, которая расположена в нижней части бака-аэратора, возникают очаги дополнительной коагуляции, что ведет к увеличению интенсивности осаждения солей бария, железа и других металлов.
2. Снизить расходы на очистку воды, так как происходит не только более эффективное осаждение солей бария, железа и других металлов, но и используется цеолит Холинского месторождения (см. Приложение), который не проявляет канцерогенной активности. Этот цеолит имеет уникальную структуру, представляющую собой каркас, построенный из бесконечной трехмерной сетки чередующихся тетраэдеров ALO4 и SIO4, связанных общими атомами кислорода. В сетке имеются полости и каналы, заполненные молекулами воды и большими ионами со значительной подвижностью, что обеспечивает возможность ионного обмена с водой, прошедшей принудительную аэрацию с одновременной обработкой сульфатом натрия. Применяемый цеолит служит первичным биокатализатором. Находящиеся в полостях и каналах структуры цеолита молекулы и ионы воды со значительной подвижностью обеспечивают возможность ионного обмена натрия и солей бария.
По сравнению с прототипом заявляемое изобретение имеет существенные отличия. Они заключаются в наличии новой операции по обработке воды (вводят сульфат натрия в момент подачи воды в бак-аэратор в процессе естественной аэрации в его верхней части, что повышает эффективность взаимодействия ионов натрия с солями бария). Кроме того, используют цеолит Холинского месторождения, при такой обработке солей бария они проходят двойную коагуляцию, активно взаимодействуют со структурой указанного цеолита, ею улавливаются и выводятся из очищаемой воды.
Заявителем был проведен патентно-информационный поиск по данной теме. Поиск показал, что заявляемая совокупность существенных признаков не известна. Поэтому данное изобретение можно признать новым.
Предлагаемое техническое решение для специалиста средней квалификации логически не следует из известного уровня техники, а, скорее, противоречит сложившейся тенденции развития способов очистки воды. Это подтверждает анализ рассмотренных аналогов и прототипа. Он показывает, что способы очистки воды строят на применении разных цеолитов, каждый из которых смешивают с другими различными компонентами, и на использовании аэрации и сульфата натрия. Известное применение сульфата натрия (см. В.А.Клячко, И.Э.Апельцин. Очистка природных вод. - М.: Стройиздат, 1971, с.549) осуществляется совместно с фильтрацией воды через кварцевый песок, дробленый керамзит и др. При этом активную роль играет только сульфат натрия. Известно, что для фильтрации применяют цеолиты. Их смешивают с разными другими минеральными веществами. Но как и известные цеолиты, так и их смеси с другими компонентами вводят в очищенную воду канцерогенные компоненты и загрязняют ее новыми микровеществами. В нашем случае в момент подачи воды на очистку в бак-аэратор одновременно вводят сульфат натрия. Он проходит в баке-аэраторе две зоны (в нижней и верхней частях) аэрации: принудительную и естественную. Этими зонами можно управлять, следовательно, регулировать процесс взаимодействия сульфата натрия с солями бария в зависимости от состава очищаемой воды. Использование цеолита Холинского месторождения исключает новое внесение в очищаемую воду новых загрязнений. Таким образом, заявляемое изобретение обладает изобретательским уровнем.
Практическая применимость настоящего изобретения поясняется схемой и нижеследующим описанием.
3
Способ очистки воды включает механическую фильтрацию воды с помощью фильтра 1. От него воду подают в бак-аэратор 2, после которого производят повторную механическую фильтрацию в напорном осветительном фильтре 3. Фильтр 3 предварительно заполняют инертным материалом зернистой структуры 4. При подаче воды 5 в бак-аэратор 2 одновременно в него вводят сульфат натрия 6. Аэрационную обработку ведут в принудительном режиме, который создают в нижней части 7 бака-аэратора 2 с образованием в верхней его части 8 режима естественной аэрации. В качестве инертного материала зернистой структуры 4 используют цеолит Холинского месторождения. В нижней части 7 бака-аэратора 2 производят принудительную аэрацию с помощью компрессора 9. При этом в верхней части 8 бака-аэратора 2 создают естественную аэрацию. После прохождения воды через принудительную аэрацию с помощью насоса 10 ее перекачивают в напорный осветительный фильтр 3. Из него очищенную воду отводят к потребителю 11. Таким образом, исходная вода из скважины (на чертеже не показана) поступает в существующую водопроводную (насосную) станцию (на чертеже не показана). Работа скважного насоса (на чертеже не показан) автоматизирована в зависимости от контрольных уровней воды в баке-аэраторе 2. Расчетная подача воды установлена больше полезного расхода станции водоподготовки примерно на 5%-7%. Например, он может быть в пределах 5,25 м ч (50 л - 34 с). Работа насоса автоматизирована, и его показатели выведены на диспетчерский пульт в насосной станции (на чертеже не показан). Фильтр 1 процеживает воду 5 и выполняет функцию грубой очистки. По мере загрязнения сеток фильтра 1 производят его промывку обратным потоком воды и сброс промывной воды в канализацию (на чертеже не показана). После фильтра 1 вода 5 поступает в бак-аэратор 2. В его нижней части 7 производят принудительную аэрацию, а в верхнюю часть 8 поступает вода на очистку и одновременно вводят сульфат натрия 6 (обычно это раствор). Причем в верхней части 8 данного бака-аэратора 2 в режиме естественной аэрации происходит первичная коагуляция солей бария с сульфатом натрия 6. Потом коагулированные сульфатом натрия соли бария опускаются в нижнюю часть 7 бака-аэратора 2, в которой они подвергаются принудительной аэрации, вызывающей усиление коагуляции солей бария сульфатом натрия. Благодаря данному режиму сульфат натрия медленнее и в дисперсном виде обволакивает соли бария и с ними опускается на нижнюю часть 7 бака-аэратора 2. В этой части бака-аэратора сульфат натрия подвергается принудительной аэрации, которая заставляет его активно вступать в реакцию с солями бария, которые еще не успели коагулироваться с верхними слоями сульфата натрия. От бака-аэратора вода с коагулированными солями бария попадает на напорный осветительный фильтр 3, в котором расположен цеолит Холинского месторождения 4.
Таким образом, предлагается новый способ очистки воды. В нем вода подвергается активной обработке с помощью сульфата натрия, который связывает соли бария, начиная с момента его ввода в бак-аэратор. В баке-аэраторе вода с сульфатом натрия проходит два режима аэрации: естественную и принудительную с последующей фильтрацией через цеолит Холинского месторождения, который исключает самогенерацию вредных веществ в очищаемой воде.
Пример реализации предлагаемого способа очистки воды.
3
3
Исходная вода 5 из скважины через фильтр 1, в котором она проходит грубую очистку, и через измерительное устройство (водомер, на чертеже не показан) с расчетным расходом 5,25 м/час по трубопроводу подается в бак-аэратор 2, где она изливается (душируется) через распределительную систему. Одновременно в бак-аэратор 2 вводят сульфат натрия дозой 10 мг/л, что в 2,2 раза меньше расчетной дозы (по стехиометрии составляющей 22 мг/л). Одновременно в нижнюю часть 7 бака-аэратора 2 компрессором 9 через распределительную воздушную систему нагнетается сжатый воздух с расходом 310 л/мин (18,6 м/час).
В баке-аэраторе 2 происходит интенсивное смешение исходной воды с сульфатом натрия, насыщение (аэрация) воды воздухом, при этом в верхней части 8 имеет место режим естественной аэрации. В ней происходит первичная коагуляция (взаимодействие) солей бария с сульфатом натрия 6. Далее поток опускается в нижнюю часть 7 бака-аэратора 2, где он подвергается принудительной аэрации (нижняя часть 7 аэрационной обработки воды 5). Одновременно в баке-аэраторе 2 происходит интенсивное окисление железа и марганца, перевод их из закисной формы в окисную с выделением продуктов реакции в осадок.
Затем от этого бака-аэратора 2 вода с коагулированными солями бария подается при помощи насоса 10 на напорный осветительный фильтр 3 с загрузкой цеолита Холинского месторождения 4. Очищенная вода под остаточным напором отводится в РЧВ (резервуары чистой воды).
Результаты анализов качества исходной и очищенной воды, проведенных Центром государственного санитарно-эпидемиологического надзора в Тосненском районе Ленинградской области, приведены в следующей таблице:
Показатель
Исходная вода
Очищенная вода
Допустимая концентрация
Мутность
45,9
0,58
1,5 мг/л
рН
7,64
6-9
Перманганатная окисляемость
1,5
5 мг/л
Железо
10,6
0,16
0,0 мг/л
Марганец
0,12
0,001
0,1 мг/л
Барий
0,90
0,02
0,1 мг/л
Данная таблица показывает, что заявляемый способ наиболее эффективен при очистке воды от солей бария.