УСТРОЙСТВО ДЛЯ ОЧИСТКИ ПОДЗЕМНЫХ ВОД ОТ ЖЕЛЕЗА
DEVICE FOR UNDERGROUND WATER DEIRONING

Изобретение относится к очистке подземных вод от железа и может быть использовано в системах хозяйственно-бытового назначения.
Известно устройство для обезжелезивания подземных вод (1), содержащее аэратор и фильтр с двухслойной загрузкой. При этом первый слой загрузки по ходу воды выполнен крупными гранулами, а второй слой - из менее крупных гранул. Назначение 1-го слоя заключается в обеспечении частичного процесса «автокаталитического» окисления двухвалентного железа до гидроокиси, а 2-го мелкозернистого - в завершении указанного процесса и фильтрации воды от гидроокиси. Такая схема устройства позволяет сохранить последнюю почти в полном объеме, а также обеспечить стабильность его функционирования при осуществлении фильтроцикла.
Однако «габаритность» загрузки первого крупнозернистого слоя приводит к уменьшению величины удельной поверхности этого слоя, кроме того, периодические длительные регенерации загрузки приводят к первоначальным «потерям» каталитической пленки, снижают ее окислительные возможности и ухудшают массобменные характеристики, а значит снижают эффективность работы устройства.
Известно устройство для очистки подземных вод от железа (2), содержащее фильтр грубой очистки, аэратор с компрессором, сборную емкость для доокисления и коагуляции окиси железа, фильтр с цилиндрическими коаксиальными пористым элементами из полимера пространственно-глобулярной структуры с подающим насосом и накопительную емкость.
Однако функционирование устройства при одновременной наработке гидроокиси железа и тангенциальной фильтрации в турбулентном импульсном потоке в узком зазоре может сопровождаться кальмотацией частиц окиси железа на развитых пористых перегородках элементов, что в дальнейшем может привести к быстрому нарастанию окиси железа, сужению проходных сечений и, как следствие, к снижению расходных характеристик, а значит необходимости проведения дополнительной регенерации элементов из полимера пространственно-глобулярной структуры с помощью химических реагентов, т.е. дополнительным эксплуатационным расходам. Кроме того, одновременное воздействие многих факторов: свойств химически активных радикалов полимеров пространственно-глобулярной структуры (ионный обмен, поверхностный заряд), гидродинамических параметров (давления, сопротивления, вязкости и др.), массообменных характеристик пористых перегородок, в ограниченном пространстве - в коаксиальном зазоре требует дополнительных мероприятий по контролю входных и выходных параметров (давления, расхода, концентрации), что также приводит к дополнительным затратам.
Известно устройство для очистки подземных вод от железа (3), принятое за ближайший аналог, содержащее фильтр грубой очистки, эжектор для насыщения воды кислородом воздуха, генератор для наработки гидроокиси железа, сборную емкость с трубной решеткой и разделительными горизонтальными перфорированными полками для удаления сероводорода и углекислого газа, а также окисления растворенного железа с последующим его коагулированном, разделитель, контактный резервуар, подающий насос, фильтры с пористыми элементами пространственно-глобулярной структуры, безмасляный компрессор для регенерации последних.
Недостатком указанного устройства является наличие емкостного оборудования больших объемов для обеспечения продолжительной экспозиции воды - в сборной емкости, контактном резервуаре, а также вынос значительных объемов окисленного железа, приводящих к «забиванию» пористых поверхностей элементов пространственно-глобулярной структуры, что обуславливает дополнительные капитальные и эксплуатационные затраты.
Техническая задача заключается в повышении эффективности очистки подземных вод от железа.
Поставленная задача решается таким образом, что в устройстве для очистки подземных вод от железа, содержащем фильтр грубой очистки, эжектор для насыщения воды кислородом воздуха, генератор для наработки гидроокиси железа, сборную емкость с трубной решеткой и разделительными горизонтальными перфорированными полками, подающий насос, фильтры с цилиндрическими пористыми элементами пространственно-глобулярной структуры, безмасляный компрессор, согласно изобретению сборная емкость выполнена в виде двух коаксиальных обечаек, сообщающихся в нижней части наклонными сопловыми патрубками с секциями вихревых камер, при этом в объеме внутренней обечайки размещены горизонтальные перфорированные полки из высокопористого ячеистого металла, установленные на упругих опорах, с увеличивающимся по ходу потока размером пор с их загрузкой кварцевым песком, свободно перемещающимся в поровом пространстве и удерживаемым от вымывания ограничительными сетками по наружным поверхностям полок с диаметром ячейки меньше характерного размера частиц загрузки, активированной гидроокисью железа, нарабатываемой в объеме коаксиального зазора, на 1/4 заполненного загрузкой, генератора, на входе и выходе из которого установлены отбойники из высокопористого ячеистого металла, а секции вихревых камер размещены по внешнему периметру нижней части внутренней обечайки в коаксиальном зазоре, объединены общим сливным коллектором и образованы радиальными перегородками, горизонтальными участками дна и боковыми поверхностями обечаек, а также установленными с зазором и «скатом» к внутренней обечайке крышками, выполненными из высокопористого ячеистого металла, обеспечивающими закрутку с загрузкой и наработанным осадком потока, подаваемого через сопловые патрубки и выходящего через зазоры, а фильтры по продольным образующим пористых поверхностей элементов пространственно-глобулярной структуры снабжены «сэндвичем» из двух сопряженных коаксиальных цилиндров из высокопористого ячеистого металла с загрузкой порового пространства свободно перемещающимся в порах кварцевым песком, закрытых по внутренней и внешней поверхности ограничительными сетками с диаметром ячейки меньше характерного размера частиц загрузки.
Предлагаемое устройство отличается тем, что сборная емкость выполнена в виде двух коаксиальных обечаек, сообщающихся в нижней части наклонными сопловыми патрубками с секциями вихревых камер, при этом в объеме внутренней обечайки размещены горизонтальные перфорированные полки из высокопористого ячеистого металла, установленные на упругих опорах, с увеличивающимся по ходу потока размером пор с их загрузкой кварцевым песком, свободно перемещающимся в поровом пространстве и удерживаемым от вымывания ограничительными сетками по наружным поверхностям полок с диаметром ячейки меньше характерного размера частиц загрузки, активированной гидроокисью железа, нарабатываемой в объеме коаксиального зазора, на 1/4 заполненного загрузкой, генератора, на входе и выходе из которого установлены отбойники из высокопористого ячеистого металла, а секции вихревых камер размещены по внешнему периметру нижней части внутренней обечайки в коаксиальном зазоре, объединены общим сливным коллектором и образованы радиальными перегородками, горизонтальными участками дна и боковыми поверхностями обечаек, а также установленными с зазором и «скатом» к внутренней обечайке крышками, выполненными из высокопористого ячеистого металла, обеспечивающими закрутку с загрузкой и наработанным осадком потока, подаваемого через сопловые патрубки и выходящего через зазоры, а фильтры по продольным образующим пористых поверхностей элементов пространственно-глобулярной структуры снабжены «сэндвичем» из двух сопряженных коаксиальных цилиндров из высокопористого ячеистого металла с загрузкой перового пространства свободно перемещающимся в порах кварцевым песком, закрытых по внутренней и внешней поверхностям ограничительными сетками с диаметром ячейки меньше характерного размера частиц загрузки.
Такая схема за счет улучшения массообменных свойств генератора, сборной емкости, фильтров при использовании высокопористых ячеистых металлов, «сквозная» пористость которых достигает до 95% и обладающих коагулирующими и каталитическими свойствами, при введении в поровое пространство загрузки, позволяет ускорить процессы окисления, коагуляции, разделения, очистки и фильтрации, сократив и упростив при этом время регенерации, что уменьшит эксплуатационные расходы и сделает более эффективным очистку подземных вод от железа.
На фиг.1 представлена схема устройства для очистки подземных вод от железа, на фиг.2 - сборная емкость с вихревыми камерами, на фиг.3 показан генератор, на фиг.4 - фильтр.
Устройство содержит погружной насос 1 для подачи воды, фильтр грубой очистки 2 от взвешенных частиц, эжектор 3 для насыщения воды кислородом воздуха, генератор 4, сборную емкость 5 с распределительной трубной решеткой 6 и горизонтальными перфорированными полками 7 из высокопористого ячеистого металла - пеноникеля с ограничительными сетками, вихревыми камерами 8 с сопловыми патрубками 9 и сливным коллектором 10 для окисления и осветления при коагуляции и седиментации окиси железа, насос 11 для подачи воды на фильтр 12 с цилиндрическими пористьми элементами 13 пространственно-глобулярной структуры на основе мочевино-формальдегидной смолы с «сэндвичами» 14 из высокопористого ячеистого металла - пеноникеля по продольным образующим с загрузкой порового пространства свободно перемещающимся в порах кварцевым песком, компрессор 15 для регенерации сжатым воздухом пористых элементов 13. Все комплектующие соединены трубопроводами и снабжены соответствующей запорной арматурой - вентилями 16…41. Для слива загрязнений фильтр грубой очистки 2 снабжен патрубком с вентилем 19, генератор 4 - патрубком с вентилем 26, сборная емкость 5 через сливной коллектор 10 вихревых камер 8 - патрубком с вентилем 28, фильтр 12 - патрубками с вентилями 38, 39 и объединены общей трубопроводной магистралью 42. Эжектор 3 установлен на байпасе и имеет на входе и выходе регулирующие вентили 20, 22. Трубная решетка 6 выполнена из полихлорвинила или полиэтилена - материалов с небольшой адгезией (в части образования окисных пленок). Генератор 4 с коаксиальными пористыми элементами 43 из полимера пространственно-глобулярной структуры, выполненных на основе мочевино-формальдегидной смолы, для наработки гидроокиси железа, снабжен отбойниками 44 из пеноникеля, а коаксиальный зазор 45 генератора 4 на 1/4 объема заполнен загрузкой 46 - кварцевым песком. Секции вихревых камер 8 образованы радиальными перегородками 47, горизонтальными участками дна 48 и боковыми поверхностями 49, 50 обечаек сборной емкости 5 и крышками 51. Загрузка секций вихревых камер 8 при широком диапазоне гранулометрического состава используемого кварцевого песка 0,6…1,2 мм обеспечивается присутствующими фракциями меньших размеров, вымываемыми при запуске устройства через ячейки размером 0,4…0,5 мм ограничительных сеток, а также за счет деструкции частиц загрузки при функционировании устройства. Нарабатываемый в вихревых камерах 8 осадок - нерастворимые окислы трехвалентного железа. «Сэндвичи» 14 из высокопористого ячеистого металла - пеноникеля с загрузкой порового пространства кварцевым песком по внутренней и внешней поверхностям закрыты ограничительными сетками 52. Для регенерации воздухом пористых элементов фильтров 12 их выходы соединены с выходом компрессора 15, при этом регенерация водой осуществляется промывками обратным током чистой воды каждого из них, причем фильтры 12 промываются попеременно.
Устройство работает следующим образом.
Вода из подземных источников погружным насосом 1 через вентили 16 подается на фильтр грубой очистки 2, где отделяются частицы взвесей, и поступает через вентили 18, 20 на вход эжектора 3, где происходит насыщение воды кислородом воздуха с интенсивным его перемешиванием во всем объеме воды и начинается окисление растворенного железа. С выхода эжектора 3 через вентили 22, 23 турбулентный поток поступает в генератор 4, где в коаксиальном зазоре 45 с кварцевой загрузкой 46 между пористыми боковыми поверхностями элементов 43 из полимера пространственно-глобулярной структуры (с проточками - турбулизаторами) начинается активная наработка гидроокиси железа, которая по мере нарастания и повышения сопротивления начинает выноситься из объема генератора 4, эффективно смешиваясь со взвешенными частицами и прикрепляясь к ним. При этом загрузка 46 и отбойники 44 из высокопористого ячеистого металла способствуют интенсификации процесса образования гидроокиси железа. С генератора 4 по трубопроводу с вентилем 25 вода поступает на трубную решетку 6 сборной емкости 5. Диспергирование среды на трубной решетке 6 при избыточном давлении позволяет удалить растворенный углекислый газ (а также сероводороды), смещая рН в щелочную сторону, что способствует коагулированию коллоидов. Пористая структура с загрузкой полок 7, а также «механические загрязнители» - осадок, накапливаясь во внутреннем объеме сборной емкости 5 вместе с гидрооксидом железа, активируют процесс окисления растворенного железа и запускают механизм автокаталитического окисления. В вихревых камерах 8 обеспечивается сближение частиц в гидратной оболочке оксидов железа, их укрупнение осаждение с последующим отделением и накоплением в донной части. Более мелкие механические частицы и нескоагулированные остатки окиси железа выносятся восходящим потоком. При этом в вихревых камерах 8 интенсифицируются массообменные процессы и происходит удаление из воды вредных примесей. Через вентиль 29 насосом 11 по трубопроводу вода при открытых вентилях 32, 37 поступает на фильтры 12. Большая часть механических частиц и остатков окиси железа задерживаются на загрузке, распределенной в поровых пространствах «сэндвичей» 14 из высокопористого ячеистого металла, и боковых поверхностях элементов пространственно-глобулярной структуры, причем на последних не происходит кальмотации окиси железа. После очистки на фильтрах 12 вода по патрубкам с вентилями 33, 34 и общему коллектору поступает к потребителю в сборную емкость. Регенерация фильтров 12 сжатым нагретым воздухом осуществляется сухим безмасляным компрессором 15 при (последовательно) открытых вентилях 36, 35, 38, 39 и закрытых вентилях 33, 34, 32, 31, 28, 37, 40, 19, 27 импульсными отдувками в канализацию. Чистой водой насосом 11 при открытых вентилях 40, 25, 26, 32, 37, 29, 31, 35 и закрытых вентилях 36, 33, 34, 23, 24 промывается генератор 4. Фильтры 12 импульсными промывками чистой водой от насоса 11 через вентиль 31 очищаются поочередно соответственно при открытых 32, 35, 39 и закрытых вентилях 37, 34, 36, 38, 40, 33 и при открытых 37, 35, 38 и закрытых вентилях 39, 36, 34, 33, 40, 32. Вследствие регулярности пористых поверхностей элементов пространственно-глобулярной структуры фильтров 12 и генератора 4 и их небольшого гидравлического сопротивления для регенерации достаточно 20…25 мин., после чего соответствующие вентили приводятся в исходные позиции, а устройство - в работоспособное состояние.
Таким образом, использование предлагаемого устройства за счет активации окисления, коагуляции, седиментации, очистки, фильтрации и регенерации при пространственном структуировании слоев загрузки с применением высокопористых ячеистых металлов, обладающих коагулирующими и каталитическими свойствами, позволяет существенно увеличить скорость указанных процессов при снижении трудоемкости и энергетических затрат, т.е. повысить эффективность обезжелезивания.
Источники информации
1. Авторское свидетельство №1058898, кл. С02F 1/64, СССР, 1983 г.
2. Патент №2181110, кл. С02F 1/64, РФ, 2000 г.
3. Патент №2259958, кл. С02F 1/64, РФ, 2004 г.