Результат интеллектуальной деятельности: СПОСОБ ОЧИСТКИ ПРИРОДНЫХ ВОД

Изобретение относится к области очистки воды и может быть использовано для получения питьевой воды из поверхностных и подземных источников.

Известен способ обработки воды в жидкостно-газовом эжекторе кислородом воздуха, подающимся в эжектор при давлении 0,3-0,7 ата, и последующей обработкой воды минеральной кислотой (Патент RU 2208598 С1, МПК C02F 9/08, опубл. 20.07.2003). Недостатком способа является необходимость использования минеральной кислоты, соли которой в очищенной воде необходимо удалять, что требует усложнения установки.

Известен способ очистки питьевой воды (Патент RU 2238912 C2, МПК C02F 1/64, опубл. 20.08.2003), включающий последовательную обработку очищаемой воды перманганатом калия и пероксидом водорода с последующим фильтрованием. Недостатком способа является необходимость использования дефицитного и неустойчивого пероксида водорода.

Наиболее близким по технической сущности к заявленному является способ очистки воды от примесей железа, марганца, углекислоты и органических примесей, включающий аэрацию воды воздухом, последовательное окисление гипохлоритом натрия и подщелачивание известью в смесителях с последующим двухстадийным фильтрованием. На первой стадии фильтрования на осветительном фильтре (кварцевый песок) задерживаются гидроксиды железа, марганца, а также сера, затем осветленную воду дополнительно подвергают окислению гипохлоритом натрия и пропускают через сорбционный фильтр (А.С. SU 1368846, C02F 9/00, опубл. 23.01.1988).

Недостатком известного способа является двукратное использование при очистке питьевой воды гипохлорита натрия, неполнота очистки от коллоидных железоорганических частиц, повышение жесткости исходной воды и невозможность очистки от примесей анионного характера, в частности кремниевой кислоты и ее растворимых солей.

Задачей изобретения является комплексная очистка воды из подземных и поверхностных (речных, озерных, болотных) источников за счет удаления из воды соединений железа, марганца, бикарбонатов щелочно-земельных металлов, кремниевой кислоты и ее солей и органических примесей, упрощение схемы очистки воды и снижение содержания примесей до значений, не превышающих предельно допустимых концентраций.

Поставленная задача решается тем, что в способе очистки природных вод, включающем окисление, нейтрализацию и двухстадийное фильтрование, окисление с одновременным переводом примесей в растворимое состояние проводят раствором угольной кислоты, получаемой при насыщении исходной воды диоксидом углерода, а нейтрализацию образовавшихся соединений проводят раствором гидроксида кальция с концентрацией 1-1.3 г/л с последующим удалением осадка сначала в отстойнике и на фильтрате с нейтральной засыпкой, а затем на фильтре со слабоосновной засыпкой.

Насыщение исходной воды диоксидом углерода производят путем его подачи во всасывающий патрубок центробежного насоса при давлении диоксида углерода более 0,1 МПа.

В качестве слабоосновной засыпки на второй стадии фильтрации используется брусит Mg(OH)₂ с размером зерен 3-10 мм.

Железо в природных водах может находиться в виде ионов двухвалентного железа, в виде коллоидных органических и неорганических соединений и в виде истинного раствора органических соединений двух- и трехвалентного железа. В водах рек и озер, особенно болотного происхождения, железо может содержаться в виде органических соединений или в коллоидной форме. Марганец в подземной водах содержится в виде солей двухвалентного марганца, хорошо растворимых в воде. В поверхностных водах марганец может содержаться в виде коллоидных или комплексных органических соединений (Справочник проектировщика. Водоснабжение населенных мест и промышленных предприятий- М.: Стройиздат, 1977, с.191-193).

При аэрировании природных вод в результате окисления кислородом воздуха соединения железа и марганца переходят в нерастворимое состояние в виде коллоидных Fe(OH)₃ и Мn(ОН)₄. Аналогичные процессы протекают и при контакте кислорода воздуха с поверхностными водами, сопровождающимися процессами адсорбции гуминовых и других органических соединений на поверхности коллоидных частиц гидроксидов с образованием весьма устойчивых комплексов нанодисперсного размера, удаление которых из воды является сложной технической проблемой. В предлагаемом способе вместо аэрации используется насыщение исходной воды диоксидом углерода, в результате чего образуется раствор угольной кислоты с концентрацией CO₂ в воде в пределах 60-440 мг/л, (pH 6,2-4,1) при 20°C. При взаимодействии угольной кислоты с коллоидными органоминеральными частицами гидроксидов железа и марганца происходит разрушение этих частиц и образуются водорастворимые гидрокарбонаты металлов по реакциям:

Технологическая схема насыщения исходной воды диоксидом углерода и ее очистки представлена на фиг.1.

Исходная вода из бака 1 по трубопроводу 2 поступает в центробежный насос 3, во всасывающий патрубок которого из баллона 4 подается диоксид углерода при давлении 0,05-0,15 МПа. При вращении рабочего колеса насоса газожидкостная смесь под действием центробежной силы радиально отбрасывается к внутренней поверхности улитки насоса, где возникает повышенное давление, под действием которого увеличивается интенсивность насыщения воды диоксидом углерода. Величина давления в нагнетающем патрубке насоса обусловлена величиной напора, который необходимо создать для преодоления всех гидравлических сопротивлений, возникающих на всем тракте движения воды. Внутри улитки насоса происходит не только растворение газа в воде, но и начинают протекать реакции (1-3).

Под действием напора, создаваемого насосом 3, вода через регулировочный кран 5 поступает в промежуточную емкость 6 для завершения процессов растворения диоксида углерода в воде и далее в конический реактор 7 с насадкой из инертного заполнителя (гравий, керамзит) с размером зерен 10-20 мм. В нижнюю часть реактора 7 с помощью насоса 8 из емкости 9 подается известковая вода с концентрацией гидроксида кальция 1,17-1,22 г/л (А.В.Волженский. Минеральные вяжущие вещества. - М.: Стройиздат, 1986, с.92). При приготовлении известковой воды используется либо исходная вода, либо вода, подаваемая из фильтра первой ступени очистки 10 центробежным насосом 11, которая поступает в нижнюю часть емкости 9 и, проходя через слой засыпки (кассету) гидроксида кальция, насыщается им. При контакте известковой воды с водой, насыщенной диоксидом углерода, в реакторе 7 протекают следующие реакции:

При протекании реакций (4-8) образуются практически нерастворимые в воде соединения: кальцит CaCO₃, доломит CaCO₃·MgCO₃, сидерит FeCO₃, карбонат марганца МnСO₃ и гидросиликаты кальция CaO·SiO₂·2H₂O. По такой же схеме происходит образование других металлов, ионы которых присутствуют в исходной воде.

Вода из реактора 7 поступает в отстойник 12, в котором в результате протекания процесса самопроизвольной коагуляции (автокоагуляция), происходит осветление воды. Осветленная вода поступает на фильтр первой ступени очистки 10, заполненный нейтральной насадкой (кварцевый песок, глинистые сланцы, полипропиленовая вата, дробленые горелые и цеолитовые породы), а затем на фильтр второй ступени очистки 13, заполненный слабоосновной насадкой, в качестве которой используется дробленый брусит Mg(OH)₂ с размером зерен 3-10 мм. Очищенная вода поступает в емкость 14, откуда центробежным насосом 15 подается в водопроводную сеть чистой питьевой воды.

Пример исполнения.

Предложенный способ испытан при очистке скважинной воды с концентрацией железа 5,6 мг/л, марганца 0,18 мг/л, органических гумусовых веществ 3,8 мгO₂/л и кремния 20 мг/л при pH 7,5±0,2. 200 мл воды с температурой 15°C помещали в стеклянный стакан с плотной крышкой, снабженный мешалкой (500 об/мин) и патрубком для подачи непосредственно в воду диоксида углерода из баллона при 0,05-0,15 МПа. Насыщение воды газом проводили в течение 1, 3, 5, и 10 мин. После насыщения воды диоксидом углерода вода переливалась из мешалки в стеклянный стакан, в который приливалась известковая вода в соотношении 2:1. После приливания известковой воды к воде, насыщенной углекислотой, наблюдалось во всех случаях образование мути, которая через 5-10 мин объединялась в хлопья за счет автокоагуляции, и после дополнительного перемешивания, оседания осадка и отстаивания проводилась фильтрация на однослойном бумажном фильтре. В полученном фильтрате определялось содержание примесей железа, марганца, кремния и органики. Все данные по насыщению исходной воды углекислотой и по содержанию примесей после нейтрализации известковой водой представлены в таблице, анализ которой позволяет сделать следующие выводы:

- концентрация углекислоты, растворенной в воде, зависит от давления подаваемого газа и времени контакта воды с диоксидом углерода;

- удовлетворительные результаты по насыщению воды CO₂ получаются при давлении CO₂ более 0,1 МПа в течение 5-10 мин;

- содержание определяемых примесей в воде после ее очистки не превышает значений ПДК.

Большое значение в предлагаемом способе очистки воды имеет предварительное насыщение воды углекислотой, в результате чего вода приобретает кислотные свойства, в которой растворяются коллоидные органоминеральные частицы и за счет этого происходит разрушение этих частиц. Процесс нейтрализации такой воды известковой водой сопровождается образованием сначала нанодисперсных частиц с последующим объединением их в хлопья, которые не растворимы в воде и обладают высокой адсорбционной способностью. Все эти факты подтверждают высокую эффективность предлагаемого способа очистки воды, которой невозможно достичь при использовании многих известных способов. Предлагаемый способ очистки воды является простым в осуществлении, не требует использования дефицитных реагентов, а образующиеся осадки представляют собой экологически безвредные карбонаты различных металлов. Способ можно использовать для снабжения питьевой водой небольших населенных пунктов, вахтовых поселков в районах Сибири и Крайнего Севера.