Результат интеллектуальной деятельности: Способ удаления из природных вод ионов марганца и железа при подготовке питьевой воды

Изобретение относится к области очистки природных поверхностных и подземных вод с повышенным содержанием марганца и возможно повышенным содержанием железа и может быть использовано в процессах водоподготовки для питьевых и технических целей.

Известны различные способы удаления из воды марганца и железа, которые надлежит выбирать на основании технологических изысканий, проводимых непосредственно у источника водоснабжения [1, 2]. В соответствии с требованием пункта 6.176 СНиП 2.04.02-84 «метод обезжелезивания воды, расчетные параметры и дозы реагентов надлежит принимать на основе результатов технологических изысканий, выполненных непосредственно у источника водоснабжения». Это требуется потому, что при выходе воды на поверхность, соприкосновение подземной воды с атмосферным воздухом может привести к «дополнительному» окислению железа. Выбор этих способов ненадежен и возможен только в отношении подземных источников при стабильном качестве воды, а в отношении поверхностных источников такой выбор неприемлем.

Основными недостатками этих способов являются:

1) громоздкость сооружений, высокая строительная стоимость и большие эксплуатационные затраты;

2) значительное количество отходов в промывной воде;

3) плохая управляемость технологическими процессами.

Известен также способ очистки воды от марганца и железа, включающий пропускание воды через слой фильтрующего материала, содержащего в качестве основы зернистый материал природного происхождения с каталитически активным слоем на его поверхности, представляющим собой смесь оксидов марганца MnO, Mn₂O₃ и MnO₂ при их массовом соотношении, соответственно равном (5-6):(3-2):(2-1), способных эффективно удалять растворимые в воде ионы железа и марганца. Кроме того, дополнительно перед пропусканием воды осуществляют регенерацию слоя фильтрующего материала, использованного ранее при очистке воды, с использованием последовательности приемов способа, а перед регенерацией фильтрующего материала, использованного ранее, осуществляют его предварительную очистку от осажденных в нем соединений во время использования при очистке воды (RU №2275335, МПК C02F 1/64, B01D 39/06, B01J 20/06, B01J 20/30, C02F 103/04, опубл. 27.04.2016).

Недостатком данного способа является ненадежность и плохая управляемость из-за необходимости выполнения значительного количества различных сложных операций для достижения положительного результата.

Известен также способ обезжелезивания подземных вод, который применяется в устройстве для обезжелезивания подземных вод с утилизацией железа, заключающийся в ламинарном движении воды снизу вверх через емкость с расположенными в ней электродами в постоянном электрическом поле, при котором градиент потенциала регулируют в определенных пределах в зависимости от содержания железа в очищенной воде (Заявка RU 2016112558, МПК C02F 1/46, опубл. 09.10.2017; RU 2633534, МПК C02F 1/46, опубл. 13.10.2017).

Основными недостатками данного способа являются:

1) отсутствие условий и возможностей для удаления марганца;

2) сложность эксплуатации из-за необходимости регулярной замены катодов.

Наиболее близким аналогом заявленного способа удаления из природных вод ионов марганца и железа, у которого с заявленным способом общее родовое понятие, является способ очистки воды от вредных примесей, который включает аэрацию воды путем подачи в струйный аппарат для аэрации и смешения с воздухом, при этом аэрацию проводят в два этапа: на первом - аэрацию проводят путем смешения очищаемой воды с воздухом или обработанным в озонаторной установке воздухом, содержащим от 5 до 40% озона, после чего полученную смесь пропускают через завихритель потока, интенсифицирующий процесс растворения воздуха или воздушно-озоновой смеси в воде, затем проводят второй этап обработки воды воздухом или воздушно-озоновой смесью с получением воды с рН от 9 до 9,5 (RU 2315007, МПК C02F 9/06, C02F 1/463, C02F 1/78, опубл. 20.01.2008).

Недостатками представленного изобретения являются:

1) отсутствие условий и возможностей для удаления марганца;

2) сложность эксплуатации.

Техническим результатом предлагаемого изобретения является повышение надежности и гарантированного качества природных поверхностных и подземных вод, в которых содержание марганца не превышает 20 ПДК, путем очистки от ионов марганца и, при необходимости, сопутствующего железа до требований стандарта на питьевую воду.

Указанный технический результат достигается тем, что при предлагаемом способе происходит удаление из природных вод ионов марганца и, при необходимости, удаление ионов железа в процессе направленного движения очищаемой воды через емкость из диэлектрика в постоянном электрическом поле.

Сущность изобретения состоит в том, что весь процесс очистки воды состоит из двух этапов: на первом этапе осуществляется ламинарное движение воды снизу вверх со скоростью не более 9 сантиметров в минуту при градиенте потенциала на инертных катоде и аноде в пределах от 7 В/см до 10 В/см, причем инертные электроды расположены в нижней половине емкости: анод внизу, а катод, на котором осуществляется задержание марганца и железа - вверху на расстоянии 2 см от анода, а очищенная вода направляется к потребителю. На втором этапе в этой же емкости прекращается движение воды, затем производится перемена полюсов на электродах на период не более двух минут, после этого электроды отключаются на период до 10 минут. В течение этого периода удаленный с катода осадок в виде хлопьев светло-серого цвета оседает на расположенную в нижней части фильтрующую перегородку, а отфильтрованная вода также направляется потребителю. Во всех случаях наблюдалось восходящее движение пузырьков газа, которые непрерывно удалялись из верхней части емкости.

Пример 1. На начальном этапе исследований проверялась возможность удаления из природной воды ионов марганца в неподвижном объеме путем воздействия постоянного электрического поля. Для этого в стеклянную емкость заливались пробы воды объемом 1 литр с различным содержанием марганца. Неполяризующиеся кольцевые электроды располагались в нижней половине объема на расстоянии 2 см друг от друга: катод вверху, а анод внизу. В процессе каждого исследования визуально наблюдалось образование на катоде осадка светло-серого цвета и выделение пузырьков газа. Периодически (выборочно) производился анализ наличия марганца в осадке (на катоде). Исследования проводились для трех видов искусственно приготовленных проб:

1. На основе природной воды из поверхностного источника (река Вологда);

2. На основе природной воды из подземного источника (водозаборная скважина);

3. На основе предварительно очищенной воды из водопровода г. Вологды.

Результаты исследований по первому случаю приведены в таблицах 1-3. В таблице 1 приведены результаты исследований очистки природной воды из поверхностного источника с исходным содержанием марганца 4 мГ/л (40 ПДК - предельно допустимая концентрация), в таблице 2 - результаты исследований очистки природной воды из поверхностного источника с исходным содержанием марганца 3 мГ/л (30 ПДК), в таблице 3 - результаты исследований очистки природной воды из поверхностного источника с исходным содержанием марганца 2 мГ/л (20 ПДК). Как видно из таблиц 1, 2 и 3, в неподвижном объеме воды уменьшение содержания ионов марганца до предельно допустимой концентрации, соответствующей требованиям стандарта для питьевой воды (0.1 мГ/л) обеспечивалось при воздействии постоянного электрического поля с градиентами потенциала от 7 В/см до 10 В/см в течение не менее 30 минут при исходном содержании марганца не более 2 мГ/л (20 ПДК).

Результаты исследований проб предварительно очищенной воды из водопровода г. Вологды с содержанием марганца не более 2 мГ/л приведены в таблице 4. Как видно из таблицы 4, в пробах на основе предварительно очищенной водопроводной воды не были достигнуты положительные результаты, которые получены в водах, не подвергнутых предварительной химической обработке. Объяснить это можно тем, что в результате предварительной очистки (коагуляция, хлорирование и т.д.) был изменен химический состав природной воды. На основании изложенного делается вывод: удаление из воды ионов марганца, а также железа при воздействии постоянного электрического поля необходимо производить до обработки исходной воды химическими реагентами и методами коагуляции.

Пример 2. На втором этапе исследований проверялась возможность удаления из природной воды ионов марганца путем воздействия постоянного электрического поля при движении воды. Для этого через вертикальную емкость цилиндрической формы из диэлектрика, имеющую высоту 1 м в нижней половине которой расположены неполяризующиеся кольцевые электроды на расстоянии 2 см друг от друга: катод вверху, а анод внизу осуществлялось ламинарное движение воды снизу вверх с исходным содержанием марганца 2 мГ/л. Результаты исследований приведены в таблице 5. Как видно из таблицы 5, уменьшение содержания ионов марганца до предельно допустимой концентрации, соответствующей требованиям стандарта для питьевой воды (0.1 мГ/л) обеспечивалось при ламинарном движении воды со скоростью от 3 см/мин. до 9 см/мин. через вертикальную емкость цилиндрической формы из диэлектрика, имеющую высоту 1 м при воздействии постоянного электрического поля с градиентами потенциала от 7 В/см до 10 В/см в течение не менее 40 минут при исходном содержании марганца не более 2 мГ/л (20 ПДК)

Пример 3. В пробы природой воды из подземных источников (водозаборные скважины) с содержанием ионов железа 0.75 мГ/л и 1.2 мГ/л (соответственно 2.5 ПДК и 4 ПДК по железу) добавлялся марганец в количестве 2 мГ/л (20 ПДК). Проверялась возможность совместного удаления марганца и железа путем воздействия постоянного электрического поля при движении воды со скоростью 6 см/мин через вертикальную емкость цилиндрической формы из диэлектрика, имеющую высоту 1 м в нижней половине которой расположены неполяризующиеся кольцевые электроды на расстоянии 2 см друг от друга. Результаты исследований приведены в таблице 6. Как видно из таблицы 6, в процессах движении воды снизу вверх со скоростью 6 см/мин в постоянном электрическом поле при градиентах потенциала от 7 В/см до 10 В/см обеспечивалась полная очистка воды от ионов железа и марганца до предельно допустимых концентраций.

Пример 4. В процессе всех исследований визуально наблюдалось осаждение и накопление твердых частиц серого цвета на катоде. Для очистки катода периодически осуществлялось переключение полюсов на электродах. При этом, за короткий промежуток времени (не более двух минут) катод полностью очищался. Затем производилось отключение постоянного электрического поля и отделившиеся от катода хлопьевидные частицы оседали на расположенную в нижней части цилиндрической емкости фильтрующую перегородку. Анализы фильтрата показывали практическое отсутствие в нем ионов марганца и железа. Продолжительность всего процесса очистки катода и удаления осадка не превышала 10 минут.

По сравнению с известным изобретением предлагаемое изобретение обладает следующими преимуществами:

1. Повышение надежности и гарантированного качества подземных и поверхностных природных вод после удаления ионов марганца и железа, обезжелезивания с утилизацией железа в одном корпусе.

2. Упрощение процесса очистки электродов.

Изобретение можно использовать для питьевого и технического водоснабжения при добывании воды из водозаборных скважин, шахтных колодцев и других видов подземных водозаборов.

Источники информации

1. Строительные нормы и правила. Водоснабжение. Наружные сети и сооружения: СНиП 2.04.02-84: введ. 01.01.86. - М.: Стройиздат, 1985. - С. 44. п. 6.186, 6.187.

2. Кульский Л.А., Строкач П.П. Технология очистки природных вод. - Вища школа, 1981 - С. 221-223.