Результат интеллектуальной деятельности: СПОСОБ ОЧИСТКИ ПОДЗЕМНЫХ ВОД ОТ УСТОЙЧИВЫХ ФОРМ ЖЕЛЕЗА

Изобретение относится к области водоснабжения, в частности к очистке подземных вод, содержащих устойчивые формы железа в виде железоорганических соединений, и может быть использовано в системах водоподготовки для улучшения качества питьевой воды.

Подземные воды кроме железа содержат растворенные органические вещества, способствующие образованию устойчивых форм железа в виде устойчивых колодных соединений. Применяемые в настоящее время схемы очистки, включающие аэрацию, отстаивание и фильтрование для воды, содержащей железо и органические вещества, не достаточно эффективны, по следующим причинам. Окисление железа на стадии аэрирования приводит к образованию Fe(OH)₃. Растворенные органические вещества в виде гумусовых соединений, образуют на поверхности Fe(OH)₃ защитный слой, препятствующий коагуляции окисленного железа и выпадению осадка. Образующиеся железоорганические соединения в виде коллоидных частиц устойчивы в течение длительного времени. На стадии фильтрования, железо в виде устойчивых коллоидных частиц не задерживается на фильтрах, так как их размер находиться в диапазоне от 50 до 450 нм. Единственный способ удаления коллоидного железа на стадии фильтрования - это использование ультра- и нанофильтрационных мембран, что приводит к увлечению стоимости технологии водоподготовки.

Известен способ очистки подземных вод от устойчивых форм железа, заключающийся в аэрирование исходной воды и деструкции железоорганических комплексных соединений в рабочей зоне биореактора за счет метаболизма железоокисляющих микроорганизмов с последующим фильтрованием. [RU 2161594, публ. 10.01.2001]

Недостатками известного способа являются:

- ограниченная область применения для территорий северных регионов России ввиду низких температур;

- высокие эксплуатационные затраты, связанные с условиями содержания железобактерий для обеспечения температурного режима, стабильности химического состава воды, поступающей в биореактор для строгого соблюдения технологического режима очистки;

- затраты на обезвреживание и утилизацию избыточного ила, который образуется при биоочистке.

Наиболее близким к заявляемому способу является способ очистки воды от гумусовых веществ и железа [RU 2158231, публ. 27.10.2000 г.], заключающийся в последовательном пропускании ее в две стадии через фильтрующую загрузку с регулированием pH очищаемой воды на каждой стадии, согласно чему на первую стадию фильтрации подают воду с pH 3,0-4,0 для извлечения гумусовых веществ, а на вторую стадию фильтрации подают воду с pH 6,5-9,0 для извлечения железа. При этом установление pH очищаемой воды осуществляют добавлением кислоты перед первой стадией фильтрации и щелочи перед второй стадией фильтрации. Или установление pH очищаемой воды осуществляют пропусканием воды через анодную камеру электролизера перед первой стадией фильтрации и через катодную камеру электролизера перед второй стадией фильтрации

Недостатком прототипа является то, что для регулирования pH очищаемой воды используют реагенты (кислоты и щелочи), что требует дополнительного оборудования для подачи кислоты и щелочи, причем это оборудование должно быть коррозиционностойким. Кроме того, в настоящее время для очистки воды в питьевых целях наиболее приоритетными являются безреагентные системы, как экологически безопасные, а применение кислот и щелочей, нельзя отнести к экологически безопасным процессам обработки. А использование электролизера для корректировки pH является энергозатратным и сложным в эксплуатации процессом, особенно в удаленных поселках, не имеющих централизованного водоснабжения и при работе любого электролизера с природными водами, содержащими соли жесткости, железа и кремния, даже на переменном токе, происходит постепенная кольматация электродов и резкое снижение эффективности работы установки.

Задача изобретения - создание экологически чистого, эффективного и простого в обслуживании способа очистки подземных вод от устойчивых форм коллоидного железа.

Технический результат изобретения заключается в повышении эффективности и экологичности процесса очистки подземных вод от устойчивых форм коллоидного железа за счет отказа от использования электролизера и применения кислот и щелочей.

Указанный технический результат достигается тем, что в способе очистки подземных вод от устойчивых форм железа, включающем регулирование pH очищаемой воды с последующей фильтрацией и восстановлением pH до нормативных значений, в отличие от прототипа, для регулирования pH используют углекислый газ (CO₂), а восстановление pH проводят самопроизвольной декарбонизацией углекислого газа из обработанной воды.

Целесообразно для эффективного перемешивания углекислого газа с очищаемой водой использовать центробежный насос.

Для более эффективного выхода углекислого газа из обработанной воды выгодно создавать разряжение над ее поверхностью.

Для многократного использования углекислого газа целесообразно откачивать его после декарбонизации.

Способ очистки подземных вод от устойчивых форм железа, предусматривает применения углекислого газа для регулирования pH до значений 4,5..5, что позволяет легко удалять коллоиды железа на стадии фильтрации, при этом дальнейшее восстановление pH происходит самопроизвольно путем декарбонизацией углекислого газа из обрабатываемой воды.

На фиг.1 представлена технологическая схема устройства для реализации заявляемого способа временного снижения pH обрабатываемой воды, которое содержит эжектор 1, центробежный насос 2, фильтр 3, резервуар 4 с очищенной водой, патрубок 5 для отвода CO₂, насос 6 (инжектор). На фиг.2 приведена зависимость количества углекислого газа в литрах от концентрации коллоидного железа в исходной воде в мг/л.

Предлагаемый способ удаления коллоидного железа из подземных вод используется после полного окисления железа, в результате которого формируются устойчивые соединения железа с органическими веществами в коллоидной форме. Подлежащую очистки воду после полного окисления железа, например аэрацией, подают в центробежный насос 2, где происходит активное растворение CO₂, который подается из стандартных баллонов через эжектор 1 со скоростью 4 л/ч. Для гомогенного распределения CO₂ в воде наиболее рационально вводить газ перед насосом. Это связано с тем, что при прохождении водовоздушной смеси через насос 2, на концах лопастей крыльчатки насоса 2 возникают критические давления, значения которых достигают до 10 кг/см². При повышении давления диспергированные пузырьки газа активно растворяются в воде с образованием H₂CO₃, что приводит к временному снижению pH раствора до значения 4…5 с последующей коагуляцией частиц железа. Далее вода поступает на фильтр 3, где происходит осаждение железа в виде Fe(OH)₃ на фильтрующей загрузке. Очищенная вода после фильтра 3 поступает в накопительный резервуар 4, в котором происходит самопроизвольное восстановление pH до значений 7,5 за счет удаления CO₂ декарбонизацией. Для уменьшения расхода CO₂ предусмотрен соединительный патрубок между накопительным резервуаром 4 и эжектором 1 для возвращения CO₂ в цикл. Возвращение CO₂ к эжектору 1 происходит с помощью насоса 6, который создает над поверхностью воды разряжение за счет чего CO₂ направляется в трубопровод эжектора 1. В этом случае достигаются две цели: снижение временной кислотности исходной воды до нормативных значений и многократное использование CO₂.

Примеры 1-4.

Эксперименты проводили на модельном растворе близком по составу к природной воде, в котором концентрация исходного коллоидного железа составляла 1,5 мг/л. В модельный раствор, температура которого составляла 20°С, после стадии полного окисления железа вводили CO₂ из баллона под давлением 0,15 МПа. Расход CO₂ составлял 4 л/ч. Концентрацию вводимого CO₂ контролировали временем обработки раствора, которое варьировалось от 5 до 20 минут. Эксперименты проводили в стационарном режиме. Экспериментальные результаты оценки степени удаления коллоидного железа от времени обработки раствора CO₂ приведены в таблице 1. Из таблицы 1 видно, что по мере увеличения времени обработки и достижении pH раствора 4,2 степень очистки от железа достигает 90%, что соответствует концентрации железа 0,15 мг/л в сравнении с исходной равной 1,5 мг/л.

Пример 5.

Был проведен эксперимент для раствора, в котором концентрация коллоидного железа составила 2,8 мг/л. В раствор, температура которого составляла 20°С, после стадии полного окисления железа вводили CO₂ из баллона под давлением 0,15 МПа. Расход CO₂ составлял 4 л/ч. Время обработки раствора углекислым газом (CO₂) составляло 20 минут. В результате обработки концентрация коллоидного железа в растворе составила 0,28 мг/л. Полученное значение соответствует предельно допустимой концентрации железа в питьевой воде (0,3 мг/л). Очевидно, что с увеличением концентрации железа в воде необходимо увеличивать время обработки раствора, т.е. увеличивать концентрацию введенного CO₂. На фиг.2 приведена экспериментально полученная зависимость вводимого углекислого газа от концентрации коллоидного железа в исходной воде. Пользуясь данной зависимостью, можно оценить количество CO₂, необходимое для удаления коллоидного железа до нормативных значений.

Пример 6.

Предложенный способ удаления устойчивых форм железа в виде железоорганических соединений был апробирован на реальной скважиной воде с концентрацией железа 5,6 мг/л, органических веществ гумусового происхождения 3,8 мг O₂/л и кремния 20 мг/л. После стадии окисления железа, дальнейшую обработку воды проводили по схеме, представленной на фиг.1. Температура обрабатываемой воды составляла 7°C, что позволяет увеличить эффективность растворения газа в воде. В реальных условиях концентрация вводимого CO₂ определяется расходом воды, а не временем обработки CO₂. Поэтому в данном примере расход CO₂ не изменялся и соответствовал значению 4 л/ч. Скорость подачи воды составляла 25 л/ч. Вода, поступающая в резервуар 4, после стадии обработки CO₂ и фильтрации через фильтр 3, имела значение pH равное 4,2. Время восстановления pH раствора до значения 7,5 с использованием наноса 6 составляет 15 минут, а при самопроизвольном восстановлении pH воды без участия насоса - 80 минут. Концентрация железа в резервуаре 4 после полного цикла обработки составляет 0,2 мг/л. Вода, очищенная по предлагаемой схеме соответствует требованиям, предъявляемым СаНПиН 2.1.4. 1074-01.

Таким образом, в предлагаемом способе для снижения pH среды используется экологически безопасный и достаточно дешевый - углекислый газ, что позволяет упростить технологию водоподготовки за счет исключения дополнительной стадии (тонкой) фильтрации и корректировки pH воды подщелачиванием. Процесс восстановления pH воды происходит самопроизвольно, по мере декарбонизации CO₂.