Результат интеллектуальной деятельности: СПОСОБ ВОДОПОДГОТОВКИ

Изобретение относится к области водоподготовки с использованием фильтрационного процесса и фильтровального комплекса, содержащего загрузку с ионообменными свойствами. Способ может найти применение в сельскохозяйственной мелиорации, в жилищно-коммунальном хозяйстве и других отраслях промышленности в процессах подготовки и очистки воды.

Известен способ очистки природных и грунтовых вод от железа, включающий аэрацию и фильтрацию воды через загрузку, состоящую из последовательно расположенных слоев гранитного щебня, торфа, древесной коры, гравия и песка при их объемном соотношении 1:2:3:2:1 [Патент РФ №2151105, МПК C02F 1/28, C02F 1/64, опубл. 20.06.2000].

Недостатком известного технического решения, препятствующим достижению указанного технического результата, является недостаточная степень очистки природных и грунтовых вод от двухвалентного железа вследствие незначительных окислительных и ионообменных свойств загрузки и ограниченная сфера применения данного способа. Также при обратной промывке будет происходить гидравлическая сортировка загрузки вследствие различий гранул слоев по гранулометрическому составу и плотности, что приведет к нарушению расположения слоев и соответственно снижению надежности технологического процесса.

Известна система водоочистки и фертигации для капельного орошения. Система включает водоисточник, насосную станцию, емкость для подготовки питательного раствора, контрольно-измерительные приборы, трубопроводную обвязку с запорной арматурой, водоочистной узел и сеть поливных трубопроводов с водовыпусками. Водоочистной узел выполнен трехступенчатым, в котором первая ступень представлена высоконапорным гидроциклоном, снабженным самоочищающимся сетчатым экраном и осадочной камерой, и предназначена для удаления минеральных и растительных примесей. Вторая ступень представлена горизонтальной герметичной емкостью, заполненной загрузкой, и предназначена для очистки от тонкодисперсных примесей. Третья ступень представлена тканым сетчатым фильтром и предназначена для дополнительной очистки от тонкодисперсных примесей [Патент РФ №2220104, МПК A01G 25/02, C02F 1/40, опубл. 27.12.2003].

Недостатком известного технического решения, препятствующим достижению указанного технического результата, является громоздкость системы и недостаточная степень очистки воды, в частности, от растворенного двухвалентного железа и марганца вследствие незначительных окислительных и ионообменных свойств загрузки, а соответственно, и невысокая надежность технологического процесса.

Известен способ водоочистки для полива сельскохозяйственных культур, включающий фильтрацию воды через загрузку, состоящую из тереклитовой глины, барита и доломитовой муки в соотношении 5:1:0,5, размещенную в металлической сетке и корпусе [Патент РФ №2537014, A01G 25/02, C02F 1/28, C02F 1/62, опубл. 27.12.2014].

Недостатком известного технического решения, препятствующим достижению указанного технического результата, является отсутствие возможности промывки загрузки и ее регенерации, а соответственно, и невысокая надежность технологического процесса.

Известен способ водоподготовки, включающий фильтрацию воды через загрузку на основе модифицированного серпентина с гранулометрическим составом 0,15-2 мм, регенерацию загрузки щелочным раствором и промывку загрузки водным или водно-воздушным методом [Патент РФ №2316479, МПК B01J 20/04, B01J 20/34, C02F 1/28, опубл. 10.02.2008].

Недостатком известного технического решения, препятствующим достижению указанного технического результата, является отсутствие потенциала насыщения воды макро- и микроэлементами. Кроме того, при обратной промывке вследствие широкого диапазона гранулометрического состава модифицированного серпентина при одинаковой его плотности будет происходить стратификация загрузки по гранулам с образованием границ, т.е. грубозернистые гранулы под действием седиментации будут образовывать нижние слои загрузки, а мелкозернистые гранулы - верхние слои загрузки. Из-за этого эффекта фильтрование будет происходить на меньшей глубине загрузки, что приведет к преждевременной ее закупорке, а соответственно, и снижению надежности технологического процесса.

Известен способ ионообменной обработки воды, включающий фильтрацию воды через фильтр с загрузкой с ионообменными свойствами, отведение до 80% загрузки от всего объема в колонну взрыхляющей промывки, регенерацию загрузки и взрыхляющую промывку потоком воды, последовательно проходящим фильтр и колонну взрыхляющей промывки с интенсивностью 1,25-2,50 и 2,50-5,00 л/(м²⋅с) соответственно [Патент РФ №2139253, МПК C02F 1/42, опубл. 10.10.1999].

Недостатком известного технического решения, препятствующим достижению указанного технического результата, является сложность процесса регенерации и промывки вследствие наличия дополнительного оборудования, отсутствие потенциала насыщения воды макро- и микроэлементами, дороговизна применяемой в качестве загрузки ионообменной смолы (сильнокислый катионит КУ-2). Также по техническим характеристикам загрузка КУ-2 имеет неоднородный гранулометрический состав с диаметром гранул от 0,3 до 1,3 мм, из-за чего также будет происходить гидравлическая сортировка загрузки, а это в свою очередь приведет к преждевременной ее закупорке и соответственно снижению надежности технологического процесса.

Наиболее близким техническим решением по совокупности признаков к заявляемому способу и принятому за прототип является способ водоподготовки, включающий фильтрацию воды через загрузку с ионообменными свойствами, регенерацию и промывку загрузки восходящим потоком регенерата и подготовленной воды в направлении снизу вверх и седиментацию загрузки, причем фильтрацию проводят с использованием фильтровального комплекса, содержащего не менее двух последовательно установленных фильтров первой и второй ступеней, а процесс регенерации загрузки осуществляют с образованием псевдоожиженного слоя в фильтре первой ступени [Патент РФ №2298529, МПК B01J 49/02, C02F 1/28, опубл. 10.05.2007].

Недостатком известного технического решения, препятствующим достижению указанного технического результата, является отсутствие потенциала насыщения воды макро- и микроэлементами, возможность экологического загрязнения окружающей среды, что обусловлено поглощаемой способностью ионообменных смол к органическим фрагментам, на которых активно развиваются бактерии и микроорганизмы, в том числе патогенные, и наличие неионизированных загрязнений, связанных с производством смол. Кроме того, присутствие трехвалентного железа в воде при седиментации закупоривает поры ионообменной смолы, что приводит к нарушению ионного обмена, снижению качества обработанной воды и соответственно надежности технологического процесса. Также сказывается и дороговизна применяемых в качестве загрузки ионообменных смол (слабо- и сильнокислых катеонитов, в частности Duwex UP-CORE Mono C-600-Na). Удаление органики и микрофлоры из загрузки на основе ионообменных смол требует особых дополнительных средств и затрат на регенерацию.

Задачей, на решение которой направлено предлагаемое техническое решение, является улучшение качественных свойств воды, повышение эффективности фильтрационного процесса, а также эксплуатационных и экологических показателей технологического процесса водоподготовки.

Результатом предлагаемого технического решения является насыщение воды макро- и микроэлементами, умягчение и обезжелезивание воды, повышение степени очистки воды от грубо- и тонкодисперсных примесей, в том числе тяжелых металлов, радионуклидов, солей, органических и биологических загрязнений и иных токсичных веществ, повышение надежности и экологической безопасности технологического процесса водоподготовки.

Поставленный технический результат достигается тем, что в способе водоподготовки с использованием фильтрационного процесса, включающем фильтрацию воды через загрузку с ионообменными свойствами, регенерацию и промывку загрузки восходящим потоком регенерата и подготовленной воды в направлении снизу вверх и седиментацию загрузки, причем фильтрацию проводят с использованием фильтровального комплекса, содержащего не менее двух последовательно установленных фильтров первой и второй ступеней, а процесс регенерации загрузки осуществляют с образованием псевдоожиженного слоя в фильтре первой ступени, согласно изобретению фильтрацию в фильтре первой ступени проводят в направлении снизу вверх с образованием псевдоожиженного слоя, а в фильтре второй ступени - сверху вниз, а процесс регенерации загрузки осуществляют с образованием псевдоожиженного слоя в фильтрах первой и второй ступеней, в качестве загрузки в фильтре первой ступени используют модифицированный глауконит, а в фильтре второй ступени - композицию из двух и более компонентов, расположенных послойно, нижний слой представлен модифицированным глауконитом, а отношение плотностей гранул слоев композиции, каждого последующего к предыдущему, составляет не менее 1,3, при этом объем модифицированного глауконита составляет не менее 40% от общего объема композиции, а отношение высоты загрузки в фильтрах первой и второй ступеней к высоте фильтров составляет 0,40-0,55:1,00.

В качестве дополнительных слоев композиции используют, например, шунгизит, и (или) антрацит, и (или) керамзит, и (или) активированный уголь.

Гранулометрический состав модифицированного глауконита 0,1-0,5 мм, шунгизита, или антрацита, или керамзита - 0,5-1,0 мм, активированного угля - 1,0-2,5 мм.

К существенным отличительным признакам заявленного технического решения относится:

1) использование в качестве компонента загрузки модифицированного глауконита в объеме не менее 40%;

2) фильтрация в фильтре первой ступени в направлении снизу вверх с образованием псевдоожиженного слоя;

3) отношение высоты загрузки в фильтрах первой и второй ступеней к высоте фильтров принято 0,40-0,55:1,00;

4) компоненты композиции и их послойное расположение в загрузке выбраны таким образом, что отношение плотностей гранул слоев каждого последующего к предыдущему составляет не менее 1,3.

При производстве сельскохозяйственной продукции допускается использование только экологически чистых материалов, этим требованиям отвечают загрузки из природных минералов, в частности алюмосиликатов, например глауконит, шабазит, модернит, клиноптилолит, нефелин (нефелиновый сиенит) и другие. Такие природные загрузки на практике могут применяться без предварительной подготовки, они недефицитны, их стоимость в 10-50 раз ниже стоимости синтетических загрузок.

Выбор модифицированного глауконита в качестве загрузки определен его высокой селективностью, способностью к регенерации, физико-механическими, фильтрационными и катионнообменными свойствами по отношению к тяжелым металлам, радионуклидам, солям, органическим и иным токсичным веществам. Широкий спектр свойств глауконита обусловлен его слоистой структурой в основном в виде пластин или чешуек, а также сложным химическим составом, включающим: K₂O - 3,0-10,0%, Na₂O - до 3,5%, Al₂O₃ - 7,0-18,0%, Fe₂O₃, FeO - 7,0-11,0%, MgO - 2,5-7,0%, SiO₂ - 29,0-56,0%, H₂O - 5-13,5%, P₂O₅ - до 3% и еще более 20 микроэлементов, находящихся в легко извлекаемой форме обменных катионов, способных к замещению с находящимися в избытке в окружаемой среде элементами.

Улучшение качественных свойств воды включает насыщение воды макро- и микроэлементами, умягчение и обезжелезивание.

Насыщение воды макро- и микроэлементами (оксидами кремния, калия, магния, фосфора, а также медью, цинком, молибденом, кобальтом и другими веществами), необходимыми для дополнительного поддержания пищевого режима сельскохозяйственных культур, происходит при прохождении ее через слой загрузки. В частности, оксид кремния переходит в состояние биогенного кремния, который, в том числе с другими растворенными веществами, переносится поливной водой, например, через систему капельного орошения точечно в корнеобитаемый участок, на котором произрастают растения. При этом в почве происходит образование нитритов кремния, силанов и алкосиланов, которые токсичны для вредителей и возбудителей болезней и безопасны для сельскохозяйственных культур. Кроме того, кремниевая кислота выполняет фитосанитарную функцию, снижая популяцию сапрофитных грибов, в том числе корневых гнилей. При питании растений такой водой в эпидермальных тканях происходит образование защитного кремниевого барьера. В результате корневая система растений более развита, площадь поверхности листьев, толщина и прочность стебля увеличиваются, податливость болезням снижается, а продуктивность возрастает.

Качественным показателем воды на поливные или другие нужды является ее жесткость, при значении этого показателя выше допустимой нормы необходимо проводить умягчение воды. Непостоянная жесткость характеризуется присутствием в воде: в большей степени - растворенных гидрокарбонатов кальция Са(НСО₃)₂, в меньшей степени - магния Mg(HCO₃)₂ и железа Fe(НСО₃)₂, а постоянная - кальциевых и магниевых солей сильных кислот (сульфатов и хлоридов): MgSO₄, CaSO₄, MgCl₂, CaCl₂.

Например, при поливе жесткой водой (более 8 мг-экв/л) в растениях происходит нарушение процесса образования хлорофилла, а также снижение фотосинтезирующей способности, культуры поражаются хлорозом. Из-за высокого содержания в почве солей кальция питательные вещества переходят в недоступную (связанную) для растений форму. Кроме того, регулярное орошение жесткой поливной водой постепенно нейтрализуют, а далее защелачивают почву с образованием солевых отложений. Незначительная (оптимальная) жесткость (4-8 мг-экв/л), наоборот, благоприятно сказывается на общем режиме питания и развития растений. Магний входит в состав хлорофилла и задействован в белковом обмене, железо участвует в синтезе хлорофилла, а кальций - важный компонент клеточных оболочек растений. Дефицит этих макроэлементов также негативно сказывается на развитии культур.

Так, на модифицированной глауконитовой загрузке, например, реакции замещения катионов Са²⁺ катионами Na⁺ в молекулярной и в ионной форме запишутся следующим образом:

;

;

;

;

,

где R - сложный радикал катеонита, образующий с ионами кальция, магния и железа соединения, не растворимые в воде, и выполняющий роль аниона; NaR - натрий-катионит; CaR₂ и др. - солевые формы катеонита. Уравнения реакций с солями магния и железа аналогичные.

Закрытые оросительные системы в сельском хозяйстве, а также стальные транспортирующие водопроводы в жилищно-коммунальном хозяйстве и других отраслях промышленности в процессе эксплуатации подвержены коррозионному воздействию. Трехвалентное железо при контакте с окислителем, например воздухом или с поверхностью труб в изношенных системах водораспределения, гидролизуется в нерастворимый гидроксид железа Fe(OH)₃, который образует осадок или взвесь. В открытых водоисточниках также содержатся ионы двухвалентного железа, марганца, сероводорода, органические и биологические загрязнения. Нормы их содержания для различных областей народного хозяйства и промышленности регламентированы специализированными документами, в частности, в поливной воде содержание железа и марганца не должно превышать 0,1 мг/л.

Обезжелезивание и улавливание марганца и сероводорода сопровождаются предварительным их окислением до нерастворимых форм.

Модификация глауконита заключается в его предварительной последовательной обработке растворами MnCl₂ [www.mediana-filter.ru] и KMnO₄. Хлорид марганца необратимо поглощается глауконитом, а после его обработки перманганатом калия на поверхности гранул образуется слой высших окислов марганца:

,

.

Модифицированный таким образом глауконит служит источником кислорода, который окисляет ионы двухвалентного железа и марганца до трехвалентной формы, а сероводород - до элементарной серы, при этом происходит частичное обеззараживание органических и биологических загрязнений. В окисленном состоянии железо и марганец осаждаются в виде нерастворимых гидроокисей:

.

Создание псевдоожиженного слоя способствует интенсивному перемешиванию и устранению застойных зон и, как следствие, увеличению поверхности контакта фаз - воды и загрузки. Принятый гранулометрический состав модифицированного глауконита 0,1-0,5 мм позволяет достигнуть максимальной суммарной удельной поверхности взаимодействия, так как чем меньше гранулы, тем больше суммарная удельная поверхность загрузки в псевдоожиженном состоянии.

Отношение высоты загрузки в фильтрах первой и второй ступеней к высоте фильтров, принятое 0,40-0,55:1,00, обусловлено результатами эксплуатации промышленных установок. Согласно им диапазон изменения порозности загрузки в псевдоожиженном состоянии составляет 0,6-0,7, а при неподвижном состоянии - 0,4 [Тимонин А.С. Инженерно-экологический справочник. Т. 2. - Калуга: Изд-во Н. Бочкаревой, 2003. - С. 562].

Использование в качестве загрузки композиции из двух и более компонентов, нижний слой которой представлен модифицированным глауконитом, а отношение плотностей гранул слоев каждого последующего к предыдущему составляет не менее 1,3, позволяет избежать нарушений в расположении слоев, а следовательно, преждевременной закупорки загрузки.

Регенерация и промывка загрузки восходящим потоком регенерата и подготовленной воды в направлении снизу вверх с образованием псевдоожиженного слоя сопровождается взрыхлением и перемешиванием гранул слоев загрузки. Из-за указанных различий в плотности и гранулометрическом составе каждый конкретный слой в процессе седиментации будет занимать свое определенное положение.

В предлагаемом способе возможны, например, варианты композиций:

1) модифицированный глауконит и шунгизит;

2) модифицированный глауконит и антрацит;

3) модифицированный глауконит и керамзит;

4) модифицированный глауконит, шунгизит и активированный уголь;

5) модифицированный глауконит, антрацит и активированный уголь;

6) модифицированный глауконит, керамзит и активированный уголь.

Краткая характеристика компонентов композиции загрузки, обуславливающая их преимущество перед известными аналогами, указана в таблице.

Объем загрузки определяется ее обменной емкостью, насыпной плотностью, содержанием примесей в воде и необходимой степенью очистки. Количество каждого компонента загрузки может варьироваться; конкретный состав также зависит от качества обрабатываемой воды и может быть оптимизирован в каждом конкретном случае.

Как правило, фильтрационный процесс проводят с использованием двух последовательно установленных фильтров первой и второй ступеней, однако возможно описанный способ осуществлять и в большем количестве аппаратов с созданием в каждом из них соответствующих условий.

Таким образом, использование загрузки из модифицированного глауконита, способного к замещению элементов, находящихся в избытке в окружаемой среде, и оставаться нейтральным - при их равновесных (оптимальных) составах при указанных выше условиях, обуславливает его преимущество в данном техническом решении.

Способ водоподготовки поясняется чертежами: фиг. 1 - схема процесса фильтрации, умягчения, обезжелезивания и насыщения воды макро- и микроэлементами; фиг. 2 - схема процесса регенерации и промывки загрузки. На фиг. 1 показано: 1 - распределительный трубопровод; 2 - фильтр первой ступени; 3, 4, 5 - трехпозиционный вентиль (кран, клапан); 6 - загрузка в неподвижном состоянии в фильтре первой ступени; 7 - загрузка в псевдоожиженном состоянии в фильтре первой ступени; 8 - соединительный трубопровод; 9 - фильтр второй ступени; 10 - загрузка в неподвижном состоянии в фильтре второй ступени; на фиг. 2-11 - загрузка в псевдоожиженном состоянии в фильтре второй ступени; 12 - промывной трубопровод; 13 - шламовый сборник.

Способ водоподготовки реализуют следующим образом.

Режим фильтрации, умягчения, обезжелезивания и насыщения воды макро- и микроэлементами

Вода, предназначенная, например, для полива, подается насосом или насосной станцией (на фиг. не показано) по распределительному трубопроводу 1 в фильтр первой ступени 2, при этом трехпозиционные вентили 3, 4 и 5 находятся в соответствующих движению потока положениях. В фильтре первой ступени 2 вода проходит через слой загрузки 6 в направлении снизу вверх с образованием псевдоожиженного слоя 7, при этом происходят процессы умягчения, обезжелезивания, насыщения воды макро- и микроэлементами и частичной фильтрации, сопровождающиеся соответствующими реакциями. Далее вода по соединительному трубопроводу 8 транспортируется в фильтр второй ступени 9 в направлении сверху вниз. При прохождении воды через слои загрузки 10 с различным гранулометрическим составом, по ходу движения от грубозернистых гранул до мелкозернистых, происходит ее фильтрация. Грубозернистые гранулы задерживают грубодисперсные примеси, а мелкозернистые - тонкодисперсные примеси. Далее подготовленная вода поступает по распределительному трубопроводу 1, например, в сеть поливных трубопроводов системы капельного орошения (на фиг. не показано), где через микроводовыпуски точечно подается в корнеобитаемый участок почвы, на котором произрастают растения.

При прохождении воды в фильтрах первой 2 и второй 9 ступеней через модифицированный глауконит за счет его катионнообменных свойств происходят процессы улавливания тяжелых металлов, радионуклидов, солей, органических и биологических загрязнений и иных токсичных веществ.

В способе при наличии большого количества грубодисперсных примесей может быть использована предварительная ступень очистки воды, например напорный гидроциклон.

Режим регенерации и промывки загрузки.

В режиме фильтрации, умягчения, обезжелезивания и насыщения воды макро- и микроэлементами происходит постепенная замена обменных катионов Na²⁺ катионами растворенных солей Са²⁺, Mg²⁺, Fe²⁺ или Fe³⁺. При этом модифицированный глауконит, являющийся катеонитом, постепенно истощается и теряет катионнообменную способность. Для восстановления первоначальной величины емкости поглощения (регенерации) необходимо удержанные модифицированным глауконитом катионы удалить из него и заменить обменным катионом Na⁺. Регенерация проводится путем пропускания регенерата, например раствора NaCl, через слой истощенного катеонита:

Для солей MgR₂ и FeR₂ реакции регенерации будут аналогичными.

Регенерат приготавливается путем смешения воды и хлористого натрия в соотношении 0,9-0,92:0,1-0,08 соответственно.

Восстановление высших окислов марганца на поверхности гранул модифицированного глауконита проводится путем пропускания через загрузку другого регенерата - раствора KMnO₄. Регенерат также приготавливается путем смешения воды и перманганата калия, при этом концентрация KMnO₄ в растворе зависит от количества загрязнений (железа и марганца) в фильтруемой воде. Так, 1 мг/л перманганата калия окисляет 1,06 мг/л железа или 0,52 мг/л марганца.

Количество и частота операций регенерации и промывки загрузки определяется содержанием соответствующих загрязнений в воде.

Регенерат насосом или насосной станцией (на фиг. не показано) подается по распределительному трубопроводу 1 в фильтры первой 2 и второй 9 ступеней в направлении снизу вверх с образованием в них псевдоожиженного слоя 7 и 11 соответственно, при этом трехпозиционные вентили 3, 4 и 5 находятся в соответствующих движению потока положениях. Регенерат при прохождении через слои загрузки 7 и 11 вымывает из них уловленные грубо- и тонкодисперсные примеси и восстанавливает их свойства. Отработанный регенерат по соединительному трубопроводу 8 поступает в промывной трубопровод 12 и выводится в шламовый сборник 13.

При необходимости дополнительного вымывания уловленных грубо- и тонкодисперсных примесей из слоев загрузки 7 и 11 до подачи регенерата возможно предварительное взрыхление слоев загрузки 7 и 11 в фильтрах первой 2 и второй 9 ступеней подготовленной водой по аналогичной схеме.

После восстановления свойств загрузки 7 и 11 проводится ее промывка подготовленной водой от остатков регенерата по аналогичной схеме.

По завершении операций регенерации и промывки загрузки соответственно прекращают подачи регенерата и подготовленной воды в фильтры первой 2 и второй 9 ступеней, позволяя слоям загрузки в каждом фильтре под действием седиментации занять свое исходное положение.

Таким образом, за счет реализации предложенного способа водоподготовки достигается насыщение воды макро- и микроэлементами, умягчение и обезжелезивание воды, повышение степени очистки воды от грубо- и тонкодисперсных примесей, в том числе тяжелых металлов, радионуклидов, солей, органических и биологических загрязнений и иных токсичных веществ, повышение надежности и экологической безопасности технологического процесса.