СПОСОБ ОЧИСТКИ И МИНЕРАЛИЗАЦИИ ПРИРОДНЫХ ВОД

Изобретение относится к области водоснабжения, в частности к очистке природных вод от растворенных соединений железа, марганца и других тяжелых металлов, и одновременно - насыщения ионами кальция и магния в физиологически необходимом количестве, и может быть использовано в системах водоподготовки хозяйственно-бытового и производственного назначения, преимущественно для получения качественной питьевой воды из природных северных источников.

Известны способы очистки природных вод от железа и марганца, основанные на аэрировании воды воздухом или озоно-воздушной смесью с образованием гидроксидов металлов и удалением их на фильтрах разных конструкций с использованием сорбционных материалов и инертных зернистых загрузок; разработаны способы с применением в качестве окислителей перманганата калия и пероксида водорода (Золотова Е.Ф., Асс Г.Ю. Очистка воды от железа, фтора, марганца, сероводорода. - М.: Стройиздат, 1975. гл. 3 [1]). Эти традиционные технические решения не позволяют удалить из воды железо и марганец, в высоких концентрациях содержащиеся в природных водах Севера Сибири, если им сопутствует высокое содержание органических веществ (преимущественно гуминовых и фульвокислот), малая минерализация и жесткость, повышенная кислотность (рН<6,5).

Известен способ очистки воды (патент РФ №2238912, C02F 1/64, 2003), включающий обработку воды последовательно перманганатом калия KMnO₄ и пероксидом водорода Н₂О₂ в разных соотношениях доз, позволяющий преодолеть указанные выше затруднения и получить воду питьевого качества. Недостатком указанного способа являются высокие материальные затраты на реагенты (перманганат калия и химически неустойчивый и взрывоопасный пероксид водорода), необходимость строгого их дозирования, возможность проскока реагентов в очищенную воду, ухудшение условий для выделения в осадок железа и марганца при рН<6,5 и малой жесткости исходной воды.

Известен комбинированный способ очистки природных вод от железа и марганца (Николадзе Г.И. Обезжелезивание природных и оборотных вод. - М.: Стройиздат, 1978. с. 43), включающий стадии аэрации, окисления, известкования, коагулирования, флокулирования, отстаивания, фильтрования. Данный способ позволяет достичь остаточных концентраций железа и марганца 0,3 и 0,1 мг/л и менее, что соответствует требованиям СанПиН 2.1.4. 1074-01 «Гигиенические требования к качеству воды централизованных систем водоснабжения. Контроль качества». Однако предложенная технологическая схема является громоздкой, требует больших обогреваемых площадей для размещения, что на севере Сибири связано с большими энергозатратами; реализация технологии связана с обслуживанием оборудования, обеспечивающего содержание реагентного хозяйства (хранение, приготовление растворов, дозирование извести, коагулянтов, флокулянтов, хлорагентов), что требует дополнительных штатных сотрудников и затрат на реагенты и на соблюдение мер экологической безопасности.

Из уровня техники известны способы и устройства для повышения минерализации обессоленной воды с целью улучшения ее потребительского качества - придания воде полезных физиологических свойств. Известен способ приготовления питьевой минерализованной воды по патенту РФ №2170044, МПК A23L 2/38, включающий грубую и обратноосмотическую очистку водопроводной воды, с последующим подкислением до рН=4,5-5,5 и пропусканием воды через двухслойную загрузку, состоящую из подложки (дробленый кварц) и слоя кальцинированного доломита с размером зерна 2,5-4,5 мм для насыщения воды гидрокарбонатами кальция и магния до минерализации 50-1500 мг/л. Способ приготовления питьевой минерализованной воды по патенту РФ №2170044 пригоден только для предварительно очищенной водопроводной воды (а значит, доведенной до нормативов СанПиН 2.1.4. 1074-01 для питьевой воды), но не природной, содержащей высокие концентрации железа и марганца, которые быстро дезактивируют загрузку. Используемый кальцинированный доломит получают специальной обработкой природной горной породы - доломита известью и прокаливанием при 850°C, что приводит к высокому содержанию (60-70%) СаСО₃ и уменьшению - MgCO₃ (5,0-6,0%). Наличие в кальцинированном доломите свободных оксидов СаО (0,8-1,5%) и MgO (20,0-30,0%) делают такой композиционный материал более реакционно-способным, однако повышает растворимость, что влечет необходимость частых простоев оборудования, связанных с восполнением утраченного слоя загрузки. Прокаливание доломита при высоких температурах связано с большими энергозатратами, что удорожает технологию минерализации воды.

Аналогом, в котором используется обогащение воды ионами магния и кальция, является способ минерализации жидкости по патенту РФ №2515317, МПК C02F 1/68, который включает очищение воды методом обратного осмоса, насыщение ее минеральными веществами, промывку средства удержания рабочей среды блока минерализации.

Способ минерализации по патенту РФ №2515317 применяется для насыщения солями воды, деминерализованной при очистке ее методом обратного осмоса, но не обеспечивает очистку воды от тяжелых металлов.

Наиболее близким по технической сути к предлагаемому способу является способ очистки воды установкой по патенту на изобретение РФ №2228916, МПК C02F 9/04. Установка содержит камеру окисления (озонирования) с патрубком подачи исходной воды и трубопроводом для отвода очищенной воды, к которому через насос присоединен напорный фильтр, выполняющий заключительный этап очистки воды. Над камерой окисления установлен эжектор, который связан с генератором озона. Вода из камеры окисления с помощью насоса поступает в эжектор, а из эжектора - в камеру окисления. Эти устройства, соединенные трубопроводом, образуют циркуляционный контур. Исходную воду после предварительной грубой очистки подают в камеру окисления и подвергают ее эжекционной аэрации и кавитации, пропуская по циркуляционному контуру. Очищенную от загрязнителей в процессе циркуляции воду фильтруют через зернистую загрузку.

Такой способ обеспечивает эффективную очистку воды от загрязнителей, преимущественно от железа, за счет насыщения исходной воды воздухом, озоном и кислородом и кавитации, которая способствует интенсификации окисления загрязнителей.

Однако очистка от железа, марганца и других тяжелых металлов воды северных территорий, характеризующихся высоким содержанием органических веществ, маломинерализованных, мягких вод с показателем рН менее 6,5, недостаточно эффективна для получения воды питьевого назначения.

Техническая проблема, решаемая изобретением, заключается в кондиционировании состава маломинерализованной воды из природных (подземных или поверхностных) источников за счет удаления из воды железа, марганца, других тяжелых металлов и обогащения кальцием и магнием.

Техническая проблема решается следующим образом.

Как и в прототипе, исходную природную воду после предварительной грубой очистки подают в камеру окисления и подвергают ее эжекционной аэрации и кавитации. Воду пропускают по циркуляционному контуру, включающему последовательно соединенные трубопроводами камеру окисления с кавитатором внутри, эжектор и насос. Воду после очистки ее от загрязнителей в процессе циркуляции фильтруют через зернистую загрузку.

В отличие от прототипа природную воду дополнительно подвергают минерализации. Для этого воду пропускают через встроенный в циркуляционный контур блок с псевдокипящим слоем мелкодисперсного минерала с размером частиц 3-5 мм, содержащего карбонаты кальция и магния, например доломита с содержанием карбоната кальция СаСО₃ в количестве 54,5% и карбоната магния MgCO₃ в количестве 44,5% или модифицированного доломита с содержанием 55% карбоната кальция и 43,5% карбоната магния и модифицирующих добавок - остальное. Отличием от прототипа является также то, что циркуляцию воды осуществляют до достижения ею рН=6,6-6,8. Помимо этого, обработанную в циркуляционном контуре воду перед фильтрацией коагулируют. Очистку и минерализацию воды производят при температуре не ниже 8°C.

Псевдокипящий («взвешенный») слой загрузки обеспечивает значительное увеличение поверхности контакта при гетерогенном взаимодействии на границе «минерал - вода» и обеспечивает повышение скорости перехода в воду кальция и магния. Непрерывно происходит взрыхление взвешенного слоя доломита, обновление поверхности с отрывом вновь образованных минералов - частиц загрязнителей воды.

Экспериментально установлено, что для более эффективного разрушения устойчивых форм железа и марганца и их перехода в оксидно-гидроксидный осадок необходимо увеличить продолжительность обработки воды в камере окисления, обеспечить рН больше 6,5, обеспечить умеренную жесткость (повысить содержание кальция и магния). Повысить рН и жесткость обрабатываемой воды можно добавлением щелочных реагентов, дозируя их в виде растворов или порошков. Однако это усложняет технологическую схему водоподготовки. Экспериментально установлено, что эффект повышения рН и жесткости достигается при контакте обрабатываемой воды с природными карбонатными породами, например, доломитом. В результате многократного пропускания воды через слой частиц размером 3-5 мм дробленого минерала происходит насыщение воды ионами кальция и магния, тем самым обеспечивается увеличение жесткости до 1-1,5 мг-экв/л и рН=6,6-6,8, что соответствует рекомендациям ВОЗ для физиологически полноценной воды высокого качества. Вода с малым содержанием солей жесткости не является физиологически полноценной, т.к. недостаток кальция м магния приводит к заболеваниям сердечно-сосудистой системы. Именно растворенный в воде кальций лучше усваивается организмом человека [СанПиН 2.1.4.1116-02 Питьевая вода. Гигиенические требования к качеству воды, расфасованной в емкости. Контроль качества Санитарно-эпидемиологические правила и нормативы (с изменениями от 25 февраля 2010 г., 28 июня 2010 г.) Минздрав России Москва 2002]. Достигнутые показатели рН и жесткости одновременно играют положительную роль в очистке воды от тяжелых металлов, способствуя переходу их в осадок.

При проведении экспериментов в качестве твердых минеральных добавок были исследованы материалы: доломит (Советское месторождение, Алтайский край), содержащий 54,5% СаСО₃ и 44,5% MgCO₃; твердая минеральная добавка (ТМД) - модифицированный доломит, содержащий 55,0% СаСО₃, 43,5% MgCO₃ и остальное - модифицирующие добавки (фториды и йодиды кальция и калия); мрамор (Саяногорск), смесь брусита Mg(OH)₂ (Кульдурское месторождение, Дальний Восток) и кальцита СаСО₃ (Красноярский край) в разных соотношениях. Эксперименты показали, что наиболее эффективно использовать доломит или ТМД, содержащие СаСО₃ и MgCO₃ в указанных количествах. Использование мрамора не повышает степень очистки воды от железа и марганца. Использование смеси брусита и кальцита, хотя и дает положительный эффект, но сопряжено с техническими трудностями.

Заявителями экспериментально было установлено, что эффективный размер частиц ТМД составляет 3-5 мм. Более мелкие частицы плохо удерживаются в блоке с ТМД, а более крупные не обеспечивают достаточную площадь поверхности для протекания топохимических процессов. Вода, многократно проходя через блок с ТМД, со скоростью потока жидкости, установленной в зависимости от суточного расхода воды, обогащается кальцием и магнием в минимально необходимом по критерию «физиологическая потребность» количестве.

Заявителями экспериментально было установлено, что эффективный рабочий диапазон температур реализуется выше 8 градусов Цельсия. При более низких температурах степень удаления загрязнителей снижается.

Заявляемый способ показан на конкретном примере.

Испытание способа проведено на экспериментальной установке при очистке воды из скважины глубиной 85 м на Крайнем Севере (п-ов Ямал, Н. Уренгой). По заявляемому способу производилась очистка и минерализация воды на экспериментальной установке производительностью 1,5 куб. м/сут в реальных условиях, с использованием природной воды из подземного источника водоснабжения (скважины), состав и свойства которой приведены в таблице. Вода после фильтра грубой очистки нагревалась до 8°C, поступала в камеру окисления и подвергалась эжекционной аэрации, кавитации и минерализации в циркуляционном контуре в течение 20 мин. Минерализация осуществлялась в блоке с твердой минеральной добавкой, представляющей собой модифицированный доломит, содержащий 55,0% СаСО₃, 43,5% MgCO₃ с размером частиц 4,0±0,5 мм, остальное - модифицирующие микродобавки (KI, CaI₂, KF, CaF₂) Время пребывания воды в циркуляционном контуре устанавливалось такое, чтобы величина рН, измеряемая датчиком, достигла значения не ниже 6,6. После этого вода направлялась в камеру коагуляции для завершения окисления, деструкции растворенных в воде примесей и осаждения оксидов и гидроксидов железа, марганца и других загрязнителей. Затем вода направлялась на фильтр с зернистой загрузкой (альбитофир) для финишной очистки, поступала в резервуар-накопитель чистой воды, где обрабатывалась гипохлоритом натрия в нормативно установленном количестве во избежание бактериального заражения.

Показатели качества воды, обработанной в соответствии с описанным способом, до и после очистки приведены в таблице.

Приведенные в таблице результаты показывают, что достигается высокая степень очистки воды по показателям: железо (снижение концентрации с 5,9 до 0,2 мг/л), марганец (снижение концентрации с 0,5 до 0,1 мг/л), мутность (уменьшение показателя с 2,0 до 0,1 мг/л), цветность (снижение от 26 до 3 градусов), а также обеспечивается суммарное количество ионов кальция и магния (жесткость) 1,5 ммоль-экв/л, удовлетворяющее показателям физиологической полноценности. Таким образом, заявляемое изобретение обеспечивает соответствие очищенной природной воды нормам СанПиН 2.1.4. 1074-01 «Вода питьевая. Гигиенические требования к качеству воды централизованных систем водоснабжения. Контроль качества».

В таблице приведены показатели полученной кондиционированной воды для конкретного примера. Были проведены многочисленные эксперименты в рамках заявляемого способа. В ходе экспериментов было установлено, что заявляемым способом из природной воды с малой минерализацией, высокой окисляемостью, низкой температурой, слабокислой активной реакцией среды (рН в пределах от 5,5 до 6,4) удаляются тяжелые металлы (например, железо и марганец в высоких концентрациях, до 20,0 и 1,0 мг/л соответственно). Одновременно с этим происходит насыщение воды ионами кальция и магния до рекомендуемого санитарно-гигиеническими требованиями уровня содержания.