СПОСОБ ОЧИСТКИ ПРИРОДНЫХ ВОД

Изобретение относится к технологии водоподготовки и может быть использовано для очистки природных вод, в том числе морских вод до питьевых стандартов.

Известный способ опреснения морских вод включает в себя водоподготовку, опреснение с помощью морских мембран, кондиционирование - насыщение воды солями жесткости до требуемых стандартов ("Maltese experience in the application of desalination technology" A. Riolo, Desalination 136 (2001) 115-124).

Недостатком этого способа является неполная очистка воды от соединений бора, что влияет на качество воды. Кроме того такой способ требует высоких удельных энергетических затрат, связанных с повышенным давлением на морских мембранных элементах, а также дополнительных капитальных вложений на специальное оборудование для рекуперации давления концентрата.

Наиболее близким по технической сущности является способ очистки природных вод (патент РФ 2033976, кл. C 02 F 9/00, опубл. 30.04.95 г. Бюл. 12), согласно которому вода из природного источника последовательно очищается в блоках первой и второй механической очистки, затем подвергается бактерицидной обработке с помощью УФ-облучения. После бактерицидной обработки воду опресняют обратным осмосом. Пермеат после обратного осмоса подвергают сорбционной очистке с помощью угольно-волокнистого сорбента.

Этот способ обеспечивает высокую степень очистки от естественных и бактериальных загрязнений, в том числе ядохимикатов и нефтепродуктов, но он не обеспечивает очистку воды от соединений бора до требований предельно допустимых концентраций (ПДК). Использование бактерицидной обработки после механической очистки не защищает от бактериального загрязнения оборудование и загрузки предыдущих стадий очистки. Фотохимический метод требует дополнительных агрегатов и устройств для проведения периодической санации оборудования механической обработки воды. Пермеат после опреснения посредством обратного осмоса обеднен солями жесткости и не соответствует рекомендациям Всемирной организации здравоохранения (ВОЗ) по этому параметру. Сорбционная очистка не способствует обогащению воды солями кальция и магния. Воду после очистки по предлагаемому этим патентом способу необходимо подвергать стадии кондиционирования (обогащения солями кальция и магния).

Целью изобретения является снижение капитальных затрат и затрат на обслуживание опреснительных станций, повышение качества очищенной воды - пермеата до уровня соответствующего рекомендациям ВОЗ, в том числе по бору и солям жесткости.

Поставленная цель достигается тем, что в способе очистки природных вод, включающем две стадии механической обработки, опреснение обратным осмосом и бактерицидную обработку, бактерицидную обработку проводят хлорированием перед механической обработкой воды, затем после двух стадий механической обработки проводят дехлорирование сульфитом натрия, далее воду очищают микрофильтрацией и добавляют ингибитор, а опреснение обратным осмосом проводят в две стадии, после первой стадии концентрат сбрасывают, а в пермеат добавляют ингибитор и едкий натр, повышая рН до 10,4, затем проводят вторую стадию опреснения обратным осмосом, причем концентрат после второй стадии обратного осмоса подмешивают в поток на вход первой стадии опреснения, а в пермеат добавляют кислоту и пропускают его через фильтры-кондиционеры с кальциево-магниевой загрузкой.

Кроме этого часть пермеата после первой стадии опреснения обратным осмосом может быть направлена на вход фильтров-кондиционеров, а часть пермеата после второй стадии опреснения обратным осмосом может быть подмешана к выходному потоку из фильтров-кондиционеров.

Применение опреснения обратным осмосом в две стадии позволяет использовать низконапорные мембранные элементы вместо морских мембранных элементов. При этом достигается высокая селективность по бору с помощью промежуточного подщелачивания, сокращаются капитальные затраты из-за понижения давления при опреснении и повышения степени концентрирования.

В предлагаемом способе очистки природных вод использовано свойство бора - с изменением водородного показателя входить в состав больших по размеру соединений, поэтому с увеличением рН воды селективность обратноосмотических мембран по бору растет. Эта зависимость имеет нелинейный характер. Наблюдаются три ярко выраженных участка, соответствующих определенным диапазонам значений рН - до 8,8; 8,8-10,4; более 10,4. Для этих интервалов характерно равновесие соответствующих соединений бора: на первом участке - неполная диссоциация борной кислоты Н₃ВО₃; на втором - равновесие образовавшегося тетрабората натрия и борной кислоты, на третьем - равновесие полностью образовавшегося тетрабората натрия и гидрооксида натрия.

Это соответствует прохождению следующей химической реакции:
4Н₃ВО₃+2NaOH=Na₂B₄O₇+7Н₂O,
где Н₃ВО₃ - борная кислота; NaOH - гидрооксид натрия; Na₂B₄O₇ - тетраборат; H₂О - вода.

Борная кислота имеет ионную структуру, очень близкую к структуре молекул воды, и поэтому хорошо проходит через мембрану. Диссоциированный тетраборат-ион существенно отличается от воды по размеру и поэтому лучше задерживается мембраной. Таким образом, селективность выделения бора на обратноосмотической мембране зависит в основном от соотношения форм нахождения бора в растворе. Производная селективности по рН на первом и втором участках совпадают и составляют 2% роста селективности на единицу увеличения рН. На втором участке производная селективности по рН примерно на порядок больше и составляет 22% роста селективности на единицу роста рН. Применение низконапорных мембранных элементов позволяет вести процесс опреснения при низких давлениях. Повышение рН до 10,4 позволяет повысить селективность по соединениям бора до 95% и более, что позволяет достигать высокой степени концентрирования воды и, следовательно, понижает удельные затраты энергии на единицу очищенной воды. Эффект от повышения рН настолько весом, что для оптимизации процессов можно обрабатывать на второй стадии обратного осмоса не весть поток, а только его часть (80-85%). Другая часть (20-15%) потока, минуя вторую ступень обратного осмоса, поступает непосредственно на кондиционирование. Таким образом можно значительно экономить реагенты (щелочь, кислота и ингибитор).

На процесс растворения солей жесткости в воде влияет величина водородного показателя воды и продолжительность контакта воды с загрузкой. Пропускание всего потока через блок кондиционирования требует максимальной дозы кислоты и максимального количества фильтров - кондиционеров. Количество растворенных солей жесткости растет по экспоненте при понижении водородного показателя. Если обрабатывать часть потока при высоких дозах кислоты, можно добиться в воде заданного значения количества растворенных солей жесткости. При этом экономится кислота и уменьшается количество фильтров-кондиционеров, необходимых для обработки потока.

Использование двух стадий механической очистки позволяет увеличить продолжительность работы фильтров до регенерации и снизать количество фильтровального оборудования. На первой стадии механической очистки воды используют плавающую загрузку.

Плавающая загрузка обладает повышенной грязеемкостью, но ограниченной селективностью. Кварцевый песок, напротив, обладает очень высокой селективностью, но невысокой грязеемкостью. Использование только плавающей загрузки требует невысоких скоростей фильтрования (3-5 м/ч), при этом продолжительность до регенерации весьма высока (до недели). Поэтому плавающую загрузку используют на высокомутных водах. Кварцевый песок обладает повышенной селективностью и может эффективно очищать воду при скоростях до 20-25 м/ч, но продолжительность работы фильтра до регенерации ограничивается несколькими часами работы. Обычно песок используют для очистки маломутных вод. Использование плавающей загрузки и кварцевого песка позволяет оптимизировать регламент обслуживания и количество фильтровального оборудования.

Использования хлора для бактерицидной обработки воды давно известно. Хлорирование самый надежный и поэтому наиболее часто используемый метод обеззараживания. Применение хлорирования перед механической очисткой воды позволяет предотвратить бактериальное заражение загрузок. Повышая дозу хлора, можно производить санацию оборудования, например, после длительного простоя системы очистки. Дехлорирование сульфитом натрия позволяет избежать появления в воде вредных для организма человека радикалов.

На фиг.1 представлена функциональная схема предложенного способа очистки природных вод, где 1 и 2 - узлы первой и второй стадий механической обработки природных вод, 3 - узел микрофильтрации, 4 и 5 - узлы двух стадий опреснения воды обратным осмосом, 6 - фильтры-кондиционеры, Вх.1 - Вх.5 - входы необходимых химических реагентов.

На фиг. 2 представлена схема способа очистки природных вод с дополнительными каналами 7 и 8 отвода пермеата после первой и второй стадий опреснения обратным осмосом соответственно.

Исходную морскую воду (фиг.1), предварительно обработанную хлором (Вх. 1), подают на первую стадию механической обработки 1, где очищают ее от крупных частиц и взвеси на плавающей загрузке. На второй стадии механической обработки 2 из воды удаляется мелкая взвесь на слое кварцевого песка. После второй стадии механической обработки 2 в воду добавляют сульфит натрия (Вх. 2) для нейтрализации остаточного хлора. Затем воду подвергают микрофильтрации 3. На стадии микрофильтрации из воды удаляют коллоидные частицы. После микрофильтрации качество воды отвечает требованиям предприятий-изготовителей обратноосмотических мембранных элементов. Для предотвращения выпадения солей жесткости в воду добавляют ингибитор (Вх.3). Воду подвергают первой стадии опреснения обратным осмосом 4. Концентрат после первой стадии опреснения сбрасывают. В пермеат добавляют щелочь и ингибитор (Вх.4) и подвергают второй стадии опреснения обратным осмосом 5. Концентрат после второй стадии опреснения возвращают на повторную очистку. Пермеат после второй стадии опреснения по концентрации соединений бора соответствует требованиям ВОЗ. Пермеат насыщают солями жесткости до требований ВОЗ, пропуская его через фильтры-кондиционеры 5. Для достижения заданных значений концентрации солей жесткости в пермеат перед фильтрами-кондиционерами добавляют кислоту (Вх.5).

В зависимости от качества воды природного источника некоторые стадии очистки могут быть опущены.

В случае невысоких концентраций бора (2-4 мг/л) (см. фиг.2) возможна опреснение не всего потока после первой стадии опреснения обратным осмосом, а только его части (80-85%), для этого используют канал 7 отвода пермеата. После второй стадии опреснения обратным осмосом возможно кондиционирование только части потока пермеата (15-30%), и насыщение солями жесткости воды происходит после смешения потоков, при этом используют канал 8 отвода пермеата.