Результат интеллектуальной деятельности: СПОСОБ ОЧИСТКИ ПОДЗЕМНЫХ ВОД ДЛЯ СЕЛЬСКОХОЗЯЙСТВЕННОГО ИСПОЛЬЗОВАНИЯ

Изобретение относится к способам подготовки подземных вод, в частности к способам очистки природных вод, используемых для орошения, особенно с повышенным содержанием железа, марганца и солей жесткости.

Известен способ очистки подземных вод от железа и марганца (RU 2310613, 20.11.2007), включающий озонирование и последовательное двухступенчатое фильтрование через зернистую загрузку, при этом подача воды на фильтры обеих ступеней осуществляется сверху вниз. Отмечено, что перед фильтрами первой ступени в воду вводят атмосферный воздух в количестве, пропорциональном концентрации в ней ионов железа, а после - и проводят обработку озоном в количестве, пропорциональном концентрации ионов марганца.

К недостатком этого способа является небольшая скорость фильтрации (на первой ступени до 9 м/ч, а по второй - до 11-12 м/ч) и большой расход озона (1-2 г/м³), что экономически неэффективно.

Известен способ очистки подземных вод от железа и марганца (RU 2105729, 27.02.1998), включающий озонирование и последовательное двухступенчатое фильтрование через зернистую загрузку с подачей воды снизу-вверх на первой ступени и сверху-вниз на второй ступени. При этом перед подачей воды на первую ступень она подвергается упрощенной аэрации, а перед подачей воды на вторую ступень обрабатывается озоном.

Недостатком указанного способа является высокий расход озона (3,5-5,5 мг/дм³) ввиду того, что озон используется как для окисления марганца, так и наиболее легко вступающего в реакцию окисления двухвалентного железа. Кроме того, при одновременном присутствии в воде в достаточно больших количествах соединений железа и марганца, двухвалентное железо,окисляясь в первую очередь с образованием мелкодисперсной агрегативно-устойчивой взвеси, так же, как и окисление формы марганца, катализуется распад озона, увеличивая тем самым его дозу. Основным недостатком является то, что не указан объем заполнения и состав зернистой загрузки в фильтр.

Известен способ очистки природной воды (RU 2514963, 10.05.2014), включающий обработку воды окислителем, причем в качестве окислителя используют водный раствор оксидантов со значением рН от 5 до 6, фильтрацию обработанной воды через слой загрузки кварцевых частиц (с размером частиц 2,0-5,0 мм при направлении движения очищаемой воды через загрузку сверху вниз) с последующей подачей потребителю.

Недостатком способа является использование только кварцевой загрузки, с размером частиц 2,0-5,0 мм, при направлении движения очищаемой воды через загрузку сверху вниз, что неэффективно в процессах снижения солей жесткости в исходной воде.

Известен способ очистки воды (RU 2238912, 27.10.2004), включающий последовательную обработку перманганатом калия и пероксидом водорода при соотношении от 15:1 до 6:1 с последующим фильтрованием на песчаных фильтрах. Обработку воды проводят последовательно, сначала перманганатом калия, дозируемым в избытке по отношению к его стехиометрическому количеству, необходимому для окисления двухвалентного железа и марганца, а затем пероксидом водорода в соотношении 1:3 к избытку перманганата калия.

Недостатком известного решения является применение сравнительно дорогостоящих реагентов, что увеличивает затраты, связанные с закупкой, доставкой и хранением реактивов, приготовлением и дозированием растворов, осуществлением постоянного химико-аналитического контроля и т.д.

Известен способ очистки подземных вод от железа и марганца (RU 2182890, 27.05.2002), заключающийся в аэрации исходной воды, впроцессе которой происходит окисление соединений железа и марганца кислородом воздуха, доокислении соединений железа до форм гидроксида, обезжелезивании и деманганации, осуществляемых в напорном фильтре, заполненном инертной загрузкой. В качестве инертной загрузки, на стадиях доокисления и фильтрации используют кварцевый песок, кварцит, альбитофир, гранодиорит, горелые породы и др. Предусматривается промывка фильтра обратным током воды.

Недостатком является использование нескольких насосных систем и двух резервуаров, а также периодичность процесса: фильтрация-промывка загрузки.

Известен способ обезжелезивания подземной воды методом упрощенной аэрации и фильтрования (Д.М. Пичугин «Обезжелезивание подземной воды методом упрощенной аэрации и фильтрования» // Новый венгерский экспортер» (орган Венгерской Торговой палаты), 1977, спец. выпуск), включающий контактные фильтры (I ступень), которые загружены песчано-гравийной смесью высотой слоя 1,5 ми осветлительные фильтры (II ступень), загруженные сульфоуглем марки СК-1 с размером зерен 0,5-1,2 мм и высотой слоя 1,8 м.

Недостатком способа является раздельная однокомпонентная загрузка фильтров, что недостаточно эффективно в процессах подготовки природной воды от нескольких загрязнителей, а также интенсивный прирост потерь напора в загрузке при содержании железа более 5 мг/л и увеличение числа требуемых промывок.

Наиболее близким является способ очистки природной воды (RU 2238916, 27.10.2004), включающий обработку окислителем с последующей фильтрацией через кварцевую загрузку с размером частиц 0,3-2,0 мм. Обработку окислителем ведут в аэраторе, и в качестве окислителя используют кислород воздуха, а после фильтрации очищаемую воду подвергают дезинфекции ультрафиолетовым излучением и подают потребителю. Известный способ позволяет при использовании доступногоокислителя организовать непрерывный процесс при сравнительно высокой степени очистки.

Недостатком способа является продолжительность процесса, необходимость введения дополнительных порций окислителя (таких как перманганат калия, озон и т.п.) в зависимости от состава воды, необходимость проведения дополнительной дезинфекции, громоздкость аппаратурного оформления. Также, однородность инертной загрузки (использование только кварцевого песка) и крупный размер фракций, является неэффективным в процессе очистки от нескольких загрязнителей.

Сущностью заявленного изобретения является способ очистки подземных вод для сельскохозяйственного использования с использованием предварительной упрощенной аэрации (стадия окисления кислородом), процесса фильтрации со скоростью до 5 м/ч через фильтрационно-сорбционную загрузку с высотой 0,5-0,7 м, представляющую собой смесь кварцевого песка фракции 0,8-2 мм и активированного угля на каменноугольной основе фракции 1,5-2,8 мм в соотношении компонентов 3:1, дезинфекцию воды ультрафиолетовым излучением и подачу потребителю.

Техническим результатом предлагаемого изобретения является создания условий для снижения показателей воды: железа общего до 99%, марганца до 96%, солей жесткости до 95% с использованием напорного фильтра с фильтрационно-сорбционной загрузкой, представляющую собой смесь кварцевого песка фракции 0,8-2 мм и активированного угля на каменно-угольной основе фракции 1,5-2,8 мм в соотношении компонентов 3:1. Использование способа способствует сокращению технологических операций, а также повышает экологичность предлагаемого способа.

Очистке подвергалась природная вода из артезианской скважины с глубины 15-20 м, имеющая следующий состав: железо общее - 0,64 мг/дм³, марганец - 2,25 мг/дм³, хлориды - 836,62 мг/дм³, жесткость - 22,6°Ж, гидрокарбонаты - 366,12 мг/дм³, взвешенные вещества - 1,2 мг/дм³.

Суть предлагаемого изобретения поясняется примерами конкретного исполнения способа.Пример 1. Экспериментальные исследования проводились на установке, состоящей из трех фильтровальных колонок с внутренним диаметром 100 мм и высотой 1200 мм каждая. Фильтр загружали фильтровально-сорбционной загрузкой с высотой 800 мм.

Перед подачей на фильтрационно-сорбционный фильтр, исходная вода подвергалась упрощенной аэрации, где насыщалась кислородом воздуха.

Исходная вода, подвергаясь предварительной упрощенной аэрации, поступает на фильтр и фильтруется в направлении сверху вниз. Так как количество растворенного в воде кислорода, при упрощенной аэрации составило 8,22 мг/дм³ (в исходной воде - 4,82 мг/дм³), что достаточно для полного окисления и гидролиза ионов железа. При этом основная часть растворенного кислорода вступает во взаимодействие с загрязняющими веществами.

Затем насосом (0,3 МПа) вода подавалась в верхнюю часть фильтра, где освобождалась от осадка гидроокиси железа. Периодичность регенерации фильтра обратным током воды зависит от содержания железа в исходной воде и составляет примерно один раз в 15-30 дней. Обезжелезенная вода, после аэрации, подавалась в верхнюю часть фильтра с фильтрационно-сорбционной загрузкой. При прохождении воды через загрузку происходит доокисление, обезжелезивание, деманганация, умягчение воды.

В качестве компонентов для загрузки использовался окатанный (природный) кварцевый песок и активированный уголь на каменноугольной основе. Кварцевый песок характеризуется высоким содержанием кварца, диоксида кремния SiO₂ (до 99%), крупностью зерен до 5 мм. Основные характеристики песка соответствуют ГОСТ Р 51641-2000 Материалы фильтрующие зернистые. Общие технические условия.

Активированный уголь использовался марки АГ-2, представляющий собой гранулы от темно-серого до черного цвета. Марка АГ-2 соответствует ГОСТ Р 56358-2015 Уголь активированный АГ-2. Технические условия.В качестве фильтрационно-сорбционной загрузки использовалась различные соотношения смеси кварцевого песка и активированного угля различных фракций. Благодаря развитой структуре как микро-, так и макропор загрузка является универсальным фильтрационно-сорбционным материалом для различных загрязнений из природной воды.

В качестве фильтрационно-сорбционной загрузки использовалась смесь кварцевого песка фракции 0,4-0,8 мм и активированного угля фракции 0,5-1,5 мм в соотношении компонентов 1:3.

Вода со скоростью фильтрования 3,5 м/ч фильтруется сверху вниз через фильтрационно-сорбционную загрузку.

Данные, свидетельствующие о целесообразности заявляемых параметров процесса очистки подземных вод для сельскохозяйственных целей, представлены в таблице 1.

Наименьшая скорость фильтрации и минимальный размер фракций загрузки приводит к увеличению скорости фильтрования и неоправданному удорожанию процесса.

Пример 2. Способ осуществляется аналогично примеру №1 при следующих средних значениях всех параметров. В качестве фильтрационно-сорбционной загрузки использовалась смесь кварцевого песка фракции 0,8-2 мм и активированного угля фракции 1,5-2,8 мм в соотношении компонентов 3:1.

Вода со скоростью фильтрования 3,7 м/ч фильтруется сверху вниз через фильтрационно-сорбционную загрузку.

Данные, свидетельствующие о целесообразности заявляемых параметров процесса очистки подземных вод для сельскохозяйственных целей, представлены в таблице 2.

Незначительное увеличение скорости, размера фракций и преобладание в соотношении загрузки кварцевого песка способствуют предотвращению проскока соединений железа, марганца, взвешенных частиц и снижение определяемых показателей исследуемой воды.Пример 3. Способ осуществляется аналогично примеру №1 и при максимальных значениях всех параметров. В качестве фильтрационно-сорбционной загрузки использовалась смесь кварцевого песка 2-5 мм фракции и активированного угля фракции 2,8-5,0 мм в соотношении компонентов 2:1.

Вода со скоростью фильтрования 4,3 м/ч фильтруется сверху вниз через фильтрационно-сорбционную загрузку.

Данные, свидетельствующие о целесообразности заявляемых параметров процесса очистки подземных вод для сельскохозяйственных целей, представлены в таблице 3.

Увеличение скорости фильтрования и увеличение размера фракций приводит к проскоку соединений марганца и взвешенных частиц, что отрицательно сказывается на процессе очистки воды от определяемых показателей.

Во всех представленных примерах можно отметить, что произошло снижение определяемых показателей качества подземной воды: железа общего до 99%, марганца до 96%, солей жесткости до 95%, что доказывает эффективность разработанного способа и подтверждает заявленный технический результат.