способ получения питьевой воды

Формула изобретения

1. Способ получения питьевой воды, включающий обработку исходной воды окислителем - озоном с последующей реагентной обработкой, повторной обработкой окислителем - озоном, фильтрованием через активный уголь и обеззараживанием очищенной воды окислителем - хлором, отличающийся тем, что реагентную обработку осуществляют в режиме напорной флотации, и в качестве флотореагента используют коагулянт, а дозу окислителя на каждой из стадий выбирают из соотношения озон : озон : хлор, равном 1 : (1 - 4) : (0,3 - 1,0).

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что доза флотореагента составляет 40 - 60 мг/дм³.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к области обработки воды, промышленных и бытовых сточных вод, в частности к многостадийной обработке воды, и может быть использовано для подготовки питьевой воды путем очистки природных, поверхностных и подземных вод.

Известны многочисленные технологические схемы подготовки питьевой воды, основанные на процессах окисления, коагуляции и фильтрования при их различном сочетании в зависимости от состава исходной природной воды.

Так, известен способ получения питьевой воды с использованием процессов коагулирования, отстаивания, хлорирования, фильтрования и озонирования [Ф.А. Шевлев, Г. А. Орлов. Водоснабжение больших городов зарубежных стран. - М.: Стройиздат, 1987. - 351 с., с. 24 - 28]. Исходная вода поступает в смесительную камеру, где обрабатывается коагулянтном-раствором сернокислого алюминия из расчета 10 - 20 мг/дм³, и направляется на отстойники, среднее время пребывания воды в которых равняется около 7 суток. Перед последним отстойником в воду повторно вводится раствор сернокислого алюминия в дозе 10 - 20 мг/дм³, затем вода поступает на сетчатые барабанные фильтры и хлорируется дозами 5 - 10 мг/дм³ с последующей обработкой сернокислым алюминием (третий раз) и активированной кремнекислотой. Дозы реагентов составляют соответственно 10 - 20 и 0,5 - 3,0 мг/дм³. После прохождения скорых фильтров, состоящих из кварцевого песка крупностью зерен 0,4 - 0,8 мм, толщиной слоя 300 мм и антрацита крупностью зерен 0,8 - 1,4 мм, толщиной слоя 600 мм при достижении скорости фильтрования до 10 м/ч, фильтрат обрабатывают озоном и направляют в резервуар чистой воды. Перед подачей в сеть фильтрат дезинфицируют хлором (около 0,5 мг/дм³).

Изложенный выше способ (технологическая схема, приемы, операции) был использован для подготовки питьевой воды из природной - воды реки Днепр. Днепровская вода характеризуется высоким содержанием органических веществ, в основном гуминовых соединений. Нашими исследованиями показано, что хлорирование воды (7 мг/дм³) перед третьей обработкой коагулянтом при исходной цветности 53^o, мутности 4,4 мг/дм³ и содержании 106,3 мг/дм³ суммы гуминовых соединений и фульвокислот (Г+Ф) 15 мг/дм³ суммы альдегидов и кетонов (А+К), ХПК = 36 мгО₂/дм³ и < 2 мг/дм³ хлороформа (далее состав 1) приводит к образованию токсичных хлорорганических соединений (ХОС) - хлороформа, которые практически на поддаются удалению на последующих этапах обработки воды и поступают в очищенную воду. Концентрация хлороформа в полученной питьевой воде составляет 197 мг/дм³, что в 3,3 раза превышает предельно допустимую концентрацию - 60 мкг/дм³ [Н.Г. Рыбальский, О.Л. Жакетов и др. Экологические аспекты экспертизы изобретений. Справочник эксперта и изобретателя. Часть 1. - М.: ВНИИПИ, 1989. - 448 с., с. 121].

Следует отметить, что вода р. Днепр содержит также достаточно большое количество фито- и зоопланктона и микроорганизмов, для удаления которых в традиционных процессах коагулирования, отстаивания требуется длительное время, большие объемы сооружений, что в свою очередь требует наличия больших площадей.

Недостатками известного способа являются вторичное загрязнение полученной питьевой воды хлорорганическими соединениями, снижение эффективности очистки от исходных органических соединений, длительность процесса очистки воды.

Известен способ подготовки питьевой воды, состоящий в прехлорировании речной воды, реагентной обработке, фильтрации осветленной воды, обработке фильтрата озоном с последующей сорбцией на фильтрах с гранулированным углем [Уровень и показатели развития жилищно-коммунального хозяйства зарубежных стран: Научные труды Академии Коммунального хозяйства им. К.Д. Панфилова /ОНТИ А. К.Х. - М., 1975, вып. 114, с. 35 - 38]. Прехлорирование воды осуществляют дозой, соответствующей точке перелома. Затем вода подается на смесители с механическими мешалками, куда дозаторы вводят растворы сернокислого алюминия и активированной кремнекислоты. После реагентной обработки вода поступает на осветлители со взвешенным осадком типа "Пульсатор". Осветленная вода направляется на скорые фильтры, загруженные кварцевым песком слоем 800 мм и крупностью зерен 0,95 мм. Скорость фильтрования на песчаных фильтрах достигает 9 м/ч. После обработки фильтрата озоном вода направляется на скорые фильтры, загруженные гранулированным активированным углем слоем 1300 мм и крупностью зерен 0,63 мм, а затем поступает в резервуар чистой воды.

Применение данной технологической схемы для получения питьевой воды из днепровской показало следующее. В процессе прехлорирования речной воды образуются хлорорганические продукты, неэффективно удаляемые в процессе последующей коагуляции, а озонирование хлорированной воды усугубляет повторное загрязнение воды за свет образования токсичных органических веществ, более опасных для здоровья человека, чем исходные вещества. Так, питьевая вода, полученная из р. Днепр (состав 1), содержит ХОС-хлороформ в количестве 235 мкг/дм³, что в 4 раза превышает ПДК, что является основным недостатком способа, препятствующим использованию для получения питьевой воды из природной воды с большим содержанием органических загрязнений.

Наиболее близким к изобретению по технической сущности и достигаемому эффекту является известный способ получения питьевой воды, в котором речная вода обрабатывается озоном и подается в наливное водохранилище. Продолжительность пребывания воды в нем составляет 3 - 4 суток. Из водохранилища вода подается на смесители с механическими мешалками, куда вводят коагулянт-оксихлорид алюминия и двуокись хлора для предварительного хлорирования. Доза двуокиси хлора не превышает 4,7 мг/дм³. Далее вода проходит через камеры хлопьеобразования, оборудованные механическими мешалками, многоярусные отстойники и скорые песчаные фильтры. Скорость фильтрования - 9 м/ч, толщина слоя загрузки 1,4 м при средней крупности зерен песка 1 мм. Фильтрат повторно обрабатывается озоном и подается на сорбционные фильтры, загружаемые активированным углем. Скорость фильтрования - 9 м/ч, толщина слоя загрузки 1 м при средней крупности частиц угля 1 мм. После угольных фильтров в воду в третий раз вводят озон. Средняя доза озона равняется 3,8 мг/дм³, в том числе для предварительного озонирования - 0,8 мг/дм³. Для окончательного (третьего) озонирования дозу озона определяют исходя из обеспечения остаточного озона на уровне 0,4 мг/дм³ в течение 4 мин. Завершающим процессом обработки воды является ее хлорирование небольшими дозами гипохлорита натрия перед подачей в резервуары чистой воды.

Как следует из технической сущности, известный способ предусматривает тройное озонирование, прехлорирование и обеззараживание хлором в процессе подготовки питьевой воды. Однако известно, что сочетание озонирования и хлорирования речной воды является противопоказанным вследствии существенного увеличения содержания хлорорганических соединений в питьевой воде [Алексеева Л.П. Влияние сочетания озонирования и хлорирования воды на образование хлороформа// Химия и технология воды. - 1986. - 8, N 5, с. 62 - 64], что подтверждается и нашими данными.

Так, при подготовке питьевой воды из воды р. Днепр, которая содержит природные органические соединения (гуминовые и фульвиновые кислоты), с использованием известного способа, хлорирование обработанной озоном воды и выдержанной в течение длительного времени приводит к образованию большого количества токсичных хлорорганических соединений, которые практически не удаляются на последующих этапах обработки (коагулировании, отстаивании, фильтровании через песчаные фильтры). Повторное озонирование фильтрата приводит к дальнейшему существенному росту концентрации токсичных продуктов, т.е. сочетание процессов озонирования - хлорирования-озонирования при обработке днепровской воды (состав 1) приводит ко вторичному загрязнению очищенной воды токсичными веществами, причем в количествах, значительно превышающих ПДК: содержание хлороформа в очищенной воде составляет 163 мкг/дм³.

Кроме того, процесс получения питьевой воды из р. Днепр по известному способу характеризуется достаточно большой продолжительностью, в основном за счет процессов, коагуляции, отстаивания (3,5 ч), и при большой производительности станции (> 120000 м³/сутки) потребуются объемные сооружения, занимающие большие площади.

Таким образом, из уровня техники следует, что известные способы подготовки питьевой воды не решают проблему повышения качества воды путем исключения вторичного загрязнения воды образующимися при обработке окислителями токсичными продуктами.

Задачей изобретения является разработка такого способа получения питьевой воды путем обработки природной воды озоном в несколько этапов в сочетании с физико-химическими процессами, в котором изменение условий реагентной обработки и обработки окислителем обеспечило бы повышение качества питьевой воды за счет уменьшения вторичного загрязнения воды токсичными продуктами, образующимися в процессе очистки природной воды, содержащей органические соединения, а также существенное уменьшение длительности процесса получения питьевой воды за счет ускорения процессов коагулирования и отстаивания.

Для решения поставленной задачи предложен способ получения питьевой воды, включающий обработку исходной воды окислителем - озоном с последующей реагентной обработкой, повторной обработкой окислителем - озоном, фильтрованием через активный уголь и обеззараживанием очищенной воды окислителем - хлором, в котором согласно изобретению реагентную обработку осуществляют в режиме напорной флотации, и в качестве флотореагента используют коагулянт, а дозу окислителя на каждой из стадий выбирают из соотношения озон:озон:хлор, равной 1:(1-4):(0,3-1,0), при этом используют флотореагент концентрации 40 - 60 мг/дм³.

Нами установлено, что заявляемые соотношения доз озон:озон:хлор выбраны из условий, обеспечивающих глубокую очистку воды от органических веществ и обеззараживание, предотвращение повторного загрязнения очищенной воды хлорорганическими соединениями.

Заявляемое соотношение доз озона является оптимальным:

- для обеспечения необходимой глубины окисления природных органических соединений (гуминовых кислот) до карбоксильных соединений, которые эффективно удаляются при последующей коагуляции. Так, например, образующиеся в качестве продукта окисления карбоновые кислоты вступают в комплексообразование с ионами алюминия (коагулянта) и образуют нерастворимые соединения, являющиеся центрами дальнейшей кристаллизации, что способствует более глубокому протеканию процесса коагуляции;

- для подготовки содержащегося в воде оставшегося количества органических соединений к эффективному биоразложению в загрузке активного угля.

Заключительное хлорирование очищенной воды при заявляемом соотношении с дозами озона позволяет избежать образования хлорорганических соединений и обеспечить необходимую степень обеззараживания воды.

Следует подчеркнуть, что глубокая очистка воды от органических и взвешенных веществ, гидробионтов и водорослей достигается сочетанием заявляемых режимов обработки озоном с проведением реагентной обработки в условиях напорной флотации с использованием в качестве флотореагента коагулянта. Такой характер реагентной обработки позволяет отказаться от прехлорирования сырой речной воды и использовать только озонирование. За счет интенсификации процессов коагуляции, приводимых в режиме флотационной обработки время обработки сокращается с 3 - 4 ч при использовании традиционной технологии коагуляционной обработки воды до 20 - 30 мин.

Очень важно, что в процессе флотационной коагуляции происходит эффективное удаление сине-зеленых водорослей, которые легко всплывают и удаляются. Это предотвращает процессы гниения в застойных зонах и биологическое обрастание очистных сооружений.

Результатом предложенной комплексной технологической схемы подготовки питьевой воды является также сокращение объема сооружений, занимаемых площадей земли, уменьшение капиталовложений.

Таким образом, заявляемая совокупность существенных признаков способа получения питьевой воды является новой, и необходимой для достижения обеспечиваемого изобретением технического результата - предотвращение повторного загрязнения воды токсичными соединениями, образующимися в процессе обработки исходной воды, что обеспечивает значительное повышение качества питьевой воды, а также сокращение длительности процесса получения качественной питьевой воды при одновременном уменьшении объемов сооружений и занимаемых площадей.

Способ реализуется следующим образом.

Для получения питьевой воды обработке подвергают природную воду р. Днепр, содержащую 106,3 мг/дм³ суммы гуминовых соединений и фульвокислот (Г+Ф), 15,0 мг/дм³ суммы альдегидов и кетонов (А+К), < 2 мг/дм³ хлороформа, ХПК = 36 мгО₂/дм³.

Воду обрабатывают в следующей последовательности технологических операций. Воду в количестве 15 дм³ помещают в контактный резервуар, представляющий собой пустотелую колонну с барботером в нижней части, и подвергают озонированию с дозой озона 3,3 мг/дм³ в течение 7 мин. Озон получают на лабораторном озонаторе производительностью 10 г/ч производства ОП СКТБ Института.

Затем озонированную воду подвергают реагентной обработке в режиме напорной флотации путем направления воды последовательно в смеситель с механическими мешалками, камеру хлопьеобразования и флотационную колонну. В смеситель вводят 0,75 дм³ раствора коагулянта - сульфата алюминия с исходной массовой концентрацией 10 мг/дм³. Перемешивание воды с коагулянтом осуществляют со скоростью 60 об/мин в течение 5 мин. Обработанная коагулянтом вода поступает в камеру хлопьеобразования, где пребывает 10 мин. Из камеры воду направляют во флотационную колонну, куда через дросселирующее устройство вводится предварительно насыщенная воздухом в сатураторе (напорная емкость) рециркуляционная (водопроводная) вода в пропорции 1:4 к объему очищаемой воды, т.е. 3,8 дм³. Время флотации, равное времени осветления жидкости за счет выноса в пенный слой скоагулировавшей взвеси, составляет 10 мин.

Осветленная вода поступает на песчаный фильтр, загруженный кварцевым песком слоем 800 мм и крупностью зерен 0,95 мм, скорость фильтрования - 7 м/ч, фильтрат направляют в контактный резервуар озонирования воды при дозе озона 3,30 мг/дм³ в течение 10 мин. Обработанная озоном вода поступает на сорбционные фильтры, загруженные гранулированным активированным углем. Скорость фильтрования 6 м/ч при высоте загрузки 2 м и средней крупности частиц угля 1,5 - 2,0 мм.

Очищенную на угольных фильтрах воду подвергают обеззараживанию хлором дозой 1,0 мг/дм³ в течение 40 мин. Соотношение окислителей O₃:O₃:Cl₂ составляет 1:1:0,3. Полученная питьевая вода характеризуется следующими показателями (табл. 1, пример 4): ХПК = 17,0 мгО₂/дм³, (Г+Ф) = 31,3 мг/дм³, цветность 6^o, мутность 0,14 мг/дм³, (А+К) = 13 мг/дм³, хлороформ 26,5 мкг/дм³, алюминий 0,08 мг/дм³. Такие показатели свидетельствуют о высоком качестве питьевой воды, при этом некоторые из них превышают требования ГОСТ и ПДК.

Так, согласно ГОСТу "Вода питьевая" 3351-74 цветность составляет 20^o, а мутность 1,5 мг/дм³ (в примере 6^o и 0,14 мг/дм³ соответственно).

Согласно требованию "Руководства ВОЗ по контролю качества питьевой воды 1977 - 1978 гг. остаточная концентрация алюминия не должна превышать 0,2 мг/дм³ (в примере 0,08 мг/дм³); и, как указывалось ранее, согласно требованию, приведенному выше. ПДК для хлороформа составляет 60 мкг/дм³ (в примере 26,5 мкг/дм³), следует подчеркнуть, что качество питьевой воды, полученной по описанному примеру, значительно превышает качество питьевой воды, полученной по известному способу, в первую очередь по показателям вторичного загрязнения: содержание хлороформа достигает 163 мкг/дм³, что в 6 раз превышает по примеру.

При реализации заявляемого режима реагентной обработки время коагулирования и удаления скоагулированных и сфлотированных загрязнений, в т.ч. зоо- и фитопланктона, составляет 30 мин, что в 7 раз меньше, чем по известному способу.

Аналогично примеру реализации способа были осуществлены опыты по получению питьевой воды из воды р. Днепр состава 1 при обработке окислителями как в заявляемом интервале соотношений, так и за его пределами, с использованием в качестве флотореагента коагулянтов различной природы в количествах, находящихся в заявляемом диапазоне доз и за его пределами. Данные представлены в таблице 1.

В качестве коагулянта используют сульфат алюминия - Al₂(SO₄)₃ (ГОСТ 3758-75), технический глинозем - ТГ, содержащий 51,3 - 58,12% Al₂(SO₄)₃ (ГОСТ 12966-85), гидроксохлорид алюминия - (паспорт N 31), содержащий Al₂(OH)₅Cl 9,1%.

Установлено, что заявляемое соотношение окислителей озон:озон:хлор, проведение реагентной обработки воды в режиме напорной флотации с использованием коагулянта как флотореагента, и заявляемые дозы флотореагента выбраны из условий, которые обеспечивают необходимую глубину окисления органических загрязнений до соединений, эффективно удаляемых в процессах коагуляции, флотации и фильтрования, а также практически полное предотвращение образования ХОС в очищаемой воде при минимальном содержании остаточного алюминия (таблица 1, примеры 1 - 14).

Проведение процесса окисления при запредельном соотношении O₃:O₃=1:4,5, т.е. при повышенной дозе озона на второй стадии, приводит к снижению степени очистки от исходных органических соединений (концентрация (Г+Ф) достигает 41,2 мг/дм³), а также ко вторичному загрязнению питьевой воды - концентрация (А+К) достигает 34,5 мг/дм³, а хлороформа 42,3 мкг/дм³, что превышает их содержание в исходной воде в 3 и 21 раз, соответственно (таблица 1, пример 15).

Запредельное соотношение O₃: O₃ = 1:0,50, что соответствует условиям проведения окисления при пониженной дозе озона на второй стадии, приводит к резкому снижению эффекта очистки от органических веществ - концентрация (Г+Ф) достигает уже 73,7 мг/дм³, ХПК - 31 мгО₂/дм³. Показатели очищенной воды ниже показателей по прототипу (таблица 1, примеры 16 и 21).

Снижение дозы хлора в процессе обеззараживания (O₃:O₃:Cl₂=1:2:0,2) приводит к отсутствию остаточного хлора после 30-минутного контакта с водой, а следовательно, не обеспечивается бактериальная безопасность воды в распределительной сети, происходит вторичное бактериальное загрязнение питьевой воды, что является недопустимым (таблица 1, пример 17).

При использовании в процессе обеззараживания повышенной дозы хлора (соотношение O₃: O₃: Cl₂=1:2:1,2) происходит вторичное загрязнение питьевой воды - содержание (А+К) достигает 55 мг/дм³, а хлороформа - 65 мкг/дм³ (превышает ПДК) (таблица 1, пример 18).

Экспериментально установлено, что оптимальная доза флотореганта - коагулянта составляет 40 - 60 мг/дм³. Указанная доза обеспечивает эффективное удаление скоагулирвоанных и сфлотированных органических загрязнений, фито- и зоопланктона при минимальном содержании остаточного алюминия в воде.

При дозе коагулянта как ниже заявляемого предела, так и выше, наблюдается снижение эффекта очистки воды, что особенно сильно проявляется при запредельном снижении дозы (цветность достигает 22^o, мутность - 1,65 мг/дм³). В обоих случаях происходит вторичное загрязнение питьевой воды алюминием, содержание которого возрастает до 0,52 - 0,57 мг/дм³ (таблица 1, примеры 19 и 20).

Обеспечиваемое предложенным способом высокое качество питьевой воды подтверждается и данными таблицы 2, где отражен достигаемый результат при очистке воды р. Днепр, характеризующейся различной цветностью, мутностью, ХПК, содержанием гуминовых веществ. При использовании выходной воды с высокой мутностью (составы 2 и 3) желательно при реагентной обработке добавить незначительное количество (0,05 мг/дм³) флокулянта. В качестве флокулянта можно использовать магнифлоки американской компании "Watertec. Inc.", например МФ-1906 N-высокомолекулярный неионогенный высокоактивный; МФ-573 с - низкомолекулярный катионит; МФ-835А - высокомолекулярный анионит.

Преимущества предложенного способа получения питьевой воды отражены в таблицах 1,2. Как следует из представленных данных, предложенный способ обеспечивает по сравнению с известным повышениe качества получаемой питьевой воды, что выражается в первую очередь в предотвращении вторичного загрязнения токсичными хлорорганическими соединениями - содержание хлороформа составляет 21,1 - 37,5 мкг/дм³, что в 1,6 - 3 раза ниже ПДК, в то время как использование известной технологии приводит к содержанию хлороформа, равному 163,0 мкг/дм³, что в 2,7 раза превышает ПДК. Таким образом, вторичное загрязнение ХОС уменьшается в 4 - 8 раз.

Эффект очистки от первичных органических соединений также повышается - содержание (Г+Ф) составляет 25,1 - 34,5 мг/дм³, что в 1,75 - 1,25 раза ниже, чем в питьевой воде, полученной по известному способу. При этом предложенный способ обеспечивает сокращение длительности процесса получения питьевой воды за счет ускорения процессов коагулирования и отстаивания с 3 - 4 ч до 20 - 30 мин, т.е. в 6 - 9 раз по сравнению с известным способом.

Следует отметить, что остаточная концентрация алюминия в питьевой воде находится на уровне 0,2 мг/дм³ и ниже, что подтверждает высокое качество получаемой воды.