способ очистки жидкости фильтрованием

Формула изобретения

1. Способ очистки жидкости фильтрованием, заключающийся в ее смешении с реагентами и/или сорбентами и последующем пропуске смеси через слой зернистой загрузки до ее загрязнения, прекращении процесса фильтрования, подачи промывной жидкости или воздуха и жидкости через слой зернистой загрузки до отмывки последней от загрязнений, прекращении их подачи на промывку и последующем возобновлении процесса фильтрования, отличающийся тем, что реагенты и/или сорбенты предварительно смешивают с частью подаваемой промывной жидкости и вводят в первые по ходу движения расширенные слои зернистой загрузки перед окончанием ее промывки.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что реагенты и/или сорбенты перед подачей в слой зернистой загрузки или после их смешения с частью промывной жидкости перед подачей ее в расширенный слой промываемой зернистой загрузки предварительно подвергают температурной, магнитной, электромагнитной, ультразвуковой или электрохимической обработке или комбинированному температурно-магнитному, магнитно-электрохимическому воздействию или обработке ультразвуком в магнитном или электрическом поле.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к области очистки жидкостей от взвешенных веществ, коллоидных частиц и растворенных органических примесей фильтрованием через слой зернистой загрузки. Оно может найти применение в технологии очистки природных и сточных вод, а также различных растворов и жидких сред в процессах обогащения, химической технологии, гидрометаллургии, пищевой и легкой промышленности и т.д.

Общеизвестен способ очистки воды от загрязнений, заключающийся в смешении ее с реагентами (коагулянтом, флокулянтом, щелочью), отделении от воды образующихся хлопьев отстаиванием и последующем фильтровании очищаемой воды через слой зернистой загрузки. Данный способ очистки применяется на большинстве водопроводных очистных сооружений. К недостаткам существующего способа очистки относится большой расход реагентов, особенно при очистке высокоцветных и маломутных вод, а также вод с низкой температурой, которая наблюдается в зимний период и, в частности, в весенне-осенний паводок. Кроме того, низкую температуру воды имеют большую часть года горные и северные реки. При очистке холодной воды обычно наблюдается снижение эффекта ее очистки и значительно возрастает расход реагентов, т. к. процесс коагуляции сильно замедляется или протекает очень вяло.

Данные недостатки частично устранены в другом широко известном способе очистки воды, заключающемся в смешении очищаемой жидкости с реагентами и последующем ее фильтровании через слой зернистой загрузки. По такому принципу работают контактные осветлители, контактные фильтры и префильтры для очистки воды. К недостаткам данного способа, реализуемого при очистке воды на контактных осветлителях, относится нецелесообразность его применения при значительной концентрации взвеси в очищаемой воде и при высокой цветности вод. Так, СНиП 2.04.02-84. “Водоснабжение. Наружные сети и сооружения.” (табл.15) рекомендует применять контактные осветлители при мутности подаваемой на них воды не более 120 мг/л и цветности не более 120°. Кроме того, контактные осветлители имеют невысокую производительность, т.к. максимальная скорость фильтрования воды даже при форсированном режиме не превышает 5,5-6 м/ч (п. 6.130 СНиП 2.04.02-84 ). При очистке воды данным способом на контактных префильтрах рекомендуется очищать воду с содержанием взвеси до 300 мг/л и цветностью до 250°, однако при этом обеспечивается невысокий эффект очистки, т.к. остаточная концентрация взвеси в очищенной воде составляет 15-40 мг/л (см. В.З.Мельцер. Фильтровальные сооружения в коммунальном водоснабжении. - М.: Стройиздат, 1995, - c.l38-141). Поэтому префильтры могут применяться в качестве I ступени очистки перед скорыми зернистыми фильтрами, т.е. требуется двухступенчатое фильтрование, что усложняет и удорожает очистку воды. При реализации очистки воды этим способом на контактных фильтрах (фильтрование сверху вниз) возникают сложности с равномерностью распределения реагентов по площади фильтра, эффективностью перемешивания реагентов с очищаемой водой, которые желательно подавать непосредственно перед поступлением очищаемой воды в зернистую загрузку, сокращается продолжительность фильтроцикла по сравнению с фильтрованием в направлении убывающей крупности зерен загрузки (контактные осветлители) и т.д. Данный способ очистки имеет и некоторые другие недостатки.

Известен также способ очистки воды от взвешенных веществ, принимаемый за прототип (Авт. св. СССР №946603, БИ №28, 1982), заключающийся в введении полиакриламида и тонкопомолотого каменного угля в качестве сорбента в очищаемую воду и последующем ее фильтровании снизу вверх через слой зернистой загрузки, в качестве которой используют дробленые горелые породы. Причем при очистке воды данным способом допускается более высокое содержание взвеси в ней, сокращается объем образующегося осадка и упрощается его утилизация. Однако, как следует из описания данного способа, хотя он имеет некоторые преимущества перед известным, он обеспечивает недостаточно высокий эффект очистки, т.к. остаточное содержание взвеси в воде, очищенной данным способом, составляет 10-12 мг/л. Во многих же случаях требуется более высокое качество очистки. Так, согласно ГОСТ 2874-82 “Вода питьевая” концентрация взвеси в питьевой воде не должна превышать 1,5 мг/л.

Техническими задачами, решаемыми предлагаемым изобретением, является повышение эффекта и стабильности очистки жидкости фильтрованием и снижение расхода реагентов и/или сорбентов. Для решения этих задач предлагается новый способ очистки жидкости фильтрованием, заключающийся в ее смешении с реагентами и/или сорбентами, последующем пропуске смеси через слой зернистой загрузки до загрязнения загрузки, прекращении процесса фильтрования, подаче промывной жидкости или воздуха и жидкости через слой зернистой загрузки до отмывки последней от загрязнений, прекращении их подачи и последующем возобновлении процесса фильтрования, отличающийся тем, что реагенты и/или сорбенты дополнительно вводят в основную часть слоя зернистой загрузки перед возобновлением процесса фильтрования. В результате подачи и распределения части реагентов и/или сорбентов в слое зернистой загрузки перед подачей очищаемой воды на фильтровальное сооружение образуется в межзерновом пространстве слой, состоящий из хлопьев коагулянта и/или частиц сорбента. Причем свежеобразованные хлопья гидроксидов различных металлов обладают высокой сорбционной способностью. Поэтому поступающая в зернистую загрузку загрязненная жидкость будет лучше очищаться от загрязнений с самого начала фильтроцикла по сравнению с известным способом особенно от растворенных органических примесей (гуминовых и фульвокислот, обуславливающих цветность природных вод, фенолов, нефтепродуктов, ПАВ и др.). Это связано с тем, что эффективность удаления примесей сорбцией, кроме ряда факторов, зависит от высоты слоя сорбента и времени контакта очищаемой жидкости с сорбентом. В предлагаемом же способе очистки этот слой формируется в пределах существующего слоя зернистой загрузки сразу перед началом фильтроцикла. Тогда как в известном способе он будет накапливаться в толще загрузки постепенно по мере фильтрования очищаемой жидкости, смешанной с реагентами и/или сорбентами. Кроме того, по этой же причине и время защитного действия фильтровального сооружения, работающего по предлагаемому способу, будет больше по сравнению с известным способом. Это объясняется тем, что хлопья коагулянта и/или сорбента, находящиеся в наиболее удаленных слоях зернистой загрузки по ходу фильтрования очищаемой жидкости, в конце фильтроцикла будут менее загрязнены и поэтому будут обладать дополнительным защитным действием, продолжая сорбировать загрязнения из очищаемой жидкости и предотвращая преждевременный их проскок на выход фильтровального сооружения.

Для облегчения и упрощения практической реализации предлагаемого способа очистки жидкости фильтрованием, а именно равномерности распределения реагентов и/или сорбентов в толще фильтрующей загрузки, дополнительно предлагается вводить реагенты и/или сорбенты в первые по ходу движения промывной жидкости расширенные слои промываемой зернистой загрузки перед окончанием промывки. За счет этого реагенты и/или сорбенты потоком промывной жидкости беспрепятственно распределятся по всей высоте расширенного слоя промываемой загрузки. Кроме того, при этом вследствие повышенной турбулизации потока промывной жидкости между отмываемыми зернами будет происходить хорошее перемешивание реагентов и/или сорбентов с промывной жидкостью. После прекращения промывки и оседания или всплывания (при использовании плавающей загрузки) зерен загрузки реагенты и/или сорбенты будут распределены между зернами относительно равномерно по высоте слоя загрузки.

Также для улучшения равномерности распределения реагентов и/или сорбентов по площади фильтровального сооружения и для упрощения конструктивного оформления процесса их введения в расширенный слой зернистой загрузки реагенты и/или сорбенты предварительно смешивают с частью промывной жидкости перед ее поступлением в толщу расширенного слоя зернистой загрузки перед окончанием промывки. После смешения реагентов и/или сорбентов с промывной жидкостью их смесь поступает в расширенный слой зернистой загрузки и заполняет равномерно межзерновое пространство почти по всей высоте этого промываемого слоя, после чего прекращается подача промывной жидкости и происходит оседание или всплывание зерен загрузки. В результате этого хлопья реагентов и/или частицы сорбентов практически равномерно оказываются распределенными почти по всей высоте и площади слоя зернистой загрузки. Затем очищаемая жидкость снова подается в зернистую загрузку, заряженную хлопьями реагентов и/или частицами сорбентов до ее загрязнения, после чего при достижении предельных потерь напора или проскока загрязнений в фильтрат фильтровальное сооружение выключается на промывку, как и в известном способе. При подаче промывной жидкости или воздуха, а затем жидкости и расширении слоя зернистой загрузки находящиеся в зернистой загрузке хлопья коагулянта и/или частицы сорбента вместе с остальными загрязнениями выносятся из нее. Перед окончанием промывки зернистой загрузки свежие реагенты и/или сорбенты вновь смешиваются с промывной жидкостью и затем поступают вместе с ней в расширенный слой загрузки в соответствии с предлагаемым способом. После распределения смеси реагентов и/или сорбентов с промывной жидкостью в пространстве между зернами расширенного слоя зернистой загрузки промывка прекращается, зернистая загрузка оседает или всплывает и фильтроцикл повторяется.

Наиболее просто предлагаемый способ реализовать путем подачи растворов реагентов и/или суспензии сорбентов во всасывающую линию промывного насоса в конце промывки. Можно также осуществить их подачу и в эжектор, располагаемый на напорной линии промывного насоса, в который они подсасываются и смешиваются с промывной жидкостью. При движении их смеси через насос или эжектор, затем по напорной линии промывного насоса и через дренажную систему фильтровального сооружения происходит их хорошее перемешивание между собой и промываемой жидкостью перед поступлением смеси в расширенный слой зернистой загрузки. Это обеспечивает практически равномерное распределение реагентов и/или сорбентов по площади, а затем и по высоте слоя зернистой загрузки. После чего промывка заканчивается, зернистая загрузка оседает или всплывает и хлопья реагентов и/или суспензия сорбентов оказываются практически равномерно распределенными между зернами основной части слоя зернистой загрузки.

Следует отметить, что распределение хлопьев коагулянта и/или частиц сорбента в толще зернистой загрузки перед началом фильтроцикла в соответствии с предлагаемым способом уменьшит межзерновую пористость, что приведет к некоторому возрастанию начальных потерь напора в загрузке. Это может несколько сократить продолжительность фильтроцикла в случае выключения фильтровального сооружения по достижению предельных потерь напора. Однако это сокращение будет зависеть от количества хлопьев коагулянта и/или частиц сорбента и, учитывая равномерность их распределения по высоте слоя загрузки, может быть незначительным, поскольку основная часть потерь напора в конце фильтроцикла приходится на первые по ходу фильтрования слои зернистой загрузки. Кроме того, в случае выключения фильтровального сооружения на промывку по проскоку загрязнений в фильтрат наличие хлопьев коагулянта и/или частиц сорбента по всей высоте слоя загрузки позволит наоборот увеличить продолжительность фильтроцикла, т.к. хлопья коагулянта и/или частицы сорбента, располагаемые в слоях на выходе из загрузки, будут менее загрязнены и поэтому даже в конце фильтроцикла будут обладать дополнительным защитным действием, продолжая сорбировать загрязнения из очищаемой жидкости.

Таким образом, за счет очистки жидкости фильтрованием предлагаемым способом достигается решение задач повышения качества и стабильности очистки и сокращения расходов реагентов и/или сорбентов, особенно при очистке жидкостей с низкими температурами, а также жидкостей со значительной концентрацией коллоидных и особенно растворенных загрязнений.

Дополнительно для еще большего снижения расходов реагентов предлагается реагенты и/или сорбенты или их смесь с частью промывной жидкости перед подачей в расширенный слой промываемой зернистой загрузки предварительно подвергать какой-либо из этих обработок: температурной, магнитной, электромагнитной, ультразвуковой, электрохимической или комбинированному температурно-магнитному, магнитно-электрохимическому воздействию или ультразвуковой обработке в магнитном или электрическом поле.

Примером температурной активации может служить подогрев раствора реагентов перед их смешением с частью промывной воды перед поступлением их смеси во взвешенный слой промываемой зернистой загрузки в холодное время года. Даже после такого смешения с частью холодной промывной воды температура смеси будет выше температуры очищаемой холодной воды, а значит, образование хлопьев коагулянта в толще зернистой загрузки будет происходить более интенсивно. Причем хлопья, образующиеся в межзерновом пространстве загрузки перед началом фильтроцикла, будут более плотными и прочными, чем хлопья, образующиеся в процессе фильтрования очищаемой холодной воды с более низкой температурой. Это может позволить несколько снизить расходы реагентов, необходимых для формирования структуры осадка гидроксидов, равномерно распределенного в толще загрузки перед началом подачи исходной воды на очистку. Кроме того, в связи с развитой поверхностью хлопьев коагулянта и их значительной сорбционной способностью к ним будут более интенсивно прилипать загрязнения и более мелкие и рыхлые хлопья осадка, поступающего с очищаемой холодной водой. Последнее также может позволить дополнительно сократить расход реагентов особенно при очистке холодных природных и сточных вод.

Интенсивность процесса коагуляции и образования хлопьев осадка также повышается при магнитной, электромагнитной или ультразвуковой обработке раствора коагулянта или его смеси с промывной жидкостью. Кроме того, при магнитной обработке раствора коагулянта, например сульфата алюминия, повышается сорбционная способность образующихся хлопьев гидроксида алюминия более чем на 9-10%. За счет этого можно сократить расход реагентов или повысить эффект очистки жидкости фильтрованием предлагаемым способом (см., например, Душкин С.С., Евстратов В.М. Магнитная водоподготовка на химических предприятиях, - М., 1986, - с.33-34, 96-113).

Примером комбинированной активации растворов реагентов или их смеси с промывной жидкостью может быть пропуск этой смеси или растворов реагентов перед подачей в расширенный слой зернистой загрузки через электролизер или электрокоагулятор, где под действием постоянного электромагнитного поля и электрохимической обработки происходит так называемая коагуляция под током, в результате которой повышается интенсивность хлопьеобразования и снижаются расходы реагентов до 30% и более (см., например, Бычин Н.А. Исследование электролитических методов очистки шахтных вод (на примере Донецкого угольного бассейна). Автореферат диссерт. на соиск. уч. ст. канд. техн. наук. - Киев, 1973. - 23с.).

Предварительная комбинированная обработка растворов реагентов или их смеси с промывной жидкостью перед подачей в слой зернистой загрузки, например температурно-магнитная, магнитно-электрохимическая или ультразвуковая в магнитном или электрическом поле, также позволяет интенсифицировать процесс коагуляции. Это может позволить сократить расход реагентов (см., например, Душкин С.С., Евстратов В.Н. Магнитная водоподготовка на химических предприятиях, - М.: Химия, 1986, - с.96-113). Дополнительно при комбинированной обработке раствора реагента или его смеси с промывной жидкостью, например магнитно-электрохимической, увеличивается адсорбционная емкость образующихся хлопьев гидроксида алюминия при оптимальных условиях на 31,2% (см. там же с.36), за счет чего также может быть снижен расход реагентов либо повышен эффект очистки жидкости. При этом дополнительно повышается плотность образовавшихся хлопьев осадка, что может способствовать снижению затрат на очистку грязных промывных вод.

Таким образом, предварительная активация растворов реагентов и/или сорбентов или их смеси с промывной жидкостью перед подачей в расширенный слой зернистой загрузки перед окончанием промывки может еще в большей степени сократить расход реагентов и/или повысить эффективность очистки жидкости фильтрованием.

Таким образом предлагаемый способ очистки жидкости фильтрованием позволяет в значительной степени и достаточно просто решить поставленные технические задачи при минимальных затратах на его реализацию.