способ обесфторивания подземных вод и устройство для его осуществления

Формула изобретения

1. Способ обесфторивания подземных вод, включающий введение в обрабатываемую воду магнийсодержащего реагента из расчета 2 мг-экв магния на 1 мг удаляемых из воды фторид-ионов с последующим образованием и отделением осадка оксифторида магния, отличающийся тем, что в качестве реагента используют оксид магния, который с очищаемой водой подается в надфильтровый слой скорого фильтра, толщина которого должна быть не менее 1,6 м, фильтрующий слой из тяжелой зернистой загрузки толщиной не менее 0,8 м с эквивалентным диаметром зерен 0,7-0,8 мм, коэффициентом неоднородности 1,8-2 при скорости фильтрования не более 10 м/ч.

2. Устройство для обесфторивания воды, включающее систему дозирования магнийсодержащего реагента в трубу подачи исходной воды, скорый фильтр с тяжелой зернистой загрузкой, трубу отвода обесфторенной воды, резервуар чистой воды и систему подачи в трубу отвода воды для промывки фильтрующей загрузки, отличающееся тем, что труба подачи исходной воды соединена с надфильтровым слоем скорого фильтра, а труба отвода промывной воды соединена с входом гидроциклона, нижний выход которого направлен в емкость для сбора осадка оксифторида магния, а верхний выход - в емкость для сбора очищенной промывной воды, куда также опущена всасывающая труба, соединенная с другой стороны со штуцером эжектора, расположенного на трубе подачи исходной воды на отрезке между точками ввода магнийсодержащего реагента и ввода этой трубы в скорый фильтр.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к области очистки природных подземных вод от фторид-ионов и может быть использовано в процессах водоподготовки для питьевых и технических целей.

Известны способы обесфторивания подземных вод методами контактно-сорбционной коагуляции с использованием солей алюминия или сорбента - активной окиси алюминия [1, 2, 3]. Эти способы являются сложными, громоздкими и дорогими. Кроме того, при использовании этих способов ухудшается качество очищенной воды из-за увеличения содержания в ней остаточного алюминия, который характеризуется санитарно-токсикологическим показателем вредности и 2-м классом опасности (высоко опасный) [4].

Известны устройства, на которых осуществляется обесфторивание подземных вод методами контактно-сорбционной коагуляции с использованием солей алюминия или сорбента - активной окиси алюминия [2, 3]. Эти устройства являются громоздкими и дорогими.

Наиболее близким к изобретению является способ обесфторивания воды свежеосажденным гидроксидом магния MgOH₂ [2, стр.207]. Этот способ осуществляется путем введения в обрабатываемую воду сульфата или хлорида магния из расчета 2 мг-экв магния на 1 мг удаляемых из воды фторид-иоонов. При этом возникает необходимость подщелачивания воды известью для поддержания величины рН от 9,4 до 10,4. Образующийся осадок обладает низкой удельной плотностью (гидравлическая крупность составляет 0,2-0,3 мм/с) [3, стр.153]. Поэтому обрабатываемую воду после введения в нее вышеперечисленных реагентов направляют в осветлитель со взвешенным осадком, а затем на фильтры для задержания неосевших хлопьев осадка. Осадок из осадкоуплотнителя и фильтра (при промывке) сбрасывается в водосток.

На последующей стадии обработки во многих случаях воду необходимо подкислять для снижения величины рН до нормативных требований. Таким образом, данный способ обесфторивания воды также является сложным, громоздким и дорогим, однако менее опасным по содержанию остаточных веществ в обработанной воде: в нормативных требованиях [4] ограничения по содержанию магния отсутствуют, а сульфаты и хлориды характеризуются органолептическим показателем вредности и 4-м (умеренно опасным) классом опасности.

Наиболее близким к изобретению является устройство, включающее трубы подачи исходной воды и отвода обесфторенной воды, емкость для раствора магнийсодержащего реагента, устройство для дозирования этого реагента, осветлитель со взвешенным осадком, скорый фильтр с загрузкой из кварцевого песка, резервуар чистой воды, систему подачи и отвода воды для промывки фильтрующей загрузки, а также системы для дозирования и ввода подщелачивающего реагента (извести), систему для стабилизационной обработки и систему для отвода и сброса осадка в сток [2, рис.15.7]. Недостатками этого устройства являются громоздкость, высокая стоимость и большие эксплуатационные затраты из-за длительного пребывания воды в технологической цепочке сооружений, значительных затрат воды на промывку фильтра и сброс в сток осадка из осадкоуплотнителя в осветлителе со взвешенным осадком, что в свою очередь приводит к низкой производительности по очищенной воде.

Основными задачами, на решение которых направлены заявленные способ и устройство, являются следующие.

1. Упрощение технологии.

2. Улучшение качества очищенной воды.

3. Улучшение потребительских свойств осадка - оксифторида магния.

4. Уменьшение строительных и эксплуатационных затрат.

Указанная цель достигается тем, что в способе, включающем введение в обрабатываемую воду магнийсодержащего реагента из расчета 2 мг-экв магния на 1 мг удаляемых из воды фторид-ионов, с последующим образованием и отделением осадка оксифторида магния, в качестве реагента для обесфторивания воды используется оксид магния, который после смешивания с очищаемой водой подают в надфильтровый слой скорого фильтра, толщина которого должна быть не менее 1,6 м, фильтрующий слой должен быть из тяжелой фильтрующей загрузки (например, кварцевого песка) толщиной не менее 0,7-0,8 мм, с коэффициентом неоднородности 1,8-2,0 при скорости фильтрования не более 10 м/ч.

Для этого:

1) рассчитывается доза MgO по формуле В.А.Клячко [5];

2) расчетная доза в виде порошка вводится в воду;

3) происходит образование гидроксида магния в воде:

MgO+Н₂ О=Mg(OH)₂

В надфильтровом слое скорого фильтра происходит образование осадка оксифторида магния (Mg(ОН) ₂+F^-=MgOHF+ОН ^-), который из надфильтрового слоя попадает в фильтрующий слой и задерживается в нем.

При использовании оксида магния для обесфторивания воды нет необходимости увеличивать рН путем добавления извести в обрабатываемую воду и, следовательно, не требуется производить последующее подкисление фильтрата для снижения величины рН. Также, учитывая увеличение гидравлической крупности осадка оксифторида магния в несколько раз, отпадает необходимость направлять обрабатываемую воду в осветлитель со взвешенным осадком, так как для задержания этого осадка достаточно использование только процесса фильтрования на скорых фильтрах. Следовательно, упрощается технология обесфторивания воды.

Кроме того, при использовании оксида магния в очищенной воде не увеличивается количество остаточных вредных элементов: сульфатов или хлоридов, а также остатков извести и кислот. Это способствует улучшению качества очищенной воды.

Использование оксида магния для обесфторивания воды создает благоприятные условия для получения чистого и качественного осадка оксифторида магния по следующим причинам:

- в осадке отсутствуют примеси, связанные с добавлением извести, сульфатов или хлоридов;

- увеличивается гидравлическая крупность осадка.

Это улучшает потребительские свойства осадка, так как обеспечивает возможность задержания его в порах зернистой загрузки обычного скорого фильтра, с периодическим удалением осадка из фильтра при промывке и утилизацией его для дальнейшего использования, учитывая, что этот осадок является удобным реагентом для фторирования воды [6].

Пример 1.

В таблицах 1, 2 и 3 приведены результаты технологических сравнительных исследований образования осадка оксифторида магния при использовании в качестве реагентов для обесфторивания воды оксида магния, сульфата магния, а также сульфата магния в сочетании с подщелачивающим реагентом.

Дозы оксида магния и сульфата магния принимались из расчета 2 мг-экв магния на 1 мг фторид-ионов. Доза СаСО ₃ принималась из расчета 23 мг на 1 мг F. Максимальная продолжительность процесса образования осадка составляет 10 минут.

В скважине №1 пос. Литега Сокольского района Вологодской области содержание фторид ионов в исходной воде составляло 4,7 мг/л, рН 6,8, общая жесткость 6,2 мг-экв/л, температура - 18°С.

В скважине №2 села Горицы Кирилловского района Вологодской области содержание фторид ионов в исходной воде составляло 4,7 мг/л, рН 7,3, общая жесткость 6,5 мг-экв/л, температура - 18°С.

Из таблиц 1, 2 и 3 следует:

1. Гидравлическая крупность осадка при использовании оксида магния значительно больше, чем при использовании сульфата магния и сульфата магния с известью.

2. Во всех случаях общая жесткость не превышала требований СанПиНа - 7 мг-экв/л.

Таким образом, наиболее эффективным было применение оксида магния.

Таблица 1.
Доза MgO, мг/л	Реагент MgO
	Количество выпавшего осадка, г/м 3	Гидравлическая крупность осадка, мм		рН очищенной воды	Общая жесткость очищенной воды, мг-экв/л	Остаточный фтор, г/м3
Скважина №1 (пос. Литега)
120	5,0	0,7		6,4	6,8	1,3
Скважина №2 (село Горицы)
200	5,2	0,8		6,9	6,7	1,47
Таблица 2.
Доза MgSO4, мг/л	Количество выпавшего осадка, г/м 3		Гидравлическая крупность осадка, мм	рН очищенной воды	Общая жесткость очищенной воды, мг-экв/л	Остаточный фтор, г/м3
Скважина №1 (пос. Литега)
360	4,4		0,15	5,8	7,0	1,7
Скважина №2 (село Горицы)
600	5,0		0,19	6,0	6,9	1,9

Таблица 3.
Доза реагента, мг/л	Реагент MgSO 4+СаСО3
	Количество выпавшего осадка, г/м 3	Гидравлическая крупность осадка, мм	рН очищенной воды	Общая жесткость очищенной воды, мг-экв/л	Остаточный фтор, г/м3
Скважина №1 (пос. Литега)
MgSO4=360 мг/л СаСО 3=135 мг/л	5,8	0,32	9,2	7,0	1,4
Скважина №2 (село Горицы)
MgSO 4=600 мг/л СаСО3=287 мг/л	6,5	0,34	9,9	7,6	1,6

Подача оксида магния в надфильтровый слой скорого фильтра, толщина которого должна быть не менее 1,6 м также упрощает технологию, так как при такой толщине, которая соответствует требованию СНиПа для стандартных скорых фильтров [1, п.6.100], в этом слое обеспечивается возможность обесфторивания воды с образованием осадка оксифторида магния:

Mg(OH)₂+F^-=MgOHF+ОН ^-

Использование в качестве фильтрующей загрузки кварцевого песка с эквивалентным диаметром зерен 0,7-0,8 мм, коэффициентом неоднородности 1,8-2,0 и толщиной не менее 0,7 м обеспечивает возможность использования широко распространенных стандартных скорых фильтров, что также упрощает технологию [1, табл.21]

Обеспечение скорости фильтрования обрабатываемой воды в пределах не более 10 м/ч позволяет примерно на 30-40% увеличить производительность стандартного скорого фильтра [1, табл.21]. Этому же способствует возможность уменьшения числа промывок фильтра до одной в сутки [1, п.6.100].

Пример 2.

В таблице 4 приведены результаты исследований процесса фильтрования осадка оксифторида магния, полученного при обесфторивании воды из скважины №1 пос. Литега Сокольского р-на Вологодской области.

Была использована стандартная загрузка из кварцевого песка с эквивалентным диаметром зерен 0,8 мм (наименьший диаметр 0,5 мм, наибольший - 1,2 мм). Коэффициент неоднородности 1,8, высота слоя загрузки 0,7 м. При разных скоростях фильтрования воды с содержанием в ней оксифторида магния 47,37 г/м³ (что соответствует возможному содержанию фторид-ионов в исходной воде - 15 мг/л) периодически, в течение 24 часов, через каждые 4 часа проверялось содержание осадка оксифторида магния в профильтрованной воде.

Таблица 4.
Время от начала процесса фильтрования, ч	Скорость фильтрования, м/ч
	4	6	8	10	12	14	16
Содержание осадка в фильтрате, г/м3
4	нет	нет	нет	нет	нет	нет	нет
8	нет	нет	нет	нет	нет	нет	нет
12	нет	нет	нет	нет	нет	нет	2,0
16	нет	нет	нет	нет	нет	2,5	3,0
20	нет	нет	нет	нет	2,2	3,0	3,5
24	нет	нет	нет	нет	2,5	3,5	4,0

Как видно из таблицы 4, при скоростях фильтрования до 10 м/ч в течение 24-х часов осадок в фильтрат не проникал. Следовательно, для такой скорости можно предусмотреть одну промывку в сутки.

Таким образом, при скорости фильтрования 10 м/ч (0,2 м/мин) и продолжительности процесса образования осадка не более 8 минут толщина надфильтрового слоя должна быть не менее 1,6 м (0,2 м/мин · 8 мин = 1,6 м).

Указанная цель достигается тем, что устройство, включающее систему дозирования магнийсодержащего реагента в трубу подачи исходной воды, скорый фильтр с тяжелой зернистой загрузкой (например, из кварцевого песка), трубу отвода обесфторенной воды, резервуар чистой воды и систему подачи в трубу отвода воды для промывки фильтрующей загрузки, также оборудовано трубой подачи исходной воды, соединенной с надфильтровым слоем скорого фильтра, а труба отвода промывной воды соединена с входом гидроциклона, нижний выход которого направлен в емкость для сбора осадка оксифторида магния, а верхний выход - в емкость для сбора очищенной промывной воды, в которую опущена всасывающая труба, соединенная с другой стороны со штуцером эжектора, расположенного на трубе подачи исходной воды.

На чертеже изображена схема устройства для обесфторивания воды. Устройство содержит трубу подачи исходной воды 1, на которой последовательно расположены эжектор 2 для ввода в эту трубу оксида магния из емкости 3 и эжектор 4, к штуцеру которого подсоединена всасывающая труба 5, нижний конец которой опущен в емкость 6 для хранения очищенной (отделенной от осадка оксифторида магния) промывной воды. Труба подачи исходной воды 1 подсоединена к боковому карману 7 скорого фильтра 8, в корпусе которого последовательно располагаются надфильтровый слой воды 9 (толщина которого должна быть не менее 1,6 м), фильтрующий слой 10 (толщиной не менее 0,8 м) из тяжелой зернистой загрузки (например, из кварцевого песка, имеющего эквивалентный диаметр зерен 0,7-0,8 мм, коэффициент неоднородности 1,8-2) и дренажная система 11 для сбора очищенной и подачи промывной воды в подфильтровом пространстве 12, соединенная с трубой отвода очищенной воды 13, подающей воду в резервуар чистой воды 14. В этот резервуар опущен всасывающий патрубок насоса 15, к напорному патрубку которого подсоединены труба 16 для подачи очищенной воды потребителям и труба 17 для подачи промывной воды в дренажную систему 12. В перегородке между боковым карманом 7 и корпусом фильтра 8 имеется отверстие 18 для пропуска в корпус исходной воды, смешанной с раствором оксида магния и для отвода промывной воды из этого корпуса в боковой карман 7. К нижней части бокового кармана 7 подсоединена труба отвода промывной воды 19, соединенная со входом гидроциклона 20, верхний выход которого соединен с трубой отвода очищенной промывной воды 21, а нижний выход направлен в емкость для сбора осадка оксифторида магния 22. Труба 21 подсоединена также к емкости для хранения очищенной промывной воды 6, а емкость 3 соединена со штуцером эжектора 2 трубой 23.

Для управления работой установки предусмотрены задвижки 24-31.

Устройство работает следующим образом.

При режиме обесфторивания открыты задвижки 24, 25, 26, 29 и 27. Закрыты задвижки 28 и 30. Задвижка 31 при этом режиме открывается на время удаления очищенной промывной воды из емкости 6. Исходная вода из источника по трубе подачи исходной воды 1 проходит через эжектор 2, где в воду добавляется - оксид магния из емкости 3. Затем проходит через эжектор 4, где в исходную воду периодически добавляется очищенная промывная вода из емкости 6, и поступает в боковой карман фильтра 7, откуда через отверстие 18 поступает в корпус скорого фильтра 8. Фильтрование в скором фильтре 8 осуществляется сверху вниз со скоростью не более 10 м/ч. При этом сначала в надфильтровом слое 9 происходит реакция обесфторивания воды с образованием осадка оксифторида магния. Этот осадок задерживается в порах зернистого фильтрующего слоя 10, а очищенная обесфторенная вода поступает в подфильтровое пространство 12, где с помощью дренажной системы 11 собирается и по трубе отвода очищенной воды 13 направляется в резервуар чистой воды 14. Из резервуара чистой воды 14 вода забирается насосом 15 и подается по трубе 16 потребителям.

При переходе на режим промывки сначала закрываются задвижки 26, 24, 31 (если перед режимом промывки она была открыта), 25, 29 и 27. Открываются задвижки 28 и 30. Интенсивность и продолжительность промывки принимаются по СНиП [1, табл.23]. Промывная вода по трубам 17 и затем 13 поступает в дренажную систему 11, проходит снизу вверх через фильтрующую загрузку, взмучивает ее и выносит из загрузки осадок оксифторида магния; затем промывная вода через отверстие 18 попадает в боковой карман и оттуда по трубе 19 поступает на вход гидроциклона 20. В гидроциклоне отделившийся осадок оксифторид магния через нижний патрубок попадает в сборную емкость 22, а очищенная промывная вода по трубе 21 поступает в емкость 6, откуда с помощью трубы 5 и эжектора 4 вводится в общий поток исходной воды. После промывки закрываются задвижки 28 и 30, открываются задвижки 24, 25, 29, 27. Начинается процесс обесфторивания.

Соединение трубы подачи исходной воды с надфильтровым слоем скорого фильтра значительно упрощает конструкцию устройства, так как отпадает необходимость подачи исходной воды с введенным в нее магнийсодержащим реагентом до фильтра в осветлитель со взвешенным осадком. Кроме того, исключается необходимость устройства системы приготовления и дозирования подщелачивающего реагента для обрабатываемой воды и системы приготовления и дозирования подкисляющего реагента для обесфторенной воды. Это в свою очередь также упрощает эксплуатацию устройства, уменьшает строительные и эксплуатационные затраты.

Соединение трубы отвода промывной воды с входом гидроциклона, нижний выход которого направлен в емкость для сбора осадка оксифторида магния, а верхний выход - в емкость для сбора очищенной промывной воды, обеспечивает возможность отделения и утилизации осадка оксифторида магния для последующего его использования в качестве фторсодержащего реагента [6].

Соединение верхнего выхода гидроциклона с емкостью для сбора очищенной промывной воды, куда также опущена всасывающая труба, соединенная с другой стороны со штуцером эжектора, расположенного на трубе подачи исходной воды на отрезке между точками ввода магнийсодержащего реагента и ввода этой трубы в скорый фильтр, позволяет увеличить производительность устройства, так как большая часть объема обесфторенной промывной воды (до 90%) возвращается в поток, поступающий на скорый фильтр. Кроме того, это также способствует уменьшению эксплуатационных затрат, так как не требуется дополнительное расходование магнийсодержащего реагента на промывную воду, введенную в трубу подачи исходной воды.

По сравнению с прототипом способ и устройство по изобретению обладают следующими преимуществами:

- упрощается технология;

- улучшается качество очищенной воды;

- улучшаются потребительские свойства осадка;

- увеличивается производительность;

- обеспечивается возможность отделения и утилизации осадка оксифторида магния для последующего его использования;

- упрощается эксплуатация;

- уменьшаются строительные и эксплуатационные затраты.

Изобретение можно использовать для технического и питьевого водоснабжения. Устройства могут быть заводского серийного изготовления.

Литература

1. СНиП 2.04.02-84. Водоснабжение. Наружные сети и сооружения / Госстрой СССР. - М.: Стройиздат, 1985, - с.44.

2. Кульский Л.А., Строкач П.П. Технология очистки природных вод. - Киев.: Высш. Школа., 1981, с.203-209.

3. Николадзе Г.И. Улучшение качества подземных вод. - М.: Стройиздат, 1987, - с. 152-153.

4. СанПиН 2.1.4.559-96. Питьевая вода. Гигиенические требования к качеству воды централизованных систем питьевого водоснабжения. Контроль качества / Госкомсанэпиднадзор России. - М.: 1996, с.13.

5. Николадзе Г.И. Технология очистки природных вод: Учебник для вузов - М.: Высш. Шк. - 1987. - 479 с.

6. Способ фторирования воды. Патент RU №2181700. Опубл. 27.04.2002. Бюл. №12.