способ получения фильтрующего материала для очистки воды от железосодержащих примесей и способ очистки воды с использованием фильтрующего материала

Формула изобретения

1. Способ получения фильтрующего материала для очистки воды из скважинных и речных водозаборов от железосодержащих примесей путем обжига и измельчения исходного материала и рассеивания измельченных частиц по фракциям, отличающийся тем, что в качестве исходного материала берут накопленный и обезвоженный осадок от очистки воды, содержащий преимущественно коллоидные частицы загрязнителей, имеющие химическое сродство к железу в виде FeOOH-гетита, Fe(OH) ₃ и Fe₂O₃, осадок спрессовывают в брикеты до плотности 2,6 г/см ³, обжигают путем термического спекания в конгломераты при температуре 1200-1400°С.

2. Фильтрующий материал для очистки воды из скважинных и речных водозаборов от железосодержащих примесей, характеризующийся тем, что он получен способом, охарактеризованным в п.1.

3. Способ очистки воды из скважинных и речных водозаборов от железосодержащих примесей, отличающийся тем, что воду пропускают через фильтрующий материал, охарактеризованный в п.2.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к области очистки вод хозяйственно-бытового и технического назначения от железосодержащих примесей и получению фильтрующих материалов для этих целей. Изобретение может быть использовано при очистке воды минерализованных источников на скважинных и речных водозаборах.

Актуальность проблемы очистки вод хозяйственно-бытового и технического назначения от железосодержащих примесей связана со значительной минерализацией вод, происходящей при взаимодействии минералов и горных пород с подземными водами, преимущественно в местах сосредоточения месторождений полезных ископаемых. Примеси попадают в водоемы в большинстве случаев в результате размывания окружающих пород и смыва почв.

На сооружениях подземных водозаборов наиболее остро стоит экологическая проблема, связанная с улавливанием и утилизацией осадка, образующегося в результате водоподготовки вод хозяйственно- бытового и технического назначения. Основу осадка водоподготовки на станциях обезжелезивания, например Томского месторождения подземных вод, составляет оксогидроксид (гидроокись) железа. Проблема усугубляется тем, что осадок, количество которого продолжает оставаться очень высоким, нередко сбрасывается в реки или иные водоемы.

Для отделения осадка от воды существует система повторного использования воды, предназначенная для промывки скорых фильтров с большим количеством взвешенных частиц. На станциях обезжелезивания используются фильтры, послойно загружаемые отсевом дробленых горных пород. Одной из необходимых технологических операций подготовки фильтра к работе является активация фильтрующего материала для образования на нем железосодержащих центров, обладающих сродством к коллоидным частицам загрязнителя в очищаемой воде и способствующих их отложению на фильтрующем материале в виде осадка. Материал активируется путем длительного пропускания через него неочищенной воды без вывода на потребителя.

При штатной работе фильтра после его активации эти зародышевые центры очищают воду, задерживая и агломерируя загрязнители. После насыщения фильтра коллоидным осадком его пропускная и фильтрующая способность падает, и фильтр подлежит промывке противотоком промывной воды. Время между двумя промывками (фильтроцикл) для типичных фильтров, используемых на подземных водозаборах, составляет 24-36 часов. Расчетная скорость фильтрации воды через фильтрующую загрузку равна 8-10 м/час. Осадок водоочистки подается на иловые поля для подсушивания и последующего захоронения.

Известны методы обезжелезивания воды и устройства фильтрации, используемые для этих целей. Сорбционную очистку воды проводят путем ее фильтрации с использованием в качестве фильтрующего материала химических реагентов или отходов химической промышленности (авт. свид. №1699525 «Способ получения фильтрующего материала для очистки воды от соединений железа», МКИ В01D 39/00, C02F 1/28, опубл. 13.12.1991, Бюл. №47).

Известен метод очистки проточной воды, содержащей металлы, включающий осаждение металла с использованием дренажа, измельчение и рассеивание элементов дренажа, осаждение металлов (свинец, цинк, медь, марганец, железо и соединения металлов) и удаление металлов и их соединений из растворов для получения чистой воды. Концентрация металлов менее 1,0 мг/л. Скорость потока около 10 гал/мин. (Method for removing metals from a solution. Пат. США 5536416, июль 16, 1996).

Известны методы удаления металлов, в том числе тяжелых металлов, из проточной воды, основанные на очистке воды и включающие такие этапы, как сепарация, флотация и др. Дополнительная очистка производится с проведением активации с добавлением агентов: известняка, золы, двуокиси магния, солей металлов (например, солей железа). (Methods for removing heavy metals from water using chemical precipitation and field separation methods. Пат. США №6896815, May 24, 2005).

Известен метод очистки воды, загрязненной металлами и органическими примесями, путем фильтрации с использованием порошкообразного железа и песка, служащих в качестве агентов активации водных растворов (Iron powder and sand filtration process for treatment of water contaminated with heavy metals and organic compounds. Пат. США №6,942,807, сентябрь 13, 2005).

Известны устройство и способ фильтрации для удаления загрязнений из воды с использованием окиси железа и оксигидроксида железа. Заявленный способ экономически не выгоден, т.к. для загрузки фильтра используется окись железа тонкой очистки или очищенный оксигидроксид железа. При этом в процесс адсорбции в качестве обязательного этапа технологии включен этап смешивания окиси алюминия, магния и окиси титана или их гидроокиси либо этап обезвоживания продукта в суспензии окиси железа и оксигидроксида, что осложняет подготовительный этап работы фильтра (заявка Германии №DE 10129307 «Filtration unit for removing pollutants from fluids, especially water, comprises agglomerates of finely divided iron oxide and oxyhydroxide», МКИ C01G 49/02; C01G 49/06, опубл. 2002.12.19).

Известен способ очистки вод для хозяйственно-питьевого водоснабжения, основанный на получении фильтрующего материала для очистки воды от железа и марганца (патент РФ №2077380 «Способ получения гранулированного фильтрующего материала», МКИ B02J 20/02, 20/04, опубл. 20.04.1997, Бюл. №11).

Известные методы очистки воды связаны с необходимостью предварительной активации фильтра и полной периодической замены фильтрующего материала при потере им фильтрующих свойств. Приведенные в аналогах фильтрующие материалы обладают достаточной абсорбционной емкостью, однако требуют вложения значительных затрат в производство. Кроме того, практически не ставится и не решается задача утилизации осадка, образующегося при фильтрации.

Известен способ получения фильтрующего материала для очистки природных вод хозяйственно-питьевого водоснабжения от соединений железа в виде измельченного доломита, который после его измельчения подвергается отжигу, охлаждению и сушке при температуре 100-200°С (патент РФ №2162737 «Способ получения гранулированного фильтрующего материала», МКИ B02J 20/02, 20/06, B01D 39/02, опубл. 10.02.2001, Бюл. №4).

Данный способ принят нами за первый прототип.

В качестве недостатков способа следует отметить то, что в качестве фильтрующего материала используется доломит, добыча которого представляет сложности из-за высокой прочности материала, т.к. требуются значительные затраты при его измельчении. Доломит добывается в Ленинградской области и доставка его, например в районы Западной или Восточной Сибири, требует очень высоких транспортных затрат. К тому же этот долговечный, морозостойкий материал, обладающий всеми свойствами природного камня, может найти более экономически оправданное применение, в связи с чем использование его в качестве фильтрующего материала нельзя признать обоснованным. При этом заявленный способ очистки требует проведения дополнительного этапа - активации с использованием двухвалентного марганца.

Известен способ очистки вод хозяйственно-бытового и технического на значения от железосодержащих примесей, основанный на использовании фильтрующего материала из отсева дробленых горных пород - альбитофир, гранодиорит, горелые породы (3.В.Н.Лисецкий, В.Н.Брюханцев, А.А.Андрейченко. «Улавливание и утилизация осадков водоподготовки на водозаборах г.Томска». - Томск: Издательство научно-технической литературы, 2003 г.).

В данном издании представлен способ очистки воды на станциях обезжелезивания с использованием фильтров, послойно загружаемых исходным материалом - отсевом дробленых горных пород с общей высотой слоя загрузки 1,8-2,1 м. Одной из необходимых технологических операций подготовки фильтра к работе является активация фильтрующего материала, заключающаяся в длительном пропускании через него неочищенной воды без ее отвода на потребителя для образования на фрагментах фильтрующего материала зародышевых железосодержащих центров отложения осадка из очищаемой воды, имеющих химическое сродство к коллоидным частицам загрязнителя в очищаемой воде с целью увеличения абсорбционной способности фильтрующего материала. Осадок от очистки подается на иловые поля для подсушивания и последующего захоронения.

Данное техническое решение принято нами за второй прототип.

Недостатки технического решения по второму прототипу:

1. Фильтры на основе отсева дробленых горных пород имеют ограниченный срок службы (до полной замены материала) - не более 1 года.

2. Обязательная технологическая операция - активация фильтрующего материала, которая занимает время от нескольких дней до нескольких недель.

3. Недостаточная абсорбционная способность фильтрующего материала

4. Требуются материальные затраты на приобретение отсева дробленых горных пород, используемых для изготовления фильтра

5. Осадок водоочистки повторно не используется.

Первой технической задачей является получение дешевого и доступного сырья для фильтрующего материала, обладающего повышенной абсорбционной способностью, пригодного для очистки природных вод хозяйственно-питьевого водоснабжения от соединений железа и имеющего химическое сродство к железу.

Вторая задача по изобретению - сокращение и удешевление технологического цикла очистки вод скважинных и речных водозаборов от железосодержащих примесей.

Первая задача - получение дешевого и доступного исходного сырья для фильтров, расширяющего ассортимент фильтрующих материалов, решается следующим образом. После промывки скорых фильтров с большим количеством взвешенных частиц, отстаивания промывной воды в течение времени, необходимого для выпадения взвешенных частиц в осадок и последующей повторной очистки воды на скорых фильтрах, осадок водоочистки из отстойников должен подаваться на иловые поля для подсушивания и последующего захоронения. Разработанная нами технология получения фильтрующего материала позволяет использовать этот накопленный и обезвоженный осадок для очистки воды. Преимущество данной технологии заключается в том, что накопленный и обезвоженный осадок от очистки воды представляет собой преимущественно коллоидные частицы загрязнителя, имеющие химическое сродство к железу, что и обеспечивает возможность фильтрующему материалу оптимально адсорбировать на себя железосодержащие примеси.

Для получения фильтрующего материала накопленный и обезвоженный осадок в виде порошкообразной массы, представляющей собой в основном гидроокись железа FeOOH (гетит) с включением смеси Fe(ОН)₃ и Fe₂ O₃, подвергали прессованию в брикеты до плотности 2,6 г/см³, затем термически спекали в конгломерат при температуре 1200-1400°С, не доводя температуру до точки плавления (около 1600°С). Полученный конгломерат подвергали дроблению и рассеву на размерные фракции по составным частям фильтра.

Так как выбранная температура спекания порошкообразной массы ниже температуры плавления, то полученный путем спекания продукт после дробления конгломерата и рассева по фракциям приобретает удельную поверхность, в 5-7 раз превышающую удельную поверхность фильтрующего материала из отсева дробленых горных пород - альбитофира, гранодиорита, горелых пород. Это позволяет создать фильтр из материала, имеющего химическое сродство с загрязнителем, содержащимся в очищаемой воде и осаждающимся на фильтре. Материал фильтра обладает повышенной абсорбционной способностью к загрязнителю. При этом практически вся поверхность фильтрующего материала является зародышами для осаждения коллоидных частиц загрязнителя и емкость фильтра в целом оказывается больше, чем у способа - прототипа, что позволяет увеличить фильтроцикл водоочистки. Кроме того, фильтрующий материал не требует необратимой замены: после повторной обработки и рассева он снова готов к использованию, а излишки материала, представляющие собой мелкие твердые частицы различного размера, могут быть использованы в других целях, например в производстве строительных материалов, красок и т.п.

Вторая задача - сокращение и удешевление технологии очистки воды от железосодержащих примесей достигается за счет замены цикла очистки с использованием фильтрующего материала из отсева дробленых горных пород или иного фильтрующего материала на очистку с помощью фильтрующего материала с повышенной абсорбционной способностью, полученного из накопленного и обезвоженного осадка. Таким образом, в соответствии с заявленным способом осаждение и агломерация загрязнителей проводятся без предварительной активации фильтрующего материала - в ней нет необходимости, т.к. осадок как материал фильтрования уже исходно обладает химическим сродством к коллоидным частицам загрязнителя в фильтруемой воде. Благодаря такому техническому решению упрощается и удешевляется технология очистки воды от железосодержащих примесей и достигается увеличение фильтроцикла благодаря возможности более продолжительного использования фильтра (увеличение времени между промывками) - не менее 48 часов.

Проведенный анализ уровня техники, включающий поиск по патентным и научно-техническим источникам информации, позволил установить, что технического решения, характеризующегося признаками, идентичными существенным признакам в заявляемых технических решениях, не обнаружено, что позволяет сделать вывод о соответствии заявляемого решения критерию «новизна».

Отличительные признаки позволяют решить поставленные задачи и сделать вывод о соответствии заявляемых технических решений критериям «изобретательский уровень» и «промышленная применимость».

Пример реализации способа.

Осадок водоочистки артезианской воды Томского месторождения в виде порошкообразной массы, представляющей собой гидроокись железа FeOOH (гетит) и включающей в себя смесь продуктов Fe(ОН)₃ и Fe₂O₃, подвергали прессованию в брикеты с размерами 40×50 мм плотностью до 2,6 г/см³, затем термически спекали в конгломерат при температуре 1200-1400°С, не доводя температуру спекания до температуры плавления. После охлаждения полученный материал дробили и рассеивали в размерные фракции послойно, причем основную фильтрующую массу составляла фракция 5÷2 мм, а поддерживающие слои составляли соответственно: предельно крупная фракция 40÷30 мм, крупная фракция 20÷10 мм и переходная к основному фильтрующему слою фракция 10÷5 мм. Полученный фильтрующий материал загружали послойно в фильтровальную колонку с общей высотой до 1,9 м. Высота основного фильтрующего слоя толщиной 5÷2 мм - 1.5 м, высота поддерживающих слоев соответственно 0.2 и 0.1 м, высота переходного слоя 0.1 м. При прогонке прошедшей аэрацию артезианской воды через фильтровальную колонку (подача воды в колонку снизу вверх) были получены результаты очистки воды по основным составляющим загрязнений (железо, марганец). Результаты сведены в таблицу.

Способ очистки	Основные элементы загрязнения, мг/л (по средним значениям)				Расчетная скорость фильтрации воды через фильтрующую загрузку, м/ч	Время фильтроцикла, ч
	Железо до очистки после очистки		Марганец до очистки после очистки
Способ по прототипу	2,64	0,15	0,18	0,071	8-10	24
Заявляемый способ	2,64	0,12	0,18	0,069	8-10	48