способ очистки подземных вод от железа и марганца и малогабаритная установка для его осуществления

Формула изобретения

1. Способ очистки подземных вод от железа и марганца, включающий аэрацию исходной воды, окисление с последующим фильтрованием через зернистую загрузку, отличающийся тем, что предварительно воду подщелачивают в контактной зоне бака-аэратора до рН 8,5-8,8 с одновременной подачей сжатого воздуха, для доокисления используют гипохлорит натрия, а фильтрование осуществляют через двухслойную загрузку.

2. Малогабаритная установка очистки подземных вод от железа и марганца, содержащая устройство для аэрации, комплекс дозирования подщелачивающего реагента, напорный обезжелезивающий фильтр, отличающаяся тем, что дополнительно содержит комплекс дозирования окислителя, компрессор, бак-аэратор, объединяющий устройство для аэрации, смеситель и контактную зону, напорную контактную камеру, фильтр грубой механической очистки, фильтр тонкой очистки, бак чистой воды, насосы второго и третьего подъемов, при этом сначала вода проходит фильтр грубой механической очистки, далее поступает в бак-аэратор, затем установлена насосная станция второго подъема, напорная контактная камера, напорный обезжелезивающий фильтр, фильтр тонкой очистки, бак чистой воды, насосная станция третьего подъема.

Описание изобретения к патенту

Изобретения относятся к реагентной очистке подземных вод с высоким содержанием железа и марганца и могут быть использованы для водоснабжения небольших жилых поселков, баз отдыха, загородных коттеджей, усадеб и фермерских хозяйств.

Известен способ очистки воды от марганца, заключающийся в пропускании ее через фильтрующую загрузку, причем в качестве фильтрующей загрузки используют марганцевую руду карбонатного типа, термически модифицированную при 400-600°C в течение не менее 30 мин, которая одновременно является катализатором процесса окисления марганца до малорастворимого оксида марганца. Способ обеспечивает упрощение и удешевление очистки воды от марганца за счет исключения операции возобновления каталитических свойств фильтрующей загрузки химическими реагентами (патент РФ № 2184708, C02F 1/64, 2001).

Данный способ позволяет достичь остаточных концентраций марганца 0,1 мг/л. Это удовлетворяет требованиям СанПиН 2.1.4.1074-01 "Гигиенические требования к качеству воды централизованных систем питьевого водоснабжения. Контроль качества".

Однако эта технология не позволяет обеспечить необходимое качество очищенной воды по марганцу в условиях низкого pH (менее 6,5) и щелочности (менее 2+[Fe²⁺]/28). Кроме того, при наличии в воде любой из форм органического железа на поверхности гранул каталитического материала со временем образуется органическая пленка, изолирующая катализатор - диоксид марганца - от воды. Таким образом, вся каталитическая способность каталитической загрузки сводится к нулю.

Известен способ активной деманганации жидкости, включающий вакуумирование и смешение потока жидкости путем диспергирования с окислителем, подачу полученной газожидкостной смеси в корпус с незатопленной фильтрующей загрузкой и последующий раздельный отвод очищенной жидкости и газа, причем поток жидкости перед вакуумированием разделяют и направляют через соответствующие вакуумные распылительные головки. Вакуумные зоны распылительных головок сообщают между собой. Подача окислителя в сообщающуюся вакуумную зону осуществляется за счет самовсасывания, и далее происходит процесс интенсивного перемешивания или реагирования с очищаемой жидкостью. Подача в качестве окислителя озоновоздушной смеси обеспечивает в короткоцикловом массообмене окисление органических и неорганических трудноокисляемых веществ, (патент РФ № 2230708, C02F 1/64, 2003).

В этом же патенте описано устройство, которое содержит корпус с фильтрующей загрузкой, патрубок для подачи жидкости, снабженный соплом с насадком Вентури и расположенным концентрично с внешней стороны сопла смесителем, выполненным в виде присоединенных к последнему цилиндров с калибровочными отверстиями и с последовательно увеличивающимся диаметром и длиной, и патрубок для отвода очищенной воды и газа. Патрубок подачи жидкости снабжен распределителем потока жидкости с выходными участками, каждый из которых соединен с соплом с насадком Вентури, а смесители размещены в замкнутых зонах, сообщенных между собой вакуумной линией, которая соединена с дополнительным патрубком подвода окислителя.

Недостатком данного способа и устройства является громоздкое оборудование, для размещения которого необходимы большие площади. К тому же необходим высокий уровень систем автоматики для деструкции избыточного озона, так как он высокотоксичен и может поражать органы дыхания. Оборудование достаточно дорогостоящее. Возможно образование побочных продуктов озонолиза.

Известен способ очистки питьевой воды, включающий последовательную обработку очищаемой воды перманганатом калия и пероксидом водорода с последующим фильтрованием на песчаных фильтрах, причем пероксид водорода подают в соотношении 1:3 к избытку перманганата калия, а соотношение доз перманганата калия и пероксида водорода при обработке воды составляет соответственно от 15:1 до 6:1. Кроме того, перманганат калия дозируют в избытке по отношению к его стехиометрическому количеству, необходимому для окисления двухвалентного железа и марганца. Способ обеспечивает повышение степени очистки питьевой воды от железа и марганца при их совместном присутствии, включая коллоидные формы соединений этих металлов, в условиях низких температур, низкой щелочности и пониженной жесткости воды (патент РФ № 2238912, C02F 1/64, 2003).

Данный способ позволяет достичь остаточных концентраций по железу и марганцу соответственно 0,3 и 0,1 мг/л. Это удовлетворяет требованиям СанПиН 2.1.4.1074-01 "Гигиенические требования к качеству воды централизованных систем питьевого водоснабжения. Контроль качества".

К недостаткам указанного способа следует отнести большие затраты дорогостоящих реагентов (перманганата калия и перекиси водорода), а также возможные проскоки железа и марганца в очищенную воду при колебаниях их исходных концентраций. К тому же эта технология не позволяет обеспечить необходимое качество очищенной воды по железу и марганцу в условиях низкого показателя рН (менее 6,5).

Наиболее близким к предлагаемому способу является комбинированный метод очистки воды от железа, выбранный в качестве прототипа, предусматривающий ее аэрацию, окисление, известкование (вариант), коагулирование, флокулирование (вариант) с последующим отстаиванием или обработкой в слое взвешенного осадка и фильтрование через зернистую загрузку (Николадзе Г.И. Обезжелезивание природных и оборотных вод. - М.: Стройиздат, 1978, с.43).

Недостатком данного способа является сложность технологического процесса водоподготовки, требующего применения большого количества реагентов (извести, хлора, коагулянта, флокулянта), громоздкое оборудование, для размещения которого необходимы большие площади. Все это, к тому же, значительно удорожает процесс очистки питьевой воды. Введение в воду хлора может приводить к образованию токсичных летучих соединений - тригалометанов (ТГМ).

Наиболее близкой к предлагаемой установке является водоочистная установка типа "Струя", выбранная в качестве прототипа, включающая аэрационный бак, насос исходной воды, тонкослойный отстойник, скорый фильтр, водонапорную башню, блок подщелачивания воды, блок обеззараживания воды, насосы-дозаторы (Минц Д.М. Установки малой производительности для очистки и обеззараживания питьевых и сточных вод. - М.: Стройиздат, 1974, с.11).

Недостатком данной установки является сложность технологического процесса эксплуатации тонкослойных отстойников, громоздкое оборудование, для размещения которого необходимы большие площади, а также наличие водонапорной башни. Все это, к тому же, значительно удорожает процесс очистки питьевой воды.

Предлагаемыми изобретениями решается задача удаления из подземной воды высоких концентраций железа (до 20 мг/л) и марганца (до 2,2 мг/л) при наличии в воде сероводорода, углекислоты, высокой окисляемости, в условиях низких температур, низкого pH (менее 6,5) и щелочности (менее 2+[Fe ²⁺]/28).

Для получения такого технического результата в предлагаемом способе, включающем аэрацию исходной воды, окисление с последующим фильтрованием через зернистую загрузку, воду предварительно подщелачивают в контактной зоне бака-аэратора до рН 8,5-8,8, с одновременной подачей сжатого воздуха, для доокисления используют гипохлорит натрия, а фильтрование осуществляют через двухслойную загрузку.

Для достижения названного технического результата предлагается малогабаритная установка, содержащая устройство для аэрации, комплекс дозирования подщелачивающего реагента, напорный обезжелезивающий фильтр, дополнительно содержит комплекс дозирования окислителя, компрессор, бак-аэратор, объединяющий устройство для аэрации, смеситель и контактную зону, напорную контактную камеру, фильтр грубой механической очистки, фильтр тонкой очистки, бак чистой воды, насосы второго и третьего подъемов.

Предлагаемые изобретения поясняются чертежом

Предлагаемый способ осуществляется следующим образом. Исходную воду сначала аэрируют в специальном устройстве для аэрации. Затем воду подщелачивают в контактной зоне бака-аэратора до рН 8,5-8,8 с одновременной подачей сжатого воздуха. Интенсивность подачи сжатого воздуха составляет 3-5 л/с на 1 м². Для подщелачивания воды используют, например, раствор едкого натра. Далее для доокисления соединений железа и марганца в воду вводят гипохлорит натрия. Доза рабочего (8%) раствора гипохлорита натрия составляет 100-190 мг/л. Фильтрование осуществляют через двухслойную загрузку. Скорость фильтрования составляет 3-8 м/ч. В качестве загрузки обезжелезивающего фильтра используют, например, смесь каталитических фильтрующих материалов: Сорбент АС - 0,7-1,5 мм (верхний слой)+Сорбент МС - 0,5-1,0 мм (нижний слой).

Заявителем экспериментально было показано, что при выходе за указанные пределы изменения интенсивности подачи сжатого воздуха (3-5 л/с на 1 м² ) в контактной зоне бака-аэратора в сторону уменьшения наблюдается ухудшение перемешивания реагента с водой и в целом эффективности очистки, а в сторону увеличения - существенно возрастает производительность и мощность компрессора.

При этом экспериментально было показано, что наиболее эффективными диапазонами рабочих параметров являются: рН в контактной зоне бака-аэратора 8,5-8,8; доза 8% раствора гипохлорита натрия 100-190 мг/л; скорость фильтрования 3-8 м/ч. При несоблюдении данных параметров наблюдалось снижение степени очистки воды от железа и марганца.

При проведении экспериментов были исследованы следующие окислители: гипохлорит натрия, гипохлорит кальция, перманганат калия. Эксперименты показали, что для доокисления соединений железа и марганца наиболее эффективно использовать (8%) раствор гипохлорита натрия. При введении остальных указанных окислителей наблюдалось снижение степени очистки воды от железа и марганца.

В результате экспериментов было установлено, что в качестве двухслойной загрузки обезжелезивающего фильтра наиболее эффективно использовать смесь каталитических фильтрующих материалов: Сорбент АС - 0,7-1,5 мм (верхний слой)+Сорбент МС - 0,5-1,0 мм (нижний слой). При несоблюдении указанных параметров наблюдалось снижение степени очистки воды от железа и марганца.

Малогабаритная установка состоит из фильтра грубой механической очистки 1, комплекса дозирования подщелачивающего реагента 2, бака-аэратора 3, объединяющего устройство для аэрации 4, смеситель и контактную зону 5, компрессора 6, насоса второго подъема 7, комплекса дозирования окислителя 8, напорной контактной камеры 9, напорного обезжелезивающего фильтра 10. Установка также содержит фильтр тонкой очистки 11, бак чистой воды 12, насос третьего подъема 13.

Малогабаритная установка работает следующим образом. Исходная вода из скважины под давлением 25-45 м подается в бак-аэратор 3. Перед баком-аэратором 3 вода проходит фильтр грубой механической очистки 1 для удаления крупных механических примесей размером более 100 мкм. Аэрация исходной воды осуществляется в устройстве для аэрации 4, расположенном в аэрационной зоне бака-аэратора 3. Для аэрации используют, например, щелевые насадки. Аэрация обеспечивает удаление избытка углекислоты и сероводорода, а также гидрокарбонат железа, который является непрочным, легко гидролизующимся в воде соединением. Бак-аэратор 3 объединяет устройство для аэрации 4, смеситель и контактную зону 5. В контактную зону 5 бака-аэратора 3 вводиться подщелачивающий реагент 2, для повышения рН воды до 8,5-8,8, создавая благоприятные условия для окисления железа и марганца. В качестве подщелачивающего реагента используют, например, раствор едкого натра. Для интенсификации процесса перемешивания вводимого подщелачивающего реагента с обрабатываемой водой в контактную зону 5 подается воздух от компрессора 6. Бак-аэратор 3 оборудован краном для опорожнения и сброса накопившегося осадка (на чертеже не показан). Бак-аэратор 3 снабжен поплавковым регулятором уровня (на чертеже не показан), управляющим работой погружного и перекачивающего насоса 7, компрессора 6 и комплекса дозирования 2. Далее вода насосной станцией второго подъема 7 подается в напорную контактную камеру 9. Перед этим при помощи комплекса дозирования окислителя 8 в воду вводится окислитель - гипохлорит натрия. Под действием гипохлорита натрия происходит разрушение гуматов и других органических соединений железа и марганца, а также последующий переход их в форму неорганических солей трехвалентного железа и четырехвалентного марганца, которые легко гидролизуются с выпадением в осадок, который извлекается при фильтровании через двухслойную каталитическую загрузку, расположенную в напорном обезжелезивающем фильтре 10. Обезжелезивающий фильтр 10 оборудован напорной линией для промывки и сброса накопившегося осадка. Промывка фильтра 10 происходит в автоматическом режиме по объему очищенной воды. Сигнал на промывку поступает от встроенного счетчика воды. Управление процессом промывки осуществляется автоматическим блоком управления. Затем вода проходит фильтр тонкой очистки 11, где из нее удаляются взвешенные частицы размером более 5-10 мкм. Очищенная вода накапливается в баке чистой воды 12, откуда при помощи насосной станции третьего подъема 13 подается потребителю в необходимом количестве и с требуемым напором. Промывка обезжелезивающего фильтра 10 проводится очищенной водой с интенсивностью 8-14 л/с на 1 м².

Пример 1. По приведенному выше описанию и предложенному способу очистка подземных вод от железа и марганца на малогабаритной установке для его осуществления производительностью 0,5 м³/час проводилась в натурных условиях, непосредственно у подземного источника водоснабжения. Показатели качества исходной воды и результаты ее очистки представлены в таблице 1.

Данные таблицы 1 показывают, что способ очистки подземных вод от железа и марганца и малогабаритная установка для его осуществления обеспечивают требуемую степень очистки подземной воды по железу, марганцу, окисляемости, мутности и цветности.

Пример 2. По приведенному выше описанию и предложенному способу очистка подземных вод от железа и марганца на малогабаритной установке для его осуществления производительностью 0,5 м³/час проводилась в натурных условиях, непосредственно у подземного источника водоснабжения. Показатели качества исходной воды и результаты ее очистки представлены в таблице 2.

Данные таблицы 2 показывают, что способ очистки подземных вод от железа и марганца и малогабаритная установка для его осуществления обеспечивают требуемую степень очистки подземной воды по железу, марганцу, окисляемости, мутности и цветности.

Положительный эффект предложенного способа и малогабаритной установки для его осуществления заключается в том, что из подземной воды удаляется высокие концентрации железа (до 20 мг/л) и марганца (до 2,0 мг/л) при наличии в воде сероводорода, углекислоты, высокой окисляемости, в условиях низких температур, низкого рН (менее 6,5) и щелочности (менее 2+[Fe²⁺]/28).

Таблица 1
Показатели качества	Исходная вода	Очищенная вода	Норматив
Температура, °C	5	8	-
рН, ед	5,9	8,8	6-9
Мутность, мг/л	7,4	0,7	1,5
Цветность, градусы	66,0	менее 5,0	20,0
Сероводород, мг/л	4,5	0,05	-
Железо общее, мг/л	14,6	0,23	0,3
Марганец, мг/л	2,2	0,08	0,1
Щелочность, мг-экв/л	1,5	-	-
Окисляемость перманганатная, мг O2/л	10,4	1,5	5,0

Таблица 2
Показатели качества	Исходная вода	Очищенная вода	Норматив
Температура, °C	4	8	-
рН, ед	6,25	8,7	6-9
Мутность, мг/л	6,1	менее 0,58	1,5
Цветность, градусы	50,0	менее 5,0	20,0
Железо общее, мг/л	18,0	0,20	0,3
Марганец, мг/л	0,8	0,05	0,1
Щелочность, мг-экв/л	2,2	-	-
Окисляемость перманганатная, мг O2/л	4,88	0,5	5,0