способ получения фильтрующей гранулированной загрузки производственно-технологических фильтров для очистки воды открытых источников водоснабжения

Формула изобретения

1. Способ получения фильтрующей гранулированной загрузки производственно-технологических фильтров для очистки воды открытых источников водоснабжения, включающий измельчение осадочной горной породы с последующим обжигом измельченного сырья, отличающийся тем, что обжиг осуществляют при высокоскоростном режиме в течение 20-25 минут со скоростью 30-35°C в минуту, при этом в качестве осадочной горной породы используют известняк следующего состава, в вес.%:

карбонат кальция (CaCO3)	79-84
карбонат магния (MgCO3)	1-3
органические примеси	3-4
глинистые включения	5-11
кварц	4-6

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что измельчение горной породы осуществляют до получения гранул размером 0,3-2,5 мм.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к области водоподготовки питьевой воды, в частности для очистки воды, забранной из поверхностных источников водоснабжения, и может быть использовано в системах водоподготовки в населенных пунктах для получения питьевой воды, соответствующей гигиеническим требованиям.

Известен способ получения гранулированного фильтрующего материала (RU 2375101, Кл. B01D 39/06, 2009 г.), используемого для очистки природных вод для хозяйственно-питьевого водоснабжения в фильтровальных сооружениях. Данный способ включает помол смеси компонентов, содержащих кембрийскую глину и доломит, приготовление суспензии, сушку и обжиг. В состав компонентов также входят гранитные отсевы, бой керамических изделий и стеклобой. Сушку осуществляют в кипящем слое, а обжиг - при температуре 650-700°С.

Способ получения слишком сложный из-за необходимости приготовления суспензии, которое требует достаточного количества воды с последующей ее утилизацией. Полученный же фильтрующий материал не достаточно эффективный, и, кроме того, он имеет небольшой диапазон извлекаемых из воды компонентов.

Известен способ изготовления фильтрующего материала (RU, 2219994, кл. B01J 20/02, B01J 20/06, B01J 20/30, 2003 г), относящийся к технологии изготовления фильтрующего материала на основе осадочных горных пород. Способ заключается в активации сырья на основе минерала, включающего, по меньшей мере, один карбонат и оксид кальция и/или магния, путем последовательного проведения следующих действий: обжиг измельченного сырья, обработку полученного полупродукта активатором, разделение жидкой и твердой фаз и сушку твердой фазы. При этом в качестве сырья используют, по меньшей мере, один из минералов, входящих в группу, содержащую осадочные горные породы типа доломитизированных известняков и доломитовых мраморов и минералы доломит, магнезит, кальцит, их искусственные или природные смеси, содержащие карбонаты кальция и магния в количестве не менее 95 мас.%, а в качестве активатора используют водные растворы солей железного купороса FeSO ₄, или соли Мора FeSO₄·NH₄(SO ₄) концентрацией 3-12 г/л и медного купороса CuSO₄ концентрацией 0,3-1,5 г/л. При этом, перед обжигом сырье подвергают дополнительной обработке, направленной на активацию поверхности частиц сырья, например путем введением поваренной соли NaCl в количестве 1-5 мас.% при нормальных условиях. Обжиг сырья производят при температуре 450-600°С в течение 1-6 ч.

Однако для получения фильтрующего материала по указанному способу в качестве сырья необходимо использовать высококачественные природные материалы, ограниченные жесткими характеристиками, а именно, высоким содержанием в породе карбонатов кальция и магния (не менее 95%), являющиеся довольно дорогостоящими. Кроме того, фильтрующий материал, полученный известным способом, ограничен сорбционными способностями, в основном он направлен для удаления взвешенных частиц, природных органических веществ, железа (Fe⁺² /Fe⁺³) и марганца. Способ достаточно энергоемкий из-за необходимости длительного от 1 до 6 часов обжига породы при 650-800°С.

В системе водоподготовки на одной из первых стадий часто применяют коагулянты, в качестве которых используют, как правило, доступные и дешевые соли слабых оснований - железа и алюминия - и сильных кислот: Fe₂(SO₄) ₃, FeCl₃, FeSO₄, Al₂(SO ₄)₃, AlCl₃, при взаимодействии которых с водой образуется новая малорастворимая высокопористая фаза, гидроксидов железа или алюминия. Происходит также соосаждение тяжелых металлов, по свойствам близких к вводимому в раствор коагулянту. Если известные фильтрующие материалы могут извлекать из воды железо и марганец, то ионы алюминия известными материалами из воды практически не извлекаются, что сказывается на качестве питьевой воды. Попадание А1³⁺ (так же, как и Hg ²⁺, и Pb²⁺) в сеть водоснабжения городов при очистке воды приводит к более высоким уровнем загрязнения данным металлом. Токсическое действие алюминия проявляется во влиянии на обмен веществ, в особенности на усвоение организмом минералов, на функцию нервной системы, в способности действовать непосредственно на клетки - их размножение и рост. К важнейшим клиническим проявлениям нейротоксического действия алюминия относят нарушения двигательной активности, судороги, снижение или потерю памяти и нервные отклонения. Увеличение концентрации алюминия в мозге ассоциируется с болезнью Альцгеймера, расстройствами типа слабоумия и даже смертью, главным образом престарелых людей. Также при применении коагулянтов повышается кислотность (pH) очищенной воды, которая также негативно действует на организм человека.

Задачей изобретения является использование дешевого природного сырья для получения фильтрующей гранулированной загрузки для очистки воды открытых источников водоснабжения, обеспечивающей глубокое извлечения остаточного алюминия и повышение щелочности воды.

Техническим результатом изобретения является повышение эффективности сорбционной способности и расширение диапазона извлекаемых элементов фильтрующей загрузки, а также повышение ее долговечности.

Поставленная задача и указанный технический результат достигаются тем, что в способе получения фильтрующей гранулированной загрузки производственно-технологических фильтров для очистки воды открытых источников водоснабжения, включающем измельчение осадочной горной породы с последующим обжигом измельченного сырья, согласно изобретению обжиг осуществляли при высокоскоростном режиме в течение 20-25 минут со скоростью 30-35°С в минуту, при этом в качестве осадочной горной породы используют известняк следующего состава, в вес.%:

карбонат кальция СаСО3	79-84
карбонат магния MgCO 3	1-3
органические примеси	3-4
глинистые включения	5-11
кварц	4-6

Измельчение горной породы осуществляют до получения гранул размером 0,3-2,5 мм.

Уменьшение карбонатной части породы меньше 79% CaCO₃ и 1% для MgCO₃ сказывается на активности фильтрующей загрузки из-за возрастания в сырье некарбонатной части (кварца, органических остатков и глинистых включений), а увеличение карбонатной части породы свыше 84% для CaCO₃ и 3% MgCO₃ не позволит получить загрузку с требуемыми характеристиками из-за недостаточного количества органических примесей и глинистых включений, обеспечивающих необходимую сорбционную емкость конечного продукта.

Содержание органических примесей в количестве 3-4% обеспечивает создание необходимого количества микротрещин в гранулах при нагреве породы и выгорании органики, которые являются центрами активации реакций осаждения железа и других загрязнителей, а также увеличивают поверхность гранул. За счет наличия органических включений в породе обеспечивается получение дополнительных внутренних и сквозных пор за счет их выгорания. При этом если содержание органических примесей будет меньше 3%, то увеличение поверхностной площади гранул при нагреве произойдет недостаточно, а увеличение включений свыше 4% снижает механические характеристики полученной фильтрующей загрузки. Наличие в известняке глинистых включений также увеличивает поверхностную площадь гранул. При этом если содержание глинистых включений будет меньше 5%, то увеличение поверхностной площади гранул при нагреве произойдет недостаточно, а увеличение глинистых включений свыше 11% снижает механические характеристики полученной фильтрующей загрузки. Наличие в известняке 4-6% кварца обеспечивает прочность фильтрующей загрузки, что сказывается на ее долговечности. При уменьшении его количества прочность гранул будет недостаточной, а увеличение количества кварца повлияет на активность фильтрующей загрузки. Высокоскоростной нагрев 30-35°С в минуту обеспечивает термические напряжения в материале, в результате чего появляются необходимые микротрещины. Экспериментальным путем подобрана скорость нагрева известняка, при этом при снижении скорости нагрева меньше 30°С в минуту не вызывает необходимое количество микротрещин, а больше 35°С в минуту вызывает излишнее разрушение материала. Время нагрева обусловлено предельной температурой. Если нагрев проводить меньше 20 мин, то не произойдет полного выгорания органики и спекания глины, а увеличение времени нагрева приведет к разложению известняка с получением извести. Размер фракций гранул от 0,3 до 2,5 мм подобран также экспериментальным путем, при этом при уменьшении размера частиц меньше 0,3 мм, при эксплуатации они легко уносятся потоком воды, а увеличение размера частиц больше 2,5 мм снижает поверхностную площадь гранул. Физико-механические характеристики загрузки: твердость, плотность и насыпная плотность, - подобраны экспериментально и соответствуют долгосрочному использованию фильтрующей загрузки. Отклонение от указанных параметров снижает качество загрузки при эксплуатации.

Способ получения гранулированной фильтрующей загрузки производственно-технологических фильтров для очистки воды открытых источников водоснабжения осуществляется следующим образом.

Исходное сырье - известняк добывали в карьерах месторождения Угловское (Новгородской области). Известняк измельчали сначала в щековых дробилках до фракции 5 мм, а затем в дезинтеграторе до размеров частиц от 0,3 до 2,5 мм. Химический состав щебня составил:

CaCO ₃ - 82%, MgCO₃ - 2%, органические примеси 5%, глинистые включения 6% и кварца 5%. Измельченный известняк нагревали в проходной барабанной печи в быстроскоростном режиме со скоростью нагрева 30-35°С. Далее полученный материал выгружали из печи и охлаждали его до температуры окружающей среды. Гранулы фильтрующего материала имели цвет от белого, до светло-коричневого цвета с мелкими темными вкраплениями, материал рассыпчатый, не слеживается. Физико-химические характеристики фильтрационной загрузки приведены ниже в таблице 1.

Готовый фильтрующий материал применяли для очистки воды из поверхностных источников водоснабжения в качестве загрузки фильтров второй ступени очистки питьевой воды, работающих по двухступенчатой схеме. Толщина фильтрующего слоя составляла от 1,5 до 2,5 м, в зависимости от конструкции фильтров. Скорость фильтрации - 6 м/ч, а форсированная - до 7,5 м/ч. Продолжительность фильтрации от 12 до 72 часов с последующей обратной фильтра промывкой от 12 до 15 л/сек через 1 м³ . За счет выбора оптимального размера гранул фильтрующей загрузки и его физико-механических характеристик (твердости, истираемости и измельчаемости) во время эксплуатации происходит обновление поверхности гранул, которая активизирует сорбцию элементов из воды.

При проведении натурных испытаний на водозаборах рек Вишера и Ветлуга, а также Рыбинского водохранилища, было показано, что даже при дозах алюминия более 100 мг/л, содержание остаточного алюминия не превышало 0,16 мг/л. При дозах алюминия после первой ступени очистки, содержание остаточного алюминия не превышает 0,02-0,05 мг/л. Натурные испытания показали, что значение рН в очищенной воде не снижается ниже значений 7,4, а щелочность находится на уровне 1,3-1,5 мг-экв/см³ .

В настоящее время на заявляемую фильтрующую загрузку разработаны технические условия, получено экспертное заключение ФГБУ «Научно-исследовательского института экологии человека и гигиены окружающей среды им. А.Н. Сысина» о проведении санитарно-эпидемиологической экспертизы фильтрующего материала согласно нормативным документам и Единым санитарно-эпидемиологическим и гигиеническим требованиям. (Таблица 2). Этим же институтом экспериментально подтверждено (таблица 3) возможность широкого диапазона извлекаемых химических элементов из водных вытяжек. Данные таблицы наглядно иллюстрируют и эффективность фильтрующего материала, и широкий диапазон извлекаемых из воды элементов.

В настоящее время способ получения гранулированной фильтрующей загрузки производственно-технологических фильтров для очистки воды открытых источников водоснабжения и сама фильтрующая загрузка проходит промышленные испытания, готовится внедрение данной разработки в производство и активное использование для очистки поверхностной воды.

Физико-химические характеристики фильтрационной загрузки

Таблица 1
Диапазон диаметров гранул, составляющих не менее 95% от массы материала, в мм	0,3-2,5%
Коэффициент неоднородности K=d80/dl0%	1,2-2,0
Твердость по Моосу, балл	2,0-3,0
Плотность в г/см3	2,4-2,5
насыпная плотность, г/см3	1,25-1,35
Измельчаемость, в %, не более	4,0
Истираемость, в %, не более	0,5

Таблица 2.
Сравнительный анализ гранулированных фильтрующих материалов при равных условиях эксплуатации, для открытых источников водоснабжения
№	Характеристики, показатели	Кварцевый песок (ТУ 5717-001-57402391-04)	Гидроатранцит (ТУ 0321-001-188996991-99)	Фильтрующая загрузка
1	Ресурсная емкость по железу на 1 дм 3 загрузки, г	1	До 2	3
2	Ресурсная емкость по марганцу на 1 дм 3 загрузки, г	0.3	0,5	1
3.	Ресурсная емкость по алюминию на 1 дм3 загрузки, г	Не удаляет	До 0,2	0,8
4	Ресурсная емкость по металлам (Zn, Ni, Cr, Cd, Hg, Cu, As, Pb, Md, Br, Ba, Sr, Bi) на 1 дм3 загрузки, г	До 0,5 (выборочно)	До 0,8 (выборочно)	1
5	Органические соединения (в том числе гуматы и остатки фульвовых кислот, хлорорганика)	Не удаляет	До 2	5
6	рН воды, обработанной сорбентами	Снижает до 6,4 после реагентов	Снижает до 6,5 после реагентов	Повышает до 7,5-8,0

Таблица 3
Содержание химических элементов в водных вытяжках после фильтрующего материала
№	Элемент	Содержание (мкг/л)		ПДК в воде по СанПиН мкг/л
		Контроль (содержание в исходной воде)	Фильтрующая загрузка
1	литий	4,6	0,07	30
2	натрий	17000	1400	200000
3	магний	14000	1700	50000
4	алюминий	25	6,9	200
5	кремний	3700	910	10000
6	марганец	44	3,3	100
7	кобальт	0,18	0,02	100
8	медь	12	2,2	1000
9	цинк	1500	<2	5000
10	бром	27	<4	200
11	рубидий	2	0,35	100
12	стронций	230	120	7000
13	свинец	4,4	0,4	30
14	молибден	0,56	0,39	250
15	серебро	9,2	0,03	50
16	кальций	67000	19000	-
17	барий	42	16	700
18	ниобий	0,02	0,01	0,10
19	калий	4000	520	-
20	цирконий	1,9	0,02	-