Патент на изобретение №2285669

(54) СПОСОБ ОЧИСТКИ ПОДЗЕМНЫХ ВОД ОТ ЖЕЛЕЗА, МАРГАНЦА И СОЛЕЙ ЖЕСТКОСТИ

(57) Реферат:

Изобретение относится к области очистки подземных вод от железа, марганца, сероводорода, диоксида углерода и солей жесткости для питьевых целей. Способ включает окисление соединений железа и марганца с одновременной дегазацией сероводорода и диоксида углерода на незатопленной гранулировано-волокнистой полимерной загрузке с толщиной слоя 1,0-1,5 м, диаметром гранул 10-30 мм, диаметром нитей волокна 1-2 мм при удельном расходе подаваемого противотоком воздуха 4-10 м³/ч на м³ исходной воды и удельной гидравлической нагрузке по обрабатываемой воде 6-8 м/ч³ на м² поверхности слоя, доокисление соединений железа и марганца, обезжелезивание и деманганацию ведут на неоднородной полимерной плавающей гранулированной загрузке с диаметром гранул 0,7-2,5 мм при толщине слоя загрузки 1,4-1,6 м и скорости фильтрации 4,5-8 м/ч при осуществлении процесса очистки в самотечном режиме в одном реакторе-фильтре, а умягчение с применением едкого натра в количестве 2,5-3,5 мг-экв/дм³ осуществляют во взвешенном слое инертной мелкозернистой контактной массы с диаметром зерен 0,1-0,2 мм, толщиной взвешенного слоя 1,5-1,7 м и удельной гидравлической нагрузкой по воде 50-60 м³/час на м² с последующей глубокой доочисткой фильтрованием через зернистый фильтрующий слой с толщиной слоя 1,0-1,5 м, диаметром зерен 1-2 мм, со скоростью фильтрации 8-12 м/ч. Способ обеспечивает очистку подземных вод до качества питьевой воды при одновременном удешевлении способа. 4 табл.

Изобретение относится к области очистки подземных вод от железа, марганца, сероводорода, диоксида углерода и солей жесткости для питьевых целей.

Известен способ очистки воды от железа и марганца путем оксидирования примесей, их деструкции окислением кислородом воздуха при аэрации очищаемой воды и последующего ее контактирования в фильтрующем реакторе, оснащенном носителем с закрепленными на последнем микроорганизмами. Предусмотрена промывка фильтрующего реактора обратным током воды (см. заявку DE №10044696, А1 МПК C 02 F 1/64 с приоритетом 08.09.2000 г., опубл. 21.03.2002 г.).

Недостатками известного способа являются отсутствие возможности умягчения воды, содержащей соли жесткости – кальций и магний, накопление остаточных загрязнений и вторичное загрязнение воды при промывке носителя фильтрующего реактора.

Известен способ очистки подземных вод от железа для питьевого водоснабжения путем разбрызгивания воды над поверхностью зернистой загрузки, контактирования очищаемой воды с водовоздушной смесью, инжектируемой противотоком по отношению к очищаемой воде, отдувке воздухом содержащихся в воде газов при одновременном насыщении ее кислородом. При этом объем водовоздушной смеси в два раза превышает объем воды, подаваемой на очистку (см. патент RU №2181109, МПК C 02 F 1/64 с приор. 27.01.2000 г., опубл. 10.04.2002 г.).

Недостатком известного способа является отсутствие возможности умягчения воды, кроме того, объем водовоздушной смеси, в два раза превышающий объем воды, подаваемой на очистку, недостаточен для отдувки агрессивных газов – сероводорода и углерода. Недостатком способа является также интенсивный прирост потерь напора в загрузке при содержании железа более 5 мг/л и увеличение числа требуемых промывок.

Известен способ очистки подземных вод от железа при водозаборе пресноводных источников, заключающийся в подаче очищаемой воды в окислитель, контактировании ее с воздухом, подаваемым водовоздушным инжектором, с последующей обработкой воды в режиме кавитации и пропусканием ее через блок предварительной очистки и далее через блок тонкой очистки, оснащенный микропористыми картриджами из материала пространственно-глобулярной структуры. Предусмотрена промывка картриджей (см. патент RU №41722, МПК C 02 F 1/64, 9/02 с приоритетом 18.06.2004 г., опубл. 10.11.2004 г.)

Недостатком известного способа является отсутствие возможности умягчения воды и необходимость замены картриджей из-за неизбежного снижения их производительности во времени и невозможности полного восстановления пропускной способности.

Известен способ очистки подземных вод от железа, марганца и солей жесткости, наиболее близкий по назначению и технической сущности к заявляемому, заключающийся в аэрации исходной воды, в процессе которой происходит окисление соединений железа и марганца кислородом воздуха, доокислении соединений железа до форм гидроксида, обезжелезивании и деманганации, осуществляемых в напорном фильтре, заполненном инертной загрузкой, фильтрации на Na-катионитовом фильтре через ионообменную смолу КУ-2 для удаления солей жесткости и электродиализном обессоливании. В качестве инертной загрузки на стадии окисления фильтрацией используют кварцевый песок, кварцит, альбитофир, гранодиорит, горелые породы и др. Предусматривается промывка фильтра обратным током воды (см. патент RU №2182890, МПК C 02 F 1/469 с приор. 08.12.2000 г., опубл. 27.05.2002 г.).

Недостатком известного способа является отсутствие возможности эффективной предочистки подземных вод, содержащих одновременно железо, марганец, сероводород, диоксид углерода перед умягчением, и невозможность из-за этого обеспечить выполнение норм, предъявляемых к качеству питьевых вод, высокая стоимость способа и его сложность, обусловленные осуществлением раздельных процессов: аэрации в безнапорном аэраторе, в процессе которой происходит окисление соединений железа, фильтрования в напорном режиме через инертную загрузку, фильтрования для удаления органических соединений и фильтрования через ионообменную смолу КУ-2 в Na⁺-форме, не позволяющих удалить из воды агрессивные газы: сероводород и диоксид углерода и достаточно эффективно осуществить процесс обезжелезивания и деманганации на инертной загрузке с невысокой удельной поверхностью зерен и из-за неэффективной ее промывки (требуется мощный насос с удельной производительностью не менее 15 л/сек/м², что влечет за собой высокие энергозатраты и расход воды на промывку), что делает способ малоэффективным и экономически невыгодным.

Недостатком известного способа является также сложность и длительность регенерации Na-катионитового фильтра, которая требует приготовления регенерационного раствора, взрыхления загрузки чистой водой в течение до 30-40 минут, насыщения загрузки 7%-ным регенерационным раствором хлористого натрия в течение 40 минут с последующей длительной промывкой чистой водой в течение 30-40 минут; регенерация Na-катионитовых фильтров приводит к образованию большого количества рассолов, утилизация которых весьма сложна и дорогостояща.

Техническим результатом предлагаемого изобретения является возможность очистки подземных вод, содержащих одновременно железо, марганец, сероводород, диоксид углерода и соли жесткости до норм, предъявляемых к качеству питьевых вод при одновременном удешевлении способа.

Технический результат достигается тем, что в способе очистки подземных вод от железа, марганца и солей жесткости, включающем окисление соединений железа и марганца кислородом воздуха, доокисление двухвалентного железа до форм его гидроксида, обезжелезивание и деманганацию фильтрованием на инертной загрузке, умягчение, окисление двухвалентного железа и марганца с одновременной дегазацией сероводорода и диоксида углерода осуществляют на незатопленной гранулировано-волокнистой полимерной загрузке с толщиной слоя 1,0-1,5 м, диаметром гранул 10-30 мм, диаметром нитей волокна 1-2 мм при удельном расходе подаваемого противотоком воздуха 4-10 м³/ч на м³ исходной воды и удельной гидравлической нагрузке по исходной воде 6-8 м³/ч на м² поверхности слоя, доокисление соединений железа и марганца, обезжелезивание и деманганацию ведут на неоднородной полимерной плавающей гранулированной загрузке с диаметром гранул 0,7-2,5 мм при толщине слоя загрузки 1,4-1,6 м и скорости фильтрации 4,5-8 м/ч при осуществлении процесса очистки в самотечном режиме в одном реакторе-фильтре, а умягчение с применением едкого натра в количестве 2,5-3,5 мг-экв/дм³ осуществляют во взвешенном слое инертной мелкозернистой контактной массы с диаметром зерен 0,1-0,2 мм, толщиной взвешенного слоя 1,5-1,7 м и удельной гидравлической нагрузкой по воде 50-70 м³/ч на м² с последующей глубокой доочисткой фильтрованием через зернистый фильтрующий слой с диаметром гранул 1-2 мм, толщиной слоя 1-1,5 м со скоростью фильтрования 8-12 м/ч.

Способ очистки подземных вод от железа, марганца и солей жесткости осуществляют следующим образом:

Исходную подземную воду с pH 6,5-7,5, содержащую сероводород – H₂S=0,7-2,5 мг/дм³, диоксид углерода – CO₂=60-120 мг/дм³, железо общее – Fe_общ=1,5-15 мг/дм³, марганец – Mn⁺²=0,15-0,5 мг/дм³ и соли жесткости – Са и Mg – Ж_общ=8-12 мг-экв/дм³, подают рассредоточенным потоком над гранулировано-волокнистой загрузкой реактора-фильтра, одновременно подавая при этом под загрузку через диспергаторы воздух с удельным расходом 4-10 м³/м³ исходной воды.

При этом происходит процесс дегазации обрабатываемой воды – удаление сероводорода и диоксида углерода с одновременным окислением двухвалентного железа и марганца кислородом воздуха на поверхности и в порах гранулировано-волокнистой загрузки с диаметром синтетических нитевидных волокон d_в=1-2 мм, длиной l_в=0,5-0,8 мм, диаметром гранул вспененного пенополистирола (пенопласта) d_п=10-30 мм и толщиной слоя загрузки Н_п=1,0-1,5 м. При этом удельный расход воздуха составляет q_возд=4-10м³/ч на м³ воды, а удельная гидравлическая нагрузка по исходной воде q_воды=6-8 м³/ч на м² поверхности слоя.

Эффективному протеканию процесса дегазации способствует равномерное распределение “отдувочного” воздуха, подаваемого под комбинированную гранулировано-волокнистую загрузку и проходящего через нее. Заявляемые параметры загрузки с развитой поверхностью способствуют также эффективному протеканию процесса окисления двухвалентного железа и марганца кислородом воздуха.

При удельном расходе воздуха менее 4 м³/ч на м³ воды происходит недостаточное окисление двухвалентного железа и марганца кислородом воздуха, что не позволяет в итоге достичь технического результата.

При удельном расходе воздуха более 10 м³/ч на м³ воды воздух расходуется нерационально, что приводит к неоправданно высоким энергозатратам без заметного улучшения качества очистки.

При удельной гидравлической нагрузке по исходной воде менее 6 м³/ч на м² поверхности слоя неоправданно увеличивается стоимость процесса очистки.

При удельной гидравлической нагрузке по исходной воде более 8 м³/ч на м² поверхности слоя снижается эффект обезжелезивания и деманганации, что также не позволяет достичь технического результата.

Вода после дегазации и окисления содержит: Н₂S=0,03-0,06 мг/дм³, CO₂=10-30 мг/дм³, Fe_общ=4,8-5,6 мг/дм³, Mn=0,05-0,2 мг/дм³, Ж_общ=10-12 мг-экв/дм³.

Данные, свидетельствующие о целесообразности заявляемых параметров процесса дегазации сероводорода и диоксида углерода и окисления двухвалентного железа и марганца, представлены в таблице №1.

При дальнейшем нисходящем движении воды последняя со скоростью 4,5-8 м/ч фильтруется через нижележащий слой неоднородной полимерной плавающей загрузки с диаметром гранул от 0,7 до 2,5 мм и толщиной слоя 1,4-1,8 м, удерживаемой от всплытия решеткой, где происходит доокисление содержащихся в воде соединений железа и марганца, обезжелезивание и деманганация очищаемой воды.

Использование неоднородной полимерной плавающей загрузки с развитой удельной поверхностью обеспечивает повышение грязеемкости фильтрующего слоя в 3-4 раза по сравнению с известной загрузкой.

Заявляемые скорость и уменьшение толщины слоя способствуют предотвращению проскока в фильтрат соединений железа и марганца и предотвращают рост потерь напора.

Увеличение рекомендуемой скорости и уменьшение толщины слоя загрузки приводят к проскоку в фильтрат соединений железа и марганца и вызывают интенсивный рост потерь напора.

Уменьшение рекомендуемой скорости и увеличение толщины слоя загрузки приводят к неоправданному удорожанию процесса.

Данные, свидетельствующие о целесообразности заявляемых параметров доокисления, обезжелезивания и деманганации, представлены в таблице №2.

Предусматривается промывка плавающей загрузки нисходящим потоком исходной воды, что исключает применение промывных насосов.

Вода на выходе из реактора-фильтра содержит: Н₂S=0,01-0,03 мг/дм³, СО₂=5-10 мг/дм³, Fe_общ=0,3-0,2 мг/дм³, Mn=0,03-0,05 мг/дм³, Ж_общ=8-12 мг-экв/дм³.

Таким образом, процесс дегазации, обезжелезивания и деманганации протекает в самотечном режиме в одном реакторе-фильтре.

Далее очищенную до минимальных концентраций сероводорода, диоксида углерода, железа и марганца воду подают на умягчение, осуществляемое во взвешенном слое инертной мелкозернистой контактной массы с диаметром частиц 0,1-0,2 мм, толщиной взвешенного слоя 1,5-1,7 м и удельной гидравлической нагрузкой по воде 50-60 м³/ч на м², с предварительной обработкой воды 4%-ным раствором NaOH с дозой 2,5-3,5 мг-экв/дм³.

Традиционный процесс умягчения в аналогичном взвешенном слое инертной мелкозернистой контактной массы без предварительной дегазации, обезжелезивания и деманганации на 30-40% дороже за счет большего расхода щелочи.

Затем умягченную воду подвергают глубокой доочистке фильтрованием через слой зернистой загрузки с диаметром 1-2 мм, толщиной слоя 1,0-1,5 м и скоростью фильтрации 8-12 м/ч.

Заявляемые параметры фильтрования и скорости фильтрации позволяют устранить мутность в случае ее появления.

Умягчение, осуществляемое во взвешенном слое инертной мелкозернистой контактной массы с заявляемыми параметрами при предварительной обработке воды 4%-ным раствором NaOH с дозой 2,5-3,5 мг-экв/дм³ и заявляемые параметры зернистой загрузки и скорости фильтрования позволяет получить воду питьевого качества, соответствующего требованиям СанПиН 2.1.4.1074-01 при одновременном сокращении стоимости очистки.

Данные, свидетельствующие о целесообразности заявляемых параметров процесса умягчения и доочистки, представлены в таблице №3.

Очищенная и умягченная вода имеет следующий состав: Н₂S=0,001-0,035 мг/дм³, CO₂=0,03-0,045 мг/дм³, Fe_общ=0,08-0,09 мг/дм³, Mn=0,01-0,008 мг/дм³, Ж_общ=5,0-6,5 мг-экв/дм³, что соответствует требованиям, предъявляемым к качеству питьевых вод.

Пример №1.

Исходную подземную воду с pH 7, содержащую сероводород Н₂S=1,6 мг/дм³, диоксид углерода CO₂=90 мг/дм³, железо общее Fe_общ=10 мг/дм³, марганец Mn=0,35 мг/дм³ и соли жесткости – кальций и магний Ж_общ.=11 мг-экв/дм³ рассредоточенным потоком с удельной гидравлической нагрузкой по исходной воде 6,0 м³/ч на м² поверхности слоя подают на гранулировано-волокнистую загрузку реактора-фильтра, одновременно подавая при этом под загрузку через диспергаторы воздух с удельным расходом 4 м³/ч на м³ исходной воды.

На незатопленной гранулировано-волокнистой загрузке и в ее порах с толщиной слоя загрузки 1 м, диаметром гранул вспененного пенополистирола 10 мм, диаметром нитей 1 мм происходит процесс удаления из воды сероводорода и углекислоты с одновременным частичным окислением двухвалентного железа и марганца кислородом воздуха.

Вода со скоростью фильтрования 4,5 м/ч фильтруется сверху вниз через нижележащую неоднородную плавающую загрузку из гранул вспененного полистирола с диаметром гранул 0,7 мм и толщиной слоя 1,4 м; при этом происходит доокисление, обезжелезивание и деманганация воды.

Очищенную от сероводорода, диоксида углерода, железа и марганца воду подвергают обработке 4%-ным раствором NaOH в количестве 2,5 мг-экв/дм³ и умягчению в вихревом реакторе во взвешенном слое мелкозернистой контактной массы с диаметром частиц 0,1 мм и толщиной взвешенного слоя 1,5 м при удельной гидравлической нагрузке 50 м³/ч на м².

Далее умягченную воду подвергают доочистке фильтрованием через слой зернистой загрузки с диаметром зерен 1,0 мм, толщиной слоя 1,0 м со скоростью фильтрования 8 м/ч.

Очищенная и умягченная вода имеет следующий состав: H₂S=0,001 мг/дм³, CO₂=0,045 мг/дм³, Fe_общ=0,08 мг/дм³, Mn=0,01 мг/дм³, Ж_общ=6,5 мг-экв/дм³.

Пример №2.

Способ осуществляют аналогично примеру №1 при следующих средних значениях всех параметров.

Поток исходной воды подается с удельной гидравлической нагрузкой по исходной воде 7,0 м³/ч на м² поверхности слоя, воздух – с удельным расходом 7 м³/ч на м³ исходной воды подают под загрузку с толщиной слоя загрузки 1,25 м, диаметром гранул вспененного пенополистирола 20 мм, диаметром нитей волокна 1,5 мм. Вода со скоростью фильтрования 6,5 м/ч фильтруется сверху вниз через нижележащую неоднородную плавающую загрузку из гранул вспененного полистирола с диаметром гранул 1,6 мм и толщиной слоя 1,5 м; очищенную от сероводорода, диоксида углерода, железа и марганца воду подвергают обработке 4%-ным раствором NaOH в количестве 3,0 мг-экв/дм³ и умягчение осуществляют в вихревом реакторе во взвешенном слое мелкозернистой контактной массы с диаметром частиц 0,15 мм и толщиной взвешенного слоя 1,6 м при удельной гидравлической нагрузке 55 м³/ч на м²; доочистку фильтрованием ведут через слой зернистой загрузки с диаметром зерен 1,5 мм, толщиной слоя 1,25 м со скоростью 10 м/ч.

Очищенная вода имеет следующий состав:

Н₂S=0,015 мг/дм³, CO₂=0,03 мг/дм³, Fe_общ=0,09 мг/дм³, Mn=0,008 мг/дм³, Ж_общ=6,0 мг-экв/дм³.

Пример №3.

Способ осуществляют аналогично примеру №1 и при максимальных значениях всех параметров.

Поток исходной воды подается с удельной гидравлической нагрузкой по исходной воде 8,0 м³/ч на м² поверхности слоя, воздух с удельным расходом 10 м³/ч на м³ исходной воды подается под загрузку с толщиной слоя загрузки 1,5 м, диаметром гранул вспененного пенополистирола 30 мм, диаметром нитей волокна 2,0 мм. Вода со скоростью фильтрования 8,0 м/ч фильтруется сверху вниз через нижележащую неоднородную плавающую загрузку из гранул вспененного полистирола с диаметром гранул 2,5 мм и толщиной слоя 1,6 м; очищенную от сероводорода, диоксида углерода, железа и марганца воду подвергают обработке 4%-ным раствором NaOH в количестве 3,5 мг-экв/дм³ и умягчение осуществляют в вихревом реакторе во взвешенном слое мелкозернистой контактной массы с диаметром частиц 0,2 мм и толщиной взвешенного слоя 1,7 м при удельной гидравлической нагрузке 60 м³/ч на м²; доочистку фильтрованием ведут через слой зернистой загрузки с диаметром зерен 2 мм, толщиной слоя 1,5 м со скоростью 12 м/ч.

Очищенная вода имеет следующий состав:

Н₂S=0,035 мг/дм³, CO₂=0,04 мг/дм³, Fe_общ=0,085 мг/дм³, Mn=0,009 мг/дм³, Ж_общ=5,0 мг-экв/дм³.

Данные, свидетельствующие о целесообразности заявляемых параметров процесса умягчения и доочистки, представлены в таблице №3.

Данные, свидетельствующие о преимуществе предложенного способа по сравнению с известным, приведены в таблице №4.

Только совокупность таких признаков, как:

– осуществление дегазации, окисления, доокисления и обезжелезивания в самотечном режиме в одном реакторе-фильтре при одновременных интенсивных процессах удаления сероводорода и диоксида углерода и окисления железа и марганца за счет использования фильтрующей загрузки с развитой поверхностью (с заявляемыми параметрами), при определенном расходе воздуха и удельной гидравлической нагрузке, доокисления и обезжелезивания на неоднородной полимерной плавающей гранулированной загрузке с высокой грязеемкостью, позволяющих свести к минимуму количество загрязнений;

– дальнейшее умягчение предварительно очищенной воды во взвешенном слое инертной мелкозернистой контактной массы с применением едкого натра в количестве 2,5-3,5 мг-экв/дм³ и заявляемыми параметрами процесса с последующей глубокой доочисткой фильтрованием через зернистый фильтрующий слой с заявляемыми параметрами дает возможность решить поставленную задачу – очистить подземные воды, содержащие одновременно сероводород, диоксид углерода, железо, марганец и соли жесткости и удешевить способ очистки этих вод за счет исключения дорогостоящего процесса Na-катионирования.

Дополнительным преимуществом является упрощение способа, обеспечиваемое за счет одновременной дегазации, окисления двухвалентного железа и марганца, доокисления соединений железа и марганца в самотечном режиме в одном аппарате – реакторе-фильтре с последующим умягчением предварительно очищенной воды во взвешенном слое мелкозернистой контактной массы и глубокой доочисткой, позволяющим исключить по сравнению с известным способом такие операции, как: приготовление регенерационных растворов, собственно регенерацию – взрыхление загрузки чистой водой, насыщение загрузки раствором хлористого натрия, отмывку загрузки чистой водой и обработку регенерационных растворов.

Предложенный способ очистки подземных вод от железа, марганца и солей жесткости для питьевых целей по сравнению с известным обеспечивает удешевление способа на 15-20%.

Формула изобретения

Способ очистки подземных вод от железа, марганца и содей жесткости, включающий окисление соединений железа и марганца кислородом воздуха, доокисление двухвалентного железа до форм его гидроксида, обезжелезивание и деманганацию фильтрованием на инертной загрузке и умягчение, отличающийся тем, что окисление двухвалентного железа и марганца с одновременной дегазацией сероводорода и диоксида углерода осуществляют на незатопленной гранулировано-волокнистой полимерной загрузке с толщиной слоя 1,0-1,5 м, диаметром гранул 10-30 мм, диаметром нитей волокна 1-2 мм при удельном расходе подаваемого противотоком воздуха 4-10 м³/ч на м³ исходной воды и удельной гидравлической нагрузке по исходной воде 6-8 м³/ч на м² поверхности слоя, доокисление соединений железа и марганца, обезжелезивание и деманганацию ведут на неоднородной полимерной плавающей гранулированной загрузке с диаметром гранул 0,7-2,5 мм при толщине слоя загрузки 1,4-1,6 м и скорости фильтрации 4,5-8 м/ч при осуществлении процесса очистки в самотечном режиме в одном реакторе-фильтре, а умягчение с применением едкого натра в количестве 2,5-3,5 мг-экв/дм³ осуществляют во взвешенном слое инертной мелкозернистой контактной массы с диаметром зерен 0,1-0,2 мм, толщиной взвешенного слоя 1,5-1,7 м и удельной гидравлической нагрузкой по воде 50-60 м³/ч на м², с последующей глубокой доочисткой фильтрованием через зернистый фильтрующий слой с диаметром гранул 1-2 мм, толщиной слоя 1-1,5 м, со скоростью фильтрования 8-12 м/ч.