способ очистки природных вод

Классы МПК:C02F9/04 по крайней мере одна ступень является химической обработкой
C02F1/58 удалением специфических растворенных соединений
C02F1/52 флоккуляцией или осаждением взвешенных загрязнений
C02F1/28 сорбцией
Автор(ы):, ,
Патентообладатель(и):Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Национальный исследовательский Томский политехнический университет" (RU)
Приоритеты:
подача заявки:
2013-01-24
публикация патента:

Изобретение относится к области очистки природных вод и может быть использовано для получения питьевой воды. Способ очистки природных вод включает окисление, нейтрализацию и двухстадийную фильтрацию. Окисление с одновременным переводом примесей в растворимое состояние проводят раствором угольной кислоты, получаемой при насыщении исходной воды диоксидом углерода. Нейтрализацию образовавшихся соединений проводят раствором гидроксида кальция с концентрацией 1-1,3 г/л с последующим удалением осадка сначала в отстойнике и на фильтре с нейтральной засыпкой, а затем на фильтре со слабоосновной засыпкой. Изобретение позволяет удалять из воды соединения железа, марганца, бикарбонатов щелочно-земельных металлов, кремниевой кислоты и ее солей и органические примеси, упростить схему очистки воды и снизить содержание примесей до значений, не превышающих предельно допустимых концентраций. 2 з.п. ф-лы, 1 ил., 1 табл.

Рисунки к патенту РФ 2524965

способ очистки природных вод, патент № 2524965

Изобретение относится к области очистки воды и может быть использовано для получения питьевой воды из поверхностных и подземных источников.

Известен способ обработки воды в жидкостно-газовом эжекторе кислородом воздуха, подающимся в эжектор при давлении 0,3-0,7 ата, и последующей обработкой воды минеральной кислотой (Патент RU 2208598 С1, МПК C02F 9/08, опубл. 20.07.2003). Недостатком способа является необходимость использования минеральной кислоты, соли которой в очищенной воде необходимо удалять, что требует усложнения установки.

Известен способ очистки питьевой воды (Патент RU 2238912 C2, МПК C02F 1/64, опубл. 20.08.2003), включающий последовательную обработку очищаемой воды перманганатом калия и пероксидом водорода с последующим фильтрованием. Недостатком способа является необходимость использования дефицитного и неустойчивого пероксида водорода.

Наиболее близким по технической сущности к заявленному является способ очистки воды от примесей железа, марганца, углекислоты и органических примесей, включающий аэрацию воды воздухом, последовательное окисление гипохлоритом натрия и подщелачивание известью в смесителях с последующим двухстадийным фильтрованием. На первой стадии фильтрования на осветительном фильтре (кварцевый песок) задерживаются гидроксиды железа, марганца, а также сера, затем осветленную воду дополнительно подвергают окислению гипохлоритом натрия и пропускают через сорбционный фильтр (А.С. SU 1368846, C02F 9/00, опубл. 23.01.1988).

Недостатком известного способа является двукратное использование при очистке питьевой воды гипохлорита натрия, неполнота очистки от коллоидных железоорганических частиц, повышение жесткости исходной воды и невозможность очистки от примесей анионного характера, в частности кремниевой кислоты и ее растворимых солей.

Задачей изобретения является комплексная очистка воды из подземных и поверхностных (речных, озерных, болотных) источников за счет удаления из воды соединений железа, марганца, бикарбонатов щелочно-земельных металлов, кремниевой кислоты и ее солей и органических примесей, упрощение схемы очистки воды и снижение содержания примесей до значений, не превышающих предельно допустимых концентраций.

Поставленная задача решается тем, что в способе очистки природных вод, включающем окисление, нейтрализацию и двухстадийное фильтрование, окисление с одновременным переводом примесей в растворимое состояние проводят раствором угольной кислоты, получаемой при насыщении исходной воды диоксидом углерода, а нейтрализацию образовавшихся соединений проводят раствором гидроксида кальция с концентрацией 1-1.3 г/л с последующим удалением осадка сначала в отстойнике и на фильтрате с нейтральной засыпкой, а затем на фильтре со слабоосновной засыпкой.

Насыщение исходной воды диоксидом углерода производят путем его подачи во всасывающий патрубок центробежного насоса при давлении диоксида углерода более 0,1 МПа.

В качестве слабоосновной засыпки на второй стадии фильтрации используется брусит Mg(OH)2 с размером зерен 3-10 мм.

Железо в природных водах может находиться в виде ионов двухвалентного железа, в виде коллоидных органических и неорганических соединений и в виде истинного раствора органических соединений двух- и трехвалентного железа. В водах рек и озер, особенно болотного происхождения, железо может содержаться в виде органических соединений или в коллоидной форме. Марганец в подземной водах содержится в виде солей двухвалентного марганца, хорошо растворимых в воде. В поверхностных водах марганец может содержаться в виде коллоидных или комплексных органических соединений (Справочник проектировщика. Водоснабжение населенных мест и промышленных предприятий- М.: Стройиздат, 1977, с.191-193).

При аэрировании природных вод в результате окисления кислородом воздуха соединения железа и марганца переходят в нерастворимое состояние в виде коллоидных Fe(OH)3 и Мn(ОН)4. Аналогичные процессы протекают и при контакте кислорода воздуха с поверхностными водами, сопровождающимися процессами адсорбции гуминовых и других органических соединений на поверхности коллоидных частиц гидроксидов с образованием весьма устойчивых комплексов нанодисперсного размера, удаление которых из воды является сложной технической проблемой. В предлагаемом способе вместо аэрации используется насыщение исходной воды диоксидом углерода, в результате чего образуется раствор угольной кислоты с концентрацией CO2 в воде в пределах 60-440 мг/л, (pH 6,2-4,1) при 20°C. При взаимодействии угольной кислоты с коллоидными органоминеральными частицами гидроксидов железа и марганца происходит разрушение этих частиц и образуются водорастворимые гидрокарбонаты металлов по реакциям:

способ очистки природных вод, патент № 2524965

способ очистки природных вод, патент № 2524965

способ очистки природных вод, патент № 2524965

Технологическая схема насыщения исходной воды диоксидом углерода и ее очистки представлена на фиг.1.

Исходная вода из бака 1 по трубопроводу 2 поступает в центробежный насос 3, во всасывающий патрубок которого из баллона 4 подается диоксид углерода при давлении 0,05-0,15 МПа. При вращении рабочего колеса насоса газожидкостная смесь под действием центробежной силы радиально отбрасывается к внутренней поверхности улитки насоса, где возникает повышенное давление, под действием которого увеличивается интенсивность насыщения воды диоксидом углерода. Величина давления в нагнетающем патрубке насоса обусловлена величиной напора, который необходимо создать для преодоления всех гидравлических сопротивлений, возникающих на всем тракте движения воды. Внутри улитки насоса происходит не только растворение газа в воде, но и начинают протекать реакции (1-3).

Под действием напора, создаваемого насосом 3, вода через регулировочный кран 5 поступает в промежуточную емкость 6 для завершения процессов растворения диоксида углерода в воде и далее в конический реактор 7 с насадкой из инертного заполнителя (гравий, керамзит) с размером зерен 10-20 мм. В нижнюю часть реактора 7 с помощью насоса 8 из емкости 9 подается известковая вода с концентрацией гидроксида кальция 1,17-1,22 г/л (А.В.Волженский. Минеральные вяжущие вещества. - М.: Стройиздат, 1986, с.92). При приготовлении известковой воды используется либо исходная вода, либо вода, подаваемая из фильтра первой ступени очистки 10 центробежным насосом 11, которая поступает в нижнюю часть емкости 9 и, проходя через слой засыпки (кассету) гидроксида кальция, насыщается им. При контакте известковой воды с водой, насыщенной диоксидом углерода, в реакторе 7 протекают следующие реакции:

способ очистки природных вод, патент № 2524965

способ очистки природных вод, патент № 2524965

способ очистки природных вод, патент № 2524965

способ очистки природных вод, патент № 2524965

способ очистки природных вод, патент № 2524965

При протекании реакций (4-8) образуются практически нерастворимые в воде соединения: кальцит CaCO 3, доломит CaCO3·MgCO3, сидерит FeCO3, карбонат марганца МnСO3 и гидросиликаты кальция CaO·SiO2·2H2O. По такой же схеме происходит образование других металлов, ионы которых присутствуют в исходной воде.

Вода из реактора 7 поступает в отстойник 12, в котором в результате протекания процесса самопроизвольной коагуляции (автокоагуляция), происходит осветление воды. Осветленная вода поступает на фильтр первой ступени очистки 10, заполненный нейтральной насадкой (кварцевый песок, глинистые сланцы, полипропиленовая вата, дробленые горелые и цеолитовые породы), а затем на фильтр второй ступени очистки 13, заполненный слабоосновной насадкой, в качестве которой используется дробленый брусит Mg(OH)2 с размером зерен 3-10 мм. Очищенная вода поступает в емкость 14, откуда центробежным насосом 15 подается в водопроводную сеть чистой питьевой воды.

Пример исполнения.

Предложенный способ испытан при очистке скважинной воды с концентрацией железа 5,6 мг/л, марганца 0,18 мг/л, органических гумусовых веществ 3,8 мгO 2/л и кремния 20 мг/л при pH 7,5±0,2. 200 мл воды с температурой 15°C помещали в стеклянный стакан с плотной крышкой, снабженный мешалкой (500 об/мин) и патрубком для подачи непосредственно в воду диоксида углерода из баллона при 0,05-0,15 МПа. Насыщение воды газом проводили в течение 1, 3, 5, и 10 мин. После насыщения воды диоксидом углерода вода переливалась из мешалки в стеклянный стакан, в который приливалась известковая вода в соотношении 2:1. После приливания известковой воды к воде, насыщенной углекислотой, наблюдалось во всех случаях образование мути, которая через 5-10 мин объединялась в хлопья за счет автокоагуляции, и после дополнительного перемешивания, оседания осадка и отстаивания проводилась фильтрация на однослойном бумажном фильтре. В полученном фильтрате определялось содержание примесей железа, марганца, кремния и органики. Все данные по насыщению исходной воды углекислотой и по содержанию примесей после нейтрализации известковой водой представлены в таблице, анализ которой позволяет сделать следующие выводы:

- концентрация углекислоты, растворенной в воде, зависит от давления подаваемого газа и времени контакта воды с диоксидом углерода;

- удовлетворительные результаты по насыщению воды CO2 получаются при давлении CO2 более 0,1 МПа в течение 5-10 мин;

- содержание определяемых примесей в воде после ее очистки не превышает значений ПДК.

Большое значение в предлагаемом способе очистки воды имеет предварительное насыщение воды углекислотой, в результате чего вода приобретает кислотные свойства, в которой растворяются коллоидные органоминеральные частицы и за счет этого происходит разрушение этих частиц. Процесс нейтрализации такой воды известковой водой сопровождается образованием сначала нанодисперсных частиц с последующим объединением их в хлопья, которые не растворимы в воде и обладают высокой адсорбционной способностью. Все эти факты подтверждают высокую эффективность предлагаемого способа очистки воды, которой невозможно достичь при использовании многих известных способов. Предлагаемый способ очистки воды является простым в осуществлении, не требует использования дефицитных реагентов, а образующиеся осадки представляют собой экологически безвредные карбонаты различных металлов. Способ можно использовать для снабжения питьевой водой небольших населенных пунктов, вахтовых поселков в районах Сибири и Крайнего Севера.

Способ очистки природных вод
Давление CO2 , МПаВремя насыщения воды CO2, минКонцентрация CO2 в воде, мг/л Значение pH водыСодержание примесей после очистки воды, мг/л
Железо (ПДК=0,3 мг/л)Марганец (ПДК=0,1 мг/л)Кремний (ПДК=10 мг/л) Органика (ПДК=5 мг O2/л)
способ очистки природных вод, патент № 2524965 160 6,22,3 0,1618,03,2
способ очистки природных вод, патент № 2524965 3160 5,80,8 0,1117,52,9
0,055 2505,1 0,250,0712,5 2,7
способ очистки природных вод, патент № 2524965 10340 4,60,22 0,0512,02,5
способ очистки природных вод, патент № 2524965 190 6,00,91 0,1417,62,8
способ очистки природных вод, патент № 2524965 3180 5,50,72 0,1014,32,5
0,105 2805,0 0,200,0710,2 2,0
способ очистки природных вод, патент № 2524965 10360 4,40,20 0,0510,02,0
способ очистки природных вод, патент № 2524965 1140 5,80,82 0,1216,22,8
0,153 2205,3 0,240,0711,4 2,4
способ очистки природных вод, патент № 2524965 5340 4,70,18 0,059,82,0
способ очистки природных вод, патент № 2524965 10440 4,10,15 0,059,51,8

ФОРМУЛА ИЗОБРЕТЕНИЯ

1. Способ очистки природных вод, включающий окисление, нейтрализацию и двухстадийную фильтрацию, отличающийся тем, что окисление с одновременным переводом примесей в растворимое состояние проводят раствором угольной кислоты, получаемой при насыщении исходной воды диоксидом углерода, а нейтрализацию образовавшихся соединений проводят раствором гидроксида кальция с концентрацией 1-1,3 г/л с последующим удалением осадка сначала в отстойнике и на фильтре с нейтральной засыпкой, а затем на фильтре со слабоосновной засыпкой.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что насыщение исходной воды диоксидом углерода производят путем его подачи во всасывающий патрубок центробежного насоса при давлении диоксида углерода более 0,1 МПа.

3. Способ по п.1, отличающийся тем, что в качестве слабоосновной засыпки на второй стадии фильтрации используют брусит Mg(OH)2 с размером зерен 3-10 мм.


Скачать патент РФ Официальная публикация
патента РФ № 2524965

patent-2524965.pdf
Патентный поиск по классам МПК-8:

Класс C02F9/04 по крайней мере одна ступень является химической обработкой

Патенты РФ в классе C02F9/04:
автоматизированная система предварительной очистки сточных вод рыбообрабатывающего предприятия -  патент 2527460 (27.08.2014)
способ очистки воды -  патент 2523480 (20.07.2014)
установка для подготовки обессоленной воды для производства синтез-газа -  патент 2506233 (10.02.2014)
способ очистки сточной воды от цианид-ионов -  патент 2501743 (20.12.2013)
комбинированный способ очистки сточных вод, содержащих органические загрязнения -  патент 2480423 (27.04.2013)
устройство осаждения фосфора из сточных вод -  патент 2480422 (27.04.2013)
способ комплексной очистки промышленных сточных вод, образующихся в производстве особо чистого кварцевого концентрата -  патент 2480421 (27.04.2013)
способ очистки вод подземных источников от сероводорода и примесей и устройство для его реализации -  патент 2478577 (10.04.2013)
способ и станция очистки и обеззараживания воды -  патент 2477707 (20.03.2013)
способ очистки сточных вод от ионов алюминия -  патент 2468997 (10.12.2012)

Класс C02F1/58 удалением специфических растворенных соединений

Патенты РФ в классе C02F1/58:
способ очистки природных или сточных вод от фтора и/или фосфатов -  патент 2528999 (20.09.2014)
способ очистки сточных вод от анионоактивных поверхностно-активных веществ -  патент 2516510 (20.05.2014)
способ трубопроводного транспорта многофазной многокомпонентной смеси -  патент 2503878 (10.01.2014)
способ очистки сточной воды от цианид-ионов -  патент 2501743 (20.12.2013)
способ очистки сточных вод от фосфатов -  патент 2498942 (20.11.2013)
удаление перхлората из концентрированных солевых растворов с использованием амфотерных ионообменных смол -  патент 2482071 (20.05.2013)
способ утилизации отработанного раствора химического никелирования -  патент 2481421 (10.05.2013)
способ очистки сточных вод от ионов алюминия -  патент 2468997 (10.12.2012)
композиция для обработки воды -  патент 2465014 (27.10.2012)
способ очистки сточных вод от кобальта, марганца и брома -  патент 2460694 (10.09.2012)

Класс C02F1/52 флоккуляцией или осаждением взвешенных загрязнений

Патенты РФ в классе C02F1/52:
способ получения водорастворимого реагента для очистки природных и сточных вод и разделения фаз -  патент 2529536 (27.09.2014)
способ получения жидкого средства для очистки воды -  патент 2528381 (20.09.2014)
способ очистки сточных вод от взвешенных веществ и нефтепродуктов -  патент 2525245 (10.08.2014)
система обработки воды с балластной флоккуляцией и седиментацией, с упрощенной рециркуляцией осадка и соответствующий ей способ -  патент 2523819 (27.07.2014)
система оборотного водоснабжения для мойки автомашин -  патент 2523802 (27.07.2014)
способ очистки воды -  патент 2523480 (20.07.2014)
способ очистки сточных вод от анионоактивных поверхностно-активных веществ -  патент 2516510 (20.05.2014)
композиции для доведения до кондиции грязевых отходов -  патент 2514781 (10.05.2014)
способ очистки жидкости флотацией -  патент 2502678 (27.12.2013)
статический декантатор для предварительного сгущения ила с обработки воды и установка, содержащая такой декантатор -  патент 2501742 (20.12.2013)

Класс C02F1/28 сорбцией



Наверх