Способ получения питьевой воды

 

Изобретение относится к технике очистки природных и сточных вод и может быть использовано для получения питьевой воды. Способ получения питьевой воды включает озонирование, 2-стадийную фильтрацию через зернистый фильтрующий углеродный материал, причем на первой стадии пропускают со скоростью 8-10 м/ч через мезопористый углеродный материал с размером зерен 1,0-3,5 мм, удельной поверхностью по азоту 13-18 м²/г, емкостью пор 0,3-0,6 см³/г, прочностью на раздавливание 250-500 кг/см³, преимущественным размером пор 500-2000 при времени контакта 10-15 мин. На второй стадии воду, очищенную на первой стадии, пропускают со скоростью 8-15 м/ч через мезопористый углеродный материал с размером зерен 0,5-2,5 мм, удельной поверхностью по азоту 450-600 м²/г, прочностью на раздавливание 100-350 кг/см³, преимущественным размером пор 20-1000, при времени контакта 10-25 мин, при этом предварительное озонирование воды осуществляют при концентрации озона 1,5-10 г/м³ в течение 25-30 мин. Регенерацию углеродного материала первой и второй стадии фильтрации воды осуществляют потоком воды снизу вверх со скоростью 15-25 м/ч с одновременной подачей воздуха в количестве 2-3 м³ на 1 м ³ подаваемой воды в течение 20-30 мин периодичностью 24 ч. Дополнительную регенерацию углеродного материала второй стадии фильтрации воды осуществляют кипячением его в воде, разогретой путем подачи в нее пара с температурой 120-200^oC снизу вверх в количестве 0,5-1 кг/ч на каждый кг углеродного материала в течение 20-60 мин периодичностью 240-360 ч с последующей промывкой слоя водо-воздушной смесью в указанных выше соотношениях. Способ позволяет производить эффективную очистку воды от солей железа и марганца, их комплексных соединений с органическими веществами, а также фенола и производных с получением кондиционной питьевой воды. 2 з.п. ф-лы, 1 табл., 1 ил.

Изобретение относится к технике очистки природных и сточных вод.

Известен способ очистки воды фильтрованием, включающий пропускание воды в направлении снизу вверх через слои зернистой фильтрующей загрузки из песка и топливного шлака, которые отличаются размером и пористостью зерен [1] Недостаток способа заключается в том, что он не позволяет очистить воду от солей железа и марганца, а также органических соединений, содержащих фенол и его производные.

Известен способ очистки, применяемый на станции приготовления питьевой воды, включающий озонирование, одностадийную фильтрацию и вторичное озонирование [2] Недостаток способа заключается в том, что он не обеспечивает очистку воды от комплексных соединений металлов и органических веществ, которые содержатся, например, в подземных водах.

На решение проблемы очистки воды от солей железа и марганца, их комплексных соединений с органическими веществами, а также фенола и производных, получения тем самым кондиционной питьевой воды направлен способ очистки воды, включающий озонирование, 2-стадийную фильтрацию через зернистый фильтрующий углеродный материал, при этом на первой стадии воду пропускают со скоростью 8-10 м/ч через мезопористый углеродный материал с размером зерен 1,0-3,5 мм, удельной поверхностью по азоту 15-18 м²/г, емкостью пор 0,05-0,06 см³/г, прочностью на раздавливание 250-500 кг/см³, преимущественным размером пор 500-2000 при времени контакта 10-15 мин.

На второй стадии воду, очищенную на первой стадии, пропускают со скоростью 8-15 м/ч через мезопористый углеродный материал с размером зерен 0,5-2,5 мм, удельной поверхностью по азоту 450-600 м²/г, емкостью пор 0,6-1,0 см³/г, прочностью на раздавливание 100-350 кг/см³, преимущественным размером пор 20-1000 , при времени контакта 10-25 мин, при этом предварительное озонирование воды осуществляют при концентрации озона 1,5-10 г/м³ в течение 25-30 мин.

Регенерацию углеродного материала первой и второй стадии фильтрации воды при этом осуществляют потоком воды снизу вверх со скоростью 15-25 м/ч с одновременной подачей воздуха в количестве 2-3 м³ на 1 м³ подаваемой воды в течение 20-30 мин периодичностью 24 ч. Дополнительную регенерацию углеродного материала второй стадии фильтрации воды осуществляют кипячением его в воде, разогретой путем подачи в нее пара с температурой 120-200^oC снизу вверх в количестве 0,5-1 кг/ч на каждый кг углеродного материала в течение 20-60 мин периодичностью 240-360 ч с последующей промывкой слоя водо-воздушной смесью в указанных выше соотношениях.

Полученные в последнее время данные указывают на высокую устойчивость содержащихся в воде комплексных соединений металлов с органическими веществами гумусового ряда (гуминовые кислоты, фульвокислоты). Комплексообразование металлов с органическими кислотами способствует удержанию их в растворенном состоянии, что создает большие трудности при очистке воды, особенно в получении питьевой воды в соответствии с требованиями стандарта.

Предлагаемый способ получения питьевой воды позволяет обеспечить качество питьевой воды в соответствии с требованиями стандарта при высокой эффективности использовании озона и углеродных материалов в двухстадийной фильтрации воды при регенерации углеродных материалов непосредственно в аппаратах фильтрации воды.

На чертеже представлена схема реализации предлагаемого способа получения питьевой воды.

Исходную воду подают в смесительную колонну 1, куда подают также через специальные диспергаторы озоно-воздушную смесь, обеспечивая концентрацию озона 1,5-10 г/м³ воды. Обогащенную озоном воду направляют в емкость 2, в которой продолжаются окислительные процессы водоподготовки в течение 25-30 мин. Из емкости 2 обработанную озоном воду подают насосом 3 в фильтр первой стадии фильтрации 4, где вода проходит сверху вниз со скоростью 8-10 м/ч через слой мезопористого углеродного материала с размером зерен 1-3,5 мм, удельной поверхностью по азоту 15-18 м²/г, емкостью пор 0,05-0,06 см³/г, прочностью на раздавливание 250-5000 кг/см³, преимущественным размером пор 500-2000 , высота которого обеспечивает время контакта воды с углеродным материалом 10-15 мин. Из фильтра первой стадии фильтрации 4 воду направляют в фильтр второй стадии фильтрации 5, где вода также проходит сверху вниз со скоростью 8-15 м/ч через слой мезопористого углеродного материала с размером зерен 0,5-2,5 мм, удельной поверхностью по азоту 450-600 м²/г, емкостью пор 0,6-1 см³/г, прочностью на раздавливание 100-350 кг/см³, преимущественным размером пор 20-1000 , высота которой обеспечивает время контакта воды с углеродным материалом 10-25 мин (для обеспечения необходимого времени контакта можно установить последовательно два фильтра второй стадии фильтрации, как показано на чертеже). После фильтра 5 воду подают в емкость очищенной воды 6, из которой направляют на повторное озонирование в смесительную колонну 7, из которой насосом 8 очищенную и обезвреженную воду направляют потребителю в накопительный резервуар (не показан). Периодически через 24 ч осуществляют регенерацию углеродного материала первой и второй стадии фильтрации. При этом прекращают подачу воды насосом 3 в фильтр 4, а насосом 8 в накопительный резервуар, а также подачу озоно-воздушной смеси в смесительные колонны 1 и 7. Насосом 8 подают очищенную воду из емкости 6 через смесительную колонну 7 в линию 9 регенерации фильтров, одновременно в нее подают воздух от компрессора (не показан). Водо-воздушную смесь из линии 9 направляют в фильтры 4 и 5 снизу вверх через слой углеродного материала. При скорости потока воды 7-25 м/ч и расходе воздуха 2-3 м³ на 1 м³ подаваемой воды продукты окисления комплексных соединений, содержащихся в воде и задержанных в слое углеродного материала, удаляют из фильтров в линию продуктов регенерации 10 и далее в отстойник (не показан) в течение 15-30 мин. Фильтры 5 второй стадии фильтрации дополнительно регенерируют через 240-360 ч. При этом сначала осуществляют регенерацию углеродного материала водновоздушной смесью, как указано выше. Затем в линию регенерации 9 подают пар с температурой 120-200^oC в количестве 0,5-1 кг/ч на каждый кг углеродного материала в течение 20-60 мин. При этом высокопористый углеродный материал подвергают регенерации при кипячении воды непосредственно в фильтре 5 с удалением продуктов, сорбированных в порах углеродного материала, в линию продуктов регенерации 10. Завершают регенерацию промывкой слоя водо-воздушной смесью при указанных выше соотношениях воды и воздуха и временем в течение 15-30 мин.

Пример 1. Предлагаемым способом получения питьевой воды очищают воду из скважины с цветностью 120^o, мутностью 2,0 мг/л, содержащую 25 мг/л органических веществ, 1,5 мг/л железа, 0,5 мг/л марганца. Исходную воду подают в смесительную колонну 1, в нее же подают озоно-воздушную смесь исходя из концентрации озона на 1 м³ очищаемой воды, равной 1,5 г/м³. Время пребывания воды в смесительной колонне составляет 5 мин, далее воду направляют в емкость 2, где время пребывания ее составляет 25 мин. Из емкости 2 воду подают насосом 3 в фильтр 4 со слоем углеродного материала с размером зерен 1-2 мм, удельной поверхностью по азоту 16 м²/г, емкостью пор 0,2 см³/г, прочностью на раздавливание 400 кг/см³, преимущественным размером пор 500-2000 . Высота слоя составляет 2000 мм. Скорость подачи воды сверху вниз составляет 9,6 м/ч, время контакта с углеродным материалом 12,5 мин. Из фильтра 4 воду подают в фильтр 5 со слоем углеродного материала с размером зерен 1-2 мм, удельной поверхностью по азоту 500 м²/г, емкостью пор 0,8 см³/г, прочностью на раздавливание 200 кг/см³, преимущественным размером пор 20-1000 , высота 2000 мм, скорость подачи воды сверху вниз 9,6 м/ч, время контакта с углеродным материалом 12,5 мин. Из фильтра 5 воду подают в емкость 6 и далее в смесительную колонну 7, в которую подают озоно-воздушную смесь исходя из концентрации озона, равной 0,5 г/м³ очищаемой воды. На выходе из колонны 7 вода имела цветность 15^o, мутность 0,7 мг/л, содержала органических веществ 0,1 мг/л, железа 0,2 мг/л, марганца 0,08 мг/л. Через 24 ч работы установки цветность очищенной воды повышается, что указывает на необходимость регенерации углеродных материалов в фильтрах 4 и 5.

Останавливают насос 3, прекращают подачу озоно-воздушной смеси в колонны 1 и 7. Насосом 8 подают очищенную воду из емкости 6 через колонну 7 в линию регенерации 9, одновременно подают воздух от компрессора. При этом скорость воды снизу вверх в фильтре 4 составляет 25 м/ч, расход воздуха 2 м³ на 1 м³ подаваемой воды. Время регенерации составляет 20 мин. При регенерации углеродного материала в фильтре 5 скорость потока воды снизу вверх составляет 15 м/ч, расход воздуха 2 м³ на 1 м³ воды, время регенерации 20 мин. После регенерации углеродного материала в фильтрах 4 и 5 цветность очищенной воды на выходе не превышает 15-20^o при периодичности регенерации 360 ч. Через 360 ч работы установки повышается цветность, содержание железа и марганца в очищенной воде и после водо-воздушной регенерации. При этом осуществляют регенерацию высокопористого углеродного материала в фильтре 5 кипячением его в воде, разогретой путем подачи в нее пара с температурой 150^oC в количестве 0,6 кг/ч на 1 кг углеродного материала в течение 30 мин с последующей промывкой слоя водой со скоростью 15 м/ч и расходом воздуха 2 м³ на 1 м³ воды в течение 20 мин. После регенерации фильтра 5 подачей пара в слой углеродного материала цветность очищенной воды составляет 15-20^o, содержание железа 0,2-0,25 мг/л, марганца 0,08-0,09 мг/л.

Пример 2. Исходная вода из скважин содержит железа 6,5 мг/л, марганца 0,6 мг/л, органических веществ 30 мг/л, цветность составляет 150^o, мутность 2,0 мг/л. При этом концентрация озона, подаваемого в колонну 1, составляет 10 г/м³ очищаемой воды, время пребывания воды в колонне 5 мин, в емкости 2-25 мин. Углеродный материал в фильтре 4 имеет размер 1-3,5 мм, удельную поверхность по азоту 18 м²/г, емкость пор 0,6 см³/г, прочность на раздавливание 250 кг/см³, преимущественный размер пор 500-2000 . Время контакта 15 мин при скорости воды 8 м/ч. Углеродный материал в фильтре 5 имеет размер зерен 0,5-2,5 мм, удельную поверхность по азоту 600 м²/г, емкость пор 1,0 см³/г, прочность на раздавливание 100 кг/см³, преимущественный размер пор 20-1000 . Время контакта 25 мин при скорости воды 8 м/ч. В смесительную колонну 7 подают озоно-воздушную смесь исходя из концентрации озона 0,5 г/м³ очищаемой воды. На выходе из колонны 7 вода имеет цветность 20^o, мутность 0,8 мг/л, содержание органических веществ 0,1 мг/л, железа 0,22 мг/л, марганца 0,08 мг/л. Цветность очищенной воды повышается через 24 ч.

При регенерации фильтра 4 скорость воды снизу вверх 25 м/ч, расход воздуха 3 м³ на 1 м³ воды, время регенерации 30 мин.

При регенерации фильтра 5 скорость воды снизу вверх 25 м/ч, расход воздуха 3 м³ на 1 м³ воды, время регенерации 30 мин.

Регенерация паром через 240 ч, так как повышается цветность, содержание железа и марганца в очищенной воде. При этом температура пара, подаваемого в фильтр 5-200^oC, количество 1 кг/ч на 1 кг углеродного материала в течение 60 мин с последующей водо-воздушной промывкой со скоростью 25 м/ч и расходом воздуха 3 м³ на 1 м³ воды в течение 30 мин. После регенерации цветность очищенной воды 20^o, содержание органических соединений 0,1 мг/л, железа 0,25 мг/л, марганца 0,09 мг/л.

Пример 3. Исходная вода из открытого водоема с цветностью 50^o, мутностью 7,4 мг/л, содержанием железа 2,5 мг/л, марганца 0,55 мг/л, органических веществ 30 мг/л, фенола 0,3 мг/л. При этом концентрация озона, подаваемого в колонну 1, составляет 3 г/м³ очищаемой воды, время пребывания воды в колонне 5 мин, в емкости 2-25 мин. Углеродный материал в фильтре 4 тот же, что в примере 2, время контакта воды с углеродным материалом 12 мин при скорости подачи воды сверху вниз 10 м/ч. Углеродный материал в фильтре 5 тот же, что в примере 2, время контакта 10 мин при скорости подачи сверху вниз 15 м/ч. Концентрация озона, подаваемого в смесительную колонну 7, составляет 0,5 г/м³ очищаемой воды. На выходе из колонны 7 вода имеет цветность 20^o, мутность 0,6 мг/л, содержание железа 0,26 мг/л, марганца 0,1 мг/л, органических веществ 0,1 мг/л, фенола 0,0007. Регенерацию углеродных материалов осуществляют так же, как в примере 27 Пример по прототипу (а.с. N 1574545). Воду с цветностью 50^o, мутностью 7,2 мг/л, содержанием железа 2,3 мг/л, марганца 0,5 мг/л, органических веществ 25 мг/л, фенола 0,1 мг/л очищали в установке по а.с. N 1574545. При этом в качестве фильтра использован контактный осветлитель по а.с. N 1662626 c загрузкой топливным шлаком ТЭЦ, характеристика которого близка известной характеристике шлака Бурштынской ГРЭС со свойствами по а.с. N 1662626. Концентрация озона, подаваемого в контактную колонну, при этом составляет 3 г/м³ очищаемой воды. Скорость фильтрования составляет 9 м/ч. Промывку фильтра ведут через 10 ч подачей воды снизу вверх со скоростью 65 м/ч (соответствует интенсивности 18 дм³/м²·с по а.с. N 1662626) в течение 5 мин. При этом на выходе из контактной колонны очищенная вода имеет цветность 30^o, мутность 1,6 мг/л, содержание железа 0,8 мг/л, марганца 0,3 мг/л, органических веществ 5 мг/л, фенола 0,05 мг/л.

Результаты очистки воды приведены в таблице в сравнении с известным способом, реализованным в станции приготовления воды, по а.с. N 1574545.

Данные, представленные в таблице, показывают, что предлагаемый способ получения питьевой воды из природных вод с высоким содержанием комплексных соединений металлов с органическими веществами позволяет при сравнительно невысоких дополнительных затратах получить воду в соответствиями с требованиями ГОСТ 2874-82 "Вода питьевая" и нормами ПДК.

Известный способ очистки воды указанных требований не обеспечивает (мутность очищенной воды 1,6-1,8 мг/л, требования стандарта 1,5 мг/л; содержание железа 0,8 мг/л, требования стандарта 0,3 мг/л; марганца 0,3 мг/л, требования стандарта 0,1; фенола 0,05 мг/л, норма ПДК 0,001 мг/л).

Формула изобретения

1. Способ получения питьевой воды, включающий ее предварительное озонирование, фильтрацию в зернистом фильтрующем материале, регенерацию материала, вторичное озонирование, отличающийся тем, что фильтрацию воды осуществляют в две стадии, пропуская ее сверху вниз на первой стадии со скоростью 8 10 м/ч через мезопористый углеродный материал с размером зерен 1,0 3,5 мм, удельной поверхностью по азоту 15 18 м²/г, емкостью пор 0,05 0,6 см³/г, прочностью на раздавливание 250 500 кг/см³, преимущественным размером пор 500 2000 при времени контакта 10 15 мин, на второй стадии со скоростью 8 15 м/ч через мезопористый углеродный материал с размером зерен 0,5 2,5 мм, удельной поверхностью по азоту 450 - 600 м²/г, емкостью пор 0,6 1,0 см³/г, прочностью на раздавливание 100 350 кг/см³, преимущественным размером пор 20 1000 при времени контакта 10 25 мин, при этом предварительное озонирование воды осуществляют при концентрации озона 1,5 10 г/м³ в течение 25 - 30 мин.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что осуществляют регенерацию углеродного материала первой и второй стадии фильтрации потоком воды снизу со скоростью 15 25 м/ч с одновременной подачей воздуха в количестве 2 3 м³ на 1 м³ подаваемой воды в течение 20 30 мин периодичностью 24 ч.

3. Способ по пп.1 и 2, отличающийся тем, что осуществляют дополнительную регенерацию углеродного материала второй стадии кипячением его в воде, разогретой путем подачи в нее пара с температурой 120 200^oС в количестве 0,5 1,0 кг/с на каждый кг углеродного материала в течение 20 60 мин периодичностью 240 360 ч.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2