Способ глубокой очистки подземных вод

 

Изобретение относится к способам глубокой очистки подземных вод для хозяйственно-питьевого водоснабжения, в частности к способам для очистки природных вод, а именно для очистки воды от железа, марганца, железофосфатных комплексов, сероводорода, углекислоты, метана, нефтепродуктов, фенолов и азотсодержащих веществ. Сущность изобретения: в способе глубокой очистки подземных вод, включающем дегазацию, двухстадийное фильтрование с постадийной промывкой и использованием в качестве фильтрующей загрузки на первой стадии инертного материала, а на второй - сорбента и обеззараживание, дегазацию осуществляют путем барботажа, фильтрование на первой стадии ведут с водовоздушной промывкой фильтрующей загрузки, а на второй стадии фильтрование ведут сверху вниз через фильтрующую загрузку, выполненную из двух слоев в последовательности сорбент - ионообменный материал, промывку ведут противотоком в последовательности ионообменный материал - сорбент, ионообменный материал регенерируют раствором хлористого натрия, а обеззараживание ведут ультрафиолетом, при этом барботаж ведут при удельном расходе воздуха 3-10 м³ на 1 м³ воды, водовоздушную промывку ведут в три этапа, сорбент и ионообменный материал расположены в одном аппарате. 3 з.п. ф-лы; 1 табл., 1 ил.

Изобретение относится к способам глубокой очистки подземных вод для хозяйственно-питьевого водоснабжения, в частности к способам для очистки природных вод, а именно для очистки воды от железа, марганца, железофосфатных комплексов, сероводорода, углекислоты, метана, нефтепродуктов, фенолов и азотсодержащих веществ.

Известен способ очистки подземной воды от железа, марганца, железофосфатных комплексов, сероводорода, углекислоты, нефтепродуктов и фенолов, согласно которому исходную воду из скважин подают на аэратор-дегазатор, затем отстаивают в горизонтальном отстойнике и подвергают двухстадийному фильтрованию с удалением на первой стадии взвешенных веществ, железа и др. а на второй фенолов и нефтепродуктов путем пропускания через слой сорбента с последующим обеззараживанием путем хлорирования [1] Недостатками известного способа являются необходимость использования достаточно большого количества реагентов, для чего в схеме предусмотрены сооружения по хранению, приготовлению и дозированию реагентов: сернокислого алюминия, марганцевокислого калия или озона, хлора, а также то, что использование этого способа не позволяет решить проблему удаления метана и азотсодержащих веществ, что очень важно для безопасности в практике водопользования, так как скопление матана создает взрывоопасную ситуацию.

Наиболее близким по технической сущности к предложенному является способ очистки подземных вод, который может быть использован при очистке вод от железа, марганца, сероводорода, углекислоты, метана и нефтепродуктов, включающий дегазацию вакууммированием эжектором, при использовании в качестве рабочей жидкости раствор хлористого натрия, окисление и подщелачивание с последующим двухстадийным фильтрованием, обеззараживание и обработку образующегося осадка отстаиванием, уплотнением и обезвоживанием [2] На первой стадии фильтрования на осветлительном фильтре задерживаются гидроокись железа Fe(OH)₃, Mn(OH)₃ и S, осветленную воду дополнительно подвергают окислению гипохлоритом натрия перед поступлением в сорбционный фильтр. Окисленные нефтепродукты задерживаются в сорбционном фильтре, после чего очищенная вода поступает в резервуар чистой воды, откуда насосом подается потребителю.

Недостатками известного способа являются использование большого количества реагентов и недостаточная степень очистки исходной воды.

Технологический эффект от использования предложенного способа заключается в повышении степени очистки воды от железа, марганца, железофосфатных комплексов, сероводорода, углекислоты, метана, нефтепродуктов, фенолов и азотсодержащих веществ при одновременном полном отсутствии использования реагентов.

Эффект достигается за счет того, что в способе очистки подземных вод, включающем дегазацию, двухстадийное фильтрование с постадийной промывкой и использованием в качестве фильтрующей загрузки на первой стадии инертного материала, а на второй сорбента и обеззараживание, дегазацию осуществляют путем барботажа, фильтрование на первой стадии ведут с водовоздушной промывкой фильтрующей загрузки, а фильтрование на второй стадии ведут сверху вниз через фильтрующую загрузку, состоящую из двух слоев в последовательности сорбент ионообменный материал, промывку ведут противотоком в последовательности ионообменный материал сорбент, регенерацию ионообменного материала ведут раствором хлористого натрия, а обеззараживание ведут ультрафиолетом, при этом барботаж ведут при удельном расходе воздуха 3-10 м³ на 1 м³ воды, водовоздушную промывку ведут в три этапа, сорбент и ионообменный материал расположены в одном аппарате.

Технологическая схема способа приведена на чертеже.

Схема включает скважину с исходной водой 1, дегазатор барботажного типа 2, фильтр 3 с инертной фильтрующей загрузкой 4, фильтр 5 с загрузкой из сорбента 6 и ионообменного материала 7, устройство для обеззараживания ультрафиолетом 8 и резервуар чистой воды 9.

Способ осуществляют следующим образом.

Исходную воду из скважины 1 погружным насосом подают в барботажный дегезатор 2, где происходит отдувка растворенных в исходной воде газов - сероводорода, углекислоты и метана. Диктующим газом при процессах газоудаления считают взрывоопасный газ метан, гарантированное полное удаление которого обеспечивает максимально возможное снижение концентраций углекислоты и сероводорода в дегазированной воде. Дегазированную воду насосом подают на первую стадию фильтрования на фильтр 3 с фильтрующей загрузкой из инертного материала (кварцевый песок, кварциты, альбитофир, гранодиорит, горелые породы и др. ). Промывку загрузки ведут в водовоздушном режиме в три этапа: 1 этап - продувают загрузку воздухом с интенсивностью 10-15 л/см² в течение 1-1,5 мин; 11 этап совместная водовоздушная промывка загрузки при интенсивности подачи воздуха 10-15 л/см² и воды 2,5-3 л/см² в течение 5-7 мин; 111 этап отмывка загрузки водой с интенсивностью 12- 15 л/см² в течение 6-7 мин. 1-2 раза в год проводят более глубокую регенерацию слабыми растворами кислот из-за блокировки поверхности зерен загрузки железофосфатными комплексами и прекращения каталитического воздействия гидроксидной пленки на процессы окисления. На первой стадии фильтрования удаляют железо, марганец, железофосфатные комплексы и другие соединения, способные окисляться кислородом воздуха. С первой стадии фильтрования подвергаемую очистке воду подают на вторую стадию фильтрования на фильтр 5, где фильтруют в направлении сверху вниз последовательно через два слоя фильтрующей загрузки: слой сорбента 6 (например, активированный уголь АГ-3) и слой ионообменного материала 7 (например, клиноптилолит). При прохождении через слой сорбента 6 из очищаемой воды удаляют фенолы и нефтепродукты (могут удаляться также ионы тяжелых металлов), а на слое ионообменного материала 7 удаляют аммонийный азот. Промывку последовательно расположенных слоев сорбента и ионообменного материала ведут противотоком, а регенерацию ионообменного материала ведут раствором поваренной соли, который не оказывает заметного влияния на сорбционную способность вышележащей загрузки сорбента. Очищенную двухстадийным фильтрованием воду подают на обеззараживание ультрафиолетом 8 и далее в резервуар чистой воды 9, откуда воду, удовлетворяющую всем требованиям, предъявляемым к питьевой воде, направляют потребителю.

В процессе очистки воды образуются сточные воды, содержащие осадки, которые имеют природный характер, что значительно упрощает возможность их дальнейшей утилизации.

На практике часто используют вентиляторные или вакуумные (как в известном способе) дегазаторы, однако их применение для удаления метана является недостаточно эффективным из-за низких значений поверхности контакта воды и воздуха, а наличие в воде железофосфатных комплексов приводит к усиленной кольматации насадок и делает невозможным применение этого типа аппаратов для обработки подземных вод.

Дегазация вакууммированием эжектором (как в прототипе) приводит лишь к частичному удалению метана, что создает взрывоопасные ситуации как на объектах водоподготовки, так и у потребителей.

Использование барботажных дегазаторов обеспечивает практически полное удаление метана и углекислоты при подаче воздуха от 3 до 10 м³ на 1 м³ воды. Эти дегазаторы характеризуются наиболее развитой поверхностью контакта сред, возможностью гидродинамического воздействия на процесс, отсутствием насадок, простотой обслуживания и экономичностью. Увеличение расхода воздуха более 1О м³ на 1 м³ воды не приводит к дальнейшей интенсификации процесса дегазации и зависит от особенностей качественного состава исходной воды.

Особое место среди показателей качественного состава подземных вод занимают осадки железофосфатные комплексы, образующиеся на поверхности зерен фильтрующего материала и препятствующие нормальному завершению процессов обезжелезивания и удаления марганца на первой стадии фильтрования, что приводит к усиленной кольматации зерен фильтрующего материала, особенно его мелкозернистой части, поэтому для максимально возможного продления службы загрузки проводят водовоздушную промывку. Предложенная регенерация фильтрующей загрузки отличается экономичностью, простотой и позволяет увеличить срок эксплуатации фильтрующих загрузок до нормативных величин.

Последовательное прохождение очищаемой воды через два слоя фильтрующей загрузки на второй стадии фильтрования также обусловлено сложностью состава загрязнений исходной воды. Последовательность расположения слоев по ходу движения воды сорбент-ионообменный материал позволяет очистить воду от фенолов, нефтепродуктов и ионов аммония. Промывка двухслойных фильтров осуществляется водой из резервуара чистой воды 1 раз в сутки с интенсивностью подачи 13-14 л/см² в течение 6-7 мин. Регенерация ионообменного материала проводится 2%-ным раствором NaCl 1 раз в 4 сут в течение 10-15 мин со скоростью 2 м/ч. Установлено, что пропуск раствора поваренно соли через сорбент не приводит к снижению его сорбционной емкости.

Использование для обеззараживания очищенной воды ультрафиолета позволяет исключить использование реагента, а соответственно и сооружения для его хранения, приготовления и дозирования.

Таким образом, совокупность всех вышеперечисленных признаков является необходимой и достаточной для достижения технологического эффекта от использования предложенного способа глубокой очистки подземных вод.

Пример. Исходную воду состава: железо до 10-12 мг/л; Мn до 0,5-1,0 мг/л; CО₂ до 180 мг/л; Н₂S до 3 мг/л; метан до 40 мг/л; ЖФК до 20-30 мг/л; фенолы до 0,025 мг/л; нефтепродукты до 1 мг/л; NH⁺₄ до 4,2 мг/л; окисляемость до 8 мг/л; Рh 6,5-6,7; t от 2 до 8 подают на дегазацию в барботажный дегазатор, где осуществляют отдувку газов воздухом с интенсивностью подачи 5 м³ воздуха на 1 м³ воды в течение 7 мин с высотой продувки 1,5 м и диаметром пузырьков воздуха 5 мм. При этом отдувается до 100% метана, до 80% углекислоты и до 100% сернистого газа. Дегазированную воду насосом подают на первую ступень фильтрования через инертный материал кварцевый песок. Скорость фильтрования 5 м/ч, высота загрузки 2 м, фракционный состав ее 0,8-2,0 мм. При этом удаляются железо и марганец до норм ГОСТ 2874-82 и ЖФК.

Промывку загрузки выполняют в водовоздушном режиме в три этапа: 1 этап - продувка загрузки воздухом с интенсивностью 20 л/см² в течение 1,5 мин; 11 этап совместная водовоздушная промывка загрузки при интенсивности подачи воздуха 10 л/см² и воды 3,0 л/см² в течение 7 мин; 111 этап - отмывка загрузки водой с интенсивностью 15 л/см² в течение 6 мин.

Такой режим промывки обеспечивает практически полное удаление с поверхности зерен загрузки ЖФК и гидроксидов.

После фильтрования воды на первой ступени ее подают на вторую ступень очистки, представленную двухслойным фильтром сорбент ионообменный материал. В качестве сорбента используют активированный уголь АГ-3, ионообменный материал представлен цеолитами Хорошеборского месторождения г.Читы. Проходя последовательно через загрузки со скоростью фильтрации 10 м/ч, вода очищается от фенолов и нефтепродуктов на сорбентах, высота слоя которых принимается 1 м, и далее освобождается от аммонийного азота на цеолитах, высота слоя которых равна 1 м. Принятые режимы работы второй ступени позволяют очистить воду от фенолов и нефтепродуктов до уровня ГОСТ и ПДК, а снижение NH⁺₄ происходит с 4,2 мг/л до 0,3-0,4 мг/л с постепенным увеличением его содержания в фильтре до норм ГОСТа 2 мг/л (фильтроцикл 3-4 сут).

Промывку сорбционно-ионитовых фильтров проводят 1 раз в сутки водой из резервуара чистой воды с интенсивностью 14 л/см² в течение 6 мин. Регенерацию ионообменного материала выполняют один раз в 4 сут 2%-ным раствором NaCl в тесении 15 мин со скоростью 2 м/ч. Раствор NаСl используют многократно, после чего его сбрасывают в специальные емкости и утилизируют. Сорбент АГ-3 подлежит замене один раз в 4 года.

Очищенную воду с содержанием Fe < 0,2 мг/л, Mn < 0,1 мг/л, ЖФК < 1,5 мг/л, фенолов < 0,001 мг/л, нефтепродуктов < 0,1 мг/л, NH⁺₄ < 2 мг/л после дезинфекции ультрафиолетовым облучением подают в резервуар чистой воды и далее к потребителю.

Образующиеся промывные воды имеют природный характер, не приводят к загрязнению окружающей среды, и с разрешения органов санэпиднадзора их сбрасывают в сети хозфекальной и промышленной канализации или на рельеф (болота, протоки и т.д.).

Сравнение предложенного способа с известным для следующих исходных показателей обрабатываемой воды: Fе_общ до 9 мг/л; Fе²⁺ до 8 мг/л; Mn 1,5 мг/л; СО₂ 90 мг/л; СН₄ 80 мг/л; Н₂S 2,5 мг/л; нефтепродукты 0,5 мг/л, ЖФК до 40 мг/л, фенолы до 0,025 мг/л приведено в таблице.

Предложенный способ апробирован на трех станциях гг. Стрежевого, Нового Уренгоя и Лангепаса.

Таким образом, предложенный способ по сравнению с известным позволяет вести глубокую комплексную очистку подземной (природной) воды сложного исходного состава без использования реагентов, что значительно упрощает и удешевляет процесс очистки, особенно в условиях труднодоступности и дороговизны отдельных реагентов, при одновременном повышении степени очистки от железа до менее 0,2 мг/л, Mn до 0,1 мг/л, метана, Н₂S, ЖФК и нефтепродуктов до следов, СО₂ до 80% NH⁺₄ до 90%

Формула изобретения

1. Способ глубокой очистки подземных вод, включающий дегазацию, двухстадийное фильтрование с постадийной промывкой и использованием в качестве фильтрующей загрузки на первой стадии инертного материала, а на второй - сорбента и обеззараживание, отличающийся тем, что дегазацию осуществляют путем барботажа, фильтрование на первой стадии ведут с водовоздушной промывкой фильтрующей загрузки, а на второй стадии фильтрование ведут сверху вниз через фильтрующую загрузку, выполненную из двух слоев в последовательности сорбент ионообменный материал, промывку ведут противотоком в последовательности ионообменный материал сорбент, ионообменный материал регенерируют раствором хлористого натрия, а обеззараживание ведут ультрафиолетом.

2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что барботаж ведут при удельном расходе воздуха 3 10 м³ на 1 м³ воды.

3. Способ по п.1, отличающийся тем, что водовоздушную промывку ведут в три этапа.

4. Способ по п.1, отличающийся тем, что сорбент и ионообменный материал расположены в одном аппарате.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2