Способ очистки природных вод

 

Использование: изобретение относится к области обработки природных вод для хозяйственно-питьевых целей и может быть использовано в системах водоснабжения городов, населенных пунктов и предприятий различных отраслей промышленности. Сущность изобретения: в способе очистки природных вод, включающем окислительно-обеззараживающую обработку, коагуляцию, осветление и фильтрование, окислительно-обеззараживающую обработку ведут с использованием анолита, полученного при обработке в анодной камере вертикального электролизера с коаксиальными цилиндрическими нерастворимыми электродами и керамической диафрагмой водного раствора хлорида натрия с концентрацией 1-3 г/л до достижения pH 5-7 и значения окислительно-восстановительного потенциала +10-+800 мВ относительно хлорсеребряного электрода сравнения, причем объем вводимого раствора составляет 0,01-1,0% от объема очищаемой воды. Процесс коагуляции может быть проведен с использованием флокулянтов. При необходимости (при очистке сильно загрязненных или сточных вод) после фильтрования дополнительно вводят обработанный раствор с теми же характеристиками и в том же количестве. Исходный раствор хлорида натрия готовят на очищенной воде, в катодную камеру диафрагменного электролизера подают очищенную воду и католит используют на стадии коагуляции. 3 з.п. ф-лы, 2 ил.

Изобретение относится к области обработки природных вод для хозяйственно-питьевых целей и может быть использовано в системах водоснабжения городов, населенных пунктов и предприятий различных отраслей промышленности.

Известна схема подготовки питьевой воды, забираемой из открытых водоемов, которая предусматривает ее обесцвечивание, осветление и обеззараживание. При этом технологическая схема содержит последовательно установленные насосную станцию первого подъема, смесители, реагентный цех, камеры хлопьеобразования, отстойник, скорые фильтры, хлорарную, резервуары чистой воды.

Для устранения стойких неприятных привкусов и запахов, уничтожения планктона и др. примесей в схему очистки вводят двукратное хлорирование воды: первичное хлорирование на насосной станции первого подъема и вторичное за отстойником или фильтрами. Способ обеспечивает хорошее обеззараживание воды, снижает содержание аммиака и органических веществ за счет окисления хлором.

Недостатком способа является использование реагентов, что усложняет технологическую схему, требует строгого соблюдения правил безопасности при работе с токсичным хлором.

Известно, что указанные недостатки можно решить, используя для обеззараживания растворы, содержащие активный хлор и полученные непосредственно на месте путем электролиза раствора хлорида с получением дезинфицирующего гипохлоритного раствора.

Однако использование хлора и гипохлоритных растворов приводит к образованию в воде тригалогенметанов в результате окисления активным хлором гуминовых и фульвокислот, обладающих канцерогенными свойствами. Кроме того, для достижения требуемой степени очистки применяют избыток хлорсодержащих реагентов, что приводит к ухудшению потребительских свойств полученной питьевой воды и требует дополнительных операций по ее дехлорированию.

Известно использование различных окислителей для очистки воды, таких например, как хлорамин, 1,3-дихлор-5,5-диметилгидантоин, с целью повышения степени обеззараживания и стабилизации остаточного хлора в воде. Однако перечисленным способом свойственны все недостатки реагентных методов очистки, а кроме того, использование специфических реагентов приводит к повышению стоимости процесса очистки.

Из нехлорсодержащих реагентов широко используется озон, как окислительно обеззараживающий агент. При этом в процессе очистки не образуются хлорорганические вещества, однако не обеспечивается нужный пролонгированный бактерицидный эффект.

Наиболее близким по технической сути и достигаемому результату является способ, включающий окислительно-обеззараживающую обработку, коагуляцию, осветление, фильтрование и обеззараживание. Окислительно-обеззараживающую обработку ведут естественным биоценозом, микрофильтрацией со скоростью движения 0,2-0,6 м/сек и озонированием.

Известный способ позволяет достичь высокой степени очистки и выбран в качестве прототипа.

Недостатком способа является его сложность, многоступенчатость, а также то, что обработанная вода требует проведения финишной стадии обеззараживания, т. е. обработки хлором, что ухудшает характеристики обработанной воды. Кроме того, известный способ требует большого расхода коагулянта.

Целью изобретения является упрощение способа, снижение расхода коагулянта и повышение качества обработанной воды.

Поставленная цель достигается тем, что в способе очистки природных вод, включающем окислительно-обеззараживающую обработку, коагуляцию, осветление и фильтрование, окислительно-обеззараживающую обработку ведут с использованием раствора хлорида натрия с концентрацией 1-3 г/л, предварительно обработанного в анодной камере вертикального электролизера с коаксиальными цилиндрическими нерастворимыми электродами и керамической диафрагмой до достижения pH 5-7 и значения окислительно-восстановительного потенциала плюс 600-800 мВ относительно хлорсеребряного электрода сравнения, причем объем вводимого раствора составляет от 1/1000 до 1/100 объема очищаемой воды (0,01-1,0% об).

При необходимости (при очистке сильно загрязненных или сточных вод) после фильтрования дополнительно вводят обработанный раствор с теми же характеристиками и в том же количестве.

Исходный раствор хлорида натрия готовят на очищенной воде, подают его в катодную и анодную камеры диафрагменного электролизера, а католит используют на стадии коагуляции для корректировки pH.

При электрохимической обработке маломинерализованных (до 5 г/л) растворов в электродных камерах диафрагменного электролизера наблюдается образование диоксида хлора и неустойчивых суперактивных соединений, которые обеспечивают высокую эффективность таких растворов при, казалось бы, невысоком содержании регистрируемых активных компонентов, например, активного хлора. Так, растворы с минерализацией до 5 г/л, обработанные при расходах электричества от 300 до 1500 Кл/л и плотности тока от 30 до 1000 А/м (2) и более, применяются в качестве моющих и стерилизующих растворов в медицине, хотя содержание активного хлора в них весьма низкое 250-350 мг/л.

Авторами обнаружено, что введение обработанного в анодной камере маломинерализованного раствора хлорида натрия в обрабатываемую воду в процессе водоподготовки позволяет достичь требуемой степени обеззараживания при значительно меньших количествах активного хлора в растворах, а кроме того, введение таких растворов изменяет условия хлопьеобразования в очищаемой воде при вводе коагулянта, что позволяет снизить расход коагулянта приблизительно на 40% по сравнению с расчетным.

Как уже отмечалось выше, известно применение растворов хлорида натрия для приготовления раствора активного хлора путем электрохимической обработки. Однако в известных решениях используют более насыщенные растворы хлорида (до 50 г/л) и процесс ведут в бездиафрагменных электролизерах, т.к. для получения гипохлорита существенным является именно обеспечение перемешивания в межэлектродном пространстве продуктов электродных реакций. Там же указано на возможность использования морской воды для станций очистки сточных вод. Процесс полностью автоматизирован, контроль за работой установки осуществляется с помощью электронной аппаратуры. Сооружения очистных сточных вод с электролизными установками весьма компактны.

При работе электролизеров на морской воде по санитарно-гигиеническим соображениям требуется применение растворов гипохлоритов с более высоким содержанием активного хлора (до 3-3,5 г/л). Кроме того, с целью предотвращения образования катодных отложений солей жесткости осуществляется подача электролита с повышенными скоростями. В этих случаях применяются технологические схемы с рециркуляцией раствора. Морская или подземная минерализованная вода последовательно поступает в электролизер резервуар рециркуляции и бак-накопитель гипохлорита натрия. В бак-накопитель самотеком перетекает только часть готового продукта, основное же количество раствора с помощью рециркуляционного насоса вновь подается в начало процесса. Взаимное соотношение потоков определяется в зависимости от требуемой концентрации активного хлора, а скорость движения электролита через установку выбирается по конструктивным соображениям.

На установке за один проход через электролизер в зависимости от напряжения и токовой нагрузки получают раствор гипохлорита натрия с концентрацией активного хлора 0,2-0,6 г/л. При рециркуляции концентрация активного хлора в растворе может быть доведена до 5 г/л. Рециркуляционный расход составляет 2-2,3 м³.

Очевидно, что применение установок для получения гипохлорита натрия из морской воды ограничено районами, расположенными в прибрежной полосе. Подземные минерализованные воды в качестве исходного электролита могут использоваться только в тех случаях, когда вблизи очистных сооружений имеются пробуренные скважины многоцелевого назначения (например, для применения в бальнеологических целях, химической промышленности и т.п.). Кроме того, получаемые при электролизе морской воды растворы более насыщены активным хлором, чем растворы, используемые по настоящему изобретению.

В предложенном решении обработке подвергается раствор с концентрацией хлорида 1-3 г/л, а обработка ведется в анодной камере диафрагменного электролизера с использованием нерастворимых электродов и керамической диафрагмы. При обработке менее концентрированных растворов (менее 1 г/л) не обеспечивается необходимая степень изменения свойств раствора и значительно возрастают затраты электроэнергии, при концентрациях выше 3 г/л увеличивается содержание активного хлора в форме гипохлорит-иона, что требует введения в процесс водоподготовки стадии дехлорирования и инициирует образование тригалогенметанов.

Обработку ведут до достижения pH 5-7 и значений окислительно-восстановительного потенциала плюс 600 плюс 800 мВ относительно хлорсеребряного электрода сравнения. При дальнейшем уменьшении pH и увеличении окислительно-восстановительного потенциала увеличивается расход энергии и снижается дезинфицирующая способность растворов, при уменьшении значения потенциала также резко снижается дезинфицирующая способность раствора.

В практике очистки воды известно влияние предварительной обработки раствора коагулянта электрогидравлическим воздействием с расходом энергии 0,6-0,8 кДж на один грамм коагулянта, что позволяет снизить расход коагулянта на 40% Однако в известном способе требуется применение сложной аппаратуры, а также значительный расход энергии.

Количество вводимого раствора определяется степенью загрязненности воды, требованиями к ее очистке и находятся в пределах 0,01-1,0% об. от количества обрабатываемой воды.

В прикладной электрохимии используются различные конструкции диафрагменных электролизеров для обработки растворов как периодического, так и непрерывного действия с различной формой электродов. Для предложенного решения целесообразно использовать вертикальные проточные электролизеры с коаксиальными цилиндрическими нерастворимыми электродами и керамической диафрагмой, что обеспечивает эффективную обработку при достаточной производительности. Кроме того, коаксиальные электроды обеспечивают обработку воды неоднородным полем, что повышает эффективность полученных растворов. Для электродов и диафрагмы предпочтительно использование следующих материалов: Анод титан с покрытием из оксида рутения, иридия, платины; Катод титан (полированный или с покрытием пироуглеродом); Диафрагма ультрафильтрационная электрокаталитическая керамика на основе оксидов циркония, иттрия, алюминия; Принципиальная схема процесса подготовки питьевой воды представлена на фиг.1.

Основной частью схемы является установка для получения раствора анолита. В блок модулей установки подается подсоленная вода из смесителя, в который поступает вода, прошедшая все стадии очистки, и раствор хлорида натрия из блока приготовления солевого раствора концентрацией 100 300 г/л. Смеситель обеспечивает подсаливание чистой воды в диапазоне концентраций 1,0 3,0 г/л.

Из установки анолит направляется в резервуар, откуда дозировочным насосом подается в очищаемую воду перед смесителем основных водоочистных сооружений, до ввода коагулянта, и другим дозировочным насосом в очищенную питьевую воду перед вводом ее в резервуар чистой воды, т.е. после очистки воды в осветителях и фильтрах. В качестве дозировочных могут использоваться насосы дозаторы серии НД, либо водоструйные насосы, питаемые от напорной линии чистой воды.

Католит с pH 12 может использоваться для предварительного подщелачивания воды (перед вводом коагулянта), для приготовления известкового молока, а также растворов коагулянтов.

Учитывая, что активный хлор анолита имеет биоцидную активность, значительно превышающую аналогичные параметры традиционных химических биоцидных агентов, в т. ч. растворенного в воде молекулярного хлора, дозу активного хлора в условиях применения нейтрального анолита следует установить в пределах 2,0 2,5 мг/л, однако возможно снижение этой дозы для различных регионов.

Если питьевая вода значительное время находится в резервуаре и водоводах (>1,5 ч), то для обеспечения более длительного действия хлора в воду, кроме того, вводят и аммиак. При введении аммиака сокращается расход хлора и в ряде случаев улучшается вкус воды. В результате реакции хлорноватистой кислоты (образовавшейся под влиянием хлорирования воды) с аммиаком получаются монохлорамины, которые, гидролизуясь, образуют сильный окислитель - гипохлоритный ион. Гидролиз хлораминов протекает довольно медленно, в связи с чем окислительное действие хлораминов в первое время ниже, чем хлора, однако длительность бактерицидного действия хлораминов значительно больше. Соотношение доз хлора и аммиака зависит от качества исходной воды. Обычно оптимальная доза аммиака, обеспечивающая образование монохлорамидов, в 5-6 раз меньше дозы хлорида Те же соотношения активного хлора и аммиака выдерживается в случае применения анолита.

Сложность состава загрязнений воды и его изменчивость в широких пределах в различных источниках воды затрудняет теоретическое обоснование подбора коагулянтов для водоочистки, так что сегодняшняя практика коагулирования основана преимущественно на эмпирических исследованиях. Наиболее широко используются соли Al и Fe.

Расчетным путем не представляется возможным определить, какое количество солей алюминия или железа необходимо вводить в обрабатываемую воду для обеспечения оптимального режима процесса коагуляции, если учитывать многообразие различных факторов, оказывающих в той или иной мере влияние на этот процесс. К тому же основной из этих факторов качество обрабатываемой воды не остается постоянным, особенно у поверхностных вод, для которых характерны резкие изменения состава в периоды сильных дождей или весенних паводков. Кроме того, на этот процесс оказывают влияние значения общего солесодержания, характеристика состава воды, температура и пр.

Для большинства природных поверхностных вод России доза сернокислого алюминия колеблется в пределах 0,5 1,2 мг экв/л, сернокислого железа 0,1 0,5 мг-экв/л.

В условиях применения анолита эти дозы могут быть ориентировочно снижены до 0,25 0,8 мг-экв/л и 0,05 0,2 мг-экв/л соответственно, как следует из данных, приведенных на фиг.2.

Процесс образования крупных хлопьев заметно ускоряется применением высокомолекулярных веществ, называемых флокулянтами.

При очистке природных вод высокомолекулярные флокулянты используются обычно совместно с коагулянтами. Чаще в качестве флокулянта используют полиакриламид (ПАА). Применяется ПАА в виде разбавленного раствора 0,1 - 0,2%-ной концентрации. Дозировка флокулянта обычно находится в пределах 0,5 - 1,5 мг на 100 мг содержащихся в воде взвешенных веществ. Использование анолита в качестве агента первичного хлорирования, по данным экспериментальных исследований, позволяет уменьшить дозировку ПАА на 30 50% от традиционно принятых значений.

Принято считать, что при добавлении ПАА в очищаемую воду происходит образование сложных агрегатов, например, типа "частица - макроион-многозарядный ион макроион-частица".

Веским доводом в пользу "мостичного" механизма флокуляции служат наблюдения, согласно которым максимальная флокуляция золя AgI добавками поливинилового спирта и золей Au и AgI добавками полиэтиленоксидов наступает, если каллоидный раствор с покрытыми полимером частицами равен по объему исходному золю. Иначе говоря, устойчивость минимальна при равном числе полимерсодержащих и "голых" частиц.

При использовании нейтрального анолита возможен другой механизм нарушения устойчивости снижение потенциала частиц (аналогично нейтрализационной коагуляции многозарядными противоионами).

Изобретение иллюстрируется следующими примерами, которые не исчерпывают всех возможных вариантов осуществления изобретения. В примерах в качестве электрохимической ячейки использовалась ячейка по заявке PCT WO 93/20014.

Пример 1.

На очищенной воде готовили раствор хлорида с концентрацией 2 г/л и подавали его с объемным расходом 25 л/ч в анодную камеру диафрагменной электрохимической ячейки с диафрагмой на основе оксидов алюминия, иттрия, циркония. Материал анода титан, покрытый оксидом рутения, катод - полированный титан. В катодную камеру подавали очищенную воду. Соотношение объемов, подаваемых в анодную и катодную камеры, составляло 50:1.

Полученный анолит, имеющий pH 6,1 и окислительно-восстановительный потенциал + 730 мВ смешивают с речной водой, содержащей взвешенные вещества, растворенные загрязнения, органические загрязнения, фито и зоопланктон загрязненности исходной воды: цветность, град. 60 мутность, мг/л 130 общий органический углерод, мг/л 9,84 железо, общее, мг/л 0,61
аммиак, мг/л 1,54
СПАВ, мг/л 0,18
микробное число шт/мл 1160000
Количество вводимого анолита составляло 1,0 об. от количества обрабатываемой воды.

Далее воду обрабатывают глиноземом дозой 2 3 мг и после перемешивания отстаивают в течение 60 мин.

Отстоянную воду фильтруют через кварцевый песок со скоростью 5 6 м/час. На выходе из установки вода имеет следующие показатели:
цветность, гр. 4
мутность, мг/л 0,8
общий органический углерод, мг/л 0,35
железо, общее, мг/л 0,09
аммиак, мг/л отсутствует
СПАВ следы
микробное число, шт/л 3
Пример 2.

Обработку ведут в условиях, аналогичных примеру 1, но количество вводимого анолита составляет 0,5% об. от количества обрабатываемой воды.

После фильтрации через кварцевый песок проводят анализ полученной воды. Обработанная вода имеет показатели выше допустимых по ГОСТу по микробному числу.

В воду вводят дополнительную порцию анолита в количестве 0,1% об. от общего количества и после 30 мин контакта повторяют анализ. Обработанная вода соответствует требованиям ГОСТа на питьевую воду.

Использование данные способа позволяет с минимальными затратами получить воду питьевого качества, а также позволит на 30 50% сократить расход коагулянта (сернокислого алюминия) и на 20 35% расход флокулянта (ПАА).

Применение анолита в качестве окислительно-обеззараживающего агента позволит исключить образование токсичных тригалометанов, возникающих при одновременном улучшении органолептических показателей.

Кроме того, данный способ позволит отказаться от применения и, соответственно, от хранения значительных запасов жидкого хлора на территории водоочистительной станции, что повысит уровень безопасности для людей и природы.

Формула изобретения

1. Способ очистки природных вод, включающий проведение окислительно-обеззараживающей обработки, коагуляции, осветления и фильтрования, отличающийся тем, что окислительно-обеззараживающую обработку ведут с использованием анолита, полученного электролизом раствора хлорида натрия концентрацией 1- 3 г/л в анодной камере вертикального электролизера с коаксиальными цилиндрическими нерастворимыми электродами и керамической диафрагмой, причем анолит имеет значения pН 5 7 и окислительно-восстановительного потенциала 600 800 мВ относительно хлорсеребряного электрода сравнения, а объем вводимого анолита составляет 0,01 1,0% от объема очищаемой воды.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что после фильтрования воду дополнительно обрабатывают анолитом.

3. Способ по пп. 1 и 2, отличающийся тем, что в процессе коагуляции в воду дополнительно вводят флокулянты.

4. Способ по пп.1 3, отличающийся тем, что раствор хлорида натрия готовят на очищенной воде, в процессе электролиза в катодную камеру диафрагменного электролизера также подают приготовленный раствор хлорида натрия и католит используют на стадии коагуляции.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2