Многоступенчатый способ глубокой очистки воды

 

Изобретение относится к многостадийным методам очистки воды до европейских питьевых стандартов при водозаборе практически из любых пресноводных источников - водопроводной сети, артезианских скважин, колодцев и открытых водоемов. Способ глубокой очистки воды состоит в том, что предварительную фильтрацию проводят на многослойной сетке из нержавеющей стали с преимущественным размером ячеек от 50-80 мкм, затем воду последовательно подают на микрофильтрацию, осуществляемую при помощи патронного микрофильтра на основе пористого полипропилена с преимущественным размером пор от 10-20 мкм, сорбцию, проводимую при помощи углеродно-волокнистого материала, и финишную микрофильтрацию, при этом в обрабатываемую воду периодически перед микрофильтрацией и сорбцией при помощи дозатора вводят раствор, содержащий диамминаргенат-ионы [Ag(NН_з)₂] ⁺, в количестве, соответствующем концентрации серебра в обрабатываемой воде 0,005-0,01 мг/л, причем указанный раствор получают путем электролиза воды в электролизере с периодической сменой полярности электродов, содержащих не менее 99 мас.% серебра, и последующего введения газообразного аммиака или аммиачной воды до достижения массового соотношения Ag⁺: NН₃, равного 2,8-3,0. В частном случае после финишной микрофильтрации ее пропускают через реактор, содержащий импульсные ксеноновые лампы сплошного спектра, преимущественно вырабатывающие УФ-излучение длиной волны 200-400 нм, при частоте 1-1,3 Гц, удельных энергозатратах 1-3 кДж/м³ и плотности потока 1-3 кВт/м². Технический результат - расширение арсенала эффективных средств очистки и обеззараживания питьевой воды и создание надежного в эксплуатации, экологически чистого способа, обеспечивающего возможность длительной работы без биообрастания используемых мембран и сорбента и предотвращающего вторичное бактериальное заражение воды в течение длительного времени (не менее месяца). 5 з.п. ф-лы, 1 табл.

Изобретение относится к многостадийным методам очистки воды до европейских питьевых стандартов при водозаборе практически из любых пресноводных источников - водопроводной сети, артезианских скважин, колодцев и открытых водоемов. Оно может быть использовано для получения питьевой воды в зонах с неблагоприятной экологической обстановкой, на объектах малоэтажного строительства, в системе предприятий общественного питания, в медицинских и детских учреждениях, в подразделениях МЧС, в вахтенных поселках, на предприятиях пищевой промышленности, на речных судах и железнодорожном транспорте.

Известен способ очистки воды, сочетающий ее хлорирование с обработкой ионами меди, серебра или цинка (US 5858246, С 02 F 1/50, 1999). Однако он эффективен лишь тогда, когда концентрация ионов тяжелых металлов превосходит их ПДК в воде.

Другой известный способ очистки и обеззараживания сильно загрязненных природных вод включает первую стадию грубой, а затем тонкой механической фильтрации, вторую стадию удаления токсичных анионов и катионов при помощи ионообменных смол, третью стадию очистки на активированном угле, четвертую стадию стерилизации с использованием УФ-излучения и заключительную стадию кондиционирования (придания консервирующих свойств) путем пропускания воды через покрытый серебром песок (RO 116545, 30.03.2001). Его недостатки: сложность и большая продолжительность осуществления, высокая стоимость.

Известный из патента RU 2033976, 1995 способ глубокой очистки воды включает ее предварительную фильтрацию в две стадии, импульсное ультрафиолетовое (УФ) облучение сплошного спектра, опреснение при помощи обратноосмотических мембран, пропускание через углеродно-волокнистый сорбент и повторное УФ-облучение сплошного спектра. Этот способ позволяет получить воду высокой степени чистоты. По совокупности существенных признаков и достигаемому результату он является наиболее близким аналогом заявленного изобретения. К его недостаткам относятся: сложность осуществления и значительная продолжительность процесса, а также большая вероятность развития микроорганизмов на мембранных элементах, углеродно-волокнистом сорбенте и в обработанной воде при условии ее длительного хранения.

Технической задачей, на решение которой направлено настоящее изобретение, являлось расширение арсенала эффективных средств очистки и обеззараживания питьевой воды и создание надежного в эксплуатации, экологически чистого способа, обеспечивающего возможность длительной работы без биообрастания используемых мембран и сорбента и предотвращающего вторичное бактериальное заражение воды в течение длительного времени (не менее месяца).

Поставленная задача решается тем, что способ глубокой очистки воды включает ее предварительную фильтрацию при помощи многослойной сетки из нержавеющей стали с преимущественным размером ячеек 50-80 мкм, последовательную подачу воды на микрофильтрацию, осуществляемую при помощи патронного микрофильтра на основе пористого полипропилена с преимущественным размером пор 10-20 мкм, сорбцию и финишную микрофильтрацию, при этом в обрабатываемую воду периодически перед микрофильтрацией и сорбцией при помощи дозатора вводят раствор, содержащий диамминаргенат-ионы [Аg(NН₃)₂]⁺, в количестве, соответствующем концентрации серебра в обрабатываемой воде 0,005-0,01 мг/л, причем указанный раствор получают путем электролиза воды в электролизере с периодической сменой полярности электродов, содержащих не менее 99 мас.% серебра, и последующего введения газообразного аммиака или аммиачной воды до достижения массового соотношения Аg⁺: NН₃, равного 2,8-3,0.

В частном случае, когда исходная вода имеет значительное заражение патогенной микрофлорой, после финишной микрофильтрации ее пропускают через реактор, содержащий импульсные ксеноновые лампы сплошного спектра, преимущественно вырабатывающие УФ-излучение длиной волны 200-400 нм, при частоте 1-1,3 Гц, удельных энергозатратах 1-3 кДж/м³ и плотности потока 1-3 кВт/м².

Предпочтительно обработку ведут при скорости потока воды 0,3-0,6 м³/ч.

В предпочтительном варианте выполнения указанный раствор, содержащий диамминаргенат-ионы [Аg(NН₃)₂] ⁺, вводят в течение 0,5-1 часа в обрабатываемую воду через каждые 8 часов работы установки, реализующей данный способ.

Дополнительные отличия заключаются в том, что при работе электролизера полярность электродов меняют через 5-10 мин, а электролиз ведут при температуре воды 20-30^oС и рН 6,5-8,5.

Другие отличия состоят в том, что способ может быть осуществлен на установке модульного типа. Например, элементы установки в виде контейнеров могут быть установлены на автомобиле и обеспечивать водой питьевого качества в полевых условиях формирования МЧС при ликвидации ими землетрясений, наводнений, экологических катастроф и т.д.

Совокупность признаков, изложенных в формуле изобретения, характеризует способ, позволяющий получить воду питьевого качества из пресной природной воды, в том числе с высоким уровнем загрязнения. Использование предложенного многоступенчатого метода очистки воды способствует эффективному удалению механических частиц, взвесей, антропогенных и сильнодействующих ядовитых веществ, включая пестициды и гербициды, а также бактерий, вирусов и грибков.

Предварительная фильтрация с использованием многослойной сетки из нержавеющей стали с предлагаемым размером ячеек обеспечивает очистку воды от механических загрязнений, ржавчины, водорослей, ила и т.п.

Первая стадия микрофильтрации позволяет удалить из воды взвешенные частицы, коллоидное железо и высокомолекулярные органические соединения естественного происхождения.

Высокоэффективный углеродно-волокнистый сорбент очищает воду от растворенного железа, токсичных органических соединений (хлорорганики, фенола, пестицидов, нефтепродуктов), хлора, брома, алюминия, марганца, тяжелых металлов, патогенной микрофлоры, а также устраняет вкус и запах.

Финишная микрофильтрация служит, главным образом, для улавливания микрочастиц сорбента.

Подача в обрабатываемую воду перед обеими стадиями микрофильтрации и стадией сорбции раствора, содержащего диамминаргенат-ионы, не только предотвращает биообрастание элементов установки, но и способствует введению ионов серебра в воду и ее консервированию для исключения возможности вторичного бактериального загрязнения.

Аммиачный комплекс серебра обладает высокой бактерицидной активностью при концентрации ионов Аg⁺ даже ниже, чем их ПДК в воде. Восстановление [Аg(NН_з)₂] ⁺ происходит медленнее, чем Ag⁺, следовательно, максимальный бактерицидный эффект проявляется в течение большего промежутка времени. Рекомендуемые соотношения концентраций ионов серебра и аммиака, соответствующие избытку аммиака относительно стехиометрии, отвечают максимуму стабильности указанного комплексного соединения.

При получении ионов серебра электролизом происходит дополнительная активация воды и тем самым повышается бактерицидный эффект. Применение анода из чистого серебра практически исключает поступление дополнительных вредных примесей в воду и уменьшает опасность образования осадков на электродах.

Этому же способствует периодическое изменение полярности электродов.

Использование стадии УФ-обработки высокоинтенсивным импульсным излучением сплошного спектра в случаях сильного бактериального заражения воды гарантированно обеспечивает удаление всех видов патогенной микрофлоры (бактерий, спор, вирусов и микрогрибов).

Применение импульсных ксеноновых ламп сплошного спектра, предпочтительно излучающих в области 200-400 нм ультрафиолетового спектра, включающей "бактерицидный" участок и участок, соответствующий условиям деструкции органических соединений, позволяет получить высокий обеззараживающий и очищающий эффект, снижает время обработки и обеспечивает экологическую чистоту, поскольку замена ртутных ламп на ксеноновые исключает возможность заражения воды ртутью при разрушении лампы.

Предложенные параметры процесса, концентрация реагентов и характеристики используемого оборудования являются оптимальными для данной схемы обработки воды.

Ниже приведены примеры осуществления предложенного способа.

Пример 1.

Использовали исходную воду, загрязненную различными неорганическими и органическими соединениями, а также патогенными микроорганизмами. Состав загрязняющих воду примесей показан в таблице.

Воду обрабатывали на мобильной установке модульного типа производительностью 0,5 м³/час, содержащей: - модуль предварительной фильтрации, состоящий из трубопроводов и промывного осадочного фильтра из многослойной сетки с предпочтительным размером ячеек 50 мкм; - модуль микрофильтрации, содержащий трубопроводы, запорную арматуру, сменный патронный микрофильтр на основе пористого полипропилена с предпочтительным размером пор 10 мкм, емкость для обеззараживающего раствора и дозатор для его подачи; - модуль сорбционной очистки, содержащий трубопроводы, запорную арматуру, сорбционный фильтр на основе эластичного углеродно-волокнистого нетканого материала, прошедшего оксидантную обработку и имеющего высокоразвитую микропористую поверхность, систему обратной промывки фильтра, а также емкость для обеззараживающего раствора и дозатор для его подачи; - модуль финишной микрофильтрации, состоящий из трубопроводов, запорной арматуры, сменного патронного микрофильтра на основе пористого полипропилена с предпочтительным размером пор 20 мкм, емкости для обеззараживающего раствора и дозатора для его подачи; - модуль приготовления обеззараживающего раствора, содержащий выпрямитель, ионатор с электродами из чистого серебра Ср 999,9 (ГОСТ 6836-80), установленными на расстоянии 10 мм, смесительную емкость и баллон с жидким аммиаком; - насосы.

Исходную воду последовательно пропускали со скоростью 0,3 м³/ч через модули предварительной фильтрации, микрофильтрации, сорбционной очистки и финишной микрофильтрации.

Через каждые 8 часов работы установки в обрабатываемую воду перед подачей на микрофильтрацию и сорбционную очистку в течение 1 часа при помощи дозаторов вводили раствор, содержащий диамминаргенат-ионы из расчета содержания ионов серебра в обрабатываемой воде 0,005 мг/л.

Указанный раствор предварительно готовили в соответствующем модуле, при этом обеспечивали скорость движения воды (использовали обрабатываемую воду) в межэлектродном пространстве ионатора 0,2 м/с, плотность тока 1 мА/см², напряжение на электродах 6 В, периодичность смены полярности электродов 10 мин. Температура воды составляла 20^oС, рН 7,0. В результате электролиза концентрация ионов серебра в электролите составляла 5 мг/л. Эту воду подавали в смесительную емкость и одновременно вводили аммиак из баллона при массовом соотношении Аg⁺: NН₃, соответственно равном 3:1.

Полученный концентрированный раствор, содержащий диамминаргенат-ионы, помещали в соответствующие емкости модулей микрофильтрации, сорбционной очистки и финишной микрофильтрации и посредством дозаторов вводили в обрабатываемую воду.

Эта операция полностью предотвращала развитие бактерий и вирусов на мембранах, сорбционном фильтре и арматуре в процессе эксплуатации установки, а также в перерывах в ее работе, не превышающих 72 часа. В том случае, когда технологические остановки были больше указанного времени, перед пуском установки ее промывали раствором аммиачного комплексного соединения серебра при концентрации ионов серебра 0,01 мг/л.

Показатели воды, прошедшей все стадии обработки, представлены в таблице. Полученные данные свидетельствуют о том, что прошедшая все стадии обработки вода достигает стандарта, соответствующего ГОСТу 2874-82 "Вода питьевая". При этом не наблюдалось развитие патогенной микрофлоры ни на элементах установки, ни в полученной воде во время ее хранения в течение 2-х месяцев.

Сравнительные опыты, проведенные без введения раствора, содержащего диамминаргенат-ионы, перед стадиями микрофильтрации и сорбции, показали, что уже через 13 часов работы и 27 часов перерыва в работе на мембранных аппаратах обнаруживалась патогенная микрофлора, а вода после первого блока микрофильтрации содержала 200±20 микробных ед. в 1 мл, после блока сорбционной очистки 140±20 ед./мл, а после второго блока микрофильтрации -160±20 ед./мл.

Пример 2.

Для исследований использовали исходную воду, описанную в примере 1. Дополнительно вода содержала споры B. cerencs (штамм 96) в концентрации (1,7±0,7)•10⁴eд./л.

Способ осуществляли аналогично примеру 1, но установка дополнительно содержала блок УФ-обработки, содержащий установленные в слое воды импульсные ксеноновые лампы сплошного спектра, преимущественно излучающие в диапазоне 200-400 нм при частоте импульсов 1 Гц, плотности потока 2 кВт/см² и удельных энергозатратах 2 Дж/см³ воды.

Полученная в результате всех стадий обработки вода не содержала патогенной микрофлоры и соответствовала ГОСТу 2874-82 по всем показателям.

Таким образом, предложенный способ обеззараживания воды является эффективным, относительно простым и доступным и может быть рекомендован для очистки и обеззараживания сильно загрязненной воды.

Формула изобретения

1. Способ глубокой очистки воды, включающий ее предварительную фильтрацию, мембранное разделение и сорбционную очистку углеродно-волокнистым материалом, отличающийся тем, что предварительную фильтрацию проводят с использованием многослойной сетки из нержавеющей стали с преимущественным размером ячеек 50-80 мкм, затем воду последовательно подают на микрофильтрацию, осуществляемую при помощи патронного микрофильтра на основе пористого полипропилена с преимущественным размером пор 10-20 мкм, сорбцию и финишную микрофильтрацию, при этом в обрабатываемую воду периодически перед микрофильтрацией и сорбцией при помощи дозатора вводят раствор, содержащий диамминаргенат-ионы [Аg(NН₃)₂] ⁺, в количестве, соответствующем концентрации серебра в обрабатываемой воде 0,005-0,01 мг/л, причем указанный раствор получают путем электролиза воды в электролизере с периодической сменой полярности электродов, содержащих не менее 99 мас.% серебра, и последующего введения газообразного аммиака или аммиачной воды до достижения массового соотношения Аg⁺:NН₃, равного 2,8-3,0.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что после финишной микрофильтрации воду пропускают через реактор, содержащий импульсные ксеноновые лампы сплошного спектра, преимущественно вырабатывающие УФ-излучение длиной волны 200-400 нм, при частоте 1-1,3 Гц, удельных энергозатратах 1-3 кДж/м³ и плотности потока 1-3 кВт/м².

3. Способ по п.1 или 2, отличающийся тем, что обработку ведут при скорости потока воды 0,3-0,6 м³/ч.

4. Способ по любому из пп.1-3, отличающийся тем, что указанный раствор, содержащий диамминаргенат-ионы [Аg(NН_з)₂]⁺, вводят в течение 0,5-1 ч в обрабатываемую воду через каждые 8 ч работы.

5. Способ по любому из пп.1-4, отличающийся тем, что при работе электролизера полярность электродов меняют через 5-10 мин, а электролиз ведут при температуре воды 20-30^oС и рН 6,5-8,5.

6. Способ по любому из пп.1-5, отличающийся тем, что его осуществляют на установке модульного типа.

РИСУНКИ

Рисунок 1