Способ получения питьевой воды

 

Изобретение относится к многостадийным способам обработки сильно загрязненной воды. Оно может быть использовано, например, для очистки и обеззараживания питьевой воды в системах водоснабжения населенных пунктов, в том числе на локальных водоочистных установках коллективного пользования. Способ получения питьевой воды, включающий ее фильтрацию, предварительную обработку, стерилизацию УФ-излучением и последующее кондиционирование введением ионов серебра, причем предварительную обработку ведут хлорированием, стерилизацию осуществляют импульсным УФ-излучением сплошного спектра по крайней мере в одной установке погружного типа с использованием ксеноновых ламп, преимущественно вырабатывающих УФ-излучение длиной волны 200-400 нм, при удельных энергозатратах 1-10 Дж на 1 см³ воды и плотности потока 1-10 Вт/см², а кондиционирование проводят при помощи раствора, содержащего диамминаргенат-ионы [Ag(NН₃)₂] ⁺, полученные при электролизе воды в электролизере с периодической сменой полярности электродов, содержащих не менее 99 мас. % серебра, и последующем введении газообразного аммиака или аммиачной воды при условии 3-5%-ного избытка аммиака относительно стехиометрии, при этом указанный раствор дозируют в воду в количестве, соответствующем концентрации в ней серебра 0,001-0,02 мг/л, и соблюдают соотношение концентрации хлора, вводимого на стадии хлорирования, и концентрации серебра, добавляемого на последней стадии, в пределах 100-500:1 соответственно. Технический результат - расширение арсенала эффективных средств очистки питьевой воды и создание относительно простого в эксплуатации, экологически чистого и надежного способа, не требующего использования большого количества реагентов для обеззараживания воды, в том числе из сильно зараженных источников, и обеспечение возможности хранения полученной воды в течение длительного срока без ухудшения ее качества. 7 з.п.ф-лы, 1 табл.

Изобретение относится к многостадийным способам обработки сильно загрязненной воды, включающим хлорирование, ультрафиолетовое (УФ) облучение и введение ионов тяжелых металлов. Оно может быть использовано, например, для очистки и обеззараживания питьевой воды в системах водоснабжения населенных пунктов, в том числе в локальных водоочистных установках коллективного пользования, на предприятиях пищевой промышленности, а также в специальных мобильных установках, применяемых в чрезвычайных ситуациях и в зонах с неблагоприятной экологической и эпидемиологической обстановкой для снабжения обеззараженной питьевой водой жилых домов, квартир, предприятий общественного питания, медицинских и детских учреждений.

Одним из самых распространенных способов обеззараживания воды является ее хлорирование. Однако при использовании хлора вода приобретает неприятный вкус и запах, повышается опасность ее негативного влияния на организм человека из-за появления в ней хлорорганических соединений. Тем не менее полной стерилизации воды не происходит, т.к. в ней остаются единичные, устойчивые к действию хлора микроорганизмы. Кроме того, хлор не обладает длительным эффектом последействия, т.к. после падения его концентрации вода может подвергнуться вторичному бактериальному загрязнению.

В связи с указанными выше обстоятельствами актуальным является уменьшение концентрации хлора за счет его использования в комбинации с другими приемами обработки воды.

Например, известно сочетание хлорирования с обработкой ионами меди, серебра или цинка (US 5858246, С 02 F 1/50, 1999). Однако этот метод эффективен лишь тогда, когда концентрация ионов тяжелых металлов превосходит их ПДК в воде.

Известны многостадийные способы обработки природной воды, в которых отсутствует стадия хлорирования. Один из таких способов включает последовательно проводимые две стадии механической очистки импульсное УФ-облучение сплошного спектра, обратноосмотическое опреснение, пропускание через углеволокнистый сорбент и повторное импульсное УФ-облучение сплошного спектра (RU, 2033976, 1995). Недостатком этого метода является его сложность и высокая стоимость.

Известен способ получения питьевой воды из сильно зараженных, в том числе бактериологически, источников водоснабжения, включающий 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). Этот способ по совокупности существенных признаков и достигаемому результату является наиболее близким аналогом предложенного изобретения. Его недостатки: сложность и большая продолжительность осуществления, высокая стоимость, а также необходимость периодического проведения регенерации ионообменных смол и обработки песка серебром.

Технической задачей, на решение которой направлено настоящее изобретение, являлось расширение арсенала эффективных средств очистки питьевой воды и создание относительно простого в эксплуатации, экологически чистого и надежного способа, не требующего использования большого количества реагентов для обеззараживания воды, в том числе из сильно зараженных источников, а также обеспечение возможности хранения полученной воды в течение длительного срока без ухудшения ее качества.

Поставленная задача решается тем, что способ получения питьевой воды, включающий ее фильтрацию, предварительную обработку, стерилизацию УФ-излучением и последующее кондиционирование введением ионов серебра, отличается тем, что предварительную обработку ведут хлорированием, стерилизацию осуществляют импульсным УФ-излучением сплошного спектра по крайней мере в одной установке погружного типа с использованием ксеноновых ламп, преимущественно вырабатывающих УФ-излучение длиной волны 200-400 нм, при удельных энергозатратах 1-10 Дж на 1 см³ воды и плотности потока 1-10 Вт/см², а кондиционирование проводят при помощи раствора, содержащего диамминаргенат-ионы [Аg(NН_з)₂]⁺, полученные при электролизе воды в электролизере с периодической сменой полярности электродов, содержащих не менее 99 мас.% серебра, и последующем введении газообразного аммиака или аммиачной воды при условии 3-5%-ного избытка аммиака относительно стехиометрии,при этом указанный раствор дозируют в воду в количестве, соответствующем концентрации в ней серебра 0,001-0,02 мг/л, и соблюдают соотношение концентрации хлора, вводимого на стадии хлорирования, и концентрации серебра, добавляемого на последней стадии, в пределах 100-500:1 соответственно.

Предпочтительно 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.

Также предпочтительно стерилизацию УФ-излучением ведут при расходе воды 0,1-0,8 м³/ч и частоте импульсов УФ-излучения равной 1-1,3 Гц.

В частном случае, когда зараженность воды велика, перед стадией введения раствора, содержащего димминаргенат-ионы, проводят дополнительную стадию сорбционной очистки воды.

В случаях, когда в процессе используют ранее хлорированную воду (например, водопроводную, подвергшуюся вторичному бактериальному заражению), предварительную обработку осуществляют постхлорированием, предпочтительно при концентрации хлора 2-4 мг/л.

В другом частном случае способ осуществляют в мобильной установке.

Один из вариантов воплощения изобретения предусматривает то, что полученную воду разливают в бутыли и укупоривают.

Именно совокупность существенных признаков изобретения, отраженных в независимом пункте формулы, обеспечивает получение указанного выше технического результата, а признаки зависимых пунктов усиливают этот результат.

Сочетание хлорирования воды, ее обработки ультрафиолетовыми ксеноновыми лампами сплошного спектра и введения диамминаргенат-ионов при указанных в формуле оптимальных значениях параметров обеспечивает эффективную очистку и практически полное обеззараживание сильно загрязненной воды. При этом концентрация хлора и ионов серебра по сравнению с большинством известных методов обработки воды существенно снижена.

Используемые в предлагаемом решении диамминаргенат-ионы [Ag(NН₃)₂]⁺ восстанавливаются медленнее, чем простые ионы Аg⁺, следовательно, бактерицидный эффект проявляется в течение большего промежутка времени, причем эффективная концентрация Аg⁺, полученных при диссоциации диамминаргенат-ионов [Ag(NH₃)₂]⁺⇄Ag⁺+2NH₃, (1) даже ниже, чем их ПДК в воде. В результате диссоциации в воде находятся небольшие количества ионов серебра и молекул аммиака. Последний также проявляет бактерицидные свойства. Поскольку в природных водах всегда имеются ионы Сl^-, ионы серебра их связывают в малодиссоциирующую соль AgCl, поэтому равновесие реакции (1) смещено вправо и в воду постоянно переходят новые порции ионов Аg⁺, поддерживая тем самым бактериальную устойчивость воды в течение длительного срока ее хранения.

Преимуществом является то, что диамминаргенат-ионы могут быть получены непосредственно в обеззараживаемой воде путем ее электролиза, при этом 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.

Синергетический эффект при использовании предложенного многостадийного метода обеззараживания воды связан также с тем, что в сильно окисленной среде возникают условия для перехода Аg⁺ в Аg²⁺. Образовавшиеся катионы Аg²⁺, обладая повышенной индивидуальной окислительной способностью, характеризуются и повышенными (по сравнению с Аg⁺) бактерицидными свойствами. При этом даже после обратного перехода Аg²⁺в более стабильное состояние (Аg⁺) устойчивость обработанной воды ко вторичному бактериальному загрязнению сохраняется.

Предложенные количественные ограничения параметров облучения воды, а также концентрации хлора и ионов серебра являются оптимальными для данной схемы обработки воды. Рекомендуемые соотношения концентраций ионов серебра и аммиака, соответствующие избытку аммиака относительно стехиометрии, отвечают максимуму стабильности комплексных соединений.

Использование ксеноновых ламп сплошного спектра, предпочтительно излучающих в области 200-400 нм ультрафиолетового спектра, включающей "бактерицидную" и соответствующую 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.

Упрощение и ускорение предложенного способа по сравнению с прототипом связано с сокращением количества стадий обработки воды, с использованием относительно легко приготавливаемых реагентов, с высокой производительностью и эффективностью установки УФ стерилизации.

Ниже приведены примеры осуществления предложенного способа Пример 1 Способ осуществляли в мобильной установке. Исходную воду (основные показатели приведены в таблице) объемом 200 л при температуре 18^oС обрабатывали коагулянтом - сернокислым алюминием в количестве 8 мг/л (в пересчете на Аl₂О₃) и фильтровали через колонку, загруженную кварцевым песком, после чего вводили сжиженный хлор из баллона в количестве 1 мг/л и выдерживали в течение 1,5 ч. Затем воду стерилизовали, пропуская со скоростью 5 л/мин (0,3 м³/ч) через установку УФ- обработки, содержащую 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 5 Дж/см³ воды. Температура воды на выходе из установки составляла 30^oС. Стерилизованную воду собирали в отдельную емкость, в которую при помощи дозатора вводили раствор, содержащий диамминаргенат-ионы [Аg(NН_з)₂]⁺ до достижения в воде концентрации серебра равной 0,005 мг/л.

Указанный раствор (концентрат), содержащий диамминаргенат-ионы, предварительно готовили, пропуская воду со скоростью 0,2 м/с при температуре 20^oС и рН 7,0 через ионатор. В качестве электродов в ионаторе использовали пластины из чистого серебра Ср 999,9 (ГОСТ 6836-80). Расстояние между электродами 10 мм, плотность тока 1 мА/см², напряжение на электродах 6 В, периодичность смены полярности электродов 10 мин. В результате электролиза концентрация ионов серебра в воде составляла 0,5 мг/л. Эту воду подавали в смесительную емкость и одновременно вводили аммиак из баллона при массовом соотношении Аg⁺: NН_з, соответственно равном 3:1, что соответствовало ~3%-ному избытку аммиака относительно стехиометрии.

Обработанную воду выдерживали в течение 24 ч, а затем определяли ее основные показатели.

Результаты измерений приведены в таблице.

Представленные данные свидетельствуют о высоком качестве обработки воды, проведенной предложенным способом. При этом не только достигается обеззараживание воды, но и улучшаются другие показатели - вкус, запах, цветность, содержание неорганических и органических примесей. Полученную воду разливали в бутыли емкостью 20 л и укупоривали. При хранении обработанной воды в течение 3 месяцев в ней не обнаруживались патогенные микроорганизмы.

Пример 2 Полученную по примеру 1 воду подвергали повторному бактериологическому заражению культурой E.coli 1257 в количестве 10³ кл/мл и через 24 ч проводили бактериологический анализ воды. Коли формы обнаружены не были. Запах и неприятный вкус у воды отсутствовали. Эффект сохранялся в течение 3 месяцев.

Для сравнения оценивали влияние каждой стадии обработки воды в отдельности (только хлорирование при концентрации 1 мг/л или только УФ-обработка при указанных в примере 1 параметрах, или только введение раствора, содержащего диамминаргенат-ионы, до содержания Аg⁺ в воде в количестве 0,005 мг/л) на качество очистки и обеззараживания воды. При этом по истечении 24 ч после завершения каждой стадии проводили повторное бактериологическое заражение воды аналогично описанному выше. Ни в одном из этих случаев не удалось получить устойчивый обеззараживающий, очищающий и консервирующий эффект.

Пример 3 Обработку воды осуществляли аналогично примеру 1, за исключением следующего. Использовали стационарное устройство, объем воды 5 м³. Исходная вода вместо bac turigiensis содержала ботулический токсин в концентрации, указанной в таблице (остальные показатели воды совпадали). Хлорирование вели гипохлоритом натрия, полученным при электролизе 10%-ного водного раствора NaCl. Концентрация активного хлора в воде при ее предварительной обработке составляла 2,0 мг/л. Также отличие заключалось в том, что УФ-обработку проводили в реакторе погружного типа при скорости потока воды 0,3 м³/ч с использованием импульсных ксеноновых ламп сплошного спектра при частоте импульсов 1,3 Гц, плотности потока 5 кВт/см² и удельных энергозатратах 6 Дж/см³ воды. Температура воды на выходе из установки составляла 32^oС.

Для приготовления бактерицидного раствора часть воды пропускали со скоростью потока 0,1 л/с через электролизер с электродами, содержащими 99% Аg, на поплавках. Расстояние между электродами, выполненными в виде пластин, 8 мм, плотность тока 2 мА/см², напряжение на электродах 6 В, периодичность смены полярности электродов 5 мин. В результате электролиза концентрация ионов серебра в воде составляла 0,2 мг/л. В полученную воду при температуре 20^oС вводили газообразный аммиак при массовом соотношении Аg⁺: NН₃, соответственно равном 2,9:1 (~5%-ный избыток аммиака). Приготовленный концентрированный раствор вводили в обрабатываемую воду до достижения в ней концентрации Аg⁺ равной 0,004 мг/л.

Результаты представлены в таблице. Полученная вода отвечала всем принятым стандартам качества.

Пример 4 Аналогичен примеру 1, за исключением того, что исходную воду вместо ботулического токсина заражали вирусом гепатита А в концентрации, указанной в таблице. Отличие также состояло в том, что перед введением раствора, содержащего диамминаргенат-ионы, воду пропускали через сорбент - активированный уголь. Полученные результаты свидетельствуют о высокой степени очистки и бактерицидности воды, полученной данным способом. Приготовленная в соответствии с предложенным способом вода по санитарным нормам пригодна для использования в питьевых, медицинских и хозяйственно-бытовых целях.

Преимуществом предложенного способа является его эффективность в случаях, когда доступные источники воды имеют сильное бактериальное заражение и значительные концентрации органических примесей, а также возможность его осуществления в компактных мобильных установках для обеспечения снабжения населения питьевой водой в чрезвычайных ситуациях.

Формула изобретения

1. Способ получения питьевой воды, включающий ее фильтрацию, предварительную обработку, стерилизацию УФ-излучением и последующее кондиционирование введением ионов серебра, отличающийся тем, что предварительную обработку ведут хлорированием, стерилизацию проводят импульсным УФ-излучением сплошного спектра по крайней мере в одной установке погружного типа с использованием ксенoновых ламп, преимущественно вырабатывающих УФ-излучение длиной волны 200-400 нм, при удельных энергозатратах 1-10 Дж на 1 см³ воды и плотности потока 1-10 Вт/см², а кондиционирование осуществляют при помощи раствора, содержащего диамминаргенат-ионы [Аg(NН₃)₂]⁺, полученные при электролизе воды в электролизере с периодической сменой полярности электродов, содержащих не менее 99 мас.% серебра, и последующем введении газообразного аммиака или аммиачной воды при условии 3-5%-ного избытка аммиака относительно стехиометрии, при этом указанный раствор дозируют в воду в количестве, соответствующем концентрации в ней серебра 0,001-0,02 мг/л, и соблюдают соотношение концентрации хлора, вводимого на стадии хлорирования, и концентрации серебра, добавляемого на последней стадии, в пределах 100-500:1 соответственно.

2. Способ по п.1, 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.

3. Способ по п.1 или 2, отличающийся тем, что стерилизацию УФ-излучением ведут при расходе воды 0,1-0,8 м³/ч.

4. Способ по любому из пп.1-3, отличающийся тем, что частота импульсов Уф-излучения составляет 1-1,3 Гц.

5. Способ по любому из пп. 1-4, отличающийся тем, что перед стадией введения раствора, содержащего димминаргенат-ионы, проводят дополнительную стадию сорбционной очистки воды.

6. Способ по любому из пп.1-4, отличающийся тем, что предварительную обработку ведут постхлорированием, при этом концентрация хлора составляет 2-4 мг/л.

7. Способ по любому из пп.1-6, отличающийся тем, что его осуществляют в мобильной установке.

8. Способ по любому из пп.1-7, отличающийся тем, что полученную воду разливают в бутыли и укупоривают.

РИСУНКИ

Рисунок 1