Способ очистки воды для хозяйственно-питьевого водоснабжения и устройство для его осуществления

Изобретение относится к очистке подземных вод от железа, марганца, меди и других металлов с одновременным удалением сероводорода и других вредных газов и может быть использовано для водоснабжения городов, населенных пунктов, отдельных объектов и сельскохозяйственных комплексов. Способ очистки воды для хозяйственно-питьевого водоснабжения включает вакуумирование и смешение потока очищаемой воды с воздухом путем диспергирования воды с воздухом, подачу водовоздушной смеси в корпус с незатопленной фильтрующей загрузкой и последующий раздельный отвод очищенной воды и воздуха. Вакуумирование ведут путем подачи потока жидкости под давлением в конфузор с насадками Вентури. В конфузоре поток разделяют и направляют через насадки Вентури, после чего непрерывно эжектируют воздух из окружающей среды и осуществляют фильтрование очищенной воды при ее свободном движении. При этом концентрично с внешней стороны конфузора расположен смеситель с отверстиями для подсоса воздуха. Внешняя часть поверхности конфузора образована объединением боковых поверхностей нескольких усеченных конусов, основания которых находятся в двух параллельных плоскостях, а центры этих оснований являются вершинами правильных многоугольников. Технический результат: удаление из очищаемой воды неорганических трудноокисляемых веществ и органических веществ, а также сокращение ступеней очистки. 2 н.п. ф-лы, 2 табл., 2 ил.

 

Изобретение относится к очистке подземных вод от железа, марганца, меди и других металлов с одновременным удалением сероводорода и других вредных газов и может быть использовано для водоснабжения городов, населенных пунктов, отдельных объектов и сельскохозяйственных комплексов.

Известен способ очистки воды от железа (Николадзе Г.Н., Обезжелезивание природных и оборотных вод. М.: Стройиздат, 1978. С.25), включающий смешение потока очищаемой воды с воздухом путем подачи воздуха в смеситель под давлением, разбрызгивание водовоздушной смеси на незатопленную загрузку, расположенную в корпусе фильтра при соттношении 1:2-1:5 и последующий раздельный отвод очищенной воды и воздуха.

В этом же источнике описано устройство для очистки воды от железа, содержащее корпус с фильтрующей загрузкой, патрубок для подачи очищаемой воды, присоединенный к нему смеситель со средством для подачи в него воздуха под давлением и отводящие патрубки.

Недостатком известных способа и устройства является отсутствие возможности использования его для очистки воды с высоким содержанием железа и растворенных газов. При содержании в воде железа до 30 мг/л, СО₂ - 100 мг/л, Н₂S - 10 мг/л и окисляемости по O₂ 9 мг/л установка неработоспособна.

Известен способ вакуумного распыливания жидкости путем подачи ее потока в зону пониженного давления (авторское свидетельство №1641442, кл. В 05 В 1/64, опубл. 15.04.1991 г.). Для повышения степени дробления, десорбции жидкости и интенсификации процесса вакуумного распыливания поток жидкости разделяют и направляют через соответствующие вакуумные распылительные головки, вакуумные зоны которых сообщают между собой.

В этом же авторском свидетельстве описано устройство, содержащее подводящий патрубок, основную и дополнительные вакуумные распылительные головки, имеющие конфузор с цилиндрическим насадком Вентури, вакуумные камеры и соединенный с подводящим патрубком распределитель потока жидкости с выходными участками. Каждая распылительная головка соединена с одним из выходных участков распределителя потока жидкости. Вакуумные камеры распылительных головок сообщены между собой вакуумной линией.

Этим методом возможно только удаление всех газов (О₂, CO₂, Н₂S и др). Недостатком известных способа и устройства также является отсутствие возможности использования его для очистки воды с высоким содержанием железа и растворенных газов.

Наиболее близкими по существенным признакам к заявляемому способу является способ очистки воды от железа (авторское свидетельство №1161480, кл. С 02 F 1/64, опубл. 15.06.1985 г.), включающий смешение потока очищаемой воды с воздухом, подачу водовоздушной смеси в корпус с незатопленной фильтрующей загрузкой и последующий раздельный отвод очищенной воды и воздуха. Для повышения степени очистки и интенсификации процесса перед смешением поток воды вакуумируют и смешение осуществляют путем диспергирования потока воды воздухом.

В этом же авторском свидетельстве описано устройство для очистки воды от железа, содержащее корпус с фильтрующей загрузкой, патрубок для подачи воды, присоединенный к нему смеситель для воды и воздуха и патрубок для отвода очищенной воды и воздуха. Патрубок для подачи воды снабжен соплом с насадком Вентури и расположенным концентрично с внешней стороны сопла цилиндром, а смеситель выполнен в виде присоединенных к последнему цилиндров с последовательным увеличивающимися диаметром и длиной и с патрубком для подачи воздуха.

Недостатком данного способа и устройства является то, что он рассчитан также только на удаление легкоокисляемых веществ (например, двухвалентного железа и сероводорода) и не применим для очистки неорганических трудноокисляемых веществ (марганца, цинка, меди) и органических (фенола, гумановых соединений, фулвокислот). При сложном химическом составе очищаемой воды требуются повторные ступени очистки с помощью дополнительных окислителей.

Предлагаемыми изобретениями решается задача удаления из очищаемой воды неорганических трудноокисляемых веществ (железа, марганца, цинка, меди) и органических веществ (фенола, гумановых соединений, фулвокислот), а также сокращения ступеней очистки.

Для получения такого технического результата в предлагаемом способе очистки воды для хозяйственно-питьевого водоснабжения, включающем вакуумирование и смешение потока очищаемой воды с воздухом путем диспергирования воды с воздухом, подачу водовоздушной смеси в корпус с незатопленной фильтрующей загрузкой и последующий раздельный отвод очищенной воды и воздуха, вакуумирование ведут путем подачи потока воды под давлением в конфузор с насадками Вентури. В конфузоре поток разделяют и направляют через насадки Вентури.

Для достижения названного технического результата предлагается устройство, содержащее корпус с незатопленной фильтрующей загрузкой, патрубок для подачи жидкости, снабженный конфузором с насадками Вентури и расположенным концентрично с внешней стороны конфузора смесителем с отверстиями для подсоса воздуха, а также патрубок для отвода очищенной воды и газа. Внешняя часть поверхности конфузора образована объединением боковых поверхностей нескольких усеченных конусов, соединенных таким образом, что их основания находятся в двух параллельных плоскостях, а центры этих оснований являются вершинами правильных многоугольников.

Разделение потока очищаемой воды в конфузоре приводит к увеличению скоростного напора и понижению давления в струях на выходе из цилиндрических насадок, а также созданию вокруг струй сферических вакуумных кольцевых зон с глубоким вакуумом. В камере смешения вакуумно-кольцевые зоны, накладываясь друг на друга, увеличивают вакуум до максимального значения. Благодаря наложению вакуумных зон происходит завихрение потока воды, что приводит к мгновенному и интенсивному перемешиванию водовоздушных потоков, более интенсивному дроблению струй на капли до получения водяной пыли, что приводит к образованию наибольшей поверхности соприкосновения двух сред кислорода и воды. Таким образом обеспечивается создание струей жидкости самовакуумирования, что создает условия для объемно-вакуумного дробления струи на капли и мгновенного, то есть спонтанного и максимального выделения газов из жидкости, растворенных в струях и разряженном пространстве (в частности, CO₂ и H₂S). Выделение CO₂ способствует оптимальному повышению рН воды, которое создает благоприятные условия для окисления железа, марганца и других тяжелых металлов (медь, свинец, цинк) для осаждения их на загрузке, а также для выведения органических веществ и сопутствующих агрессивных газов без дополнительных ступеней очистки и без вмешательства дополнительного окислителя.

Предлагаемые изобретения поясняются чертежами.

На фиг.1 представлено устройство для осуществления способа, общий вид;

На фиг.2 - узел А на фиг.1.

Устройство состоит из корпуса для незатопленной фильтрующей загрузки с патрубком отвода очищенной воды 1, конфузора 2 с цилиндрическими насадками Вентури 3, смесителя 4 в виде цилиндра с отверстиями 5, отражательной пластины 6, патрубков с дефлекторами 7 для отвода выделившихся газов в атмосферу. Внешняя поверхность конфузора 2 образована объединением боковых поверхностей нескольких усеченных конусов, например четырех, соединенных таким образом, что их основания находятся в двух параллельных плоскостях, а центры этих оснований являются вершинами правильных многоугольников.

Предлагаемый способ осуществляется в следующее последовательности.

Поток очищаемой воды под давлением 0,2 МПа подают в конфузор 2, где происходит увеличение скорости истечения воды, что приводит к увеличению скоростного напора и понижению давления в струе. В конфузоре 2 поток очищаемой воды плавно разделяют на несколько потоков и направляют через насадки Вентури 3 в смеситель 4, где вокруг каждой струи создаются сферические вакуумные кольцевые зоны с глубоким вакуумом до 0,1 МПа за счет энергии самих струй, и возникает процесс объемного вскипания газов, растворенных в струе за счет разности парциального давления газов в струе и разряженном пространстве. В смесителе 4 благодаря наложению вакуумных зон происходит завихрение потоков воды, что приводит к мгновенному и интенсивному перемешиванию водовоздушных потоков, более интенсивному дроблению струй на капли до получения водяной пыли, что приводит к образованию наибольшей поверхности соприкосновения двух сред кислорода и воды. Таким образом обеспечивается создание струей жидкости самовакуумирования, что создает условия для объемно-вакуумного дробления струи на капли и мгновенного, то есть спонтанного выделения газов из жидкости, растворенных в струях и разряженном пространстве (в частности, СО₂ и Н₂S).

Выделение CO₂ способствует повышению рН воды, что создает благоприятные условия для полного окисления вредностей, которые присутствуют в очищаемой воде. Через отверстия 5 смесителя 4 беспрерывно эжектируется воздух из окружающей среды, в силу чего происходит процесс беспрерывного диспергирования капель воды в потоке эжектируемого воздуха. Это способствует получению концевого эффекта, то есть одновременного ускорения абсорбционо-десорбционного процесса в каплях воды при их дроблении и коалесценсии, что приводит к быстрому протеканию процесса дессорбции газов из воды и хемосорбции кислорода с двухвалентным железом, марганцем и другими тяжелыми металлами.

Далее водовоздушный поток поступает на отражательную пластину 6, ударяясь о которую воздух, насыщенный свободной двуокисью углерода и сероводорода (СО₂ и H₂S), отражается вверх и отводится в атмосферу через патрубка с дефлекторами 7, а очищенная вода свободно движется через незатопленную фильтрующую загрузку с патрубком отвода очищенной воды (на чертежах не показано).

Проходя через незатопленную фильтрующую загрузку, жидкость освобождается от трехвалентного железа и четырехвалентного марганца и других тяжелых металлов, а также органических веществ и очищенная поступает к потребителю.

В таблицах 1-2 приведены результаты экспериментов.

Таблица 1.
Содержание железа Fe в исходной воде, мг/л	Содержание марганца Mn в исходной воде, мг/л	Содержание меди Cu в исходной воде, мг/л	Давление исходной воды, МПа	рН среда	Содержание железа в фильтрованной воде, мг/л	Содержание марганца в фильтрованной воде, мг/л	Содержание меди Cu в фильтрованной воде, мг/л
30	0,6	4,0	0,5	8,4	0,28	0,08	0,8
30	0,6	4,0	0,4	8,3	0,28	0,09	0,9
30	0,6	4,0	0,3	8,2	0,29	0,95	1,0
30	0,6	4,0	0,2	8,0	0,3	0,1	1,0
Таблица 2
Цветность исходной воды, градусы	Мутность исходной воды, мг/л	Давление исходной воды, МПа	Цветность фильтрованной воды, градусы	Мутность фильтрованной воды, мг/л
60	20	0,5	17	1,4
60	20	0,4	18	1,45
60	20	0,3	19	1,5
60	20	0,2	20	1,5

Данные таблицы 1 показывают, что достаточный эффект по удалению железа, марганца и меди достигается при начальном давлении исходной воды 0,2 МПа.

Положительный эффект предложенного способа и устройства заключается в том, что позволяет

- снизить давление на входе в конфузор, чем уменьшаются энерго- и металлоемкие показатели процесса очистки воды. Давление на входе в конфузор зависит от количества разделенных потоков - чем больше их количество, тем меньше давление на входе в конфузор;

- одновременно снизить содержание не только железа, марганца, других тяжелых металлов, а также присутствующих в исходной воде загрязняющих ее органических веществ до нормируемых величин по санитарным нормам и правилам СанПин.

1. Способ очистки воды для хозяйственно-питьевого водоснабжения, включающий вакуумирование и смешение потока очищаемой воды с воздухом путем диспергирования воды с воздухом, подачу водовоздушной смеси в корпус с незатопленной фильтрующей загрузкой и доследующий раздельный отвод очищенной воды и воздуха, отличающийся тем, что вакуумирование ведут путем подачи потока жидкости под давлением в конфузор с насадками Вентури, в конфузоре поток разделяют и направляют через насадки Вентури, после чего непрерывно эжектируют воздух из окружающей среды и осуществляют фильтрование очищенной воды при ее свободном движении.

2. Устройство очистки воды для хозяйственно-питьевого водоснабжения, содержащее корпус с фильтрующей загрузкой, патрубок для подачи жидкости, снабженный конфузором с насадками Вентури и расположенным концентрично с внешней стороны конфузора смесителем с отверстиями для подсоса воздуха, а также патрубок для отвода очищенной воды и газа, отличающееся тем, что внешняя часть поверхности конфузора образована объединением боковых поверхностей нескольких усеченных конусов, соединенных таким образом, что их основания находятся в двух параллельных плоскостях, а центры этих оснований являются вершинами правильных многоугольников.