Способ очистки природных и сточных вод и устройство для его осуществления
Владельцы патента RU 2337070:
Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования Уфимский Государственный Нефтяной Технический Университет (УГНТУ) (RU)
Изобретение относится к очистке природных вод до питьевого качества и сточных вод до требований ПДК. Способ включает обработку импульсными высоковольтными разрядами с одновременным насыщением воды диспергированным воздухом и последующую очистку на зернистых и сорбционных фильтрах в присутствии коагулянта. Разряд создают в водной среде в присутствии в зоне разряда гранул металла, образующего нерастворимые гидроксиды. Воду обрабатывают последовательностью импульсных разрядов с энергией импульса 0,3-0,7 кДж/дм3 частотой 0,5...2,0 Гц. Гранулы металла за счет гидравлических ударов образуют псевдоожиженный слой и равномерно распределяются в объеме очищаемой воды. Последующую очистку осуществляют в трехслойном зернистом фильтрующем материале, образующем в водной среде электрохимический источник тока. Сначала фильтруют по направлению движения воды через слой гранул электроотрицательного материала, затем через диэлектрический материал, а затем через слой гранул электроположительного углеродсодержащего материала со скоростью 5...10 м/ч. Природные и сточные воды могут быть очищены от железа, марганца, цинка, органических загрязнений, нефтепродуктов, бактерий, вирусов и других загрязняющих веществ. Изобретение обеспечивает сокращение времени обработки воды за счет совмещения во времени и пространстве отдельных этапов осуществления многостадийного процесса, уменьшение металлоемкости оборудования, реализующего способ, снижение энергозатрат. 2 н. и 4 з.п. ф-лы, 4 ил., 3 табл.
Изобретение относится к процессам очистки природных и сточных вод и может быть использовано для очистки природных вод до питьевого качества и сточных вод до требований ПДК. Природные и сточные воды могут быть очищены от железа, марганца, цинка, органических загрязнений, нефтепродуктов, бактерий, вирусов и других загрязняющих веществ, которые могут быть извлечены окислением или коагуляцией.
Очистка природных и сточных вод связана с извлечением ряда трудно окисляемых минеральных и органических веществ. Для этой цели применяется озон, обладающий высоким значением окислительно-восстановительного потенциала, вследствие чего он обладает высоким бактерицидным и окислительным действием. С помощью озона из воды устраняют ПАВ, органические растворители, красители, фенолы, нефтепродукты, цианиды, сульфиды, ионы тяжелых металлов и другие соединения [1]. В целях подготовки питьевых вод озон применяется, в основном, в качестве обеззараживающего агента [2]. Озон получают в генераторах озона за счет коронного разряда, затем его смешивают с воздухом и подают компрессором в воду. Диспергирование озоно-воздушной смеси в воде и растворение озона является лимитирующей стадией процесса, происходит с низким эффектом. Из-за этого суммарный эффект очистки и обеззараживания воды снижается, а себестоимость подготовки воды увеличивается. Кроме того, озон не окисляет стойкие органические соединения.
Наиболее близким техническим решением является способ очистки сточных вод от фенолов и нефтепродуктов [4]. Способ заключается в обработке сточных вод импульсными высоковольтными разрядами с одновременной подачей в межэлектродное пространство диспергированного воздуха и последующей очисткой флотацией и фильтрованием в песчаных и угольных фильтрах. Способом предусмотрена необходимость дозирования коагулянта перед обработкой сточной воды импульсными разрядами.
Недостатками способа и устройства являются необходимость дозирования реагента -коагулянта, пространственное разделение этапов многостадийного процесса, что увеличивает время обработки воды из-за невозможности совмещения отдельных этапов.
Наиболее близким по технической сущности к заявляемому является устройство для очистки природных и сточных вод [4], содержащее цилиндроконический корпус, патрубки подачи и отвода воды, генератор импульсов напряжения, компрессор, высоковольтные электроды и гранулированную фильтрующую и сорбирующую загрузку.
Недостатками известного устройства являются высокая металлоемкость оборудования, реализующего многостадийный способ, высокие энергозатраты.
Задача, решаемая изобретением, заключается в сокращении времени обработки воды за счет совмещения во времени и пространстве отдельных этапов многостадийного процесса, уменьшении металлоемкости оборудования, реализующего способ, снижении энергозатрат.
Указанная задача решается тем, что в способе очистки природных и сточных вод путем обработки импульсными высоковольтными разрядами с одновременным насыщением воды диспергированным воздухом и последующей очистки на зернистых и сорбционных фильтрах, согласно изобретению разряд создают в водной среде, в присутствии в зоне разряда гранул металла, способного образовывать нерастворимые гидрооксиды, причем воду обрабатывают последовательностью импульсных разрядов с частотой 0,5...2,0 Гц, при которой гранулы метала за счет гидравлических ударов образуют псевдоожиженный слой и равномерно распределяются в объеме очищаемой воды, удельная энергия импульсных разрядов составляет 0,3...0,7 кДж/дм3, а последующую очистку осуществляют в трехслойном зернистом материале, образующем в водной среде электрохимический источник тока, причем фильтруют по направлению движения воды первоначально через слой гранул электроотрицательного материала, выполненного из алюминия, затем, через диэлектрический материал из силицированного кальцита, затем, через углеродсодержащий материал - активированный уголь АГ-3.
Указанная задача решается также тем, что в устройстве для очистки природных и сточных вод, содержащем цилиндроконический корпус, патрубки подачи и отвода воды, генератор импульсов напряжения, компрессор, высоковольтные электроды и гранулированную фильтрующую и сорбционную загрузку, согласно изобретению корпус аппарата разделен высоковольтным лучевым катодом на две камеры, верхняя из которых представляет собой камеру для обработки воды высоковольтным многоканальным разрядом, в которой размещены полусферические аноды в количестве от 1 до n, причем , где D - диаметр корпуса фильтра, d - диаметр анода, а пространство между высоковольтными анодом и катодом заполнено гранулами металла фракцией 1...5 мм, нижняя камера содержит три слоя гранулированного фильтрующего материала, верхний из которых является электропроводным и электроотрицательным, образующий при растворении в воде нерастворимый гидрооксид, средний слой выполнен неэлектропроводным, обладающим подщелачивающим эффектом, а нижний выполнен электропроводным и электроотрицательным, обладающим сорбционными свойствами, фильтрующие слои отделены друг от друга неэлектропроводными сетками, отношение высоты среднего неэлектропроводного слоя к высоте нижнего слоя, обладающего сорбционными свойствами, равно (3...5):1.
На фиг.1 представлена блок-схема технологии очистки воды предлагаемым способом. На фиг.2 представлена конструкция устройства для реализации способа. На фиг.3 и 4 показана конструкция высоковольтного анода и катода.
На блок-схеме (фиг.1) указана последовательность технологических операций, включающая аэрацию воды, обработку воды высоковольтными импульсными разрядами, введение коагулянта с помощью импульсных разрядов и электрохимическим путем, контактную коагуляцию, фильтрование в слое адсорбента и накопление очищенной воды в резервуаре чистой воды.
На фиг.2 изображено устройство для реализации способа. Устройство представляет собой цилиндроконический корпус 1, расположенный вертикально, имеющий патрубок подвода воды 2 и патрубок отвода воды 3.
Устройство функционально разделено на две камеры. Верхняя камера 4 является камерой высоковольтного импульсного разряда. Нижняя камера 5 представляет собой зернистый фильтр.
В камере 4 расположены высоковольтный анод 6 и катод 7, соединенные с генератором импульсных напряжений 8. Высоковольтный анод 6 представляет собой семейство одинаковых полусферических электродов 9, равномерно распределенных по сечению аппарата, как показано на фиг.3, электрически связанных друг с другом. Катод 7 представляет собой лучевой электрод, показанный на фиг.4. Пространство между катодом и анодом заполнено наполовину гранулами алюминия 10 фракции 1...5 мм.
Камера фильтрации 5 заполнена тремя слоями гранулированного материала, разделенными неэлектропроводными сетками 11 и 12. Первый слой состоит из гранул алюминия 10. Второй слой выполнен из стандартного минерального материала 13: кварцевый песок, горелая порода, известняк, кальцит, силицированный кальцит и т.д. Гранулированный материал 14 выполнен из углеродсодержащего электропроводного материала, например активированного угля, поддерживаемого сеткой 15.
Способ реализуется следующим образом. Природная или сточная вода насыщается воздухом с помощью компрессора или эжектора, пропускается в аппарате в направлении сверху вниз. На высоковольтные электроды 6 и 7 подается импульс напряжения 50...100 кВ с крутизной фронта менее 10-7с, вырабатываемый генератором импульсных напряжений 8. Когда напряжение на разрядном промежутке достигнет пробивного значения, конденсаторы генератора разряжаются на него, образуется плазменный шнур. Под действием высокой температуры плазменного шнура и высокой напряженности электрического поля происходит ионизация молекул кислорода, в результате чего образуются сильные окислители, такие как озон О3, радикал ОН, перекись водорода Н2О2, надперекись водорода Н2O2, атомарный кислород О. В процессе горения дуги наблюдается сильное ультрафиолетовое свечение. При уменьшении разрядного тока до нуля дуга гаснет, происходит гидравлический удар. Под действием гидравлического удара гранулы алюминия равномерно распределяются по объему. Разряды следуют с частотой 0,5...2,0 Гц, поэтому к моменту подачи следующего импульса гранулы алюминия находятся во взвешенном состоянии. Разряд возникает между анодом и множеством катодов, многократно ветвится, распределяясь по объему, равномерно обрабатывая воду. Удельная энергия импульсных разрядов составляет 0,3...0,7 КДж/дм3, при таком значении возможно воду пропускать со скоростью 5...10 м/ч. Количество полусферических электродов n определяется по формуле ,
где D - диаметр корпуса фильтра, d - диаметр анода.
В процессе горения дуги происходит незначительное выгорание алюминиевых гранул. Ионы алюминия, попадая в воду, гидролизуются с образованием нерастворимых молекул Al(ОН)3, являющихся коагулянтом.
Далее вода попадает в камеру фильтрации 5, где происходит очистка воды от взвешенных веществ и растворенных органических веществ, которые не успели окислится под действием окислителей в камере разряда. Фильтрующая загрузка состоит из трех слоев. Крайние слои 7 и 14 состоят из электропроводных материалов (алюминия и активированного угля), отличаются значением стандартного электродного потенциала. Алюминий относится к электроотрицательным материалам, активированный уголь - к электроположительным. Эти слои разделяют диэлектрическим фильтрующим материалом 13. Фильтрующие слои в среде электролита (а любая вода является электролитом) образуют электрохимический источник тока, под действием которого электроотрицательный материал растворяется. В воду дополнительно поступает коагулянт, вырабатываемый электрохимическим путем.
Зернистый материал фильтра 13 в этом случае выполняет функцию контактного фильтра, на поверхности зерен которого происходит интенсивное хлопьеобразование и сорбция загрязнений коагулянтом. Высоким обезжелезивающим и пощелачивающим эффектом обладает силицированный кальцит [5].
Доочистка воды происходит в слое сорбента 14. В качестве сорбента использован активированный уголь АГ-3, широко применяемый в практике водоочистки.
Примеры реализации способа.
Подвергали очистке модельные растворы, содержащие соли металла и товарную нефть. Эффекты очистки воды при определенном соотношении параметров представлены в таблице 1...3.
| Таблица 1 Эффект очистки воды от ионов железа и нефти при различной энергии импульсов, подаваемых с частотой 1 Гц и соотношением высот Н2:Н3=3:1. Скорость фильтрации 7 м/ч | ||||
| Удельная энергия, кДж/дм3 | Концентрация железа, мг/л | Концентрация нефти, мг/л | ||
| до очистки | после очистки | до очистки | после очистки | |
| 0,1 | 12 | 0,55 | 15 | 0,08 |
| 0,3 | 12 | 0,30 | 15 | 0,05 |
| 0,5 | 12 | 0,19 | 15 | следы |
| 0,7 | 12 | 0,10 | 15 | следы |
| 0,9 | 12 | 0,10 | 15 | следы |
| Таблица 2 Эффект очистки воды от ионов железа и нефти при энергии импульса 0,3 кДж/дм3 с частотой 1 Гц при различном отношении высот Н2:Н3. Скорость фильтрации 7 м/ч | ||||
| Отношение высоты слоев Н2Н3 | Концентрация железа, мг/л | Концентрация нефти, мг/л | ||
| до очистки | после очистки | до очистки | после очистки | |
| 1:1 | 12 | 0,52 | 15 | следы |
| 2:1 | 12 | 0,38 | 15 | 0,01 |
| 3:1 | 12 | 0,30 | 15 | 0,05 |
| 4:1 | 12 | 0,25 | 15 | 0,07 |
| 5:1 | 12 | 0,18 | 15 | 0,10 |
| 6:1 | 12 | 0,12 | 15 | 0,10 |
| Таблица 3 Эффект очистки воды от ионов железа и нефти при энергии импульсов 0,3 кДж/дм3 при частоте 1 Гц, Н2:Н3=3:1 | ||||
| Загрязняющие вещества | Концентрация, мг/л | Эффект, % | ПДКpx | |
| до очистки | после очистки | |||
| Нефтепродукты | 15 | 0,05 | 99,6 | 0,05 |
| Железо общее | 3 | 0,1 | 96,6 | 0,3 |
| Марганец | 0,7 | 0,05 | 92,8 | 0,1 |
| ХПК | 120 | 7 | 94,2 | - |
| Взвешенные вещества | 243 | 6 | 97,5 | - |
| Коли - индекс | 12 | 0,12 | 15 | 0,10 |
Из таблиц видно, что при стандартной скорости фильтрации порядка 7 м/ч оптимальным значением удельной энергии импульса является 0,3...0,7 кДж/дм3, соотношение высот Н2:Н3=(3...5):1. Из опытов визуально определен интервал частот 0,5...2,0 Гц, при которых гранулы алюминия образуют псевдоожиженный слой.
Литература
1. Канализация населенных мест и промышленных предприятий. Справочник проектировщика. Под ред. Самохина В.Н. - М. Стройиздат, 1981-638с.
2. Водоснабжение. Проектирование систем и сооружений. Под ред. Журабы М.Г., т.2 - Вологда - М., 2001, - 324с.
3. Яворский Н.А., Корнеев Я.И., Хаскельберг М.Б. и др. Установка для озонирования воды с помощью барьерного разряда в водо-воздушном потоке. - В сб.: Экологические проблемы и современные технологии водоснабжения и водоотведения. - Челябинск - 2000. - С.52-55.
4. Патент РФ 2099290, МКИ C02F 1/48. Способ очистки сточных вод нефтехимических и нефтеперерабатывающих производств от растворенных фенолов и нефтепродуктов./Демьяненко Е.А., Кабиров А.К., Шепелев И.И. и др.,/БИ №35 - 1997
5. Патент РФ 2145576, МКИ C02F 1/64. Установка обезжелезивания воды/Назаров В.Д., Семенова Э.В., Соловьев В.Б., Сапунов Г.С./БИ №5 - 2000.
1. Способ очистки природных и сточных вод путем обработки импульсными высоковольтными разрядами с одновременным насыщением воды диспергированным воздухом и последующей очистки на зернистых и сорбционных фильтрах в присутствии коагулянта, отличающийся тем, что разряд создают в водной среде в присутствии в зоне разряда гранул металла, образующего нерастворимые гидроксиды, причем воду обрабатывают последовательностью импульсных разрядов с энергией импульса 0,3-0,7 кДж/дм частотой 0,5...2,0 Гц, при которой гранулы металла за счет гидравлических ударов образуют псевдоожиженный слой и равномерно распределяются в объеме очищаемой воды, а последующую очистку осуществляют в трехслойном зернистом фильтрующем материале, образующем в водной среде электрохимический источник тока, причем фильтруют по направлению движения воды первоначально через слой гранул электроотрицательного материала, затем через диэлектрический материал, а затем через слой гранул электроположительного углеродсодержащего материала со скоростью 5...10 м/ч.
2. Способ по п.1, отличающийся тем, что гранулы электроотрицательного материала фильтра выполнены из алюминия.
3. Способ по п.1, отличающийся тем, что гранулы металла в зоне разряда выполнены из алюминия.
4. Способ по п.1, отличающийся тем, что фильтирующий диэлектрический материал выполнен из силицированного кальцита.
5. Способ по п.1, отличающийся тем, что в качестве углеродсодержащего материала используют активированный уголь марки АГ-3.
6. Устройство для очистки природных и сточных вод, содержащее цилиндроконический корпус, патрубки подачи и отвода воды, генератор импульсов напряжения, компрессор, высоковольтные электроды и гранулированную фильтрующую и сорбционную загрузку, и отличающееся тем, что корпус аппарата разделен высоковольтным лучевым катодом на две камеры, верхняя из которых представляет собой камеру для обработки воды высоковольтным многоканальным разрядом, в которой размещены полусферически с аноды в количестве от 1 до n, причем 
, где D - диаметр корпуса фильтра, d - диаметр анода, а пространство между высоковольтными анодом и катодом заполнено гранулами металла фракцией 1...5 мм, при этом нижняя камера содержит три слоя фильтрующего материала, верхний из которых электропроводный и электроотрицательный, образующий при растворении в воде коагулянт, средний слой выполнен неэлектропроводным, а нижний выполнен электропроводным и электроположительным, обладающим сорбционными свойствами, фильтрующие слои отделены друг от друга неэлектропроводными сетками, отношение высоты среднего слоя к высоте нижнего слоя равно (3...5):1.
