RU160447U1

RU160447U1 - UNDERGROUND WATER CLEANING DEVICE

Info

Publication number: RU160447U1
Application number: RU2015129587/05U
Authority: RU
Inventors: Андрей Александрович Касьяненко; Олег Олегович Петухов; Станислав Евгеньевич Цыганков; Виктор Александрович Шнайдер
Original assignee: Открытое акционерное общество "Севернефтегазпром"
Priority date: 2015-07-20
Filing date: 2015-07-20
Publication date: 2016-03-20

Abstract

Устройство для очистки подземных вод, содержащее электроразрядный модуль, состоящий из аэратора, блока электроразрядной обработки воды, объединенных в реакционную колонну, и бака-реактора, а также скорые фильтры с зернистой загрузкой, отличающeeся тем, что электроразрядный модуль имеет две реакционные колонны, которые установлены на баке-реакторе последовательно относительно потока воды и каждая из которых снабжена водовоздушным эжектором, электроразрядный модуль подключен с одной стороны к вакуумному дегазатору с подогреваемым резервуаром, с другой стороны - через камеру хлопьеобразования к отстойнику и блоку фильтрования, который выполнен из последовательно соединенных фильтров с зернистой нагрузкой и блока глубокой очистки воды на ионообменных и сорбционных фильтрах.A groundwater purification device comprising an electric discharge module consisting of an aerator, an electric discharge water treatment unit combined in a reaction column, and a reactor tank, as well as quick filters with granular loading, characterized in that the electric discharge module has two reaction columns that are installed on the reactor tank in series with respect to the water flow and each of which is equipped with a water-air ejector, the electric discharge module is connected on one side to a vacuum degasser with a heated cutter Voir, on the other side - through the chamber to the sump flocculation and filtration unit which is made of filters with series-connected load and granular deep water purification unit for ion exchange and sorption filters.

Description

Предлагаемая полезная модель относится к устройствам очистки воды с высоким содержанием растворенных органических примесей, растворенных газов, ионов аммония, кремния, железа и марганца, и предназначена для обеспечения качества питьевой воды, соответствующего нормативным требованиям.The proposed utility model relates to water purification devices with a high content of dissolved organic impurities, dissolved gases, ammonium, silicon, iron and manganese ions, and is intended to ensure the quality of drinking water that meets regulatory requirements.

Подземные воды в ряде случаев характеризуются высокой концентрацией взвешенных веществ, растворенных органических примесей (гуминовых и фульвокислот), неорганических примесей (железа, марганца, мышьяка и пр.), а также растворенных газов (метана, сероводорода, аммиака, углекислого газа). При высокой окисляемости и цветности исходной воды, указывающих на присутствие органических примесей, очистка таких вод до требований СанПиН оказывается весьма сложной задачей.Groundwater in some cases is characterized by a high concentration of suspended solids, dissolved organic impurities (humic and fulvic acids), inorganic impurities (iron, manganese, arsenic, etc.), as well as dissolved gases (methane, hydrogen sulfide, ammonia, carbon dioxide). With high oxidizability and color of the source water, indicating the presence of organic impurities, the purification of such waters to the requirements of SanPiN is a very difficult task.

Одним из распространенных подходов к очистке природных вод с высоким содержанием органических загрязнений является применение сорбентов.One of the common approaches to the purification of natural waters with a high content of organic pollutants is the use of sorbents.

Известна установка для очистки и кондиционирования питьевой воды (Патент RU 2084411, опубл. 20.07.1997 г., C02F 009/00), включающая узел предочистки, выполненный в виде одного или нескольких сорбционных фильтров со сменным картриджем, узел основной сорбционной очистки, включающий в себя сорбционные фильтры с фильтрующе-сорбирующими слоями модифицированного цеолита, карбоксильного катионообменника и активного углеродного адсорбента, и узел финишной очистки, выполненный в виде одного или нескольких фильтров, снабженных микрофильтрационными элементами с размером пор 0,5-10 мкм.A known installation for the purification and conditioning of drinking water (Patent RU 2084411, publ. July 20, 1997, C02F 009/00), including a pre-treatment unit made in the form of one or more sorption filters with a replaceable cartridge, a main sorption treatment unit, including sorption filters with filtering and sorbing layers of a modified zeolite, carboxyl cation exchanger and active carbon adsorbent, and a finishing unit made in the form of one or more filters equipped with microfiltration elements with a pore size of 0.5-10 microns.

Недостатками известного решения являются значительные эксплуатационные затраты, связанные с необходимостью регулярной замены сорбционных и ионообменных загрузок.The disadvantages of the known solutions are significant operating costs associated with the need for regular replacement of sorption and ion exchange charges.

Снижение эксплуатационных затрат возможно при использовании безреагентных схем обработки воды, либо технических решений, характеризующихся минимальным расходом химических реагентов.Reducing operating costs is possible using reagent-free water treatment schemes, or technical solutions characterized by a minimum consumption of chemicals.

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемой полезной модели является способ и устройство, описанные в статье (Яворовский Н.А., Соколов В.Д., Сколубович Ю.Л. и Ли И.С. // Водоснабжение и санитарная техника, 2000, №1 с. 12-14). Для очистки подземных вод от органических и неорганических примесей предложено использовать импульсный электрический разряд в двухфазной водо-воздушной среде. Система электроразрядной обработки воды состоит из реактора из нержавеющей стали и импульсного источника питания. Реактор содержит систему электродов, с помощью которой происходит формирование электрического разряда. Разряд создается между цилиндрическими электродами, которые изолированы друг от друга при помощи диэлектрических барьеров. В качестве барьеров используют кварцевые трубки. Напряжение подают на систему электродов от магнитотиристорного генератора импульсов. В электрическом разряде происходит генерация активных частиц - окислителей (атомарного кислорода, озона, гидроксильных радикалов ОН, и пр.). Окислители производятся непосредственно на месте их потребления, в газовой фазе, близи поверхности обрабатываемой воды. При этом имеет место деструкция органических примесей, окисление неорганических веществ и обеззараживание воды. Электроразрядная обработка воды положена в основу технологии подготовки питьевой воды из подземных источников, которая включает аэрацию для удаления из воды растворенных газов и окисления ионов железа(II), электроразрядную обработку для деструкции органических веществ и окисления неорганических примесей (железа и марганца) и фильтрование. Аэратор заполнен полиэтиленовой насадкой (призмами или стружкой) для лучшего перемешивания воды и воздуха. Аэратор и электроразрядный блок конструктивно представляют собой единую реакционную колонну. На заключительной стадии обработки воду осветляют на скорых фильтрах с зернистой загрузкой для удаления взвешенных веществ.The closest in technical essence to the proposed utility model is the method and device described in the article (Yavorovsky N.A., Sokolov V.D., Skolubovich Yu.L. and Li I.S. // Water supply and sanitary equipment, 2000, No. 1 p. 12-14). To purify groundwater from organic and inorganic impurities, it is proposed to use a pulsed electric discharge in a two-phase air-water medium. The electric discharge water treatment system consists of a stainless steel reactor and a switching power supply. The reactor contains a system of electrodes, with the help of which an electric discharge is formed. A discharge is created between cylindrical electrodes that are isolated from each other by dielectric barriers. As barriers, quartz tubes are used. The voltage is supplied to the electrode system from a thyristor pulse generator. In an electric discharge, active particles are generated - oxidizing agents (atomic oxygen, ozone, OH hydroxyl radicals, etc.). Oxidizing agents are produced directly at the place of their consumption, in the gas phase, near the surface of the treated water. In this case, there is a destruction of organic impurities, oxidation of inorganic substances and disinfection of water. Electric discharge water treatment is the basis of the technology for preparing drinking water from underground sources, which includes aeration to remove dissolved gases from the water and oxidation of iron (II) ions, electric discharge treatment for the destruction of organic substances and oxidation of inorganic impurities (iron and manganese) and filtration. The aerator is filled with a polyethylene nozzle (prisms or shavings) for better mixing of water and air. The aerator and the electric discharge block are structurally a single reaction column. At the final stage of the treatment, the water is clarified on quick filters with granular loading to remove suspended solids.

Однако, использование известного механического фильтрования не позволяет обеспечить качества очищенной воды, соответствующего требованиям СанПиН. При высоком содержании взвешенных веществ и органических примесей затраты энергии на электроразрядную обработку оказываются весьма высокими, и могут превышать несколько киловатт-часов на один кубометр воды. Кроме того, при высоком содержании в воде взвешенных веществ сокращается длительность фильтроцикла, что приводит к общему снижению эффективности процесса очистки воды и увеличению объемов промывных вод фильтров.However, the use of known mechanical filtering does not allow to ensure the quality of purified water that meets the requirements of SanPiN. With a high content of suspended solids and organic impurities, the energy consumption for electric discharge treatment is very high, and can exceed several kilowatt hours per cubic meter of water. In addition, with a high content of suspended solids in the water, the duration of the filter cycle is reduced, which leads to an overall decrease in the efficiency of the water treatment process and an increase in the volume of filter wash water.

Обеспечение высокого качества очистки воды при относительно невысоких энергозатратах возможно при использовании комплексного подхода, сочетающего использование безреагентных технологий с современными реагентными методами.Ensuring high quality water treatment at relatively low energy costs is possible using an integrated approach that combines the use of reagent-free technologies with modern reagent methods.

Основной задачей полезной модели является создание устройства для очистки подземных вод, повышающего качество очищенной воды и обеспечивающего снижение эксплуатационных затрат на обслуживание установки.The main objective of the utility model is to create a device for groundwater treatment, which improves the quality of treated water and ensures lower operating costs for the maintenance of the installation.

Техническим результатом от использования полезной модели является обеспечение качества очищенной воды, соответствующего требованиям СанПиН.The technical result from the use of a utility model is to ensure the quality of purified water that meets the requirements of SanPiN.

Технический результат достигается тем, что устройство для очистки подземных вод содержит электроразрядный модуль, состоящий из аэратора, блока электроразрядной обработки воды, объединенных в реакционную колонну, и бака-реактора, а также скорые фильтры с зернистой загрузкой, СОГЛАСНО ПОЛЕЗНОЙ МОДЕЛИ, электроразрядный модуль имеет две реакционные колонны, которые установлены на баке-реакторе последовательно относительно потока воды и каждая из которых снабжена водо-воздушным эжектором, электроразрядный модуль подключен с одной стороны к вакуумному дегазатору с подогреваемым резервуаром, с другой стороны - через камеру хлопьеобразования к отстойнику и блоку фильтрования, который выполнен из последовательно соединенных фильтров с зернистой нагрузкой и блока глубокой очистки воды на ионообменных и сорбционных фильтрах.The technical result is achieved by the fact that the groundwater purification device comprises an electric discharge module consisting of an aerator, an electric discharge water treatment unit combined into a reaction column, and a reactor tank, as well as quick filters with a granular charge, ACCORDING TO THE USEFUL MODEL, the electric discharge module has two reaction columns, which are installed in series on the reactor tank relative to the water flow and each of which is equipped with a water-air ejector, the electric discharge module is connected on one side a vacuum degasser with a heated reservoir, on the other hand - via flocculation chamber to the sump and the block of filtration, which is formed of serially connected filters with granular load and deep water purification unit for ion exchange and sorption filters.

Полезная модель поясняется рисунком, на котором приведена схема устройства.The utility model is illustrated in the figure, which shows a diagram of the device.

Устройство содержит вакуумный дегазатор 1, промежуточный подогреваемый резервуар 2, электроразрядный модуль 3, камеру хлопьеобразования 4 с дозировочным устройством 5, отстойник 6, фильтры осветлительные с зернистой загрузкой 7, 8, фильтр с загрузкой ионообменными материалами 9, сорбционные фильтры 10, 11, блок ультрафиолетового обеззараживания 12, промывной насос 13, перекачивающие насосы 14 и 15, и резервуар чистой воды 16. Основными элементами электроразрядного модуля 3 являются две идентичные реакционные колонны 17, 18 и бак-реактор 19. В головной секции каждой из реакционных колонн 17, 18 установлен водо-воздушный эжектор 20, с помощью которого происходит диспергирование воды в воздухе на капли. В каждой из реакционных колонн 17, 18 установлена система электродов импульсного разряда 21 (например, импульсного барьерного или коронного разряда). Питание на системы электродов подается от генераторов высоковольтных импульсов 22. Над системой электродов 21 расположены аэраторы 23. Для повышения интенсивности массообмена аэраторы 23 могут быть загружены хордовой насадкой из хвойных пород дерева или других материалов, инертных к озоно-воздушной смеси.The device contains a vacuum degasser 1, an intermediate heated reservoir 2, an electric discharge module 3, a flocculation chamber 4 with a dosing device 5, a settling tank 6, clarifying filters with granular loading 7, 8, a filter with loading of ion-exchange materials 9, sorption filters 10, 11, an ultraviolet block disinfection 12, a wash pump 13, transfer pumps 14 and 15, and a clean water tank 16. The main elements of the electric discharge module 3 are two identical reaction columns 17, 18 and the reactor tank 19. In the head ktsii each of the reaction towers 17, 18 is mounted a water-air ejector 20, which control the water dispersion of droplets in the air. In each of the reaction columns 17, 18, a system of pulsed discharge electrodes 21 is installed (for example, a pulsed barrier or corona discharge). Power is supplied to the electrode systems from high-voltage pulse generators 22. Aerators 23 are located above the electrode system 21. To increase the intensity of mass transfer, aerators 23 can be loaded with a chord nozzle made from softwood or other materials that are inert to the ozone-air mixture.

Основными отличиями предложенной конструкции от прототипа является применение двух аэрационных колонн вместо одной для более глубокого окисления органических примесей, а также уменьшенная высота реакционной колонны, что достигается за счет использования укороченного аэратора 23. Использование укороченного аэратора значительно сокращает габаритные размеры установки. При этом обрабатываемая вода последовательно пропускается через реакционные колонны 17, 18.The main differences between the proposed design and the prototype are the use of two aeration columns instead of one for deeper oxidation of organic impurities, as well as a reduced height of the reaction column, which is achieved through the use of a shortened aerator 23. The use of a shortened aerator significantly reduces the overall dimensions of the installation. While the treated water is sequentially passed through the reaction columns 17, 18.

Устройство работает следующим образом. Исходная вода, содержащая растворенные примеси и взвешенные вещества, поступает на вход вакуумного дегазатора 1, который содержит гидроциклон первичной дегазации с воздушным эжектором и насадочную колонну вакуумной дегазации, заполненную кольцами Паля (на чертеже не показаны). Основное назначение дегазатора - удаление растворенных в воде газов - метана, сероводорода, аммиака и углекислого газа. После дегазации вода накапливается в подогреваемом резервуаре 2, где нагревается до температуры 10-12°C, что способствует интенсификации процессов коагуляции и окисления примесей воды, а также снижению содержания ионов аммония (

). С выхода резервуара 2 вода насосом 14 подается на вход первой реакционной колонны 17 электроразрядного модуля 3, где она диспергируется водо-воздушным эжектором 20 на капли, после чего последовательно проходит стадии аэрации в аэраторах 23 и электроразрядной обработки в системе электродов импульсного разряда 21. На стадии аэрации происходит насыщение воды кислородом воздуха с целью окисления ионов железа Fe(II). На стадии электроразрядной обработки имеет место окисление органических и неорганических примесей в плазме импульсного электрического разряда. Железо в исходной воде может содержаться как в минеральной форме, так и в виде металлоорганических комплексов. Для удаления из воды связанных форм железа используют разрушение комплексов с помощью сильных окислителей (озона, гидроксильных радикалов), генерируемых в электрическом разряде. Для генерации сильных окислителей могут использоваться импульсный барьерный, импульсный коронный, тлеющий и другие виды разрядов атмосферного давления объемного типа.The device operates as follows. The source water containing dissolved impurities and suspended solids enters the inlet of the vacuum degasser 1, which contains a primary degassing hydrocyclone with an air ejector and a vacuum degassing nozzle column filled with Pall rings (not shown in the drawing). The main purpose of the degasser is the removal of gases dissolved in water - methane, hydrogen sulfide, ammonia and carbon dioxide. After degassing, water accumulates in a heated tank 2, where it is heated to a temperature of 10-12 ° C, which contributes to the intensification of the coagulation and oxidation of water impurities, as well as a decrease in the content of ammonium ions (

) From the outlet of the reservoir 2, water is pumped by the pump 14 to the inlet of the first reaction column 17 of the electric discharge module 3, where it is dispersed by a water-air ejector 20 into drops, after which it passes through the aeration stages in the aerators 23 and the electric discharge treatment in the system of pulsed discharge electrodes 21. At the stage aeration, water is saturated with oxygen in order to oxidize iron ions Fe (II). At the stage of electric discharge treatment, oxidation of organic and inorganic impurities takes place in a plasma of a pulsed electric discharge. Iron in the source water can be contained both in mineral form and in the form of organometallic complexes. To remove bound forms of iron from water, the destruction of complexes using strong oxidizing agents (ozone, hydroxyl radicals) generated in an electric discharge is used. To generate strong oxidizing agents, pulsed barrier, pulsed corona, smoldering, and other types of volumetric atmospheric pressure discharges can be used.

После обработки в первой реакционной колонне 17 вода накапливается в баке-реакторе 19, после чего воду разделяют на два потока с равной объемной скоростью. Часть воды поступает на вход второй реакционной колонны 18, где осуществляют доокисление примесей воды, а другую часть подают в камеру хлопьеобразования 4 и затем в отстойник 6. Для перекачивания воды используют насос 15. В камеру хлопьеобразования 4 или в трубопровод непосредственно перед камерой 4 с помощью дозирующего устройства 5 вводят коагулянт и флокулянт, под действием которых происходит коалесценция взвешенных веществ и образование флоккул. Интенсивное перемешивание воды в камере хлопьеобразования 4 способствует формированию флоккул, после чего вода поступает в отстойник 6, где происходит осаждение взвешенных веществ. Хлопья осадка дополнительно выступают в качестве сорбентов, осуществляющих более глубокую очистку воды от растворенных органических веществ. При этом основным критерием эффективности работы отстойника 6 является достаточно низкая скорость подачи воды для обеспечения более полного удаления осадка. Линейная скорость движения воды в отстойнике 6 в проведенных экспериментах составляла от 2 до 7 м/час. При этом наиболее высокая эффективность осветления наблюдалась в диапазоне скоростей потока воды от 2,0 до 3,5 м/час. Учитывая необходимость обеспечить максимально возможный расход воды через отстойник 6, целесообразно поддерживать линейную скорость движения воды в осветлителе не более 2,7-3,3 м/час, что позволяет обеспечить максимальную эффективность осветления воды.After processing in the first reaction column 17, water accumulates in the reactor tank 19, after which the water is divided into two streams with equal space velocity. Part of the water enters the inlet of the second reaction column 18, where the impurities are further oxidized, and the other part is supplied to the flocculation chamber 4 and then to the sump 6. Pump 15 is used to pump water. To the flocculation chamber 4 or to the pipeline directly in front of the chamber 4 using the metering device 5 is administered a coagulant and a flocculant, under the influence of which coalescence of suspended substances and the formation of flocculi. Intensive mixing of water in the flocculation chamber 4 contributes to the formation of flocculi, after which the water enters the sump 6, where the suspension of suspended solids. Sludge flakes additionally act as sorbents for deeper water purification from dissolved organic substances. In this case, the main criterion for the efficiency of the sump 6 is a sufficiently low water supply rate to ensure more complete removal of sediment. The linear velocity of water in the sump 6 in the experiments ranged from 2 to 7 m / h. Moreover, the highest clarification efficiency was observed in the range of water flow rates from 2.0 to 3.5 m / h. Given the need to ensure the maximum possible flow rate of water through the sump 6, it is advisable to maintain the linear velocity of water in the clarifier is not more than 2.7-3.3 m / h, which allows to ensure the maximum efficiency of water clarification.

С выхода отстойника 6 вода поступает на скорые фильтры с зернистой загрузкой 7, 8, на которых осуществляют доочистку воды от взвешенных веществ. Применение отстойника 6 перед фильтрованием позволяет значительно снизить нагрузку на фильтры 7, 8. Промывку отстойника 6 и фильтров 7, 8 производят очищенной водой из резервуара чистой воды 16.From the outlet of the sump 6, water enters the quick filters with a granular charge 7, 8, which carry out the post-treatment of water from suspended solids. The use of the sump 6 before filtering can significantly reduce the load on the filters 7, 8. The washing of the sump 6 and filters 7, 8 is carried out with purified water from a clean water tank 16.

После обработки воды на скорых фильтрах 7 и 8 вода поступает на ионообменный фильтр 9 для удаления из воды аммиака. В качестве загрузки фильтра 9 используют природный цеолит Сокирницкого месторождения. Далее вода дополнительно проходит стадию доочистки на сорбционных фильтрах 10, 11, загруженных кокосовым углем, для удаления растворенных примесей. Применение двухступенчатой адсорбционной схемы фильтрования позволяет обеспечить более глубокую и надежную очистку воды от примесей, а использование многоступенчатой схемы очистки воды позволяет снизить нагрузку на сорбционные фильтры 10, 11 и увеличить срок службы сорбционных загрузок.After treating the water with quick filters 7 and 8, water enters the ion exchange filter 9 to remove ammonia from the water. As the load of the filter 9 use natural zeolite Sokirnitsky deposits. Further, the water additionally passes the post-treatment stage on sorption filters 10, 11 loaded with coconut charcoal to remove dissolved impurities. The use of a two-stage adsorption filtering scheme allows for a deeper and more reliable purification of water from impurities, and the use of a multi-stage water treatment scheme reduces the load on the sorption filters 10, 11 and increases the service life of the sorption loads.

На выходе установки перед подачей воды в резервуар чистой воды 16 дополнительно устанавливают блок ультрафиолетового обеззараживания 12, обеспечивающего снижение бактериологических показателей качества воды до нормативных требований.At the outlet of the installation, before supplying water to the clean water tank 16, an ultraviolet disinfection unit 12 is additionally installed, which ensures the reduction of bacteriological indicators of water quality to regulatory requirements.

Таким образом, разработанная установка очистки подземных вод позволяет обеспечить высокое качество очищенной воды при умеренных эксплуатационных затратах. Удаление основного объема растворенных газов, взвешенных веществ, органических и неорганических примесей происходит на стадиях дегазации, электроразрядной обработки и осветления в отстойнике 6 и на фильтрах с зернистой загрузкой 7, 8, регенерация которых осуществляется обратной промывкой и не требует применения дорогостоящих химических реагентов и сложных технологических операций. Доочистка воды на фильтрах с ионообменной 9 и сорбционной 10, 11 загрузками позволяет обеспечить высокое качество воды в соответствии с требованиями СанПиН 2.1.4.1074-01.Thus, the developed groundwater treatment plant allows to ensure high quality of treated water at moderate operating costs. The main volume of dissolved gases, suspended solids, organic and inorganic impurities is removed at the stages of degassing, electric discharge treatment and clarification in the clarifier 6 and on filters with granular charge 7, 8, the regeneration of which is carried out by backwashing and does not require the use of expensive chemicals and complex technological operations. Post-treatment of water on filters with ion exchange 9 and sorption 10, 11 downloads allows to ensure high quality water in accordance with the requirements of SanPiN 2.1.4.1074-01.

Claims

A groundwater purification device comprising an electric discharge module consisting of an aerator, an electric discharge water treatment unit combined in a reaction column, and a reactor tank, as well as quick filters with granular loading, characterized in that the electric discharge module has two reaction columns that are installed on the reactor tank in series with respect to the water flow and each of which is equipped with a water-air ejector, the electric discharge module is connected on one side to a vacuum degasser with a heated cutter Voir, on the other side - through the chamber to the sump flocculation and filtration unit which is made of filters with series-connected load and granular deep water purification unit for ion exchange and sorption filters.