Способ очистки воды от железа

 

Изобретение относится к способам очистки подземных вод от железа. Для осуществления способа проводят вакуумирование исходной воды, смешение ее с воздухом, контактирование и фильтрацию. Часть воды из контактного резервуара отбирают, в нее подают и дробят до определенного размера пузырьков воздух, при этом давление водовоздушной смеси повышают, выдерживают до насыщения воды необходимым до окисления железа количеством кислорода и возвращают в контактный резервуар. Комбинация из таких параметров процесса насыщения, как количество подаваемого воздуха, размер диспергированных пузырьков, величина повышенного давления и время его действия, должна удовлетворять следующему выражению: где Q - количество подаваемого воздуха и на 1 м³ воды, м³; P - повышенное давление водовоздушной смеси, Па; R - размер пузырька, м; H - константа Генри, м³ Па/кг; D - коэффициент молекулярной диффузии, м²/с; ΔC - разность концентраций кислорода в воде у стенки пузырька C_s= C_p(1+2σ/R_oΡ_o) и в объеме воды, C_L, C_P - равновесная концентрация кислорода в воде; C_ц - необходимое количество кислорода на 1 м³ циркулирующей воды, кг/м³, C_ц= C_L(ω+1)-ωC_п, ω = Q_п/Q_ц, Q_п - расход подземной воды, м³/ч, Q_ц - расход циркуляционной воды, м³/ч, C_п - концентрация кислорода в подземной воде, кг/м³. Способ может найти применение при очистке воды для нужд питьевого и производственного водоснабжения. 1 ил.

Изобретение относится к способам очистки подземных вод от железа и может найти применение при очистке воды для нужд питьевого и производственного водоснабжения.

Известен способ очистки подземных вод от железа, находящегося в воде в форме бикарбоната закиси железа, включающий вакуумирование и смешение потока воды с воздухом с последующей диспергацией воды, подачу образовавшейся водовоздушной смеси в корпус с незатопленной фильтрующей загрузкой и раздельный отвод воздуха в атмосферу, а очищенной воды потребителю [1].

Недостатком данного способа является отсутствие возможности использовать его для гарантированного эффекта очистки воды с содержанием железа более 30 мг/л и при наличии в воде CO₂ 100 мг/л и более, невозможность управлять процессом очистки воды. Недостатком указанного способа является необходимость предварительной "зарядки" загрузки фильтров, которая может достигать 500 часов, частая смена фильтрующей загрузки.

Наиболее близким к изобретению является способ очистки воды от железа по методу глубокой аэрации [2]. Сущность этого метода заключается в аэрации воды, поступающей в контактный резервуар, окислении кислородом воздуха закисного железа в окисное с образованием коллоида оксигидрата железа и фильтрации на осветлительном напорном или открытом фильтре.

Недостатком известного способа являются низкая скорость процесса окисления железа, особенно в форме бикарбоната, при высоком содержании растворенных газов, что приводит к увеличению габаритных размеров очистных установок, необходимости использования мощных аэрационных устройств, например, вентиляторных градирен, и сказывается на стоимости всей установки. Данный способ не позволяет регулировать процесс очистки воды при изменении внешних параметров, влияющих на скорость процесса, например сезонных изменений температуры.

Задачей изобретения является ускорение процесса окисления, повышение степени очистки воды от железа, повышение гибкости и управляемости процесса.

Сущность способа очистки воды от железа заключается в следующем. Первоначально производится вакуумирование исходной воды и смешение ее с воздухом при атмосферном давлении. В результате вакуумирования растворенные газы CO₂ и H₂S удаляются, а pH воды повышается. При смешении с воздухом вода насыщается кислородом. Затем вода направляется в контактный резервуар. В контактном резервуаре происходит окисление закиси железа и образование его оксигидрата. Для насыщения воды необходимым количеством кислорода вода контактного резервуара постоянно отбирается, в нее подается и дробится до определенного размера пузырьков воздух, давление водовоздушной смеси повышается и выдерживается до частичного растворения свободного воздуха. Обогащенная кислородом вода возвращается в контактный резервуар. Для гарантированного насыщения воды необходимым количеством кислорода комбинация таких параметров процесса насыщения, как количество подаваемого воздуха, размер диспергированных пузырьков, величина повышенного давления и время его действия, должна удовлетворять выражению: где Q - количество подаваемого воздуха на 1 м³ воды, м³; P - повышенное давление водовоздушной смеси, Па; R - размер пузырька, м; H - константа Генри, D - коэффициент молекулярной диффузии, м²/с; ΔC - разность концентраций кислорода в воде у стенки пузырька C_s= C_p(1+2σ/P_oR_o) и в объеме воды C_L, C_р - равновесная концентрация кислорода в воде;
C_ц - необходимое количество кислорода на 1 м³ циркулирующей воды, кг/м³, C_ц= C_L(ω+1)-ωC_п,ω = Q_п/Q_ц,
Q_п - расход подземной воды, м³/час, Q_ц - расход циркуляционной воды, м³/час, C_п - концентрация кислорода в подземной воде, кг/м³.

Концентрация кислорода в воде C_L выбирается из условия некоторого превышения необходимого для окисления 1 мг железа (II) количества кислорода (0,143 мг) с целью поддержания высокой скорости процесса окисления.

На чертеже изображена схема установки для реализации предлагаемого способа очистки воды от железа. Установка состоит из смесителя 1, контактного резервуара 2, насоса 3, осветлительных фильтров 4, диспергатора 5, эжектора 6, регулировочной задвижки 7. Для образования вакуумной зоны в верхней части камеры смесителя 1 установлен конфузор 8. В камере смесителя предусмотрены отверстия 9 для поступления воздуха из атмосферы. В нижней части камеры смесителя 1 установлена отражательная плита 10. Контактный резервуар 2 и насос 3 связаны между собой трубопроводом 11. Вход и выход насоса сообщены трубопроводом с эжектором 6. Количество подаваемого эжектором 6 воздуха может регулироваться игольчатым вентилем 12. На трубопроводе 13, связывающем выход насоса 3 с контактным резервуаром 2, установлены диспергатор 5 и регулировочная задвижка 7. Диспергатор 5 служит для дробления крупных газовых пузырей. Повышенное давление водовоздушной смеси в трубопроводе 13 обеспечивается насосом 3 и регулируется задвижкой 7.

Способ может быть осуществлен следующим образом. Вода, содержащая растворенные соединения железа, из подземного источника водоснабжения подается в конфузор 8 смесителя 1, где происходит увеличение скорости истечения воды, что приводит к росту скоростного напора и понижению давления в струе. Из конфузора 8 вода поступает в камеру смесителя 1, где вокруг струи создается кольцевая вакуумная зона. Растворенные в воде газы H₂S и CO₂ за счет резкого изменения парциальных давлений газов H₂S и CO₂ в разреженном пространстве вокруг струи выделяются в жидкости в виде пузырьков. При движении струи в вакуумной камере происходит подсос воздуха из атмосферы и разрушение целостности струи. За счет образования развитой поверхности раздела фаз вода-воздух происходит насыщение воды кислородом и выделение CO₂, что способствует повышению pH воды и создает благоприятные условия для окисления железа. Из смесителя 1 водовоздушный поток поступает на отражательную плиту 10. При ударе о плиту 10 воздух, насыщенный свободной двуокисью углерода и сероводорода, отражается вверх и отводится в атмосферу, а вода поступает в контактный резервуар 2. В контактном резервуаре 2 происходит процесс окисления закиси железа и образование хлопьев оксигидрата железа. Для насыщения воды в контактном резервуаре 2 необходимым количеством кислорода часть ее отбирается насосом 3 и направляется в диспергатор 5 известной конструкции. Другая часть из насоса 3 направляется на осветлительные фильтры 4. Установленный параллельно насосу 3 эжектор 6 позволяет подавать воздух из атмосферы в трубопровод 11, связывающий насос 3 с контактным резервуаром 2. В диспергаторе 5 происходит дробление крупных и образование массы мелких воздушных пузырьков. Изменяя скорость удара водовоздушной струи о преграду в диспергаторе 5, можно изменять размер пузырьков и соответственно удельную поверхность газовой фазы. Развитая поверхность раздела фаз вода-воздух и повышенное давление смеси в трубопроводе 13 способствует быстрому насыщению воды кислородом. Например, при размере пузырьков 1 мм и расходе воздуха 5% от расхода циркулирующей воды в каждом кубическом метре воды в первую секунду будет растворено 0,087 г кислорода. Уменьшение диаметра пузырьков до 0,4 мм приведет к увеличению скорости растворения кислорода до 0,265 г/с. Повышение давления водовоздушной смеси в трубопроводе 13 до 3·10⁵ Па увеличит скорость растворения кислорода с 0,087 г/с до 0,26 г/с и с 0,265 г/с до 0,95 г/с. Давление в трубопроводе 13 определяется насосом 3 и регулируется задвижкой 7, установленной на конце трубопровода 13. Длина трубопровода 13 и его диаметр выбираются из условия необходимого времени для растворения части пузырьков воздуха до насыщения воды нужным количеством кислорода. Поступившая в контактный резервуар 2 вода с большим содержанием кислорода воздуха смешивается с водой, находящейся в контактном резервуаре 2 и содержащей малое количество растворенного кислорода. В результате смешения вод среднее содержание кислорода увеличивается, что позволяет поддерживать высокой скорость окисления железа. Параллельно осуществляется процесс контактирования образовавшихся хлопьев оксигидрата железа с закисью железа, что способствует увеличению скорости очистки и укреплению хлопьев. При сбросе давления часть растворенного воздуха выделяется в виде мелких пузырьков. Происходит барботирование воды в контактном резервуаре. Барботирование воды благотворно сказывается на процесс окисления, особенно при удалении железа, присутствующего в форме бикарбоната, так как процессы окисления и гидролиза железа замедляются из-за выделения свободной углекислоты. Благодаря барботированию часть свободной углекислоты отводится в атмосферу. Барботирование в контактном резервуаре 2 может регулироваться вентилем 7 и вентилем 12, изменением скорости удара струи воды в диспергаторе 5. Например, изменяя скорость истечения жидкости из вентиля 7, можно изменять количество и размер пузырьков, тем самым настраивая работу предлагаемой установки на очистку конкретной воды. Другая часть воды, поступившая из насоса 3 на осветлительные фильтры 4, пройдя через фильтрующую загрузку и освободившись от трехвалентного железа, подается потребителю.

Формула изобретения

Способ очистки подземной воды от железа, включающий вакуумирование воды, смешение ее с воздухом при атмосферном давлении, обработку в контактном резервуаре, фильтрацию, отличающийся тем, что при обработке воды в контактном резервуаре часть воды постоянно отбирают, подают на смещение с диспергированным воздухом при определенном давлении водовоздушной смеси и времени насыщения и возвращают в контактный резервуар, осуществляя циркуляцию воды, при этом размер диспергированных пузырьков воздуха, давление водовоздушной смеси и время насыщения связаны между собой выражением

где P - давление водовоздушной смеси, Па;
R - радиус диспергированных пузырьков воздуха, М;
t - время насыщения воды при давлении P, с;
Q - количество воздуха, подаваемого на обработку 1 м³ воды, м³/м³;
H - константа Генри, м³Па/кг;
D - коэффициент молекулярной диффузии, м²/с;
относительная разность концентраций кислорода у стенки пузырька воздуха (C_S, кг/м³) и в объеме воды (C_L, кг/м³) к равновесной концентрации кислорода в воде при атмосферном давлении (C_P кг/м³), при C_ц=C_p(1+2σ/RP_o), кг/м³
σ - поверхностное натяжение, н/м;
P_о - атмосферное давление, Па;
C_ц - концентрация кислорода в циркулирующей воде, кг/м³,
С_ц= С_L(ω+1)-ωC_п,
C_п - концентрация кислорода в подземной воде, кг/м³;
ω =^Qп /Q_ц - отношение расходов подземной (Q_п) и циркулирующей (Q_ц) воды.

РИСУНКИ

Рисунок 1