Спосіб одержання питної води

Реферат: Винахід належить до галузі водопідготовки питної води, а саме до мембранного очищення та мінералізації води. Спосіб одержання питної води полягає в послідовному фільтруванні високомінералізованої води через картриджний фільтр та насипний фільтр, причому очищення в останьому ведуть в присутності хлориду заліза(ІІІ). Далі фільтрують воду через нанофільтраційний плоскорамний елемент і двостадійну зворотноосмотичну установку. Одержаний пермеат мінералізують солями концентрату зі стадії нанофільтрації та здійснюють знезараження питної води. Винахід забезпечує одержання фізіологічно повноцінної води за показниками безпеки та якості сольового складу, що відповідає вимогам ДСанПіН України. UA 101872 C2 (12) UA 101872 C2 UA 101872 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 Винахід належить до галузі водопідготовки питної води, а саме до мембранного очищення та мінералізації води і може бути використаний для одержання питної води з високомінералізованої води, наприклад, морській. Проблема питного водопостачання Україна є однією з найактуальніших проблем сьогодення. В цілому за запасами водних ресурсів з розрахунку на одиницю площі на одного мешканця Україна займає одне з останніх місць у Європі, та й на території країни вони розподіляються дуже нерівномірно. Найгірше забезпечені водними ресурсами південні регіони України такі, як Херсонська область та Автономна Республіка Крим. На півдні країни проблеми водопостачання вирішуються за рахунок використання транзитного стоку, причому це вимагає величезних коштів на будівництво каналів та водогонів, попереднє очищення та перекидання води. Однак вирішення проблеми питного водопостачання південних регіонів України можливе за рахунок опріснення вод Чорного та Азовського морів. Відомий спосіб одержання питної води шляхом мінералізації дистиляту після опріснення морської або прісної води [патент RU2417953 МПК (2006.01) C02F 1/68, A23L2/38, C02F103/04 опублікований 10.05.2011] [1]. Суть способу [1] полягає в наступному. Попередньо знесолюють морську воду, наприклад, дистиляцією. Отриманий дистилят піддають мінералізації заданою кількістю солей. Заздалегідь розчиняють в невеликій кількості дистиляту окремо сульфат магнію, сульфат калію, сульфат цинку і сульфат марганцю. Для цього використовують солі кваліфікації "ч", "хч", "чда". Потім у велику ємність наливають задану кількість дистиляту, після чого в неї послідовно вводять попередньо підготовлені розчини сульфату магнію, сульфату калію, сульфату цинку і сульфату марганцю при повільному перемішуванні. Згідно [1] послідовність введення реагентів не має 3 значення. Беруть 950 дм дистиляту і послідовно додають в нього попередньо розчинені в 20 3 дм дистиляту 246000 мг сульфату магнію 7-водного, 200000 мг сульфату калію, також 3 3 розчиненого в 20 дм дистиляту, 10000 мг сульфату цинку, розчиненого в 5 дм дистиляту і 240 3 мг сульфату марганцю, розчиненого в 5 дм . Підготовлені таким чином воду витримують протягом 1,5-2 години, після чого подають споживачеві. За сольовим складом отримана вода + 3 2+ 3 2+ 3 2+ 3 2мала такі показники: К =90 мг/дм ,Mg =24 мг/дм , Zn =4,0 мг/ дм , Мn =0,09 мг/дм , SO4 =214 3 мг/дм . Спосіб [1] не передбачає введення у воду таких компонентів як іони натрію, заліза і хлоридіонів. Наявність їх у питній воді в сукупності з представленими вище показниками забезпечує одержання фізіологічно повноцінної води [ДСанПіН 2.2.4-171-10 "Гігієнічні Вимоги до води пітної, призначеної для споживання людиною" затв. Наказом МОЗ України 12.05.2010 № 400] [2]. Крім того слід зазначити, що спосіб [1] складний і вимагає створення реагетного господарства для отримання розчинів солей та їх подальшого дозування в дистилят. Найбільш близьким аналогом до винаходу за технічною суттю та досягнутим результатом є спосіб отримання питної води [патент RU2164498 МПК (2007) C02F 1/68, A23L2/38, опубл. 27.03.2001] [3]. Спосіб реалізується наступним чином [3]. Штучно мінералізовану воду отримують з води, синтезованої при роботі електрохімічних генераторів із води, знесоленої на іонітних, опріснювальній або мембранній установках. При приготуванні штучно мінералізованої води можуть бути використані індивідуальні солі, їх суміші, розчини солей, змішані розчини з більш високою концентрацією, ніж концентрації солей у штучно мінералізованій воді. Як солі, що вводяться в знесолену воду, можуть бути використані солі, які мають розчинність не менше 3 8000 мг/дм : хлориди, сульфати, гідрокарбонати, фториди, ацетати магнію, кальцію, калію, натрію і срібла. Перед мінералізацією вихідна вода може бути пропущена через патрон знезараження, в результаті роботи якого до води надходить додатковий йод та/або його 3 сполуки в кількості 0,005-1,0 мг/дм . Таким чином, у штучно мінералізованої воді може знаходиться додатково йод та/або його сполуки. Отримана штучно мінералізована вода згідно з даними [3] відповідає показникам ГОСТ 2874-82 і ГОСТ Р 50804-95 як фізіологічно повноцінна вода. Приклад одержання питної води із знесоленої на мембранній установці. У воду, одержану в 3 результаті знесолення на мембранній установці, в кількості 100 дм стаціонарно вводять 14,4 мг 3 сульфату срібла і 220 мг фториду натрію. Далі послідовно вводять 0,071 дм ацетату кальцію 3 3 3 концентрації 90000 мг/дм ; 0,055 дм розчину сульфату магнію концентрацією 150000 мг/дм ; 3 3 0,04 дм суміші розчинів гідрокарбонату натрію і калію концентрації 30000 та 7500 мг/дм , 3 3 відповідно, 0,03 дм розчину хлориду кальцію концентрації 240000 мг/дм . Якість одержаної питної води представлено в таблиці 1 графа 4. Як випливає з представлених у таблиці 1 даних штучно мінералізована вода, одержана за способом [3] відповідає вимогам ГОСТ 2874-82 і ГОСТ Р 50804-95 (таб. 1 графа 5), але не 1 UA 101872 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 задовольняє вимоги ДСанПіНа Україні [2] (табл. 1 графи 6) до фізіологічно повноцінної воді за показниками: загальний органічний вуглець (більше) і калій (менше). Слід зазначити, що у відомому способі [3] не передбачено визначення токсичності води з використанням методу біотестування [Архипчук В.В. Гончарук В.В. Комплексна оцінка токсичності, цито- і генотоксичності полі-гексаметиленгуанідин з використанням рослинних та тваринних тест-організмів та їх клітин. // Хімія і технологія води, 2007, N4.,т. 29.-c. 357-369] [4]. Метод оцінки якості питної води за допомогою біотестування набором тест-об'єктів (бактерії, тварини і рослинні організми) був розроблений в лабораторії ІКХХВ ім. А.В. Думанського НАН України. Результати біотестування за окремими тест-об'єктами складаються та для кількісної інтерпретації суми використовують індекс загальної токсичності (І ОТ). ІОТ виражається в умовних одиницях. При чотирьох тест-об'єктах ІОТ не перевищує 400 одиниць. При величині ІОТ рівною 0-40 у.е. вода відноситься до категорії "безпечна", при ІОТ рівної 4180 у.о. вода відповідає категорії "умовно небезпечна", у разі якщо вода відносяться до категорії "небезпечна" ІОТ дорівнює 81-120 у.о., якщо ІОТ понад 121 у.о. вода відноситься до категорії "дуже небезпечна вода". Нами була одержана питна вода за відомим способом [3] з води Чорного моря, Коктебель, характеристика якої представлена в табл. 1. графа 3. Відповідно до біотестування штучно мінералізована вода, одержана за способом [3], має ІОТ рівний 90 у.е. та відноситься до категорії "умовно небезпечної" води. Таким чином одержана вода не відповідає вимогам нормативного документу України для фізіологічно повноцінної води ДСанПіН України [2], а також відноситься до категорії "умовно небезпечна". Крім того реалізація способу [3] пов'язана із низкою труднощів по здійсненню його, тобто, необхідністю організації реагентного господарства для приготування та дозування розчинів мінералізуючих солей. В основу винаходу поставлена задача розробити спосіб одержання питної води із високомінералізованої води, наприклад морської, у якому заявлена послідовність механічного та баромембранного очищення забезпечила б таке співвідношення солей у концентраті після стадії нанофільтрації, що дозволило б використовувати його для мінералізації пермеату з одержанням фізіологічно повноцінної води за показниками якості та безпеки. Для вирішення поставленої задачі запропоновано спосіб одержання питної води, що включає обробку високомінералізованої води на мембранній установці з наступною мінералізацією пермеату розчинами солей, у якому, відповідно до винаходу, процес здійснюють, послідовно фільтруючи високомінералізовану воду через механічний фільтр, нанофільтраційний плоскорамний елемент та зворотноосматичну установку, а зворотний осмос здійснюють у дві стадії, як механічний фільтр використовують послідовно з'єднані картриджний та насипний фільтри, та очистку в останньому ведуть у присутності хлориду заліза(Ш), а мінералізацію пермеату проводять солями концентрату, одержаного на стадії нанофільтрацї, та одержану воду знезаражують; причому, об'єм концентрату після нанофільтрації для мінералізації пермеату розраховують за формулами (І) та (II). Vнф  k  Vn; дм3 , (І) 3 де: Vn - об'єм пермеату після мембранного очищення, дм ; k - коефіцієнт змішування C п  С п.в. , (ІІ) С п.в.  С НФ де С НФ - концентрація солей у концентраті після стадії нанофільтрації; С п.в. - необхідна концентрація солей у питній воді; C п - концентрація солей у пермеаті після мембранного очищення; причому як завантаження k 45 50 55 насипного фільтра використовують безводний оксид кремнію, причому в якості вихідної води використовують морську воду. Характерною відмінністю запропонованого способу одержання питної води є заявлена послідовність обробки вихідної високомінералізованої води на механічному фільтрі, а саме послідовним фільтрування води через картриджний фільтр для видалення механічних домішок і насипний фільтр у присутності хлориду заліза(ІІІ), що забезпечує глибоке очищення води від органічних сполук; а потім баромембранним фільтруванням, а саме: спочатку нанофільрацією для пом'якшення вихідної води та одержання концентрованого розчину солей для подальшої мінералізації пермеату, та двостадійним зворотним осмосом. Суттєвим моментом при цьому є фільтрування на нанофільраційних плоскорамних мембранних елементах та використання двох 2 UA 101872 C2 5 10 15 20 25 30 35 стадій зворотного осмосу для одержання пермеату (глибко знесолена вода), наступна мінералізація останнього солями концентрату, одержаного на стадії нанофільтрації забезпечило б одержання питної води, що задовольняє вимоги ДСанПіН України [2] до фізіологічно повноцінної води за показниками якості (сольовий склад) та безпеки (категорія "безпечна"). Технологія одержання питної води реалізується відповідно до схеми. Схема складається із наступних вузлів: Механічного фільтра, що являє собою послідовно з'єднані: - фільтр (1) зі змінними картриджами із поліпропіленових волокон (ТУ У13486464.003-96); - насипний фільтр (2), що завантажений гранулами безводного оксиду кремнію (NSF/FNSI Standard 61). - станція дозування (3) за допомогою якої дозується розчин хлориду заліза (ІІІ) у насипний фільтр (2). Мембранної установки що складається з: - нанофільтраційного плоскорамного мембранного апарату (4) з мембранами ОПМН-П виробництва компанії "Владипор", Росія зі спектром фільтрації 0,01-0,001 мкм; - високонапорного зворотноосмотичного рулонного модуля (5), оснащений ESPA-1 виробництва компанії Hidranautic, США зі спектром фільтрації менше 0,001 мкм; - низьконапорного зворотноосмотичного рулонного модуля (6), оснащений ESPA-1 виробництва компанії Hidranautic, США зі спектром фільтрації менше 0,001 мкм; - Усереднюючої ємкості (7) із поплавками верхнього та нижнього рівнів. - Бактерицидної установки (8), що являє собою бактерицидну ультрафіолетову лампу БМ1/НДФ 2,5 низького тиску. Для одержання питної води беруть воду Чорного моря (Одеса, Севастополь, Коктебель). Вихідна вода надходить на механічний фільтр, послідовно походячи картриджний фільтр (1) та насипний фільтр (2). В останній одночасно подається хлорид заліза (ІІІ) (ГОСТ 4147) з 3 концентрацією 10-100 мг/дм . Після очищення на механічному фільтрі вода надходить на мембранну установку, послідовно підлягає очищенню на нанофільтраційному пласкорамному елементі (4) під робочим тиском 1-2 МПа, на високонапорному зворотноосмотичному рулонному модулі (5) під робочим тиском 4-6 МПа та низьконапорному зворотноосмотичному модулі (6) під робочим тиском 1-2 МПа. Частина концентрату одержаного після нанофільтрації поєднують в усереднюючій ємкості (7) з потоком пермеату, одержаного після стадії низьконапорного зворотного осмосу. Об'єм концентрату після нанофільрації необхідний для мінералізації пермеату визначають за формулами (І) та (II): Vнф  k  Vn; дм3 , (І) 3 де: Vn - об'єм пермеату після мембранного очищення, дм ; k - коефіцієнт змішування Cп  Сп.в. Сп.в.  СНФ , (ІІ) де С НФ - концентрація солей у концентраті після стадії нанофільтрації; Сп.в. - необхідна концентрація солей у питній воді; k 40 C п - концентрація солей у пермеаті після мембранного очищення. 45 50 55 Концентрація солей у концентраті після стадії нанофільтрації у пермеаті після низьконапорного зворотного осмосу визначають за сухим залишком [ГОСТ 18164] [4]. Концентрації окремих катіонів та аніонів визначають відповідно до методик [Новиков Ю.Ю., Ласточкина К.С., Болдина З.Н. Методы исследования качества воды водоемов. - М.: Медицина, 1990, с. 42-190] [5]. Невикористаний концентрат після нанофільтрації і концентрат після високонапорного зворотного осмосу скидається в каналізацію, а концентрат після низьконапірного зворотного осмосу повертається в голову технологічної схеми, з метою зменшення витрат та інтенсифікації процесу очищення вихідної води. Приклад виконання за винаходом. Як вихідну води беруть воду Чорного моря (Коктебель) (дані по сольовому складу представлені в табл. 2 графа 2). Вихідна морська вода зі швидкістю 2 м/с поступає на картридж ний фільтр (1), а далі на насипний фільтр (2). Станція дозування (3) подає хлорид заліза (3) з 3 UA 101872 C2 3 5 10 концентрацією 70 мг/дм по залізу у насипний фільтр зі швидкістю 0,2 м/с, що забезпечує очищення морської води від механічних домішок та органічних сполук. Далі надходить на мембранну установку, послідовно фільтруючись на нанофільтраційному плоскорамному мембранному елементі (4) під тиском 1,5 МПа, високонапорному зворотноосматичному рулонному модулі (5), під робочим тиском 5 МПа та низьконапорному зворотно осмотичному рулонному модулі (6) під робочим тиском 1,5 МПа. Склад одержаного після низьконапорного зворотного осмосу пермеата представлений у таб. 2 графа 4. 3 Далі пермеат надходить до усереднюючої ємкості (7), об'ємом 1000 дм , до тої ж ємкості 3 надходить необхідний об'єм концентрату після стадії нанофільтрації - 15,25 дм . Об'єм концентрату після стадії нанофільтрації, визначають за формулами (І) та (II): Vнф  k  Vn; дм3 , (І) k де: 15 C п  С п.в. , (II) С п.в.  С НФ Vn - об'єм пермеату після мембранного очищення складав 1000 дм3; k - коефіцієнт змішування; 3 С НФ - концентрація солей у концентраті після стадії нанофільтрації складав 24000 мг/дм за сухим залишком; 3 С п.в. - необхідна концентрація солей у питній воді, наприклад 400 мг/дм за сухим залишком; 3 C п - концентрація солей у пермеаті після мембранного очищення складала 40 мг/дм за 20 сухим залишком. Таким чином коефіцієнт змішування k дорівнює: k 25 30 35 40 45 40  400  0,01525, а об'єм концентрату після стадії нанофільтрації, необхідний 400  24000 для мінералізації пермеату складає: 3 Vκнф=0,01525-1000=15,25 дм . Після мінералізації вода надходить на знезараження на бактерицидній установці (8), де обробляється ультрафіолетовими променями. Якість одержаної питної води (табл. 2 графа 6) відповідає нормам ДСаНПіН України [2] до фізіологічно повноцінної води за показниками якості води (сольовий склад). Проведене біотестування (відповідно до методики описаної вище) показало, що одержана питна вода має Іот рівний 15 у.о., що відповідає категорії води "безпечна". Концентрат після стадії нанофільтрації, не використаний для мінералізації пермеату, та концентрат після високонапорного зворотного осмосу скидається до каналізації, а концентрат після низьконапорного зворотного осмосу направляється в голову очисних споруд для покращення процесу очищення води та зменшення затрат вихідної води. Відповідно до даних, що представлені у таблицях 1 і 2 переваги запропонованого способу одержання питної води із високомінералізованої води у порівнянні з відомим способом [3] полягають у наступному: Запропонований спосіб забезпечує одержання фізіологічно повноцінної питної води відповідно до вимог ДСанПіН України [2] за показниками безпеки(категорія "безпечна") та якості (сольовий склад), що не досягається відомим способом [3]. В одержаній воді спостерігається + недостатня кількість іонів К , та надлишок за загальним органічним вуглецем, а також вода відноситься до категорії "умовно небезпечна". Реалізація заявленої технології потребує менших капітальних витрат за рахунок виключення реагетного господарства. За рахунок використання частини концентрату після нанофільтрації як розчину для мінералізації пермеату, а також направлення концентрату після стадії низьконапорного зворотного осмосу у голову технологічної схеми досягається часткова утилізація концентратів після баромембранного очищення, скорочуються витрата вихідної води та поліпшується процес мембранного знесолення. 50 4 UA 101872 C2 Таблица 1 № Показник п/п 1. 2. 1 Жорсткість, мг-екв/дм 3 2 Лужність, мг-екв/дм Загальний органічний 3 3 вуглець, мг/дм 3 5 Магній, мг/дм 6 Калій, мг/дм 3 7 Натрій, мг/дм -3 8 Сульфати, мг/дм 3 9 Хлориди, мг/дм 3 10 Фториди, мг/дм 3 11 Залізо, мг/дм Вихідна Питна вода одержана Вимоги ГОСТ 2874-82 ДСанПіН вода за способом [3] та ГОСТ Р 50804-95 [2] 3. 4. 5. 6. 70 3,5 7 1,5-6,5 3,3 0,5-6,5 0,5-6,5 12,7 19,35 25 3 644,5 200 2840 1200 87,98 2,13 0,3 17,00 1,20 4,50 66,01 46,01 1,0 80 500 350 0,7-1,5 0,3 10-50 2-20 10-50 250 250 0,7-1,2 0,2 Таблица 2 № п/п Показник 1. 1 2. 3. рН 7,70 Сухий залишок, 2 20830 3 мг/дм Жорсткість, мг3 66,00 3 екв/дм 3 4 Лужність, мг-екв/дм 3,30 Загальний органіч5 13 3 ний вуглець, мг/дм 3 6 Магній, мг/дм 644 7 Калій, мг/дм 600 3 8 Залізо, мг/дм 0,30 3 9 Натрій, мг/дм 2200 3 10 Сульфати, мг/дм' 1200 3 11 Хлориди, мг/дм 8798 15 24000 40 400 200-500 122,10 0 1,834 1,5-7,0 2,80 0,5 0,54 0,5-6,5 4,70 0 0,0706