1. РЕСПУБЛИКА КАЗАХСТАН
(19) KZ (13) A4 (11) 28814
(51) C02F 9/02 (2006.01)
C02F 1/44 (2006.01)
B01D 65/02 (2006.01)
КОМИТЕТ ПО ПРАВАМ
ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНОЙ СОБСТВЕННОСТИ
МИНИСТЕРСТВА ЮСТИЦИИ РЕСПУБЛИКИ КАЗАХСТАН
ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ
К ИННОВАЦИОННОМУ ПАТЕНТУ
(21) 2013/0594.1
(22) 30.04.2013
(45) 15.08.2014, бюл. №8
(72) Цхай Александр Алексеевич; Погорелов
Владимир Иванович; Прятко Елена Юрьевна
(73) Товарищество с ограниченной
ответственностью "Мембранные технологии С.А."
(56) Патент РФ №2410336, кл. C02F 9/02, C02F
1/44, B01D 65/02, опубл. 27.01.2011г.
(54) СПОСОБ ОЧИСТКИ ВОДЫ С
ПОВЫШЕННЫМ СОДЕРЖАНИЕМ ЖЕЛЕЗА И
МАРГАНЦА И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО
ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ
(57) Изобретение относится к технологии
водоподготовки и водоочистки и может быть
использовано для очистки природных и
промышленных вод с повышенным содержанием
двухвалентного железа и марганца до питьевых
стандартов. Способ включает забор исходной воды,
последовательную подачу воды на предварительную
очистку фильтрацией и основную очистку обратным
осмосом, промывку элементов очистки. Согласно
способу предварительную очистку осуществляют на
механических фильтрах, процесс обратного осмоса
реализуют в циклическом режиме, промывку
обратноосмотических мембран проводят пермеатом
в две стадии. На первой стадии осуществляют
гидравлическую поверхностную промывку
мембраны после каждого цикла
обратноосмотической очистки, подавая пермеат под
давлением до 4 бар. На второй стадии осуществляют
глубокую промывку мембраны повторным
прохождением пермеата через мембрану путем
подачи его через линию предварительной
фильтрации под давлением 6-10 бар.
Установка для осуществления способа, содержит
средства подвода воды, фильтра предварительной
очистки, блока обратного осмоса, средства отвода
пермеата и емкость для пермеата, а также
дополнительно фильтр тонкой очистки и блок
управления процесса очистки. Емкость для пермеата
снабжена дополнительным насосом высокого
давления и средством отвода части пермеата на
промывку обратноосмотической мембраны.
(19)KZ(13)A4(11)28814

2. 28814
2
Изобретение относится к технологии
водоподготовки и водоочистки и может быть
использовано для очистки природных и
промышленных вод с повышенным содержанием
двухвалентного железа и марганца до питьевых
стандартов.
В настоящее время для опреснения
высокоминерализованной воды широко применяют
мембранные методы - электродиализ и обратный
осмос (Ионообменные мембраны в электродиализе.
Под. ред. К.М.Салдадзе. Л.: Химия, 1970, с.171-182.
Карелин Ф.Н. Обессоливание воды обратным
осмосом. - М.: Стройиздат, 1988 с.208) Однако эти
методы, позволяющие получить низкое общее
солесодержания в воде (менее 1000 мг/л), требуют в
случае сложного состава примесей, дополнительных
мер для достижения показателей очищенной воды,
соответствующих санитарным нормам по
содержанию отдельных элементов и примесей.
Известен способ обработки промышленных,
городских сточных вод и природных вод, согласно
которому вода из природного источника проходит
через ионообменник, обеспечивающий удаление
катионов, которые определяют жесткость воды,
через фильтр для удаления хлора, через второй
фильтр для удаления взвешенных частиц и через
ультрафильтр. Затем воду подвергают обратному
осмосу и добавляют в нее хлор. При этом
остаточный хлор удаляют путем пропускания воды
через угольную загрузку, состоящую из стерильных
угольных частиц. (Пат. РФ 2033976, оп. 30.04.1995)
Однако способ не обеспечивает снижения до ПДК
содержания сильнодействующих ядохимикатов,
токсинов, нефтепродуктов, а также железа и
марганца.
Известен способ очистки морской воды от бора и
брома, согласно которому проводится
деминерализация воды обратным осмосом, а затем
вода подвергается очистке от брома и бора с
помощью анионита в С1 форме (Пат. РФ 2389693,
оп. 20.05.2010)
Из уровня технике известны системы для
очистки жидкости, основанные на комбинации
мембранной фильтрации и обратного осмоса. В
подобных системах предусмотрен режим обратной
промывки, который позволяет периодически
удалять с поверхности мембраны слой
отфильтрованных частиц для поддержания ее
постоянной проницаемости. Часто такие системы
совмещают с дополнительными элементами очистки
воды от примесей. Так, используют
электрокоагуляцию для удаления из воды
растворенных органических веществ. В патенте РФ
2171787 (публ. 2001,) описано бытовое устройство
для очистки питьевой воды, содержащее блок
электрокоагуляции, который представляет собой
систему параллельно расположенных пластин,
изготовленных из алюминия или его сплавов.
Камеру хлопьеобразования используют для
агрегации и осаждения гидроксида алюминия. В
качестве фильтра тонкой очистки используют
патронный фильтровальный элемент, который
требует периодической замены. Однако метод не
применим для очистки воды с высоким
содержанием ионов железа и марганца.
Для очистки воды, содержащей железо и
марганец, осуществляют предварительное удаление
ионов. Известен способ удаления железа, согласно
которому воду из подземных источников
погружным насосом через концентратор магнитного
поля подают на гребенки сопел эжекторов. Вода
диспергируется и насыщается кислородом воздуха.
В сборной емкости растворенные сероводород и
углекислый газ удаляют. Осветляют жидкую среду
и подают на вход генератора из вихревой камеры. В
объеме зазора генератора образуется гидроокись
железа. Проводят фильтрацию основной части
потока воды на пористых перегородках (Пат. РФ
2466942 оп.20.11.2012)
Известен также способ очистки воду от ионов
железа, который включает аэрацию исходной воды с
последующим подщелачиванием. Эти процессы
протекают в баке-аэраторе, объединяющем
устройство для аэрации, смеситель и контактную
зону. Для интенсификации перемешивания реагента
с водой в бак-аэратор осуществляют подачу сжатого
воздуха от компрессора. Для доокисления в воду
вводят гипохлорит натрия с обеспечением
требуемого времени контакта и дальнейшим
извлечением соединений закисного и окисного
железа и марганца фильтрованием через
двухслойную загрузку (Пат. РФ 2442754, оп.
20.02.2012). Описанные способы громоздки в
аппаратурном оформлении и требуют применения
дополнительных реагентов.
Наиболее близким аналогом к предложенному
техническому решению является установка для
очистки воды, содержащая средство подвода
очищаемой жидкости, половолоконный фильтр с
обратной промывкой жидкостью, блок обратного
осмоса, накопительную емкость с верхним и
нижним патрубками и средство отвода очищенной
жидкости. Установка снабжена блоком
электрокоагуляции, вход которого соединен с
выходом средства подвода очищаемой жидкости, а
выход - с входом половолоконного фильтра,
обратным клапаном для подачи воздуха из
атмосферы в накопительную емкость во время
откачки жидкости из накопительной емкости.
Специально созданная накопительная емкость
выполнена с возможностью создания в ней вакуума
для подачи воздуха из атмосферы и осуществления
обратной промывки половолоконного фильтра
последовательно жидкостью под давлением,
создаваемым воздушной подушкой в верхней части
накопительной емкости, а затем - под давлением
смесью жидкости и воздуха, поступающей из нее.
Способ очистки воды включает подачу на вход
блока электрокоагуляции, в котором растворенные в
воде органические соединения переходят в коллоид,
после электрокоагуляции вода поступает на
половолоконный фильтр для отделения коллоида, а
затем в блок обратного осмоса. Концентрат,
образующийся в процессе очистки методом
обратного осмоса, поступает в накопительную
емкость и используется для обратной промывки

3. 28814
3
половолоконного фильтра. Промывку фильтра
осуществляют последовательно концентратом под
давлением, создаваемым воздушной подушкой в
верхней части накопительной емкости, и затем - под
давлением смесью концентрата и воздуха,
поступающей из накопительной емкости (Пат. РФ
2410336, оп. 27.012011). Способ позволяет, очищать
воду от органических примесей, однако, устройство
для реализации способа имеет сложное
аппаратурное исполнение. Кроме того, устройство и
способ по прототипу не позволяют эффективно
очищать воду, содержащую ионы двухвалентного
железа и марганца. Последние осаждаются на
мембранах блока обратного осмоса в результате
окисления кислородом, растворенным в воде, и
дезактивируют мембрану. Использование способа
по прототипу, в случае наличия в воде
значительных количеств растворенных солей железа
и марганца, требует предварительного окисления
ионов двухвалентного железа и марганца в
трехвалентное и последующего отделения осадка
гидроокиси железа и двуокиси марганца, что
усложняет процесс водоочистки.
Задачей группы изобретений является разработка
способа и устройства очистки воды с повышенным
содержанием железа и марганца до питьевого
качества, исключающих необходимость
предварительного удаления ионов железа и
марганца в виде осадка трехвалентного железа и
четырехвалентного марганца.
Техническим результатом группы изобретений
является упрощение способа и устройства для
очистки воды от ионов двухвалентного железа и
марганца методом обратного осмоса.
Дополнительным техническим результатом
группы изобретений является реализация
возможности промывки мембраны в процессе
водоочистки, а также продление срока эксплуатации
используемых в установке мембран.
Технический результат достигается способом, в
котором воду с повышенным содержанием
двухвалентного железа и марганца последовательно
подают на механические фильтры, после чего
производят в циклическом режиме окончательную
очистку воды методом обратного осмоса до
достижения ею питьевого качеств, при этом цикл
составляет 1-8 часов, после которого часть пермеата
(очищенной воды) направляется на гидравлическую
промывку поверхности мембраны блока обратного
осмоса.
Неожиданно было установлено, что существует
временной диапазон в работе блока обратного
осмоса, при котором в солевой камере
концентрируется двухвалентное железо и марганец
без их окисления. Т.о. реализация цикличности
процесса обратного осмоса позволяет предотвратить
осаждение нерастворимых солей и дезактивацию
мембраны блока обратного осмоса. Кроме того
обратноосмотическую мембрану, согласно
предложенному способу, подвергают промывке
пермеатом в две стадии. На первой стадии
осуществляют гидравлическую промывку
поверхности мембраны, на второй - глубокую
промывку путем подачи пермеата на повторное
прохождение через всю систему очистки, включая
обратноосмотическую мембрану.
Предлагаемый способ очистки воды с
повышенным содержанием железа и марганца,
включает забор исходной воды, последовательную
подачу воды на предварительную очистку
фильтрацией и основную очистку обратным
осмосом, промывку элементов очистки. При этом
предварительную очистку осуществляют на
механических фильтрах с рейтингом фильтрации
50-80 микрон, тонкой очистки -5 микрон, а процесс
обратного осмоса реализуют в циклическом режиме
с длительностью цикла 1-8 часа, после которого
часть пермеата - очищенной воды подают на
гидравлическую промывку поверхности
обратноосмотической мембраны.
Установлено, что длительность одного цикла
обратного осмоса обратно пропорциональна
концентрации солей в воде, подаваемой на очистку -
чем выше общее содержание солей в воде,
подаваемой в блок мембранного осмоса, тем короче
обратноосмотический цикл. При солесодержании
около 1г/л цикл составляет около 8 часов, при 30 г/л
- около 1 часа, при этом соотношение пермеат и
концентрат в процессе обратного осмоса составляет
1 : (0,2-20). Длительность промывки составляет в
среднем около 3 минут.
Гидравлическую промывку поверхности
обратноосмотической мембраны осуществляют
пермеатом, подаваемым под давлением до 4 бар.
Глубокую промывку осуществляют подачей
пермеата под давлением 6-10 атм. Глубокую
промывку осуществляют периодически, после 5-10
циклов гидравлической промывки поверхности
обратноосмотической мембраны. Длительность
периода определяется временем непрерывной
работы устройства очистки воды. Т.к. при остановке
устройства происходит окисление двухвалентного
железа и марганца в системе, что приводит к
проникновению нерастворимых солей в
обратноосмотическую мембрану. В среднем период
между глубокой промывкой мембраны составляет 7
циклов, при длительности цикла 1-8 часов в
зависимости от исходного солесодержания
очищаемой воды. Глубокую промывку
осуществляют пермеатом в количестве 3-5 объемов
всей гидравлической системы.
На фиг.1 представлена схема установки для
очистки воды с повышенным содержанием
двухвалентных железа и марганца. Установка
состоит из средства подвода воды (1),
представленного трубопроводом, фильтра
предварительной очистки (2) и фильтра тонкой
очистки (3). Насос высоко давления 4 соединен с
блоком обратного осмоса (5), который снабжен
средством отвода пермеата (6) в емкость для
пермеата (7). Фильтр предварительной очистки
является механическим фильтром с рейтингом
фильтрации 50-80 микрон, а фильтр тонкой очистки
- с рейтингом фильтрации 5 микрон. По
трубопроводу 8 концентрат направляют на
утилизацию (слив). Установка содержит блок

4. 28814
4
управления процессом очистки (9) для
регулирования работы блока обратного осмоса в
режиме очистки и промывки установки.
Установка работает, как представлено в примере,
содержащем сведения, подтверждающие
возможность реализации способа.
Пример. Исходная вода в количестве 2,0 м3
/час
подается на опреснительную установку под
давлением 2 бар и проходит следующие стадии
очистки: предварительная фильтрация на
механическом дисковом фильтре с рейтингом
55 мкм, затем тонкая фильтрация на картриджном
фильтре ВВ 20 с рейтингом 5 мкм. Далее насосом
высокого давления воду подают в
обратноосмотический блок, где при давлении
8,3 бар происходит разделение потоков. Вода,
прошедшая через установку, выходит двумя
потоками -1 м3
/час опресненной воды (пермеат) и
1,0 м /час концентрированного рассола
(концентрат). Состав воды указан в таблице 1.
Таблица 1.
Состав воды на различных этапах промывки блока обратного осмоса устройства очистки воды.
№ Показатель исходная
вода 2000 л
пермеат 1000 л концентрат
1000 л
вода после
гидропро-
мывки 450л
вода после
глубокой
промывки
50 л
пермеата
1 минерализация, мг/л 2034 32,4 4035,5 313,9 3,1
2 двухвалентные, мг/л
железо
марганец
3,2
0.5
менее 0,01
менее 0,01
6,0
0,98
0,47
0,14
н/о
н/о
3 кальций, мг/л 50,0 0,2 99,8 7,8 0,02
4 магний, мг/л 35,0 0,1 69,9 5,4 0,005
5 хлориды, мг/л 680 11,2 1348,8 104,9 1,04
6 сульфаты, мг/л 550 3,2 1096,2 85,3 0,92
Удаление двухвалентного железа и марганца
осуществляют промывкой в две стадии -
гидравлическая промывка опресненной водой
(пермеатом) вдоль мембраны производительностью
150 л/минуту в течении 3 минут и глубокая
промывка, путем вторичного опреснения пермеата в
количестве 100 л (трехкратный объем мембранного
модуля и системы подачи воды). Устройство
работает при условии заполненной емкости для
пермеата.
При указанном выполнении способа и работе
установки очистки воды ионы двухвалентного
железа и марганца полностью удаляются.
Способ очистки воды с повышенным
содержанием железа и марганца, в котором
реализован циклический метод обратного осмоса с
использованием заявленного устройства, позволяет
очистить воду от ионов двухвалентного железа и
марганца без предварительного окисления
двухвалентного железа и марганца и отделения
осадка гидроокиси трехвалентного железа и
двуокиси марганца. Одновременно цикличный
режим работы блока обратного осмоса с
периодической промывкой обратноосмотической
мембраны увеличивает срок ее эксплуатации.
ФОРМУЛА ИЗОБРЕТЕНИЯ
1. Способ очистки воды с повышенным
содержанием железа и марганца, включающий забор
исходной воды, последовательную подачу воды на
предварительную очистку фильтрацией и основную
очистку обратным осмосом, промывку элементов
очистки, отличающийся тем, что предварительную
очистку осуществляют на механических фильтрах,
процесс обратного осмоса реализуют в циклическом
режиме, промывку обратноосмотических мембран
проводят пермеатом в две стадии, причем на первой
осуществляют гидравлическую поверхностную
промывку мембраны после каждого цикла
обратноосмотической очистки, а на второй стадии
осуществляют глубокую промывку мембраны
повторным прохождением пермеата через мембрану
путем подачи его через линию предварительной
фильтрации, продукты глубокой промывки
направляют в слив.
2. Способ по п.1, отличающийся тем, что
длительность цикла обратного осмоса обратно
пропорциональна концентрации солей в воде,
подаваемой на очистку, и составляет 1 - 8 часов.
3. Способ по п.1, отличающийся тем, что
гидравлическую поверхностную промывку
обратноосмотической мембраны осуществляют
подачей пермеата под давление до 4 бар.
4. Способ по п.1, отличающийся тем, что
глубокую промывку обратноосмотической
мембраны осуществляют подачей пермеата под
давлением 6 -10 бар.
5. Способ по п.1, отличающийся тем, что
глубокую промывку осуществляют после 5-10
циклов поверхностной очистки.
6. Установка для очистки воды с повышенным
содержанием двухвалентных железа и марганца,
состоящая из средства подвода воды, фильтра
предварительной очистки, блока обратного осмоса,
средства отвода пермеата и емкость для пермеата,
отличающаяся тем, что содержит дополнительно
фильтр тонкой очистки и блок управления процесса

5. 28814
5
очистки, а емкость для пермеата снабжена
дополнительным насосом высокого давления и
средством отвода части пермеата на промывку
обратноосмотической мембраны.
7. Установка по п.6, отличающаяся тем, что
фильтр предварительныой очистки является
механическим фильтром с рейтингом фильтрации
50-80 микрон.
8. Установка по п.6, отличающаяся тем, что
фильтр тонкой очистки является механическим
фильтром с рейтингом фильтрации 5 микрон.
9. Установка по п.6, отличающаяся тем, что
блок управления процессом очистки регулирует
работу блока обратного осмоса в режиме очистки и
промывки установки.
Верстка Ж. Жомартбек
Корректор Е. Барч