СПОСОБ ОБЕЗЗАРАЖИВАНИЯ ЖИДКОСТЕЙ Российский патент 1995 года по МПК C02F1/467 

Изобретение относится к охране окружающей среды, в частности к способам обеззараживания хозяйственных и технических вод, и может быть использовано в качестве способа для обеззараживания любых жидких сред.

Известен способ обеззараживания сточных вод (СВ) производств медицинских препаратов, заключающийся в том, что перед их сбросом в городскую канализацию применяют каталитическое окисление Н₂О₂ с гетерогенными катализаторами (пиролюзит, силикагель с палладиевым покрытием) или окислением Н₂О₂ и действием УФ-излучения. Обработанная вода нетоксична по отношению к микроорганизмам активного ила и может быть направлена на сооружения биохимической очистки [1]
Недостатками известного способа являются:
высокая длительность процесса;
многостадийность способа, обусловленная необходимостью последующей биохимической очистки;
высокие материальные затраты, связанные с расходованием реагентов;
необходимость регенерации катализатора.

Наиболее близким по технической сущности и достигнутому результату к изобретению является способ обеззараживания СВ, включающий обработку жидкости высоковольтными импульсными разрядами, создаваемыми над ее поверхностью [2]
В качестве одного из электродов используют поверхностный слой жидкости. Процесс осуществляют в присутствии кислородсодержащего газа (технический кислород), при амплитуде напряжения высоковольтного импульсного разряда 100-500 кВ, который обеспечивает условия для образования температуры, значительно повышающей температуру кислородсодержащего газа. В реакционной камере образуются ионы: O^-, O₂^-, O₃^-, H₂O^-, OH^- и другие, возникающие в процессе непрерывно следующих дискретных импульсных разрядов, и происходит ряд химических реакций с дополнительным образованием высокореакционных окислителей. При этом толщина слоя жидкости 1-5 мм. Промышленные стоки и другие жидкости, обрабатываемые по данному способу, подвергают предварительной фильтрации.

Основными недостатками прототипа являются:
высокая продолжительность процесса;
многостадийность способа, обусловленная необходимостью предварительной фильтрации СВ и последующей обработкой высоковольтным импульсным разрядом;
необходимость высоких требований к технике безопасности, связанные с получением высоковольтного импульсного разряда напряжением 100-500 кВ и присутствием высокотоксичного озона;
высокие материальные и энергетические затраты, обусловленные необходимостью присутствия в зоне реакции кислородсодержащего газа (кислород технический О₂ 93% N₂ 7%).

Целью изобретения является сокращение времени обработки, упрощение способа и повышение его безопасности.

Это достигается тем, что в известном способе обеззараживания СВ, включающем обработку жидкости высоковольтным разрядом, согласно изобретения процесс ведут в проточном режиме при прохождении жидкости через зоны действия тлеющего разряда постоянного напряжения 0,35-8 кВ, силе тока 40-200 мА, давлении в зоне реакции 0,1-100 мм рт.ст. температуре ниже температуры кипения раствора, при этом анод и/или катод расположен над поверхностью обрабатываемой жидкости на расстоянии 0,5-30 мм с одновременным воздействием на обеззараживаемую жидкость ультразвуковыми волнами частотой 20-30 кГц.

При прохождении жидкости через зону воздействия тлеющего разряда, а следовательно, через электрическое поле, микроорганизмы, имеющие отрицательный заряд, концентрируются вблизи поверхности раствора. Указанный эффект усиливают сорбционные процессы выделяющегося водорода в результате действия тлеющего разряда, а поток кванта энергии 100 эВ и, в том числе действие заряженной частицы Н₂О⁺ вызывают процессы, приводящие к гибели или разрушению микроорганизмов. Названная частица возникает только в условиях тлеющего разряда (т.е. при пониженном давлении, когда над поверхностью жидкости возникают пары воды). В этой связи большое значение имеет размер зоны контакта разряда с жидкофазным реагентом, которая увеличивается с понижением давления, а энергозатраты при этом значительно снижаются. Установлено, что оптимальным расстоянием расположения анода и/или катода над поверхностью жидкости является величина, не превышающая 30 мин. Это связано с формированием зон тлеющего разряда. При удалении анода от поверхности жидкости на большую величину энергозатраты резко увеличиваются.

Величина напряжения на разрядном промежутке связана с составом обрабатываемой жидкости и снижается с увеличением солесодержания. Одной из главных характеристик процесса является сила тока разряда, но ее увеличение свыше 200 мА приводит к возникновению дугового разряда и резкому снижению эффективности способа.

При воздействии на жидкость ультразвуковых волн происходит преимущественно механическое разрушение микроорганизмов в результате ультразвуковой кавитации (80% всех разрушений клетки механические, 20% электроакустические).

Одним из условий эффективности метода является отсутствие конвективных процессов в жидкости, наличие которых приводит к дестабилизации разряда. Исключить нежелательное кипение раствора можно снижением его температуры, например, путем пропускания хладагента (воды) через полый электрод. Достичь стабильность разряда можно также изменением давления в зоне реакции. Другими словами, необходимы условия, обеспечивающие рабочую температуру жидкости ниже температуры ее естественного кипения. Следует также отметить, что изменение температуры от минимального значения до максимального возможного практически не отражается на эффективности метода.

Ведение процесса возможно при различном расположении электродов: анод в жидкости, катод в газовой фазе; катод в жидкости, анод в газовой фазе; анод и катод в газовой фазе. В последнем случае необходимо соблюдать условие, которое предполагает, что сопротивление между электродами должно быть больше сопротивления между катодным электродом и обрабатываемой поверхностью воды.

При реализации схемы, предполагающей расположение катода в газовой фазе, необходимо его охлаждение, например пропускание воды через полый электрод. В противном случае возникает локальный перегрев, и электрод выходит из строя. Необходимо подчеркнуть, что при всех схемах обработки жидкостей достигаемый результат практически одинаков. Приведенные данные для случая анода приемлемы для двух других вариантов.

Основными критериями выбора материала электродов является их электропроводность и эрозионная стойкость.

П р и м е р. Воду с концентрацией микроорганизмов 10¹² особей/л подают в реакционную зону в виде слоя жидкости и воздействуют тлеющим разрядом с параметрами U 500 B, I 100 мА, давление в зоне реакции Р 50 мм рт.ст. температура реакционной массы 298 К, совместно с ультразвуковыми волнами частотой 30 кГц. При этом расстояние от поверхности жидкости до анода составляет 5 мм, а время обработки 9 с.

Результаты испытаний известного и предлагаемого способа представлены в таблице.

При всех приведенных в таблице параметрах достигается 100%-ная степень обеззараживания.

Согласно данных таблицы наиболее устойчивыми микроорганизмами прототипа являются Aerobacter cloacae и Aerobacter agrogenes, которые относятся к семейству Enterobacteriaceae. К этому же семейству принадлежат бактерии E. coli, являющиеся санитарными показателями загрязнения окружающей среды, вследствие своей большей устойчивости к воздействию внешних факторов. Необходимо подчеркнуть, что устойчивость бактерий в растворе определяется не только специфическими биологическими свойствами, но и их концентрацией, которая для условий предлагаемого способа на несколько порядков выше по сравнению с прототипом.

Из приведенных в прототипе данных следует, что время обработки самых устойчивых микроорганизмов (Aerobacter cloacae) при концентрации в воде 10⁹ особей/л составляет 27 с. В предлагаемом техническом решении представлены данные по обеззараживанию более устойчивых бактерий с концентрацией системы, в 10³ раз превышающей концентрацию микроорганизмов прототипа. При этом время процесса обеззараживания в 1,5-9 раз.

Анализ данных таблицы свидетельствует о том, что интенсивность обеззараживания зависит от тока разряда и растет по мере его увеличения. Однако при I > 200 мА возникает дуговой разряд, приводящий к повышенному разогреву реакционной массы и усилению конвективных процессов, при этом снижается эффективность способа, а при I < 40 мА тлеющий разряд неустойчив.

Оптимальная область давлений составляет 0-100 мм рт.ст. При больших значениях давления активная зона реакции уменьшается, что в итоге приводит к возникновению дугового разряда.

Удаление анода от поверхности реакционной смеси ведет к снижению длительности процесса. Однако дальнейшее увеличение разрядного промежутка нежелательно, так как приводит к росту энергетических затрат.

Наиболее губительное действие на микроорганизмы оказывает ультразвук частотой 20-30 кГц.

Таким образом предлагаемое техническое решение позволит:
снизить продолжительность процесса в 1,5-9 раз;
снизить напряжение в 31-714 раз и, как следствие, повысить безопасность способа;
снизить материальные затраты (технический кислород);
исключить стадию предварительной фильтрации жидкости.

Обеззараживание жидкости ведут в проточном режиме одновременно тлеющим разрядом постоянного напряжения 0,5 8,0 кВ и силе тока 40 200 мА и ультразвуком частотой 20 30 кГц при давлении в зоне разряда 0,1 100 мм рт. ст. и температуре ниже температуры кипения обрабатываемой жидкости, при этом один или оба электрода размещены в газовой фазе на расстоянии 0,5 30 мм от поверхности обрабатываемой жидкости. 1 табл.

СПОСОБ ОБЕЗЗАРАЖИВАНИЯ ЖИДКОСТЕЙ, включающий обработку жидкости электрическим высоковольтным разрядом, создаваемым при помощи электродов, отличающийся тем, что, с целью сокращения времени обработки, упрощения процесса и повышения его безопасности при сохранении высокой степени обеззараживания, обработку ведут в проточном режиме одновременно тлеющим разрядом постоянного напряжения 0,35 8,0 кВ и силе тока 40,0 200,0 мА и ультразвуком частотой 20 30 кГц при давлении в зоне разряда 0,1 100,0 мм рт.ст. и температуре ниже температуры кипения обрабатываемой жидкости, при этом один или оба электрода размещены на расстоянии 0,5 30,0 мм от поверхности обрабатываемой жидкости.