СПОСОБ ОЧИСТКИ И ОБЕЗЗАРАЖИВАНИЯ ВОДНЫХ СРЕД Российский патент 1997 года по МПК C02F1/50 C02F1/32 

Изобретение относится к обработке сточных вод, содержащих органические и неорганические соединения в количествах, превышающих ПДК, и может быть использовано для очистки и обеззараживания природных поверхностных водоисточников, промышленных и бытовых сточных вод до питьевых норм.

Известен способ очистки сточных вод путем химической обработки реагентом с последующим ультрафиолетовым (УФ) облучением. Для УФ- облучения используют импульсный источник излучения сплошного спектра в области 200-300 нм с длительностью импульса 10^-6 5•10^-4 при плотности мощности излучения не менее 100 кВт/м² сточных вод (пат. РФ N 2019529, C 02 F 9/00, 1/32, 1994 г.) Способ позволяет эффективно очищать стоки от токсичных соединений и патогенной микрофлоры, однако имеет следующие недостатки: многостадийность; наличие химического реагента, дополнительно загрязняющего воду; необходимость использования биосооружений для утилизации образующегося осадка; высокий уровень мощности импульсного источника излучения, приводящий к низкой долговечности излучателя и частой замене газоразрядных трубок; интенсивная соляризация кварцевой колбы источника излучения из-за недостаточной самоочистки.

Известны также способы, предусматривающие для очистки воды ультразвуковую (УЗ) обработку. В частности, известен способ осветления суспензий с помощью наложения на нее УЗ-вибраций низкой частоты (а. с. N 1286528, C 02 F 1/36, 1987 г.) УЗ используют также для уплотнения осадков сточных вод (пат. ГДР N 248572), для извлечения металлов (пат. США N 4755270) и т. п.

Известны способы, сочетающие химическую обработку (например, коагулянтом) с УЗ- воздействием (Е.Д. Бабенков. "Очистка воды коагулянтами". М. Наука, 1977 г. с. 279-280). К их недостаткам можно отнести низкую скорость осветления водных сред, дополнительное загрязнение воды химическим реагентом и пр.

Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату является способ обработки сточных вод, предусматривающий предварительное воздействие УЗ с последующим УФ-облучением ртутной лампой (заявка ФРГ N 3739979, C 02 F 1/32, 9/00, 1987 г.) В данном способе УЗ-обработка используется для устранения вредного влияния взвешенных частиц на УФ-дезинфекцию путем разрушения макромолекул и агломератов. Недостатком очистки водных сред по такой схеме является то, что при значительных концентрациях взвешенных частиц, агломератов, макромолекул в водной среде требуются очень высокие уровни мощности УФ-излучения, что связано с экранированием и сильным поглощением создаваемого излучения. Это обстоятельство делает известный способ экономически невыгодным и в большинстве случаев не обеспечивает необходимую степень очистки и обеззараживания сточных вод.

Целью изобретения является обеспечение высокой степени очистки водных сред от органических, неорганических, токсических загрязнений, патогенной микрофлоры до показателей, соответствующих нормам международных стандартов; снижение энергетических затрат на обеззараживание; универсальность по отношению к различным типам загрязнений.

Для достижения указанной цели водные среды, содержащие различные виды загрязнений, в т. ч. патогенную микрофлору, подвергают воздействию УЗ с частотой УЗ-колебаний более 25 кГц и их мощностью 0,05-2 Вт/см², после чего проводят УФ- облучение. Для УФ-облучения могут быть использованы импульсный источник излучения сплошного спектра в области длин волн 190-300 нм при длительности импульса 10^-6- 2•10^-4 с и плотности импульсной мощности излучения в любом сечении объема обрабатываемой среды не менее 20 кВт/м², а также разрядный источник излучения непрерывного действия в области 190-300 нм с плотностью мощности излучения в любом сечении объема обрабатываемой среды не менее 50 Вт/м². Безвредные продукты после фотохимической обработки могут быть дополнительно отфильтрованы угольным или любым другим фильтром.

В предложенном способе используется принципиально новый подход к стадии УФ- обеззараживания водных сред. В отличие от известных способов, использующих УЗ-воздействие для целей разрушения макромолекул или агломератов, в заявленном способе подобраны режимные параметры УЗ-обработки, обеспечивающие формирование в водной среде парогазовых пузырьков. Последующее воздействие УФ-излучения на такие пузырьки приводит к образованию при значительно меньших энергетических затратах мощных окислителей (свободных радикалов, пироксидных радикалов), что в свою очередь способствует более интенсивному протеканию фотохимических реакций во всем объеме обрабатываемой среды. В результате таких реакций происходит окисление загрязнений до таких соединений, как вода, углекислый газ и т. п. или до химически нейтральных нерастворимых фрагментов, легко улавливаемых при необходимости простейшими фильтрами.

Более подробно механизм взаимодействия пузырьков с загрязнениями можно представить в следующем виде.

При воздействии УЗ-колебаний кавитационные пузырьки (каверны) возникают в первую очередь на неоднородностях, являющихся переносчиками патогенной микрофлоры, токсинов и недоступных зачастую для УФ-излучения. Образующиеся в полости пузырьков под действием этого излучения мощные окислители при попадании на границу пузырька соприкасаются с поверхностью элемента неоднородности и происходят интенсивные окислительные реакции, приводящие к инактивации токсинов и микрофлоры. Аналогично происходит инактивация в объеме обрабатываемой жидкости. Поскольку суммарная поверхность кавитационных пузырьков велика, то и эффективность обеззараживания водной среды значительно увеличивается. Следует учесть и то, что парогазовые пузырьки существуют в течение продолжительного времени, и процесс окисления при посредстве образовавшихся в них активных свободных радикалов продолжается и после воздействия на водную среду УФ-излучения.

Следует заметить, что для формирования кавитационных парогазовых пузырьков нужной плотности необходимы особые режимные параметры работы УЗ-камеры.

Установлено, что на частоте 25 кГц наблюдаются резонансные явления парогазовых пузырьков, образующихся при кавитации (это подтверждается в опытах со звуколюминесценцией). Для поддержания оптимальных пространственно-временных характеристик пузырьков необходимо инициировать механические колебания с частотами, кратными резонансной.

Плотность мощности УЗ-колебаний выбрана из следующих соображений. Известно, что для большинства процессов пороговая интенсивность УЗ составляет 0,01-0,1 Вт/см². Однако при плотности мощности менее 0,05 Вт/см² не происходит образования парогазовых пузырьков требуемой прочности и в достаточном количестве. Значения более 2 Вт/см² губительно действуют на живые организмы и обслуживающий персонал, а инактивация эффективно обеспечивается и при меньших значениях интенсивности УЗ из заявленного интервала.

Для УЗ воздействия с таким параметрами частоты и мощности может быть использован УЗ- возбудитель любой из известных конструкций (например, гидродинамический, пьезоэлектрический или магнитострикционный небольшой мощности с одно- или двухкаскадным концентратором УЗ-излучения). При этом один из каскадов может быть создан из самой очищенной жидкости за счет соответствующей конструкции трубопровода (конической, экспоненциальной, ампульной-катеноидальной), по которому она протекает и подвергается воздействию УЗ-излучения.

Обработанная в УЗ-камере водная среда, представляющая собой газожидкостную систему (за счет большого количества газовых пузырьков, распределенных во всем объеме водной среды), поступает на стадию УФ-обеззараживания. Для осуществления этой стадии могут быть использованы как импульсные, так и разрядные источники излучения сплошного спектра в области длин волн 190-300 нм. При использовании импульсного источника излучения поддерживают плотность мощности излучения в каждом сечении объема обрабатываемой среды не менее 20 кВт/см² при длительности импульсов 10^-6-2•10^-4 с. При использовании разрядного источника плотность мощности излучения в любом сечении объема обрабатываемой среды составляет не менее 500 Вт/м². Эти параметры обеспечивают максимальный эффект очистки.

В качестве импульсного источника УФ- излучения используют мощную импульсную газоразрядную лампу с источником питания, формирующим импульсы разрядного тока и снабженным системой инициирования разряда.

В качестве разрядного источника УФ-излучения используют металлогалогенные и др. источники света, имеющие необходимый высокий уровень излучения в УФ-области 190-300 нм и размещенные в защитной кварцевой оболочке.

Выбранные параметры работы источников УФ- излучения позволяют:
-эффективно проводить инактивацию практически любых органических и неорганических соединений, а также патогенной микрофлоры в водных средах до показателей, соответствующих нормам международных и отечественных стандартов при существенном снижении (до 10 раз) энергетических затрат на обеззараживание при прочих равных условиях;
увеличить скорость окислительных реакций в обрабатываемом объеме;
устранить соляризацию и биообрастание кварцевых колб импульсных и кварцевых защитных чехлов непрерывных источников УФ-излучения;
создать пролонгирующее (до 10 мин) действие окислителей в кавитационных парогазовых пузырьковых кавернах по окончании УФ-облучения.

Пример 1. Сточную воду, содержащую загрязнения в количествах, указанных в табл. 1, подают в камеру УЗ-обработки. УЗ-колебания с частотой 25 кГц инициируют посредством возбудителя УЗ, на который подаются через усилитель электрические колебания с задающего генератора (в случае пьезоэлектрического или магнитострикционного возбудителя). При использовании гидродинамического возбудителя УЗ-колебаний возбуждение резонатора-излучателя производится за счет натекания струи очищаемой жидкости на преграду. Плотность мощности УЗ-колебаний в активной зоне составляет 0,05 Вт/см² и более, что достигается при весьма малых мощностях потребления электроэнергии от первичных источников (5-20 Вт при КПД около 10). Повышение интенсивности УЗ в активной зоне происходит за счет 2-х каскадных резонансных экспоненциальных фокусирующих корпусов и увеличения энергии подводимого к излучателю переменного электрического сигнала. После обработки порции воды в УЗ-камере (кавитаторе) в течение 1-2 с она обогащается кавитационными парогазовыми пузырьками диаметром 0,1-0,5 мм, длительность жизни которых при нормальных условиях достигает 10-15 мин. Такая обогащенная вода после УЗ-обработки поступает в камеру УФ-облучения. В камере вдоль ее продольной оси расположены один или несколько импульсных источников излучения сплошного спектра в области 190-300 нм, выполненные в виде трубки, прозрачной для УФ-излучения и заполненной смесью инертных газов или иным пригодным для этих целей веществом. Камера представляет собой корпус из нержавеющей стали цилиндрической формы, снабженный входным и выходным патрубками для подачи и отвода обрабатываемой водной среды. Источник излучения работает в импульсно-периодическом режиме с частотой, варьируемой от 1 до 10 Гц. Длительность импульса регулируется посредством изменения величины секционированной рабочей емкости источника питания и составляет 10^-6 с. Плотность импульсной мощности излучения в любом сечении объема среды составляет не менее 20 кВт/м². За время нахождения в УФ-камере (f 3кГц) каждый объем среды облучается тремя импульсами. После УФ-обработки воду дополнительно фильтруют через слой АУ. Результаты очистки приведены в табл. 1.

Пример 2. Воду обрабатывают в условиях примера 1 при частоте УЗ-колебаний 50 кГц и плотности мощности 2 Вт/см² с, после чего подвергают УФ-облучению импульсным источником при длительности импульса 2•10^-4 с и минимальной плотности мощности 100 кВт/м² при частоте посылок импульсов 1 Гц. Результаты очистки приведены в табл. 1.

Пример 3. Воду обрабатывают в УЗ-камере при режимных параметрах примера 1 (частота 25 кГц, плотность мощности 0,05 Вт/см²), после чего подают в камеру УФ-дезинфекции с расположенным в ней разрядным источником излучения, выполненным в виде прозрачной для УФ-излучения кварцевой трубки, заполненной смесью газов или паров. Вокруг газоразрядной трубки расположена защитная кварцевая прозрачная для УФ-излучения оболочка, вдоль которой движется облучаемая водная среда. Эта конструкция расположена вдоль продольной оси цилиндрического фотореактора, снабженного входным и выходным патрубками для подачи и отвода обрабатываемой водной среды. Плотность излучения в каждом сечении объема обрабатываемой среды не менее 50 Вт/м². Время УЗ-обработки составляет 1-2 с, время УФ-облучения 3 с. Результаты очистки приведены в табл. 2.

Пример 4. Воду обрабатывают в условиях примера 2 (50 кГц, 2 Вт/см²) и подвергают УФ-облучению разрядным источником излучения, используемым в примере 3, при плотности мощности излучения в каждом сечении объема среды не менее 100 Вт/м². Результаты очистки приведены в табл. 2.

Как видно из представленных в табл. 1, 2 данных, заявленный способ позволяет достичь следующих результатов:
при существенном уменьшении энергозатрат в сравнимых условиях достичь высокой степени очистки водной среды от коллоидов и взвешенной органики;
снизить содержание в обрабатываемой водной среде растворенных органических веществ до экологически безопасных норм;
провести обеззараживание среды от патогенной микрофлоры до норм ГОСТа на питьевую воду;
обеспечить выходные параметры по цветности и запаху, удовлетворяющие существующим нормам.

Использование: очистка и обеззараживание промышленных, бытовых, сточных вод, а также поверхностных водоисточников до норм международных стандартов. Сущность изобретения: для осуществления способа водные среды обрабатывают в ультразвуковой камере при частоте более 25 кГц и плотности мощности ультразвуковых колебаний 0,05-2 Вт/см². После ультразвуковой обработки воду направляют на ультрафиолетовое обеззараживание и фильтрование. Для ультрафиолетового обеззараживания используют импульсный источник излучения сплошного спектра в области 190-300 нм при длительности импульса 10^-6-2•10^-4 с и плотности импульсной мощности излучения в любом сечении объема обрабатываемой среды не менее 20 кВт/м², или разрядный источник излучения непрерывного действия в области 190-300 нм с плотностью мощности излучения в любом сечении объема обрабатываемой среды не менее 50 Вт/м². 1 з.п. ф-лы, 2 табл.

1. Способ очистки и обеззараживания водных сред, включающий предварительную ультразвуковую обработку с последующим ультрафиолетовым облучением, отличающийся тем, что ультразвуковую обработку проводят при частоте ультразвуковых колебаний более 25 кГц и плотности их мощности 0,05 - 2,0 Вт/см², а для ультрафиолетового облучения используют импульсный источник излучения сплошного спектра в области 190 300 нм при длительности импульса 10^-6 2•10^-4c и плотности импульсной мощности излучения в любом сечении объема обрабатываемой среды не менее 20 кВт/м² или разрядный источник излучения непрерывного действия в области 190 300 нм с плотностью мощности излучения в любом сечении объема обрабатываемой среды не менее 50 Вт/м². 2. Способ по п.1, отличающийся тем, что после ультрафиолетового облучения водные среды подвергают фильтрованию.