СПОСОБ ОБРАБОТКИ ВОДНЫХ СИСТЕМ ОЗОНИРОВАНИЕМ Российский патент 2004 года по МПК C02F1/78 C02F103/04 C02F103/14 

Область техники

Изобретение относится к охране окружающей среды, а именно к области очистки и осветления водных систем от различных по виду и характеру примесей и загрязнений, и может быть использовано в различных отраслях промышленности, городского и сельского хозяйства для обработки воды поверхностных водоисточников, а также бытовых и промышленных сточных вод, в частности для очистки стоков красильно-отделочных производств, содержащих различные красители.

Предшествующий уровень техники

Постоянно растущие водопотребление и водоотведение делают актуальной задачу охраны водоисточников от загрязнения сточными водами и повышения степени очистки повторно используемых водных систем от различных по виду и характеру примесей, в частности от высокотоксичных примесей и трудноокисляемых органических соединений, таких как нефтепродукты, поверхностно-активные вещества, красители и др.

Озон, являясь сильным окислителем, обладает способностью эффективно разрушать различные органические и неорганические примеси в водных системах, а также оказывать воздействие на микроорганизмы, в том числе патогенные, стойкие к воздействию других обеззараживающих агентов. Озонирование водных систем улучшает их органолептические свойства и повышает содержание растворенного кислорода.

Поскольку озон производят в непосредственной близости от места обработки водной системы, то исключается необходимость его транспортировки и хранения. Однако производство озона требует значительных затрат электроэнергии, что приводит к необходимости снижения его расходов, в том числе и на обработку водных систем, путем повышения эффективности его использования. Удаление и окисление загрязнений может быть оптимизировано за счет использования средств, интенсифицирующих массообменные процессы между озонсодержащим газом и обрабатываемой водной системой.

Известен способ обработки водных систем озоном в смеси с воздухом на насадке из силикагеля, при котором озонированный воздух с содержанием 0,0015-0,0150 об.% О₃ пропускается через колонку, заполненную силикагелем с развитой поверхностью 22 м²/г и средним радиусом пор 2500 , в которую противотоком к газу подается очищаемая водная система со скоростью 0,5·10^-3 см/с. Процесс ведут при атмосферном давлении и комнатной температуре /Авторское свидетельство SU №648531, С 02 F 1/78, 1979 г./.

Недостатками этого способа являются невысокая степень использования озона, поскольку поровое пространство насадки из силикагеля мало, и невысокая степень очистки обрабатываемой водной системы, кроме того, для обеспечения требуемого времени пребывания обрабатываемой воды в контактном реакторе требуются значительные его размеры.

Наиболее близким по технической сущности к предложенному является способ обработки водных систем озонированием, включающий обработку озонсодержащим газом в реакторе с плавающей насадкой из вспененного полистирола, имеющей развитую поверхность при подаче газа и жидкости снизу вверх, при скорости жидкости 20-30 м/ч и скорости газа 35-40 м/ч, процесс ведут при времени контакта озона и очищаемой жидкости 2-2,5 мин и концентрации озона 13-40 мг/л, а крупность зерен насадки составляет 1-3 мм / Авторское свидетельство SU №899495, С 02 F 1/78, 1982 г./.

Недостатками известного способа также является невысокая степень использования озона, что существенно удорожает процесс очистки водных систем.

Сущность изобретения

Технический результат заключается в повышении степени использования озона и увеличении глубины очистки обрабатываемой водной системы за счет увеличения времени контактирования диспергированного озонсодержащего газа с жидкостью.

Технический результат достигается за счет того, что в способе обработки водных систем озонированием, включающем контактирование обрабатываемой водной системы с предварительно диспергированным озонсодержащим газом в протоке в реакторе с насадкой, контактирование ведут в реакторе с насадкой, выполненной из по меньшей мере одного нетканого волокнистого модуля с поровым пространством 0,7-0,99, состоящего из беспорядочно уложенных в объеме или плоскости и точечно-скрепленных в местах соприкосновений прочных нитей с диаметром 0,2-2,0 мм из полимерного материала, инертного к действию воды и озона, предпочтительно используют нити из нейлона с диаметром 0,35-1,0, а в качестве озонсодержащго газа - озоно-воздушную смесь.

Один и более модулей размещают в контактном аппарате для озонирования водных систем на пути всплывания диспергированного озонсодержащего газа.

Модуль должен иметь структуру с большим поровым пространством. Величина порового пространства модуля является существенным параметром, поскольку в элементах с поровым пространством менее 0,7 увеличивается коалесценция пузырьков газа, что приводит к снижению полноты перехода озона из газовой фазы в жидкую, а величина порового пространства более 0,99 снижает эффективность адсорбции пузырьков газа на поверхности волокнистого материала модуля.

Точечное скрепление нитей в местах их соприкосновений придает модулю механическую жесткость и однородность порового пространства, что играет важную роль для однородности потоков газовой и жидкой фаз в сечении контактного аппарата. Нити диаметром менее 0,2 мм не позволяют обеспечить необходимую жесткость модуля, а более 2,0 мм снижают эффективность адсорбции газа на поверхности волокнистого материала модуля. Предпочтительным является диаметр нитей от 0,35 до 1,0 мм.

Полимерный материал нитей должен быть прочен (прочность на разрыв при растяжении по длине составляет не менее 1,4 кН/м) и инертен по отношению к действию водной системы и озона, предпочтительно в качестве такого материала использовать нейлон.

В качестве модуля может быть применен известный геосинтетический строительный материал марки "Enkamat" типы 7018 и 7020 или "Enkamat S" типы 55 и 110 фирмы "Colbond", имеющий вышеописанную пористую структуру и обладающий инертностью относительно действия воды и озона /Технические условия. ТУ 8390-011-02066523-99 "Материал нетканый волокнистый, объемный точечно-скрепленный ЕНКАМАТ". Введены в действие 23 января 1998 г./.

Изобретение поясняется чертежом, на котором изображен фрагмент объемного нетканого волокнистого модуля.

Сведения, подтверждающие возможность осуществления изобретения

Способ осуществляют следующим образом.

Озонсодержащую смесь подают в барботажный реактор колонного типа с насадкой, выполненной в виде нетканого волокнистого модуля с поровым пространством 0,7-0,99, состоящего из беспорядочно уложенных в объеме или плоскости и точечно-скрепленных в местах соприкосновений прочных нитей с диаметром 0,2-2,0 мм из полимерного материала, инертного к действию воды и озона. В реактор в режиме прямотока или противотока подают обрабатываемую водную систему, при этом начинается межфазный контакт сплошной и диспергированной фаз, продолжительность которого определяется скоростью перемещения одного относительно другого. Мелкие пузыри диспергированного озонсодержащего газа, попадая в объемный модуль, адсорбируются на поверхности волокнистого материала модуля; постепенно пузыри укрупняются за счет коалесценции и, достигнув определенного размера, отрываются от материала модуля и возобновляют всплывание. Время пребывания пузырьков газа в толще модуля до момента срывания составляет в среднем 40-70 секунд. За это время практически весь озон, находящийся в газовой смеси внутри пузырьков успевает перейти в жидкую фазу. Озон вступает в реакцию с растворенными в водной системе примесями и загрязнениями, в результате чего происходит очистка водной системы. При заданной скорости перемещения сплошной фазы скорость движения газовой дисперсии зависит от ее фракционного состава и при прочих равных условиях (температура, влажность и т.п.) не может регулироваться (изменяться). Установка одного и более модулей в барботажном контактном реакторе на пути движения (всплывания) диспергированной озонсодержащей смеси приводит к уменьшению фазовой скорости вследствие устанавливающегося динамического равновесия. Изменение геометрических соотношений в установке модулей и их пространственные показатели позволяют изменять продолжительность контакта в требуемых пределах за счет уменьшения средней скорости всплывания диспергированной озонсодержащей смеси.

При низких концентрациях загрязнений и невысоких дозах озона в озоносодержащей смеси один и более модулей могут быть выполнены в плоском варианте, т.е. в виде сетки.

При обработке водных систем, содержащих вещества, имеющие низкую скорость взаимодействия с озоном, требуется значительная продолжительность межфазного контакта для того, чтобы процесс массопереноса озона из озонсодержащей газовой фазы в жидкую протекал наиболее полно. При этом увеличивается коэффициент использования озона и, следовательно, уменьшается выброс непрореагировавшего озона с отходящим из реактора газом.

Пример 1. Озонированию подвергают сточную воду красильно-отделочного производства, загрязненную в основном текстильными красителями. Исходная концентрация красителей 16 мг/л, значение показателя ХПК - 137 мг О₂/л. Для сравнения озонирование производят в 1 варианте - в барботажном реакторе колонного типа высотой 2 м и объемом 80 л, во 2 варианте - в этом же реакторе, но с установленным в нем объемным модулем. Расход озоно-воздушной смеси в обоих экспериментах составляет 1,2 л/мин, а концентрация озона в озоно-воздушной смеси 20 мг/л. Расход воды составляет 4 л/мин. В качестве объемного модуля используют геосинтетический строительный материал марки "Enkamat" тип 7020, производимый фирмы "Colbond" и имеющий вышеописанную пористую структуру. Отношение объема пор к общему объему модуля равно 0,96. Модуль выполнен из нейлона, диаметр нитей 0,5 мм. Материал обладает инертностью относительно действия воды и озона. Сравнительные данные приведены в Таблице 1.

За счет адсорбции газа на объемной структуре насадки модуля время нахождения озонсодержащей диспергированной газовой фазы в реакторе в 5 раз больше, чем в реакторе без насадки. За счет этого практически весь озон, находящийся в газовой смеси внутри пузыря, успевает перейти в жидкую фазу и прореагировать с загрязнениями воды. Из приведенных в Таблице 1 результатов видно, что использование предложенного способа обработки воды озонированием в барботажном реакторе с насадкой, выполненной из нетканого волокнистого модуля, позволяет увеличить эффективность обесцвечивания водной системы в 1,2 раза и повысить степень очистки по показателю ХПК в 1,5 раза. При этом в 1,3 раза снижена потеря непрореагировавшего озона, и степень его использования составляет 99,5%, за счет увеличения продолжительности межфазного контакта, при сохраненных размерах реактора.

Пример 2. Для сравнения известного способа-прототипа с предлагаемым был произведен эксперимент в реакторах одинакового размера: диаметром 56 мм, высотой 1,0 м и вместительностью 2,5 л. Исходную воду с содержанием текстильных красителей 10 мг/л в пересчете на активный красно-фиолетовый 2КТ (винилсульфоновый краситель) обрабатывают озоно-воздушной смесью с концентрацией озона 20 мг/л. В первом случае реактор заполняют плавающей насадкой из вспененного полистирола крупностью 1...3 мм, во втором - жесткой насадкой, выполненной в виде объемного волокнистого нетканого точечно-скрепленного мата из прочной нити диаметром 0,5 мм и порозностью 0,96.

Сравнение предложенного способа с прототипом приведено в Таблице 2.

Из Таблицы 2 видно, что при сравнении способов обработки воды, проведенных в одинаковых условиях, применение насадки, выполненной в виде объемного волокнистого нетканого точечно-скрепленного модуля, по сравнению со вспененной полистирольной насадкой в 1,15 раза эффективнее по степени очистки воды от красителей и в 1,6 раза эффективнее по степени использования поданного в реактор озона.

Промышленная применимость.

Предложенный способ позволяет снизить капитальные затраты за счет уменьшения высоты контактных камер и уменьшить затраты на получение озона за счет повышения степени его использования при обработке воды.

Изобретение относится к охране окружающй среды, а именно к области очистки и осветления водных систем от различных по виду и характеру примесей и загрязнений. Способ обработки водных систем озонированием включает контактирование обрабатываемой водной системы с предварительно диспергированным озонсодержащим газом в протоке в реакторе с насадкой, причем контактирование ведут в реакторе с насадкой, выполненной из по меньшей мере одного нетканого волокнистого модуля с поровым пространством 0,7-0,99, состоящего из беспорядочно уложенных в объеме или плоскости и точечно-скрепленных в местах соприкосновений прочных нитей с диаметром 0,2-2,0 мм из полимерного материала, инертного к действию воды и озона. Предпочтительно в модуле насадки использовать нити из нейлона с диаметром 0,35-1,0 мм, а в качестве озонсодержащего газа - озоно-воздушную смесь. Способ обеспечивает повышение степени использования озона и увеличение глубины очистки обрабатываемой водной системы. 3 з.п.ф-лы, 1 ил., 2 табл.

1. Способ обработки водных систем озонированием, включающий контактирование обрабатываемой водной системы с предварительно диспергированным озонсодержащим газом в протоке в реакторе с насадкой, отличающийся тем, что контактирование ведут в реакторе с насадкой, выполненной из по меньшей мере одного нетканого волокнистого модуля с поровым пространством 0,7-0,99, состоящего из беспорядочно уложенных в объеме или плоскости и точечно-скрепленных в местах соприкосновений прочных нитей с диаметром 0,2-2,0 мм из полимерного материала, инертного к действию воды и озона.2. Способ по п.1, отличающийся тем, что модуль насадки состоит из нитей, выполненных из нейлона.3. Способ по п.1 или 2, отличающийся тем, что модуль насадки состоит из нитей диаметром 0,35-1,0 мм.4. Способ по п.1, или 2, или 3, отличающийся тем, что в качестве озонсодержащего газа используют озоновоздушную смесь.