СПОСОБ ОБРАБОТКИ ВОДЫ Российский патент 2006 года по МПК C02F1/74 B01F5/02 

Изобретение относится к способам обработки воды путем воздействия на нее воздухом и может найти применение как при очистке воды питьевого и хозяйственного назначения, так и при очистке сточных вод.

Известен способ обработки воды, включающий ее аэрацию посредством эжекции воздуха потоком воды и ее кавитацию [1].

Указанный способ позволяет провести некоторое обеззараживание воды очень простым способом - посредством несложной доработки существующей насосной системы подачи воды добавлением патрубка подачи воздуха на вход насоса. Однако этот способ не позволяет избавляться от многих примесей, присутствующих в воде.

Задача изобретения - увеличить степень очистки и обеззараживания воды, перевести растворимые примеси в разряд нерастворимых для их дальнейшей сепарации и фильтрации на обычных фильтрах для получения на выходе чистой воды, пригодной для питья. Технический результат при осуществлении данного метода заключается в эффективной очистке и обеззараживании воды, без применения химических реагентов.

Указанный результат достигается тем, что в способе обработки воды, включающем ее аэрацию посредством эжекции воздуха водой и ее кавитацию, в нем для кавитации воды ее поток распыляют из форсунки под перепадом давления не менее 2 ати, а для ее аэрации эжектируемый воздух в распыленную воду подают после ее кавитации, после чего воду сепарируют от газообразных и твердых включений.

Кроме того:

а) сепарацию можно производить поэтапно: сначала - от газообразных включений, а затем - преимущественно от твердых,

б) после распыла на воду могут воздействовать потоком света,

в) воду могут омагничивать по меньшей мере перед одним из этапов сепарации,

г) на форсунку могут воздействовать механическими колебаниями ультразвукового спектра,

д) воздух и эжектирующий поток воды могут подводить под острым углом друг к другу,

е) количество воздуха могут выбирать в диапазоне 0,001-1000 пределов растворимости воздуха в воде при температуре ее обработки и нормальном атмосферном давлении,

ж) между аэрацией воды и ее сепарацией могут производить временную выдержку в течение не менее чем 0,01 секунды,

з) первую сепарацию могут осуществлять в поле центробежных сил гидроциклона, а вторую - в поле гравитационных сил насыпного фильтра,

и) поток света могут подавать в ультрафиолетовой части спектра.

Новым в способе является то, что для кавитации воды распыляют поток воды из форсунки под перепадом давления не менее 2 ати, а для ее аэрации эжектируемый воздух в распыленную воду подают после ее кавитации, после чего воду сепарируют от газообразных и твердых включений.

Кроме того, новым является и то, что

а) сепарацию можно производить поэтапно: сначала - от газообразных включений, а затем - преимущественно от твердых,

б) после распыла на воду могут воздействовать потоком света,

в) воду могут омагничивать по меньшей мере перед одним из этапов сепарации,

г) на форсунку могут воздействовать механическими колебаниями ультразвукового спектра,

д) воздух и эжектирующий поток воды могут подводить под острым углом друг к другу,

е) количество воздуха могут выбирать в диапазоне 0,001-1000 пределов растворимости воздуха в воде при температуре ее обработки и нормальном атмосферном давлении,

ж) между аэрацией воды и ее сепарацией могут производить временную выдержку в течение не менее чем 0,01 секунды,

з) первую сепарацию могут осуществлять в поле центробежных сил гидроциклона, а вторую - в поле гравитационных сил насыпного фильтра,

и) поток света могут подавать в ультрафиолетовой части спектра.

Осуществляя кавитацию распылом эжектирующего потока воды из форсунки под перепадом давления не менее 2 ати, получаем возможность распыла эжектирующей воды до предельно малого размера капель. При этом обратно пропорционально квадрату размера капель воды существенно возрастает площадь контакта воды с кислородом воздуха, что повышает полноту окисления растворенных в воде веществ и уменьшает необходимое для этого время. При давлении менее 2 ати при распылении эффект кавитации не наблюдается.

Производя аэрацию воды подводом эжектируемого воздуха после ее кавитации, получаем полную свободу в выборе количества подводимого воздуха. При этом относительно малые количества воздуха могут быть достаточными для обработки относительно чистой воды, а большие количества, существенно превышающие предел растворимости воздуха в воде при температуре ее обработки и нормальном атмосферном давлении, могут потребоваться при повышенном загрязнении воды.

Проводимая после аэрации сепарация воды от газообразных и твердых включений после окисления кислородом воздуха органических и неорганических веществ, находившихся в воде до обработки в форме раствора или мелкодисперсной коллоидной фазы, позволяет существенно лучше отделить от воды газообразные и твердые компоненты.

Поэтапная сепарация - сначала от газообразных включений, а затем преимущественно от твердых - позволяет принудительно уменьшить растворимость твердой фазы в воде, ускорив ее фильтрацию.

Воздействие на воду после ее распыла потоком света позволяет интенсифицировать процессы окисления примесей воды и перевода их в нерастворимую форму. Используемый свет различной интенсивности и длины волны обеспечивает интенсивное окисление среды, активированной кавитацией, и протекание фотохимических реакций.

Омагничивание воды по меньшей мере перед сепарацией позволяет улучшить качество сепарации благодаря снижению растворимости примесей в омагниченной воде.

Воздействие на форсунку механическими колебаниями ультразвукового спектра позволяет интенсифицировать кавитационный режим распыла воды из форсунки при умеренном перепаде давления воды на форсунке.

Направление эжектируемого потока воздуха и эжектирующего потока воды под острым углом друг к другу позволяет минимизировать потери скоростного напора обоих потоков при их смешении в процессе аэрации и уменьшить энергозатраты при обработке воды.

Выбор количества эжектируемого воздуха в диапазоне 0,001 - 1000 пределов растворимости воздуха в воде при температуре ее обработки и нормальном атмосферном давлении позволяет в зависимости от состава имеющихся в воде примесей либо максимально повысить интенсивность кавитации в воде и качество ее распыла при минимальном количестве эжектируемого воздуха, либо подать максимально возможное количество эжектируемого воздуха, определяемое разумными ограничениями на геометрические размеры эжекторного устройства.

Временная выдержка в течение не менее чем 0,01 секунды между аэрацией воды и ее сепарацией позволяет гарантированно окислить имеющиеся в воде примеси кислородом воздуха и перевести их в нерастворимую форму. Это особенно важно в случае пониженной степени распыла воды, например при подаче увеличенного количества эжектируемого воздуха, а также в отсутствие воздействия на воду потоком света.

Осуществление первой сепарации в поле центробежных сил гидроциклона, а второй - в поле гравитационных сил насыпного фильтра позволяет на первой сепарации сначала завершить окислительные химические реакции в условиях турбулентного двухфазного газожидкостного потока при радиальном градиенте давления в гидроциклоне, а затем - эффективное отделение газовой фазы от воды, а на последующей второй сепарации удается простыми техническими средствами удалить из воды остаточные количества газовой фазы, а также задержать взвешенную в воде твердую фазу.

Подача потока света в ультрафиолетовой части спектра позволяет дополнительно повысить полноту окисления растворенных в воде примесей благодаря повышенной энергии световых квантов этой части светового спектра.

На фиг.1 показано реализующее предложенный способ устройство, а на фиг.2 показана схема этого же устройства с обработкой светом потока смеси воздуха и распыленной в результате кавитации воды, а также с омагничиванием воды, возбуждением механических колебаний в форсунке и поэтапной сепарацией воды: сначала от газообразных включений в гидроциклоне, затем - от твердых включений в насыпном фильтре.

Устройство содержит трубу 1 со входом 2 для подвода воздуха. По оси трубы 1 размещена форсунка 3 для распыла эжектирующей воды. Выход из трубы 1 выполнен в виде гидроциклона 4. Гидроциклон 4 соединен с насыпным фильтром 5, имеющим выходной канал 6 для очищенной воды. На трубе 1 имеется участок 7, проницаемый для светового потока от источника света 8 и установленный над трубой 1 перед гидроциклоном 4 и за ним соответственно электромагниты 9 и 10. Форсунка 3 соединена механически с источником ультразвуковых колебаний 11. Выход трубы 1 может быть соединен, как это показано на фиг.1, вместо гидроциклона 4 с последующим насыпным фильтром 5 - с накопительно-разделительным бункером 12, снабженным выходным каналом 6 для очищенной воды. Для регулирования количества подаваемого в воду воздуха предусмотрена перемещаемая заслонка 13 на входе 2 трубы 1. Для отвода воздуха после обработки воды предусмотрены каналы 14 на гидроциклоне 4, насыпном фильтре 5 и накопительно-разделительном бункере 12.

Способ реализуют следующим образом.

Подают воду на форсунку 3 под перепадом давления не менее 2 ати и вызывают ее кавитацию. При этом создают эжектирующий поток мелких капелек воды, который увлекает за собой поток эжектируемого воздуха, поступающего по трубе 1. Для аэрации воды эжектируемый воздух по трубе 1 в распыленную воду подают под острым углом после ее кавитации, после чего воду сепарируют от газообразных включений в гидроциклоне 4, а от твердых включений в насыпном фильтре 5. Вместо комплекта из гидроциклона 4 и насыпного фильтра 5 может использоваться единый накопительно-разделительный бункер 12. Газовая фаза - воздух - после обработки воды отводится через каналы 14. Однако последовательное прохождение обрабатываемой воды через гидроциклон 4, а затем через насыпной фильтр 5 - значительно эффективнее очищает воду от примесей. Очищенная вода поступает в выходной канал 6. Вместо электромагнитов 9 и 10 могут быть установлены и постоянные магниты - например, при небольших расходах воды. Электромагниты 9 и 10 или постоянные магниты могут устанавливаться как совместно, так и какой-то один из них. Совместная установка более эффективна для обработки воды.

Пример 1. Для обработки воды из артезианской скважины с расходом 120 м³/час при исходном содержании железа до 20 мг/л преимущественно в форме гуминовых кислот потребный перепад давления на форсунке составляет 2 ати. В первый момент после подачи воды количество подаваемого воздуха максимально ограничивают заслонкой 13. При этом эжектируется воздух в трубу 1, что способствует эффективной кавитации воды, распыляемой из форсунки 3. Вследствие кавитации воды существенно повышается количество растворяемого в ней в единицу времени воздуха. Одна из непосредственных причин такого явления - многократное увеличение свободной поверхности воды. После этого заслонку 13 открывают, сохраняя в трубе 1 достаточное разрежение для поддержания кавитации распыляемого потока воды. При сезонном повышенном загрязнении воды и необходимости дополнительного увеличения количества подаваемого в воду воздуха к форсунке 3 подводят ультразвуковые колебания от магнитострикционного источника ультразвуковых колебаний 11 мощностью 2 кВт. В случае необходимости интенсификации окислительных процессов и дезинфекции в процессе аэрации воздействуют светом (в данном случае ультрафиолетовом диапазоне спектра). Суммарное энергопотребление источника света 8 и электромагнитов 9, 10 также не превышает 2 кВт. В данном случае источник света 8 ультрафиолетовая лампа высокого давления, принудительно охлаждаемая воздухом. Затем проводят сепарацию в начале газовой фазы через гидроциклон 12, а затем твердой фазы через насыпные фильтры. Насыпных фильтров 5 установлено 2 комплекта с целью проведения их поочередной обратной промывки. В качестве фильтрующего материала насыпного фильтра 5 используется кварцевый песок. Площадь, занимаемая этой установкой для обработки воды, - 120 м³. Остаточное содержание железа в воде после ее обработки по предложенному способу - не более 0,2 мг/л. Микрофлора полностью отсутствует. Эффективность очистки воды от твердых включений с помощью накопительно-разделительного бункера 12 может быть повышена засыпкой его донной части кварцевым песком приблизительно на 1/20 часть объема бункера и переносом выходного канала для очищенной воды 6 в донную часть накопительно-разделительного бункера 12. В этом случае занимаемая установкой площадь может быть ограничена 240 м².

Пример 2. Исходный раствор содержит примеси соответствующие хоз-фикальным водам, способ очистки, как в примере 1, только для аэрирования используют мин. 100 пределов растворимости воздуха и перепад давления мин. 10 ати. После очистки вода соответствует нормам ПДК.

Пример 3. Исходный раствор содержит примеси, соответствующие ОВ и опасные бактерии, способ очистки, как в примере 1, только для аэрирования используют мин. 0,1 пределов растворимости воздуха и перепад давления мин. 100 ати. После очистки вода не содержит исходных 0В и опасных бактерий.

Источники информации

1. Патент РФ № 2080300, С 02 F 1/34, 1997 - прототип.

2. Патент РФ № 2179157, С 02 F 1/74, 2002.

Изобретение относится к способам обработки воды путем воздействия на нее воздухом и может найти применение как при очистке воды питьевого и хозяйственного назначения, так и при очистке сточных вод. Способ обработки воды включает ее аэрацию посредством эжекции воздуха водой и ее кавитацию. Для кавитации воды ее поток распыляют из форсунки под перепадом давления не менее 2 ати, а для ее аэрации эжектируемый воздух в распыленную воду подают после ее кавитации, после чего воду сепарируют от газообразных и твердых включений. Технический результат: эффективная очистка и обеззараживание воды без применения химических реагентов. 9 з.п. ф-лы, 2 ил.

1. Способ обработки воды, включающий ее аэрацию посредством эжекции воздуха водой и ее кавитацию, отличающийся тем, что для кавитации воды ее поток распыляют из форсунки под перепадом давления не менее 2 ати, а для ее аэрации эжектируемый воздух в распыленную воду подают после ее кавитации, после чего воду сепарируют от газообразных и твердых включений.2. Способ обработки воды по п.1, отличающийся тем, что сепарацию производят поэтапно: сначала - от газообразных включений, а затем - от твердых.3. Способ обработки воды по п.1, отличающийся тем, что после распыла на воду воздействуют потоком света.4. Способ обработки воды по п.1, отличающийся тем, что воду омагничивают перед сепарацией.5. Способ обработки воды по п.1, отличающийся тем, что на форсунку воздействуют механическими колебаниями ультразвукового спектра.6. Способ обработки воды по п.1, отличающийся тем, что воздух и эжектирующий поток воды подводят под острым углом друг к другу.7. Способ обработки воды по п.1, отличающийся тем, что количество воздуха выбирают в диапазоне 0,001-1000 пределов растворимости воздуха в воде.8. Способ обработки воды по п.1, отличающийся тем, что между аэрацией воды и ее сепарацией производят временную выдержку в течение не менее чем 0,01 с.9. Способ обработки воды по п.2, отличающийся тем, что первую сепарацию осуществляют в поле центробежных сил гидроциклона, а вторую - в поле гравитационных сил насыпного фильтра.10. Способ обработки воды по п.3, отличающийся тем, что поток света выбирают в ультрафиолетовой части спектра.