СПОСОБ ОБРАБОТКИ ВОДЫ Российский патент 2006 года по МПК C02F1/48 

Изобретение относится к способам обработки жидкой среды, например сточных вод, вод открытых водоемов.

Охрана окружающей среды - одна из главных задач, стоящих перед человечеством в нынешнем веке. Изобретение позволяет улучшить качество обрабатываемой среды, а именно очистить ее, удалив загрязняющие примеси, при одновременном обеззараживании.

Например, обеззараживание очищенных сточных вод промышленных предприятий и хозбытовых вод от жилых массивов имеет огромное значение как для населения, так и для планктона открытых водоемов. Поступление в открытые водоемы микроорганизмов из сточных вод может вызывать огромное количество заболеваний: гепатит, холеру, брюшной тиф, дизентерию и другие заболевания. Поэтому в перечне показателей очищенных сточных вод степень обеззараживания строго лимитируется. Показатель E.coli не должен превышать 1000 единиц в литре (ГН 2.1.5.1315-03).

Для обеззараживания воды наиболее широкое применение получили химические методы, основанные на использовании достаточно широкого класса химических веществ. К ним относятся: хлор и хлорсодержащие соединения, озон, фтор, йод, ионы тяжелых металлов, главным образом серебро, и ряд других веществ.

Главными причинами использования химических соединений являются: высокая надежность бактерицидного действия, длительность последействия, возможность достаточно простого контроля определения остаточных концентраций бактерицидного реагента, простота конструктивного исполнения промышленной аппаратуры. Главными недостатками этих методов являются: образование канцерогенных хлорорганических или перекисных соединений, а также химических веществ с ионами тяжелых металлов. Кроме того, многие реагенты токсичны, требуют особых мер предосторожности при их транспортировке и дозировке.

Поэтому огромный интерес для обеззараживания воды представляют безреагентные методы, основанные на использовании различных физических полей. К ним относятся: ультрафиолетовые лучи, электрические разряды, кавитация, ультразвук. Основным преимуществом физических методов является то, что они непосредственно воздействуют на микроорганизмы, практически не изменяя химического состава воды. Одним из наиболее экономичных методов среди них является ультрафиолетовое обеззараживание. Ртутные лампы, обладая высоким КПД (30-40%), излучают свет с длиной волны 254 нм, который соответствует полосе поглощения нуклеиновых кислот. Нуклеиновые кислоты, являясь основой жизни, имеют максимум при длине волны 260 нм. Для каждого типа бактерий летальные дозы различны, но в основном лежат в диапазоне 6-100 мДж/см².

При этом излучение должно непосредственно поглощаться микроорганизмами. Если в воде имеются взвешенные частицы, то они могут экранировать бактерии от излучения, снижая эффективность обеззараживания. Тем более что многие микроорганизмы закрепляются на поверхности взвешенных частиц или находятся в их порах. Поэтому для эффективного обеззараживания воды ультрафиолетовым излучением необходимо удалять практически все взвешенные частицы, а также органические соединения, поглощающие излучение с длиной волны около 254 нм.

Что касается других физических методов, то они находятся в стадии разработки промышленных образцов.

Наиболее близким аналогом заявленного изобретения является авторское свидетельство SU 865830, кл. С 02 F 1/48, опубл. 23.09.1981, из которого известен способ обработки жидкой среды (а именно способ очистки сточных вод) в постоянном электрическом поле. Обработку воды ведут в электрическом поле напряженностью 10-50 В/см, при плотности тока 0,03-0,6 мА/см² и скорости потока 0,001-2,0 см/мин.

При этом заявленный способ предназначен только для очистки сточных вод от ПАВ при контакте электродов с жидкой средой, он не применим для обработки других видов жидких сред. При сравнимых значениях напряженности и скорости потока в ближайшем аналоге и в заявленном изобретении в заявленном изобретении нет контакта жидкой среды с источником электрического поля, поскольку среда изолирована от него. В заявленном изобретении происходит не только очистка, как в аналоге, но и обеззараживание жидкой среды.

Задача изобретения заключается в упрощении способа обработки жидкой среды, улучшении химических показателей среды после ее обработки.

Поставленная задача достигается тем, что способ обработки жидкой среды, согласно изобретению, предусматривает воздействие на нее постоянного электрического поля напряженностью 4-20 кВ/м при скорости потока жидкой среды 0-20 м/с, причем источник электрического поля изолирован от обрабатываемой жидкой среды, при этом при скорости потока, большей нуля, обработку жидкой среды проводят в замкнутом циркуляционном или рециркуляционном контуре.

Постоянное электрическое поле целесообразно создавать парой изолированных от жидкой среды пластин, к которым прикладывают напряжение.

Жидкая среда может проходить по замкнутому контуру при помощи эжекторной аэрации.

В качестве жидкой среды можно использовать сточные воды, содержащие нефтепродукты, которые прошли механическую очистку, при этом обработку полем целесообразно проводить до образования кислородсодержащих соединений.

В предпочтительном варианте в качестве жидкой среды используют хозбытовые сточные воды, прошедшие механическую очистку, причем обработку проводят с непрерывным отводом из замкнутого контура образующегося аммиака, при этом обрабатываемые сточные воды характеризуются тем, что показатель химического поглощения кислорода (ХПК) по крайней мере в 20 раз превышает содержание в них аммонийного азота.

Технический результат, достигаемый за счет указанной совокупности признаков, заключается в экономии электроэнергии, уменьшении числа технологических операций, снижении площади под очистными сооружениями за счет внедрения данного технологического решения, улучшении химических показателей среды в результате ее обработки.

Очистка жидкой среды происходит за счет поляризации молекул воды в электрическом поле. Эффект обеззараживания получен экспериментально и контролируется по E.coli.

Обрабатываемая предлагаемым способом жидкая среда может быть различной, в частности сточными водами, водами открытых водоемов, технической водой. При обработке жидкой среды происходят ее очистка и обеззараживание.

Воздействие электрического поля проявляется как на текущую (скорость потока жидкой среды находится в интервале от значений, больших нуля и до 20 м/с включительно), так и на покоящуюся (скорость потока жидкой среды равна нулю) среду. Проведенные исследования показали, что время последействия или время, в течение которого вода сохраняет бактерицидные свойства при использовании заявленного способа, составляет более 2 часов.

При воздействии постоянного электрического поля практические затраты энергии равны «нулю» без учета электроэнергии, потребляемой насосным оборудованием. Описанный физический метод имеет существенное преимущество перед любыми другими безреагентными методами.

При этом для достижения поставленного заявителем технического результата важно воздействие на жидкую среду постоянного электрического поля именно напряженностью 4-20 кВ/м. Устанавливать большее значение напряженности экономически невыгодно, поскольку это сопряжено с большими затратами электроэнергии, стоимость очистки при этом будет очень высока. При меньшем значении напряженности эффективность обработки резко снижается, что нецелесообразно.

Скорость потока жидкой среды должна быть равна 0-20 м/с, то есть среда может как течь при скорости, большей нуля, так и находиться в состоянии покоя, то есть покоиться при скорости, равной нулю. Скорость потока выбрана с учетом существующего в настоящее время и используемого заявителем насосного оборудования и целесообразности затрат электроэнергии. Нецелесообразно устанавливать большую скорость потока жидкой среды, поскольку время воздействия на нее будет слишком небольшим (например, около 0,1 с), что является недостаточным для очистки и обеззараживания среды.

При воздействии на жидкую среду постоянного электрического поля, согласно изобретению, происходит образование перекисных органических соединений.

Предлагаемое изобретение осуществляют следующим образом.

Подают на обработку жидкую среду, например сточные воды, природные воды. В результате обработки среды происходят ее очистка и обеззараживание. На обрабатываемую жидкую среду в установке воздействуют постоянным электрическим полем напряженностью 4-20 кВ/м. Скорость потока жидкой среды равна 0-20 м/с, то есть среда или течет при скорости, большей нуля, или находится в состоянии покоя, то есть покоится, при скорости, равной нулю. При этом одинаковый эффект от обработки достигается и в одном, и в другом случае. Источник электрического поля изолирован от обрабатываемой жидкой среды. Электрическое поле может создаваться парой пластин, изолированных от жидкой среды, между которыми покоится или течет жидкая среда и к которым прикладывают напряжение. Поле может создаваться и другими источниками, в частности стержнями.

Среда ограничена каким-либо объемом, например, она циркулирует по трубопроводу или находится в состоянии покоя в каком-либо резервуаре, трубопроводе и др.

Причем, при скорости потока больше нуля жидкую среду подают на обработку постоянным электрическим полем, выводят из зоны обработки и могут снова подавать на дополнительную обработку полем или ограничиться лишь одним замкнутым циклом обработки. На повторную обработку может идти вся обрабатываемая среда или только ее часть (часть среды при этом отводят из замкнутого контура обработки). Таким образом, обработку проводят в замкнутом циркуляционном или рециркуляционном контуре. Жидкая среда проходит n оборотов. Конкретное число оборотов определяется в зависимости от солесодержания среды, исходной концентрации аммонийного азота, концентрации растворенных органических соединений и других факторов.

Жидкая среда проходит по замкнутому контуру ее обработки при помощи эжекторной аэрации. Обработку целесообразно проводить в течение 0,15-3 часов.

Если же скорость потока равна нулю, то жидкая среда не движется, а находится в состоянии покоя, то есть покоится, и на нее воздействуют постоянным электрическим полем напряженностью 4-20 кВ/м.

В качестве жидкой среды используют сточные воды, содержащие нефтепродукты, которые прошли механическую очистку, то есть в воде практически отсутствовали минеральная взвесь и фракции нефтепродуктов, легко выделяющиеся на сооружениях механической очистки. При этом их обработку полем проводят до образования кислородсодержащих соединений. Кислородсодержащие соединения и аммиак образуются за счет активации молекул кислорода и, как следствие, увеличения химической активности растворенного в воде кислорода.

В качестве жидкой среды используют хозбытовые сточные воды, прошедшие механическую очистку, обработку которых проводят с непрерывным отводом из замкнутого контура образующегося аммиака. Хозбытовые сточные воды содержат практически все классы органических и неорганических соединений. Контролировались два показателя - химическое потребление кислорода (ХПК) и аммонийный азот. При этом обрабатываемые сточные воды характеризуются тем, что показатель химического потребления кислорода (ХПК), по крайней мере, в 20 раз превышает содержание в них аммонийного азота, что необходимо для получения эффекта очистки хозбытовых сточных вод с использованием данного способа по показателю "аммонийный азот" на уровне 40-50% и более от исходного содержания. Снижение величины ХПК в хозбытовых сточных водах приведет к снижению эффективности удаления аммонийного азота при использовании технологии воздействия электростатического поля. При воздействии электростатического поля на данный тип сточных вод достигается 25-30% деструкция органических соединений, контролируемых по показателю ХПК. Удаление аммонийного азота происходит параллельно с деструкцией органических соединений на уровне 40-50%. Отводимый аммиак подается в опорожняемый резервуар, наполненный водой, например в скруббер. Вода, насыщенная аммиаком, возвращается на повторную обработку или подвергается химической обработке с получением, например, таких соединений, как азотные удобрения для сельского хозяйства. Достигается и обеззараживание жидкой среды по E.coli по меньшей мере на 99%.

Заявленное изобретение в частном случае его реализации открывает возможность решить сложные проблемы очистки хозбытовых сточных вод городов России, связанные с глубоким удалением разных форм соединений азота, которые, попадая в открытые водоемы со станций аэрации, вызывают эвтрофирование и заболачивание огромных территорий. В настоящее время используемые на станциях аэрации технологии нитри- и денитрификации очень чувствительны к перепадам температур поступающих сточных вод и связаны с огромным энергопотреблением. Биоценоз этих сооружений позволяет получать высокий эффект очистки хозбытовых сточных вод только в летние и осенние периоды. Нитрификаторы, как и аэротенки, занимают огромные площади, а учитывая высокую стоимость земли в Москве, неизбежно возникает проблема повышения тарифов за очистку хозбытовых сточных вод.

Что касается обработки используемых в качестве жидких сред сточных вод, то разработанный способ позволяет ликвидировать нитри- и денитрификаторы, вторичные отстойники и реконструировать действующие аэрационные сооружения за счет выделения в существующих аэротенках зоны для (0,15-3)-часового электростатического воздействия на поступающие в аэротенки предварительно осветленные сточные воды. Это значительно снижает стоимость обработки жидкой среды.

Таким образом, происходит деструкция органических соединений до простых соединений, например до углекислого газа, по меньшей мере на 25-30% по сравнению с исходным содержанием, также по меньшей мере на 40-50% по сравнению с исходным содержанием снижается концентрация аммиака и аммонийного азота в жидких средах. Обеззараживание жидкой среды по E.coli составляет по меньшей мере 99%.

Изобретение поясняется следующими примерами его осуществления.

Пример 1.

Подают на обработку воду из Москвы-реки. На нее воздействуют постоянным электрическим полем напряженностью 4 кВ/м. Скорость потока воды в резервуаре равна 0 м/с, то есть среда находится в состоянии покоя. Источник электрического поля изолирован от обрабатываемой воды. Постоянное электрическое поле создают парой изолированных от воды пластин, к которым прикладывают напряжение. Обработку проводят 0,15 часа. Общая концентрация солесодержания в воде 0,4 г/л. Степень обеззараживания по E.coli 99,2%. Достигается очистка от органических соединений на 26% от исходного содержания и от аммиака и аммонийного азота на 45% от исходного содержания.

Пример 2.

Подают на обработку воду из Онежского озера. На нее воздействуют постоянным электрическим полем напряженностью 20 кВ/м. Скорость потока воды по трубопроводу равна 20 м/с. Источник электрического поля изолирован от обрабатываемой воды. Вода проходит по замкнутому циркуляционному контуру ее обработки один раз, n=1.

Постоянное электрическое поле создают парой изолированных от воды стержней, к которым прикладывают напряжение. Обработку проводят 1 час. Общая концентрация солесодержания в воде 0,4 г/л. Степень обеззараживания по E.coli 99,6%. Достигается очистка от органических соединений на 30% от исходного содержания и от аммиака и аммонийного азота на 50% от исходного содержания.

Пример 3.

Осуществляют аналогично примеру 2, только в качестве жидкой среды используют сточные воды, содержащие нефтепродукты, которые прошли механическую очистку. При этом их обработку проводят до образования кислородсодержащих соединений. Обработку проводят в замкнутом рециркуляционном контуре при n=5 с частичным отводом среды после прохождения одного оборота. Обработку проводят 3 часа. Общая концентрация солесодержания в воде 0,4 г/л. Степень обеззараживания по E.coli 99%. Содержание таких органических соединений, как нефтепродукты, сокращается на 25% от исходного содержания и содержание аммиака и аммонийного азота на 40% от исходного содержания.

Пример 4.

Осуществляют аналогично примеру 2, только в качестве жидкой среды используют хозбытовые сточные воды, прошедшие механическую очистку, обработку которых проводят с непрерывным отводом из замкнутого контура образующегося аммиака. Контролировались два показателя - химическое потребление кислорода (ХПК) и аммонийный азот. При этом обрабатываемые сточные воды характеризуются тем, что показатель химического потребления кислорода (ХПК) в 20 раз превышает содержание в них аммонийного азота, что необходимо для получения эффекта очистки хозбытовых сточных вод с использованием данного способа по показателю "аммонийный азот" на уровне 40% от исходного содержания. Отводимый аммиак подается в опорожняемый резервуар, наполненный водой, например в скруббер. Вода, насыщенная аммиаком, возвращается на обработку или подвергается химической обработке с получением, например, таких соединений, как азотные удобрения для сельского хозяйства. Обработку проводят 2 часа. Общая концентрация солесодержания в воде 0,4 г/л. Степень обеззараживания по Е.coli 99,4%. Достигается очистка от органических соединений на 28% от исходного содержания.

Пример 5.

Подают на обработку техническую воду. На нее воздействуют постоянным электрическим полем напряженностью 18 кВ/м. Скорость потока жидкой среды по трубопроводу равна 16 м/с. Источник электрического поля изолирован от обрабатываемой технической воды. Техническая вода проходит по замкнутому циркуляционному контуру ее обработки один раз, n=1.

Постоянное электрическое поле создают парой изолированных от технической воды стержней, к которым прикладывают напряжение. Обработку проводят 2 часа. Общая концентрация солесодержания в воде 0,6 г/л. Степень обеззараживания по Е.coli 99,7%. Достигается очистка от органических соединений на 27% от исходного содержания и от аммиака и аммонийного азота на 48% от исходного содержания.

Таким образом, предложенное изобретение позволяет эффективно обработать различные жидкие среды до высокой степени обеззараживания и очистки.

Жидкая среда, обработанная по предлагаемому способу с использованием указанной последовательности операций и их параметров, имеет лучшие характеристики по сравнению с ближайшим аналогом, в котором на жидкую среду тоже воздействовало постоянное электрическое поле, но присутствовал контакт пластин с жидкой средой.

Изобретение относится к способам обработки воды, например сточных вод, природных вод. Способ предусматривает воздействие на воду постоянным электрическим полем напряженностью 4-20 кВ/м при скорости потока жидкой среды до 20 м/с. Поле создают парой изолированных от воды электродов. Обработку можно проводить в замкнутом циркуляционном или рециркуляционном контуре. Жидкая среда может проходить по замкнутому контуру при помощи эжекторной аэрации. Технический результат состоит в экономии электроэнергии, уменьшении числа технологических операций, снижении площади под очистными сооружениями. 6 з.п. ф-лы.

1. Способ обработки воды, включающий воздействие постоянным электрическим полем, которое создают парой изолированных от воды электродов, отличающийся тем, что воду предварительно подвергают механической очистке, после чего выделяют растворенные в воде вещества путем обработки воды, находящейся в покое или движущейся со скоростью до 20 м/с, постоянным электрическим полем напряженностью 4-20 кВ/м.2. Способ по п.1, отличающийся тем, что электроды выполнены в виде пластин.3. Способ по п.1, отличающийся тем, что электроды выполнены в виде стержней.4. Способ по п.1, отличающийся тем, что обработку воды осуществляют в замкнутом циркуляционном или рециркуляционном контуре.5. Способ по п.4, отличающийся тем, что воду пропускают по замкнутому контуру при помощи эжекторной аэрации.6. Способ по п.1, отличающийся тем, что обрабатывают сточные воды, содержащие нефтепродукты, при этом обработку полем проводят до образования кислородсодержащих соединений.7. Способ по п.4, отличающийся тем, что обрабатывают хозбытовые сточные воды, причем обработку проводят с непрерывным отводом из замкнутого контура образующегося аммиака, при этом обрабатываемые сточные воды имеют показатель химического потребления кислорода, по крайней мере в 20 раз превышающий содержание в них аммонийного азота.