ТЕХНОЛОГИЧЕСКАЯ ЛИНИЯ ДЛЯ ОБЕЗЗАРАЖИВАНИЯ СТОЧНЫХ И ПРИРОДНЫХ ВОД Российский патент 2008 года по МПК C02F1/36 

Область техники

Изобретение относится к устройствам для кавитационного обеззараживания природных и сточных вод без применения химических реагентов, таких как хлор, фтор, озон, и может найти применение при подготовке воды в системах хозяйственно-питьевого и промышленного назначения, а также для обеззараживания канализационных стоков предприятий в мясной и молочной промышленности и других объектов сельскохозяйственного назначения.

Применяемое на современных очистных сооружениях методы обезвреживания сточных и природных вод не справляются со все возрастающим антропогенным загрязнением источников водоснабжения и, как следствие, наблюдается ухудшение качества питьевой воды, в том числе и по бактериологическим показателям.

Обеззараживание или дезинфекция - это обработка воды, которая должна обеспечить уничтожение в ней болезнетворных микроорганизмов. Удовлетворительной считается степень обеззараживания в пределах 99,99÷99,999%.

Среди химических методов обеззараживания самым распространенным на данный момент времени является хлорирование, так как хлор - сравнительно недорогой газ, обладающий широким спектром антимикробного действия.

Однако проведенные в последнее время исследования показали, что традиционные схемы водоподготовки во многих случаях не являются барьером на пути проникновения вирусов, цист простейших и лямблий в питьевую воду, а методы обезвреживания сточных вод от яиц гельминтов с использованием апробированных веществ (хлор, хлорная известь, формалин, лизол, бромистый металл и т.д.) не обеспечивают полную дегельминтизацию сточных вод и всех видов образующихся осадков.

Доказано, что при хлорировании сточных вод образуются химические соединения, обладающие мутагенными и канцерогенными свойствами. Даже небольшое количество остаточного хлора токсично для фауны водоемов. Кроме того, образующиеся хлорорганические соединения загрязняют также питьевую воду, так как, обладая высокой стойкостью, вызывают загрязнение рек на значительные расстояния вниз по течению, практически не извлекаясь в процессе водоподготовки. Поэтому в настоящее время во многих странах ведутся интенсивные поиски альтернативных методов обеззараживания сточных и природных вод.

Уровень техники.

Известна система эффективного обеззараживания воды (патент России №2125973 от 10.02.1999 г.), включающая систему подачи химических реагентов (хлор, озон, фтор в составе дозирующей установки, гидродинамические акустические излучатели, напорный и реагентный коллекторы, водяной насос.

Недостатками известной системы являются:

а) применение для обеззараживания воды, хотя и в меньших количествах, химических реагентов, таких как хлор, озон, фтор;

б) кавитация, образуемая гидродинамическими излучателями, применяется для интенсивного перемешивания реагента с обрабатываемой водой, разбиению колоний микроорганизмов на единичные бактерии, что приводит к улучшению доступа реагента к живым микроорганизмам;

в) наличие в обработанной воде ядовитых хлорорганических соединений (3-хлорметан, 4-хлористый углерод и др.)

Известна установка для очистки и обеззараживания водных сред (патент России №2170713 от 20.07.2001 г.), включающая устройство для получения электроактивированной воды с камерами анолита и католита, камеру кавитации анолита, камеру коагуляции и камеру кавитации католита, кавитационная камера совмещена с фотохимическим реактором и содержит один или более ультразвуковой излучатель и один или более ультрафиолетовый излучатель. Выход камеры анолита - устройства для получения электроактивированной воды - через камеру кавитации анолита соединен с кавитационной камерой. Струйный насос эликтором соединен с выходом камеры католита - устройства для получения электроактивированной воды. Установка снабжена блоком для получения и подачи озоносодержащей смеси.

Недостатками известного способа являются:

а) расположение фотохимического реактора в кавитационной камере, в которую подается неочищенная вода, хотя обеззараживание бактерицидным излучением может производиться только тогда, когда подлежащая обеззараживанию вода обладает малой цветностью и не содержит коллоидных и взвешенных веществ, поглощающих и рассеивающих ультрафиолетовые лучи;

б) применение ультразвуковых колебаний для обеззараживания воды сопровождается соблюдением следующих обязательных условий:

- толщина слоя над или под ультразвуковым излучателем должна составлять не более 10 см;

- время воздействия ультразвуковых колебаний 3 минуты, а наиболее эффективная частота ультразвуковых колебаний - 722 кГц;

- совместное применение соединений хлора и озона может привести как к уменьшению, так и к увеличению хлорорганических соединений в воде;

в) высокая энергоемкость и стоимость озонаторного оборудования.

Известен способ обработки воды и водных растворов (патент России №2240984 от 27.11.2004), прототип, включающий корректировку рН воды многократным поочередным снижением давления высоконапорной жидкости при ее рециркуляции до величины, при которой происходит ее кавитация, с последующим повышением давления до величины, при которой кавитация прекращается. При этом рециркулируемую жидкость предварительно нагревают, после чего часть высоконапорной жидкости отбирают на фильтрацию. Из оставшегося рециркуляционного потока отбирают скавитируемую жидкость с повышением давления. Далее жидкость охлаждают, выдерживают до схлопывания кавитационных пузырьков и осаждения твердых примесей, после чего возвращают стабилизированную жидкость в рециркуляционный поток низкого давления. Для повышения процесса кавитации, создаваемого соплом Вентури или в центре закругленного жидкостного потока, он может быть усилен ультразвуком или электрическим плазменным разрядом.

Недостатками известного способа являются:

а) отбор горячей воды для бытовых нужд или для подпитки плавательного бассейна производится до кавитатора, а это значит, что вода просто нагрета и пропущена через фильтр без кавитационного обеззараживания;

б) отфильтрованные примеси смываются горячим потоком и направляются насосом через теплообменник и кавитатор в осадитель-стабилизатор, где скапливаются в нижней части осадителя а затем периодически удаляются по линии VII;

в) необходимость предварительного нагрева исходной жидкости до 90°С, что связано с большими энергозатратами;

г) применение в качестве кавитатора сопла Вентури или закрученного потока с образованием в центре зоны пониженного давления требует многократных проходов жидкости через кавитатор из-за отсутствия возможности понизить давление во всем потоке протекающей жидкости;

д) применение в качестве дополнительного средства воздействия на микроорганизма ультразвука или электрического плазменного разряда, что резко повышает удельные энергозатраты на обеззараживание 1 м³ жидкости, требует сложного аппаратурного оформления и соблюдения беспрецедентных мер безопасности.

Раскрытие изобретения.

Технической задачей, на решение которой направлено изобретение, является создание линии обеззараживания сточных и природных вод с повышенной эффективностью уничтожения вирусов, цист простейших, лямблий и яиц гельминтов гидродинамической кавитацией без применения других источников и методов воздействия на патогенную микрофлору.

Поставленная задача достигается тем, что в заявленной линии обеззараживания сточных и природных вод используются известные свойства гидродинамической кавитации и создание условий для образования кавитационных пузырьков и последующего их «схлопывания».

Изобретением решается задача расширения функциональных возможностей способа кавитационного обеззараживания сточных и природных вод путем ступенчатого повышения рН обрабатываемой воды от 7 до 9,5 и более до обеспечения гибели патогенной микрофлоры на 99,99%.

Достижение поставленной задачи обеспечивается созданием технологической линии обеззараживания природных и сточных вод, включающих:

а) разделение зоны кавитационной обработки воды на три зоны:

- зоны пониженного давления;

- зоны повышенного давления;

- зоны нагнетания.

б) создание в обрабатываемой воде кавитационных пузырьков, обеспечивающих: механическое, тепловое, электрическое и химическое воздействие на бактерии.

Новым в заявленной технологической линии для обеззараживания природных и сточных и вод является то, что кавитационные пузырьки в жидкости создаются путем понижения давления ниже давления насыщенных паров при данной ее температуре.

Известно, что кавитацией называется явление парообразования и выделения воздуха, обусловленное понижением давления в жидкости. Причиной ее возникновения служит кипение жидкости при нормальной температуре и низком давлении. Появлению кавитации способствует растворенный в воде воздух, который выделяется при уменьшении давления (И.Пирсол. Кавитация стр.9).

В жизни кавитационного пузырька различаются две фазы - расширение и схлопывание, которые вместе образуют полный термодинамический цикл.

В зоне давления гидростатическое давление понижается до такой степени, что силы, действующие на молекулы жидкости, становятся больше сил молекулярных связей. В результате резкого изменения гидростатического равновесия жидкость как бы разрывается, порождая многочисленные мельчайшие пузырьки. Кавитация наступает тем раньше, чем больше жидкость «загрязнена» твердыми частицами или другими инородными телами (например бактериями), чем выше ее температура или чем больше в ней растворено газов. Кавитационное «кипение» жидкости обусловлено тем, что на поверхностях этих частиц адсорбируется тонкий слой воздуха, частицы которого при попадании в зону пониженного давления служат очагами, способствующими возникновению кавитации.

Бактериальная флора, находящаяся в обрабатываемой жидкости, также служит центрами образования кавитационных пузырьков. При попадании жидкости в зону пониженного давления жидкость вскипает, а у бактерий, оказывающихся в центре или рядом с образовавшимся кавитационным пузырьком, под действием разности давлений внутри них и окружающем пространстве происходит полное или частичное разрушение клеточной оболочки.

Вторая фаза жизни квитационного пузырька - схлопывание (конденсация), происходит в зоне повышенного давления, куда он перемещается вместе с обрабатываемой жидкостью. Процесс конденсации кавитационного пузырька происходит практически мгновенно. Частицы жидкости, окружающей пузырек, перемещаются к его центру с большой скоростью. В результате кинетическая энергия содержащихся частиц вызывает в момент смыкания пузырьков местные гидравлические микроудары, сопровождающиеся местным повышением давления до 10⁴ кг/см² и локальным повышением температуры до 1000-1500°С. В условиях протекания гидродинамической кавитации при высоких скоростях рабочих органов внутри кавитаторов 28-33 м/с большая часть кавитационных пузырьков деформирована и имеет эллипсообразную или коническую форму. При схлопывании подобных пузырьков возникает высокоэнергичные кумулятивные струйки, которые разрушают все, что оказывается на их пути. Схлопывание отдельного кавитационного пузырька не дает ожидаемого эффекта, но кавитационных пузырьков много и «схопывается» их много тысяч в секунду, поэтому в совокупности они способны оказать значительное разрушающее или иное действие без высокотемпературного нагрева обрабатываемой жидкости.

Таким образом, кавитация кроме механического воздействия оказывает на бактериальную флору и микростерилизационное воздействие в условиях ультравысокотемпературного режима в области исчезновения кавитационного пузырька.

Стенки кавитационного пузырька и капельки жидкости, находящиеся внутри него, заряжены разноименным электричеством. При сжатии пузырьков их размеры резко уменьшаются и заряды оказываются расположенными на поверхностях пузырьков очень малых размеров. В результате резкого уменьшения поверхности кавитационных пузырьков резко возрастает напряжение статического электричества. Между стенками кавитационных пузырьков и капельками, находящимися внутри них, проскакивают электрические разряды, напоминающие микроскопические молнии. Эти электрические разряды высокой напряженности также оказывают губительное действие не бактерии, оказавшиеся источником возникновения названных пузырьков.

Высокие температуры и давления, возникающие в точках исчезновения кавитационных пузырьков, а также микромолнии статического электричества способствуют протеканию разложения воды по реакциям:

Н₂О↔Н⁺+(ОН)^-

2Н₂О↔(ОН)⁺+Н₂

гидроксильные группы (ОН)⁺ и (ОН)^-, эмитированные на оболочках кавитационных пузырьков, при конденсации последних образуют перекись водорода по реакциям

(ОН)⁺+(ОН)^-→Н₂О₂

2(ОН)^-→Н₂О₂+2е^-

Возникновение кавитации на поверхностях бактерий, окруженных адсорбированным воздухом, сопровождается образованием свободных радикалов ОН^-, НО₂, N, а также конечных продуктов их рекомбинации Н₂О₂, HNO₂, HNO₃.

Образование перекиси водорода свободных радикалов и кислот также оказывают губительное воздействие на бактериальную флору обрабатываемой жидкости.

Протекание всех вышеназванных химических реакций позволяет путем постепенного повышения рН довести его значения на последней ступени обеззараживания до 9,5 без применения каких-либо химических реагентов и предварительного подогрева обеспечить умягчения обрабатываемой жидкости, ее обеззараживание на 99,99%, частичное обессоливание и подготовку воды для тонкой фильтрации.

Пример 1.

Проверена эффективность обеззараживания природной воды из открытого водоема и заселенными в нее бактериями сальмонеллы за 1, 2, 3, 4, 5 проходов через роторный кавитатор.

Эффективность кавитационного метода оценивалась соотношением живых и мертвых бактерий в поле зрения микроскопа «Биолам»

- После первого прохода погибло 61% бактерий в основном сапрофита;

- После второго прохода - 85% различных бактерий, включая сальмонеллу;

- После третьего прохода - 91%;

- После четвертого прохода - 98%;

- После пятого прохода - 100%;

На чертеже изображена схема технологической линии для кавитационного обеззараживания сточных и природных вод, которая состоит из следующих основных узлов:

1, 2, 3, 4, 5 - емкости для приема исходной и обработанной воды (I, II, III, IV и V ступеней обработки)

6, 7, 8, 9, 10 - роторные кавитаторы (I, II, III, IV, V ступеней обработки)

11, 12, 13, 14, 15 - всасывающие патрубки кавитаторов (6, 7, 8, 9, 10) соответственно.

16, 17, 18, 19, 20 - напорные патрубки кавитаторов (6, 7, 8, 9, 10).

21 - трубопровод для слива отстоев из 4 и 5 емкостей в канализацию.

22 - трубопровод подачи воды на линию осветления.

Технологическая линия для осуществления способа кавитационного обеззараживания сточных и природных вод разработает следующим образом.

Исходная природная или сточная вода поступает в емкость 1 (первой ступени обеззараживания - I), из которой по всасывающему патрубку 11 направляется в гидродинамический кавитатор 6. Гидродинамический кавитатор выполнен со смещенным ротором, в зоне повышенного давления которого поддерживается необходимое для образования пузырьков разрежение, а в зоне повышенного давления, образуемой заклиниванием части жидкости между соседними лопастями и корпусом кавитатора, - повышенное давление обеспечивающие «схлопывание» кавитационных пузырьков и подачу жидкости по напорному патрубку 16 в емкость 2 (II ступени).

Весь цикл образования и «схлопывание» кавитационных пузырьков осуществляется за 1 оборот ротора гидродинамический кавитатор.

Из емкости 2 по всасывающему патрубку 12 жидкость направляется в зону пониженного давления кавитатора 7, а из зоны повышенного давления по напорному патрубку 17 в емкость 3 (III ступени).

Внутри кавитатора 7 происходят те же процессы, что и кавитаторе 6. Из емкости 3 по всасывающему патрубку 13 жидкость направляется в зону пониженного давления кавитатора 8, из которого по напорному патрубку 18 поступает в емкость 4 (IV - ступени). Поступающая в емкость 4 вода уже имеет рН 8,5, поэтому в ней обеспечивается первичный отстой нерастворимых солей и органических осадков. По всасывающему патрубку 14, расположенному на высоте 0,5-0,7 м от днища емкости 4, жидкость направляется в кавитатор 9 в зону пониженного давления, а затем из зоны повышенного давления по напорному патрубку 19 в емкость 5 (V ступени). Из емкости 5 по всасывающему патрубку 15, расположенному аналогично патрубку 14, жидкость поступает в зону пониженного давления кавитатора 10, а затем из зоны повышенного давления кавитатора по напорному патрубку 20 либо в емкость для дополнительной обработки, либо по трубопроводу 22 на линию осветления. Осадки нерастворимых солей, механических и органических примесей по трубопроводу 21 периодически направляются через линию слива отстоя в канализацию.

Оборудование технологической линии для обеззараживания сточных и природных вод просто по устройству и может быть изготовлено на любом машиностроительном предприятии.

Источники информации

1. Патент России №2125973 от 10.02.1999 г.

2. Патент России №2240984 от 27.11.2004 г.

3. Патент России №2214969 от 27.10.2003 г.

4. Л.А.Кульский, П.П.Строкач, В.А.Слипченко, Е.И.Сайчак. Очистка воды электрокоагуляцией. - Киев: Бусвильник, 1978 г., стр.5-12, 18-23, 44-48, 79-82.

5. В.А.Клячко, И.Э.Апельцин. Очистка природных вод. - Москва: Стройиздат, 1971 г., стр.288-293, 321-332.

6. И.Пирсол. Кавитация. - М.: Мир 1975 г., стр.9-14, 69-72.

7. Т.М.Башта. Машиностроительная гидравлика. - Москва: Машиностроение, 1971 г., стр.44-49.

8. Физика 9/1989, Л.Г.Дружинин, Г.П.Марков, В.И.Стапко. «Звучащий свет» и «Светящийся звук», Москва: Знание - 1989 г., стр.17-24, 54-62.

9. И.Г.Харбенко. За пределами слышимого. - Москва: Машиностроение, - 1981 г., стр.86-92.

Изобретение относится к обеззараживанию сточных и природных вод без применения химических реагентов, таких как хлор, фтор, озон, и может найти применение при подготовке воды в системах хозяйственно-питьевого и промышленного назначения, в химической и фармацевтической, пищевой и мясоперерабатывающей, медицинской и других отраслях промышленности. Технологическая линия включает пять ступеней кавитационной обработки, каждая из которых содержит емкость и гидродинамический кавитатор в виде роторного кавитатора. Установка снабжена линией осветления и линией слива отстоев в канализацию. Кавитационное воздействие в пяти кавитаторах обеспечивает не только угнетение бактерий, но и частичное осаждение солей тяжелых металлов. Ступенчатое повышение рН в пяти ступенях кавитационной обработки воды до 9,5 обеспечивает гибель патогенной микрофлоры на 99,99%. 1 ил.

Технологическая линия для кавитационного обеззараживания сточных и природных вод, включающая пять ступеней, каждая из которых содержит емкость и гидродинамический кавитатор, отличающаяся тем, что каждый гидродинамический кавитатор выполнен в виде роторного кавитатора со всасывающим патрубком и напорным патрубком, емкость первой ступени соединена со всасывающим патрубком кавитатора, напорный патрубок которого соединен с емкостью второй ступени; кавитатор второй ступени соединен патрубками с емкостями второй и третьей ступени; кавитатор третьей ступени соединен патрубками с емкостями третьей и четвертой ступени; кавитатор четвертой ступени соединен патрубками с емкостями четвертой и пятой ступеней, кавитатор пятой ступени патрубками соединен с емкостью пятой ступени и линией осветления, а нижние части емкостей четвертой и пятой ступеней соединены трубопроводами с линией слива отстоев в канализацию.