УСТРОЙСТВО БЕЗРЕАГЕНТНОЙ ОЧИСТКИ ВОДЫ - МОДУЛЬ ИНТЕНСИВНОЙ АЭРАЦИИ И ДЕГАЗАЦИИ (МИАД) Российский патент 2009 года по МПК C02F1/20 C02F1/74 C02F9/00 

Изобретение относится к области безреагентной очистки воды и может найти применение в хозяйственно-бытовом водоснабжении для очистки природных вод от железа, марганца и их соединений при получении воды более требуемого качества.

В технологии водоподготовки выделяют два основных метода очистки воды: реагентный - с помощью окислителей (хлор, диоксид хлора, гипохлорид, озон и т.д.) и безреагентный. Безреагентная очистка воды широко известна в различных областях техники.

Дегазация предусматривает удаление из воды растворенных в ней газов, сообщающих воде неприятный привкус и запах или делающих ее коррозийно активной.

Существуют установки, например схема конструктивной градирни (стр.230, рис.85, книга авторов Л.А.Кульский, М.И.Булава и другие «Проектирование и расчет очистных сооружений водопроводов», Киев, 1972 г.), схема пленочного дегазатора (стр.231, там же), схема барботажного дегазатора (стр.236, там же).

Для более быстрого протекания процесса дегазации воды необходимо максимально развивать поверхность соприкосновения фаз вода-воздух пропусканием через градирни и применением дегазаторов (стр.229, там же). Дождевание воды производится при помощи специальных приспособлений. В простейшем случае они представляют собой деревянные с отверстиями ящики, их помещают над приемными резервуарами. Высоту падения воды в таких сооружениях принимают в пределах 2-3 м.

Фонтанирование воды проводят в открытых железобетонных или бетонных бассейнах, над которыми при помощи специальных сопел разбрызгивается вода. При помощи сопел отдельные струи воды распыляются и образуют «факелы», между которыми протекает воздух. Скорость поступления воды из сопел должна быть такой, чтобы обеспечивать наибольшее время пребывания ее в воздухе и наилучший эффект распыления. Количество разбрызгиваемой воды на 1 м² площади бассейна принимают равным 1 м³/ч. Проектирование брызгальных бассейнов для фонтанирования воды включает:

- выбор типа сопел в зависимости от напора дегазируемой воды и степени ее загрязнения взвешенными веществами;

- определение бассейна и его конструирование;

- составление схемы расположения сопел и распределительных трубопроводов по площади бассейна;

- гидравлический расчет трубопроводов.

Градирни, применяемые в некоторых случаях для дегазации, по способу создания поверхности раздела фаз воздух-вода делятся на капельные, пленочные и брызгальные, а по способу движения воздуха - на башенные и вентиляторные. Основными частями градирень являются: вытяжная башня, распределитель воды, оросительная система и сборный резервуар. В капельных градирнях вода по всему сечению распределяется при помощи лотков и желобов. В днищах последних имеется ряд отверстий, в которые вставлены трубки. По ним вода поступает на разбрызгивающие тарелки и затем в виде капель стекает к деревянному состоящему из реек оросительному устройству. В пленочных градирнях оросительная система образована из вертикальных сплошных деревянных щитов, близко расположенных друг к другу. По ним в виде пленки стекает вода навстречу потоку воздуха. В брызгальных градирнях вода распыляется над оросительной системой при помощи сопел.

Вентиляторные градирни имеют принудительное дутье или отсос воздуха. Они представляют собой цилиндрические резервуары с поддоном и дырчатым ложным дном, на котором размещают насадку из керамических колец Рашига или деревянных реек, так называемую хордовую насадку. Сверху через распределительное устройство подается вода, снизу вдувается вентилятором воздух: выпуск воды производится через гидравлический затвор. Габариты вентиляторных градирен значительно меньше по сравнению с другими типами градирен, а производительность выше. Применяемые в водоподготовительных установках для удаления из воды растворенных газов аппараты-дегазаторы могут быть следующих типов: пленочные, загруженные кольцами Рашига, кусковой насадкой или деревянной хордовой, работающие в условиях противотока воды и воздуха, подаваемого вентилятором;

- барботажные с насадкой из колец Рашига или кусковой и подачей воздуха воздуходувкой;

- вакуумные с отсосом паров и газов вакуум-насосом, паро- или водоструйным эжектором.

Пленочные дегазаторы с насадкой из колец Рашига представляют собой разновидность вентиляторных градирень, их применяют при глубоком удалении из воды углекислоты и сероводорода, а также при частичном удалении углекислоты для обезжелезивания воды. Такие же дегазаторы с деревянной хордовой насадкой используют в тех случаях, если производительность установки не превышает 150 м³/ч.

Барботажные дегазаторы применяют для глубокого удаления углекислоты на установках с производительностью не более 20 м³/ч. Вакуумные дегазаторы с насадкой из колец Рашига используют при глубоком (0,01-0,05 мг/л) или частичном (0,3-0,5 мг/л) обескислороживании воды, а также при совместном удалении углекислоты и кислорода.

Пленочные дегазаторы представляют собой цилиндрические резервуары, в нижнюю часть которых поступает воздух. Навстречу ему по насадке стекает дегазируемая вода. Насадка располагается на промежуточном днище, изготовленном из дырчатого листа в виде сварной рамы из уголковой стали. Диаметр отверстий или величина прорезей в днище принимается 20 мм. Расстояние от дна дегазатора до промежуточного днища должно равняться 600 мм. В месте выхода воды дегазатора устраивается гидравлический затвор, высота которого на 20% больше максимального напора, создаваемого вентилятором. Вода, поступающая на дегазацию, распределяется по сечению аппарата с помощью распределительной плиты, размещенной над насадкой на высоте 150 мм. В плите укрепляют 48 патрубков для отвода воды, возвышающихся над поверхностью плиты на 100 мм, и 8 патрубков для выхода воздуха высотой 400 мм. Патрубки для выхода воздуха снабжаются отражательными колпаками. Расстояние от распределительной плиты до крышки дегазатора принимается равным 500 мм. Подвод воды находится в центре крышки. Диаметр трубы для отвода воздуха определяется исходя из скорости движения воздуха в ней 5-6 м/сек.

В качестве насадки в дегазаторах применяют кольца Рашига 25×25×3 мм (ГОСТ 748-67), гравий и кокс. Дегазаторы барботажного типа в зависимости от остаточной концентрации удаляемого газа могут быть односекционными или двухсекционными. В последнем случае вода проходит последовательно через обе секции, расположенные одна над другой. Необходимый объем рабочей части дегазатора при этом делится поровну между секциями. Воздух, поступающий в дегазатор, также разделяется на два равных потока и поступает параллельно в каждую секцию. Высота воздушного пространства над слоем воды в секциях должна быть не менее 0,5 м.

Недостатки перечисленных устройств:

- имеют значительные габаритные размеры и строительные высоты, что приводит к дополнительным затратам на строительство водоочистных сооружений.

В настоящее время для обработки воды используются модули интенсивной аэрации и дегазации, в которых применяются традиционные водовоздушные эжекторы, в которых струя жидкости, вытекающая с большой скоростью из соплового насадка, эжектирует окружающий газ и создает разрежение в приемной камере (ПК), что безусловно способствует десорбции СО₂. В камере смешения (КС) происходит образование воздушной смеси (пузырьки воздуха распределяются в струе воды), в связи с чем последняя теряет прозрачность и приобретает молочную окраску.

В качестве окислителя используется кислород воздуха или озоновоздушная смесь. Обработка воды происходит в результате использования процессов дросселирования, кавитации, турбулентной диффузии, вакуумирования и увеличения площади контакта двух сред, воздуха и воды, что позволяет многократно увеличить скорость дегазации и аэрации в модуле по сравнению с традиционными способами.

Вышеописанные процессы происходят в эжекторах, размещенных в эжекторных секциях, и в баке - реакторе модуля интенсивной аэрации и дегазации.

Удаление отработанных газов производится вытяжным вентилятором. Обработанная вода через насосную станцию может подаваться на модуль фильтрации для последующей обработки. Осадок, накопленный в баке-реакторе, в процессе работы переодически сбрасывается в септик или отстойник.

Наиболее близким прототипом по совокупности признаков является барботажная колонна с хордовой насадкой (стр.236, Рис.89; авторы Л.А.Кульский. М.Н.Булава и другие «Проектирование и расчет очистных сооружений водопроводов», Киев, 1972 г.).

Недостатки устройства:

- имеет значительные габаритные размеры и строительные высоты, что приводит к дополнительным затратам на строительство водоочистных сооружений.

Задачей предлагаемого изобретения является создание экономичного безреагентного устройства для очистки воды.

Поставленная задача решается путем создания нового устройства -конструкции модуля интенсивной аэрации и дегазации (далее, МИАД), в котором используются процессы дросселирования, кавитации, турбулентной диффузии, вакуумирования и увеличения площади контакта двух сред, воздуха и воды, что позволяет многократно увеличить скорость дегазации и аэрации по сравнению с другими традиционными устройствами.

Сущность предлагаемого устройства безреагентной очистки воды - МИАД - поясняется описанием изобретения и чертежами, где на фиг.1 устройство содержит:

- насос скважинный, Н1 (поз.1);

- гидроциклон (поз.2), который содержит сливную трубу;

- секцию эжекторную (поз.3);

- эжекторы, Э1 и Э2 (поз.4) и (поз.5), которые содержат приемные камеры (ПК);

- вентилятор (поз.6);

- бак-реактор (поз.7);

- аварийный перелив (поз.8);

- реле давления, РД (поз.9);

- насос Н2 (Рабочий и запасной, поз.10);

- пульт управления (фиг.2, поз.11);

- запорную и регулировочную арматуру: ВH1 (поз.12, ВН2 (поз.13) - регулирующий затвор, ВН3 (поз.14), ВН4 (поз.15), ВН5 (поз.16), ВН6 (поз.17), ВН7 (поз.18), ВН8 (поз.19) - запорная арматура и К01 (поз.20) обратный клапан.

Бак-реактор представляет собой прямоугольную емкость, в верхней части которой содержится эжекторная секция, в которой установлены эжекторы Э1 к Э2, вытяжной вентилятор, кроме того, днище бака-реактора расположено под углом α к наибольшей вертикальной стенке бака-реактора, что способствует удалению осадка, накопленного в баке-реакторе в процессе работы, периодически в септик или отстойник.

Для создания воздушного пространства высотой не менее t=0,2 метра над уровнем воды в баке-реакторе имеются датчики уровня (на чертеже условно не показаны), кроме того, расположение выхода среза камеры смешения (КС), поз.21, эжекторов Э1 и Э2 над уровнем воды в баке-реакторе должно быть не менее h=0,5 метра.

Для расширения области применения устройства для очистки и обеззараживания воды (или других жидкостей) оно может быть снабжено озонатором и подавать озоновоздушную смесь через эжекторы Э1 и Э2 в воздушное пространство бака-реактора.

Устройство МИАД работает следующим образом.

Вода для очистки подается, например, из скважины насосом H1 в гидроциклон, в котором производится удаление шлака (песок, твердые частицы). Твердые частицы в гидроциклоне выделяются в результате действия центробежной силы, возникающей при тангенциальном вводе осветляемой воды. В процессе работы гидроциклона выделяемые твердые частицы сбрасываются по сливной трубе в дренаж. Далее вода поступает в эжекторы Э1 и Э2, в которых струя жидкости, вытекающая с большой скоростью (примерно 25 м/с) из соплового насадка, эжектирует окружающий газ и создает разряжение в приемной камере (ПК) эжекторов Э1 и Э2, что, безусловно, способствует десорбции СО₂. В камере смешения происходит образование водовоздушной смеси (пузырьки воздуха распределяются в структуре воды, в связи с чем последняя теряет прозрачность и приобретает молочную окраску).

В качестве окислителя в модуле используется кислород воздуха или озоновоздушная смесь.

Обработка воды происходит в результате использования процессов дросселирования, кавитации, турбулентной диффузии, вакуумирования и увеличения площади контакта двух сред, воздух и вода, что позволяет многократно увеличить скорость дегазации и аэрации в МИАД по сравнению с другими устройствами.

Таким образом, вышеописанные процессы происходят в эжекторах, размещенных в эжекторных секциях, и в баке-реакторе модуля интенсивной аэрации и дегазации (МИАД), кроме того, в МИАД происходит процесс образования микропузырьков, который происходит при кавитационном процессе путем сталкивания эжекторных водовоздушных струй с реакторной водой. Процесс схлопывания микропузырьков идет одновременно с обеззараживанием воды, так как при схлопывании (коллапсировании) микропузырьков внутри них возникает экстремальная температура примерно около 1000°С, и оказавшиеся в центре схлопывания пузырька споры грибков и бактерий уничтожаются.

Осадок, накопленный в баке-реакторе в процессе работы, периодически сбрасываются в септик или отстойник.

Удаление отработанных газов производится вытяжным вентилятором (фиг.1). Обработанная вода через насос Н2 может подаваться на модуль фильтрации для последующей обработки и далее на РЦВ для потребителя.

Изобретение может применяться в хозяйственно-бытовом водоснабжении для очистки природных и грунтовых вод. Устройство безреагентной очистки воды - модуль интенсивной аэрации и дегазации - содержит бак-реактор 7, два эжектора 4, 5, эжекторную секцию 3, гидроциклон 2 и вентилятор 6. Бак-реактор 7 представляет собой прямоугольную емкость с днищем, расположенным под углом α к его наибольшей вертикальной стенке, и оборудован датчиками уровня. Воздушное пространство τ над уровнем воды в баке-реакторе должно быть не менее 0,2 метра, а срезы камер смешения эжекторов расположены на высоте h не менее 0,5 метра над уровнем воды в баке-реакторе 7. Технический результат: экономичная безреагентная очистка воды. 1 з.п. ф-лы, 2 ил.

1. Устройство безреагентной очистки воды путем интенсивной аэрации и дегазации, содержащее бак-реактор, два эжектора и эжекторную секцию, отличающееся тем, что оно дополнительно снабжено гидроциклоном и вентилятором, а эжекторная секция находится в верхней части бака-реактора, оборудованного датчиками уровня, представляющего собой прямоугольную емкость, причем днище бака-реактора расположено под углом α к его наибольшей вертикальной стенке, а воздушное пространство над уровнем воды в баке-реакторе должно быть не менее 0,2 м, при этом срезы камер смешения эжекторов расположены на высоте не менее 0,5 м над уровнем воды в баке-реакторе.

2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что оно может быть снабжено озонатором.