СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ ПИТЬЕВОЙ ВОДЫ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО РЕАЛИЗАЦИИ Российский патент 2012 года по МПК C02F1/00 C02F9/08 

Изобретение относится к технике получения питьевой воды из природных сильно загрязненных источников и может быть использовано для очистки и обеззараживания балластных вод, очистки воды бассейнов и других аналогичных целей.

Общее количество воды на Земле составляет порядка 1,5 млрд км (см. Л.А.Кульский. Химия воды, Киев: Наукова Думка, 1983, стр.75), однако большая часть воды неприемлема для использования человеком из-за высокой концентрации в ней растворенных солей, а запасы пресной воды не превышают 2-3%, так как большая часть пресной воды представлена ледниками и ледниковыми шапками и незначительную часть составляют воды водотоков и водоемов, атмосферная вода.

В этих жестких условиях не должно идти снижение уровня требований к качеству воды, хотя проблема регламентации питьевой воды весьма сложна в силу особенности воды как химического соединения и как элемента среды обитания человека.

Во все времена требования, предъявляемые к питьевой воде, сводились к тому, чтобы она не вредила здоровью потребителя, при оценке качества воды используются государственные стандарты ГОСТ 2701-84 "Источники централизованного хозяйственно-питьевого водоснабжения" и ГОСТ Р 51232-98 "Вода питьевая. Гигиенические требования и контроль качества", причем вода высоких питьевых качеств - это солевой раствор, оптимизированный по солям жесткости, микроэлементам, не содержащий токсичных веществ и имеющий определенную структуру.

Необходимость обработки воды возникает в том случае, когда качество воды природных источников не удовлетворяет предъявляемым к нему требованиям (экологические катастрофы), такое несоответствие может быть временным или постоянным, характер и степень несоответствия качества воды источника требованиям потребителя определяют выбор методов обработки воды, если при этом могут быть использованы различные методы очистки, то выбор наиболее эффективного производится на основе технико-экономических расчетов.

Известны химические, физические и физико-химические процессы, применяемые для обработки воды, которые можно разделить на два больших класса, первый класс связан с корректированием физических и химических свойств воды, а второй класс объединяет процессы, обеспечивающие обеззараживание воды, т.е. освобождение ее от болезнетворных бактерий и микроорганизмов.

В конечном итоге выбор обусловлен качеством фильтрата (пермеата), свойствами воды и ее загрязнениями, а также экономическими соображениями.

Известен способ обработки воды и водных растворов, который включает корректировку рН 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, затем рециркулируемую жидкость предварительно нагревают, после чего часть высоконапорной жидкости отбирают на фильтрацию, из оставшегося рециркуляционного потока отбирают скавитированную жидкость с повышением давления, охлаждают, выдерживают до схлопывания кавитационных пузырьков и осаждения образовавшихся твердых примесей, после чего возвращают стабилизированную жидкость в рециркуляционный поток низкого давления. При этом повышение давления кавитирующей жидкости производят до атмосферного или выше атмосферного, а энергию снимаемого тепла при охлаждении потока используют как теплоноситель на бытовые или технологические нужды. Кавитацию осуществляют гидродинамическим или ультразвуковым способом, а схлопывание пузырьков кавитированной жидкости производят при ее охлаждении подпитываемым и (или) холодным потоком теплоносителя. Потоком жидкости, отбираемым на фильтрацию, осуществляют промывку отфильтрованных примесей (Патент РФ №2240984).

К недостаткам этого технического решения относится недостаточная эффективность обеззараживания, требуемая для питьевой воды, и невозможность очистки ее от органических веществ. Само осуществление способа, как оно приведено в формуле изобретения, вызывает сомнение в возможности его реализации.

Известен способ получения воды из вод природных источников, в котором воду из открытых водоемов вначале подвергают очистке на фильтре предварительной очистки, после очистки на фильтре грубой очистки проводят ультрафильтрацию, дополнительную обработку до качества питьевой осуществляют посредством обратного осмоса, а после сорбции на угольных материалах питьевую воду последовательно подвергают катионо- и анионообмену, после чего стерилизуют на патронном фильтре с размером пор 0,2 мкм, при этом контроль качества воды осуществляют в непрерывном режиме по величине удельного электрического сопротивления (Патент РФ №2258045).

Установка для реализации известного способа содержит фильтр грубой очистки, фильтр предварительной очистки, нагнетающий насос, подводящую магистраль, ультрафильтр, насос высокого давления, обратноосмотический фильтр, измерители удельного электрического сопротивления, угольный фильтр, сорбционный фильтр, фильтр катионитный, фильтр анионитный, фильтр-патрон для стерилизации.

Основными недостатками этого способа и устройства его реализующего являются: отсутствие предварительного окисления с целью перевода растворимого железа в гидроксид и предотвращения попадания его на микрофильтры. Проскоки ионов железа на микрофильтры, частая их регенерация или замена нарушают непрерывность функционирования мембранной установки, увеличивают затраты на регламентное обслуживание и себестоимость производства питьевой воды. На угольных, сорбционных фильтрах и фильтр-патроне происходит накопление вредных примесей и необходима их периодическая промывка с применением химических реагентов.

Известен способ обеззараживания воды (патент РФ №2290370), который заключается в совместном воздействии на воду пучков ускоренных электронов, которые направлены перпендикулярно потоку акустических колебаний в режиме кавитации, создаваемых гидроакустическим излучателем, и подаваемой в воду озоновоздушной смесью. При этом в качестве озоновоздушной смеси используют смесь, образующуюся в результате реакции ионизации электронов и пропущенную через резонаторную камеру гидроакустического излучателя для ее диспергирования и равномерного распределения по всему объему обрабатываемой воды, а гидроакустический излучатель установлен таким образом, чтобы акустический поток был ориентирован в направлении движения воды. Интенсивность колебаний в режиме кавитации составляет 3-5 Вт/см², а мощность дозы на поверхности воды при работе ускорителя электронов - 0,2-0,3 кГр/сек. Обеззараживание воды при этом происходит за счет совместного воздействия на нее пучков ускоренных электронов, создаваемых ускорителем электронов перпендикулярно потоку акустических колебаний от гидроакустического излучателя в режиме кавитации, и подаваемой в воду озоно-воздушной смесью.

Недостатками известного способа являются: невозможность очистки воды с повышенным содержанием цветности от растворенных в ней органических веществ, а также то, что не учитывается, что процесс окисления может продолжаться, т.к. не вся озоновоздушная смесь успевает полностью прореагировать в процессе обработки воды.

Наиболее близким техническим решением к заявляемому способу является способ получения питьевой воды путем холодного опреснения высокоминерализированных водных растворов, описанный в патенте РФ №2284966. Известный способ включает операции озонирования исходной воды, которое производится дробным многократным порционным воздействием озонокислородной и/или озоновоздушной смесью, одновременными с гидромеханической кавитацией, и электрогидравлическим ударом до получения однородного двухфазного состояния с выравниванием гидродинамических параметров, воздействие на водовоздушный поток импульсным электрическим разрядом, который создает импульсные электромагнитные поля, и облучение в ультрафиолетовом спектре, с последующим центрифугированием в ионизирующем импульсно-частотном электромагнитном поле с повторным образованием аэрозолей и их сепарацией в электростатических полях постоянной и переменной напряженности, дальнейшим разделением и отбором очищенной воды с заданными свойствами и осаждением солей.

Недостатком известного способа является низкое качество обеззараживания при очистке сильнозагрязненной воды - общее микробное число снижается всего в 10 раз - с 500 у исходной воды до 50 у очищенной воды, при сравнительно больших энергозатратах.

Технической задачей предлагаемого изобретения является разработка способа и устройства его реализующего, обеспечивающего повышение эффективности очистки и обеззараживания даже сильнозагрязненной воды (3 класса по ГОСТ 2761-84) с повышенным значением цветности и окисляемости, а так же имеющую превышение норматива коли-индекса в 1000 раз и более, до нормативных требований, предъявляемых к питьевой воде СанПиН 2.1.4.544-96 и СанПиН 2.1.4.559-96, без использования химических реагентов (в том числе для промывки мембран) и расходных материалов (сорбционных фильтров и т.п.) при длительном непрерывном функционировании установки и снижении затрат на регламентное обслуживание установки.

Технический результат достигается за счет того, что в известный способ получения питьевой воды, включающий операции озонирования исходной воды посредством многократного воздействия озонокислородной и/или озоновоздушной смесью, с одновременной гидромеханической кавитацией, облучение в ультрафиолетовом спектре, с дальнейшим разделением и отбором очищенной воды с заданными свойствами и осаждением осадка, накопление очищенной воды перед подачей ее потребителю, внесены изменения, а именно:

- перед озонированием производят предварительную очистку исходной воды, с последующей тонкой очисткой;

- перед ультрафиолетовым облучением осуществляют дополнительную обработку водоозоновой смеси посредством гидродинамической кавитации;

- после ультрафиолетового облучения полученную воду выдерживают в течение времени, достаточного для полного окисления металлов, а затем осуществляют операцию ультрафильтрации на мембранных фильтрах;

- подачу очищенной воды потребителю осуществляют после выдержки ее в течение времени, достаточного для завершения окисления растворенных органических веществ до углекислого газа.

Кроме того, при снижении производительности фильтров на стадиях фильтрации осуществляют промывку соответствующих фильтров водой, забираемой после операции ультрафильтрации, а обрабатываемую воду подают на резервные фильтры.

Предварительная очистка исходной воды на фильтрах грубой очистки позволяет отделить от воды крупные загрязнения, например, от водорослей при очистке балластных вод судов, а тонкая очистка позволяет очистить исходную воду от мелких механических примесей и микроорганизмов, содержавшихся в балластной воде, что позволяет более эффективно проводить обработку воды на следующих стадиях получения питьевой воды.

Введение второй ступени кавитации - гидродинамической кавитации позволяет оптимизировать процесс смешения озоноводной смеси и увеличить скорость окисления и расщепления молекул растворенных в воде органических веществ. На первой стадии кавитации происходит непрерывное смешивание воды с озоновоздушной/озонокислородной смесью до образования водогазовой смеси, в результате чего происходит максимальное насыщение озоном воды и диспергирование оставшейся газовой фазы с образованием высокодисперсной пузырьковой структуры. Смесь, состоящая из почти несжимаемой жидкости и сжимаемого газа, имеет более высокую сжимаемость, чем даже у газовой фазы, а потому звуковая скорость в ней ниже, чем просто в газе. Скорость звука в среде на выходе из первой ступени кавитации (гомогенная пузырьковая смесь газ - жидкость) имеет аномально низкое значение. Резкое уменьшение величины скорости звука вызывает процесс кавитации (появление в жидкости зародышей паровой фазы), а на второй ступени кавитации происходит сначала резкое увеличение скорости потока, а затем скорость потока снижается и переход через скорость звука сопровождается скачком давления с «захлопыванием» кавитационных пузырьков. Под действием кавитации происходит разрыв химических связей в молекулах воды и в находящихся в воде органических веществах (гомолитическое расщепление). В результате этого в обрабатываемой воде образовываются свободные радикалы ОН и разнообразные свободные радикалы органических веществ. Образующиеся за счет кавитации свободные радикалы органических веществ обеспечивают многократное увеличение скорости окисления этих веществ озоном. Кроме того, ударные волны разрушают оболочки микроорганизмов и ускоряют их бактерицидную обработку и последующее окисление атомарным кислородом.

Выдержка обработанной кавитацией воды перед ультрафиолетовым обеззараживанием вызвана тем, что образовавшиеся при кавитации свободные радикалы ОН имеют ограниченный срок жизни. Растворенный в воде озон под фотолитическим воздействием УФ-лучей трансформируется в ОН-радикалы, которые значительно ускоряют окисление активированных кавитацией органических веществ. Совместное использование кавитации, растворенного озона и ультрафиолетового излучения дает эффект взаимного усиления, при этом скорость обеззараживания и окисления возрастает на несколько порядков. Эффективность данного способа резко снижается, если до обработки ультрафиолетом, который вызывает появление ОН-радикалов, радикалы органических веществ успевают нейтрализоваться, поэтому обработка ультрафиолетом должна происходить до нейтрализации свободных радикалов. Время жизни радикала ОН в воздухе в условиях эксперимента составляет от 10 мкс до нескольких миллисекунд (смотри доклад «Распределение примесных молекул и радикалов в тропосфере», Ф.Роуланда (США), на XVI Международном симпозиуме по свободным радикалам, сентябрь 1983 г., Лузиль-Оттиньи провинция Брабант, Бельгия). Период полураспада свободных радикалов органических веществ в воде составляет от 0,01 с до 1 с, что значительно превышает период полураспада в воздухе (смотри Карякин В.А. Спектральное исследование фотохимических реакций, идущих под действием мощных световых потоков. Успехи физических наук, т.LIII, вып.3, июль 1954 г.).

Время жизни большинства свободных радикалов органических веществ в воде составляет от 0,01 до 15 с. Из экспериментально полученных данных об эффективности окисления нами был сделан вывод о том, что время жизни для максимально активных свободных радикалов органических веществ в воде, которые в основном влияют на скорость окисления, равен 3 с. Нами также экспериментально было установлено, что для достижения требуемого эффекта окисления, когда максимально активные радикалы органических веществ имеют достаточно высокую концентрацию, время прохождения расстояния между блоком кавитации и ультрафиолетовым излучателем должно составлять не более 0,6 с, что примерно соответствует среднему значению периода полураспада свободных радикалов органических веществ в воде. В связи с этим расстояние ℓ между блоком кавитации и ультрафиолетовым излучателем должно выбираться из условия, что активные радикалы органических веществ должны в достаточном количестве сохраниться в воде до начала обработки ультрафиолетовым излучением, которое вызывает появление свободных ОН-радикалов в обрабатываемой воде. Максимальную величину ℓ можно определить из условия - ℓ=r·V, где r - коэффициент, имеющий значение до 3, но предпочтительно не более 0,6; V - скорость потока воды на выходе блока кавитации, м/с.

Исследование механизмов удаления тонких взвесей, высокомолекулярных органических соединений, суспендированных коллоидных частиц, макромолекул, полученных из предварительно профильтрованной воды, было проведено на выпускаемых отечественной промышленностью ультрафильтрационных мембранах из материалов на основе керамики, капиллярных волокон с полупроницаемыми стенками с селективностью по органическим примесям, мембранах на основе полиамида, тетрафторэтилена и других материалов, стойких к озону. Одновременно определялись оптимальные размеры пор, которые составляли 0,01-0,5 мкм и предпочтительно в диапазоне - 0,05-0,1 мкм.

Выдержка времени очищенной воды перед подачей ее потребителю вызвана тем, что содержание озона в ней регламентировано, поэтому необходимо определенное время для завершения перехода избытка растворенного озона в кислород. На практике установлено, что время выдержки не превышает 5 минут.

Промывка мембранных фильтров посредством подачи воды после ультрафильтрации позволяет отказаться от химических реагентов, которые применяют для этих целей, т.к. в ней присутствует избыток озона, который является сильным окислителем, обеззараживающим накопленные на фильтре осадки.

Устройство, реализующее способ по прототипу, содержит возбудитель, создающий взаимно перпендикулярные постоянное и переменное электромагнитные поля, озонатор, эжектор, гидромеханический кавитатор, к которому подведено высокое импульсное напряжение величиной, равной пробивному критическому сечению кавитатора, флотатор, содержащий разрядники, соединенные с импульсными источниками тока, фильтр, центрифугу, классификатор с электростатическим полем переменной напряженности, сепаратор с электростатическим полем напряженностью не ниже 2 кВ/см и накопительную емкость для очищенной воды.

Оно имеет те же недостатки, что присущи способу, и сложную конструкцию, требующую обслуживание высококвалифицированным специалистом.

Известна автоматическая фильтровальная установка для очистки воды и гидрозатворы для этой установки, содержащая озонатор, эжектор, кавитатор для получения газоводной смеси с концентрацией озона 1-2% и более, камеру окисления, фильтр с зернистой загрузкой, сорбционный фильтр и систему промывки фильтра (патент РФ №35730).

Недостатком известного устройства является недостаточная эффективность обработки воды из сильнозагрязненных источников и использование сорбционных фильтров, являющихся расходным материалом, что увеличивает стоимость эксплуатации установки.

Известна установка (Патент РФ №2156165), которая содержит нагнетающий насос, подводящую магистраль, фильтры предварительной очистки воды, последовательно соединенные стерилизующее устройство и сорбционные фильтры, и магистраль сброса. Фильтры предварительной очистки воды и стерилизующее устройство реализованы, соответственно, в виде двух ультрафильтрационных аппаратов с мембранными керамическими элементами и озонатора с эжектором и смесительной камерой. Подводящая магистраль соединена через первый и второй вентили, соответственно, с входами первого и второго ультрафильтрационных аппаратов с мембранными керамическими элементами, выходы пермеата двух ультрафильтрационных аппаратов с мембранными керамическими элементами объединены и соединены через третий вентиль с входом озонатора с эжектором и смесительной камерой, а выходы ретанта двух ультрафильтрационных аппаратов с мембранными керамическими элементами подключены соответственно через первый и второй вентили установки исходного давления к магистрали сброса, причем подводящая магистраль и магистраль сброса соединены через предохранительный клапан. Сорбционные фильтры выполнены в виде набора двух секций из минералов цеолита и шунгита.

Недостатком этой установки является невозможность обеспечения высокого качества питьевой воды, т.к. сорбционные фильтры и мембраны ультрафильтрационных аппаратов требуют периодической промывки с применением химических реагентов или замены, при их несвоевременной замене или промывке с применением химических реагентов они являются источником вторичного заражения воды.

Наиболее близким к заявленному техническому решению является конструкция станции водоподготовки, описанная в патенте РФ №2234471. Станция водоподготовки содержит водоприемник, повысительный насос, озонатор, струйный аппарат с окном из кварцевого стекла, ультрафиолетовый излучатель, отражательный рефлектор, винтообразную лопасть, вертикально-трубчатую систему, предварительный фильтр, фильтр с активированным углем, выход которого соединен через электрифицированную задвижку с потребителем питьевой воды и через кран с поплавковым приводом с резервуаром-накопителем промывной воды, а также систему управления, содержащую концентратомер растворенного озона в воде, задающее устройство, сравнивающее устройство, следящий привод, запорную арматуру, установленную на трубопроводах, кран с поплавковым приводом, электрифицированные задвижки, датчики положения электрифицированных задвижек, датчики давления с соответствующими связями.

Недостатком технического решения, выбранного в качестве прототипа устройства для реализации заявляемого способа, является недостаточное качество очистки сильнозагрязненной воды (3 класса по ГОСТ 2761-84) и невозможность обеззараживания и очистки воды без использования фильтра из активированного угля, что повышает стоимость эксплуатации оборудования. Кроме того, при накоплении воды в резервуаре-накопителе происходит распад озона до кислорода и вода теряет бактерицидное свойство. Поэтому промывная вода после очистки фильтров содержит повышенную концентрацию живых патогенных микроорганизмов, которые содержались в исходной воде и были накоплены на фильтрах.

Для обеспечения реализации заявляемого способа получения питьевой воды в известное устройство, содержащее магистраль подачи исходной воды через предварительный фильтр в водоприемник, повысительный насос, озонатор, кавитатор для смешения озона с водой, ультрафиолетовый излучатель, фильтры тонкой очистки, блок промывки фильтров тонкой очистки, средства подачи очищенной воды потребителю, а также соответствующие трубопроводы с установленной на них необходимой запорной и регулирующей аппаратурой и систему управления, включающую датчики контролируемых параметров, задающие и исполнительные устройства и средства контроля и измерения, внесены изменения, а именно:

- введен дополнительный блок гидродинамической кавитации;

- введены емкости для накопления и выдержки воды перед подачей ее потребителю;

- фильтры тонкой очистки, установленные до озонатора и после ультрафиолетового излучателя,

- система промывки фильтров водой соединена с выходами фильтров тонкой очистки, установленными после ультрафиолетового излучателя;

- расстояние (ℓ) между блоком гидродинамической кавитации и ультрафиолетовым излучателем определяется из зависимости ℓ=r×V, м, где r - коэффициент, предпочтительно, равный 0,6 с, а V - скорость потока обрабатываемой воды, м/с.

- оба кавитатора размещены в одном корпусе, образуя двухступенчатый блок кавитации

Кроме того, в качестве фильтров тонкой очистки используются мембранные фильтры с размером пор от 0,01 мкм до 0,5 мкм, предпочтительнее от 0,05 мкм до 0,1 мкм, изготовленные из материала, стойкого к озону, например керамики или металла, или аморфного стеклообразного сополимера перфтордиоскола, или тетрафторэтилена.

Все эти изменения введены в известное устройство для реализации заявляемого способа и обоснования этих признаков было приведено выше.

На фиг.1 приведен один из возможных вариантов устройства, реализующего заявляемый способ.

Установка содержит фильтры 1 и 2 соответственно грубой и тонкой очистки, приемную емкость 3 с датчиком уровня 4, электронасос 5, мембранные фильтры 6 (на фиг.1 показано 4 фильтра, но их количество может быть иным), кавитатор, содержащий первый блок 7 и второй 8 кавитации, озонизатор 9, блок 10 ультрафиолетовой обработки, насос 11 и промежуточную емкость 12, мембранные фильтры 13, деструктор озона 14, воздушный фильтр 15, накопительные емкости 16 (на фиг.1 показано три емкости, но их может быть и иное число), трехходовые электроклапаны 17, электронасос 18 и гидроаккумулятор 19. Система промывки мембранных фильтров содержит группу вентилей на фиг.1 не обозначенных. Кроме того, на фиг.1 не показана система управления установкой, включающая датчики и задатчики регулируемых параметров и программный контроллер.

Устройство работает следующим образом. Исходная вода по магистрали через вентиль и открытый входной электроклапан поступает через фильтр грубой очистки (1) в фильтр предварительной очистки (2) и далее предварительно очищенная вода поступает во входную емкость (3), оснащенную датчиками уровня (4), позволяющими автоматически поддерживать требуемый уровень воды в емкости. Из входной емкости (3) вода электронасосом (5) подается на мембранные фильтры (6) тонкой очистки, имеющие поры размером 0,05 мкм, а затем отфильтрованная вода поступает в аппарат смешения и кавитационной обработки, содержащий кавитационный смеситель озона с водой (7) и блок гидродинамической кавитации (8). Одновременно, в аппарат смешения и кавитационной обработки (7 и 8) из блока озонатора (9), содержащий генератор озона и входной патрубок воздуха, озоновоздушная смесь подается на первый блок кавитации (7). В блоке (7) происходит непрерывное смешивание воды с озоновоздушной смесью до образования водоозоновоздушной смеси, которая проходит через первую ступень блока кавитации, в результате чего происходит максимальное насыщение озоном воды и диспергирование оставшейся газовой фазы с образованием высокодисперсной пузырьковой структуры.

Смесь, состоящая из почти несжимаемой жидкости и сжимаемого газа, имеет более высокую сжимаемость, чем даже у газовой фазы, а потому звуковая скорость в ней ниже, чем просто в газе. Поэтому скорость звука в среде на выходе из первой ступени кавитации (гомогенная пузырьковая смесь газ - жидкость) имеет аномально низкое значение. Резкое уменьшение величины скорости звука вызывает процесс кавитации (появление в жидкости зародышей паровой фазы). Во второй ступени блока кавитации (8) происходит сначала резкое увеличение скорости потока, а затем скорость потока снижается, и переход через скорость звука сопровождается скачком давления с «захлопыванием» кавитационных пузырьков. Под действием кавитации происходит разрыв химических связей в молекулах воды и в находящихся в воде органических веществах (гомолитическое расщепление). В результате этого в обрабатываемой воде образовываются свободные радикалы ОН и разнообразные свободные радикалы органических веществ.

Образующиеся за счет кавитации свободные радикалы органических веществ обеспечивают многократное увеличение скорости их окисления озоном, кроме того, ударные волны разрушают оболочки микроорганизмов и ускоряют их бактерицидную обработку и последующее окисление атомарным кислородом. Затем обрабатываемая вода подается в установку ультрафиолетовой обработки (12). Растворенный в воде озон под фотолитическим воздействием УФ-лучей трансформируется в ОН-радикалы, которые значительно ускоряют окисление активированных кавитацией органических веществ. Совместное использование кавитации, растворенного озона и ультрафиолетового излучения дает эффект взаимного усиления, при этом скорость обеззараживания и окисления возрастает на несколько порядков. Эффективность данного способа резко снижается, если до обработки ультрафиолетом, который вызывает появление ОН-радикалов, радикалы органических веществ успевают нейтрализоваться. Расстояние между блоком кавитации (8) и ультрафиолетовым излучателем (12) определяется из условия ℓ=r·V=0,6 ·2=1,2 м, где V - скорость потока воды на выходе второго блока 8 кавитации (в м/с), поэтому активные радикалы органических веществ сохраняются в воде до начала обработки ультрафиолетовым излучением в достаточном количестве, чтобы вызывать появление свободных ОН-радикалов в обрабатываемой воде. Затем вода насосом (11) подается в промежуточную емкость (10) для выдержки воды, где вода задерживается в течение времени, достаточного для полного окисления металлов и образования осадка.

После окисления всех тяжелых металлов с образованием нерастворимых окислов производится очистка воды от коагулировавших продуктов окисления (в том числе железа, марганца, алюминия и т.д.) и погибших микроорганизмов на выходных мембранных фильтрах(13) ультраочистки, причем размер пор мембран составляет 0,1 мкм. Далее вода через открытый входной вентиль входного коллектора заполняет накопительную емкость №1 (16), оснащенную (как и другие накопительные емкости) датчиками уровня воды, а через электроклапан 17, соответствующей номеру емкости, в нее через воздушный фильтр 15 поступает воздух. При этом выделяющийся из находящейся в емкости 16 водоозоновоздушной смеси остаточный озон, проходя через другой открытый на выход трехходовой воздушный электроклапан (17), поступает в фильтр деструктор озона (14), где и разрушается. После заполнения накопительной емкости №1 (16), закрывается соответствующий входной вентиль, а открывается входной вентиль накопительной емкости №2 (16). Далее процесс повторяется также, как и при заполнении накопительной емкости №1 до тех пор, пока все накопительные емкости не будут заполнены.

После выдержки очищенной воды в накопительной емкости №1, достаточной для окончательного окисления органических веществ до углекислого газа и выхода избыточного озона (порядка 5-10 минут), выходной вентиль этой емкости открывается и очищенная вода из нее электронасосом (18) через гидроаккумулятор (19), представляющий промежуточную емкость, подается потребителю. При сливе воды из накопительной емкости №1 (16) воздух в нее поступает через воздушный фильтр (15). Далее в таком же порядке происходят последовательная выдержка и слив воды для всех накопительных емкостей (16), обеспечивая тем самым беспрерывную подачу очищенной воды потребителю. Система промывки фильтров содержит трубопроводы с вентилями-электроклапанами, соединенными с выходами мембранных фильтров (6 и 13) и переключаемыми по командам от системы управления, тем самым осуществляя подачу очищенной воды, забираемой после работающих в режиме фильтрации фильтров на промывку фильтров, находящихся в режиме промывки. При осуществлении промывки фильтра поток обрабатываемой воды автоматически переключается на подачу через резервный фильтр. Это позволяет осуществлять непрерывный процесс подачи очищенной воды потребителю. Промывка фильтров очищенной водой, забираемой сразу после окисления и фильтрации на фильтрах ультраочистки, позволяет за счет растворенного озона произвести одновременное с промывкой обеззараживание фильтра и накопленного осадка. Тем самым отпадает необходимость в реагентной очистке фильтров тонкой очистки и обеспечивается биологическая безопасность сбрасываемой промывочной воды и накопленного осадка, который сбрасывается в дренаж. При своей работе установка не требует расходных материалов (сорбционных фильтров) и химикатов (в том числе и для промывки мембран).

Предлагаемый способ и устройство, его реализующее, позволило получить из источников 3 класса загрязненности по ГОСТ 2761-84 (с превышением норматива коли-индекса в 1000 раз и более) питьевую воду, соответствующую всем нормативным требованиям СанПиН 2.1.4.544-96 и СанПиН 2.1.4.559-96 (показатели качества исходной воды и воды после очистки и обеззараживания по предлагаемому техническому решению представлены в таблице).

Таблица. Наименование показателя Показатели качества воды Исходная вода (3 класса по ГОСТ) После очистки Мутность, мг/дм³, не более 10000 1,0 Цветность, градусы, не более 200 10 Запах при 20 и 60°С, баллы, не более 4 0 Железо (Fe), мг/дм³, не более 5 0,1 Марганец (Mn), мг/дм³, не более 2,0 0,05 Окисляемость перманганатная, мгО/дм³, не более 20 5 Число бактерий группы кишечной палочки (коли-индекс) в 1 дм³ воды, не более 50000 отсутствуют

Совокупность обработки водоозоновой смеси в блоке гидродинамической кавитации с числом ступеней не менее 2, в сочетании с обработкой полученной смеси, содержащей достаточное количество свободных радикалов органических веществ, ультрафиолетовым излучением позволяют получить новое качество - высокую скорость обеззараживания и очистки сильнозагрязненных поверхностных вод с повышенным значением цветности и окисляемости, не достигаемую другими методами очистки, что делает предлагаемый способ универсальным и расширяет область его применения.

Установка, реализующая предлагаемый способ, изготавливается из стандартного оборудования и не вызовет трудности при ее изготовлении и обслуживании, а т.к. для ее работы не требуется химических реагентов, весь процесс является экологически чистым.

В настоящее время проведены испытания основного оборудования, и процесс проектирования находится в заключительной стадии. Использование изобретения намечено на 2011 г.

Группа изобретений относится к области обработки природных вод. Исходную воду через фильтр грубой очистки 1 подают в фильтр предварительной очистки 2. Предварительно очищенная вода поступает во входную емкость 3, оснащенную датчиками уровня 4. Из входной емкости 3 воду электронасосом 5 подают на мембранные фильтры 6 тонкой очистки. Отфильтрованная вода поступает в аппарат смешения и кавитационной обработки, содержащий кавитационный смеситель озона с водой 7 и блок гидродинамической кавитации 8. В аппарат смешения и кавитационной обработки из блока озонатора 9 также подают озоновоздушную смесь. Затем обрабатываемая вода поступает в установку ультрафиолетовой обработки 12, откуда ее насосом 11 подают в промежуточную емкость 10. Далее проводят очистку воды на мембранных фильтрах 13 ультраочистки. Перед подачей потребителю очищенную воду выдерживают в накопительных емкостях 16. Группа изобретений позволяет повысить эффективность очистки и обеззараживания сильнозагрязненной воды без использования химических реагентов при длительном непрерывном функционировании установки и снижении затрат на обслуживание установки. 2 н. и 7 з.п. ф-лы, 1 ил., 1 табл.

1. Способ получения питьевой воды, включающий операции озонирования исходной воды посредством многократного воздействия озонокислородной и/или озоновоздушной смесью с одновременной гидромеханической кавитацией, облучение в ультрафиолетовом спектре с последующим раздельным отбором очищенной воды и осадка, накопление очищенной воды для подачи ее потребителю, отличающийся тем, что перед озонированием производят предварительную очистку исходной воды с последующей тонкой очисткой в мембранных фильтрах, перед ультрафиолетовым облучением осуществляют дополнительную обработку водоозоновой смеси посредством гидродинамической кавитации, после ультрафиолетового облучения воду выдерживают в течение времени, достаточного для полного окисления металлов и образования осадка, а затем осуществляют операцию ультрафильтрации на мембранных фильтрах.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что после операции ультрафильтрации очищенную воду перед подачей ее потребителю выдерживают в течение времени, достаточного для полного окисления органических веществ и снижения озона в воде до санитарных норм.

3. Способ по п.1, отличающийся тем, что при снижении производительности фильтров на стадиях фильтрации осуществляют промывку соответствующих фильтров забираемой после операции ультрафильтрации очищенной водой, а обрабатываемую воду подают на резервные фильтры.

4. Устройство для реализации способа по п.1, содержащее магистраль подачи исходной воды через предварительный фильтр в водоприемник, повысительный насос, озонатор, кавитатор для смешения озона с водой, ультрафиолетовый излучатель, мембранные фильтры тонкой очистки, блок промывки фильтров тонкой очистки, средства для подачи очищенной воды потребителю, а также трубопроводы с установленной на них запорной и регулирующей аппаратурой и систему управления, включающую датчики контролируемых параметров, задающие и исполнительные устройства и средства контроля и измерения, отличающееся тем, что в него дополнительно введены блок гидродинамической кавитации, промежуточная емкость и емкости для накопления и выдержки воды, дополнительные мембранные фильтры тонкой очистки, установленные до озонатора и после ультрафиолетового излучателя, причем расстояние (ℓ) между блоком гидродинамической кавитации и ультрафиолетовым излучателем определяется из зависимости ℓ≤r·V, м, где r - коэффициент, предпочтительно, равный 0,6 с, а V - скорость потока обрабатываемой воды, м/с, на выходе кавитатора.

5. Устройство по п.4, отличающееся тем, что в качестве фильтров тонкой очистки используются пористые мембранные фильтры с размером пор от 0,01 мкм до 0,5 мкм, предпочтительнее от 0,05 мкм до 0,1 мкм, изготовленные из материала, стойкого к озону, например керамики, или металла, или аморфного стеклообразного сополимера перфтордиоскола, или тетрафторэтилена.

6. Устройство по п.4, отличающееся тем, что оба блока кавитации размещены в одном корпусе, образуя двухступенчатый кавитатор.

7. Устройство по п.4, отличающееся тем, что система промывки мембранных фильтров тонкой очистки выполнена с возможностью отбора очищенной воды после операции ультрафильтрации.

8. Устройство по п.4, отличающееся тем, что промежуточная емкость посредством насоса соединена с выходом ультрафиолетового излучателя и входами мембранных фильтров, осуществляющих операцию ультрафильтрации.

9. Устройство по п.4, отличающееся тем, что каждая из емкостей накопления очищенной воды соединена дополнительным входом с соответствующим выходом трехходового электроклапана, соединенного с воздушным фильтром и разрушителем озона, а выходы емкостей для накопления очищенной воды посредством электронасоса и аккумулирующей емкости - с магистралью подачи воды потребителю.