СПОСОБ ОЧИСТКИ СТОЧНЫХ ВОД Российский патент 2013 года по МПК C02F1/30 C02F9/12 B01J19/08 

Изобретение относится к области радиационной очистки промышленных и бытовых сточных вод, в том числе их обеззараживания и очистки от неорганических и органических соединений, таких как фенолы, нефтепродукты, поверхностно-активные вещества (ПАВ) и др., путем воздействия импульсного электронного пучка.

Известны способы обеззараживания и очистки сточных вод непрерывными электронными пучками (Пикаев А.К. // Химия высоких энергий. 2001. Т.35. №5. С.346.). Электронные пучки обеспечивают глубокую степень очистки сточных вод благодаря их воздействию на широкую группу неорганических и органических веществ. Существующие на сегодняшний день источники непрерывных электронных пучков с энергией от 1,5 МэВ и выше с мощностью до 1,2 МВт обеспечивают высокую производительность (10²-10⁴) м³/ч и требуют использования мощной радиационной защиты, которая значительно увеличивает стоимость и снижает безопасность данных способов обработки сточных вод. Вместе с тем не решена проблема очистки и обеззараживания сточных вод малых и средних предприятий, муниципальных организаций, частных поселков и домовладений с производительностью порядка 1-10 м³/час.

Воздействие электронного пучка образует в воде электроны, свободные радикалы (^•OH), ионы, возбужденные частицы, атомы H, которые, взаимодействуя с присутствующими загрязняющими веществами, инициируют их химические превращения (например, выпадение в осадок в виде окислов, гидроокислов, солей и образование безвредных газов). При наличии растворенного кислорода, содержащегося, например, в воздухе, образуется и озон - сильнейший окислитель. Радикалы ^•OH инициируют окислительное разложение загрязняющих веществ, а гидратированные ē и H - восстановительное разложение. Кроме того, ионизирующее излучение обладает стерилизующим действием. Радиационная обработка непрерывным электронным пучком с вышеуказанной мощностью, как правило, приводит не только к разложению загрязняющих веществ, но и к обеззараживанию облучаемой воды.

Исследования на природной воде показали, что при дозе порядка 0,1 Мрад происходит обесцвечивание, дезодорация и обеззараживание питьевой воды, полное устранение запаха и значительное уменьшение вирусных интоксикаций в воде до уровня, соответствующего ГОСТу «Вода питьевая».

В случае промышленных сточных вод концентрации загрязняющих веществ, как правило, высокие. Поэтому для разложения этих веществ требуются более высокие дозы и подбор их в зависимости от типа загрязняющей примеси.

Наиболее близким к предлагаемому изобретению по технической сущности является способ уменьшения примесей в газах и воде, выбранный в качестве прототипа [US №5561298]. Способ заключается в следующем. Сформированный импульсный пучок электронов с первичной энергией электронов от 90 кэВ до 110 кэВ через выводное окно, в виде тонкой фольги направляют в ячейку обработки. Ток электронного пучка за выводным окном составляет примерно 1 А. Толщина фольги выбирается такой, чтобы после ее прохождения на входе в среду электроны пучка имели среднюю энергию в диапазоне 45-55 кэВ. Для энергии электронов такого уровня этим требованиям удовлетворяет титановая фольга толщиной 13 мкм. Длительность импульсов электронного пучка лежит в диапазоне от 5 до 50 мкс. Авторы утверждают, что метод пригоден как для очистки отдельных порций газа или воды, так и для непрерывного потока.

Требуемая частота следования импульсов тока электронного пучка определяется материалом фольги, конструкцией опорной решетки, охлаждением фольги, а для случая облучения непрерывного потока еще и скоростью его движения. Предельная частота следования импульсов определяется типом и мощностью источника электронов. Тип источника электронов (ускорителя) в патенте не раскрыт. В результате воздействия импульсного электронного пучка снижается концентрация следующих загрязнителей: активные и инертные органические соединения, а также неорганические соединения, такие, как соединения азота и сульфаты, сульфиты. Применяемый импульсный режим обработки является более благоприятным, чем непрерывный, с точки зрения снижения энергетических затрат, ресурса работы, и соответственно стоимости устройства.

Хотя метод заявлен как метод для очистки газов и воды, в патенте описан только пример очистки газов. И это не случайно, потому что при использовании прототипа для очистки воды появится следующая проблема. Длина свободного пробега электронов с энергией 55 кэВ в воде составляет ~0,1 мм. Для эффективной очистки и обеззараживания всего проточного объема сточной воды необходимо создать ее текущий слой толщиной менее указанной величины, что технически трудноосуществимо. Кроме того, окно с титановой фольгой толщиной всего 13 мкм может поддерживать перепад давлений только при небольшой площади окна, что резко уменьшает производительность метода. Описанный в патенте США метод предназначен только для очистки газов и воды от примесей, и не обсуждается возможность использования этого подхода для обеззараживания. В то же время сточные воды обычно содержат множество вредных микроорганизмов, которые должны быть удалены при обработке воды. Это является основной задачей использования мощных непрерывных ускорителей электронов.

Таким образом, задачей изобретения является создание эффективного и экономичного метода очистки и обеззараживания сточных вод с помощью импульсного электронного пучка.

Техническим результатом предлагаемого изобретения является существенное повышение мощности в (10³÷10⁵) раз поглощенной дозы без значительного повышения энергии электронов в пучке.

Для решения указанной задачи, как и в прототипе, непрерывный поток воды обрабатывают импульсным электронным пучком. В отличие от прототипа облучение движущейся снизу вверх навстречу электронному пучку жидкости производят электронным пучком с энергией (300-500) кэВ, длительностью (20-50) нс, с плотностью тока электронного пучка (5-300) А/см², частотой следования импульсов от единичных импульсов до 100 имп/с.

Для повышения эффективности очистки при нижних граничных значениях энергии электронного пучка и для повышения производительности сточную воду предварительно насыщают кислородом воздуха. Это можно осуществлять либо подавая навстречу пучку сформированный форсунками аэрозольный поток, либо продувая сквозь воду кислород, воздух или кислород в смеси с другими газами. Насыщение воды кислородом не только уменьшает плотность среды, увеличивая тем самым длину пробега электронов в ней, но и приводит к образованию озона в результате воздействия электронов пучка на молекулы кислорода. Отметим, что озон является одним из сильнейших окислителей. Это приводит к интенсификации химических процессов с загрязняющими примесями, в частности окислительных процессов с металлами, выпадения в осадок соответствующих окислов, что определяет процесс очистки.

Нижний предел величины энергии электронного пучка определяется тем, что при меньших энергиях наблюдаются достаточно большие потери энергии электронного пучка в фольге выводного окна, толщина которой в нашем способе составляет (25-120) мкм. Этот порог можно было бы снизить, уменьшив толщину фольги, однако тогда снижается ее прочность при достаточно больших размерах выводного окна. Увеличение энергии электронов свыше 500 кэВ нецелесообразно ввиду необходимости увеличения затрат на местную биологическую защиту. Данная величина энергии является пороговой, при которой ускоритель можно использовать с местной биологической защитой, без специального отдельного бокса.

Для эффективного обеззараживания сточной воды чем короче импульс электронного пучка при прочих равных условиях, тем лучше, так как при этом более надежно тормозится цепной рост микроорганизмов. Однако формирование электронного пучка с длительностью импульса меньше 20 не представляет собой технические трудности. Увеличение длительности импульса электронного пучка свыше 50 нс технически не целесообразно. Дело в том, что источники импульсных мощных электронных пучков, как правило, включают в качестве наносекундного генератора одиночную или двойную формирующую линию (ОФЛ или ДФЛ). Изготовление их с электрической длиной более 50 нс ведет к увеличению размера (более 1 м для деионизованной воды в качестве диэлектрика ОФЛ и ДФЛ и более 5 м для трансформаторного масла) и соответственно к увеличению стоимости. Дополнительным фактором, ограничивающим длительность импульса для данного типа ускорителей является распространение взрывоэмиссионной плазмы с катода, скорость которой ~(2-3) см/мкс и при длительности более 50 нс сокращение анод-катодного зазора электронного диода приводит к рассогласованию диода с генератором и снижению кпд ускорителя.

Плотность тока электронного пучка в данном способе имеет принципиальное значение, поскольку определяет плотность энергии и поглощенную дозу. Плотность тока в указанном выше диапазоне (5-300) А/см² соответствует плотности энергии (0,1-5) Дж/см², которая обеспечивает обеззараживание заданных видов микроорганизмов и бактерий. Например для стерилизации от дизентерийной палочки достаточно несколько десятых долей Дж/см², а для стерилизации от грибков (спор) требуется до 5 Дж/см². В этот же диапазон укладывается требуемая плотность энергии для очистки сточных вод от различных видов загрязнений.

Частота следования импульсов определяет производительность способа, поэтому чем выше частота, тем выше производительность. Нижняя граница определяется требуемой минимальной производительностью, например, при определении необходимой дозы для того или иного вида сточных вод.

Таким образом, в предлагаемом способе по сравнению с прототипом энергия электронов повышена всего в 3-5 раз, но при этом благодаря указанному диапазону плотности тока и длительности импульсов мощность поглощенной дозы увеличивается в (10³-10⁵) раз.

Сущность изобретения поясняется рисунками, где на фиг.1 приведена блок-схема импульсного ускорителя электронов, обеспечивающего требуемые параметры электронного пучка, на фиг.2 - структурная схема камеры обработки.

Импульсный электронный ускоритель 1 состоит из источника питания 2, генератора импульсного напряжения 3, двойной формирующей линии 4, искрового разрядника 5 и вакуумной камеры 6. К вспомогательным системам электронного ускорителя 1 относятся вакуумный пост 7 и камера обработки 8. Источник питания 2 посредством преобразований обеспечивает напряжение с регулируемым уровнем от 0,1 кВ до 10 кВ и электрический заряд емкостных накопителей генератора импульсного напряжения 3. Генератор 3 формирует импульсное высоковольтное напряжение амплитудой до 500 кВ и заряжает формирующую линию 4, при этом происходит сжатие передаваемой энергии во времени и увеличение мощности импульсов напряжения. Длительность зарядки составляет от 0,4 мкс до 0,7 мкс. Для коммутации энергии формирующей линии 4 используется газонаполненный искровой разрядник 5, со временем коммутации менее 10 нс. При срабатывании разрядника 5 формирующая линия 4 генерирует импульс ускоряющего напряжения длительностью до 50 нс и амплитудой до 500 кВ. Импульс ускоряющего напряжения прикладывается к электронному диоду и происходит генерация электронного пучка, основанная на явлении взрывной эмиссии электронов. Электронный пучок из вакуумной камеры 6 выводится в камеру обработки 8 через разделительную фольгу.

Плотность тока в указанном выше диапазоне (5-300 А/см²) задается диаметром катода, его материалом, величиной ускоряющего напряжения в указанном выше диапазоне (300-500 кэВ), величиной анод-катодного зазора.

Частота следования импульсов ускорителя в данном случае лежит в диапазоне: от единичных импульсов до 50 Гц и является служебной характеристикой ускорителя. Частота следования импульсов ускорителя задается с пульта ускорителя, при этом меняется скорость потока воды.

Камера обработки (фиг.2) включает центральный стакан 9 цилиндрической формы, содержащий патрубок 10 для подачи сточной воды и воздуха, приспособление 11 для равномерного распределения газовой фазы по объему стакана и формирования заданного размера пузырьков. Положение стакана регулируется в вертикальном направлении. Диаметр стакана связан с распределением энергии электронного пучка по сечению и выбирается из условия квазиравномерного облучения. Корпус камеры обработки 12 служит для сбора обработанной сточной воды, в днище корпуса содержатся четыре патрубка 13 для слива обработанной сточной воды. Элементы камеры изготовлены из материала, исключающего дополнительное загрязнение воды, ее устойчивость в процессе очистки воды и безопасность использования. Камера установлена на крышку 16 вакуумной камеры, при этом центральный стакан 9 расположен непосредственно у разделительной фольги 15. Расстояние между разделительной фольгой 15 и верхней плоскостью стакана выбирается таким образом, чтобы поверхность водяного столба соприкасалась с разделительной фольгой 15, тем самым охлаждая фольгу. Обрабатываемая сточная вода подается навстречу электронному пучку 17. После прохождения зоны обработки сточная вода сливается.

Для повышения производительности и эффективности очистки обработке подвергают смесь кислорода или кислородсодержащего газа с водой. Эту смесь получают двумя путями.

В первом случае в центральный стакан 9 устанавливается форсунка 14 по направлению потока аэрозоля навстречу разделительной фольге 15 электронного ускорителя, с возможностью ее вертикального перемещения. Геометрические параметры форсунки 14 определяются требуемым размером капель, скоростью их движения и расходом жидкости. Поскольку глубина пробега электронов обратно пропорциональна плотности среды, то при обработке аэрозолей длина пробега электронов в них увеличивается, что повышает коэффициент использования энергии электронного пучка и упрощает технологию процесса очистки, т.к. взаимодействие молекул загрязняющих веществ с молекулами озона и другими первичными продуктами радиолиза газовой фазы не требует при этом диффузии газов в жидкость и растворения ее в сточной воде.

Во втором варианте обрабатываемая сточная вода, проходя через центральный стакан, насыщается газовой фазой, подаваемой устройством для подачи газа в объеме, достаточном для снижения средней плотности воды, по крайней мере, на 40%. Расположенное в центральном канале приспособление 11 уменьшает диаметр пузырьков, что позволяет увеличить поверхность контакта газовой и жидкой фаз.

В дальнейшем изобретение поясняется на конкретных примерах.

Пример 1. Исходную сточную воду обрабатывали импульсным электронным пучком с параметрами: ускоряющее напряжение 350 кВ, энергия электронного пучка за фольгой 5 Дж, частота работы 50 имп/с, плотность электронного тока 60 А/см². В камеру обработки вода подавалась навстречу электронному пучку со скоростью 0,4 м³/ч без предварительного насыщения кислородом воздуха. Данные химического анализа обработанной сточной воды говорят о том, что происходит снижение концентраций всех указанных веществ, кроме того происходит улучшение органолептических показателей. Обработанная сточная (таблица 1) вода становится бесцветной, без выраженного запаха. Концентрации таких показателей, как взвешенные вещества, ХПК, БПК, фосфор фосфатный, фосфаты, нефтепродукты, фенолы, железо общее, сульфат-ион, хлорид-ион и поверхностно-активные вещества, характеризующие качество очистки сточной воды, после обработки заявленным методом снижаются до требований, предусмотренных СанПиН 2.1.5.980-00 для поверхностных вод и ОБУВ от 28.04.99 N 96 для воды водных объектов, имеющих рыбохозяйственное значение.

Таблица 1 № Определяемая характеристика Обработанная сточная вода ПДК Норматив 1 Запах Без запаха - - 2 Окраска Бесцветная - - 3 Плавающие примеси Нет - - 4 Прозрачность (по Снеллену), см 3,0 - - 5 Сухой остаток, мг/дм³ 514,0 1000 ОБУВ от 28.04.99 N 96 6 Водородный показатель, pH 7,7 6,5-8,5 СанПиН 2.1.5.980-00

Пример 2. Исходную сточную воду (таблица 2) обрабатывали импульсным электронным пучком с параметрами, указанными в предыдущем примере. В камеру обработки вода подавалась со скоростью 0,4 м³/ч, при этом перед обработкой сточная вода барбатировалась воздухом. Объем подаваемого воздуха на 1 м³ воды изменялся в диапазоне 0,1-0,6 м³. Данные химического анализа обработанной сточной воды представлены в таблице 2.

Таблица 2 № Определяемая характеристика Обработанная вода ПДК Норматив 1 Запах Без запаха - - 2 Окраска Б/цветная - - 3 Плавающие примеси Нет - - 4 Прозрачность (по Снеллену), см 6,0 - - 5 Сухой остаток, мг/дм³ 709,0 1000 ОБУВ от 28.04.99 N 96 6 Водородный показатель, pH 7,8 6,5-8,5 СанПиН 2.1.5.980-00

Согласно данным результатам (таблица 2) обработанная сточная вода не имеет запаха и цвета, прозрачность увеличилась в два раза по сравнению с предыдущим примером. Концентрации ХПК, БПК взвешенных веществ, фосфора фосфатного, фенолов, фосфатов, нефтепродуктов, железа общего, сульфат-ионов, хлорид-ионов и поверхностно-активных веществ соответствуют требованиям СанПиН 2.1.5.980-00 для поверхностных вод и ОБУВ от 28.04.99 N 96 для воды водных объектов.

Кроме того, данный метод обеспечивает стерилизацию сточной воды в соответствии с требованиями СанПиН 2.1.5.980-00.

Таким образом, достигается качественная очистка и стерилизация воды при энергии электронного пучка, позволяющей использовать только местную биологическую защиту. Это значительно снижает стоимость установки и делает ее конкурентной для очистки и обеззараживания вод малых и средних предприятий, а также бытовых сточных вод небольших поселков, населенных пунктов, домохозяйств, медучреждений.

Изобретение может быть использовано для очистки и обеззараживания сточных вод малых и средних предприятий, муниципальных организаций, поселков и домовладений с производительностью порядка 1-10 м³/час. Для осуществления способа обработку непрерывного потока воды ведут встречным электронным пучком с энергией 300-500 кэВ, длительностью импульса 20-50 нс, с плотностью тока электронного пучка 5-300 А/см² и частотой следования импульсов от единичных импульсов до 100 имп/с. В предпочтительных вариантах способа сточные воды предварительно насыщают кислородом или кислородом в смеси с другими газами, формируя аэрозольный поток. Кроме того, насыщение кислородом или кислородом в смеси с другими газами ведут, продувая через воду воздух. Способ характеризуется повышением мощности в 10³-10⁵ раз поглощенной дозы без значительного повышения энергии электронов в пучке и обеспечивает обеззараживание и очистку сточных вод от неорганических и органических соединений, таких как фенолы, нефтепродукты, поверхностно-активные вещества. 3 з.п. ф-лы, 2 ил., 2 пр., 2 табл.

1. Способ очистки сточных вод путем обработки ее непрерывного потока импульсным электронным пучком, отличающийся тем, что обработку движущейся снизу вверх жидкости ведут встречным пучком электронов со следующими параметрами: средняя энергия электронов (300-500) кэВ, длительность импульса (20-50) нс, плотность тока в пучке (5-300) А/см², частота следования импульсов от единичных импульсов до 100 имп/с.

2. Способ очистки по п.1, отличающийся тем, что воду предварительно насыщают кислородом или кислородом в смеси с другими газами.

3. Способ по п.2, отличающийся тем, что насыщение кислородом или кислородом в смеси с другими газами ведут, формируя аэрозольный поток.

4. Способ по п.2, отличающийся тем, что насыщение кислородом или кислородом в смеси с другими газами ведут, продувая через воду воздух.