УСТРОЙСТВО И СПОСОБ ДЛЯ ОБРАБОТКИ СТОЧНЫХ ВОД Российский патент 2013 года по МПК C02F1/463 

Настоящее изобретение относится к обработке сточных вод, и в частности, к устройству и способу обработки загрязненной воды в электролизере.

Вода может быть загрязнена органическим и неорганическим веществом из разнообразных источников, включающих бытовые, муниципальные, промышленные и сельскохозяйственные источники. Загрязнения могут быть в растворе, в коллоидальном состоянии или в суспензии. Коллоиды, и в особенности отрицательно заряженные коллоиды, часто представляют собой преобладающую форму, в которой существует загрязненная вода.

Электрокоагуляция представляет собой электрохимический способ обработки воды, загрязненной разнообразными частицами, в электрокоагуляционном реакторе, имеющем катод и расходный анод. Подведение электрического тока к электродам вызывает выделение металлических катионов (обычно железа или алюминия) из расходного анода, и образование газообразного водорода на катоде. Могут образовываться другие химические частицы, которые участвуют в многообразных процессах, которые облегчают удаление загрязнений из воды.

В качестве одного пути улучшения эффективности очистки в системах с использованием электрокоагуляции было предложено применение вращающихся электродов. Например, смотри патент США 6099703 авторов Syversen и др. Вращение катода помогает обеспечить равномерное потребление расходного анода и подавляет засорение активной поверхности катода. Однако, несмотря на разработки в технологии электрокоагуляции, наиболее известные системы обработки сточных вод на основе электрокоагуляции не способны в достаточной мере очищать загрязненные воды для последующего выпуска в окружающую среду при приемлемых расходах или в объемах, необходимых для действительного промышленного внедрения проектов крупномасштабной обработки. Настоящее изобретение представляет усовершенствованное устройство и способ для большеобъемной обработки загрязненной воды.

Изобретение относится к электрокоагуляционному реактору, имеющему реакционный резервуар с впускным каналом для поступления воды, выпускным каналом для выведения воды, расходным анодом, вращающимся катодом и нерасходным анодом. Первый зазор между расходным анодом и катодом составляет первую зону обработки, которая находится ниже по потоку относительно впускного канала. Расходный анод и катод приспособлены для подведения первого напряжения в пределах первого зазора. Второй зазор между нерасходным анодом и катодом образует вторую зону обработки ниже по потоку относительно первой зоны обработки. Нерасходный анод и катод приспособлены для приложения второго напряжения в пределах второго зазора. Второе напряжение может быть меньшим, чем первое напряжение. Вода течет через реакционный резервуар по пути от впускного канала к первой зоне обработки, затем ко второй зоне обработки и затем к выпускному каналу.

Изобретение дополнительно представляет вращающийся катод для электрокоагуляционного реактора. Катод имеет активную лицевую поверхность, в основном перпендикулярную оси вращения катода. Активная лицевая поверхность имеет центр и периферию, и поверхностные конструкционные детали, которые образуют многочисленные маршруты течения воды от центра к периферии. Поверхностные конструкционные детали могут включать каналы или штифты. Вращающийся катод может быть использован в электрокоагуляционных реакторах, имеющих единичную зону обработки, и соответственно этому изобретение представляет электрокоагуляционный реактор, имеющий расходный анод, вращающийся катод и зазор между расходным анодом и катодом, составляющий первую зону обработки, причем катод имеет поверхностные конструкционные детали, которые формируют многочисленные маршруты течения воды через зазор.

Изобретение дополнительно представляет отстойник для приема потока, выходящего из электрокоагуляционного реактора. Отстойник имеет цилиндрическую боковую стенку, верхнюю стенку, коническую нижнюю стенку, первый выпускной канал в верхней стенке, соединенный с первым выпускным трубопроводом, и второй выпускной канал в нижней стенке, соединенный со вторым выпускным трубопроводом. Отстойник имеет впускной трубопровод, протяженный в отстойник, имеющий отверстие внутри отстойника, площадь поперечного сечения которого является большей, чем площадь внутреннего поперечного сечения впускного трубопровода.

Изобретение дополнительно представляет способ обработки загрязненной воды с использованием электрокоагуляционного реактора. Представлен реактор, имеющий водоприемный канал, водовыпускной канал, зазор между расходным анодом и вращающимся катодом, составляющий первую зону обработки, и зазор между вращающимся катодом и нерасходным анодом, образующий вторую зону обработки. Первое напряжение электролиза прилагают в пределах первой зоны обработки, и второе напряжение электролиза подводят в пределах второй зоны обработки. Поток воды направляют в реактор из впускного канала, через первую зону обработки, затем через вторую зону обработки, и затем через выпускной канал.

Эти и прочие признаки изобретения будут очевидными из нижеследующего описания и чертежей для предпочтительных вариантов выполнения, на которых:

Фиг.1 представляет схематический вид системы обработки согласно изобретению.

Фиг.2А представляет вертикальную проекцию, частично в разрезе, одного варианта исполнения обрабатывающего реактора системы.

Фиг.2В представляет вид поперечного сечения по линии 2В-2В из Фигуры 2А.

Фиг.3 представляет вертикальную проекцию, частично в разрезе, второго варианта исполнения обрабатывающего реактора.

Фиг.4 представляет вертикальную проекцию, частично в разрезе, третьего варианта исполнения обрабатывающего реактора.

Фиг.5 представляет вертикальную проекцию, частично в разрезе, четвертого варианта исполнения обрабатывающего реактора.

Фиг.6 представляет вертикальную проекцию, частично в разрезе, отстойника системы обработки.

Фиг.7А, 7В, 7С и 7D представляют виды сверху активной поверхности реакторного катода, показывающие примеры конструкционных деталей на нижней лицевой поверхности катода.

Примерные варианты осуществления изобретения ниже описаны и иллюстрированы на соответствующих фигурах чертежей. Эти варианты выполнения следует рассматривать скорее как иллюстративные, нежели ограничительные. В нижеприведенных описании и чертежах соответствующие и сходные детали обозначены одинаковыми кодовыми номерами позиций.

Система 20 обработки схематически иллюстрирована в Фиг.1. Загрязненная вода поступает из источника 22 через трубопровод 24 в электрокоагуляционный реактор 26, причем реактор имеет электролизер, как описанный ниже. Выходящий из реактора поток протекает через выпускной трубопровод 28 в отстойник 30. К загрязненной воде в трубопроводе 24 добавляют электролит, например, хлорид натрия из бака 36, и пероксид водорода из бака 38. К вытекающему из реактора потоку в трубопровод 28 добавляют хлопьеобразующий флокулянт из бака 40. В отстойнике 30 выходящий из реактора 26 поток разделяют на шлам, который выходит из отстойника через выпускной трубопровод 32, и очищенную воду, которая выходит из отстойника через еще один выпускной трубопровод 34. На трубопроводах 24, 32 и 34 размещают насосы 42, 44, 46, соответственно.

Загрязненная вода, которая составляет сырьевой материал для системы 20 обработки, загрязнена органическими загрязняющими примесями, неорганическими загрязняющими примесями или обоими таковыми. Сточные воды могут включать городские сточные воды, ливневую воду, стоки из фермерских хозяйств, шахтные сточные воды, производственные, ведомственные и промышленные сточные воды. Как правило, загрязненную воду подвергают некоторой обработке выше по потоку, такой как фильтрация, для удаления крупных частиц загрязнений. Например, в случае городских сточных вод загрязненную воду подвергают первичной обработке, такой как фильтрация, осаждение и удаление песка и гравия, перед введением ее в систему 20 обработки.

Реактор 26, показанный на Фиг.2А и 2В, имеет корпус 48, который в основном является цилиндрическим, с круговой боковой стенкой 50 и плоской нижней стенкой 52, и с конической верхней стенкой 54. Корпус 48 опирается на основание 56. Корпус изготавливают из электрически непроводящего материала, например, полимера, армированного стекловолокном. Нижняя стенка 52 реактора имеет впускной канал 58 для поступления загрязненной воды из впускного трубопровода 24. Верхняя стенка 54 имеет выпускной канал 60 для выведения потока, выходящего из реактора 26. Выпускной трубопровод 28 проходит в корпус 48 через выпускной канал 60 и имеет отверстие 62 на своем внутреннем конце.

Реактор 26 имеет расходный анод 64, нерасходный анод 66 и вращающийся катод 68. Расходный анод 64 и вращающийся катод разделены зазором 70. Расходный анод 64 присоединен к нижней стенке 52 реактора и не вращается. Он имеет вертикальное отверстие 72 в своем центре, расположенное соосно с впускным отверстием 58. Расходный анод 64 включает металл с высокой валентностью, такой как железо или алюминий.

Нерасходный анод 66 имеет цилиндрическую форму и присоединен к внутренней стороне боковой стенки 50 корпуса 48. Он зафиксирован в своем положении и не вращается. Он включает подходящий металл с низкой валентностью, например, нержавеющую сталь или титан, или керамический материал, и на него может быть нанесено покрытие, которое увеличивает площадь его активной поверхности, например, TiO₂. TiO₂ имеет высокую стойкость к химическим реагентам и устойчивость к окислению, и является в особенности пригодным. Нерасходный анод 66 отделен от катода 68 зазором 74. Он также отделен от расходного анода 64; этот промежуток упрощает периодическое извлечение и замену расходного анода, а также позволяет подводить к двум анодам различные электрические потенциалы.

Катод 68 представляет собой замкнутую цилиндрическую конструкцию, имеющую круговую боковую стенку 76, нижнюю стенку 78 и верхнюю стенку 80. Катод изготавливают из подходящего металла с низкой валентностью, например, нержавеющей стали или титана, или керамического материала. Активная поверхность катода, а именно наружная поверхность 79 нижней стенки 78, и наружная поверхность боковой стенки 76, могут быть покрыты слоем TiO₂. Это покрытие стимулирует образование пероксида водорода из водорода и кислорода, генерируемых во время электролиза в реакторе.

На наружной поверхности 79 нижней стенки 78 катода могут быть предусмотрены выемки 82, которые действуют как каналы для увеличения скорости течения воды, которая перемещается радиально наружу в зазор 70. Выемки также направляют радиально наружу газовые пузырьки, образующиеся при реакции электролиза, вместе с загрязнениями, которые поглощаются пузырьками. Как показано в Фиг.7А, В и С, выемкам могут быть приданы разнообразные формы, в том числе прямолинейных каналов, сужающихся каналов и спиралей.

На фиг.7А показаны каналы 82, которые простираются от центра 83 до периферии 85 наружной поверхности нижней стенки 78 катода 68 в форме спирали. Каналы разделены выпуклыми площадками 87. Альтернативно, каналы 82 могут быть проложены прямолинейно от середины катода до его периферии без искривления, и могут быть сужающимися, как иллюстрировано в Фиг.7В, или несужающимися, как иллюстрировано в Фиг.7С. Может быть создано различное число каналов, например, от трех каналов до семи каналов. Они могут иметь глубину около половины дюйма (13 мм). Глубина, форма и число каналов могут быть выбраны так, чтобы оптимизировать скорость течения и межэлектродное расстояние для конкретного варианта применения.

На лицевой поверхности катода могут быть предусмотрены иные поверхностные конструкционные детали, нежели каналы, для создания специальных характеристик течения. Фиг.7D показывает лицевую поверхность катода, имеющую многочисленные выступающие вверх штифты 89. Штифты создают беспорядочные маршруты 91 течения между ними для перемещения воды в зазор от центра к периферии лицевой поверхности электрода. Штифты могут быть, например, около одного дюйма (25 мм) в диаметре и с высотой 3/16 дюйма (4,8 мм), и сделаны из нержавеющей стали.

Будет понятно, что каналы или штифты, как конструкционные особенности на лицевой поверхности вращающегося катода, могут быть выгодно использованы в иных электрокоагуляционных реакторах, нежели описываемые здесь реакторы, в том числе в прототипных реакторах типа, имеющего вращающийся катод, отделенный от расходного анода.

Катод 68 для вращения монтируют на валу 84, который соединен с двигателем или иным подходящим приводным устройством (не показано). Вращение катода уменьшает пассивирование активной поверхности катода. Вал 84 заключен в уплотнительный узел 95 с вкладышем, где вал 84 проходит через верхнюю стенку 54 корпуса 48. Вал 84 дополнительно связан с подходящим приводным устройством (не показано) для регулирования вертикального положения катода. Возможность такого регулирования положения катода позволяет корректировать расстояние в пределах зазора 70 во время работы реактора, чтобы оптимизировать условия электролиза сырьевого материала. Например, регулировка величины зазора может потребоваться при изменении мутности подводимого сырья. Вертикальной регулировкой можно управлять вручную или с помощью датчиков, например, сенсоров, которые отслеживают величину электрического тока в пределах зазора 70.

В электрокоагуляционном реакторе промышленного масштаба катод 68 может иметь диаметр от около 4 до 6 футов (от 1,2 до 1,8 м), нижнюю стенку с толщиной 3/4 дюйма (19 мм), и боковую стенку с толщиной 1/4 дюйма (6,4 мм). Величина зазора 70 может варьировать в диапазоне от 1/8 до 1/2 дюйма (от 3,2 до 13 мм), и величина зазора 74 в диапазоне от 1/8 до 3/8 дюйма (от 3,2 до 9,5 мм). Скорость вращения катода может быть в диапазоне от 20 до 170 об/мин, и величина расхода потока сточных вод через реактор в диапазоне от 25 до 200 английских галлонов (от 114 до 909 л) в минуту. В соответствии с изобретением также могут быть сделаны гораздо более габаритные электрокоагуляционные реакторы, имеющие более высокую производительность.

Электрическая мощность, подводимая к катоду 68, расходному аноду 64 и нерасходному аноду 66, может представлять собой постоянный ток (DC), пульсирующий постоянный ток или высокочастотный переменный ток (АС). Источники питания (не показаны) соединены с основанием расходного анода 64 на клемме 65, с нерасходным анодом 66 через клемму 69, и с валом 84 катода через клемму 67, причем вал является электропроводным. Нерасходный анод 66 обычно поддерживают при более низком напряжении, чем расходный анод 64, и он имеет свой собственный источник питания, хотя для некоторых сырьевых материалов его можно поддерживать при таком же напряжении или более высоком напряжении. Выбор типа используемой электрической мощности зависит от сырьевого материала и природы загрязнений. Например, если сырьевой материал имеет высокое содержание органических загрязнений, то предпочтительным выбором может быть постоянный (DC) ток для расходного анода и высокочастотный переменный (AC) ток для нерасходного анода; или если сырьевой материал является таким, который требует более низкого содержания ионов железа в растворе, то может быть выбран пульсирующий постоянный ток для расходного анода и высокочастотный переменный ток для нерасходного анода. Типичные величины напряжения/силы тока составляют около 6,5 В при 900 А и 7,5 В при 3000 А.

Перед обработкой в реакторе 26 к загрязненной воде может быть добавлен электролит, такой как хлорид натрия, для повышения ее электропроводности. Кроме того, к сырьевому материалу необязательно может быть добавлен пероксид водорода. В основном пероксид водорода полезен там, где загрязнения являются органическими, и более высокий уровень содержания пероксида водорода может быть использован для более высоких уровней органических загрязнений. При необходимости также может быть скорректировано значение рН загрязненной воды перед поступлением в реактор, причем предпочтителен интервал величин рН от около 3,5 до 7.

Загрязненная вода поступает в реактор 26 через впускной канал 58, через отверстие 72 в расходном аноде 64 и радиально наружу в зазор 70 между активной поверхностью 86 анода 64 и нижней поверхностью вращающегося катода 68. В этом промежутке, который представляет собой первую реакционную зону реактора 26, в раствор переходят катионы железа по мере расходования активной поверхности расходного анода, протекают химические реакции, и загрязнения претерпевают электрокоагуляцию. Из первой реакционной зоны загрязненная вода поступает в зазор 74 между нерасходным анодом 66 и боковой стенкой 76 катода. Как предполагают, в этом промежутке, который представляет собой вторую реакционную зону реактора 26, происходит дальнейшее окисление загрязнений посредством разнообразных реакций, включающих реакцию Фентона, в которой участвуют как ионы двухвалентного железа (Fe²⁺), так и пероксид водорода, приводя к образованию гидроксильных радикалов как окислителей.

Загрязненная вода вытекает из второй реакционной зоны в пространство 88 между верхней стенкой 80 катода и верхней стенкой 54 корпуса. Затем она перетекает в отверстие 62 выпускного трубопровода и выходит из реактора.

После обработки загрязненной воды в реакторе, обусловливающей коагуляцию твердых веществ и окисление загрязнений, в том числе бактериальных загрязнений, выходящий поток обрабатывают для отделения коагулированных твердых веществ от воды. Для выполнения этого разделения могут быть применены разнообразные типы обработок ниже по потоку, например, система пневматической флотации диспергированным воздухом, или разделительный бак со скребком для удаления твердых примесей. В предпочтительном варианте осуществления изобретения выходящий из реактора 26 поток направляют в отстойник 30, показанный в Фиг.6.

До того, как выходящий поток попадет в отстойник, в выходящий через трубопровод 28 поток подают флокулянт из бака 40. Тип и концентрация применяемого флокулянта зависят от конкретных сточных вод как сырьевого материала.

Внутри отстойника 30 трубопровод 28 имеет выходное отверстие 90, которое ориентировано вверх и имеет больший диаметр, чем диаметр внутренней части трубопровода 28. Этим сокращают величину расхода поступающего в отстойник эффлюента в расчете на единицу площади отверстия 90 для снижения турбулентности.

Отстойник 30 имеет корпус в основном в виде цилиндрического бака с конической верхней стенкой 92 и конической нижней стенкой 93. Объем отстойника, относительно скорости поступления выходящего из реактора потока, является достаточным, чтобы продолжительность пребывания в отстойнике была надлежащей для достижения отделения твердых веществ от воды. Например, продолжительность пребывания может составлять от около 5 до 8 минут. Верхняя стенка 92 в месте ее сочленения с цилиндрической боковой стенкой 94 образует угол, который составляет около 60º (относительно горизонтали). Отстойник опирается на стойки 96. На нижнем конце отстойника имеется выпускной канал 98, соединенный с трубопроводом 34 для выпуска эффлюента. Трубопровод снабжен насосом 46 для эффлюента. На верхнем конце отстойника находится выпускной канал 100, соединенный с трубопроводом 32 для выпуска шлама. Трубопровод 32 оснащен шламовым насосом 44. В верхней стенке 92 отстойника размещают пару отстоящих друг от друга по вертикали датчиков 102 уровня для детектирования уровня воды и шлама. Насос 46 для эффлюента регулирует уровень воды по выходным сигналам от этих датчиков.

Насосы 44, 46 действуют так, чтобы создавать частичное разрежение внутри отстойника, например, с давлением в диапазоне от 5 до 25 кПа. С помощью трубопровода 28, соединяющего реактор 26 с отстойником 30, это частичное разрежение также распространяется на всю реакторную систему. Как представляется, процесс обработки в реакторной системе интенсифицируется при таком частичном вакуумировании.

Частичное разрежение внутри отстойника стимулирует разделение преобразованных в хлопья твердых примесей, которые всплывают к верхней части отстойника, и воды, которая опускается ко дну отстойника. Твердые примеси включают шлам, который выходит из верха бака через выпускной канал 100 и откачивается шламовым насосом 44 через выпускной трубопровод 32. Очищенная вода, отделенная от шлама, выходит из дна бака через выпускной канал 98 и откачивается насосом 46 для эффлюента через выпускной трубопровод 34. Очищенная вода может быть выпущена в окружающую среду, или перед выпуском подвергнута дополнительной обработке, например, корректировке значения рН. Часть очищенной воды, выходящей через выпускной трубопровод 34, может быть вовлечена в рециркуляцию через рециркуляционный трубопровод (не показан) во впускной трубопровод 24 реактора для дополнительной обработки в системе 20.

В альтернативном режиме работы отстойника 30, скорее коагулянт, нежели флокулянт, подают в выходящий из реактора поток в трубопроводе 28 перед поступлением эффлюента в отстойник. Коагулянт вызывает скорее погружение отделяемых твердых веществ на дно отстойника, нежели всплывание наверх (как это происходит с флокулянтом). Этот режим работы может быть использован, когда обрабатываемые сырьевые материалы имеют загрязнения с отрицательной естественной плавучестью, например, тяжелые металлы. Соответственно этому, верхний выпускной трубопровод 32 удаляет очищенную воду из отстойника, и нижний выпускной трубопровод 34 выводит шлам. Насосы 44 и 46 переключают таким образом, чтобы верхний выпускной трубопровод 32 имел насос для эффлюента, и нижний выпускной трубопровод 34 имел шламовый насос; и датчики 102 уровня перемещают на нижнюю стенку 93. Отверстие 90 трубопровода 28 может быть направлено вниз.

Будет понятно, что отстойник 30 (скомпонованный для действия в одном из двух режимов работы) может быть присоединен для приема потока, выходящего из электрокоагуляционного реактора других типов, например, прототипных реакторов.

Система для обработки может действовать под управлением программируемого логического компьютера (PLC), с надлежащими устройствами для измерения и регулирования потоков текучих сред через установку, электрического тока через межэлектродные зазоры, электропроводности и величины рН сырьевого материала, скоростей вращения насосов, уровней текучих сред в отстойнике и так далее. Процесс должен функционировать так, чтобы производить очищенную выходящую воду, отвечающую требованиям для конкретного варианта применения.

В еще одном варианте 126 исполнения реактора, иллюстрированном на Фиг.3, нерасходный анод позиционируют горизонтально над катодом, и он может перемещаться вертикально сообразно тому, как катод передвигают для корректирования зазора между ним и расходным анодом. В остальном реактор 126 является таким же, как реактор 26. Более конкретно, реактор 126 имеет вращающийся катод 168, который составлен плоской пластиной, и нерасходный анод 164, который сформирован в виде плоской пластины, отделенной от верхней поверхности 180 катода 168 зазором 174. Нерасходный анод 164 не вращается и поддерживается несущими конструкциями 104, зафиксированными на буртике с подшипниковой опорой 106. Буртик и подшипниковая опора 106 обеспечивают возможность вращения вала катода относительно нерасходного анода 164, который сохраняет фиксированное по вертикали положение на валу 84, чтобы нерасходный анод 164 (и буртик с подшипниковой опорой 106) перемещался вертикально вместе с катодом. Буртик и подшипниковая опора 106 электрически изолированы от вала 84 катода. Уплотнение 108 охватывает периметр нерасходного анода и примыкает к боковой стенке 50 корпуса реактора, препятствуя течению воды между ними. Активная поверхность 86 расходного анода 64 отделена от нижней стороны катода зазором 70, причем этот зазор составляет первую зону обработки реактора 126, и зазор 174 составляет вторую зону обработки. Зоны обработки функционируют в режиме, описанном выше для двух зон обработки реактора 26 в первом варианте исполнения. Как показано обозначающими направление стрелками на Фиг.3, сточные воды поступают в реактор через впускной канал 58, протекают через отверстие 72 в расходном аноде 64 и в первый зазор 70. Затем они протекают радиально наружу в зазор 70, вдоль периферийной кромки 176 катода и во второй зазор 174. Затем через центральное отверстие 114 в нерасходном аноде 164 они протекают в пространство между верхней стенкой 54 корпуса 48 и нерасходным анодом 164, и затем наружу через трубопровод 28 для эффлюента.

Третий вариант 127 исполнения реактора, иллюстрированный на Фиг.4, по существу является таким же, как реактор 126 на Фиг.3, за исключением расположения буртика и подшипниковой опоры, которые находятся снаружи реактора, и несущих конструкций, которые соединяют нерасходный анод 164 с буртиком и подшипниковой опорой. В реакторе 127 буртик и подшипниковая опора 106 находятся на валу 84 катода 168 снаружи корпуса 48 реактора и над ним. Узел 106 имеет пару горизонтальных несущих конструкций 128 и пару вертикальных несущих конструкций 130, соединяющих нерасходный анод 164 с соответствующей горизонтальной несущей конструкцией. Вертикальные несущие конструкции 130 проходят сквозь каналы в верхней стенке 54 корпуса реактора, и вокруг несущей конструкции 130 в каждом канале вставлено гидравлическое уплотнение 132.

В четвертом варианте 226 исполнения реактора, показанном на Фиг.5, впускной канал для сточных вод пропущен скорее через вращающийся катод, нежели через расходный анод. Реактор имеет расходный анод 264, закрепленный на нижней стенке 52 корпуса 48 реактора, вращающийся катод 268, отделенный от верхней, активной поверхности 286 расходного анода 264 зазором 70, и цилиндрический нерасходный анод 66, присоединенный к внутренней стороне боковой стенки 50 корпуса 48 реактора, причем нерасходный анод отделен от катода 268 зазором 74. Несущий вал 84 катода имеет отверстие 110 в нем, и подшипниковый и уплотнительный узел 112, соединенный с впускным трубопроводом 24 для сточных вод, обеспечивая протекание сточных вод в отверстие 110 и наружу через отверстие 114 в нижней стенке 78 катода и в зазор 70. Сточные воды в этом варианте исполнения реактора протекают радиально наружу через зазор 70, который составляет первую зону обработки, через зазор 74, который составляет вторую зону обработки, и в пространство между верхней стенкой 54 корпуса 48 и верхней стенкой 80 катода, и затем наружу через трубопровод 28 для выходящего потока.

Пятый вариант исполнения реактора, в чертежах отдельно не иллюстрированный, является таким же по конструкции, как реактор 26, показанный на Фиг.2А, за исключением того, что он не включает нерасходный анод или вторую зону обработки (или электрическую клемму 69). Единичная зона обработки определяется зазором 70 между верхней поверхностью 86 расходного анода 64 и нижней поверхностью 79 вращающегося катода 68. Маршрут течения воды в реактор проходит через отверстие 72 в расходном аноде 64 в зазор 70, затем через зазор 70 и вокруг периферии катода в пространство 88 над катодом, и затем наружу через трубопровод 28 для выходящего потока. Нижняя лицевая поверхность 79 катода 68 реактора имеет поверхностные конструкционные детали, как описано выше и показано на Фиг.7, а именно выемки 82 или выступающие вверх штифты 89, для создания особенных характеристик течения воды в зазоре 70.

Примеры

Образцы сточных вод были обработаны в устройстве лабораторного масштаба в соответствии с изобретением. Были проведены разнообразные измерения загрязнений/параметров сырьевого материала и выходящего потока, и, в некоторых случаях, шлама. Результаты обобщены ниже.

Пример 1

Обрабатывали образец городских сточных вод. Биохимическая потребность в кислороде (BOD, БПК) в отношении углеродсодержащих соединений в сточных водах составляла 169 мг/л, и в выходящем потоке была 20 мг/л. Общее содержание взвешенных твердых примесей в выходящем потоке было на уровне 8 мг/л. Содержание фекальных бактерий кишечной группы в эффлюенте было меньше около 1 колонии на 100 мл, то есть на пределе обнаружения в испытании.

Пример 2

Обрабатывали еще один образец городских сточных вод. Результаты испытания изложены в Таблице 1.

Таблица 1 Испытание Сырьевой
материал Выходящий
поток Шлам Железа (мг/л) 0,15 - 3 Общее содержание твердых
веществ (мг/л) 180 16 - Общая биохимическая потреб-ность в кислороде (мг/л) 270 40 - Фекальные бактерии кишечной группы (колоний/100 мл) 3 миллиона <100 2,4 миллиона Обозначение «-» показывает, что параметр не измеряли.

Пример 3

Обработали пять 5-галлонных (22,75 л) образцов подземной шахтной воды. Проводили измерения уровня содержания разнообразных элементов в сырьевом материале и в обработанном эффлюенте, и, для Образцов 4 и 5, в шламе. Результаты испытания показаны в Таблицах 2 и 3. В немногих случаях содержание металлов возрастало, например, для железа, марганца и натрия. Это обусловлено внесением этих элементов из расходного анода или введением химикатов во время процесса обработки.

Таблица 2 Элемент Образец № 1 Образец № 2 Образец № 3   Сырьевой
материал Выходящий поток Сырьевой
материал Выходящий
поток Сырьевой
материал Выходящий
Поток Алюминий 11 0,6 22 0,7 10 3 Барий 0,2 0,08 0,34 0,06 0,16 0,07 Бор 0,5 0,3 0,5 0,2 0,3 0,4 Кальций 1150 925 1300 928 916 667 Кобальт 1,5 0,6 2,1 0,5 1,3 0,4 Медь 35,1 1,2 80,2 1,2 34,9 7,6 Железо 114 26,3 279 26,5 91,4 138 Магний 74 57,3 88 56,6 63 40 Марганец 2,45 3,81 2,96 3,32 2,13 2,97 Молибден 0,4 0,2 0,4 0,2 0,4 0,4 Никель 48,7 22,5 59,1 16,2 43,8 13,1 Калий 86 74 95 74 72 46 Кремний 39 2,9 45 2,2 35 10 Натрий 475 549 509 402 392 318 Стронций 17,7 14,6 19,1 14,6 14,4 9,78 Титан 0,6 0,05 1,6 0,05 0,6 0,1 Цинк 1,8 0,38 2,8 0,25 0,5 0,7 Измерения проведены в мг/л.

Таблица 3 Элемент Образец № 4 Образец № 5   Сырьевой
материал Выходящий
Поток Шлам Сырьевой
материал Выходящий
поток Шлам Алюминий 2,6 0,01 3910 0,5 <0.01 358 Барий 0,16 0,045 18 0,16 0,147 36 Бор <0,1 0,028 <10 0,1 0,114 18 Кальций 278 229 13000 1020 815 42100 Хром <0,1 <0,001 90 <0,1 <0,001 30 Кобальт 0,2 0,083 163 0,2 0,0224 236 Медь 2,2 0,029 5730 <0,2 0,0318 1030 Железо 0,4 1070 407000 0,4 10,4 384000 Свинец <0,3 <0,0002 103 <0,3 0,0005 71 Магний 35,9 21,4 1720 99,9 87,1 4780 Марганец 1,14 1,28 2900 1,43 1,11 1360 Молибден <0,2 0,0008 <20 <0,2 0,0061 <20 Никель 8,8 2,95 6090 10,1 0,968 10200 Калий 21 18,2 773 <1,5 64,6 2550 Кремний 7,2 0,7 2260 70 0,9 387 Натрий 151 370 13700 484 421 17600 Стронций 0,96 0,923 65 13,6 12,3 690 Титан <0,5 <0,02 14 <0,05 <0,02 14 Цинк 0,42 0,021 566 0,3 0,008 510 Измерения проведены в мг/л.

Список кодовых номеров позиций в чертежах

20 Система для обработки

22 Источник загрязненной воды

24 Трубопровод в реактор

26 Реактор

28 Трубопровод в отстойник

30 Отстойник

32 Выпускной трубопровод для шлама

34 Выпускной трубопровод для эффлюента

36 Солевой бак

38 Бак с пероксидом водорода

40 Бак с флокулянтом

42 Насос для сырьевого материала

44 Шламовый насос

46 Насос для эффлюента

48 Корпус реактора

50 Боковая стенка корпуса

52 Нижняя стенка корпуса

54 Верхняя стенка корпуса

56 Основание реактора

58 Впускной канал реактора

60 Выпускной канал реактора

62 Отверстие в трубопроводе 28

64 Расходный анод

65 Клемма на расходном аноде

66 Нерасходный анод

67 Клемма на катоде

68 Катод

69 Клемма на нерасходном аноде

70 Первый зазор

72 Отверстие в расходном аноде

74 Второй зазор

76 Боковая стенка катода

78 Нижняя стенка катода

79 Нижняя поверхность катода

80 Верхняя стенка катода

82 Выемки в катоде

83 Центр катода

84 Вал катода

85 Периферия катода

86 Активная поверхность расходного анода

87 Выступающие площадки на лицевой поверхности катода

88 Пространство выше катода

89 Штифты на лицевой поверхности катода

90 Впускной канал в отстойник

91 Маршруты течения воды

92 Верхняя стенка отстойника

93 Нижняя стенка отстойника

94 Боковая стенка отстойника

95 Вкладыш и уплотняющий узел

96 Стойки отстойника

98 Выпускной канал для эффлюента

100 Выпускной канал для шлама

102 Датчики уровня

104 Несущие конструкции

106 Изолированный буртик и подшипниковая опора

108 Уплотнение на аноде 164

110 Отверстие в валу катода

112 Подшипниковый и уплотнительный узел

114 Центральное отверстие в валу 84 катода

126 Второй вариант исполнения реактора

127 Третий вариант исполнения реактора

128 Горизонтальные несущие конструкции

130 Вертикальные несущие конструкции

132 Уплотнение на вертикальных несущих конструкциях

164 Нерасходный анод

168 Катод

174 Второй зазор

176 Периферия катода

226 Четвертый вариант исполнения реактора

264 Расходный анод

268 Катод

286 Активная поверхность расходного анода.

Хотя изобретение было описано в отношении разнообразных вариантов осуществления, не предполагается, что изобретение ограничивается этими вариантами осуществления. Квалифицированным специалистам в этой области технологии будут очевидны разнообразные модификации в пределах изобретения. Область изобретения определяется нижеследующими пунктами патентной формулы.

Изобретение относится к способу и устройству обработки загрязненной воды в электролизере. Устройство для обработки загрязненной воды имеет электрокоагуляционный реактор (26) и отстойник для приема потока, выходящего из реактора. Реактор имеет реакционный резервуар (48), имеющий впускной канал (58) и выпускной канал (62), расходный анод (64), вращающийся катод (68) и нерасходный анод (66). Первый зазор (70) между расходным анодом и катодом составляет первую зону обработки воды. Второй зазор (74) между катодом и нерасходным анодом составляет вторую зону обработки воды. Маршрут течения воды проходит от впускного канала к первой зоне обработки, затем ко второй зоне обработки и затем к выпускному каналу. В отстойнике выходящий из реактора поток разделяют на очищенную воду и загрязненный шлам. Технический результат - повышение эффективности очистки воды. 3 н. и 44 з.п. ф-лы, 11 ил., 3 табл., 3 пр.

1. Устройство для обработки загрязненной воды, содержащее:
(а) электрокоагуляционный реактор, включающий:
(i) реакционный резервуар, имеющий впускной канал для поступления воды и выпускной канал для выведения воды из реакционного резервуара;
(ii) расходный анод;
(iii) вращающийся катод;
(iv) нерасходный анод;
(v) первый зазор между расходным анодом и катодом, причем первый зазор образует первую зону обработки ниже по потоку относительно впускного канала, причем расходный анод и катод выполнены с возможностью приложения первого напряжения в пределах первого зазора;
(vi) второй зазор между нерасходным анодом и катодом, причем второй зазор образует вторую зону обработки ниже по потоку относительно первой зоны обработки, причем нерасходный анод и катод выполнены с возможностью приложения второго напряжения в пределах второго зазора, в соответствии с чем маршрут течения воды через реакционный резервуар проходит от впускного канала до первой зоны обработки, затем ко второй зоне обработки и затем к выпускному каналу.

2. Устройство по п.1, в котором реакционный резервуар выполнен цилиндрическим с круговой боковой стенкой, нижней стенкой и верхней стенкой.

3. Устройство по п.2, в котором верхняя стенка выполнена конической.

4. Устройство по п.2 или 3, в котором впускной канал проходит через нижнюю стенку реакционного резервуара.

5. Устройство по п.1, в котором расходный анод имеет отверстие сквозь него для течения воды из впускного канала к первой зоне обработки.

6. Устройство по п.2, в котором нерасходный анод выполнен цилиндрическим и смежным с круговой боковой стенкой.

7. Устройство по п.1, в котором катод выполнен с возможностью вращения вокруг, по существу, вертикальной оси.

8. Устройство по п.1, в котором катод выполнен цилиндрическим с нижней стенкой, верхней стенкой и круговой боковой стенкой.

9. Устройство по п.1, в котором первый зазор расположен между верхней поверхностью расходного анода и нижней поверхностью катода.

10. Устройство по п.8, в котором второй зазор расположен между круговой боковой стенкой катода и нерасходным анодом.

11. Устройство по п.2, в котором выпускной канал выполнен в верхней стенке реакционного резервуара.

12. Устройство по п.1, в котором катод представляет собой круглый диск, имеющий нижнюю поверхность, верхнюю поверхность и периферическую поверхность.

13. Устройство по п.2, в котором нерасходный анод представляет собой диск, имеющий верхнюю поверхность и нижнюю поверхность, причем нерасходный анод расположен между круговыми боковыми стенками реакционного резервуара и имеет отверстие в нем для протекания воды.

14. Устройство по п.1, в котором вторая реакционная зона расположена между верхней поверхностью катода и нижней поверхностью нерасходного анода.

15. Устройство по п.1, в котором катод выполнен подвижным в направлении, параллельном его оси вращения.

16. Устройство по п.1 или 13, в котором нерасходный анод выполнен подвижным в направлении, параллельном оси вращения катода.

17. Устройство по п.1, в котором катод имеет вал, причем вал с возможностью вращения соединен с нерасходным анодом.

18. Устройство по п.17, в котором вал катода с возможностью вращения соединен с нерасходным анодом с помощью соединительного узла, размещенного внутри реакционного резервуара.

19. Устройство по п.17, в котором вал катода с возможностью вращения соединен с нерасходным анодом с помощью соединительного узла, размещенного снаружи реакционного резервуара.

20. Устройство по любому из пп.1-3, в котором катод выполнен с возможностью вращения на валу, причем катод и вал имеют отверстие в них для протекания воды в первую зону обработки.

21. Устройство по п.1, в котором расходный анод выполнен не вращающимся.

22. Устройство по п.1 или 21, в котором нерасходный анод выполнен не вращающимся.

23. Устройство по п.1, дополнительно содержащее источник питания для подведения первого напряжения и второго напряжения.

24. Устройство по п.1, дополнительно содержащее сепаратор для приема потока, выходящего из выпускного канала электрокоагуляционного реактора, для отделения твердых веществ от чистой воды.

25. Устройство по п.1, в котором первое напряжение является более высоким, чем второе напряжение.

26. Устройство по п.1, в котором первое напряжение равно второму напряжению.

27. Устройство по п.1, в котором первое напряжение является меньшим, чем второе напряжение.

28. Устройство по п.1, в котором вращающийся катод имеет активную лицевую поверхность, по существу, перпендикулярную оси вращения катода, причем активная лицевая поверхность имеет центр и периферию, причем активная лицевая поверхность имеет поверхностные конструкционные детали, которые формируют многочисленные маршруты течения воды от центра к периферии.

29. Устройство по п.28, в котором поверхностные конструкционные детали выполнены с каналами.

30. Устройство по п.1, в котором по меньшей мере часть нерасходного анода покрыта TiO₂.

31. Устройство по п.1, в котором по меньшей мере часть катода покрыта TiO₂.

32. Устройство по п.1, в котором реакционный резервуар изолирован от атмосферы.

33. Электрокоагуляционный реактор для обработки загрязненной воды, содержащий:
(a) реакционный резервуар, имеющий впускной канал для поступления воды и выпускной канал для выведения воды;
(b) расходный анод;
(c) вращающийся катод, имеющий активную лицевую поверхность;
(d) зазор между расходным анодом и активной лицевой поверхностью катода, причем зазор образует зону обработки ниже по потоку относительно впускного канала, причем анод и катод выполнены с возможностью приложения напряжения в пределах зазора, причем активная лицевая поверхность катода имеет центр и периферию, и многочисленные каналы со стенками, протяженные поперек активной лицевой поверхности катода от центра к периферии.

34. Реактор по п.33, в котором каналы выполнены прямолинейными.

35. Реактор по п.33, в котором каналы выполнены изогнутыми.

36. Реактор по п.33, в котором каналы выполнены сужающимися.

37. Реактор по п.33, в котором каналы выполнены несужающимися.

38. Реактор по п.33, в котором каналы имеют спиральную форму.

39. Реактор по п.33, в котором реакционный резервуар изолирован от атмосферы.

40. Способ обработки загрязненной воды, включающий стадии, на которых:
(a) создают электрокоагуляционный реактор, имеющий водоприемный канал, водовыпускной канал, зазор между расходным анодом и вращающимся катодом, образующий первую зону обработки, и зазор между вращающимся катодом и нерасходным анодом, образующий вторую зону обработки;
(b) подводят первое напряжение электролиза в пределах первой зоны обработки и второе напряжение электролиза в пределах второй зоны обработки; и
(c) направляют воду из впускного канала через первую зону обработки, затем через вторую зону обработки и затем через выпускной канал.

41. Способ по п.40, дополнительно включающий стадию, на которой добавляют электролит к обрабатываемой воде.

42. Способ по п.40, дополнительно включающий стадию, на которой добавляют пероксид водорода к обрабатываемой воде.

43. Способ по п.40, дополнительно включающий стадию, на которой добавляют флокулянт или коагулянт к воде, выходящей из выпускного канала реактора.

44. Способ по п.40, дополнительно включающий стадию, на которой корректируют положение катода для достижения желательного расстояния в пределах первого зазора.

45. Способ по п.40, дополнительно включающий стадию, на которой пропускают поток, выходящий из электрокоагуляционного реактора, через сепаратор и отделяют твердые вещества от очищенной воды.

46. Способ по п.45, в котором сепаратор представляет собой отстойник, функционально связанный с насосом для выведения твердых веществ и с насосом для выведения воды.

47. Способ по п.46, дополнительно включающий стадию, на которой насос для выведения твердых веществ и насос для выведения воды действуют таким образом, чтобы создавать частичное разрежение в отстойнике и в линии обрабатывающего оборудования.