СПОСОБ ОБРАБОТКИ И ОБЕЗВРЕЖИВАНИЯ СТОЧНЫХ ВОД И ИХ ОСАДКОВ, И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ СПОСОБА Российский патент 2019 года по МПК C02F1/30 

Группа изобретений относится к обработке и обезвреживанию бытовых, производственных и сельскохозяйственных сточных вод и их осадков, и может быть использована для канализационных очистных сооружений малой и средней производительности, например, обработки стоков от небольших поселков, отдельных предприятий пищевой промышленности, животноводческих комплексов.

Воздействие электромагнитного излучения (далее - ЭМИ) на водные системы описано в работах Классена В.И. [Классен В.И. Омагничивание водных систем. М.: Химия, 1978, 240 с.], Исмаилова Э.Ш. [Исмаилов Э.Ш. Биофизическое действие СВЧ-излучений. М.: Энергоатомиздат, 1987, 143 с.]. Многочисленными исследованиями установлено, что электромагнитная обработка приводит к изменению следующих свойств водных систем: резко снижается поверхностное натяжения раствора (на 10-13%); улучшаются растворения в омагниченной воде карбонатов кальция и магния, различных органических соединений; увеличивается концентрация кислорода в воде; возрастает скорость образования кристаллов; уменьшается смачивание любой поверхности; ускоряется коагуляция и повышается скорость испарения.

Биофизическое действие ЭМИ связано с ионизацией молекул вещества и образованием возбужденных частиц, которые вступают во взаимодействие между собой и другими молекулами или распадаются с образованием свободных радикалов. Эти процессы вызывают снижение активности ферментов, нарушение структуры, функции нуклеиновых кислот и биологических мембран, а также другие повреждения клеток и субклеточных структур [Исмаилов Э.Ш. Биофизическое действие СВЧ-излучений. М.: Энергоатомиздат, 1987, с. 86]. Среди всего спектра ЭМИ радиоволнового диапазона выраженным биологическим действием обладает сверхвысокочастотное электромагнитное поле или микроволны (бактерицидный эффект).

Пространственная структура осадков сточных вод является коллоидной системой, включающей мелкодисперсные твердые частицы. Суммарный отрицательный электрический заряд на поверхности коллоидных частиц вызывает взаимное отталкивание, и, как следствие, осадки не поддаются осаждению и фильтрации.

Обработка сверхвысокочастотным (далее - СВЧ) ЭМИ осадков сточных вод приводит к образованию диссоциированных молекул и свободных радикалов, возникновению электрических зарядов, возникают условия смещения равновесия коллоидных систем, и, как следствие, улучшение влагоотдающих свойств осадков. За счет объемного повышения температуры осадка увеличивается испарение влаги, что приводит к уменьшению его объема. За счет повышения активности кислорода активизируются окислительные процессы (разложение органики). При этом полезным побочным эффектом является деструкция клетчатки, снижение активности ферментов клетки микроорганизмов, происходит дезинфекция и уничтожение яиц гельминтов, патогенных бактерий, что существенно расширяет возможность повторного использования осадков (например, в качестве удобрения).

Известен способ обеззараживания жидкой среды, который включает обработку по крайней мере одним постоянным магнитным полем потока жидкой среды, скорость потока жидкости устанавливают равной 0,1-10 м/с, а постоянное магнитное поле создают с вектором магнитной индукции, направленным перпендикулярно потоку жидкой среды и имеющим величину, большую 0,02 Тл [RU 2126772 C1, C02F 1/48, опубл. 27.02.1999].

Известен способ антибактериальной обработки потока жидкой среды и устройство для его осуществления [RU 2376247 С2, C02F 1/48, опубл. 20.12.2009]. Способ антибактериальной обработки жидкости включает воздействие магнитным и электрическим полями на закрученный поток жидкости и создание градиента концентрации ионов, электрическое поле индуцируют магнитным полем, вектор магнитной индукции которого перпендикулярен вектору скорости закрученного потока жидкости, при этом повышают концентрацию ионов гидроксония и клеток бактерий в локальном объеме жидкости. Устройство для антибактериальной обработки жидкости включает цилиндрическую и коническую части, тангенциальный входной патрубок, соединенный с цилиндрической частью, и магниты, при этом устройство снабжено кольцами, установленными с зазором друг к другу в конической части, магниты прикреплены к кольцам, при этом магниты на рядом расположенных кольцах разнополярны и создают в жидкости, движущейся в зазорах, индуцируемое электрическое поле.

Недостатками вышеперечисленных способов и устройств являются низкая эффективность, сложность оборудования.

Известен способ обработки сточных вод и установка для его реализации [RU 2144517 C1, C02F 9/14, опубл. 20.01.2000]. Способ включает осветление с последующей обработкой в аэробном и анаэробном режимах, перед осветлением сточную воду обеззараживают для устранения биологической конкуренции используемых штаммов микроорганизмов, в процессе обработки водные потоки турбулизируют для обеспечения взаимодействия с иммобилизованной биопленкой и обработанную сточную воду и удаленный осадок обеззараживают для предотвращения загрязнения окружающей среды микроорганизмами, используемыми для очистки сточных вод. Установка для очистки сточных вод включает подводящий и отводящий трубопроводы, насос и компрессор, осветлитель и биореакторы в виде септических камер, на подводящем и отводящем трубопроводах установлены обеззараживающие устройства, а между пластинами с иммобилизованной биопленкой биореакторов установлены турбулизаторы в виде профилированных перфорированных пластин. В качестве обеззараживающего устройства используют установку СВЧ.

Недостатком известного способа и установки для его реализации является узкое применение электромагнитного излучения - только бактерицидное действие на сточные воды.

Наиболее близким к заявляемой группе изобретений является способ безреагентной обработки и обезвреживания осадков сточных вод, заключающийся в обработке смеси осадков, представляющей собой первичный осадок и избыточный активный ил в соотношении 1:2, сверхвысокочастотным электромагнитным излучением при мощности излучения 800-1000 Вт, частоте излучения 3*10⁹-3*10¹⁰ Гц и продолжительностью 5-10 мин. Смесь осадков объемом 300-500 мл помещают в СВЧ печь, имеющей металлические стенки [RU 2569533 C1, C02F 11/00, C02F 1/30, опубл. 27.11.2015].

Недостатком известного способа является порционная обработка небольших объемов смеси осадков, что значительно усложняет процесс обработки осадков и не обеспечивает широкое применение метода. Кроме того, указанная установка по известному способу не позволяет осуществлять обработку сточных вод в проточном режиме, СВЧ-обработку осуществляют в одну стадию, что не дает максимальные эффекты очистки.

Технической проблемой, на решение которой направлена группа изобретений, является создание способа обработки и обезвреживания сточных вод и их осадков, и устройства для осуществления указанного способа, обеспечивая возможность непрерывной, двухстадийной сверхвысокочастотной электромагнитной обработки (далее - СВЧ ЭМО) сточной воды и их осадков (смесь первичных осадков и избыточного активного ила 1:2, влажностью 97-98%) непосредственно на технологическом трубопроводе, обеспечивая при этом безопасную эксплуатацию устройства.

Техническим результатом, на достижение которого направлена предлагаемая группа изобретений, является повышение эффективности процесса обработки и обезвреживания сточных вод и их осадков путем интенсификации процесса СВЧ ЭМО с обеспечением безопасной эксплуатации устройства.

Технический результат достигается предлагаемой группой изобретений, включающей способ обработки и обезвреживания сточных вод и их осадков, и устройство для осуществления указанного способа.

Способ обработки и обезвреживания сточных вод и их осадков включает обработку СВЧ ЭМИ, новым является то, что обработка сточных вод и их осадков включает двухстадийное последовательное воздействие СВЧ ЭМИ при суммарной мощности излучения 2,0 кВт, частоте излучения 2450 МГц, причем обработку осуществляют в проточном режиме, при этом продолжительность воздействия составляет 5-10 минут до достижения температуры жидкой среды 50-85°С.

Устройство для реализации способа обработки и обезвреживания сточных вод и их осадков содержит две камеры с встроенными в них, по меньшей мере, одним СВЧ-генератором, емкости исходной и обработанной жидкой среды, насос для подачи жидкой среды, подводящий и отводящий трубопроводы, трубопроводы обрабатываемой жидкой среды, при этом указанные камеры размещены в экранирующем кожухе, который выполнен из металла, трубопроводы обрабатываемой жидкой среды выполнены в форме цилиндрической спирали из радиопрозрачного материала и размещены вертикально внутри указанных камер, подводящий и отводящий трубопроводы оборудованы запорно-регулирующей арматурой, средствами контроля давления и температуры. Экранирующий кожух может быть выполнен из стали толщиной 0,8-2 мм или из алюминиевой фольги толщиной 0,1-0,5 мм. Трубопроводы обрабатываемой жидкой среды могут быть выполнены из кремнийорганической силиконовой резины или из жаропрочного стекла.

На фиг. 1 представлено устройство для осуществления способа обработки и обезвреживания сточных вод и их осадков.

На фиг. 2 и фиг. 3 представлены зависимости изменения концентраций загрязнений от стадий обработки по предлагаемому способу.

На фиг. 4 представлены диаграммы сравнения удельного сопротивления фильтрации исходных осадков, после обработки по предлагаемому способу и традиционной реагентной обработки.

Предлагаемое устройство для осуществления способа обработки и обезвреживания сточных вод и их осадков (фиг. 1) содержит: две камеры 1 и 2 с встроенными в них, по меньшей мере, одним СВЧ - генератором (не показано), подводящий трубопровод 3 и отводящий трубопровод 4, трубопроводы обрабатываемой жидкой среды 5 и 6, емкость исходной жидкой среды 7 и емкость обработанной жидкой среды 8. Камеры 1 и 2 размещены в экранирующем кожухе 9, который выполнен из стального листа. Подводящий трубопровод 3 оборудован насосом 10, обратным клапаном 11, запорно-регулирующей арматурой 12, 13 (например, краном шаровым, клапаном регулирующим или задвижкой), средством контроля давления 14 (например, манометром), средством контроля температуры 15 (например, термометром). Отводящий трубопровод 4 оборудован средством контроля температуры 16 (например, термометром) и запорной арматурой 17 (например, краном шаровым). Трубопроводы обрабатываемой жидкой среды 5 и 6 выполнены в форме цилиндрической спирали из радиопрозрачного материала, например, из кремнийорганической силиконовой резины или из жаропрочного стекла и размещены вертикально внутри указанных камер 1 и 2. Трубопроводы обрабатываемой жидкой среды 5 и 6 снабжены сливными патрубками 18 и 19 с краном дренажным 20 и 21 соответственно.

Камеры 1 и 2 выполнены из металла.

Экранирующий кожух 9 может быть выполнен из стали толщиной 0,8-2 мм или из алюминиевой фольги толщиной 0,1-0,5 мм.

Способ обработки и обезвреживания сточных вод и их осадков осуществляют с помощью описанного устройства следующим образом.

Сточные воды из емкости исходной жидкой среды 7 подают при помощи насоса 10 по подводящему трубопроводу 3 в трубопроводы обрабатываемой жидкой среды 5 и 6, которые встроены внутри камер 1 и 2. СВЧ-обработку жидкой среды осуществляют в две стадии последовательно, на первой стадии воздействуют в камере 1, на второй стадии - в камере 2. В камерах 1 и 2 сточные воды движутся по трубопроводу обрабатываемой жидкой среды 5 и 6 сверху вниз по спирали, при этом на сточные воды воздействуют сверхвысокочастотным электромагнитным излучением мощностью излучения 1 кВт (каждая камера), частотой излучения 2450 МГц, причем обработку осуществляют в проточном режиме, при этом продолжительность воздействия составляет 5-10 минут до достижения температуры жидкой среды 50-85°С, которую контролируют на выходе при помощи средства 16, например, термометра. Затем обработанная жидкая среда поступает по отводящему трубопроводу 4 в емкость обработанной жидкой среды 8. Давление, развиваемое насосом, контролирует средство 14, например, манометр, установленный на подводящем трубопроводе 3. Скорость потока жидкой среды в трубопроводах регулируют посредством запорно-регулирующей арматуры 13, например, клапаном регулирующим. Температуру обрабатываемой жидкой среды фиксируют средством контроля температуры 15, например, термометром, который установлен на подводящем трубопроводе 3.

Трубопроводы 3 и 4 оснащены запорно-регулирующей арматурой 12, 13 и 17, которую открывают и закрывают в зависимости от режимов работы устройства, в момент пуска и остановки, а также во время технического обслуживания устройства.

Для полного удаления жидкой среды из трубопроводов 5 и 6 предусмотрены сливные патрубки 18 и 19 с краном дренажным 20 и 21 соответственно.

Электрооборудование устройства может работать как от сети, так и от автономного источника питания.

Конструктивные размеры элементов заявляемого устройства и его технические характеристики зависят от заданных входных и выходных параметров, в частности от суточной производительности установки и требуемых эффектов очистки.

Ниже представлены основные технические характеристики одного из возможных вариантов устройства. Исходные данные для определения основных технических характеристик одного из возможных вариантов устройства:

обрабатываемая жидкость - смесь первичных осадков и активного ила (1:2), влажностью (W) 98-99%;

наружный диаметр трубопровода (D) - 28 мм;

внутренний диаметр трубопровода (D_вн) - 20 мм;

время обработки смеси осадков (t) = 8 мин;

температура исходной смеси осадков (Т) -+20°С.

Технические характеристики установки:

часовая производительность - 0,1 м³/ч;

суммарная потребляемая мощность установки - 2,0 кВт;

суммарная мощность электромагнитного излучения - 2,0 кВт;

частота излучения - 2450 МГц;

температура жидкой среды от 20 до 85°С;

скорость движения - 0,1 м/с;

требуемый напор - 2,5 м;

плотность потока ЭМИ от 0 до 0,03 Вт/см².

Реализация заявляемого устройства не ограничивается приведенным выше вариантом и зависит от заданных исходных параметров, в частности от мощности СВЧ-генератора, производительности установки.

Преимущества предлагаемого способа обработки и обезвреживания сточных вод и их осадков с использованием устройства для его осуществления:

СВЧ-обработку осуществляют в две стадии на установке, содержащей две камеры с установленными в них, по меньшей мере, одним СВЧ-генератором, причем камеры расположены последовательно, что обеспечивает получение максимальных эффектов от СВЧ ЭМО сточной воды и их осадков, при этом сокращается время обработки;

предлагаемое устройство имеет непрерывный проточный принцип действия, что позволяет проводить электромагнитную обработку жидких сред непосредственно на технологическом трубопроводе. Отсутствие процессов загрузки/выгрузки обрабатываемой жидкой среды обеспечивает широкое применение данного способа обработки, как для проектируемых канализационных очистных станций, так и для реконструируемых;

количество СВЧ-генераторов в каждой камере может быть более одного, что обеспечивает возможность для попеременного включения с целью увеличения рабочего цикла;

трубопровод обрабатываемой жидкой среды выполнен в виде цилиндрической спирали, что дополнительно повышает эффективность СВЧ-обработки и сокращает продолжительность воздействия, за счет увеличения площади обработки;

выполнение трубопровода обрабатываемой жидкой среды, например, из кремнийорганической силиконовой резины или из жаропрочного стекла обеспечивает высокую термостойкость, химическую инертность, стойкость к агрессивным веществам, имеет антиадгезионные свойства (неприлипаемость), не горит;

выполнение экранирующего кожуха из стали толщиной 0,8-2 мм или из алюминиевой фольги толщиной 0,1-0,5 мм обеспечивает безопасную для человека эксплуатацию установки. Указанные материалы экранирующего кожуха обеспечивают поглощение СВЧ-излучения согласно санитарно-эпидемиологическим правилам и нормативам СанПиН 2.2.4/2.1.8.055-96 "Электромагнитные излучения радиочастотного диапазона (ЭМИ РЧ)", приложение 3.

В Российской Федерации промышленность выпускает унифицированные микроволновые генераторы, имеющие единичную выходную мощность до 100 и более кВт, работающих в диапазоне частот, в том числе 2450 МГц разрешенных соответствующими международными соглашениями.

Примеры осуществления способа обработки и обезвреживания сточных вод и их осадков с использованием предлагаемого устройства.

Пример 1. Обработка высококонцентрированных бытовых сточных вод:

- значительно снижается значение ХПК (химическое потребление кислорода) более чем в 2,5 раза. БПК (биологическое потребление кислорода) и взвешенные вещества после первой стадии обработки снизились в 1,5-2 раза, но после второй стадии произошло некоторое увеличение концентраций, по-видимому, за счет разрушения органических веществ, содержание которых оценивалось ХПК, и образования новых соединений (фиг. 2);

- концентрация аммонийного азота снижается в среднем на 23-25%, концентрация фосфатов - на 28-30%. Нитрат-ион (фиг. 3) возрастает. Это подтверждает, что аммонийный азот переходит в нитрат-ион (фиг. 3).

Пример 2. Обработка смеси первичных осадков и активного ила (смесь первичных осадков и избыточного активного ила 1:2):

- время уплотнения смеси осадков обработанной на СВЧ-установке в 1,5 раза меньше, чем время уплотнения исходной смеси и в 1,25 раза меньше времени уплотнения смеси с добавлением флокулянта «Zetag 8165»;

- степень уплотнения смеси осадков после СВЧ-обработки выше на 25% чем у исходных осадков и на 6,2% выше, чем у осадков с добавлением флокулянта «Zetag 8165» (таблица 1).

- эффективность снижения влажности за 15 минут ЭМО составляет 1,83% (таблица 2).

- уменьшается удельное сопротивление фильтрации осадков: для исходных осадков - 37,15⋅10¹⁰ г/см³, для осадков после СВЧ ЭМО - 6,93⋅10¹⁰ г/см³. Эффективность способа ЭМО осадков сопоставима с методом реагентной обработки (фиг. 4).

- увеличение содержания тяжелых металлов в осветленной иловой воде - жидкой фазе после отстаивания промытого дистиллированной водой осадка, и как следствие, снижение содержания тяжелых металлов в осадках (в среднем на 7%) (таблица 3).

- обработка пробы смеси осадков в течение 10 мин. СВЧ ЭМИ обеспечивает гибель всех известных патогенных бактерий. Имеется заключение о проведении паразитологического исследования в испытательной лаборатории ФГБУ ГСАС «Тюменская». Определяемые показатели: цисты лямблий (Giardia intestinalis), яйца и личинки гельминтов. Результаты исследований: проба воды сточной по исследованным показателям соответствует требованиям МУ 2.1.5.800-99 «Организация Госсанэпиднадзора за обеззараживанием сточных вод. Методические указания».

Осадки сточных вод после СВЧ ЭМО обработки соответствуют ГОСТ Р 17.4.3.07-2001. «Охрана природы. Почвы. Требования к свойствам осадков сточных вод при использовании их в качестве удобрений. - М.: Стандартинформ, 2008» и могут быть использованы в качестве органоминеральных удобрений в сельском хозяйстве.

Группа изобретений обеспечивает высокую эффективность обработки и обезвреживания сточных вод и их осадков, безопасное использование установки, а также защиту окружающей среды от СВЧ-излучения.

Группа изобретений относится к обработке и обезвреживанию бытовых, производственных и сельскохозяйственных сточных вод и их осадков, и может быть использована для канализационных очистных сооружений малой и средней производительности. Техническим результатом является повышение эффективности процесса обработки и обезвреживания сточных вод и их осадков путем интенсификации процесса СВЧ ЭМО с обеспечением безопасной эксплуатации устройства. Способ обработки и обезвреживания сточных вод и их осадков включает двухстадийное последовательное воздействие сверхвысокочастотным электромагнитным излучением при суммарной мощности излучения 2,0 кВт, частоте излучения 2450 МГц, причем обработку осуществляют в проточном режиме, при этом продолжительность воздействия составляет 4-8 минут до достижения температуры жидкой среды 50-85°С. Устройство содержит две камеры с встроенными в них, по меньшей мере, одним СВЧ-генератором, емкости исходной и обработанной жидкой среды, насос для подачи жидкой среды, подводящий и отводящий трубопроводы, трубопроводы обрабатываемой жидкой среды. Камеры размещены в экранирующем кожухе, который выполнен из металла. Трубопроводы обрабатываемой жидкой среды выполнены в форме цилиндрической спирали из радиопрозрачного материала и размещены вертикально внутри указанных камер. Подводящий и отводящий трубопроводы оборудованы запорно-регулирующей арматурой, средствами контроля давления и температуры. 2 н. и 4 з.п. ф-лы, 4 ил., 3 табл.

1. Способ обработки и обезвреживания сточных вод и их осадков, включающий обработку сверхвысокочастотным электромагнитным излучением, отличающийся тем, что обработка сточных вод и их осадков включает двухстадийное последовательное воздействие сверхвысокочастотным электромагнитным излучением при суммарной мощности излучения 2,0 кВт, частоте излучения 2450 МГц, причем обработку осуществляют в проточном режиме, при этом продолжительность воздействия составляет 4-8 минут до достижения температуры жидкой среды 50-85°С.

2. Устройство для реализации способа обработки и обезвреживания сточных вод и их осадков, характеризующееся тем, что содержит две камеры с встроенными в них, по меньшей мере, одним СВЧ-генератором, емкости исходной и обработанной жидкой среды, насос для подачи жидкой среды, подводящий и отводящий трубопроводы, трубопроводы обрабатываемой жидкой среды, при этом указанные камеры размещены в экранирующем кожухе, который выполнен из металла, трубопроводы обрабатываемой жидкой среды выполнены в форме цилиндрической спирали из радиопрозрачного материала и размещены вертикально внутри указанных камер, подводящий и отводящий трубопроводы оборудованы запорно-регулирующей арматурой, средствами контроля давления и температуры.

3. Устройство по п. 2, отличающееся тем, что экранирующий кожух выполнен из стали толщиной 0,8-2 мм.

4. Устройство по п. 2, отличающееся тем, что экранирующий кожух выполнен из алюминиевой фольги толщиной 0,1-0,5 мм.

5. Устройство по п. 2, отличающееся тем, что трубопроводы обрабатываемой жидкой среды выполнены из кремнийорганической силиконовой резины.

6. Устройство по п. 2, отличающееся тем, что трубопроводы обрабатываемой жидкой среды выполнены из жаропрочного стекла.