Устройство для обеззараживания питьевой воды УФ излучением Российский патент 2019 года по МПК C02F1/32 C02F103/04 

Изобретение относится к области обработки воды с целью ее обеззараживания, в частности, к установкам для обеззараживания ультрафиолетовым излучением питьевой воды, которая может быть использована для получения качественной питьевой воды из подземных и поверхностных источников водоснабжения.

В процессе эксплуатации трубопроводы и иные элементы системы водоснабжения изнутри покрываются биопленкой, что представляет особую опасность при ее эксплуатации. Устранение биообрастаний обеспечивают за счет регулярно проводимых мероприятий по дезинфекции систем водоснабжения. Однако при благоприятных условиях время образования биопленок составляет от нескольких суток до нескольких часов, что приводит к высокой вероятности их появления в процессе эксплуатации. При отрыве биопленки количество микробов в воде резко увеличивается, поэтому обеззараживание воды необходимо проводить непосредственно перед ее подачей потребителю.

Основной проблемой при обеззараживании воды является высокая концентрация микроорганизмов в биопленке, которая может достигать 10⁶ КОЕ/мл и более. При этом микроорганизмы в биопленке обладают устойчивостью как к химическим (хлор, озон и т.п.), так и физическим (УФ излучение) методам обеззараживания.

В результате проведенных исследований установлено, что УФ обеззараживание поверхностей, зараженных эталонными штаммами Staphilococcus aureus, Escherichia coli, Salmonella, Klebsiella pneumoniae, Bacillus cereus в белковой оболочке, обладающие типичными морфологическими и тинкториальными свойствами биопленок достигается при бактерицидной дозе УФ излучения на обрабатываемых поверхностях не менее 80 мДж/см² и его эффективность не превышает 99%, в то время как обеззараживание свободно находящихся в воде микроорганизмов с эффективностью 99,9% достигается уже при бактерицидной дозе 25-40-мДж/см².

Известна система обеззараживания ультрафиолетовыми лучами воды (KR20100078398, кл. A61L2/10; C02F1/32, опубл. 08.07.2010), включающая автоматический запорный клапан, избирательно блокирующий неочищенную воду, подаваемую из водопроводной трубы, при этом с задней стороны автоматический запорный клапан соединен с фильтрующим устройством сырой воды, а также стерилизационную камеру с излучающей ультрафиолет частью для фильтрования сырой воды, УФ-датчик, детектирующий освещенность УФ-светом и панель управления с возможностью открывать и закрывать автоматический запорный клапан.

Однако указанная система обеззараживания ультрафиолетовыми лучами обеспечивает бактерицидную дозу только в пределах 25-40 мДж/см², поэтому концентрация микроорганизмов в биопленках может в десятки тысяч раз превосходить предельно допустимую для питьевой воды (не более 50 КОЕ/мл), что приводит к неэффективному предотвращению вторичного бактериального загрязнения в системах водоснабжения. Кроме того, при отрыве биопленок происходит локальное ухудшение коэффициента пропускания жидкостью УФ излучения (до 50% на 1 см и ниже), что еще более снижает эффективность УФ обеззараживания.

Известно устройство для очистки и обеззараживания воды (RU 189130, кл. C02F 11/00, опубл. 13.05.2019), включающее корпус, выполненный в форме полого цилиндра, снабженный крышкой с уступами на ее нижней поверхности и установленные на ее внутренней поверхности ультрафиолетовые светодиоды. Отстойник выполнен в форме полой полусферы, обращенной центром вниз, в центре которого установлен входной штуцер. В крышке корпуса установлен выходной патрубок, соединенный через штуцер с перфорированной трубкой, снабженной дефлектором и установленной в корпусе вертикально. Фильтрующий элемент выполнен в форме цилиндра, диаметр которого равен внутреннему диаметру корпуса. На дефлекторе, выполненном в форме логарифмической спирали, дном вниз установлена тарелка с перфорированными краями, наружный диаметр которой равен внутреннему диаметру корпуса. На внутренней поверхности корпуса на равном расстоянии друг от друга установлены излучатели ультразвука.

Недостатком устройства является низкая эффективность ультрафиолетового обеззараживания воды из-за локального ухудшения коэффициента пропускания жидкостью ультрафиолетового излучения (до 50% на 1 см и ниже) в процессе отрыва биопленок в системе водоснабжения, приводящей к вторичному бактериальному загрязнению.

Проблемой полезной модели является создание устройства для обеззараживания питьевой воды ультрафиолетовым излучением в условиях риска вторичного загрязнения из-за образования биопленок в распределительной системе.

Техническим результатом изобретения является повышение эффективности обеззараживания питьевой воды ультрафиолетовым излучением

Поставленная проблема и указанный технический результат достигаются тем, что устройство для обеззараживания питьевой воды ультрафиолетовым излучением включает корпус цилиндрической формы с входной трубкой для ввода воды и выходной трубкой для вывода обработанной воды, а также установленные внутри корпуса ультрафиолетовые светодиоды. Согласно изобретению в корпусе дополнительно установлена кварцевая колба с зазором, образованным между внутренними стенками корпуса и внешними стенками колбы, для создания ламинарного потока воды в тонком вихревом тангенциальном слое. Внутри кварцевой колбы вдоль ее вертикальной оси установлен полый многогранный держатель ультрафиолетовых светодиодов, которые закреплены с внешней стороны каждой грани держателя. Грани держателя развернуты друг относительно друга под углом, равным углу рассеивания ультрафиолетового излучения. Входная трубка для подвода воды подсоединена по касательной к верхней части корпуса, а выходная – по касательной к нижней боковой части корпуса, и, в виде змеевика, пропущена через нижнее основание корпуса и внутри полого держателя ультрафиолетовых светодиодов.

Держатели ультрафиолетовых светодиодов и выходная трубка выполнены из материалов, обладающих высокой теплопроводностью, преимущественно из алюминия или меди, разрешенных в водоподготовке и позволяет обеспечить эффективный теплоотвод через трубку змеевика к проходящей через нее воде.

Полый многогранный держатель ультрафиолетовых светодиодов выполнен в виде полых многогранных призм, скрепленных между собой основаниями и развернутых друг относительно друга на угол от 30° до 120^о, при этом их количество, в зависимости от угла рассеивания ультрафиолетовых светодиодов варьируется от 1 до 10, для обеспечения равномерности облучения воды внутри корпуса.

Пространство между держателями ультрафиолетовых светодиодов и выходной трубкой заполнено теплопроводящей термопастой. Использование теплопроводящей термопасты обеспечивает эффективный теплоотвод от кристалла светодиода к держателю и от держателя к проходящей внутри его по отводящей трубки в виде змеевика воде.

Установка в корпусе устройства кварцевой колбы с зазором от его внешних стенок создает ламинарное движение воды в тонком вихревом тангенциальном слое и обеспечивает адгезию на поверхности внутренних стенок корпуса не менее 99% микроорганизмов биопленки, что значительно увеличивает время пребывания в устройстве микроорганизмов биопленки и, как следствие, высокой (40 мДж/см² и более) дозы УФ излучения за время прохода через устройство как свободно от живущих микроорганизмов, так и микроорганизмов биопленки.

Присоединение входной и выходной трубки тангенциально обеспечивает создание ламинарного тангенциального слоя воды, повышая тем самым интенсификацию обеззараживания воды от микроорганизмов.

Выполнение выходной трубки в виде змеевика таким и прохождение ее через нижнее основание корпуса и внутри держателя ультрафиолетовых светодиодов позволяет повысить эффективность работы и срок службы УФ светодиодов за счет постоянного теплоотвода от светодиодов посредством охлаждении обработанной водой.

Изобретение поясняется чертежами, где на фиг. 1 представлен внешний вид устройства для обеззараживания ультрафиолетовым излучением питьевой воды, на фиг. 2 – вид сбоку в разрезе, на фиг. 3 – вид сверху предлагаемого устройства.

В представленном устройстве используются светодиоды с углом расходимости УФ излучения 60^о, что определяет их количество (шесть штук) и способ размещения на держателе, а также выбор формы держателя.

Устройство для обеззараживания ультрафиолетовым излучением питьевой воды включает корпус 1 цилиндрической формы с входной трубкой 2, подсоединенной по касательной к корпусу 1 для ввода воды и выходной трубкой 3, также подсоединенной к корпусу 1 по касательной, для вывода обработанной воды. В корпусе 1 установлена кварцевая колба 4 с зазором 5, образованным между внутренними стенками корпуса 1 и внешними стенками колбы 4 для обеспечения ламинарного движения воды в тонком вихревом тангенциальном слое. Ширина зазора 5 между корпусом 1 и кварцевой колбой 4 подбирается так, чтобы движение воды было ламинарным, поскольку условия ламинарности потока зависят от скорости движения воды и ширины зазора.

Внутри кварцевой колбы 4 вдоль ее вертикальной оси установлен полый держатель 6 ультрафиолетовых светодиодов 7. Держатель 6 выполнен из меди. Форма держателя 6 для иллюстрации устройства выполнена в виде треугольных призм, расположенных одна над другой и скрепленных между собой основаниями. Призмы развернуты друг относительно друга на 45º. Ультрафиолетовые светодиоды 7 закреплены на каждой грани треугольного призматического держателя 6 с внешней стороны с помощью теплопроводящей термопасты 8. Выходная трубка 3 в виде змеевика проходит через нижнее основание корпуса 1 внутри полых держателей 6.

Устройство работает следующим образом.

Под напором вода поступает по входной трубке 2 в полость зазора 5 между внутренними стенками корпуса 1 и кварцевой колбой 4 и далее движется по тангенциальной траектории в ламинарном режиме. При таком движении воды происходит адгезия на поверхности корпуса 1загрязняющих ее биопленок. Одновременно происходит обеззараживание воды с помощью создаваемого ультрафиолетовыми светодиодами 7 высокой дозы излучения (40 мДж/см²) за счет максимального охватывания всего объема воды внутри корпуса 1. Эффективность работы и срок жизни светодиодов 7 очень сильно зависят от их температуры (перегрев недопустим) Для термостабилизации светодиодов 7 обработанная вода проходит по выходной трубке 3 в виде змеевика через нижнее основание корпуса 1 и между держателем 6 ультрафиолетовых светодиодов 7 для обеспечения постоянного теплоотвода от светодиодов за счет охлаждения обрабатываемой воды. Термопаста 8 облегчает отвод тепла от светодиодов 7 к проходящей внутри держателя 6 выходной трубке 3.

Изобретение не ограничивается представленным описанием и может быть дополнено в пределах формулы изобретения. Например, форма держателя светодиодов может быть и другая, главное, чтобы поток ультрафиолетового излучения максимально охватывал весь объем корпуса и проходящую через него воду. Поэтому держатель может быть выполнен и в виде полой призмы с другим количеством граней или в виде граней, расположенных по спирали.

Устройство для обеззараживания воды в настоящее время прошло опытно-промышленные испытания и показало высокую эффективность 99,9% обеззараживания, готовится внедрение указанного устройства в оборудование по обеззараживанию воды на действующих установках.

Изобретение относится к области обработки воды с целью ее обеззараживания. Устройство для обеззараживания питьевой воды ультрафиолетовым излучением включает корпус 1 цилиндрической формы с входной трубкой 2 для ввода воды и выходной трубкой 3 для вывода обработанной воды, а также установленные внутри корпуса ультрафиолетовые светодиоды 7. В корпусе 1 дополнительно установлена кварцевая колба 4 с зазором 5, образованным между внутренними стенками корпуса 1 и внешними стенками колбы 4, для создания ламинарного потока воды в тонком вихревом тангенциальном слое. Внутри кварцевой колбы 4 вдоль ее вертикальной оси установлен полый многогранный держатель 6 ультрафиолетовых светодиодов 7, которые закреплены с внешней стороны каждой грани держателя 6. Грани держателя 6 развернуты относительно друг друга под углом, равным углу рассеивания ультрафиолетового излучения. Входная трубка 2 для подвода воды подсоединена по касательной к верхней части корпуса 1, а выходная – по касательной к нижней боковой части корпуса 1 и в виде змеевика пропущена через нижнее основание корпуса 1 и внутри полого держателя 6 ультрафиолетовых светодиодов 7. Техническим результатом изобретения является повышение эффективности обеззараживания питьевой воды до 99,9%. 4 з.п. ф-лы, 3 ил.

1. Устройство для обеззараживания питьевой воды ультрафиолетовым излучением, включающее корпус цилиндрической формы с входной трубкой для ввода воды и выходной трубкой для вывода обработанной воды, а также установленные внутри корпуса ультрафиолетовые светодиоды, отличающееся тем, что в корпусе дополнительно установлена кварцевая колба с зазором, образованным между внутренними стенками корпуса и внешними стенками колбы, для создания ламинарного потока воды в тонком вихревом тангенциальном слое, внутри кварцевой колбы вдоль ее вертикальной оси установлен полый многогранный держатель ультрафиолетовых светодиодов, которые закреплены с внешней стороны каждой грани держателя, при этом грани держателя развернуты относительно друг друга под углом, равным углу рассеивания ультрафиолетового излучения, входная трубка для подвода воды подсоединена по касательной к верхней части корпуса, а выходная – по касательной к нижней боковой части корпуса и в виде змеевика, пропущена через нижнее основание корпуса и внутри полого держателя ультрафиолетовых светодиодов.

2. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что держатели ультрафиолетовых светодиодов и выходная трубка выполнены из материалов, обладающих высокой теплопроводностью.

3. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что полый многогранный держатель ультрафиолетовых светодиодов выполнен в виде полых многогранных призм, скрепленных между собой основаниями и развернутых относительно друг друга на угол от 30° до 120^о.

4. Устройство по п. 3, отличающееся тем, что количество полых многогранных призм, установленных одна на другую, от 1 до 10.

5. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что пространство между держателями ультрафиолетовых светодиодов и выходной трубкой заполнено теплопроводящей термопастой.