Гидродинамическая установка обработки загрязненной воды Российский патент 2020 года по МПК C02F9/12 C02F1/32 C02F1/78 C02F1/74 B01F3/04 B01F5/04 C02F1/46 

Изобретение относится к экологии и предназначено для повышения эффективности гидродинамического обеззараживания и очистки загрязненной воды кислородсодержащим газом (КСГ).

Известны установки (патенты США N3336564 и ГДР N67370) очистки и обеззараживания воды в специальных реакторах, в которых вода протекает между высоковольтными электродами, а ее обеззараживание и очистка производятся ударной волной, световым излучением, термохимическими реакциями, возникающими при электропробое потока воды.

Известна установка (авторское свидетельство СССР N389030) очистки и обеззараживания воды в емкости электрическим разрядом, который организуют в атмосферном воздухе, пропускаемом через полые электроды, погруженные в обрабатываемую загрязненную воду.

Известна установка (авторское свидетельство СССР N514548) очистки и обеззараживания воды высоковольтными разрядами на поверхности раздела «атмосферный воздух + вода».

Известна установка (авторское свидетельства СССР N1263643) очистки и обеззараживания воды высоковольтными электрическими разрядами в промежутке между электродами, заполненном водой и атмосферным воздухом, в котором образуется озон, радикалы Н, ОН, пузырьки водорода и кислорода.

Недостатками указанных установок являются высокие энергозатраты, малая производительность, длительность обработки загрязненной воды, малая эффективность, т.к. для обеспечения обязательного соприкосновения молекул обеззараживающего кислорода в КСГ с молекулами загрязняющих веществ в обрабатываемой загрязненной воде требуется много энергии и времени.

Известна установка (патент RU №2136602,), очищающая и обеззараживающая воду озоном, образующимся из атмосферного воздуха при электрических разрядах между высоковольтными электродами и поверхностью воды в воздушном промежутке (при подаче воды и подсосе атмосферного воздуха через полый токовод высоковольтного электрода).

Недостатком этой установки является потребность:

- большого количества озона в КСГ (до 25 мг озона на м³ воздуха) и длительного времени обеззараживания и очистки воды (несколько циклов прогона воды через установку), т.к. в реакцию вступает не сам озон О₃, а его составляющие (возбужденный атомарный О^* и возбужденный молекулярный О₂* кислород), на которые он медленно саморазлагается;

- длительной и/или многократной обработки воды для достижения требуемого обеззараживающего и очищающего эффекта в связи с малым количеством возбужденного атомарного и молекулярного кислорода, получающегося при самораспаде озона.

В атмосферном воздухе содержится ~21% кислорода. В верхних слоях разреженной до ~0,5 ата атмосферы (30-45 км над поверхностью Земли) под воздействием солнечных УФ-лучей часть кислорода преобразуется в озон, молекула которого О₃ состоит из молекулярного О₂ и атомарного О кислорода, т.е. О₃=О₃+О. В нижних слоях атмосферы часть кислорода преобразуется в озон под воздействием грозовых разрядов.

Искусственно озон получают из атмосферного воздуха при воздействии на него тихим (тлеющим) электрическим высоковольтным разрядом в специальных устройствах (озонаторах) при атмосферном давлении и используют для дезинфекции помещений, обеззараживания и очистки воды.

В связи с тем, что озон самораспадается медленно (несколько часов или суток в зависимости от температуры, давления, среды, других факторов), его для обработки загрязненной воды требуется много, т.к. большая его часть не используется и попадает в атмосферу, постепенно самораспадается в ней, окисляет находящиеся в контакте с ним вещества. Допустимая концентрация озона в атмосфере 0,1 мг/м³. Озон тяжелее воздуха, поэтому он оседает на поверхность Земли, в большой концентрации он представляет большую опасность для здоровья и окисляющихся материалов.

Получение большого количества озона для обработки им большого количества воды требует больших материальных затрат, т.к. для этого необходимо много электроэнергии, мощные озонаторные установки со сложными генераторами и высокочастотными преобразователями электрического тока, контактные камеры больших габаритов, уловители и нейтрализаторы неиспользованного по назначению озона.

Известны способы обеззараживания объектов (патенты RU №2040935 от 15.08.1990 г и №2081843 от 09.11.1993 г), в которых поверхность неподвижных твердых объектов обеззараживают обдувом, а неподвижную воду в емкости продувкой (барботажем) атмосферным воздухом при атмосферном давлении, с одновременным облучением его УФ-лучами с длиной волны и энергией hv≥5,26 эВ.

При энергетической накачке молекул кислорода атмосферного воздуха УФ-лучами образуется мало озона, поэтому для обработки загрязненной воды этими способами требуется много времени, и они не нашли применения в обработке больших объемов воды (сточные воды ЖКХ, промышленных предприятий, животноводческих ферм; природная вода для использования в быту, технике, для питья и приготовления пищевых продуктов; для полива в сельском хозяйстве; для обогрева в ЖКХ; и т.д.).

Применение указанных способов для обеззараживания и очистки потока текущей загрязненной воды практически невозможно также из-за технических и производственных трудностей по очистке стеклянных стенок источников УФ-лучей (кварцевых бактерицидных ламп), контактирующих с обрабатываемой загрязненной водой и быстро теряющих прозрачность из-за отложений на их стенках загрязняющих веществ из обрабатываемой воды (отложения на стенках не пропускают УФ-лучи в обрабатываемую воду и установки перестают обеззараживать и очищать воду). Для применения этих способов необходимы дополнительные устройства и технологии постоянной очистки поверхности стеклянных стенок кварцевых ламп от отложений, что сложно и дорого.

Известны гидродинамические установки (патент RU №2611500, заявка №20182407/20(00334), обрабатывающие в дезинтеграторе (инжекторе) быстротекущий поток загрязненной воды микропузырьками КСГ с R≤100 мкм в монодисперсном газожидкостном потоке со специальными гидродинамическими характеристиками, обеспечивающими соприкосновение практически всех молекул кислорода в КСГ со всеми молекулами загрязняющих веществ в обрабатываемой загрязненной воде.

Недостатком этих гидродинамических установок (ГДУ) является необходимость применения высокооборотных насосов большой мощности для получения большого давления в инжекторе. Чтобы обработать сильно загрязненную воду (например, с показателем загрязненности ПЗ≥1 г/л) необходимы насосы, создающие давление на входе в инжектор Р≥40 кг/см² (чтобы не превысить объемного газосодержания δ_см≤0,4 монодисперсного потока газожидкостной смеси в инжекторе и не вызвать «снарядного» течения потока с большими газовыми пузырями, разрушающими инжектор, вместо монодисперсного потока с микропузырьками R≤100 мкм,), что значительно усложняет и удорожает ГДУ.

Известна ГДУ (патент RU №2453505 от 15.11.2010 г - прототип), которая насыщенную атмосферным воздухом загрязненную воду обеззараживает и очищает в двух последовательно установленных инжекторах, конфузоры и цилиндрические камеры которых увеличивают скорость потока воды до снижения статического давления в них ниже атмосферного (до выделения растворенного в воде атмосферного воздуха). Одновременно в цилиндрические камеры инжекторов дополнительно подают (засасывают) через дозирующие устройства нужное количество кислородсодержащего газа (например, атмосферного воздуха).

Недостатком известной ГДУ является невозможность ее применения для воды с показателем загрязненности ПЗ≥0,2 г/л, т.к. для обеззараживания и очистки воды в инжекторах необходимо иметь монодисперсный газожидкостный поток с объемным газосодержанием δ≤0,4. При большем загрязнении в воду необходимо вдувать большое количество атмосферного воздуха (необходимо большое количество кислорода, которого в воздухе ~21%), поэтому объемное газосодержание потока в цилиндрических камерах инжекторов будет больше допустимого (δ≥0,4), и газожидкостный поток из монодисперсного превратится в «снарядный» (с большими газовыми пробками), технология гидродинамического обеззараживания и очистки загрязненной воды в ГДУ будет не эффективной.

Известная ГДУ не может быть использована для обеззараживания и очистки сточной бытовой, ливневой, природной, технической воды, т.к. все они имеют ПЗ≥0,5 г/л, и для них необходимо применять или чистый газообразный кислород, или рабочий насос, создающий соответствующее высокое давление воды (Р≥40 кг/см²) перед инжектором (повышающее степень газонасыщения воды и сжимающее пузырьки выделившегося в конфузоре и цилиндрической камере инжектора воздуха до размеров, обеспечивающих не превышение объемного содержания воды δ≤0,4, что технически сложно и дорого).

Как указано выше, обеззараживание и очистку воды в основном производит не озон О₃, и не молекулярный кислород О₂, а продукт их самораспада - атомарный кислород О. Без УФ-лучей самораспад озона происходит медленно (в воде до нескольких часов, в атмосфере до нескольких дней), поэтому большая его часть выбрасывается неиспользованной в атмосферу, что в известных установках помимо затрат на его изготовление в необходимо большом количестве, приводит к дополнительным затратам и неудобствам по его контролю, улавливанию, уничтожению.

Предложенная ГДУ позволяет не только уменьшить количество озона, необходимого для получения нужного количества эффективно и быстро окисляющего возбужденного атомарного и/или молекулярного кислорода (исключить выброс неиспользованного озона в атмосферу), но и уменьшить давление загрязненной воды перед инжектором (уменьшить объемное газосодержание потока без применения насоса высокого давления и большой мощности, и уменьшить количество потребляемой им электроэнергии), т.е. позволяет упростить и уменьшить затраты на обеззараживание и очистку загрязненной воды.

В предложенной ГДУ это достигают тем, что в первом блоке обеззараживания и очистки загрязненной воды, содержащем агрегаты с характеристиками: насос производительностью G=(5-5000) м³/час и напором Р=(50-125) м, инжектор, включающий конфузор, цилиндрическую камеру и диффузор, в котором конфузор выполнен имеющим угол сужения β=(20±5)°, длину L=(0,005-0,3) м, диаметр выходного сечения d=(0,013-0,3) м с возможностью увеличения скорости потока воды до W≥25 м/с со снижением статического давления до Р=(0,6-0,8) ата и выделением растворенного в воде воздуха микропузырьками радиусом R≤100 мкм, цилиндрическая камера выполнена диаметром d=(0,013-0,3) м, длиной L=(5±1) м, соединена с атмосферой с возможностью увеличения скорости потока воды с уменьшением статического давления до Р=(0,3-0,2) ата и созданием монодисперсного турбулентного потока газожидкостной смеси, диффузор выполнен имеющим угол расширения β=(12±3)°, длину L=(0,12-0,055) м с возможностью уменьшения скорости потока с увеличением статического давления в потоке до Р>1 ата со схлопыванием и растворением в воде выделившихся из нее в конфузоре атмосферного воздуха, которые обеззараживают и очищают загрязненную воду:

- цилиндрическая камера инжектора соединена с атмосферой через емкость, в которой смонтированы: электроразрядник для накачки энергией молекул атмосферного кислорода и преобразования их в молекулы озона и источник УФ-лучей - бактерицидная кварцевая лампа с длиной волны и энергией hv≥5,26 эВ для накачки квантами лучевой энергии молекул озона и преобразования их в возбужденный атомарный и/или молекулярный кислород;

- емкость для изготовления возбужденного атомарного и/или молекулярного кислорода параллельно соединена с озонатором;

- цилиндрическая камера инжектора изготовлена с характеристиками, обеспечивающими критерий Рейнольдса в диапазоне R_e=1,7×10⁵-7,2×10⁶, критерий Вебера в диапазоне W_e=2,4×10⁴-1,9×10⁵;

- внутренняя поверхность емкости для изготовления озона и возбужденного атомарного и/или молекулярного кислорода покрыта светоотражающим материалом, предназначенным для отражения квантов лучевой энергии от источника УФ-лучей и использования их для образования озона и преобразования его в возбужденный атомарный и/или молекулярный кислород;

- емкость для изготовления озона и возбужденного атомарного и/или молекулярного кислорода соединена через управляемый электроклапан, редуктор давления и дозатор с внешним источником сжатого газообразного кислорода для увеличения количества создаваемых в ней молекул озона и возбужденного атомарного и/или молекулярного кислорода и смонтирована непосредственно перед цилиндрической камерой инжектора;

- озонатор выполнен с возможностью получения озона из атмосферного воздуха для емкости преобразования озона в возбужденный атомарный и/или молекулярный кислород перед вдувом его в цилиндрическую камеру инжектора и параллельно соединен через управляемый электроклапан, редуктор давления и дозатор с источником сжатого газообразного кислорода;

- перед насосом, предназначенным для подачи загрязненной воды в инжектор, монтирована емкость смешения сильно загрязненной обрабатываемой воды с чистой водой;

- после инжектора первого блока последовательно смонтированы емкость сбора и дегазации обработанной в первом блоке обеззараживания и очистки сильно загрязненной воды, и второй блок обработки этой воды, аналогичный по составу агрегатов и их характеристикам первому блоку, и предназначенный для окисления загрязнителей и/или уничтожения микроорганизмов, оставшихся в воде после ее обработки в первом блоке;

- емкость с загрязненной водой оснащена нагревателем воды до температуры Т (20-65)°С перед подачей ее в насос и далее в инжектор с возможностью ускорения химических реакций окисления (уничтожения) загрязнителей воды озоном и возбужденным атомарным и/или молекулярным кислородом за время их контакта.

Совокупность существенных признаков предложенной ГДУ заключается в том, что загрязненная вода, протекающая через цилиндрическую камеру инжектора с низким статическим давлением, обеззараживается и очищается определенным количеством возбужденного атомарного О^* и возбужденного молекулярного О₂* кислорода, полученным в специальной камере и вдутым в цилиндрическую камеру с созданием в ней специального монодисперсного газожидкостного потока, что исключает:

- отложение загрязнений на прозрачной поверхности стеклянных стенок источника УФ-лучей (бактерицидная лампа в ГДУ не контактирует с загрязненной водой);

- выброс озона в атмосферу (весь специально изготовленный озон переводится в возбужденный атомарный и молекулярный кислород до его подачи в поток загрязненной воды, после чего используется в инжекторе).

Предложенная ГДУ повышает эффективность гидродинамического обеззараживания и очистки потока загрязненной воды путем создания в цилиндрической камере инжектора монодисперсного газожидкостного потока с объемным газосодержанием δ≤0,4 и вдува в него специальной смеси газов (атмосферный воздух + возбужденный молекулярный и атомарный кислород). Эту смесь изготавливают в специальной емкости перед цилиндрической камерой инжектора - вначале изготавливают промежуточный озон (путем энергетической накачки молекул атмосферного кислорода энергией свободных электронов, получаемых в электроразряднике), после чего полученный озон переводят (диссоциируют) в возбужденный атомарный и молекулярный кислород накачкой его молекул энергией свободных электронов с hv≥5,26 эВ и с диной волны (квантов света), получаемых от источника УФ-лучей (кварцевой бактерицидной лампы), который затем подают в цилиндрическую камеру инжектора.

Новые свойства предложенной ГДУ обеспечиваются применением комплекса новых технологий, с помощью которых кислород атмосферного воздуха перед подачей в цилиндрическую камеру инжектора в специальной емкости превращается в очень эффективный окислитель (вначале в озон, затем тут же в возбужденный атомарный и молекулярный кислород), который в смеси с атмосферным воздухом подается в цилиндрическую камеру инжектора и весь используется на окисление загрязнителей.

На Фиг. 1 представлена схема предложенной ГДУ, где:

1. Источник загрязненной воды (емкость).

2. Управляемый электроклапан подачи загрязненной воды в насос.

3. Насос подачи загрязненной воды в инжектор.

4. Конфузор инжектора.

5. Цилиндрическая камера инжектора.

6 Диффузор инжектора.

7. Емкость сбора и дегазации обработанной в инжекторе газожидкостной смеси (емкость-дегазатор).

8. Управляемый электроклапан соединения емкости-дегазатора с атмосферой (или с емкостью хранения выделившихся газов).

9. Емкость изготовления озона и возбужденного атомарного и молекулярного кислорода.

10. Управляемый электроклапан соединения емкости изготовления озона с атмосферой.

11. Электроразрядник.

12. Источник электропитания электроразрядника.

13. Включатель-выключатель электропитания электроразрядника.

14. Озонатор.

15. Источник электропитания озонатора.

16. Включатель-выключатель электропитания озонатора.

17. Источник сжатого газообразного кислорода.

18. Управляемый электроклапан соединения источника сжатого газообразного кислорода с емкостью изготовления возбужденного атомарного и молекулярного кислорода.

19. Редуктор давления подачи сжатого газообразного кислорода в емкость изготовления возбужденного атомарного и молекулярного кислорода.

20. Дозатор подачи газообразного кислорода в емкость изготовления возбужденного атомарного и молекулярного кислорода.

21. Управляемый электроклапан соединения емкости изготовления озона с цилиндрической камерой

22. Дозатор подачи газовой смеси воздуха, озона, кислорода в цилиндрическую камеру.

23. Источник УФ-лучей (бактерицидная кварцевая лампа).

24. Включатель-выключатель электропитания источника УФ-лучей.

25. Потребитель обработанной воды.

26. Управляемый электроклапан подачи обработанной воды потребителю.

27. Источник атмосферного воздуха.

28. Управляемый электроклапан подачи озона в емкость изготовления возбужденного кислорода.

29. Трубопровод подачи смеси атмосферного воздуха, озона, кислорода в цилиндрическую камеру инжектора.

30. Управляемый электроклапан подачи воздуха в озонатор.

31. Управляемый электроклапан подачи сжатого газообразного кислорода в озонатор.

32. Редуктор подачи давления сжатого газообразного кислорода в озонатор.

33. Дозатор подачи сжатого газообразного кислорода в озонатор.

Загрязненная вода подается из источника 1 в предложенную ГДУ, которая содержит последовательно монтированные: управляемый электроклапан 2; насос 3; конфузор 4 инжектора; цилиндрическую камеру 5 инжектора; диффузор 6 инжектора; емкость-дегазатор 7 сбора обработанной в инжекторе газожидкостной смеси для выделения из нее и удаления в атмосферу газов; управляемый электроклапан 8 соединения емкости сбора и дегазации 7 с атмосферой. Вход в цилиндрическую камеру 5 инжектора соединен трубопроводом 29 через управляемый электроклапан 21 и дозатор 22 с емкостью 9 изготовления озона и возбужденного атомарного и молекулярного кислорода, вход в которую соединен через управляемый электроклапан 10 с источником 27 атмосферного воздуха, и (при необходимости, для сильно загрязненной воды) через управляемый электроклапан 18, редуктор давления 19, дозатор 20 с источником 17 сжатого газообразного кислорода. Электроразрядник 11 соединен через включатель-выключатель 13 с источником электроэнергии 12, и монтирован внутри емкости 9, в которой с его помощью изготавливается озон. Озонатор 14 соединен через включатель-выключатель 16 с источником электроэнергии 15, выход озона из него должен быть монтирован (как указано на Фиг. 1) внутри емкости 9. Электрические провода электроразрядника 11 закреплены в стенках емкости 9 (проходят через эти стенки) на электроизоляторах.

Озонатор 14 и емкость 9 изготовления возбужденного атомарного и молекулярного кислорода параллельно соединены (по отдельности, через автономные управляемые электроклапаны, дозаторы, редукторы давления) с источником атмосферного воздуха и с источником сжатого газообразного кислорода.

Источник УФ-лучей 23 (кварцевые бактерицидные лампы) соединен через включатель-выключатель 24 с источником электроэнергии 12, и может быть установлен как внутри, так и снаружи емкости 9. При установке источника УФ-лучей 23 с внешней стороны емкости 9 (как указано на Фиг. 1), ее стенки должны быть выполнены прозрачными (например, из кварцевого стекла.

Схему и конструкцию ГДУ, характеристики и размеры рабочего насоса 3 и инжектора, расход и давление подаваемого в цилиндрическую камеру 5 инжектора из емкости 9 смеси атмосферного воздуха с возбужденными атомами и молекулами кислорода, расход и давление подаваемого в камеру 9 газообразного кислорода из внешнего источника 17 (например, из баллона), расход и давление подаваемого в камеру 9 атмосферного воздуха, гидродинамические параметры газожидкостного потока по длине конфузора 4, цилиндрической камеры 5, конфузора 6, рассчитывают при помощи комплексной системы физико-математических зависимостей, разработанной на основе результатов научно-технических исследований авторов, проверяют и настраивают при гидропроливках ГДУ с имитацией конкретных условий эксплуатации ГДУ и конкретной загрязненной воды (по ТЗ Заказчиков, в каждом конкретном случае, применительно к местным условиям эксплуатации ГДУ), затем экспериментально подтверждают гидроиспытаниями.

Необходимость применения в предложенной ГДУ емкости 7 сбора и дегазации обработанной в инжекторе газожидкостной смеси (емкости-дегазатора), ее объем, время выдержки в ней этой смеси до полного разделения ее на жидкость и газы, назначают (по ТЗ Заказчика) из условий применения ГДУ к конкретной загрязненной воде и ее последующего использования после обработки (сброс в природные хранилища, перекачка насосом в емкость длительного хранения для последующего использования в промышленности и/или в сельском хозяйстве, для повторной обработки, и т.д.).

Предложенная ГДУ работает следующим образом.

До работы ГДУ управляемые электроклапаны 2,8, 10, 18, 21, 30, 31 закрыты, включатели-выключатели 13, 16, 24 отсоединяют от источников электроэнергии 12 и 15 электроразрядник 11, озонатор 14, бактерицидную электролампу УФ-излучения 23.

Перед началом работы открывают электроклапан 2 и из источника 1 в рабочий насос 3 поступает загрязненная вода. Насос 3 с требуемыми давлением и расходом подает загрязненную воду в инжектор.

Одновременно открывают электроклапаны 8, 10, 18, 21, 28 подают в емкость 9 с требуемым расходом и давлением атмосферный воздух (газообразный кислород из источника 17, через управляемый электроклапан 18 и редуктор 19, если это необходимо, озон через управляемый электроклапан 28, если это необходимо), сбрасывают в атмосферу воздух из емкости сбора и дегазации 7, замыкают включатели 13, 16, 24 и подают электроэнергию на разрядник 11, озонатор 14, источник УФ-лучей 23.

При прохождении потока загрязненной воды через конфузор 4, статическое давление в нем (перед выходом из него) снижается до (0,6-0,8) ата, т.е. ниже атмосферного, из воды выделяется растворенный в ней воздух (микропузырьками с R≤100 мкм), цилиндрическая камера 5 «засасывает» в себя из емкости 9 смесь атмосферного воздуха с созданными в ней в необходимом количестве возбужденными атомами и молекулами кислорода, и в ней (в цилиндрической камере 5) создается монодисперсный турбулентный газожидкостный поток с микропузырьками R≤100 мкм, критериями Рейнольдса в диапазоне R_e=1,7×10⁵-7,2×10⁶, Вебера в диапазоне W_e=2,4×10⁴-1,9×10⁵.

Во время нахождения молекул кислорода между электродами электроразрядника 11, на них воздействуют электроны из электроразрядника 11, которые энергетически накачивают их и превращают в озон и частично в возбужденный атомарный и молекулярный кислород. Для слабо загрязненной воды (ПЗ≤1 г/л), может быть достаточно электроразрядника 11 и образованного им из атмосферного воздуха озона с малым количеством возбужденного атомарного и молекулярного кислорода. Для сильно загрязненной воды (ПЗ≥1 г/л) может потребоваться перевод всего образованного из атмосферного воздуха озона в возбужденный атомарный и молекулярный кислород (или добавления чистого кислорода из источника 17 и озона из озонатора 14 в атмосферный воздух из источника 27). Это определяется и рассчитывается в каждом конкретном случае по ТЗ Заказчиков, применительно к загрязненности обрабатываемой воды, степени ее очистки, местным условиям, виду использования воды после обработки в ГДУ.

На озон и кислород в емкости 9 воздействуют УФ-лучами бактерицидной кварцевой лампы 23, которыми энергетически дополнительно накачивают их лучевой энергией до разложения на возбужденный атомарный кислород О^* и на возбужденный молекулярный кислород О₂^*. Молекулы озона в основном состоянии О₃('А) получают энергию h≥5,26 эВ в виде квантов света с диной волны и диссоциируют (разлагаются) на возбужденные молекулы и атомы кислорода тоже в основных состояниях, причем в непосредственной близости от обрабатываемой в цилиндрической камере 5 загрязненной воды, после чего практически сразу подаются через электроклапан 21 и дозатор 22 в цилиндрическую камеру 5 инжектора (в поток загрязненной воды) и используются по назначению.

В предложенной ГДУ требуемое небольшое количество озона О₃ получают непосредственно перед цилиндрической камерой 5, в емкости 9 с прозрачной стенкой, и в ней же (в емкости 9) сразу преобразуют его квантами света (от кварцевой лампы 23) с длиной волны и энергией hv≥5,26 эВ в возбужденный атомарный О^* и молекулярный О₂^* кислород, т.е. происходит реакция О₃+hv→О^*+О₂^*.

На диссоциацию молекулы озона О₃ расходуется небольшая энергия - 1,09 эВ, остальная энергия поглощенных квантов идет на возбуждение возникающих при этом частиц - атомарного кислорода О и молекулярного кислорода О₂. В зависимости от характеристик воздействующего излучения (, и hv), атомарный и молекулярный кислород может быть возбужден до различных уровней - O('S), O('D), O₂('Δg), О₂('ε⁺g), О₂(³ε⁺v). Радиационное разрушение (диссоциация) озона происходит при поглощении энергии в полосах Шаппюи и Гегинса, но наиболее интенсивно оно происходит при длине волны квантов света (меньше так называемой D-границы). При этом происходит реакция О₃('А) + hv→О₂('Δq)+O('D), а при длине волны квантов света - реакция О₃('А)+hv→О₂('∑⁺q)+O('D).

Квантовый выход реакции равен единице при который уменьшен до 0,4 при поэтому облучать озон квантами света с длиной волны нецелесообразно. Имеющиеся в воздухе (в емкости 9) молекулы нормального кислорода О₂ под действием радиации (УФ-лучей) тоже переходят в возбужденное состояние и диссоциируют на атомы, которые тоже переходят в возбужденное состояние.

Диссоциация молекулы кислорода на атомы происходит при поглощении энергии в полюсах Герц-берга, т.е. при длине волны квантов света а при (в полюсах Шумана-Рунге) радиация создает уже возбужденные атомы кислорода, поэтому облучать атомы кислорода квантами света длиной волны не обязательно, т.к. они достаточно возбуждены энергией УФ-облучения в диапазоне При этом на диссоциацию молекулы кислорода расходуется 5,115 эВ, а на возбуждение атомов кислорода - 1,96 эВ.

Возбужденные атомы кислорода О^* и молекулы кислорода О₂^* (электрон находится на более высокой орбите) являются очень активными окислителями и быстро уничтожают вредную микрофлору в воде, и окисляют («сжигают») находящуюся в ней органику и другие загрязняющие химические вещества. По сравнению с обработкой воды озоном О₃, скорость ее обработки возбужденными О^* и О₂^* ~ более чем в 100 раз быстрее, т.е. достаточно воздействовать на загрязненную воду в цилиндрической камере 5 инжектора возбужденными О^* и О₂^* практически одну секунду (степень обеззараживания и очистки загрязненной воды зависит от характеристик монодисперсного потока газожидкостной смеси через цилиндрическую камеру 5, ее длины, степени загрязненности воды, количества возбужденных О^* и О₂^* кислорода, которые определяют расчетами и подтверждают гидроиспытаниями ГДУ).

Все преобразования молекул кислорода и озона происходят за доли секунды. В емкости 9 нет загрязненной воды и низкое давление, поэтому они не расходуются и быстро (за ≤0,1 с) поступают в цилиндрическую камеру 5, где в виде микропузырьков с R≤100 мкм в течение ≤0,5 с контактируют с молекулами загрязняющих веществ и органики в воде, обеззараживают, очищают, обесцвечивают ее (расходуются по назначению), и не выбрасываются в атмосферу.

Молекулы и атомы кислорода из возбужденного (активного) состояния (если не вступили в реакцию окисления с молекулами примесей и органики в воде), через ≤0,9 с возвращаются в обычное состояние за счет излучения тепловой энергии при возвращении электрона на обычную орбиту (температура воды при этом повышается на ~1°С). В результате не только улучшается и ускоряется очистка и обеззараживание воды, но и исключается выброс озона в атмосферу.

В цилиндрической камере 5 инжектора вода смешивается с микропузырьками атмосферного воздуха (с возбужденными атомами и молекулами кислорода), растворенные и взвешенные примеси в воде вступают с ними в быстрое химическое взаимодействие, происходит окисление железа, марганца, сероводорода, органических примесей, обесцвечивание и обеззараживание воды. В результате окисления железа образуется гидроокись железа Fe(OH)₃, которая при образовании и коагуляции является мощным сорбентом и удаляет из воды ионы тяжелых металлов, органические вещества, микробы. В цилиндрической камере 5 предложенной ГДУ процесс очистки и обеззараживания воды производится при воздействии большого количества факторов, поэтому ее эффективность высока, а энергозатраты незначительны.

В предложенной ГДУ озона требуется незначительное количество, т.к. он весь диссоциируется на возбужденный атомарный и молекулярный кислород, который полностью используется на очистку и обеззараживание воды (не выбрасывается в атмосферу, его не требуется улавливать и нейтрализовать), что в свою очередь не только уменьшает габариты цилиндрической камеры 5, энергозатраты, облегчает эксплуатацию, упрощает технологию обеззараживания и очистки воды, но и упрощает технику безопасности.

Под действием электрических разрядов электроразрядника 11 и УФ-лучей бактерицидной кварцевой лампы 23, в емкости 9 энергетической накачкой образуются не только озон из атмосферного воздуха и возбужденный молекулярный и атомарный кислород из озона, но и электроны, ионы, радикалы ОН^-, различные перекиси и закиси водорода. В цилиндрической камере 5 происходит смешение мелких газовых микропузырьков воздуха, содержащего энергетически накачанные возбужденные атомы и молекулы кислорода, с загрязненной водой, которые на поверхности соприкосновения микропузырьков с загрязненной водой вступают в быстрое взаимодействие с примесями, происходит окисление железа, марганца, сероводорода, органических примесей, т.е. обесцвечивание и очистка воды. Образовавшиеся вещества выпадают в осадок, который удаляют из воды известными способами.

Выделившиеся из воды в конфузоре 4 и в цилиндрической камере 5 (при снижении статического давления в потоке) микропузырьки растворенного в воде атмосферного воздуха, в диффузоре 6 «схлопываются» (при повышении в нем статического давления из-за уменьшения скорости потока), т.е. микропузырьки снова растворяются в воде. В местах этого «схлопывания» образуются высокое давление (Р≥500 кг/см²) и температура (Т≥700°С), которые не только на несколько порядков ускоряют химические реакции в монодисперсном газожидкостном потоке, но и механически уничтожают микроорганизмы (обеззараживают воду), разлагают оставшийся озон (все окислительные реакции в цилиндрической камере 5 и диффузоре 6 происходят за доли секунды).

Для качественной обработки мало загрязненной воды в цилиндрической камере 5 известных ГДУ недиссоциированным озоном в смеси с атмосферным воздухом, озона требуется в 10-25 раз больше, чем при принудительной его диссоциации на возбужденный атомарный и молекулярный кислород в предложенной ГДУ, т.к. с загрязнителями химически взаимодействует вступает не сам озон, а возбужденный атомарный и молекулярный кислород, на которые озон самостоятельно медленно разлагается. В предложенной ГДУ все изготовленное (нужное меньшее) количество озона в емкости 9 принудительно разлагают и переводят в более эффективный возбужденный атомарный и молекулярный кислород, что значительно упрощает и удешевляет обеззараживание и очистку мало загрязненной воды (достаточно озона, полученного продувкой атмосферного воздуха через факельный разряд электрического тока (электроразрядник 11) от источника с напряжением 220-350 вольт и с промышленной частотой 50 Гц, без применения специальных генераторов, высокочастотных преобразователей, кислородных обогатителей, т.е. без озонатора).

Для качественной обработки сильно загрязненной воды может потребоваться дополнительный чистый кислород, который подают:

- в емкость 9 из источника 17 через управляемый электроклапан 18, редуктор давления 19, дозатор 20, из которого получают требующееся количество переходного озона и/или сразу возбужденного атомарного и молекулярного кислорода (без применения сложного и дорогого озонатора);

- и/или в озонатор 14 из источника 17 через управляемый электроклапан 31, редуктор давления 32, дозатор 33, в котором получают требующееся количество переходного озона (если его нужно больше в емкости 9).

Объем емкости 9, расход и давление подачи атмосферного воздуха и чистого кислорода в нее, рассчитывают и обеспечивают в зависимости от загрязненности и расхода воды через цилиндрическую камеру 5, причем емкость 9 монтируется как можно ближе к камере 5 (непосредственно на цилиндрической камере 5), чтобы возбужденный атомарный и молекулярный кислород не исчез до вдува в камеру 5.

Обработанная в конфузоре 4, цилиндрической камере 5, диффузоре 6 газожидкостная смесь поступает в емкость сбора 7 (дегазатор), и далее используется потребителем 25 через управляемый электроклапан 26 по назначению (для сброса в природные хранилища, для полива в сельском хозяйстве, для перекачки насосом емкости длительного хранения с целью дальнейшего использования для технических нужд, для питья и приготовления пищевых продуктов и т.д.).

При использовании предложенной ГДУ для обеззараживания и очистки сильно загрязненной воды (например, с показателем загрязненности ПЗ≥2 г/л), ее (ГДУ) изготавливают в следующих вариантах:

- или с дополнительной емкостью перед насосом 3, предназначенной для смешивания сильно загрязненной воды с чистой водой в пропорции, обеспечивающей наличие в смеси количества загрязнений, на окисление которых в емкости 9 создается соответствующее количество озона и возбужденного атомарного и молекулярного кислорода;

- или с дополнительной последовательно смонтированной после инжектора емкостью сбора и дегазации 7 и вторым блоком обеззараживания и очистки воды, аналогичным по агрегатам и характеристикам первому блоку (насос + инжектор), предназначенными для дообеззараживания и доочистки до норм Госсанэпиднадзора воды после первого блока, которую после дополнительной обработки во втором блоке ГДУ используют в промышленности, сельском хозяйстве, сбрасывают в природные водоемы.

Эффективность работы ГДУ зависит от температуры загрязненной воды - понижение ее температуры на каждые 10°С замедляет время химических реакций окисления кислородом органики и растворенных в ней веществ в 2-3 раза (переход электронов из атомов одних веществ в атомы других, Глинка Н.Л. Общая химия, 1965 г), поэтому известные ГДУ имеют длинные инжекторы (для увеличения времени контакта имеющихся в стоках веществ с саморазлагающимся озоном).

Для ускорения реакций окисления растворенных и взвешенных загрязняющих веществ сильно загрязненную воду (или ее смесь с чистой водой) в предложенной ГДУ могут нагревать до температуры Т=(20-65)°С нагревателями любого типа (в виде проточного косвенного теплообменника с горячим рабочим телом, прямого электронагревателя, в виде зеркал, фокусирующих отраженные солнечные лучи на емкости с загрязненной водой, и т.д.).

Выбор оптимального варианта конструкции ГДУ, величины разбавления сильно загрязненной воды чистой водой, температуры нагрева этой смеси, давления газожидкостной смеси на входе в конфузор 4, производят в каждом конкретном случае применительно к характеристикам обрабатываемой и разбавляющей воды, местным условиям, ТЗ Заказчика, и согласовывают с ним.

Расход подачи атмосферного воздуха в емкость 9, добавки в него чистого кислорода и/или озона, давление их смеси в емкости 9, мощность электроразрядника, озонатора, источника УФ-лучей, нагревателя загрязненной воды, в каждом конкретном случае определяют и рассчитывают применительно к производительности ГДУ, температуре и загрязненности исходной обрабатываемой воды, требуемой степени ее обеззараживания и очистки, виду использования воды после обработки в ГДУ, другим требованиям технического задания (ТЗ) Заказчиков.

При слабом загрязнении воды, необходимости смешения ее с чистой водой, подачи кислорода из источника 17 в емкость 9, применения озонатора 14, нагрева загрязненной воды перед ее подачей в насос 3, может не потребоваться (особенно во втором блоке доочистки загрязненной воды после ее обработки в первом блоке).

Предложенные технологии и ГДУ могут быть применены для обеззараживания и очистки воды, загрязненной растворенными в ней солями (вплоть до обессоливания морской воды), над чем авторы продолжают работать.

Изобретение относится к водоподготовке и предназначено для обеззараживания и очистки воды от микроорганизмов и растворенных в ней веществ. Гидродинамическая установка содержит блок обеззараживания и очистки, состоящий из насоса и инжектора, включающего конфузор, цилиндрическую камеру и диффузор. Цилиндрическая камера инжектора соединена с атмосферой через ёмкость, в которой смонтированы электрозарядник и источник УФ-лучей - бактерицидная кварцевая лампа с длиной волны 150-308 нм и энергией ≥5,26 эВ. Технический результат состоит в повышении эффективности гидродинамического обеззараживания, упрощении и удешевлении технологии очистки и обеззараживания загрязненной воды. 8 з.п. ф-лы, 1 ил.

1. Гидродинамическая установка обработки загрязненной воды, содержащая блок обеззараживания и очистки, состоящий из насоса производительностью G=(5-5000) м³/час и напором Р=(50-125) м, инжектора, включающего конфузор, цилиндрическую камеру и диффузор, в котором конфузор выполнен имеющим угол сужения В=(20±5)°, длину L=(0,05-0,3) м, диаметр выходного сечения d=(0,013-0,3) м с возможностью увеличения скорости потока воды до W≥25 м/с со снижением статического давления до Р=(0,6-0,8) ата и выделением растворенного в воде воздуха микропузырьками радиусом R≤100 мкм, а цилиндрическая камера выполнена имеющей диаметр d=(0,013-0,3) м, длину L=(5±1) м, соединена с атмосферой с возможностью увеличения скорости потока воды с уменьшением статического давления до Р=(0,3-0,2) ата и созданием монодисперсного турбулентного потока газожидкостной смеси, диффузор выполнен имеющим угол расширения β=(12±3)°, длину L=(0,12-0,055) м с возможностью уменьшения скорости потока с увеличением статического давления в потоке до Р>1 ата со схлопыванием и растворением в воде выделившихся из нее в конфузоре микропузырьков атмосферного воздуха, отличающаяся тем, что цилиндрическая камера инжектора соединена с атмосферой через емкость, в которой смонтированы: электроразрядник для накачки энергией молекул атмосферного кислорода и преобразования их в молекулы озона; и источник УФ-лучей - бактерицидная кварцевая лампа с длиной волны λ=(1500-3080) и энергией hν≥5,26 эВ для накачки квантами лучевой энергии молекул озона и преобразования их в возбужденный атомарный и/или молекулярный кислород.

2. Гидродинамическая установка по п. 1, отличающаяся тем, что емкость с электроразрядником и бактерицидной кварцевой лампой, через которую цилиндрическая камера инжектора соединена с атмосферой, параллельно подсоединена к озонатору для увеличения количества молекул озона в подаваемом в емкость атмосферном воздухе при обработке в цилиндрической камере инжектора сильно загрязненной воды.

3. Гидродинамическая установка по п. 1, отличающаяся тем, что цилиндрическая камера инжектора изготовлена с характеристиками, обеспечивающими критерий Рейнольдса в диапазоне R_e=1,7×10⁵-7,2×10⁶, критерий Вебера в диапазоне W_e=2,4×10⁴-1,9×10⁵.

4. Гидродинамическая установка по п. 1, отличающаяся тем, что внутренняя поверхность емкости изготовления озона и возбужденного атомарного и молекулярного кислорода покрыта светоотражающим материалом, предназначенным для отражения квантов лучевой энергии от источника УФ-лучей и использования их для образования озона и преобразования его в возбужденный атомарный и молекулярный кислород.

5. Гидродинамическая установка по п. 1, отличающаяся тем, что емкость для изготовления озона и возбужденного атомарного и/или молекулярного кислорода соединена через управляемый электроклапан, редуктор давления и дозатор с внешним источником сжатого газообразного кислорода для увеличения количества создаваемых в ней молекул озона и возбужденного атомарного и/или молекулярного кислорода и смонтирована непосредственно перед цилиндрической камерой инжектора.

6. Гидродинамическая установка по п. 2, отличающаяся тем, что озонатор выполнен с возможностью получения озона из атмосферного воздуха для емкости преобразования озона в возбужденный атомарный и/или молекулярный кислород перед вдувом его в цилиндрическую камеру инжектора и параллельно соединен через управляемый электроклапан, редуктор давления и дозатор с источником сжатого газообразного кислорода.

7. Гидродинамическая установка по п. 1, отличающаяся тем, что перед насосом, предназначенным для подачи загрязненной воды в инжектор, монтирована емкость смешения сильно загрязненной обрабатываемой воды с чистой водой.

8. Гидродинамическая установка по п. 1, отличающаяся тем, что после инжектора первого блока последовательно смонтированы емкость сбора обработанной в первом блоке обеззараживания и очистки сильно загрязненной воды, и второй блок обработки этой воды, аналогичный по составу агрегатов и их характеристикам первому блоку, и предназначенный для окисления загрязнителей и/или уничтожения микроорганизмов, оставшихся в воде после ее обработки в первом блоке.

9. Гидродинамическая установка по п. 1, отличающаяся тем, что емкость с загрязненной водой оснащена нагревателем воды до температуры Т (20-65)°С перед подачей ее в насос и далее в инжектор с возможностью ускорения химических реакций окисления (уничтожения) загрязнителей воды озоном и возбужденным атомарным и/или молекулярным кислородом за время их контакта.