Способ очистки и обеззараживания воды Российский патент 2023 года по МПК C02F1/78 C02F1/34 

Изобретение относится к способам очистки воды, и может быть использовано для очистки и обеззараживания воды, используемой в бассейнах и водоемах, а также подаваемой потребителям в жилые дома и различные учреждения.

Известен способ очистки и обеззараживания воды, заключающийся в том, что очищаемую воду и газ, содержащий озон, предварительно диспергированный в этой воде на пузырьки, пропускают через проточный реактор, содержащий одну или несколько насадок из нетканого волокнистого модуля, выполненных из прочных нитей полимерного материала, уложенных в проточном реакторе. Диспергация в воду газа с озоном производится в нижней части реактора. Направление потока воды в реакторе может быть прямым или обратным направлению всплывания пузырьков. (Патент РФ 2233246, опубл. 30.07.2003)

Недостатком известного способа является низкая эффективность процесса обработки воды, требующего большого количества времени для очистки воды от бактерий и других загрязнений.

Наиболее близким аналогом заявленным изобретениям является способ очистки воды, заключающийся в смешении очищаемой воды с воздушно-озоновой смесью, транспортировке образовавшейся смеси, растворении озона в воде, взаимодействии его с содержащимися в воде загрязнениями и последующем удалении нерастворенных компонентов загрязнений с применением адсорбции в среде озоносодержащего газа при концентрации в нем озона, соответствующего остаточному количеству нерастворенного озона в газоводяной смеси перед началом абсорбции, и осуществлении дополнительного окисления загрязнений на поверхности твердого адсорбента в процессе адсорбции загрязнений (Патент РФ 2102340, опубл. 20.01.1998).

Для реализации данного способа в озонаторе производят воздушно-озонную смесь, по гидравлической магистрали насосом подают воду, к ней примешивают воздушно-озонную смесь и подают все в адсорбер с твердым адсорбентом.

Недостатком данного способа является то, что он предусматривает использование озона в воздушно-озоновой смеси в количестве не менее 0,2 мг на литр смеси. После очистки в воде остается озон, который перед подачей воды потребителю требуется из нее удалить. Также процесс очистки воды от бактерий и других загрязнений требует достаточно большого количества времени. Таким образом известное решение является недостаточно эффективным.

Задачей, на решение которой направлено предлагаемое изобретение, является повышение эффективности очистки воды, за счет сокращения времени очистки воды, использования синергетического эффекта от совместного воздействия на воду ультразвуковой и гидродинамической кавитацией и озоном, а также снижения количества используемого озона.

Технический результат достигается тем, что в способе очистки и обеззараживания воды, заключающимся в смешении очищаемой воды с воздушно-озоновой смесью, смесь очищаемой воды и воздушно-озоновой смеси в соотношении их массового расхода от 3.44 до 3.45 подают в вихревой кавитатор с давлением не менее 2.0⋅10⁵ Па в виде по меньшей мере двух пространственно разделенных потоков, обеспечивают завихрение этих потоков в одном направлении, объединяют все завихренные потоки в общий поток с одновременным их перемешиванием в общем потоке, при этом содержание озона в воздушно-озоновой смеси составляет от 0.0028% до 0.003%, причем перекрывным краном, установленным на выходе из кавитатора обеспечивают перепад давления на вихревом кавитаторе от 1.5⋅10⁵ Па до 1.7⋅10⁵ Па, при этом перепад давления на перекрывном кране составляет не менее 0,5⋅10⁵ Па.

Обработка воды в вихревом кавитаторе, где на воду в смеси с воздушно-озоновой смесью оказывают совместное воздействие ультразвуковой и гидродинамической кавитацией, существенно сокращает время самой обработки воды, повышая эффективность процесса очищения и обеззараживания (уничтожения находящихся в воде микроорганизмов) воды. При этом весь процесс протекает в одном реакторе с использованием озона в таком количестве, которое позволяет ему окислить все загрязнения и при этом полностью разложиться.

Подача в вихревой кавитатор смеси очищаемой воды и озоносодержащего газа в соотношении их массового расхода от 3.44 до 3.45 позволяет на выходе из кавитатора получить воду и воздух без содержания в них озона. При соотношении массового расхода этих компонентов менее 3,44 может наблюдаться снижение эффективности обеззараживания воды. Подача в вихревой кавитатор смеси очищаемой воды и озоносодержащего газа в соотношении их массового расхода выше 3.45 приведет к выходу озона из устройства.

Содержание в воздушно-озоновой смеси озона от 0.0028% до 0.003% позволяет произвести очистку воды с оптимально возможным количеством озона, полностью разлагающимся в процессе обработки в вихревом кавитаторе. При содержании озона менее 0,0028% снижается качество очистки воды, а при содержании озона свыше 0,003%, увеличивается вероятность не полного разложения озона на выходе из кавитатора.

Поддержка перепада давления на перекрывном кране не менее 0,5⋅10⁵ Па обеспечивает максимальную эффективность работы вихревого смесителя.

Обеспечение перепада давления на вихревом кавитаторе от 1.5⋅10⁵ Па до 1.7⋅10⁵ также обеспечивает максимальную эффективность работы вихревого смесителя.

Предлагаемый способ реализуется в устройстве для очищения и обеззараживания воды, схема которого представлена на фиг. 1. На фиг. 2 отдельно представлен вихревой кавитатор.

Устройство для очистки и обеззараживания воды содержит гидравлическую магистраль 1, газовую магистраль 2, установленное на газовой магистрали 2 устройство для производства воздушно-озонной смеси - озонатор 3, соединенной с устройством 4 для подачи воздушно-озоновой смеси в воду, движущуюся по гидравлической магистрали 1. На гидравлической магистрали 1 на входе в устройство 4 установлены фильтр 5 грубой очистки и насос 6, подающий воду в устройство 4. Выход устройства 4 через кран 7 соединен с устройством для вихревого смешения воды и воздушно-озоновой смеси вихревым кавитатором 8, который содержит корпус 9 с размещенными в нем вихревыми трубами 10 с вводами 11 для подачи в каждую из них воды с воздушно-озонной смесью для формирования в каждой из вихревых труб 10 завихренного потока с общим для всех направлением завихрения, общей камерой 12, сформированной на конечном участке всех вихревых труб 10 за счет их пересечения по образующим. Внутренняя поверхность общей камеры 12 выполнена с цинковым покрытием толщиной от 0.01 до 0.1 мм. В вихревых трубах 10 расположены вытеснители 13, выполненные в виде стержней. На выходе из общей камеры установлен конфузор 14, имеющий, например, конусообразную форму. На выходе кавитатора 8 установлен фильтр тонкой очистки воды 15 и перекрывной кран 16 для отгрузки очищенной воды потребителю. Также на входе и выходе кавитатора 8 установлены манометры 17 и 18. Перед перекрывным краном 16 установлен манометр 19.

Выход из кавитатора 8 соединен обводной магистралью 20 через кран 21 с выходом устройства 4 для подачи воздушно-озонной смеси в воду. При закрытом кране 7 и открытом кране 21 поток идет в обход кавитатора 8.

Способ очистки и обеззараживания воды осуществляется следующим образом.

Посредством насоса 6, предварительно очищенная в фильтре 5 вода совместно с воздушно-озоновой смесью, подготовленной в озонаторе 3 с содержанием озона в данной смеси, составляющим от 0.0028% до 0.003%, подается в устройство 4 для подачи воздушно-озоновой смеси в воду. Воздушно-озоновая смесь при этом подсасывается в воду или подается под напором. Смесь воды с воздушно-озоновой смесью в соотношении от 3.44 до 3.45 по массе подается через вводы 11 в вихревые трубы 10 кавитатора 8. Смесь подается с напором, составляющим не менее 3.0⋅10⁵ Па. Для принудительного создания вихря в каждой вихревой трубе 10 установлен вытеснитель 13, наличие которого заставляет завихренный поток отжиматься к стенке вихревой трубы 10. В воде образуются паровые пузырьки. Вытеснитель 13 выполнен так, что соотношение площади сечения вихревой трубы 10 и площади сечения вытеснителя 13 по мере продвижения в направлении протекания соответствующего потока постоянно уменьшается. То есть просвет в вихревой трубе 10 из-за расширяющегося вытеснителя 13 (либо при постоянном сечении вытеснителя 13 из-за сужающейся вихревой трубы 10) постоянно уменьшается, заставляя завихренный поток ускоряться.

Вихри воды, пара, смеси воздуха и озона сталкиваются в общей камере 12, где осуществляется ультразвуковая и гидродинамическая кавитационная обработка смеси. Воздух, озон и очищаемая вода тщательно перемешиваются. Паровые пузырьки, образовавшиеся в воде, схлопываются с образованием центров высокого давления и высокой температуры, что обеспечивает полное разложение озона (уничтожение им бактерий и др.). Таким образом на выходе из устройства в смеси воздуха и воды озон полностью отсутствует.

Дополнительное ускорение выходного потока обеспечивается конфузором 14 представляющим собой, например, конус и установленным на выходе из общей камеры 12.

В процессе очистки воды посредством перекрывного крана 16 на кавитаторе 8 обеспечивают перепад давления от 1.5⋅10⁵ Па до 1.7⋅10⁵ Па, а на самом кране 16 обеспечивают перепад давления не менее 0.5⋅10⁵ Па.

Таким образом, предлагаемый способ очистки и обеззараживания воды заключается в следующем.

В вихревой кавитатор 8 подают смесь очищаемой воды и воздушно-озоновой смеси в соотношении их массового расхода от 3.44 до 3.45, причем содержание озона в воздушно-озоновой смеси составляет от 0.0028% до 0.003%. Данную смесь подают в вихревой кавитатор 8 в виде по меньшей мере двух пространственно разделенных потоков с давлением не менее 3.0⋅10⁵ Па. Эти потоки обеспечиваются наличием в кавитаторе 8 вихревых труб 10, которые обеспечивают завихрение всех упомянутых потоков в одном направлении, после чего все завихренные потоки сталкивают в общий поток в общей камере 12 с одновременным перемешиванием, после чего ускоряют общий поток в конфузоре 14, при этом, перекрывным краном 16, установленным на выходе из кавитатора 8 обеспечивают перепад давления на вихревом кавитаторе 8 от 1.5⋅10⁵ Па до 1.7⋅10⁵ Па, а перепад давления на перекрывном кране 16 обеспечивают не менее 0,5⋅10⁵ Па.

Технический результат, достигаемый предлагаемым изобретением, был подтвержден экспериментальным путем.

В ходе проведенных экспериментов использовали насос мощностью 3 кВт, с расходом воды 1200 л/час; озонатор с производительностью озона 10 г/час (Портативные керамический генератор озона ATWFS 220 В/110 В 10 г). При работе озонатора и устройства в целом обеспечивали содержание озона в воздушно-озоновой смеси от 0.0028% до 0.003%.

Манометры 17 и 18 расположенные на входе и выходе вихревого кавитатора 8 использовали для контроля давления в гидравлической магистрали. Кроме того, посредством манометра 19 контролировали давление перед краном 16, а также за краном 16 по движению воды и воздуха.

Для проверки эффективности работы устройства, реализующего предлагаемый способ, проверяли содержание бактерий в воде до эксперимента и после эксперимента.

Вот всех нижеописанных экспериментах применяли методику батистовых тестов. В качестве тест-микроорганизмов была использована культура E.coli (1257) + 40% лошадиной сыворотки. Фактическое количество клеток кишечной палочки в 1 мл приготовленной суспензии составило 8,5×10⁸. Лошадиная сыворотка выполняла роль защиты культуры от внешнего воздействия. Суспензию выливали в воду. В 10 литрах воды содержалось 8,5×10⁸ ед. бактерий.

В ходе эксперимента №1 проверяли эффективность очистки и обеззараживания воды при использовании только кавитатора 8, при этом озонатор 3 выключили. Вданном эксперименте полное уничтожение бактерий достигалось за 350 секунд работы устройства. В воде не обнаруживали следы бактерий.

В ходе эксперимента №2 проверяли эффективность очистки и обеззараживания воды только при использовании озонатора 3. Кавитатор 8 был выведен из работы. Кран 7 закрыт, кран 21 открыт. Смесь воды, воздуха и озона прокачивалась в обход кавитатора 8 по гидравлической магистрали 1.

В результате эксперимента установлено, что полное уничтожение бактерий достигалось за 730 секунд работы устройства. В воде не обнаруживали следы бактерий.

В ходе эксперимента №3 проверяли эффективность совместной работы кавитатора 8 и озонатора 3. Установлено, что полное уничтожение бактерий достигалось за 60 секунд работы устройства. В воде не обнаруживали следы бактерий. В данном эксперименте также было установлено существенное сокращение содержания в воде минералов (например, железа - в 3.5 раза; нитратов - на порядок).

Также в данном эксперименте установлен аналогичный (вышеописанному) результат при уничтожении яиц аскарид и др.

Вышеописанными сравнительными экспериментами показано достижение существенного сокращения времени очистки и обеззараживания воды.

Изобретение относится к способам очистки воды, и может быть использовано для очистки и обеззараживания воды, используемой в бассейнах и водоемах, а также подаваемой потребителям в жилые дома и различные учреждения. Способ заключается в подаче очищаемой воды вместе с воздушно-озоновой смесью при содержании в ней озона от 0.0028% до 0.003% в смеситель, представляющий собой вихревой кавитатор. Смесь очищаемой воды и воздушно-озоновой смеси подают в вихревой кавитатор с давлением не менее 3.0⋅10⁵ Па в виде по меньшей мере двух пространственно разделенных потоков в соотношении их массового расхода от 3.44 до 3.45. В кавитаторе обеспечивают завихрение всех упомянутых потоков в одном направлении и объединяют все завихренные потоки в общий поток с одновременным их перемешиванием в общем потоке. Перекрывным краном, установленным на выходе из кавитатора, обеспечивают перепад давления на вихревом кавитаторе от 1.5⋅10⁵ Па до 1.7⋅10⁵ Па. Перепад давления на самом перекрывном кране обеспечивают не менее 0,5⋅10⁵ Па. Технический результат: повышение качества и эффективности очистки воды, за счет сокращения времени очистки воды, использования синергетического эффекта от совместного воздействия на воду ультразвуковой и гидродинамической кавитацией и озоном, а также снижения количества используемого озона. 3 пр.., 2 ил.

Способ очистки и обеззараживания воды, заключающийся в подаче очищаемой воды с воздушно-озоновой смесью в смеситель, отличающийся тем, что в качестве смесителя используют вихревой кавитатор, при этом смесь очищаемой воды и воздушно-озоновой смеси подают в соотношении их массового расхода от 3,44 до 3,45 в виде, по меньшей мере, двух пространственно разделенных потоков с давлением не менее 3,0⋅10⁵ Па, обеспечивают завихрение всех упомянутых потоков в одном направлении, объединяют все завихренные потоки в общий поток с одновременным их перемешиванием в общем потоке, при этом содержание озона в воздушно-озоновой смеси составляет от 0,0028% до 0,003%, причем перекрывным краном, установленным на выходе из кавитатора, обеспечивают перепад давления на вихревом кавитаторе от 1,5⋅10⁵ Па до 1,7⋅10⁵ Па, при этом перепад давления на перекрывном кране составляет не менее 0,5⋅10⁵ Па.