Способ очистки сточных вод от органических веществ

 

(19) RU (11) (51) 5 С 2 F1 32

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИ

К ПАТЕНТУ

Комитет Российской Федерации по патентам и товарным знакам (21) 5014596/26 (22) 29.11 91 (46) 30.10.93 Бюл. Йв 39-40 (71) Малое научно-производственное предприятие

"Мелит та" (72) Анастасиева IlA; Кгмруков А.С„Лакоба И.С„

Мащенко 4B.; Овчинников ПА; Тепенков И.N„LLlawковский С.Г„Яповик М.С. (73) Малое научно — производственное предприятие

"Мелитта" (54) СПОСОБ ОЧИСТКИ СТОЧНЫХ ВОД ОТ

ОРГАНИЧЕСКИХ ВЕЩЕСТВ (57) Исполь-.ование: при очистке городских и промышленных стоков, а также сточных вод сельскохозяйственных комплексов от органических соединений различных классов. Сущность изобретения: обработку сточных вод осуществляют ультрафиолетовым излучением сплошного спектра При этом используют источники УФ-излучения на основе импульсных эпктрических открытых или ограниченных кварцевой стенкой разрядов в газах или парах металлов и диэлектриков с плотностью импульсной мощности, вкладываемой на единицу длины межзлектродного промежутка, не менее 10 Вт/м е

Длительность импульса излучения при обработке

-е -4 составляет 10 -5x tO с при плотности мощности

УФ-излучения на единицу поверхности обрабатываемой сточной воды не менее 100кВт/м. 1 зл.ф-пы, 4 табл.

2001882

Изобретение относится к технологии очистки сточных вод от органических соединений различных классов, в частности от поверхностно-активных веществ (ПАВ), хлорсодержащих углеводородов, пестицидов, ароматических соединений, антибиотиков и т.п„и может быть использовано при очистке городских и промышленных стоков, а также сточных вод сельскохозяйственных комплексов.

Известны способы очистки и обезвреживания сточных вод путем их обработки

УФ-облучением. Для этой цели широко используют ртутные кварцевые лампы высокого. среднего и низкого давлений. 15

Однако все известные способы обеззараживания и очистки сточных вод с применением названных устройСтв не позволяют достичь высокой степени очистки, поскольку ртутно-кварцевые лампы характеризуют- 20 ся преимущественно линейчатым эмиссионным спектром и имеют низкую светоотдачу и мощность излучения в области длин волн, соответствующих оптимальным условиям деструкции ряда 25 органических соединений, таких, например, как пестициды, ПАВ, антибиотики и др.

Применение высокоинтенсивных источников облучения, таких как УФ-лазеры. используемые в целях дезинфекции и 30 стерилизации воды, также ограничено ввиду узкого спектрального диапазона эмиссии, в котором работают названные устройства.

Недостатком укаэанных способов явля- 35 ется невысокая степень очистки сточных вод, содержащих различные органические примеси. Причина этого заключается в избирательном деструктивном действии весьма узкой полосы спектра на какое-либо одно 40 или группу органических веществ, находящихся в сточной воде, спектр адсорбции которых соответствует спектру эмиссии УФисточника. Содержание жв других веществ, не соответствующих данным условиям, ос- 45 тается в сточной воде беэ изменений. Таким образом, для обеспечения высокой степени очистки сточных вод от органических соединений различной природы необходимы источники УФ-излучения, характеризующиеся 50 непрерывным спектром эмиссии и высокой спектральной интенсивностью в диапазоне длин волн. соответствующих оптимальным условиям деструкции органических соединений (Л = 190-300 нм). 55

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому является способ УФобработки сточных вод, содержащих органические примеси, путем облучения ртутно-кварцевой лампой среднего давления в импульсном режиме с частотой импульсов 2,5 10 — 100 Гц и периодом облучения 102 — 1,8 10 с.

Применяемый в данном случае импульсный режим обработки является более благоприятным, чем непрерывный, с точки зрения сокращения времени обработки и снижения энергетических затрат. Однако указанный способ не обеспечивает высокой степени деструкции органических соединений, содержащихся в сточных водах, по причине низкой светоотдачи и линейчатого характера спектра ртутно-кварцевой лампы в области длин волн, соответствующих оптимальным условиям деструкции ряда органических соединений (антибиотики, пестициды, ароматические соединения).

Предлагаемый способ направлен на повышение эффективности и улучшение экологических показателей технологических процессов фотохимической очистки жидких стоков, содержащих органические соединения, в первую очередь на существенное увеличение очистки сточных вод, снижение энергетических затрат, повышение производительности очистных установок и уменьшение факторов риска антропогенного загрязнения окружающей среды.

УФ-обработку сточных вод в импульсном режиме осуществляют с помощью источников, обладающих сплошным (непрерывным) спектром эмиссии в УФ-области с Л = 190-300 нм, соответствующей условиям деструкции органических соединений, В качестве таких источников в предлагаемом способе используют открытые или ограниченные кварцевой стенкой импульсные электрические разряды в газах или парах металлов и диэлектриков с плотностью импульсной электрической мощности, вкладываемой на единицу длины межэлектродного промежутка, не менее 10 Вт/м.

При этом длительность импульса при обработке должна составлять 10 -5 10 с при плотности мощности УФ-излучения на единицу поверхности обрабатываемой сточной воды не менее 100 кВт/м2.

При реализации способа открытый электрический разряд создается путем импульсного разряда емкости на межэлектродный промежуток различной геометрии и протяженности. Способы инициирования и формирования таких разрядов могут быть различными: с помощью электрического взрыва тонких металлических проводников (проволочек или фольг), скользящего по поверхности диэлектрика разряда, каскадного пашеновского разряда по поверхности диэлектрика, пробоя по аморфизированному

2001882 ферриту и др. Существенно, что спектрально-яркостные характеристики излучения таких разрядов слабо зависят от способа формирования, а определяются в основном плотностью импульсной электрической 5 мощности, вкладываемой на единицу длины межэлектродного промежутка. Импульсный разряд в газах или парах металлов и диэлектриков, ограниченный кварцевой стенкой, реализуется в известных газонаполненных 10 и вакуумных лампах.

В гаэонаполненных лампах разряд осуществляется, как правило. в среде инертных газов (чаще всего в ксеноне — стандартные импульсные лампы типа ИФП), их смесях 15 или смесях инертных газов с парами металлов (ртутно-ксеноновые импульсные лампы). В вакуумных лампах электрический разряд развивается в парах материала испаряющейся кварцевой стенки (вакуумные 20 кварцевые лампы) или зрозионных парах конструкционных элементов электродной системы (плазмодинамические лампы типа

ПДЛ-20).

Данный способ соответствует требова- 25 ниям применения в промышленности поскольку основан на использовании известных и широко применяемых технических средств, работающих в определенном режиме.. 30

Влияние характера эмиссионного спектра (сплошной или линейчатый) УФ-источника излучения показано на примере 1.

Пример 1. Для исследований выбирают модельные растворы в дистиллирован- 35 ной воде органических соединений различных классов: октадецилсульфата (ПАВ, компонент моющих средств), ампинициллина (антибиотик), пикриновой кислоты и четырех различных пестицидов (карбофо- 40 са, байлетона, кельтана и ридомила). Концентрация веществ в модельных растворах соответствует концентрации реальных промышленных сточных вод и изменяется от 3 до 70 мг/л для различных типов загрязне- 45 ний. Исходные концентрации модельных растворов указаны в табл.1.

Контроль концентрации веществ до и после облучения осуществляют методами газожидкостной хроматографии для пести- 50 цидов, спектроколориметрии для ПАВ и спектрофотометрии для ампициллина и пикриновой кислоты.

Исследуемые растворы в количестве 50 мл заливают в чашки Петри (облучаемая пе- 55 верхность 70 см2, толщина слоя 0,75 см) и помещают на расстоянии 5 см от оси источника излучения.

В качестве источников УФ-излучения используют

400 Вт

Обработку растворов УФ-излучением проводят в таких режимах, чтобы общие энергетические затраты на облучаемую поверхность для каждого источника излучения (лампы ДРТ-400 в импульсной лампы ИФП5000) были одинаковые. Это обеспечивается соответствующим выбором длительности облучения растворов непрерывной лампой

ДРТ-400 и числа импульсов засветки импульсной лампой ИФП-500.

Сравнение эффективности УФ-очистки растворов от ерганических веществ с использованием источников излучения различных типов проводят по величине конечной концентрации примеси и по степени очистки, которая определялась как отношение исходной концентрации растворенного органического вещества к конечной.

Результаты исследований приведены в табл.1.

1. Стандартная ртутно-кварцевая лампа среднего давления типа ДРТ-400, широко применяемая в известных способах УФ-обработки сточных вод.

Ее параметры:

Спектр излучения Линейчатый

Режим работы Непрерывный

Электрическая мощность

Диаметр кварцевой оболочки 20 мм

Межэлектродное расстояние 120 мм

Плотность мощности

УФ-излучения на поверхности растворов 1,7 кВт/м

2. Стандартная импульсная ксеноновая лампа ИФП-5000 с параметрами

Спектр излучения Сплошной

Режим работы Импульсный

Диаметр кварцевой оболочки 20 мм

Межзлектродное расстояние 250 мм

Электрическая энергия разряда 900 Дж

Длительность вспышки 8. 10 5 с

Погонная электрическая мощность разряда 4,5 10 Вт/м

Плотность мощности

УФ-излучения на поверхности растворов 16,8 М Вт/м

Измерение плотности мощности и энергии УФ-излучения осуществляют стандартным калориметром ТПИ-2М (импульсное излучение) и приемником ППИ-5 (непрерывное излучение).

2001802

Анализ полувоенных результатов показывает, что при равной энергетической дозе

УФ-облучения, или равных энергозатратах) излучение сплошного спектра (лампа ИФП5000) обеспечивает существенно более вь<- 5 сокую эффективность очистки сточных вод, чем УФ-излучение линейчатого спектра (лампа ДРТ-400), причем эффект набл<одается для всех типов загрязнений независимо от их исходной концентрации в сточной во- 10 де.

Влияние плотности мощности УФ-излучения на поверхности обрабатываемой сточной воды приведено в примере 2, Пример 2. Обработку сточных вод 15 (карбофос, ампинициллин и пикр<41<овая кислота) осуществляют s усло<<1««ях примера

1, но с использованием в качестве импульсного источ <ика УФ-излучения вакуумными плазмодинамической лампы ПДЛ-20, В лам- 20 пах такого типа электрический разряд развивается в эрозионных парах материалов электродной системы (металлы и диэлекгрики) и материала кварцевой оболочки. Г!араметры используемой в опытах ла<лпь< 25

ПДЛ-20 составляют

Спектр излучения С;-лошной

Режим работы 1«<;ульс<1ый

Д.,аметр кварцевой оболочки 65 мм J

Свг эвая длина лампы 270 «лм

Электр<<чес<.ая энергия разряд«а 20 <«Дгк

Дл«тельнисть вспышки 2,5: 10 с

Погоннал электрическая 35 мощность разряда 2 11 0" В 7/M

Плотность мощности УФ-излу «е«ия HB поверхности облучаемых рас:творе в <<:»р. .-ируют в диапазоне 50-5000 кВт/-. <<утем изменения расстояния от ос«:а<<пы до 10 кюветы с растворами, при этом исло импульсов засветки подбираю таким, чтобы суммарная энергетическая доза УФ-излучения (в Дж/м ) была одинаковой во всех проВоди мы х о Il ы та к. 45

Результаты экспериментов приведены в табл.2.

Из табл.2 видно, что при одних и тех ж:: суммарных энергозатратах, но при плотно- 50 сТАх мощности УФ-излучения на поверхности сточной воды менее 100 кВт/м эффективность очистки заме гно снижаетсч такие режимы обработки становятся энер гетически невыгодными. 55

Естестаенно, что верхнюю <раницу

lllloTHocTpI мощности излучен<л=. «а поверхности облучае1лой сточной воды апреqen

Влияние длительности импульса УФ-излучения нэ эффективность очистки сточных вод иллюстрирует пример 3, Пример 3. Обработку сточных вод (кельтан и сктадецил сульфат натрия) осуществляют в условиях примера 1, но с использованием в качестве импульсного источника

УФ-излучения открытого поверхностного разряда в воздухе, инициируемого с помощью механизма каскадного пашеновского пробоя, В экспериментах используют разряды длиной 25 см, развивающиеся по поверхности фторопластояой плиты в воздухе нормальной плот<<ости. Режимы работы разрядов и параметры электротехнического кон гура подгл ра<от таки<414, чтобы а) эмиссионный спектр в УФ-области был преимущест <е

5 2. составляла <<с. менее 10 Вт/гл; в) плотность импульсной электрической мощности, в;ладыгаемой на единицудлины межа",актов, 1<«ого промежутка, составляла

i .å менее 10 T/м; г) cyl<<4 p<11.;e .

Варь«ро«<ание длительностью импульса излучения в пределах 10 -10 с. осуществ-з ляют путем изменения емкости конденса-орной ба гэреи, питаю цей разряд, и индуKT<" ь« =от и элект ротехнического контура

Параметры разрядов и полученные результаты экспериментов по фотоочистке модельных растворов органических веществ приведены в табл,3, <:ак следует из полученных эксперимен<альных данных, заявленный в предлагаемом способе диапазон длительностей и<лпу«<ьссв представляется оптимальным с точки зре««<я как гехнического, так и энерreTI4«e ко<о обеспечения пооцесса очистки, формиро«<ание более коротких импульсов, длительность которых меньше 10 с, связа-в но с I eo5, оди«лостью использования сложной преобразовательной техники, что неизбежно ведет к снижению КПД импульсHblx источников и, следовательно, к уменьшению степени очистки. С другой стороны, < ак следует из экспериментальных данных (табл.3,, увеличение длительности вспышки

-4 бог«ее;«10 с также ведгт к снижение

2001882

35

55 эффективности процесса фотоочистки и существенному увеличению энергозатрат, необходимых для заданного снижения индекса загрязненности.

Таким образом, анализ результатов экспериментов, представленных в примерах 1 — 3, показывает, что при выполнении условий. определенных п.1 формулы предлагаемого изобретения, достигается высокая эффективность использования

УФ-излучения для очистки сточных вод от растворенных органических соединений различных классов. При этом показана возможность использования для фотоочистки источников УФ-излучения различных типов открытых или органических кварцевой стенкой импульсных электрических разрядов в газах иги парах металлов и:,иэлектриков.

Однако суммарные энергозэтраты на фотоочистку определяют не только эффективность процессов деструкции органических веществ УФ-излучением, но и эффективностью преобразования первичной электроэнергии в УФ-излучение нужного спектрат ьного диапазона (А = 190 — 130 нм), т.е. КПД применяемых источников излучения.

Проведенные исследования показывают, что высокую эффективность r..àöåñса очистки сточных вод в целом можно достигнуть в таких режимах р:., оты импульсных электри еских разрядоо, по:«vтopыx плотность импульсной электрическо.1 мощности. аклаpûваеMой:;а единицу длины межэлектродного промежутка разряда. 6îставляет не менсе 10 Вт/м, 6

Сказанное подтверждается примером 4.

Влияние погонной плотности импульсной злектрическои могцности, Пример 4. Обработку сточных всд (байлетон и ридомил) осуществляют в условиях примера 1, но с использованием в качестве источника УФ-излучения стандартной импульсной ксеноновой лампы ИФП-20000 с параметрами

Спектр излучения Сплошной

Режим работы Импульсный

Диаметр кварцевой оболочки 20 мм

Длина межэлектродного промежутка 580 мм

Длительность вспышки 4 . 10 с

-4

Электрическую энергию разряда и соответственно величину плотности импульсной мо цности на единицу длины межэлектродного промежутка варьируют путем изменения емкости конденсаторной батареи и величины зарядного напряжени:, до которого заряжают конденсаторы. Световое выход лампы и КПД в спектральной полосе ).=

190-300 нм измеряют с гомошь о калориметрического приемника ТПИ-2 со светофильтром.

Режимы облучения растворов подбирают такими. чтобы плотность мощности УФизлучения на поверхности облучаемых растворов составляла не менее t00 кВт/и, а число импульсов засветки задаеот из условия равенства суммарных энергозатрат первичной электроэнергии в каждом проводимом эксперименте.

Параметры исследованных режимов облучения и результаты измерений представлp÷hl в табл.4.

Как следуе-, из анализа полученных данных, при значениях плотности импульсной мощности, Ркладываемой на единицу длины ь1ежэлектрг,;ного промежутка, еленьших 10

Вт/ел, существенно снижается спектральный КПД лампы в УФ-области спектра и зае етно уменьшается эффективность очистки растворов от органических примесей, Это связано с тем, что при РЕ < 10 Вт/м температура электроразрпдной плазмы таком, то максимум сг ектра излучения сдвигается е. L,,1äèl1ólñ сбллст, =оответственно

УЛ Е. Е:Шавтея МОЩНОСТЬ и ОтНЛСИ1ЕЛЬHk. l1, ьаол "D-из „ения, Тлкиг ре имы работы

YÔ и .гочников сBp, знергеп вски неэффективны.

Верхнюю границу погонной элзктричеС.,ей мОЕЦНОСТЕ1 РЯЗРЯДа f l " ОПРЕГЕЛЯЮт т.1 п.7м, исi ользуемо о источника l1. ;nó÷åíèë: длЯ ламповых источников величина Р; ограничена сверху прочностными характеристиками кварцевоЙ оболочки; для открытых .1злучателей при Рь p 10 Вт/и воз;.1ожен перегрев пл-змы и сдвиг макс.1елум. эелиссионного спектра в далекую»акуумную УФ-область. Как следстт;ие КПД исто«ника l" злучения в ближней УФ-оГ.:.асти сп к .ра будет невысоким. Кроме того, при

r hысс»;их значениях Р1 возникают серьезные пр. 6лемы с обеспечением большого ресур6а работы источника излучения. Оптимальнь е с точ. .è зрения энергетической эффективности фотоочистки значения Р по-видимому, лежат в диапазоне 10 -10

Вт/м и в значительной степени зависят от кон=труктивного исполнения источника изп ó ÷ рп1 è ÿ .

Таким образом, предложенный способ позволяет достичь более высокой степени о. истки сточных вод от органических веществ по сравнению с известными способами, ис lîëüзуloùèìè УФ-îбрабoòêó. К другим преимуществам данного се особа можно отнести улучшение зксплуатациан2001882

Таблица 1 ных характеристик и в первую очередь более высокий рабочий ресурс используемых. источников облучения перед дуговыми ртутными лампами, а также предпочтительность их использования в погружном варианте ввиду экологической безопасности: в отличие от ртутных ламп разрушение импульс.ной лампы не приводит к токсичным выбросам в окружающую среду.

В реальных сточных водах могут содержаться взвешенные вещества различной природы, присутствие которых сильно изменяет (no сравнению с модельными растворами) оптические свойства стоков, увеличивая поглощение и рассеяние света в

УФ-области, что может привести к существенному снижению степени очистки. Поэтому для обеспечения условий эффективной

УФ-обработки сточных вод необходима предварительная подготовка стоков к облу чению с помощью известных методов: фильтрования, отстаивания. коагулировэния взвешенных веществ и т.п. Для повышения прозрачности стоков УФ-облучение сточ5 ных вод можно проводить в проточном режиме, согласуя скорость и гидродинамическое состояние потока с другими рабочими параметрами. При этом в зависимости От Оптической плОтнОсти по10 ступающей на обработку сточной воды варьируют толщину облучаемого слоя. (55) Заявка Великобритании

tk 2023980, кл. С 02 F1/32,,1980.

15 Патент ФРГ Й 3710250, кл. С 02 F 1/32, 1988.

Европейский патент М 201650, кл. С 02

F 1/32. 1986.

Авторское свидетельство СССР

20 Ю 998370, кл. С 02 F 1/30, 1981.

14

2001882

Таблица2

П р и м е ч а н и е. Поверхностную плотность мощности УФ-излучения

Рэ измеряют в (кВТ/м )

ТаблицаЗ

П р и м е ч а н и е. Ф4 — электрическая энергия разряда; t — длительность вспышки;

Р— погонная электрическая моарюость разряде; Ps — поверхностная плотность импульсной мощности УФ-излучения; М вЂ” число иэпвуаьоев засветки; W — суммарные знергоэатраты;

С» конечная концюнтф3вций ергвничесзки 0 вещества Co/C» степень очистки.

2С01882

1б

Таблица4

П р и м е ч а н и е, gag — спектральный КПД лампы в области Л =- 190-300 нм, Составитель А. Камруков

Редактор М. Стрельникова Техред M.Mîðãåíòàë Корректор Л, Ливринц

Тираж Подписное

НПО "Поиск" Роспатента

113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., 4/5

Заказ 3153

Производственно-издательский комбинат "Патент", г. Ужгород, ул. Гагарина, 101

Формула изобретения

1 СПОСОБ ОЧИСТКИ СТОЧНЫХ ВОД

OT ОРГАНИЧЕСКИХ ВЕЩЕСТВ, включаю щий импульсную обработку источни ом

УФ-излучения, отличающийся тем, что обработку осуществляют источником УФ-излучения сплошного спектра с †° — 4 длительностью импульса 10 — 5 ° 10 с и плотностью импульсной мощности излучения на единицу поверхности обрабатываемой сточной воды не менее 100 кВт/м .

2. Способ по v 1, отличающийся тем, что в качестве источников УФ-излучения сплошного спектра используют открытые или ограниченные кварцевой стенкой импульсные электрические разряды в газах или парах металлов и диэлектриков с плот

HQcThlG импульсной электрической мощности, вкладываемой на единицу длины межэлектродного и ромежутка, не менее

10 Вт/м.