Способ обеззараживания жидкостей

 

В обеззараживаемую жидкость перед зоной разряда вводят дополнительные электроды из тяжелых металлов, обработку в проточном режиме ведут при одновременном воздействии тлеющего разряда постоянного напряжения 0,5 8,0 кВ и силе тока 40,0 200 мА и ультразвука 20 30 кГц при давлении в зоне реакции 0,1 100 мм рт. ст. и температуре ниже температуры кипения обрабатываемой жидкости, при этом один или оба электрода размещены в газовой фазе на расстоянии 0,5 30,0 мм от поверхности обрабатываемой жидкости. 1 табл.

Изобретение относится к охране окружающей среды, в частности к способам обеззараживания хозяйственных и технических вод, и может быть использовано в качестве способа для обеззараживания любых жидких сред.

Известен способ обеззараживания сточных вод (СВ) производств медицинских препаратов, заключающийся в том, что перед их сбросом в городскую канализацию применяют каталитическое окисление Н₂О₂ с гетерогенными катализаторами (пиролюзит, силикагель с палладиевым покрытием или окислением Н₂О₂ и действием УФ-излучения). Обработанная вода нетоксична по отношению к микроорганизмам активного ила и может быть направлена на сооружения биохимической очистки.

Недостатками известного способа являются: высокая длительность процесса; многостадийность способа, обусловленная необходимостью последующей биохимической очистки; высокие материальные затраты, связанные с расходованием реагентов; необходимость регенерации катализатора.

Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату к изобретению является способ обеззараживания СВ, включающий обработку жидкости высоковольтным импульсным разрядом, создаваемым над ее поверхностью.

В качестве одного из электродов используют поверхностный слой жидкости. Процесс осуществляют в присутствии кислородсодержащего газа (технический кислород), при амплитуде напряжения высоковольтного импульсного разряда 100-500 кВ, который обеспечивает условия значительного повышения температуры кислородсодержащего газа. В реакционной камере образуются ионы: О^-, О₂^-, О₃^-, ОН^- и другие, возникающие в процессе непрерывно следующих дискретных импульсных разрядов, и происходит ряд химических реакций с дополнительным образованием окислителей. При этом толщина слоя жидкости 1-5 мм. Промышленные стоки и другие жидкости, обрабатываемые по данному способу, предварительно подвергают фильтрации.

Основными недостатками прототипа являются: высокая продолжительность процесса; многостадийность способа, обусловленная необходимостью предварительной фильтрации СВ и последующей обработкой высоковольтным импульсным разрядом; необходимость высоких требований к технике безопасности, связанные с получением высоковольтного импульсного разряда напряжением 100-500 кВ и присутствия высокотоксичного озона; высокие материальные и энергетические затраты, обусловленные необходимостью присутствия в зоне реакции кислородсодержащего газа (кислород технический О₂ 93% N₂ 7%).

Целью изобретения является сокращение времени обработки, упрощение процесса и повышение его безопасности.

Это достигается тем, что в известном способе обеззараживания СВ, включающем обработку жидкости высоковольтным разрядом, согласно изобретения процесс ведут в проточном режиме при прохождении жидкости через зоны совместного действия ионов тяжелых металлов, образующихся при наложении электрического поля на пластину или сетку из соответствующего металла, вводимую в зону реакции, ультразвуковых волн частотой колебаний 20-30 кГц и тлеющего разряда постоянного напряжения 0,35-8 кВ, силе тока 40-200 мА, давлении в зоне реакции 0,1-100 мм рт.ст. температуре ниже температуры кипения раствора, при этом анод и/или катод расположен над поверхностью обрабатываемой жидкости на расстоянии 0,5-30 мм.

При прохождении жидкости через зоны действия тлеющего разряда, а, следовательно, через электрическое поле, микроорганизмы, имеющие отрицательный заряд, концентрируются вблизи поверхности раствора. Указанный эффект усиливают сорбционные процессы выделяющегося водорода в результате действия тлеющего разряда, а поток энергии 100 эВ и действие заряженной частицы Н₂О+ вызывают процессы, приводящие к гибели или разрушению микроорганизмов. Названная частица возникает только в условиях тлеющего разряда (т.е. при пониженном давлении, когда над поверхностью жидкости возникают пары воды). В этой связи большое значение имеет размер зоны контакта разряда с жидкофазным реагентом, которая увеличивается с понижением давления, а энергозатраты при этом значительно снижаются. Установлено, что оптимальным расстоянием расположения анода и/или катода над поверхностью жидкости является величина, не превышающая 30 мм. Это связано с формированием зон тлеющего разряда. При удалении анода от поверхности жидкости на большую величину энергозатраты значительно увеличиваются.

Ведение процесса возможно при различном расположении электродов: анод в жидкости, катод в газовой фазе; катод в жидкости, анод в газовой фазе; анод и катод в газовой фазе. В последнем случае необходимо соблюдать условие, которое предполагает, что сопротивление между электродами должно быть больше сопротивления между каждым электродом и обрабатываемой поверхностью воды.

При реализации схемы, предполагающей расположение катода в газовой фазе, необходимо его охлаждение, например пропускание воды через полый электрод. В противном случае возникает локальный перегрев, и электрод выйдет из строя.

Необходимо подчеркнуть, что при всех схемах обработки жидкостей, достигаемый результат практически одинаков. Приведенные данные для случая анода приемлемы для двух других вариантов. Основным критерием выбора материала электродов является их электропроводность и эрозионная стойкость.

Одним из условий эффективности метода является отсутствие конвективных процессов в жидкости, наличие которых приводит к дестабилизации разряда. Исключить нежелательное кипение раствора можно снижением его температуры, например, путем пропускания хладагента (воды) через полый электрод. Достичь стабильность разряда можно также изменением давления в зоне реакции. Другими словами, необходимы условия, обеспечивающие рабочую температуру воды, ниже температуры ее естественного кипения. Изменение температуры от минимального значения до максимального возможного практически не отражается на эффективности метода.

Величина напряжения на разрядном промежутке связана с составом обрабатываемой жидкости и снижается с увеличением солесодержания. Необходимо подчеркнуть, что одной из главных характеристик процесса является сила тока разряда, но ее увеличение свыше 200 мА приводит к возникновению дугового разряда и резкому снижению эффективности процесса.

При воздействии на обеззараживаемую жидкость ультразвуковых волн происходит преимущественно механическое разрушение микроорганизмов в результате ультразвуковой кавитации (80% всех разрушений клетки механические, 20% электроакустические). Наиболее губительное действие ультразвуковых волн с частотой 20, 26, 30 кГц и длиной волны, соизмеримой с размерами озвучаемых организмов.

Основным элементом реализации способа является реактор, который условно можно разделить на две зоны: 1-я зона образования ионов тяжелых металлов, 2-я зона автономного действия тлеющего разряда. Источник ионов тяжелых металлов располагают на входной части реактора при подаче потенциала, необходимого для создания разряда в 1-й зоне на границе раздела фаз жидкость металл, начинается интенсивный переход металла из твердой фазы в ионное состояние.

При воздействии на микроорганизмы ионов тяжелых металлов бактерии, протоплазма которых имеет отрицательный электрический заряд, притягивают к себе положительно заряженные ионы. При соприкосновении ионов тяжелых металлов с бактериями последние в результате физиологического воздействия на них ионов тяжелых металлов гибнут.

П р и м е р. Воду с концентрацией микроорганизмов 10¹² особей/л подают в реакционную зону в виде жидкой пленки и воздействуют ультразвуковыми волнами с частотой колебаний 30 кГц совместно с ионами тяжелых металлов, образующихся при наложении электрического поля на пластину или сетку из соответствующего металла, помещенную в зону реакции и тлеющего разряда постоянного напряжения 0,35 кВ, силе тока 40 мА, давлении в зоне реакции 50 мм рт. ст. температуре ниже температуры кипения раствора, при этом анод и/или катод расположен над поверхностью обрабатываемой жидкости на 0,5 мм, время обработки 14 с, при 100%-ной степени обеззараживания.

Результаты сопоставительных испытаний известного и предлагаемого способа представлены в таблице.

При всех приведенных в таблице параметрах достигается 100%-ная степень обеззараживания.

Согласно данных таблицы наиболее устойчивыми микроорганизмами прототипа являются Aerobacter cloacae и Aerobacter agrogenes, которые относятся к семейству Enterobacteriaceae. К этому же семейству принадлежат бактерии E. Coli, являющиеся санитарным показателем загрязнения окружающей среды вследствие своей большей устойчивости к воздействию внешних факторов. Необходимо подчеркнуть, что устойчивость бактерий в растворе определяется не только специфическими биологическими свойствами, но и их концентрацией, которая для условий предлагаемого способа на несколько порядков выше по сравнению с прототипом.

Анализ данных таблицы свидетельствует о том, что: интенсивность обеззараживания зависит от тока разряда и растет по мере его увеличения. Однако при 1 > 200 мА возникает дуговой разряд, приводящий к повышенному разогреву реакционной массы и усилению конвективных процессов, снижающих эффективность способа, а при 1 < 40 мА тлеющий разряд неустойчив;
оптимальная область давлений составляет 0,1-100 мм рт.ст. При больших значениях давления активная зона реакции уменьшается, что в итоге приводит к возникновению дугового разряда;
удаление анода от поверхности реакционной смеси ведет к повышению скорости процесса. Однако дальнейшее увеличение разрядного промежутка нежелательно, так как приводит к росту энергетических затрат;
самыми высокими бактерицидными свойствами по отношению к перечисленным в таблице бактериям, обладают ионы серебра;
наиболее губительное действие на микроорганизмы оказывают ультразвуковые волны с частотой 20-30 кГц.

Из приведенных в прототипе данных следует, что время обработки самых устойчивых микроорганизмов (Aerobacter cloacae) при концентрации в воде 10⁹ особей/л составляет 27 с. В предлагаемом техническом решении представлены данные по обеззараживанию более устойчивых бактерий с концентрацией системы в 1000 раз превышающей концентрацию микроорганизмов прототипа. При этом время процесса обеззараживания снижается в 1,8-13,5 раз.

Таким образом предлагаемое техническое решение позволяет: уменьшить длительность процесса; снизить напряжение в 31-714 раз и, как следствие, повысить безопасность способа; снизить материальные затраты (технический кислород, воздух); исключить стадию предварительной фильтрации обрабатываемых жидких сред.

Формула изобретения

СПОСОБ ОБЕЗЗАРАЖИВАНИЯ ЖИДКОСТЕЙ, включающий обработку жидкости электрическим высоковольтным разрядом, создаваемым при помощи электродов, отличающийся тем, что, с целью сокращения времени обработки, упрощения процесса и повышения его безопасности при сохранении высокой степени обеззараживания, в обрабатываемую жидкость перед зоной разряда вводят дополнительные электроды из тяжелых металлов, обработку ведут в проточном режиме при одновременном воздействии тлеющего разряда постоянного напряжения 0,35 8,0 кВ и силе тока 40,0 200,0 мА и ультразвука частотой 20 30 кГц при давлении в зоне реакции 0,1 100,0 мм рт.ст. и температуре ниже температуры кипения обрабатываемой жидкости, при этом один или оба электрода размещены в газовой фазе на расстоянии 0,5 30,0 мм от поверхности обрабатываемой жидкости.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2