Способ и устройство для обработки воды

 

Изобретение относится к средствам обработки воды с окислением озоном содержащихся в ней загрязнений. Изобретение решает задачу интенсификации, повышения эффективности и сокращения длительности окисления загрязнений. При вводе озоносодержащего газа в поток обрабатываемой воды осуществляют его диспергирование. При этом образуют микрогетерогенную двухфазную дисперсную систему вода - озоносодержащий газ. Растворение озона в обрабатываемой воде ведут на границах раздела фаз, формируемых пленочными водяными перемычками между пузырьками. Окисление загрязнений озоном ведут как в воде, так и на тех же границах раздела фаз. Соотношение объемных расходов газа и воды может быть от 0,2 до 1, 0. Разность гидростатических давлений в воде до ее смешения с озоносодержащим газом не менее 1 кг/см². Скорость потока дисперсной системы от 1,5 до 4,0 м/с. Устройство для обработки воды содержит инжектор с входным и выходным диффузорным коническим участком. Участки соединены цилиндром, в средней части которого выполнен щелевой канал. 2 c. и 7 з.п. ф-лы, 2 табл., 2 ил.

Изобретение относится к средствам обработки воды с окислением содержащихся в ней загрязнений озоном. Преимущественной областью применения изобретения являются средства обработки воды для широкого круга пользователей, предусматривающие последующее удаление из воды нерастворенных в ней компонентов загрязнений.

Разнообразие состава и концентрации загрязнений при использовании различных источников воды, особенно при необходимости экспресс обработки, определяет трудность выбора и оптимизации соответствующих средств. Одним из сравнительно универсальных средств обработки воды является окисление загрязненной воды озоном.

Инжектирование озоносодержащего газа в поток обрабатываемой воды (US, патент, 5,150,250) не снимает проблемы эффективности окисления загрязнений. Повышение эффективности растворения озона установкой инжектора между первичной реакционной емкостью и контактной колонной (SU, авторское свидетельство, 1574545) связано с необходимостью дополнительного насоса и характеризуется повышенной энергоемкостью и сравнительной сложностью конструкции.

Улучшение растворимости озона разрушением его пузырьков вращающимися щетками (SU, авторское свидетельство, 1798317) недостаточно эффективно, сопровождается введением бактерицидной лампы ультрафиолетового излучения и определяет сравнительную сложность конструкции.

Растворяемость озона в обрабатываемой воде может быть повышена, если соблюсти определенные соотношения параметров устройства и реализуемых в нем процессов (US, патент, 5,186,841). При этом растворимость озона не связывается с эффективным окислением загрязнений воды.

Эффективное окисление и удаление загрязнений возможно при оптимизации средств смешения обрабатываемой воды с инжектируемым озоносодержащим газом, растворения озона, окисления загрязнений и удаления их нерастворенных компонентов из обработанной воды (RU, патент, 2036852). Известные средства обработки загрязнений воды не предусматривают такой оптимизации с обеспечением эффективного окисления загрязнений.

В основу изобретения положено решение задачи интенсификации, повышения эффективности и сокращения длительности окисления загрязнений.

При реализации способа обработки воды решение данной задачи достигается тем, что при вводе озоносодержащего газа в поток обрабатываемой воды и образовании при этом пузырьков озоносодержащего газа, распределенных в потоке образующейся смеси, перед последующими растворением озона в обрабатываемой воде и окислением содержащихся в ней загрязнений в процессе транспортировки образовавшейся газоводяной смеси, согласно изобретению осуществляют диспергирование озоносодержащегося газа с образованием микрогетерогенной двухфазной дисперсной системы вода-озоносодержащий газ и последующими растворением озона и окислением им загрязнений воды, как в объеме воды, так и на границах раздела фаз, формируемых пленочными водяными перемычками между пузырьками озоносодержащего газа.

Устройство для обработки воды, реализующее данный способ и содержащее инжектор, в котором один из входов предназначен для сообщения с источником загрязненной воды под избыточным давлением, другой вход предназначен для сообщения с источником озоносодержащего газа, а выход сообщен с водопроводом, предназначенным для транспортировки полученной газоводяной смеси, растворения озона в обрабатываемой воде при транспортировки смеси и окисления при транспортировке смеси загрязнений, содержащихся в обрабатываемой воде, для решения той же задачи, согласно изобретению, выполнено с возможностью диспергирования озоносодержащего газа при вводе его в поток обрабатываемой воды и образования при этом в указанном водопроводе микрогетерогенной двухфазной дисперсной системы вода-озоносодержащий газ с пленочными водяными перемычками между пузырьками озоносодержащего газа для последующего эффективного растворения озона и окисления загрязнений на поверхностях этих перемычек.

Поверхность раздела микродисперсной фазы озоносодержащего газа с дисперсной средой обрабатываемой воды весьма значительна. Поэтому высоки скорость растворения и концентрация озона в обрабатываемой воде. Благодаря малой толщине разделительных водяных пленок-перемычек весьма велика поверхность контакта загрязнений, содержащихся в обрабатываемой воде, непосредственно с озоносодержащим газом микродисперсной фазы. Высокая скорость окисления загрязнений озоном, растворенным в обрабатываемой воде, обусловлена поддержанием высокой концентрации растворенного озона при транспортировке газоводяной смеси. Высокая интенсивность и эффективность окисления загрязнений, взаимодействующих с микродисперсной фазой озоносодержащего газа, обусловлена значительно большей, чем в жидкости, скоростью окисления загрязнений и поддержанием высокой концентрации озона в микродисперсной фазе озоносодержащего газа и в жидкой дисперсной среде.

В большинстве случаев ввод озоносодержащего газа целесообразно осуществлять путем инжектирования его в поток обрабатываемой воды. При этом соотношение объемных расходов озоносодержащего газа и воды целесообразно поддерживать в интервале значений, ограниченном величинами 0,2 и 1,0, при разности гидростатических давлений в потоке очищаемой воды до инжектирования озоносодержащего газа и в потоке транспортируемой дисперсной системы не менее 1,0 кг/см².

Инжектирование при таких соотношениях объемов и разности давлений позволяют получить достаточно устойчивую систему оптимальной дисперсности. Выбор оптимальных значений из указанных интервалов определяется напорностью потока воды и характером ее загрязнений.

Целесообразно, чтобы инжектор устройства был бы выполнен с входным конфузорным и выходным диффузорным коническими участками, соединенными соосным с ними участком кругового цилиндра, и имел бы щелевой канал для подвода озоносодержащего газа, выполненный в средней части указанного цилиндрического участка. При этом целесообразно, чтобы конусность входного конфузора была равна 35 - 55^o, конусность выходного диффузора - 6 - 18^o, диаметр участка кругового цилиндра - 0,25 - 0,35 диаметра водопровода, а длина участка кругового цилиндра - 0,5 - 1,0 его диаметра.

При таких размерах, в большинстве случаев, достигается микродисперсность системы на выходе инжектора.

Скорость в потоке транспортируемой дисперсной системы вода-озоносодержащий газ в процессе растворения озона в обрабатываемой воде и окисления им загрязнений воды на границах раздела фаз целесообразно поддерживать в интервале значений, ограниченном 1,5 и 4,0 м/с.

При таких скоростях время поддержания структуры микродисперсной системы достаточно, в основном, для окисления той части загрязнений, которая регламентирована нормативными документами.

Чтобы при транспортировке микродисперсной системы обеспечивались необходимые параметры растворения озона и окисления загрязнений, в большинстве случаев, целесообразно, чтобы длина водопровода была бы не менее 50 его диаметров.

После растворения большей части озона и окисления им загрязнений, содержащихся в воде, в процессе транспортировки дисперсной системы нерастворенные компоненты загрязнений целесообразно удалять с применением адсорбции в среде озоносодержащего газа при концентрации в нем озона, соответствующей остаточному количеству нерастворенного озона в газоводяной смеси перед началом адсорбции.

Для этого целесообразно снабдить соответствующее устройство адсорбером, снаряженным твердым адсорбентом и сообщенным с водопроводом таким образом, чтобы создать в адсорбере указанные среду и концентрацию озона за счет остаточного количества нерастворенного озона.

При адсорбции в среде озоносодержащего газа окисляются ранее неокисленные загрязнения и доокисляются полученные ранее полупродукты окисления с соответствующим уменьшением числа и концентрации загрязнений в обработанной воде.

В некоторых случаях целесообразно снабдить устройство промежуточным контактным реактором, включенным между водопроводом и адсорбером.

Предварительное окисление в реакторе сравнительно долгоокисляющихся компонентов загрязнений снижает их концентрацию и концентрацию озона в обработанной воде.

В дальнейшем изобретение поясняется конкретными примерами его выполнения со ссылками на прилагаемые чертежи, на которых: фиг. 1 схематично изображает патентуемое устройство, реализующее патентуемый способ согласно изобретению, фиг. 2 изображает инжектор патентуемого устройства.

Устройство для обработки воды содержит инжектор 1.

В инжекторе вход 2 предназначен для сообщения с источником загрязненной воды под избыточным давлением, вход 3 предназначен для сообщения с источником озоносодержащего газа через газоподводящий канал 20, выход 4 предназначен для сообщения с водопроводом 5.

Водопровод 5 предназначен для транспортировки газоводяной смеси, полученной в инжекторе, растворения озона в обрабатываемой воде при транспортировке этой смеси и окисления загрязнений, содержащихся в обрабатываемой воде.

Устройство выполнено с возможностью диспергирования озоносодержащего газа при вводе его в поток обрабатываемой воды и образования при этом в водопроводе 5 микрогетерогенной двухфазной дисперсной системы вода-озоносодержащий газ с пленочными водяными перемычками между пузырьками озоносодержащего газа для последующего растворения озона и окисления загрязнений на поверхностях этих перемычек.

Электроды (не показаны) генератора 8 подключены к блоку электропитания (не показан). В цепь (не показана), связывающую блок электропитания с источником электрического тока (не показан), включен электропереключатель (не показан), который связан (не показано) с дозатором 10 и размыкает указанную цепь при недостаточном разрежении на входе 3 инжектора. Одновременно дозатор 10 перекрывает канал (не показано), сообщающий генератор 8 со входом 3 инжектора.

В описываемом примере устройство снабжено промежуточным контактным реактором 11 и адсорбером 12 с твердым адсорбентом. Реактор 11 и адсорбер 12 соединены последовательно трубопроводом 13. Выход адсорбера 12 соединен со сливным наконечником 14 водопроводом 15.

В описываемом примере инжектор 1 выполнен с входным конфузорным коническим участком 16 и выходным диффузорным коническим участком 17.

Участки 16 и 17 соединены соосным промежуточным с ними участком 18 кругового цилиндра, в средней части которого выполнен щелевой канал 19. Конусность входного конфузора равна 35 - 55^o. Конусность выходного диффузора равна 6 - 18^o. Диаметр участка кругового цилиндра 18 равен 0,2 - 0,35 диаметра водопровода 5. Диаметры водопровода 7 и входа 2 инжектора в местах их соединения равны. Диаметры водопровода 5 и выхода 4 инжектора в местах их соединения равны. Длина участка кругового цилиндра 18 равна 0,5 - 1,0 его диаметра. Длина водопровода 5 равна не менее 50 его диаметров.

Ввод озоносодержащего газа в поток обрабатываемой воды осуществляют путем его инжектирования. При этом соотношение объемных расходов озоносодержащего газа и воды поддерживают в интервале значений, ограниченном величинами 0,2 и 1,0, а разность гидростатических давлений в водопроводе 7 перед инжектором 1 и в водопроводе 5 за инжектором при транспортировке дисперсной системы не менее 1,0 кг/см².

Понижение гидростатического давления в потоке воды на участке 18 кругового цилиндра инжектора сопровождается кавитацией. Озоносодержащий газ через щелевой канал 19 равномерно распределяется по потоку в виде микропузырьков. Размер пузырьков может быть от менее микрона до десятков микрон в зависимости от соотношения расходов воды и воздуха и напора воды. Микрогетерогенная двухфазная система вода-озоносодержащий газ формируется в выходном диффузоре 17. При кавитации газ, ранее растворенный в воде, выделяется в кавитационные каверны. Вследствие микрогетерогенной дисперсной структуры потока и начальной обезгаженности воды происходит эффективное растворение озона в воде до концентрации, близкой к 90-97% от концентрации насыщения.

При отношении объемных расходов озоносодержащего газа и воды, равном 0,5, и среднем размере пузырьков газа в дисперсной системе, равном 10 мкм, средняя толщина пленки водяной перемычки между пузырьками газа составляет примерно 1,6 мкм, а суммарная поверхность этих перемычек в каждом кубическом сантиметре потока 0,1 м².

При отношении объемных расходов озоносодержащего газа и воды, равном 0,9, и среднем размере пузырьков газа в дисперсной системе, равном 10 мкм, средняя толщина пленки водяной перемычки между пузырьками газа составляет в среднем 0,4 мкм.

Размеры загрязнений в среднем составляют: ионы металлов - около 0,001 мкм, вирусы, фаги - от 0,001 до 0,1 мкм, бактерии - от 0,1 до 10 мкм.

Большая часть бактерий и некоторые вирусы, находящиеся в воде, контактируют с одним или несколькими пузырьками озоносодержащего газа. Время разрушения, дезактивации микроорганизмов озоном в газовой фазе исчисляется десятыми, а для некоторых видов миллисекундами. Поэтому дезактивация микроорганизмов начинается непосредственно за участком 19 инжектора. Интенсивно идут и реакции окисления некоторых классов органических соединений на границах раздела фаз.

Одновременно за счет высокой концентрации растворенного озона происходит интенсивное окисление загрязнений в жидкой дисперсной среде. При этом максимальная концентрация растворенного озона поддерживается за счет растворения в воде озона из пузырьков озоносодержащего газа.

Благодаря оптимальным размерам устройства и скорости потока, структура микрогетерогенной двухфазной системы поддерживается в потоке газоводяной смеси столь долго, сколько это необходимо для окисления и дезактивации загрязнений, содержащихся в воде. Если в ней присутствуют загрязнения, требующие длительного окисления озоном в водяной или газовой среде, используются реактор 11 и/или адсорбер 12. Адсорбер 12 используется также для удаления из потока нерастворенных компонентов загрязнений.

В таблицах 1 и 2 приведены результаты испытаний при обработке и очистке модельной воды, проведенных в НИИ экологии человека и охраны окружающей среды им. А.Н. Сысина РАМН.

В таблице 1 приведены результаты испытаний патентуемого устройства, в котором расход модельной воды составлял 3 л/мин, а расход воздуха, обогащенного озоном - 1,5 л/мин. В водопроводе 5 диаметром 6,5 мм и длиной 0,7 м поддерживалась скорость потока в 2,3 м/с.

В таблице 2 приведены результаты испытаний устройства, в котором расход модельной воды составлял 7 л/мин, а расход воздуха, обогащенного озоном - 2,5 л/мин. В водопроводе 5 диаметром 10 мм и длиной 1 м поддерживалась скорость потока в 1,9 м/с.

Примеры реализации изобретения, содержащиеся в данном описании, приведены только для иллюстрации возможности его реализации и не могут быть истолкованы для ограничения объема изобретения. Полный объем изобретения определен приведенной далее формулой изобретения с возможными эквивалентами соответствующих признаков.

Формула изобретения

\ \\1 1. Способ обработки воды, при котором озоносодержащий газ инжектируют в поток обрабатываемой воды с образованием пузырьков озоносодержащего геля, распределенных в потоке образующейся смеси, и последующими растворением озона в обрабатываемой воде и окислением содержащихся в ней загрязнений в процессе транспортировки образовавшейся газоводяной смеси, отличающийся тем, что при инжектировании озоносодержащего газа в поток обрабатываемой воды формируют устойчивую в процессе транспортирования микрогетерогенную двухфазную систему оптимальной дисперсности вода - озоносодеражащий газ для эффективного растворения озона и окисления им загрязнений воды на границах раздела фаз в сформированной устойчивой системе при ее транспортировке, для чего разность гидростатических давлений в потоке очищаемой воды до инжектирования озоносодержащего газа и в потоке транспортируемой дисперсной системы поддерживают не менее 1,0 кг/см². \\\2 2. Способ по п.1, отличающийся тем, что соотношение объемных расходов озоносодержащего газа и воды поддерживают в интервале значений, ограниченном величинами 0,2 и 1,0. \\\2 3. Способ по п.1 или 2, отличающийся тем, что скорость потока транспортируемой дисперсной системы вода - озоносодержащий газ в процессе растворения озона в обрабатываемой воде и окисления им загрязнений воды на границах раздела фаз поддерживают в интервале значений, ограниченном 1,5 и 4 м/с. \\\2 4. Способ по п. 3, отличающийся тем, что после растворения озона и окисления им загрязнений, содержащихся в воде, в процессе транспортировки дисперсной системы нерастворенные компоненты загрязнений удаляют с применением адсорбции в среде озоносодержащего газа при концентрации в нем озона, соответствующей остаточному количеству нерастворенного озона в газоводяной смеси перед началом адсорбции. \ \\2 5. Устройство для обработки воды, содержащее инжектор, в котором вход, предназначенный для сообщения с источником загрязненной воды под избыточным давлением, и выход сообщены между собой последовательно соосными входным конфузорным, промежуточным и выходным диффузорным проточными участками, при этом промежуточный участок сообщен с вторым входом инжектора, предназначенным для сообщения с источником озоносодержащего газа, газоподводящим каналом, а выход инжектора сообщен с водопроводом, предназначенным для транспортировки полученной газоводной смеси, растворения озона в обрабатываемой воде при транспортировке смеси и окисления загрязнений, содержащихся в обрабатываемой воде, при транспортировке смеси, отличающееся тем, что устройство выполнено с возможностью формирования устойчивой в процессе транспортирования микрогетерогенной двухфазной системы оптимальной дисперности вода - озоносодержащий газ для эффективного растворения озона и окисления им загрязнений воды на границах раздела фаз в сформированной устойчивой системе при ее транспортировке, при том, что промежуточный проточный участок инжектора выполнен цилиндрическим с щелевым каналом, являющимся частью газоподводящего канала, и длина цилиндра промежуточного участка инжектора равна 0,5 - 1,0 его диаметра, равного 0,2 - 0,35 диаметра водопровода. \\\2 6. Устройство по п.5, отличающееся тем, что конусность входного конфузора равна 35 - 55º, конусность выходного диффузора равна 6 - 18º. \\ \2 7. Устройство по п.5 или 6, отличающееся тем, что длина водопровода равна не менее 50 его диаметров. \\\2 8. Устройство по п.5, 6 или 7, отличающееся тем, что оно снабжено адсорбером, снаряженным твердым адсорбентом, причем водопровод сообщен с адсорбером с возможностью создания в нем среды озоносодержащего газа с концентрацией озона, соответствующей остаточному количеству нерастворенного озона в газоводяной смеси перед адсорбером. \\\2 9. Устройство по п.7, отличающееся тем, что оно снабжено промежуточным реактором, включенным между указанными водопроводом и адсорбером.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4