Способ обеззараживания питьевой и сточных вод и установка для его осуществления

Изобретение относится к способам обеззараживания питьевой и сточных вод без применения химических реагентов, таких как хлор, фтор, озон, и может найти применение при подготовке воды в системах хозяйственно-питьевого и промышленного назначения, а также обеззараживания сточных вод. В воде повышают давление до 15 кг/см², выдерживают воду под повышенным давлением, а затем понижают давление в воде мгновенно до разрежения. Установка содержит насос высокого давления, соединенный с ресивером трубопроводом. Ресивер соединен трубопроводом с устройством мгновенного понижения давления, закрепленным на накопительной емкости. Устройство мгновенного понижения давления выполнено в виде круглоцилиндрического насадка Вентури, заканчивающегося внезапно расширяющимся насадком Борда. Технический результат состоит в обеспечении взрывного разрушения изнутри всей патогенной микрофлоры за один проход через устройство. 2 н. и 1 з.п. ф-лы, 2 ил., 3 табл.

 

Область техники

Изобретение относится к способам обеззараживания питьевой и сточных вод без применения химических реагентов, таких как хлор, фтор, озон, и может найти применение при подготовке воды в системах хозяйственно-питьевого и промышленного назначения, в химической и фармацевтической, пищевой и мясоперерабатывающей, медицинской и других отраслях промышленности.

Многие инфекционные болезни передаются водным путем - при использовании воды для питья и приготовления пищи при купании и даже при вдыхании водных аэрозолей, содержащих болезнетворные микроорганизмы.

Существующие технологии водоочистки на водопроводных станциях не справляются со все возрастающим антропогенным загрязнением источников водоснабжения, и, как следствие, наблюдается ухудшение качества питьевой воды, в том числе по бактериологическим показателям. К тому же методы обеззараживания воды, применяемые на водоочистных сооружениях, малоэффективны в отношении таких опасных возбудителей, как энтеровирусы, бактерии сибирской язвы, вирусы инфекционного гепатита, полиомиелита и др.

Из физических методов обеззараживания наибольшее применение нашли: ультрафиолетовый метод обработки, как безреагентный и экологически чистый, а также метод кавитационной обработки, чаще всего кавитация возникает в местах понижения давления, ниже давления насыщенных паров при данной температуре.

Технические устройства сегодняшнего дня могут обеспечить резкое понижение давления в протекающей жидкости до -0,8 кг/см², что обеспечивает разрыв многих бактерий изнутри из-за возникающей разницы давлений внутри и вне оболочки бактерий.

Если добиться увеличения разности давлений внутри бактерии и вне ее в несколько раз, то тогда можно резко повысить эффективность угнетения бактерий вирусов и яиц гельминтов, не прибегая к помощи окислителей.

Уровень техники

Известен способ обработки воды (патент России №2104964 от 20.02.1998 г.), включающий обработку воды путем корректировки рН. Корректировка рН осуществляется многократным поочередным снижением давления воды до величины, при которой происходит кавитация, и последующим повышением давления воды до величины, при которой кавитация прекращается, что позволяет диссонировать молекулы на ионы Н⁺ и ОН^-, первые из которых частично покидают жидкую фазу, а вторые накапливаются и увеличивают рН воды.

Недостатками известного изобретения являются:

а) недостаточно четкое понимание процесса образования кавитационных пузырьков (при понижении давления они только образуются, а при повышении давления они «охлопываются», вызывая локальные повышения температуры и скачки давления, ударные волны и т.д.;

б) недостаточно проработана технологическая линия обеззараживания, что требует большого количества (9-10 раз) циклов прокачки всего объема жидкости для достижения необходимо величины рН 8,45.

Известна система эффективного обеззараживания воды (патент России №2125973 от 10.02.1999 г.), включающая систему подачи химических реагентов (хлор, озон, фтор в составе дозирующей установки, гидродинамические акустические излучатели, напорный и реагентный коллекторы, водяной насос.

Недостатками известной системы являются:

а) применение для обеззараживания воды, хотя и в меньших количествах, химических реагентов, таких как хлор, озон, фтор;

б) кавитация, образуемая гидродинамическими излучателями, применяется для интенсивного перемешивания реагента с обрабатываемой водой, разбиения колоний микроорганизмов на единичные бактерии, что приводит к улучшению доступа реагента к живым микроорганизмам;

в) наличие в обработанной воде ядовитых хлорорганических соединений (3-хлорметан, 4-хлористый углерод и др.)

Известен способ обеззараживания воды с энергетическим воздействием гидродинамической кавитации с последующим ультрафиолетовым излучением (патент России №2209772 от 03.05.2001 г.), включающий на первом этапе при помощи гидродинамической кавитации разрушение колоний микроорганизмов до уровня единичных, разрушение наружных оболочек каждой клетки, а окончательное обеззараживание обеспечивается ультрафиолетовым облучением.

Недостатками известного способа являются:

а) применение не самых мощных излучателей гидродинамической кавитации;

б) наличие за возбудителями кавитации постоянных кавитационных каверн из-за отсутствия прерывания потока сжижает удельную мощность кавитаторов;

в) большие удельные энергетические затраты, потребляемые ультрафиолетовыми излучателями, обеззараживание воды бактерицидным излучением может производиться только тогда, когда подлежащая обеззараживанию вода обладает малой цветностью и не содержит коллоидных и взвешенных веществ, поглощающих ультрафиолетовые лучи.

Известен способ обработки воды и водных растворов (патент России №2240984 от 27.11.2004 г.), включающий корректировку рН многократным поочередным снижением давления высоконапорной жидкости при ее рециркуляции до величины, при которой происходит ее кавитация с последующим повышением давления до величины, при которой кавитация прекращается.

Недостатками известного способа являются:

а) необходимость предварительного нагрева исходной жидкости до 90°С, что связано с большими энергозатратами и необходимостью иметь источник тепловой энергии;

б) применение в качестве кавитатора сопла Вентури или закрученного потока жидкости с образованием пониженного потока в его центре требуют многократных проходов жидкости через кавитатор из-за отсутствия возможности понизить давление во всем объеме протекающей жидкости;

в) применение в качестве дополнительного средства воздействия на микроорганизмы ультразвука или электрического плазменного разряда, что резко повышает удельные энергозатраты на обеззараживание 1 м³ жидкости, требует сложного аппаратурного оформления и соблюдения безпрецидентных мер безопасности.

Известен способ очистки воды (патент России №2214972 от 27.10.2003 г.), включающий введение в очищенную воду коагулянта с флокулянтом и активирующую добавку при массовом соотношении активирующей добавки к коагулянту с флокулянтом 0-500 мас.ч. Дополнительно очищаемую воду обрабатывают упругими колебаниями с интенсивностью, обеспечивающей реализацию в воде кавитации с уровнем кавитационного шума в частотном диапазоне 500 - 500000 Гц не ниже 50 дБ по всему объему реактора и акустических макро- и микропотоков со скоростью не менее 1% от колебательной скорости поверхности, передающей упругие колебания в жидкости. При этом очищаемую воду обрабатывают всеми указанными методами одновременно в совмещенном режиме и отделяют образующиеся твердофазные взвеси.

Недостатками известного способа очистки воды с точки зрения обеззараживания являются:

а) способ ориентирован на очистку сточных вод и воды хозяйственно-питьевого назначения и промышленного назначения от загрязняющих компонентов, таких как соединения щелочных, щелочноземельных, тяжелых металлов и др.;

б) недостаточно показано влияние гидродинамических пьезокерамических или магнитосрикцинных преобразователей на гибель микроорганизмов.

Известен способ очистки воды и устройство для его осуществления (патент России №2214969 от 27.10.2003 г.), включающий электрокоагуляционную обработку с дополнительным введением коагулянта с флокулянтом и активирующей добавки при массовом отношении активирующей добавки к коагулянту с флокулянтом, равном 0-500 мас.ч., дополнительно очищаемую воду обрабатывают упругими колебаниями с интенсивностью, обеспечивающей реализацию в воде кавитации с уровнем кавитационного шума в частотном диапазоне 500-500000 Гц и интенсивностью не ниже 50 дБ по всему объему реактора и акустических макро- и микропотоков со скоростью не менее 1% от колебательной скорости поверхности, передающей упругие колебания в жидкости. Очищаемую воду обрабатывают всеми указанными методами одновременно в совмещенном режиме с отделением образующихся твердофазных взвесей.

Недостатками известного способа очистки воды и устройства для его осуществления являются:

а) наличие диспропорции между поверхностью катода и анода, что неизбежно отразится на быстром образовании на катоде полностью электроизолирующего слоя осадка, который потребует частой очистки или увеличения протекающего электрического тока;

б) недостаточной частотой, излучаемой гидродинамическим излучателем и ультразвуковыми излучателями, которые находятся в пределах 500÷500000 Гц для угнетения бактерий, находящихся в воде. (Максимальным бактерицидным эффектом обладают колебания с частотой 500÷1000 кГц. В.А.Клячко, И.Э.Апельцин. Очистка природных вод. - М.: Стройиздат, стр.331÷332, 1971 г.).

Известен способ обеззараживания сточных вод (авторское свидетельство SU №1028606 от 1983.07.15), прототип, основанный на так называемом «кессонном» эффекте, заключающемся в том, что микроорганизмы, находящиеся под давлением более 6 атм и «наевшиеся» растворенных в жидкости газов, при резкой декомпрессии разрываются собственным внутренним повышенным давлением. Подача воздуха или озоновоздушной смеси в количестве 2-5% от объема связана с тем, что при объеме менее 2% не происходит «наедания» всей группы микроорганизмов, а повышение свыше 5% просто не рентабельно, так как насыщение уже произошло. Время декомпрессии жидкости - 0,5-2 мин обусловлено свойствами жидкости удерживать растворенные в ней газы. В сточные воды вводят хлор в газообразном виде, или гипохлорид, или соединения хлора.

Недостатками известного способа являются:

- необходимость применения газообразного хлора или хлоридов для обеззараживания сточных вод, что связано со сложным аппаратурным оформлением, а также соблюдением строжайших мер безопасности;

- необходимость применения озона для подавления микроорганизмов и их насыщения озоновоздушной смесью под достаточно высоким давлением 6-7 атм;

- длительность процесса декомпрессии 0,5-2 мин не позволяет уничтожить все бактерии и микроорганизмы взрывом изнутри.

Известно устройство для обеззараживания сточных вод (патент России №2049072 от 27.11.1995 г.), содержащее конфузор, горловину и диффузор, отличающееся тем, что устройство снабжено профилированной иглой, размещенной в его центральной части и закрепленной в шайбе, выполненной с окнами и муфтой, установленной на периферии диффузора с его наружной стороны с возможностью ее перемещения вдоль диффузора, при этом шайба размещена в муфте. Кроме того, диффузор снабжен съемной насадкой, изготовленной из антиэрозийного материала, а площадь поперечного сечения больше площади поперечного сечения диффузора.

Недостатками известного устройства являются:

а) в жидкости, действующей вдоль оси диффузора с профилирующей иглой, кавитация отсутствует или присутствует с недостаточной плотностью, что влияет на эффективность обеззараживания из-за «проскока» наточенных микроорганизмов и яиц гельминтов;

б) настройка устройства не позволяет изменяться температуре обеззараживаемой воды из-за изменения условий образования кавитационных пузырьков в сторону уменьшения при снижении температуры сточных вод.

Известно устройство для обеззараживания воды (патент России №2198847 от 20.02.2003 г.), содержащее конфузор, горловину, диффузор, профилированную иглу, установленную в его центральной части с возможностью ее перемещения вдоль диффузора, а также снабженную трубной, состоящей из лопаток, установленных на профильной игле, имеющей возможность совершать вращательное движение. Кроме того, игла соединена при помощи соединительной муфты с электродвигателем, использующим переменный или постоянный ток.

Недостатками известного изобретения являются:

а) конфузор плавно сужает поток воды, а диффузор плавно расширяет его, что негативно отражается на процессе образования и схлопывания кавитационных пузырьков;

б) расположение турбины на консольной профилированной игле без опоры ее второго конца неизбежно приведет к возникновению вибраций и колебаний, что значительно сократит ресурс устройства.

Раскрытие изобретения

Технической задачей, на решение которой направлено изобретение, является создание способа обеззараживания питьевой и сточных вод и установки для его осуществления с повышенной эффективностью уничтожения вирусов, цист простейших лямблий и яиц гельминтов за счет резкого увеличения разности давлений внутри и вне оболочки бактерий без применения других методов воздействия и каких-либо реагентов на патогенную микрофлору. Поставленная задача достигается тем, что в заявленном способе обеззараживания питьевой и сточных вод используется повышение давления в обрабатываемой жидкости, выдержка под повышенным давлением для выравнивания давлений внутри и вне оболочки бактерий, а затем резкое понижение давления вплоть до разрежения, что обеспечит надежное разрушение оболочек вирусов цист простейших. лямблий и яиц гельминтов на 99,99%.

Новым в заявленном способе обеззараживания питьевой и сточных вод является то, что процессы, происходящие и осуществляющие разрушение оболочки бактерий, обратны процессам, происходящим в кавитационнх пузырьках.

Для образования кавитационных пузырьков давление в воде резко понижают примерно до -0,7, -0,8 кг/см², а затем в зоне повышенного давления пузырьки «охлопываются», и далее на бактерии воздействуют кавитационные эффекты (ударные волны, кумулятивные струйки, высокие температуры и др.).

В заявленном способе обеззараживания питьевой и сточных вод вода насосом высокого давления подается в ресивер, в котором по мере его заполнения поднимается давление, например до 15 кг/см², а затем по трубопроводу направляется в устройство, в котором происходит резкое понижение давления по всему поперечному сечению устройства до разрежения -0,7; -0,8 кг/см². Разность давлений ΔР составляет:

ΔP=P₁-P₂=15-(-0,7)=15,7 кг/см²,

где P₁ - давление в воде до устройства; P₂ - давление в устройстве.

Мгновенное понижение давления снаружи оболочек бактерий до -0,7; -0,8 кг/см² при временном сохранении давлений внутри бактерий до 15 кг/см² надежно обеспечивает взрывное разрушение изнутри всей патогенной микрофлоры, содержащейся в обрабатываемой воде за один проход.

Краткое описание чертежей

На фиг.1 изображена схема установки для осуществления способа обеззараживания питьевой и сточных вод, включающая следующие основные узлы: 1 - насос высокого давления; 2 - ресивер; 3 - устройство для мгновенного понижения давления; 4 - накопительная емкость.

На фиг.2 изображено устройство для мгновенного понижения давления, включающее круглоцилиндрический насадок Вентури 5 с острыми кромками АА и ВВ и насадок Борда - 6. Кроме того, на фиг.2 изображены водоворотные зоны А с диаграммой понижения давления в сечении СС (h вак. мах.) и зона В.

Установка для осуществления способа обеззараживания питьевой и сточных вод, включающая: насос высокого давления 1, фиг.1, ресивер 2, устройство для мгновенного понижения давления 3, накопительную емкость 4.

Работает установка для осуществления способа обеззараживания питьевой и сточных вод следующим образом. Исходная питьевая или сточная вода по трубопроводу направляется в насос высокого давления 1. Пройдя через несколько ступеней насоса 1, каждая из которых повышает давление, питьевая или сточная вода по трубопроводу направляется в ресивер 2. После заполнения ресивера 2 и достижения в нем необходимого давления вода направляется в устройство для мгновенного понижения давления 3. Устройство для мгновенного понижения давления выполнено в виде круглоцилиндрического насадка Вентури 5, фиг.2, заканчивающегося внезапно расширяющимся насадком Борда 6, фиг.2. Струя жидкости, подходя по трубопроводу из ресивера 2, обходя кромку АА, фиг.2, благодаря силам инерции частиц жидкости, поступающим в насадок, сжимается со всех сторон до минимального сечения по оси СС, затем струя расширяется и заполняет весь насадок. При этом образуется кольцевая водоворотная зона А, фиг.2. Водоворотная зона А, равно как и транзитная струя в пределах зоны А, характеризуется наличием вакуума. Максимальный вакуум получается в сечении СС, где струя имеет наибольшее сжатие и где скорости в транзитной струе, а также кинетическая энергия жидкости оказываются наибольшими.

Не всякий патрубок, присоединенный к трубопроводу, работает как насадок Вентури. Для того чтобы патрубок работал как насадок (увеличивая Q на 34%), необходимо, чтобы одновременно были соблюдены следующие два условия:

длина патрубка L_п должна находиться в пределах (3,5 d≤7) d,

где d - диаметр патрубка;

максимальный вакуум, допускаемый в сечении СС, не должен превышать -0,8 кг/см².

После прохождения струей жидкости кромки ВВ фиг.2 транзитная струя жидкости также образует кольцевую водоворотную зону В, характеризующуюся наличием вакуума, которая обеспечивает окончательное понижение давления и гашение кинетической энергии транзитной струи.

После прохождения зоны DD круглоцилиндрического насадка Борда вода поступает в накопительную емкость 4.

Зависимость эффективности уничтожения патогенной микрофлоры от давления, определяемая в полях зрения микроскопа «Биолам», выражена в следующих примерах.

Пример №1, давление Р=5 кг/см²

Таблица №1
Номер поля	1	2	3	4	5	6	7	8	9	10
Количество	21	15	21	24	14	25	23	23	27	20
живых клеток
Количество	8	9	9	14	15	12	9	14	13	11
живых клеток

Пример №2, давление Р=10 кг/см²

Таблица №2
Номер поля	1	2	3	4	5	6	7	8	9	10
Количество	7	3	7	7	2	1	5	2	2	2
живых клеток
Количество	9	17	21	22	29	22	29	28	27	21
живых клеток

Пример №3, давление Р=15 кг/см²

Таблица №3
Номер поля	1	2	3	4	5	6	7	8	9	10
Количество	0	0	1	0	0	1	1	0	0	0
живых клеток
Количество	27	21	16	23	25	20	28	27	18	30
живых клеток

Установка для осуществления обеззараживания питьевой и сточных вод отличается простотой и может быть изготовлена на любом машиностроительном предприятии.

Простота осуществления способа обеззараживания питьевой и сточных вод позволяет использовать его как локально для угнетения бактерий, так и для технологических линий приготовления питьевой воды.

Список использованной литературы

1. Патент России №2104964 от 20.02.1998 г.

2. Патент России №2125973 от 10.02.1999 г.

3. Патент России №2109772 от 03.05.2001 г.

4. Патент России №2240984 от 27.11.2004 г.

5. Патент России №2214972 от 27.10.2003 г.

6. Патент России №2214969 от 27.10.2003 г.

7. Патент России №2198847 от 20.02.2003 г.

8. В.А.Клячко, И.Э.Апельцин. Очистка природных вод. - М.: Стройиздат, 1971 г., стр.321-332.

9. P.P.Чугаев. Гидравлика. - Энергия, Ленинградское отделение, 1971 г., стр.135-139, 307-312.

1. Способ обеззараживания питьевой и сточных вод, в котором в подлежащей обеззараживанию воде повышают давление, выдерживают воду под повышенным давлением для выравнивания давлений внутри и вне оболочки бактерий, а затем понижают давление в воде, отличающийся тем, что давление повышают до 15 кг/см², а понижают давление мгновенно до разрежения.

2. Установка для обеззараживания питьевой и сточных вод, включающая насос высокого давления, соединенный с ресивером трубопроводом, и накопительную емкость, отличающаяся тем, что ресивер соединен трубопроводом с устройством мгновенного понижения давления, которое закреплено на накопительный емкости.

3. Установка по п.2, отличающаяся тем, что устройство мгновенного понижения давления выполнено в виде круглоцилиндрического насадка Вентури, заканчивающегося внезапно расширяющимся насадком Борда, причем диаметр насадка Вентури и его длина находятся в пределах 3,5d≤Ln≤7d, где Ln - длина насадка Вентури, d - диаметр насадка Вентури.