Способ электрохимической обработки сточных вод и устройство для его осуществления
Изобретение относится к области обработки сточных вод. Способ электрохимического удаления загрязнителей из сточных вод по изобретению осуществляют в установке электрокоагулирования для удаления загрязнителей, включающей, по меньшей мере, один анод и, по меньшей мере, один катод, и в установке электроокисления для окисления загрязнителей, включающей, по меньшей мере, один анод и, по меньшей мере, один катод, где электрохимически получают окислители. Исходя из типа сточных вод устройство между установкой электрокоагулирования и установкой электроокисления может включать установку электрофлотации. Устройство также включает установку удаления окислителя, которая может включать электрод, высвобождающий ионы металлов, для проведения реакции с остаточными окислителями и их удаления. В некоторых случаях для увеличения эффективности часть стока из установки удаления окислителя может быть отправлена на рециркуляцию в установку электрокоагулирования. Изобретение может быть использовано для очистки воды в условиях отсутствия доступа к системам централизованной обработки сточных вод и для очистки воды, содержащей трудно разлагаемые загрязнители, например фармацевтические отходы. 2 н. и 16 з.п. ф-лы, 8 ил., 6 табл.
Область техники, к которой относится изобретение
Настоящее изобретение относится к области обработки сточных вод. Говоря более конкретно, оно относится к устройствам и способам электрохимического удаления загрязнителей из сточных вод.
Уровень техники
Существует много случаев, когда небольшие сообщества, предприятия и группы людей не имеют доступа (или по различным причинам не могут обратиться) к использованию муниципальных систем обработки сточных вод. Примеры включают изолированные места обитания, суда и морские платформы, небольшие острова, исследовательские станции или военные аванпосты, удаленные участки проведения сельскохозяйственных или промышленных операций и точечные источники сточных вод.
Данные разнообразные сообщества производят широкий ассортимент жидких отходов, в том числе бытовые сточные воды без туалетного смыва, фекальные стоки, канализационный водосток, замасленную воду и любые другие сточные воды, загрязненные болезнетворными микроорганизмами, органическим и неорганическим материалом, растворенным или взвешенным твердым веществом.
В числе данных небольших сообществ числятся суда, которые производят множество потоков сточных вод. Данные потоки включают трюмные воды из машинного отделения, фекальные стоки из туалетов и писсуаров и сточные воды без туалетного смыва из душевых установок, прачечной, камбузов и помещений камбуза.
Более строгими становятся местные и международные предписания по наземному сбросу стока, а также стандарты по морскому сбросу стока. Предписания по наземному сбросу становятся более строгими в особенности для мест обитания, расположенных поблизости от водоема, где особенное беспокойство вызывают загрязнители, такие как фосфаты, нитраты и фекальные колиформные бактерии.
Международные предписания по морскому сбросу и другие предписания органов власти также становятся более строгими для загрязнителей, таких как масло, фекальные колиформные бактерии, источники биологического потребления кислорода, хлор, а также питательные вещества, такие как фосфор и аммиак в экологически уязвимых водах вследствие их негативного воздействия на экосистемы. Собственно говоря, на многих морских участках сточные воды, производимые на судах, больше не могут быть сброшены без предварительной обработки.
На предшествующем уровне техники имеются ссылки, раскрывающие потребность в судовых системах обработки воды без использования химических реагентов, таких как те, которые описываются авторами Leffler et al. в патенте США 6923901 и публикации США №20040099607. Авторы Leffler et al. описывают использование воздуха и электричества для получения реакционно-способных ионов газообразного кислорода и азота, которые будут способствовать удалению загрязнителей из различных водных потоков, таких как те, которые своим происхождением имеют балластный отсек, туалетную комнату и помещение для прачечной. В связи с системами авторов Leffler et al. также раскрывается использование соленой воды для получения хлора в результате электролиза соли в воде для целей дезинфекции.
В нескольких ссылках предшествующего уровня техники описывается использование различных комбинаций из электрохимических устройств, которые действуют в специфических последовательностях для получения стока, из которого удалены загрязнители. Например, автор Mehl (патент США 7354509) описывает систему обработки сточных вод, которая эффективно учитывает потребности в площадях и качество стока благодаря последовательности стадий из электрокоагулирования, фильтровальной системы с вращающимися намагниченными магнитными средами, стерилизации при использовании УФ-излучения и стадии конечного осаждения.
Автор Bradley (патент США №6960301) описывает систему восстановления свалочных и сточных вод, включающую начальную фильтрационную сетку для удаления более крупных частиц с последующими озоновой предварительной обработкой, установкой электрокоагулирования флоккулирующих частиц, установкой окисления и установкой доочистки для удаления остаточных аммониевых загрязнителей при использовании ионообменной установки.
Однако существует потребность в компактных устройстве и способе, способных обеспечивать одновременную обработку сложных и/или гетерогенных потоков без использования добавления химического реагента, биологической обработки или получения высокоокисляющих газов и при наличии полной автоматизации и возможности включения/выключения. Такое устройство могло бы быть использовано в областях применения, в которых пространство ограничено, в удаленных сообществах при отсутствии доступа к системам централизованной обработки сточных вод, в сообществах, производящих сточные воды, которые не могут быть сброшены в доступные системы обработки сточных вод, и для потоков сточных вод, содержащих загрязнители, которые не удаляются и не разлагаются при использовании обычных подходов к обработке (например, фармацевтические остатки). Таким образом, устройство и способ устранили бы ограничения и недостатки предшествующего уровня техники.
Раскрытие изобретения
Как было установлено, простая в использовании система, называемая технологией электрохимической обработки сточных вод (ТЭОСВ) на основе электрохимических технологических установок, требующих только наличия электричества для функционирования и периодической замены малоценных электродов, может обеспечить эффективную индивидуальную или одновременную обработку гетерогенных потоков сточных вод. Важные характеристики данной системы заключаются в ее неизбирательности и в отсутствии потребности в добавлении внешних химических реагентов, агентов для обработки или средств биологической обработки. Еще один важный признак технологии ТЭОСВ заключается в ее быстроте в сопоставлении с биологической обработкой и множеством других подходов к обработке.
В отличие от большинства технологий обработки сточных вод система заявителя является неизбирательной системой, способной обеспечить обработку нескольких и различных разновидностей сточных вод, делая их безопасными для повторного использования или сброса в окружающую среду. В то время как многие из подходов к обработке сточных вод способны обеспечить обработку только одного типа сточных вод, технология заявителя была разработана в качестве многостадийного способа, который систематически удаляет большинство типов загрязнителей, начиная с наиболее легких для удаления (обычно крупноразмерных или легко извлекаемых) на всем интервале вплоть до наиболее трудных для удаления (обычно малоразмерных, растворенных или неподдающихся извлечению).
В отличие от большинства технологий обработки сточных вод система заявителя не использует химических реагентов, которые являются дорогостоящими и требуют безопасных обращения и хранения (многие удаленные сообщества не могут это себе позволить и/или не имеют доступа к регулярным отгрузкам) или проведения биологической обработки (многие удаленные сообщества не имеют обученного персонала, доступного места или надлежащих условий для эксплуатации данных систем, которые легко могут быть выведены из строя).
Поэтому одна цель настоящего изобретения заключается в предложении устройства обработки сточных вод, включающего установку электрокоагулирования для удаления загрязнителей из сточных вод, включающую, по меньшей мере, одно впускное отверстие для приема сточных вод и, по меньшей мере, один анод и, по меньшей мере, один катод, при этом анод и катод соединены с источником электроэнергии; и установку электроокисления для окисления загрязнителей сточных вод, включающую, по меньшей мере, одно впускное отверстие для приема сточных вод из установки электрокоагулирования, по меньшей мере, один анод и, по меньшей мере, один катод, где электрохимически получают окислители, по меньшей мере, одно выпускное отверстие для выведения сточных вод; и установку удаления окислителя для удаления окислителей из сточных вод, включающую, по меньшей мере, одно впускное отверстие для приема сточных вод из установки электроокисления, емкость для вмещения сточных вод в ходе удаления окислителя и, по меньшей мере, одно выпускное отверстие, адаптированное либо для высвобождения подвергнутых обработке сточных вод из устройства, либо для возвращения подвергнутых обработке сточных вод в установку электроокисления, формируя замкнутый контур для рециркуляции подвергнутых обработке сточных вод.
В некоторых вариантах осуществления настоящего изобретения после установки удаления окислителя устройство дополнительно включает установку обратного осмоса или установку испарения-конденсации, где дополнительная установка способна производить питьевую воду.
Еще одна цель настоящего изобретения заключается в предложении устройства удаления окислителя для удаления окислителей из сточных вод, включающего, по меньшей мере, одно впускное отверстие для приема сточных вод. В дополнение к этому емкость удаления окислителя включает, по меньшей мере, один анод и, по меньшей мере, один катод, соединенные с источником электроэнергии, где, по меньшей мере, один анод является металлическим анодом, адаптированным для высвобождения в сточные воды ионов металлов, которые вступают в реакцию с остаточными окислителями с образованием оксидов металлов и где устройство адаптировано для отделения оксидов металлов от сточных вод; регулятор, который принимает входной сигнал от, по меньшей мере, одного из датчиков, выбираемых из датчика окислительно-восстановительного потенциала и датчика уровня содержания хлора, для определения уровня удаления окислителя; и выпускное отверстие для выведения подвергнутого обработке стока.
Еще одна дополнительная цель настоящего изобретения заключается в предложении устройства управления прохождением реакции окисления в системе обработки сточных вод в зависимости от одного или нескольких результатов измерений уровня содержания CO2, значения pH, уровня содержания хлора и значения окислительно-восстановительного потенциала (ОВП), включающего камеру окисления, адаптированную для обеспечения окисления загрязнителей сточных вод, и один или несколько датчиков уровня содержания CO2, значения pH, уровня содержания хлора и значения ОВП, находящихся в сообщении через текучую среду с камерой окисления, которые отправляют сигнал в отношении величины уровня содержания CO2, значения pH, уровня содержания хлора и значения ОВП на вход регулятора камеры окисления для управления уровнем и/или прохождением обработки.
Еще одна дополнительная цель настоящего изобретения заключается в предложении способа обработки сточных вод, включающего электрокоагулирование загрязнителей сточных вод в установке электрокоагулирования; и электроокисление загрязнителей сточных вод в установке электроокисления; и высвобождение ионов металлов из электрода для вступления в реакцию с остаточными окислителями и получения оксидов металлов, которые могут быть отделены от сточных вод в установке удаления окислителя; и, в заключение, высвобождение подвергнутого обработке стока. В определенных случаях, таких как случаи выведения из установки электроокисления небольшого количества известных остаточных окислителей, электрод, высвобождающий ион металла, установки удаления окислителя может быть замещен источником ультрафиолетового излучения для разложения окислителя.
В некоторых аспектах настоящего изобретения предлагается способ обработки сточных вод, включающий проведение для сточных вод стадии окисления; и проведение для окисленных сточных вод стадии удаления окислителя в результате пропускания сточных вод между электродами, соединенными с источником электроэнергии, который вызывает высвобождение, по меньшей мере, из одного растворимого электрода ионов металлов в сточные воды, где ионы металлов будут вступать в реакцию с окислителями с образованием оксидов металлов.
В некоторых аспектах настоящего изобретения предлагается способ обработки сточных вод, содержащих окислители, включающий проведение для сточных вод стадии удаления окислителя в результате пропускания сточных вод по контуру рециркуляции между электродами, соединенными с источником электроэнергии, который вызывает высвобождение, по меньшей мере, из одного растворимого электрода ионов металлов в сточные воды, где ионы металлов будут вступать в реакцию с окислителями с образованием оксидов металлов; измерение уровня содержания окислителя в сточных водах при использовании датчика значения ОВП и/или уровня содержания хлора и, в заключение, высвобождение сточных вод в зависимости от количества окислителей в сточных водах.
В других аспектах настоящего изобретения предлагается способ управления реакцией окисления в камере окисления, включающий окисление загрязнителей в камере окисления и измерение одного или нескольких показателей обработки, которые указывают на прохождение обработки, таких как значение ОВП, уровень содержания свободного хлора, значение pH и уровень содержания диоксида углерода; а после этого регулирование реакции окисления в зависимости от показателей обработки.
В некоторых аспектах настоящего изобретения предлагается устройство, включающее контур между установкой удаления окислителя и любой другой электрохимической установкой, расположенной по ходу технологического потока раньше таким образом, чтобы сточные воды, содержащие оксиды металлов, из установки удаления окислителя могли бы быть доставлены в позицию, расположенную по ходу технологического потока раньше, для улучшения коагулирования и адсорбирования природного органического или другого материала, что дополнительно увеличивает энергетический коэффициент полезного действия системы.
Краткое описание чертежей
Изобретение будет лучше понято с использованием следующего далее подробного описания вариантов осуществления изобретения при обращении к прилагаемым чертежам, в числе которых:
фиг.1 является схематическим представлением способа ТЭОСВ, включающего установки обработки для электрокоагулирования, электрофлотации, электроокисления и восстановления окислителя, основные использующиеся датчики, работающие в режиме реального времени, и отправление оксида железа на рецикл;
фиг.2 представляет собой график, демонстрирующий удаление свободного хлора в зависимости от времени обработки при использовании лабораторной установки восстановления окислителя (ВО), функционирующей при 30 мА;
фиг.3 представляет собой график, демонстрирующий удаление хлорамина в зависимости от времени обработки при использовании лабораторной установки восстановления окислителя (ВО), функционирующей при 15 мА;
фиг.4A является схематическим представлением установки технологии ТЭОСВ для обработки фекальных стоков/бытовых сточных вод без туалетного смыва. Фиг.4B является схематическим представлением установки технологии ТЭОСВ для обработки фекальных стоков/бытовых сточных вод без туалетного смыва при наличии компонента в виде замасленной воды;
фиг.5 представляет собой график, демонстрирующий экспериментальные результаты по датчикам значения ХПК, уровня содержания CO2 и значения pH для акцентирования их корреляции с прохождением обработки в виде окисления;
фиг.6 демонстрирует изменение значения ОВП и уровня содержания свободного хлора в растворе во время обработки в виде восстановления окислителя (ВО) при активировании датчика уровня содержания свободного хлора при достижении значением ОВП 700 мВ;
фиг.7 демонстрирует экспериментальные результаты по общему количеству взвешенного твердого вещества (ОКВТВ) и окраске измеренных в испытаниях в склянке для фекальных стоков (ФС) и бытовых сточных вод без туалетного смыва (БСВБТС) при различных уровнях добавления оксида металла Fe(OH)3;
фиг.8 является схематическим представлением устройства технологии ТЭОСВ, включающего контуры течения стока и контуры управления.
Осуществление изобретения
Фиг.1 является схематическим представлением способа ТЭОСВ, включающего различные установки электрохимической обработки, работающие в режиме реального времени основные датчики, которые могут быть использованы, и отправление оксида железа на рецикл в предшествующие установки электрохимической обработки (продемонстрированное в виде штриховой линии). На фиг.1 не продемонстрирована установка предварительной обработки для удаления объемистого твердого вещества или свободного масла, которая может потребоваться в зависимости от концентрации объемистого твердого вещества и масла в подвергаемых обработке сточных водах. Для выполнения данной задачи может быть использовано хорошо известное оборудование, такое как сита грубой очистки, фильтры грубой очистки и маслосборники. Установка предварительной обработки также может представлять собой механизм уменьшения размера объемистого твердого вещества, такой как дробилка тонкого измельчения.
Установки технологии ТЭОСВ, которые могут быть включены в способы удаления загрязнителей из сточных вод, перечислены ниже, а также на фиг.1. В одном предпочтительном варианте осуществления способ состоит из последовательности из четырех электрохимических установок:
1. Электрокоагулирование (ЭК).
2. Электрофлотация (ЭФ).
3. Электролитическое окисление (ЭО).
4. Удаление окислителя (УО).
Некоторые из вышеупомянутых установок, такие как электрокоагуляторы, сами по себе известны на предшествующем уровне техники, в то время как другие, такие как установки удаления окислителя, являются новыми. Изобретение заявителя заключается в компоновке, эксплуатации и управлении в отношении каждой из данных установок для обработки различных сточных вод без использования химических реагентов или биологической обработки и включает множество инновационных аспектов, которые делают технологию ТЭОСВ уникальными и прежде неизвестными способом и устройством.
Необходимо понимать то, что сточные воды понимаются как включающие все потоки притоков и стоков или жидкости, которые может оказаться выгодным подвергнуть электрохимической обработке в соответствии с настоящим изобретением. Необходимо также понимать то, что электрокоагулирование должно быть интерпретировано как включающее электрофлотацию в таких случаях, в которых электрокроагулирование производит газовые пузырьки, способные вызывать флотацию определенных загрязнителей с их переносом на поверхность жидкости.
В дополнение к этому будут описаны конкретные компоновка и режим функционирования, которые способны обеспечить одновременную обработку трех основных потоков отходов (фекальных стоков, бытовых сточных вод без туалетного смыва и замасленной воды), производимых на борту судна; современный уровень техники предлагает системы и способы, которые могут обеспечить только индивидуальные обработку определенных потоков или определенных комбинаций из потоков при использовании отдельного оборудования.
Каждая из частей способа ТЭОСВ, схематически проиллюстрированного на фиг.1, будет более подробно обсуждаться ниже.
Электрокоагулирование (ЭК)
Заявители используют способ электрокоагулирования для дестабилизации взвешенных твердого вещества, коллоидов, ионов металлов, масла и эмульсий, содержащихся в сточных водах, и их коагулирования. ЭК состоит из приложения напряжения к одной или нескольким парам металлических электродов (обычно алюминиевых или железных), погруженных в подвергаемые обработке сточные воды. Анод или аноды являются растворимыми и высвобождают ионы металлов, которые оказывают коагулирующее воздействие. Одновременно на катоде или катодах образуются пузырьки газообразного водорода; в зависимости от геометрии и направления течения сточных вод пузырьки могут быть использованы для флотации коагулированных загрязнителей (в том числе и высвобожденных ионов металлов) с их переносом на поверхность жидкости, подвергаемой обработке. Изменение полярности электродов, которое известно специалистам в соответствующей области техники, предотвращает образование отложений на поверхности катода (или катодов) и, таким образом, продлевает срок службы электродов и сводит к минимуму электрические потери в установке электрокоагулирования.
В предпочтительном варианте осуществления установки электрокоагулирования используют вертикальные алюминиевые параллельные пластинчатые электроды, но также сработает и любая другая компоновка электродов установки ЭК, которая обеспечивает коагулирование загрязнителей. Сточные воды закачивают в установку из нижней части и прокачивают снизу вверх между пластинчатыми электродами, где высвобождаются коагулирующие ионы металлов, и происходит образование пузырьков. Пластинчатые электроды могут быть размещены в флоккуляционном резервуаре или отдельно от него для облегчения проведения их технического обслуживания и замены. Турбулентность, вызываемая высвобождением газовых пузырьков на катоде, заставляет коагулированные частицы флоккулировать, а адгезия пузырьков к хлопьям в сочетании с течением снизу вверх заставляет флоккулированные загрязнители формировать пену на поверхности жидкости. Данную пену непрерывно удаляют в результате всасывания или по любому другому механизму удаления пены, такому как в случае лопастей пеноотделителя, а при необходимости обезвоживания концентрированную пену отправляют на утилизацию отходов и жидкость, извлеченную в результате обезвоживания пены, отправляют обратно в головную часть системы обработки сточных вод или в любую индивидуальную установку, включая ЭК, ЭФ, ЭО или УО. Использующиеся плотности электрического тока и площади удельных поверхностей являются типичными для современного уровня техники, а режим функционирования является непрерывным несмотря на возможность легкой реализации данного способа и в периодическом режиме. Предпочтительной является компоновка, требующая замены электродного комплекта каждые несколько месяцев или около того. Во всех электрохимических установках может быть использован импульсный электрический ток либо для уменьшения потребления мощности, либо для улучшения эффективности обработки.
Электрофлотация (ЭФ)
Заявители используют данный способ в качестве ступени доочистки для флотации хлопьев, которые не были удалены во время обработки в виде ЭК. Несмотря на изображение на фиг.1 установок ЭК и ЭФ в виде отдельных ячеек установка ЭФ может быть интегрирована в установку ЭК. Назначение установки ЭФ заключается в получении микронных пузырьков газа, которые используются для флотации хлопьев, остающихся в растворе по завершении обработки в виде ЭК. Пузырьки водорода и кислорода производят электрохимически при использовании нерастворимых электродов, на которые подают электрический ток. В данном случае в качестве катода используют титановую сетку, в то время как анод состоит из титановой сетки, имеющей покрытие из оксида иридия. В качестве как анода, так и катода может быть использован любой другой тип материалов электродов, такой как платина, имеющая покрытие из титана, до тех пор, пока он будет удовлетворять требованиям к нему по эксплуатационным характеристикам при ЭФ и позволять изменять полярность. Кроме того, возможными являются и другие установки ЭФ, у которых катод высвобождает микропузырьки, в то время как растворимый анод высвобождает коагулирующие агенты.
Режим функционирования является непрерывным. По завершении обработки в виде ЭК/ЭФ основную часть взвешенного твердого вещества, ионов металлов, свободных и эмульгированных масел удаляют совместно со значительной частью растворенного твердого вещества, как это представляет химическое потребление кислорода (ХПК) в растворе. Для предотвращения образования отложений на поверхности катода в данной установке также может быть использовано изменение полярности электродов.
Электролитическое окисление (ЭО)
Заявители используют данный способ для окисления остаточных растворенных материалов, составляющих источник химического потребления кислорода. Электролитическое (или электрохимическое) окисление представляет собой электрохимический способ, в котором используют пару электродов, на которую подают электрический ток. Это приводит к получению окисляющих частиц на поверхности анодов и/или в объеме раствора. Полное окисление органических молекул в результате приводит к высвобождению газообразного диоксида углерода (CO2); таким образом, данный способ иногда называют электрохимическим сжиганием. По данному способу также могут быть окислены и неорганические молекулы. В дополнение к газообразному CO2 во время обработки в виде ЭО непрерывно производят и выдувают газообразный водород (образующийся на катоде) и небольшие количества других газов, таких как кислород на аноде. Катод может быть изготовлен из материала, который не приводит к образованию газообразного водорода в установке ЭО, поскольку это могло бы облегчить определение уровней содержания CO2 и устранить потребность в выдувании газообразного водорода в установке электроокисления.
В способе ЭО используют электроды, состоящие из покрытия из алмаза, допированного бором, (АДБ) поверх кремниевой, титановой или другой подложки. Они могут быть заключены в тело реактора из нержавеющей стали или пластика. Электроды ЭО также могут быть изготовлены и из пластины чистого АДБ по методикам, таким как тонкопленочное химическое парофазное осаждение. В случае как анодов, так и катодов в виде электродов из АДБ будет возможным изменение полярности для предотвращения образования отложений на поверхности катода. Электроды из АДБ демонстрируют высокую способность к образованию гидроксильных радикалов поблизости от поверхности анода, хотя существует и несколько других типов электродов, обнаруживающих подобные способности, которые также могли бы быть использованы. Гидроксильные радикалы являются более эффективно действующими, чем большинство хорошо известных окислителей, таких как хлор и озон.
Кроме того, в случае присутствия в подвергаемых обработке сточных водах солей (или морской воды) электроды из АДБ образуют значительный уровень содержания окислительных соединений в объеме раствора. В частности, образование гипохлорита натрия, который в зависимости от значения pH раствора находится в равновесии с хлорноватистой кислотой, в комбинации с гидроксильными радикалами оказывает воздействие, окисляющее растворенные загрязнители, инактивирующее болезнетворные микроорганизмы, такие как бактерии, и увеличивающее скорость и степень окисления, которые могли бы быть достигнуты при использовании только гидроксильных радикалов.
Данный способ обычно реализуют в режиме периодической рециркуляции, поскольку гидроксильные радикалы являются короткоживущими и остаются поблизости от поверхности анода вместо поступления в течение в объеме. При высокой концентрации загрязнителей способ лимитируется по электрическому току, но при уменьшении концентрации загрязнителей ниже определенного уровня окисление гидроксильными радикалами начинает лимитироваться по массопереносу; для уменьшения значения ХПК до низких уровней требуется множество проходов через реактор ЭО. Однако в случае присутствия в растворе и других окислителей, таких как гипохлорит натрия, образованный в результате электролиза соленой воды или морской воды, в течении в объеме окисление может протекать в степени, достаточной для обеспечения реализации способа ЭО в непрерывном режиме. Поэтому в зависимости от рабочих условий и желательного уровня уменьшения значения ХПК для способа ЭО также возможным является и непрерывный режим функционирования. Желательно разработать способ ЭО таким образом, чтобы свести к минимуму площадь удельной поверхности и потребление электроэнергии, требуемое для обработки.
Удаление окислителя (УО)
Это конечная операция в установках в способе ТЭОСВ. Ее функция заключается в разложении остаточного окислителя, остающегося по завершении обработки в виде ЭО для тех случаев, в которых это требуется (большинство случаев). Например, предписания Международной морской организации (ММО) и Конвенции по предотвращению загрязнения моря с судов ММО/КПЗМС запрещают морским судам сбрасывать подвергнутые обработке сточные воды, содержащие остаточный хлорный окислитель при >0,5 мг/л. В случае присутствия в одной из разновидностей сточных вод морской воды или добавления последней для улучшения проводимости сточных вод и в случае использования для окисления электролитического способа будут образовываться окислители на хлорной основе, и при достижении уровней ХПК, приемлемых для сброса, обычно будет иметься уровень содержания хлора, превышающий значения из стандартов ММО/КПЗМС по сбросу. Значение общего уровня содержания хлора состоит из суммы уровня содержания свободного хлора и уровня содержания производных хлора (в общем случае хлораминов), и в отличие от других подходов подход заявителя позволяет обеспечить разложение обоих типов окислителей на хлорной основе, а также и других типов окислителей, которые могут быть образованы по электролитическому способу (например, на бромной основе) или добавлены в виде химического реагента или газа. Фиг.2 и 3 представляют типичные результаты для уменьшения уровней содержания свободного хлора и хлорамина при использовании лабораторной установки УО.
На предшествующем уровне техники описывается дехлорирование при использовании хорошо известных химических восстановителей, гранулированного активированного угля, катализаторов или других подобных расходуемых материалов. У данных подходов существует множество недостатков, в том числе их высокая стоимость и меры предосторожности, необходимые для обращения с химическими продуктами и их утилизации, и невозможность получения многими изолированными сообществами данных дехлорирующих агентов на регулярной основе.
Вместо этого при сохранении электролитического подхода, формирующего базовые установки технологии ТЭОСВ, заявители разработали электролитический подход и к удалению остаточного окислителя, который является недорогим и быстрым.
При эксплуатации установки УО используют параллельные пластинчатые электроды, в основном изготовленные из железа (такого как углеродистая сталь), на которые подают электрический ток. Электроды заключены в реактор из нержавеющей стали, а текучая среда, подвергаемая обработке, циркулирует через реактор вплоть до достижения желательного уровня удаления окислителя. В альтернативном варианте пакет электродов мог бы быть размещен внутри сборного резервуара из надлежащего конструкционного материала, в котором удерживают и перемешивают сточные воды. Режим функционирования является периодическим, хотя в зависимости от концентрации остаточного окислителя и других характерных особенностей могло бы быть предусмотрено и непрерывное функционирование.
Электрический ток, подаваемый на электроды, оказывает воздействие, высвобождающее из анодов ионы Fe2+, которые моментально вступают в реакцию с остаточным окислителем с образованием Fe(OH)3 - нерастворимого осадка при нейтральном значении pH, также известного под наименованием ржавчины. В порядке примера окислитель гипохлорит натрия окисляет ионы Fe2+ с образованием ионов Fe3+ при одновременном собственном восстановлении с образованием безвредных ионов натрия и хлорида (растворенных NaCl или соли). Скорость удаления окислителя в принципе определяется концентрацией окислителей и ионов Fe2+, высвобожденных в воду, при этом высвобождение последних зависит от плотности электрического тока, в то время как степень удаления окислителя зависит от времени и скорости обработки.
В альтернативном варианте удаление окислителя также может быть достигнуто и по другим способам, таким как при использовании гранулированного активированного угля, ионного обмена, фильтра, химических восстановителей, аэрационного устройства, нагревательного устройства для термического разложения окислителей и ультрафиолетового (УФ) излучения. Например, в одном альтернативном варианте осуществления устройства удаления окислителя источник УФ-излучения обеспечивает разложение хлора и других окислителей, получаемых в аппарате ЭО.
Как и в случае с анодами ЭК, размер растворимых электродов УО предпочтительно подбирать таким образом, чтобы их замена требовалась бы каждые несколько месяцев или около того при изменении полярности в ходе эксплуатации. В зависимости от предполагаемого варианта использования подвергнутого обработке стока небольшое количество остаточного окислителя иногда является желательным (например, как это имеет место в муниципальных системах обработки сточных вод); в данном случае технологический процесс УО завершают до разложения всего остаточного окислителя.
Степень удаления частиц Fe(OH)3 (в случае наличия таковых) из подвергнутого обработке стока также зависит от конечного предполагаемого варианта использования подвергнутого обработке стока. Удаление железа из питьевой воды представляет собой общепринятую практику, причем скорее по эстетическим соображениям (связанным со вкусом, окрашиванием или накоплением), чем по соображениям опасности для здоровья человека или для окружающей среды. Собственно говоря, железо является существенным фактором хорошего здоровья человека, и в случае присутствия железа в питьевой воде оно может находиться там с концентрациями, доходящими вплоть до 40 ч./млн (зачастую в колодезной воде), хотя обычно это менее чем 10 ч./млн. Однако по эстетическим причинам рекомендованный предел составляет 0,3-1,0 ч./млн.
В случае военного корабля сброс небольших количеств частиц ржавчины в океан не должен вызывать большой озабоченности; собственно говоря, на борту судов регулярно давят большие количества стеклянных и металлических отходов перед их выгрузкой в океан, что обеспечивает отсутствие у них способности к флотации. Кроме того, согласно гипотезе океанографов недостаток железа приводит к появлению в океане необитаемых зон, и было проведено множество крупномасштабных экспериментов в натурных условиях, включающих затравку океана железом.
В случаях желательности удаления частиц Fe(OH)3 могут быть использованы несколько подходов в зависимости от концентрации Fe(OH)3, стандартов по сбросу ОКВТВ и различных других факторов.
В случае большой концентрации частиц Fe(OH)3 для отделения частиц Fe(OH)3 от подвергаемых обработке сточных вод может быть использован осветлитель. В зависимости от области применения осветлитель может функционировать в периодическом или непрерывном режимах. Как было установлено, в случае типичных уровней восстановления окислителя, требуемых в способе ТЭОСВ, концентрация и распределение частиц по размерам у Fe(OH)3 в некоторых случаях будут достаточными для достижения разумной скорости осаждения частиц, которые могут быть удалены в виде концентрированной взвеси из нижней части осветлителя, функционирующего в периодическом режиме, в результате открытия клапана, расположенного на выпускной трубе, присоединенной к конусовидной нижней части осветлителя. Течение во время данного периода согласно разработке является ламинарным для сведения к минимуму завихрения или турбулентности в отстоявшейся жидкости.
В случае областей применения, в которых концентрация Fe(OH)3 высока, а твердые вещества должны быть высококонцентрированными, может быть использовано оборудование, такое как гидроциклон, фильтр-пресс или барабанный вращающийся фильтр. В альтернативном варианте в случае низкой концентрации Fe(OH)3 для удаления частиц и получения чистого потока и взвеси, содержащей высокую концентрацию частиц Fe(OH)3, могут быть использованы фильтр обратной промывки или другие фильтрационные средства. Взвесь, содержащая частицы Fe(OH)3, может быть либо отправлена на утилизацию, либо направлена обратно в поток сточных вод, неподвергнутых обработке или подвергнутых неполной обработке, где она обеспечит получение значительных преимуществ, описывающихся ниже.
Описание способа ТЭОСВ
В случае объединенных потоков фекальных стоков (ФС) и бытовых сточных вод без туалетного смыва (БСВБТС) или замасленной воды (ЗВ) подвергаемые обработке сточные воды могут просто проходить через каждую из установок технологии ТЭОСВ, как это продемонстрировано на фиг.4A. Большинство потоков сточных вод являются достаточно подходящими для реализации данного способа, а гидроксильные радикалы, образовавшиеся во время ЭО, являются достаточными для уменьшения значения ХПК и уровней содержания биологических агентов в растворе даже в отсутствие вклада окислителей на хлорной основе, обычно образующихся в подходах на основе электролиза солевых растворов.
Для увеличения электрической проводимости сточных вод, подвергаемых обработке по способу ТЭОСВ, при необходимости может быть использовано добавление соли (или морской воды или рассола со способа обратноосмотического обессоливания). Для предотвращения образования избыточных количеств окислителей на хлорной основе данное добавление соли должно быть минимальным.
Подход, описывающийся на фиг.4A, способен обеспечить получение стока, удовлетворяющего всем стандартам ММО/КПЗМС по сбросу для подвергнутого обработке канализационного водостока (БСВБТС или ФС+БСВБТС) при добавлении или без добавления соли (таблица 1). Кроме того, подход, описывающийся на фиг.4A, способен обеспечить получение стока, удовлетворяющего всем международным стандартам по морскому сбросу для подвергнутой обработке ЗВ (таблица 2) даже на экологически уязвимых участках. Кроме того, потоки ФС+БСВБТС и ЗВ, как это продемонстрировано на фиг.4B, также могут быть подвергнуты обработке и для получения единого конечного подвергнутого обработке стока, хотя в настоящее время пока еще отсутствует пересмотренный стандарт, очерчивающий стандарты по сбросу при одновременной обработке данных потоков.
| Таблица 1 | |
| Международные стандарты по морскому сбросу для канализационного водостока | |
| ОКВТВ | <35 мг/л |
| ХПК | <125 мг/л |
| pH | 6,0-8,5 |
| Фекальные колиформные бактерии | <100 шт./100 мл |
| Остаточный свободный Cl2 | <0,5 мг/л |
| Таблица 2 | |
| Международные стандарты по морскому сбросу для замасленной воды | |
| Масло и жир | <15 ч./млн в океане |
| <5 ч./млн на экологически уязвимых участках |
Что касается областей применения с наземным сбросом, то наиболее развитые страны имеют стандарты по сбросу для сброса в систему общесплавной или бытовой канализации, в систему ливневой канализации или в водоток. Данные стандарты варьируются в зависимости от страны, штата, провинции и муниципалитета. Таким образом, вследствие исключительно высокой зависимости стандартов по сбросу от местоположения и местонахождения в данной заявке они не представлены. Тем не менее более строгие стандарты по наземному сбросу подобны предписаниям ММО/КПЗМС и в дополнение включают другие регулируемые параметры, такие как тяжелые металлы, фосфаты, нитраты, фенолы, сульфиды, сульфаты, ТГМ и температура. Подход технологии ТЭОСВ, описывающийся на фиг.4A, также способен удовлетворять и более строгим стандартам по наземному сбросу для сточных вод.
Результаты, полученные при лабораторной обработке по технологии ТЭОСВ с использованием ЭК, ЭФ и ЭО, представлены в таблице 3 для трех типов модельных сточных вод, разработанных для точной имитации судовых фекальных стоков (ФС), бытовых сточных вод без туалетного смыва (БСВБТС) и замасленной воды (ЗВ). Также продемонстрированы и результаты для смесей данных потоков. Как можно видеть, лабораторный способ ТЭОСВ был способен обеспечить достижение высоких скоростей удаления для общего количества взвешенного твердого вещества (ОКВТВ), источников ХПК и масла, и конечные значения для подвергнутого обработке стока удовлетворяют стандартам ММО/КПЗМС по сбросу, требуемым для данных параметров. Кроме того, в таблице 4 представлены результаты, полученные при использовании полупромышленной обработки по технологии ТЭОСВ для реальных судовых (ЗВ, БСВБТС, ФС+БСВБТС) и бытовых (ФС+БСВБТС) сточных вод при использовании ЭК, ЭФ, ЭО и УО. Обработка по технологии ТЭОСВ удовлетворяет всем стандартам ММО/КПЗМС по сбросу для ЗВ и ФС+БСВБТС.
| Таблица 3 | |||||
| Результаты по удалению ОКВТВ, ХПК и масла для технологии ТЭОСВ в случае модельных сточных вод, моделирующих судовые сточные воды | |||||
| Измерение | Точка отбора образца | БСВБТС | ЗВ | ФС+БСВБТС | ФС+БСВБТС+ЗВ |
| До ЭК | 391 | 2942 | 807 | 1367 | |
| ОКВТВ (ч./млн) | После ЭК | 25 | 114 | 30 | 45 |
| После ЭО | 1 | 71 | 0 | 19 | |
| ХПК (ч./млн) | До ЭК | 1337 | 14685 | 1985 | 6670 |
| После ЭК | 470 | 300 | 351 | 402 | |
| После ЭО | 0 | 54 | 1 | 0 | |
| МАСЛО (ч./млн) | До ЭК | - | 6200 | - | 6550 |
| После ЭК | - | 30 | - | 106 | |
| После ЭО | - | 4 | - | 12 |
| Таблица 4 | ||||
| Результаты по удалению ОКВТВ, ХПК, БПК, масла, свободного и общего Cl2 и фекальных колиформных бактерий для полупромышленной технологии ТЭОСВ в случае реальных судовых и бытовых сточных вод | ||||
| Измерение | Точка отбора образца | БСВБТС | ЗВ | ФС+БСВБТС |
| До ЭК | 460 | 810 | 750 | |
| ОКВТВ | После ЭФ | 28,5 | 5,5 | 17 |
| (ч./млн) | После ЭО | - | - | - |
| После УО | 5 | - | 20 | |
| До ЭК | 2468 | 59100 | 1476 | |
| ХПК (ч./млн) | После ЭФ | 278 | 511 | 143 |
| После ЭО | 121 | - | 7 | |
| После УО | 116 | - | 0 | |
| До ЭК | 163 | - | 556 | |
| БПК (ч./млн) | После ЭФ | - | - | - |
| После ЭО | - | - | - | |
| После УО | <25 | - | 0 | |
| До ЭК | - | 23600 | - | |
| МАСЛО | После ЭФ | - | 4,2 | - |
| (ч./млн) | После ЭО | - | - | - |
| После УО | 1,21 | |||
| Свободный Cl2 (общий Cl2) | До ЭК | 0 | 0(0) | 0 |
| После ЭФ | 50 | 0(1) | 0 | |
| (ч./млн) | После ЭО | 100 | - | 35 |
| После УО | 0,2 | 0(0) | 0,1 | |
| До ЭК | - | - | 2E+4 | |
| Фекальные колиформные бактерии (КОЕ/100 мл) | ||||
| После ЭФ | ||||
| После ЭО | - | - | - | |
| После УО | 0 | - | 0 |
Способ ТЭОСВ может обеспечить обработку притока в виде ЗВ, характеризующегося уровнем содержания масла, большим чем 15 ч./млн, и подвергнутый обработке сток будет соответствовать стандарту по сбросу в отношении уровня содержания масла, меньшего, чем 15 ч./млн.
Способ ТЭОСВ также может обеспечить обработку притока в виде канализационного водостока или бытовых сточных вод без туалетного смыва, содержащего более чем 35 ч./млн общего количества взвешенного твердого вещества (ОКВТВ), более чем 125 ч./млн источников химического потребления кислорода (ХПК), более чем 25 ч./млн источников биологического потребления кислорода (БПК) и более чем 100 КОЕ/100 мл фекальных колиформных бактерий (ФКБ), а подвергнутый обработке сток будет соответствовать стандартам КПЗМС по сбросу.
Несмотря на наличие представленной на фиг.4B разделительной перегородки, которая обеспечивает проведение обработки сточных вод различных составов (таких как замасленная вода и бытовые сточные воды без туалетного смыва), необходимо понимать то, что установки ЭК (а также и установки ЭФ, ЭО и УО) могут быть размещены в комбинации со множеством других подобных установок либо последовательно, либо параллельно при одновременном совместном использовании определенного периферийного оборудования в целях сведения к минимуму стоимости, занимаемой площади/объемистости аппарата.
Управление технологическим процессом ТЭОСВ
Один важный аспект изобретения представляет собой управление технологическим процессом. Как упоминалось выше, система должна быть способной адаптировать широкий ассортимент вариаций загрузки загрязнителей, обусловленный вариациями расхода и/или качества притока.
Существует множество различных подходов, которые могли бы быть предусмотрены, некоторые из них являются очень сложными и дорогостоящими. Для сохранения простоты способа ТЭОСВ, сведения к минимуму стоимости датчиков и оборудования и успешного удовлетворения требованиям к обработке по большому количеству параметров сброса для функционирования каждой из основных установок выбирают следующие далее подходы, но в зависимости от режима функционирования каждой установки могли бы быть использованы и другие стратегии управления технологическим процессом:
ЭК: предпочтительное функционирование в однопроходном режиме при постоянном расходе; сохранение постоянного значения силы электрического тока или ее модулирование по мере необходимости исходя из мутности притока и/или уровня содержания масла согласно измерению при использовании датчиков, работающих в режиме реального времени.
ЭФ: предпочтительное функционирование в однопроходном режиме при постоянном расходе; сохранение постоянного значения силы электрического тока или ее модулирование по мере необходимости исходя из мутности и/или уровня содержания масла согласно определению при использовании датчиков, работающих в режиме реального времени.
ЭО: предпочтительное функционирование в режиме периодической рециркуляции при постоянном расходе, постоянной силе электрического тока и прекращение обработки исходя из показаний одного или комбинации из работающих в режиме реального времени датчиков концентрации газообразного CO2, значения ОВП, уровня содержания Cl2 и значения pH.
УО: предпочтительное функционирование в режиме периодической рециркуляции или непрерывном режиме при постоянном расходе, сохранение постоянства силы электрического тока или ее модулирование по мере необходимости исходя из показаний работающих в режиме реального времени датчиков окислительно-восстановительного потенциала (ОВП) и/или уровня содержания Cl2 и прекращение обработки исходя из показаний работающего в режиме реального времени датчика значения ОВП и/или работающего в режиме реального времени датчика уровня содержания Cl2 или только работающего в режиме реального времени датчика значения ОВП.
Выбранный полупериодический подход к эксплуатации и управлению в отношении функционирования установок обозначает потребность в наличии нескольких сборных резервуаров в различных частях технологического процесса. Подход к эксплуатации и управлению проиллюстрирован на фиг.1, которая демонстрирует местонахождение работающих в режиме реального времени основных датчиков, использующихся для управления технологическим процессом, но не изображает сборные резервуары, связанные с каждой установкой обработки.
Для целей управления заявители в связи со способом ЭО используют датчик уровня содержания газообразного CO2. В противоположность другим подходам к управлению, в которых для управления технологическим процессом в ходе обработки в виде ЭО используют дорогостоящие и сложные работающие в режиме реального времени датчики значения ХПК, использование датчика уровня содержания газообразного CO2 является простым и намного менее дорогостоящим. В альтернативном варианте для опосредованного обнаружения степени прохождения обработки в установке ЭО могут быть использованы датчик уровня содержания свободного хлора или датчик значения pH.
Как было обнаружено в лабораторных и полупромышленных экспериментах, для определенных типов сточных вод форма кривой выделения CO2 в сочетании с измерением значения pH формирует ясный показатель момента времени, в который завершается большинство реакций, протекающих во время периодической обработки в виде ЭО. Это продемонстрировано на фиг.5.
Еще один подход к управлению заключается в использовании для отслеживания высоких концентраций остаточного окислителя в ходе технологического процесса УО зонда окислительно-восстановительного потенциала (ОВП), работающего в режиме реального времени. Сразу после падения сигнала значения ОВП ниже определенной величины обычный датчик уровня содержания хлора (который не может быть использован при высоких концентрациях остаточного окислителя) будет переводиться в режим реального времени для точного отслеживания прохождения технологического процесса УО и указания на момент, когда его необходимо завершить. Как только будет получена точная корреляция между уровнем ОВП и концентрацией Cl2 для конкретного раствора зонд значения ОВП, также можно будет использовать только для управления технологическим процессом УО. Фиг.6 демонстрирует типичный результат измерения для датчика значения ОВП и уровня содержания свободного хлора в ходе технологического процесса УО.
Обработка объединенных судовых сточных вод
Далее будет описываться оригинальный подход, который обеспечивает одновременную обработку различных потоков, для конкретного случая сточных вод, полученных на судах или платформах, функционирующих в океане (или любой комбинации из сточных вод, которые напоминают ФС, БСВБТС и ЗВ). Необходимо отметить то, что одновременная обработка различных потоков не является нормой; обычно каждый поток сточных вод требует обработки при использовании конкретного типа оборудования и способа. Однако исключительно желательной является интегрированная неизбирательная система, способная иметь дело со всеми потоками сточных вод, о чем свидетельствует прогресс, сделанный в разработке стандартов по морскому сбросу, предвосхищающих разработку такого подхода.
Фиг.4B демонстрирует подход к обработке трех основных потоков судовых сточных вод, а именно ФС, БСВБТС и ЗВ. Необходимо отметить то, что не все сточные воды подвергают обработке при эксплуатации всех установок технологии ТЭОСВ. Кроме того, в целях достижения минимальной требуемой проводимости раствора для функционирования технологии ТЭОСВ соль или морскую воду по мере необходимости добавляют только к смеси ФС+БСВБТС. В случае гравитационного сбора ФС при использовании соленой воды (в противоположность вакуумному сбору при использовании пресной воды) будут получать поток, характеризующийся высоким уровнем содержания соли, и какого-либо добавления соли не потребуется. Поток ЗВ (для океанского судна) содержит высокую долю морской воды и не требует добавления соли.
Поток ФС+БСВБТС и поток ЗВ подергают обработке в параллельных установках ЭК/ЭФ, которые соединяются, но не обеспечивают контакта между двумя потоками. Для исключения дублирования оборудования данные параллельные установки ЭК/ЭФ могут совместно использовать некоторые из компонентов системы (например, систему удаления пены, источник питания и тому подобное).
Обработка в виде ЭК/ЭФ обычно является достаточной для удаления основной части масла, содержащегося в ЗВ, которая не идет на обработку в виде ЭО. Это сводит к минимуму время обработки в виде ЭО и/или размер оборудования, при этом следует помнить о том, что это наиболее дорогостоящая и энергоемкая часть способа ТЭОСВ. Кроме того, отвод потока ЗВ от ЭО является выгодным, поскольку повышенный уровень содержания соли в результате приводит к получению избыточно высоких концентраций окислителя в объеме, что потребует приложения значительных усилий для разложения в установке УО. Однако поток ФС+БСВБТС в общем случае при намного меньшем уровне содержания соли пропускают дальше на обработку в виде ЭО, которая требуется для уменьшения его значения ХПК.
После установки ЭО поток ФС+БСВБТС перемешивают с потоком ЗВ, подвергнутым обработке в виде ЭК/ЭФ. Остаточный окислитель, содержащийся в потоке ФС+БСВБТС, окисляет определенную часть остаточных источников ХПК, содержащихся в потоке ЗВ, и уменьшает степень обработки, требуемую от установки УО. В заключение поток ФС+БСВБТС и поток ЗВ, подвергнутый обработке в виде ЭК/ЭФ, подвергают обработке в установке УО для уменьшения уровня содержания остаточных окислителей. Таблица 5 представляет результаты обработки по потокам ФС+БСВБТС и ЗВ при использовании способа, описывающегося на фиг.4B.
| Таблица 5 | ||||
| Лабораторные результаты обработки по технологии ТЭОСВ для объединенных потоков ЗВ и ФС+БСВБТС | ||||
| Обработка | Приток | Номер стока | ХПК стока (ч./млн) | Свободный СЬ стока (ч./млн) |
| ЭК+ЭФ | ЗВ | 1 | 629 | 0 |
| ЭК+ЭФ+ЭО | ФС+БСВБТС | 2 | 44 | 770 |
| Перемешивание | Сток 1+сток 2 | 3 | 256 | 114 |
| УО | Сток 3 | 4 | 217 | 0 |
В заключение способ ТЭОСВ может обеспечить обработку притока, объединяющего ЗВ и канализационный водосток и характеризующегося уровнем содержания масла, большим чем 15 ч./млн, содержащего более чем 35 ч./млн ОКВТВ, более чем 125 ч./млн источников ХПК, более чем 25 ч./млн источников БПК и более чем 100 КОЕ/100 мл ФКБ, а подвергнутый обработке сток будет характеризоваться уровнем содержания масла, меньшим чем 15 ч./млн, содержать менее чем 35 ч./млн ОКВТВ, менее чем 125 ч./млн источников ХПК, менее чем 25 ч./млн источников БПК, характеризоваться значением pH в диапазоне от 6 до 8,5, содержать менее чем 0,5 ч./млн хлора и менее чем 100 КОЕ/100 мл ФКБ.
Отправление частиц гидратированного оксида железа Fe(OH)3 на рецикл
Еще один аспект способа ТЭОСВ заключается в отправлении на рецикл оксида железа, образовавшегося в установке УО, для улучшения эффективности функционирования предшествующих установок технологии ТЭОСВ. В дополнение к своим характеристикам хорошо известного адсорбента оксид железа (например, образованный в результате добавления хлорида железа (FeCl2)) представляет собой хорошо известный коагулянт, широко использующийся при обработке сточных вод тем же самым образом, как используют и алюминиевые квасцы.
Коагулирование взвешенного твердого вещества и загрязнителей
Отправление оксида железа на рецикл/рециркуляцию в местоположение до установки ЭК (фиг.1) содействует коагулированию и флоккулированию загрязнителей и уменьшает вклад, требуемый от установки ЭК. В этом заключается большое преимущество, поскольку для установки ЭК могут быть уменьшены потребление электроэнергии и частота замены алюминиевых пластин.
Адсорбирование предшественников побочных продуктов обеззараживания
В последние десятилетия большую озабоченность стало вызывать образование побочных продуктов обеззараживания (ППО) во время обработки сточных вод для питьевого водопользования (вместо сброса в окружающую среду или канализационную сеть). Однако исключение окислителей и получающийся результате недостаток санитарной обработки воды являются намного более опасными моментами для здоровья человека.
Вследствие преимущественного использования соединений на хлорной основе для санитарной обработки муниципальных водных систем существуют предписания в отношении допустимых уровней содержания тригалогенметанов (ТГМ) и галогензамещенных уксусных кислот (ГУК) в питьевой воде, которые также принимаются во внимание и во множестве непитьевых областей применения, поскольку данные соединения считаются потенциально канцерогенными для людей. Данные соединения, как известно, образуются в результате взаимодействия между дезинфицирующими средствами на хлорной основе и природным органическим веществом (ПОВ), содержащимся в сточных водах, которое может иметь фульвиновое или гуминовое происхождение. Подобные предписания существуют для ППО, образующихся при использовании и других окислителей на основе озона, диоксида хлора, брома и тому подобного.
Какого-либо удовлетворительного подхода к полному исключению образования ППО не найдено. Множество подходов к уменьшению образования ППО включают удаление ПОВ до проведения санитарной обработки. Как известно, удаление ПОВ для систем питьевой воды способны обеспечить гранулированный активированный уголь и другие подходы. В частности, в литературе широко обсуждалось адсорбирование ПОВ на различных типах оксидов железа.
Отправление оксида железа на рецикл/рециркуляцию в местоположение до установки ЭО (фиг.1) может оказаться более эффективным для оказания целевого воздействия на растворенное ПОВ, которое не было удалено в результате ЭК/ЭФ, но также может потребовать и использования ступени осветления или фильтрования до или во время технологического процесса ЭО. Основные преимущества данной опции будут составлять уменьшение потенциала образования ППО и уменьшенная обработка, требуемая в случае ЭО. Фиг.7 демонстрирует результаты испытаний в склянке (по методу, знакомому специалистам в соответствующей области техники обработки сточных вод), когда к судовым ФС+БСВБТС добавляют различные количества частиц Fe(OH)3. Как можно видеть, Fe(OH)3 представляет собой эффективный коагулянт, о чем свидетельствует большое уменьшение общего количества взвешенного твердого вещества (ОКВТВ) в растворе. Кроме того, частицы Fe(OH)3 эффективно адсорбируют загрязнители, о чем свидетельствует большое уменьшение окраски раствора, которую зачастую соотносят с растворенными загрязнителями, которые в общем случае не удаляются в результате коагулирования. Как можно видеть, для данного конкретного типа сточных вод ФС+БСВБТС за пределами определенного уровня (в данном случае приблизительно 2000 мг/л Fe(OH)3) дополнительное добавление Fe(OH)3 какой-либо выгоды не приносит.
Таблица 6 демонстрирует результаты испытаний в склянке, полученные для ФС+БСВБТС при рассмотрении вклада от коагулянта на алюминиевой основе (который образовывался бы при ЭК с использованием алюминиевых пластин), а также от добавления Fe(OH)3. В случае перемешивания с ФС+БСВБТС обоих коагулянтов с концентрацией 21 ч./млн Al3+ и 1000 ч./млн Fe(OH)3 получают значение ОКВТВ 17 ч./млн. Это представляет собой на 50% меньшее потребление коагулянта на алюминиевой основе (при соответствующем уменьшении энергопотребления при ЭК) в сопоставлении с тем, что потребовалось бы в случае использования только коагулянта на алюминиевой основе. Кроме того, как можно видеть, использование одного только Fe(OH)3 не приводит к достижению низких уровней ОКВТВ, которые могут быть получены при использовании намного меньших количеств коагулянта на алюминиевой основе.
| Таблица 6 | ||||||
| Экспериментальные результаты по значению ОКВТВ и окраске в растворе ФС+БСВБТС при различных концентрациях Al3+ и Fe(OH)3 | ||||||
| Al (ч./млн) | Fe(OH)3 (ч./млн) | |||||
| 0 | 333 | 1000 | ||||
| ОКВТВ (ч./млн) | Окраска (у.е.) | ОКВТВ (ч./млн) | Окраска (у.е.) | ОКВТВ (ч./млн) | Окраска (у.е.) | |
| 0 | 213 | 1564 | 100 | 1015 | 44 | 512 |
| 21 | 51 | 515 | 35 | 457 | 17 | 235 |
| 42 | 20 | 267 | 17 | 241 | 8 | 140 |
| 63 | 9 | 148 | 9 | 149 | 5 | 102 |
| 84 | 7 | 124 | 6 | 119 | 3 | 92 |
| 105 | 9 | 132 | 7 | 121 | н.д. | н.д. |
Фиг.8 является подробным схематическим представлением предпочтительного варианта осуществления устройства технологии ТЭОСВ, включающего контуры течения стока (сплошные линии) и контуры управления (штриховые линии). В типичном цикле функционирования сточные воды перетекают в устройство и проходят через селектор 12, который позволяет оператору выбирать тип сточных вод, если он будет известен. Знание состава или происхождения разновидностей сточных вод может обеспечить реализацию протокола предварительно определенной обработки. Это также может быть осуществлено и автоматически при использовании регулятора 24 или множества регуляторов. После этого сточные воды проходят через установку 1 разделения твердое вещество/жидкость, что предотвращает попадание в систему дисперсного материала предварительно определенного размера, поскольку это могло бы оказать неблагоприятное воздействие. Установка 1 разделения твердое вещество/жидкость может представлять собой сито. Сточные воды вступают в контакт с одним или несколькими датчиками 2, которые могут воспринимать мутность или уровень содержания масла для содействия установлению характеристик состава сточных вод и/или типа требуемой обработки. После этого сточные воды поступают в установку 4 ЭК через впускное отверстие 3 установки ЭК и встречаются с анодом 5 и катодом 6. Данные электроды используются в качестве электродов электрокоагулирования и на современном уровне техники известны. Сточные воды (здесь и далее в настоящем документе называемые стоком, который будет пониматься как включающий приток, а также любые сточные воды, протекающие через систему) после этого покидают установку ЭК и поступают в установку 9 ЭФ через впускное отверстие 8 установки ЭФ. В установке 9 ЭФ сток встречается с анодом 105 и катодом 106. После покидания установки 9 ЭФ сток встречается с клапаном 10, который обеспечивает направление стока на выпускное отверстие в виде стока, подвергнутого обработке, или продолжение его пребывания в системе настоящего изобретения при прохождении через насос 11 установку 14 ЭО через впускное отверстие 13 установки ЭО. Установка 14 ЭО включает камеру окисления 17, которая может формировать замкнутый контур при использовании клапана 110 и камеры 207 электродов, включающей анод 205 и катод 206. Для оценки уровня окисления стока данный замкнутый контур дополнительно включает датчик 20 значения pH, находящийся в сообщении с регулятором 24. Камера окисления имеет выпускное отверстие 21 для газа для предотвращения нарастания давления внутри установки 14 ЭО. После покидания установки 14 ЭО через выпускное отверстие 21 для газа газ вступает в контакт с датчиком 22 уровня содержания CO2 для количественного определения уровня содержания CO2, поскольку это показатель завершения обработки. При необходимости может быть предусмотрен катализатор 23 удаления CO2 для гашения присутствия CO2 по химическим или ферментативным способам. Сразу по завершении окисления в замкнутом контуре, о чем свидетельствует CO2, откачиваемый через выпускное отверстие 21 для газа, клапан 110 обеспечивает выход стока через выпускное отверстие 18 установки ЭО в установку 30 УО. Установка 30 УО состоит из емкости 29 УО, которая принимает сток из впускного отверстия 31 установки УО. Установка 30 УО может формировать систему замкнутого контура благодаря задействованию клапана 210. До поступления в камеру 307 электродов УО сток в системе «замкнутого контура» вступает в контакт с датчиком 25 значения ОВП и датчиком 26 уровня содержания Cl2. Сразу по завершении обработки в виде УО (то есть после достижения предварительно определенного уровня содержания окислителей) клапан 210 может направить сток в установку 28 разделения твердое вещество/жидкость, разработанную для отделения оксидов металлов от подвергнутого обработке стока, который покидает систему через выпускное отверстие 32 УО. Оксиды металлов, извлеченные в установке 28 разделения твердое вещество/жидкость, могут быть отправлены на рецикл в головную часть системы в сборный резервуар сточных вод либо по ходу технологического потока до установки 1 разделения твердое вещество/жидкость, как это продемонстрировано, либо по ходу технологического потока до установки 4 ЭК (не показано). Оксиды металлов также могут быть отправлены на рецикл в местоположение по ходу технологического потока до установки 14 ЭО либо до, либо после насоса И. Необходимо понимать то, что все установки, датчики, электроды, клапаны и насосы находятся в сообщении с регулятором 24 (см. штриховые линии) таким образом, что регулятор 24 воспринимает входящий сигнал от датчиков и отправляет инструкции для исполнительных механизмов. Для функционирования все установки запитывают от источника 7 питания, которым могут быть всего один источник питания или множество индивидуальных источников питания, как это продемонстрировано на фиг.8.
В одном альтернативном варианте осуществления установка УО может функционировать исключительно в результате обеспечения наличия источника УФ-излучения, а не использования растворимых электродов. В таком устройстве источник ультрафиолетового излучения может заменить камеру 307 электродов. Необходимо понимать то, что в случае формирования способности к удалению окислителя благодаря наличию источника УФ-излучения, а не электродов установка 30 УО могла бы и не потребовать наличия емкости 29 УО, поскольку источник УФ-излучения может быть предусмотрен непосредственно внутри контуров стока. Необходимо также понимать то, что в случае использования УФ-излучения вместо растворимых электродов, установка 28 разделения твердое вещество/жидкость не потребуется, и не будет никакой необходимости в отправлении оксида металла на рецикл.
В еще одном варианте осуществления установка 30 УО может быть предусмотрена в системе замкнутого контура в комбинации с установкой 14 ЭО. В таком варианте осуществления загрязнители окисляют в результате пропускания через камеру 207 электродов, но все неиспользовавшиеся или непрореагировавшие окислители могут быть удалены непосредственно в системе замкнутого контура. Необходимо понимать то, что установка УО данной системы замкнутого контура может относиться к стандартному типу растворимого электрода или к методике удаления окислителя на основе ультрафиолетового излучения.
Специалисты в соответствующей области техники должны понимать то, что для данной системы возможно большое количество изменений, и что такие изменения не будут отклоняться от сущности изобретения.
1. Устройство для обработки сточных вод, включающее:
установку электрокоагулирования для удаления загрязнителей из указанных сточных вод, включающую, по меньшей мере, одно впускное отверстие для приема указанных сточных вод и, по меньшей мере, один анод и, по меньшей мере, один катод, при этом указанный анод и указанный катод соединены с источником электроэнергии;
установку электроокисления для окисления загрязнителей указанных сточных вод, включающую, по меньшей мере, одно впускное отверстие для приема указанных сточных вод из указанной установки электрокоагулирования, по меньшей мере, один анод и, по меньшей мере, один катод, где электрохимически получают окислители, по меньшей мере, одно выпускное отверстие для выведения указанных сточных вод; и
установку удаления окислителя для удаления окислителей из указанных сточных вод, включающую, по меньшей мере, одно впускное отверстие для приема указанных сточных вод из указанной установки электроокисления, емкость для вмещения указанных сточных вод в ходе удаления окислителя и, по меньшей мере, одно выпускное отверстие для высвобождения подвергнутых обработке сточных вод из указанного устройства.
2. Устройство по п.1, дополнительно включающее замкнутый контур между установкой удаления окислителя и любым другим местоположением, расположенным по ходу технологического потока раньше таким образом, чтобы оксид металла из указанной установки удаления окислителя мог бы быть доставлен в указанное местоположение, расположенное по ходу технологического потока раньше.
3. Устройство по п.1, дополнительно включающее установку электрофлотации, характеризующуюся тем, что, по меньшей мере, один анод и, по меньшей мере, один катод соединены с источником электрического тока, при этом указанная установка электрофлотации расположена по ходу технологического потока после указанной установки электрокоагулирования и по ходу технологического потока до указанной установки электроокисления для обеспечения удаления из сточных вод указанной установки электрокоагулирования остаточных взвешенных загрязнителей.
4. Устройство по п.1, дополнительно включающее в установке электроокисления электрод, имеющий покрытие из алмаза, допированного бором.
5. Устройство по п.1, дополнительно включающее регулятор, адаптированный для получения входящего сигнала от одного или нескольких датчиков уровня содержания диоксида углерода, окислительно-восстановительного потенциала, расхода, давления, температуры, уровня содержания хлора, мутности, значения рН, проводимости, уровня содержания конкретных ионов и/или поверхностного натяжения, силы электрического тока и/или напряжения, при этом указанный регулятор запрограммирован для управления параметрами обработки в зависимости от указанного входящего сигнала в каждой установке.
6. Устройство по п.1, в котором указанная установка электрокоагулирования дополнительно включает, по меньшей мере, одну разделительную перегородку для разделения указанной установки электрокоагулирования, по меньшей мере, на две независимые ячейки электрокоагулирования, при этом каждая указанная ячейка имеет впускное отверстие и выпускное отверстие, адаптированные для доставки частично обработанных сточных вод в указанную установку электроокисления.
7. Устройство по п.5, в котором указанный регулятор принимает входящий сигнал от, по меньшей мере, одного датчика, выбранного из датчика окислительно-восстановительного потенциала и датчика уровня содержания хлора, для определения уровня содержания окислителя; причем указанный датчик уровня содержания хлора приводится в действие при достижении на указанном датчике окислительно-восстановительного потенциала предварительно определенного порогового значения.
8. Устройство по любому из пп.1-7, дополнительно включающее устройство для управления реакцией окисления в зависимости от результатов измерения уровня содержания CO2, датчик уровня содержания СО2, находящийся в сообщении через текучую среду с камерой окисления, который отправляет на регулятор камеры окисления входящий сигнал в отношении величины уровня содержания СО2 для управления уровнем и/или прохождением обработки.
9. Способ обработки сточных вод, включающий:
электрокоагулирование загрязнителей указанных сточных вод в установке электрокоагулирования;
электроокисление загрязнителей указанных сточных вод в установке электроокисления; и
высвобождение ионов металлов из электрода для вступления в реакцию с остаточными окислителями и получения оксидов металлов, которые могут быть отделены от сточных вод в установке удаления окислителя.
10. Способ по п.9, дополнительно включающий пропускание сточных вод через установку электрофлотации после установки электрокоагулирования или до установки электроокисления.
11. Способ по п.9, дополнительно включающий пропускание сточных вод через установку флотации с растворением после установки электрокоагулирования или до установки электроокисления.
12. Способ по п.9, в котором замасленные сточные воды характеризуются уровнем содержания масла, большим чем 15 ч./млн, и подвергнутые обработке сточные воды соответствуют международному стандарту по морскому сбросу в отношении уровня содержания масла, меньшего чем 15 ч./млн.
13. Способ по п.9, дополнительно включающий подачу потока, содержащего более чем 35 ч./млн общего количества взвешенного твердого вещества (ОКВТВ), более чем 125 ч./млн источников химического потребления кислорода (ХПК), более чем 25 ч./млн источников биологического потребления кислорода (БПК) и более чем 100 КОЕ/100 мл фекальных колиформных бактерий (ФКБ), обработку указанного потока и сброс стока, содержащего менее чем 35 ч./млн ОКВТВ, менее чем 125 ч./млн источников ХПК, менее чем 25 ч./млн источников БПК, характеризующегося значением рН в диапазоне от 6 до 8,5, содержащего менее чем 0,5 ч./млн хлора и менее чем 100 КОЕ/100 мл ФКБ.
14. Способ по п. 9, дополнительно включающий рециркуляцию, по меньшей мере, части указанных оксидов металлов из указанной установки удаления окислителя в указанную установку электрокоагулирования или в любое местоположение, расположенное по ходу технологического потока до установки удаления окислителя.
15. Способ по п. 9, дополнительно включающий получение смешанных сточных вод, образованных из любого одного или комбинации из представителей, выбираемых из фекальных стоков, бытовых сточных вод без туалетного смыва и замасленной воды, и обработку указанных сточных вод по мере их образования на судне.
16. Способ по п. 9, дополнительно включающий стадию измерения одного или нескольких показателей, выбираемых из значения рН, уровня содержания хлора в жидкости и количества диоксида углерода в газе, выводимом из указанной камеры окисления, и использования результата в качестве уровня удаления загрязнителей из указанных сточных вод.
17. Способ по п.9, дополнительно включающий регулирование времени, затраченного в каждой установке, и обеспечение прохождения сточных вод в последующую установку.
18. Способ по любому из пп.9-17, в котором указанное электроокисление дополнительно включает измерение показателя прохождения обработки, причем указанный показатель представляет собой уровень содержания диоксида углерода; и регулирование указанной реакции окисления в зависимости от указанного показателя.
