способ дезинфекции воды

Формула изобретения

Способ дезинфекции воды, включающий подачу воды под давлением и кавитацию, отличающийся тем, что воду подают под давлением не менее 0,01 МПа, кавитацию проводят в устройстве, содержащем корпус, имеющий полость со входом и выходом для жидкости, размещенный в полости корпуса ротор в виде диска, имеющего в плоскости вращения отверстия, выступы и углубления, который приводят во вращение внешней силой, и неподвижную рабочую поверхность, имеющую выступы и углубления, расположенные в плоскости, перпендикулярной оси вращения ротора, совмещаемые с выступами и углублениями на роторе, при этом зазор между совмещаемыми поверхностями составляет от 0,4 до 4 мм, а давление воды на выходе из устройства устанавливают не менее 0,015 МПа.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к области обработки и очистки воды, в частности природных промышленных и бытовых сточных вод, и может быть использовано для очистки и обеззараживания воды в условиях, когда невозможна по разным причинам установка стационарного оборудования, например при чрезвычайных ситуациях, в удаленных населенных пунктах и т.д. Изобретение также может быть использовано в работающих станциях по очистке и обеззараживанию воды на одной из стадий обработки воды для усиления эффекта очистки и обеззараживания.

Известен способ обеззараживания воды, основанный на ее хлорировании хлором, который получают в специальных устройствах - хлораторах [1]. Способ широко применяется практически на всех очистных станциях. Способ имеет ряд существенных недостатков. Производство хлора, его транспортировка, хранение, дозирование требуют особых мер предосторожности, обусловленных токсичностью хлора. При взаимодействии хлора с органикой, находящейся в воде, происходит образование хлорорганики, например диоксина. Наличие в воде остаточного хлора ухудшает органолептические характеристики обработанной воды. Обеззараживающее действие хлора проявляется медленно: необходим двухчасовой контакт хлора с водой.

Известен способ обеззараживания воды излучением аргонортутных ламп низкого давления и ртутно-кварцевых ламп высокого давления [2, стр.136-149], 70% излучаемой мощности которых приходится на ультрафиолетовое излучение. Эффект обеззараживания основан на прямом губительном воздействии ультрафиолетовых лучей на белковые коллоиды и ферменты протоплазмы микробных клеток. Ультрафиолетовое излучение воздействует не только на обычные бактерии, но и на споровые организмы и вирусы. Облучение действует почти мгновенно, и, следовательно, вода может сразу же поступать непосредственно к потребителю. Однако данный способ ограничен в применении, т.к. может использоваться только для обеззараживания воды, обладающей малой цветностью и не содержащей взвешенных частиц, поглощающих и рассеивающих ультрафиолетовые лучи, например высококачественных подземных и подрусловых вод. Эксплуатация установок с бактерицидными лампами требует специальной подготовки обслуживающего персонала и особых мер обеспечения техники безопасности.

Известен способ обеззараживания воды, основанный на воздействии ультразвука на обрабатываемую воду [2, стр.150], при этом бактерицидный эффект не зависит от цветности воды.

Известен способ обеззараживания воды импульсным электрическим разрядом (ИЭР) [2, стр.151]. ИЭР сопровождается мощными гидравлическими процессами с образованием ударных волн и явлений кавитации, интенсивными ультразвуковыми колебаниями и возникновением магнитных и электрических полей, что и дает бактерицидный эффект.

Эти известные способы требуют специальных мер по обеспечению безопасности обслуживающего персонала.

Известен способ очистки и обеззараживания воды, включающий синтез озона в генераторах (озонаторах) и диспергирование его в обрабатываемую воду [3]. Озон является мощным быстродействующим окислителем и одновременно обеззараживает воду, обесцвечивает ее. Озонирование воды дает высокий бактерицидный и вирулицидный эффект, однако применение этого способа ограничено из-за высокой стоимости получения озона и его токсичности. Оборудование для синтеза озона должно размещаться в отдельно стоящем здании или блоке очистных сооружений, причем сам блок озонаторов должен быть расположен в изолированном помещении с герметичной дверью. Необходимы особые меры обеспечения безопасности обслуживающего персонала, включающие контроль попадания озона в воздух производственных помещений и защиту от поражения электрическим током.

Известны способы обработки воды, основанные на совместном использовании озонирования и ультразвука, озонирования и ультрафиолетового облучения [3, стр.54, 55]. При этом значительно повышается эффективность очистки и дезинфекции даже для сильно загрязненных сточных вод и значительно снижается количество требуемого озона, однако стоимость применения этих способов многократно превышает стоимость использования только одного озонирования.

Известны также способы и устройства обработки воды кавитационным воздействием.

Известно устройство для обеззараживания воды типа трубы Вентури (кавитационный генератор), содержащий конфузор - передняя часть, сужающаяся по течению потока, горловину - узкая часть, диффузор - расширяющаяся концевая часть [5].

Недостатки данного устройства

а. Кавитационный слой образуется в диффузионной части трубы по бокам от сплошной струи жидкости, движущейся вдоль оси трубы, а в жидкости, движущейся вдоль оси диффузора, кавитация отсутствует, и, следовательно, возможно проникновения патогенных микроорганизмов вдоль оси диффузора.

б. Температура обеззараживаемой воды должна быть постоянной. При изменении температуры воды, например уменьшении температуры, ее необходимо подогревать.

Известно также устройство для обеззараживания воды, включающее конфузор, горловину, диффузор, профилированную иглу, установленную в его центральной части и закрепленную в шайбе с окнами с наружной стороны с возможностью ее перемещения вдоль диффузора, при этом шайба размещена в муфте. Кроме того, диффузор снабжен съемной насадкой, изготовленной из антиэрозионного материала, а площадь поперечного сечения больше площади поперечного сечения диффузора [6].

К недостаткам этого устройства относится общая сложность конструкции, технологические трудности в изготовлении отдельных узлов, например профилированной иглы с лопатками и высокая требовательность к настройке выхода на кавитационный режим.

Наиболее близким по техническому решению является способ обеззараживания воды, включающий ее аэрацию под разрежением и кавитацию в зоне рабочего колеса насоса [7], который был выбран в качестве прототипа предлагаемого изобретения.

К недостаткам прототипа следует отнести:

а. Зависимость режима работы оборудования от температур окружающего воздуха и обрабатываемой воды.

б. Относительно низкая степень обеззараживания воды (достигнуто максимальное снижение содержания в 2,6-3,4 раза).

Цель изобретения - снижение затрат на дезинфекцию воды, повышение безопасности персонала при достаточном качестве обеззараживания. Указанная цель достигается предлагаемым способом дезинфекции воды, который не требует реагентов, строительства специальных сооружений и мер безопасности для персонала, обеспечивая уровень обеззараживания воды, соответствующий действующим гигиеническим требованиям по микробиологическим показателям [8].

Устройство по предлагаемому способу дезинфекции воды работает следующим образом.

Воду, подлежащую дезинфекции самотеком или с помощью дополнительного нагнетательного насоса, подают в устройство (Фиг.1), содержащее корпус 1, имеющий полостную структуру 2, со входом 3 и выходом 4 для обрабатываемой воды, размещенные в полости корпуса ротор 5 в виде диска, имеющего в плоскости вращения отверстия 6, выступы 7 и углубления 8, неподвижную рабочую поверхность, имеющую выступы 9 и углубления 10, расположенные в плоскости, перпендикулярной оси вращения ротора, совмещаемые с выступами и углублениями на роторе.

Ротор приводится во вращение внешней силой, например электродвигателем (не показан). Направление движения ротора показано стрелкой. На Фиг.2 показаны разрезы А-А и В-В чертежа, показанного на Фиг.1.

Благодаря возникновению центробежных сил и силам смачиваемости между обрабатываемой жидкостью и рабочими поверхностями устройства возникают большие напряжения растяжения в жидкости и разрежения в ней. Кроме того, струи жидкости, прорываясь через отверстия 6, сталкиваются со струями жидкости, движущимися между рабочими поверхностями устройства, резко меняют направление движения, что создает кумулятивный эффект и многократно усиливает кавитацию. В струях обрабатываемой жидкости появляется ударная волна, ускоряющая и усиливающая последующее схлопывание кавитационных пузырьков. При этом разрушаются коллоиды и частицы, внутри которых могут содержаться бактерии. Тем самым болезнетворные организмы лишаются защиты перед другими химическими и физическими воздействиями кавитации.

Под действием гидроударов, сопровождающих кавитационное течение, вблизи выступов и углублений между ротором и статором происходит разрушение микроорганизмов и обеззараживание воды. Установлено, что бактерицидное действие кавитации прямо пропорционально ее интенсивности, времени и количеству циклов обработки.

Экспериментально установлено, что наилучшие режимы обеззараживания достигаются при величине зазора между совмещаемыми поверхностями ротора и статора от 0,4 до 4 мм. Нижний предел 0,4 мм обусловлен необходимостью обеспечения свободного протекания обеззараживаемой жидкости по этому зазору. Верхний предел 4 мм обусловлен тем, что при больших величинах зазора значительная часть кинетической энергии струи рабочей жидкости, выбрасываемой из отверстий в роторе, теряется на преодоление сил трения об окружающую жидкость в этом зазоре.

Пример осуществления способа показан на Фиг.3.

С целью определения и оптимизации режимов дезинфекции воды, получения образцов для лабораторных исследований была изготовлена опытная установка, включающая устройство 11 с приводом от стандартного электродвигателя мощностью 7,5 кВт и частотой вращения 2960 об/мин (не показан), резервуары 12, 13 для воды, шаровые водопроводные краны 14, 15, трубопроводы, манометры 16, 17, расходомер 18, электронный секундомер (не показан).

Начальное положение кранов 14 и 15 закрытое. Резервуар 12 заполняют водой, предназначенной для дезинфекции, для чего полностью открывают кран 14. Необходимое минимальное давление 0,01 МПа обеспечивают, располагая резервуар 12 выше входного патрубка устройства не менее чем на 1 м. Включают привод устройства, одновременно частично открыв кран 15. Краном 15 по манометру 17 устанавливают давление на выходе из устройства - 0,015 МПа (определено экспериментально), обеспечивающее кавитацию, достаточную для эффективного режима дезинфекции воды. Меньшее давление не обеспечивает необходимых результатов дезинфекции, а большее вызывает дополнительные нагрузки на оборудование. Производительность установки по жидкости определялась с помощью расходомера 18 модели СВК 1,5-3 и электронного секундомера (не показан). Зафиксировано перетекание 100 л жидкости за 258 секунд.

Таким образом, производительность установки при входном давлении 0,01 МПа и выходном давлении 0,015 МПа определена 1,395 м³/ч. После полного перетекания дезинфицированной воды в резервуар 13 двигатель выключают, краны закрывают.

В случае получения результатов, не удовлетворяющих условиям и требованиям, предъявляемым к дезинфицированной воде, водяной контур замыкают (показано пунктиром) и повторяют обработку необходимое количество раз, определяя кратность обработки с помощью расходомера 18.

При сравнении проб воды до и после однократной обработки по заявляемому способу были получены результаты, сведенные в таблицу.

СПОСОБ ДЕЗИНФЕКЦИИ ВОДЫ
№ п/п	Наименование пробы	Вода до дезинфекции	Вода после дезинфекции	Микробиологический норматив по СанПиН 2.1.5.980-00
1	Общие колиформные бактерии в 100 мл КОЕ	6.2×104	Не обнаружено	Не более 500 КОЕ
2	Термотолерантные колиформные бактерии в 100 мл КОЕ	1.2×104	Не обнаружено	Не более 100 КОЕ
3	Патогенные микроорганизмы в 1000 мл	Обнаружена S.infantis	Не обнаружено	Отсутствие в 1000 мл

В качестве исходной воды были использованы пробы сточных вод, взятые на очистных сооружениях Подмосковья и Нижнего Новгорода.

При использовании способа в полевых условиях либо в случаях, когда невозможно размещение емкости с дезинфицируемой водой на уровне выше 1 м входного патрубка устройства, перед краном 14 устанавливают дополнительный нагнетательный насос (не показан), способный обеспечить необходимое минимальное давление на входном патрубке устройства. Экспериментально установлено, что наилучший эффект обеззараживания достигается при давлении воды на входном патрубке не менее 0,01 МПа и 0,015 МПа на выходном патрубке устройства. На результаты обеззараживания не оказывают влияния температура окружающей среды и температура дезинфицируемой воды, при условии, что вода находится в жидкой фазе.

При постоянном давлении на входном патрубке устройства выход в кавитационный режим зависит только от одного параметра - давления на выходном патрубке устройства, что упрощает настройку режима дезинфекции воды. Предлагаемый способ дезинфекции воды несложно внедрить на действующих станциях по очистке бытовых стоков, а также для обеззараживания воды в полевых условиях.

Источники информации

1. Брежнев В.И. Обеззараживание питьевой воды на городских водопроводах, 1970.

2. Зарубин Г. П. Современные методы очистки и обеззараживания питьевой воды, 1976.

3. Орлов В.А. Озонирование воды, 1984.

4. ЕР патент N 0019211, С02Р 1/32, 1980.

5. Информационный листок 213-89 "Способ обеззараживания сточных вод в кавитационном поле" - Челябинский межотраслевой территориальный ЦНТИ, 1989.

6. Патент РФ № 2198847, кл. C02F 1/34, 2003.

7. Патент РФ № 2080300, кл. C02F 1/34, 1997.

8. СанПиН 2.1.5.980-00 «Гигиенические требования к охране поверхностных вод».