Устройство ультразвуковой очистки сточных вод
ULTRASONIC WASTE WATER TREATMENT DEVICE

Изобретение относится к области обработки жидких сред, а именно к устройствам очистки (обеззараживания) воды от патогенных микроорганизмов, не желательных примесей, болезнетворных бактерий и может быть использовано в системах водоочистки бытовых и промышленных стоков загрязненных жидких сред.
Очистка жидкостей от нежелательных примесей и болезнетворных бактерий представляет одну из важнейших проблем человечества. Особенно остро данная проблема актуальна при очистке сточных вод. Так на сегодняшний день в большей части мира (особенно в густонаселенных территориях) начинает не хватать чистой пресной воды. Промышленные и бытовые сточные воды крайне негативно влияют на экологическую ситуацию в пресных водоемах. Очевидно, это связано с огромным количеством недостаточно очищенных сточных выбросов, постоянно поступающих в пресные водоемы в связи с непрерывным функционированием промышленных предприятий и домохозяйств.
Наличие примесей и болезнетворных бактерий в различных жидких пищевых продуктах (напитки, уксусные приправы) существенно снижает их потребительские качества и может представлять вред для здоровья человека. Поэтому необходимость разработки специальных устройств для очистки жидкостей не вызывает сомнений.
При создании устройств очистки сточных вод применяются воздействия различных физических факторов. Среди множества химических и физических методов воздействия, обладающих бактерицидным действием, практическое применение в промышленных масштабах получило весьма ограниченное их число: из реагентных - применение озона, диоксида хлора, гипохлорита натрия и перекисиводорода, из физических методов - обеззараживание ультрафиолетовым или ультразвуковым излучением. Наиболее эффективными и широко используемыми на практике являются ультразвуковое воздействие высокоинтенсивными колебаниями в кавитационном режиме и воздействие озоном.
2
При больших интенсивностях ультразвук подавляет и разрушает микроорганизмы. Обработка воды ультразвуком большой интенсивности приводит к обеззараживанию, причем бактерицидное действие УЗ в основном связано с кавитацией. Поэтому для обеззараживания используются УЗ колебания интенсивностью более 2…10 Вт/см при частоте 20-50 кГц.
Воздействие озоном обеспечивает эффективную стерилизацию и дезинфекцию воды. К сожалению, высокие концентрации озона токсичны для человеческого организма, поэтому применение озона в больших количествах ограничено.
Сочетание физических и химических методов обеззараживания, в частности ультразвука, повышающего эффективность действия озона, позволяет значительно повысить эпидемическую безопасность сточной и питьевой воды и минимизировать образование побочных продуктов за счет существенного снижения концентрации используемого озона.
Повышение эффективности (синергизм) совместного воздействия ультразвука и озона объясняется воздействием ультразвука, обеспечивающего не только дробление пузырьков озона на более мелкие (увеличение поверхности взаимодействия озона с очищаемой водой) кавитацией, но и увеличением эффекта взаимодействия на поверхности газ - жидкость.
Таким образом, способность и эффективность ультразвукового воздействия увеличивать эффективность воздействия озона привела к созданию и применению устройств ультразвуковой очистки сточных вод, основанных на использовании этих эффектов.
Известны и используются в практике устройства ультразвуковой очистки сточных вод, действие которых основано на одновременном воздействии на очищаемую жидкость ультразвуковыми колебаниями высокой интенсивности и озоном или озоносодержащим газом [1-2].
Такие устройства не позволяют использовать совместное действие ультразвука и озона с максимальной эффективностью из-за различных конструктивных и технологических ошибок, в основном связанных с формированием и распространением ультразвуковых колебаний.
Наиболее близким, по технической сущности к предлагаемому техническому решению, является устройство для ультразвуковой очистки сточных вод по патенту [3], принятое за прототип.
Прототип содержит проточный технологический объем, патрубки подвода необработанной загрязненной воды, отвода обработанной воды, подачи в технологический объем озона или озоносодержащего газа, излучатель ультразвуковых колебаний, закрепленный на одной из стенок технологического объема.
В рассматриваемой конструкции патрубок подвода необработанной загрязненной сточной воды выполнен в верхней части технологического объема и обеспечивает тангенциальный ввод жидкости для увеличения времени ее пребывания в технологическом объеме. Патрубок отвода обработанной воды выполнен в нижней конусной части технологического объема. Патрубок подачи в технологический объем озоносодержащего газа выполнен в торцевой поверхности верхней цилиндрической части технологического объема. Один или несколько излучателей ультразвука размещаются на боковой поверхности верхней цилиндрической части технологического объема и осуществляют ультразвуковое воздействие в кавитационном режиме на жидкость, протекающую через технологический объем. Патрубок подачи озоносодержащего газа соединяется с трубкой, оканчивающейся на оси цилиндрической части технологической объема, напротив излучателя в зоне максимального ультразвукового воздействия.
Работа известного устройства, т.е. очистка сточных вод обеспечивается за счет одновременного воздействия ультразвуковых колебаний и озона (озоносодержащего газа), каждый из которых способен обеспечивать стерилизацию и окисление сточных вод.
Эффективность прототипа многократно увеличивается за счет совместного действия двух перечисленных факторов, поскольку ультразвуковые колебаний в зоне кавитационного воздействия обеспечивают эффективное дробление газа на мелкие пузырьки, существенно увеличивая поверхность взаимодействия озона с жидкостью.
Кроме того, ультразвуковое воздействие обеспечивает создание в жидкости макро- и микропотоков, обеспечивающих распространение получаемых газовых пузырьков по всему технологическому объему и очистку поверхности пузырьков от продуктов реакции для увеличения действия озона.
Вместе с тем устройство, принятое за прототип не лишено существенных недостатков, основными из которых являются:
1. Недостаточная эффективность очистки сточных вод ультразвуковым воздействием по причине того, что ультразвуковое воздействие в кавитационном режиме осуществляется не на всю очищаемую жидкость в технологическом объеме, а только на небольшую зону, расположенную напротив одного или нескольких излучателей ультразвука, установленных на боковой поверхности;
2. Недостаточная эффективность очистки сточных вод озоном или озоносодержащим газом потому, что диспергирование (измельчение на мелкие частицы для увеличения поверхности взаимодействия) газа происходит за счет ультразвукового воздействия в кавитационном режиме
только в небольшой зоне, расположенной напротив одного или нескольких излучателей ультразвука, установленных на боковой поверхности.
3. Низкая эффективность воздействия озона по всему технологическому объему из-за коагуляции (объединения) газовых пузырьков на некотором удалении от УЗ излучателя, где кавитация уже не возникает, а ультразвуковое воздействие в докавитационном режиме обеспечивает эффективную коагуляцию пузырьков.
Таким образом, прототип имеет низкую эффективность очистки сточных вод из-за ограниченных зон воздействия действующих факторов очистки - ультразвуковых колебаний и озона, а также за счет не эффективного использования ультразвукового воздействия в кавитационном режиме для обработки жидкости и диспергирования озона.
Суть предлагаемого технического решения заключается в том, что устройство ультразвуковой очистки сточных вод содержащее проточный технологический объем, патрубки подвода необработанной загрязненной воды, отвода обработанной воды, подачи в технологический объем озоносодержащего газа, излучатель ультразвуковых колебаний, закрепленный на одной из стенок технологического объема, отличающееся тем, что технологический объем выполнен в виде цилиндра, имеющего диаметр D2, устанавливаемого вертикально, патрубок подвода необработанной загрязненной воды размещается в нижней торцевой стенке технологического объема, патрубок вывода обработанной воды размещается в верхней части боковой поверхности цилиндрического технологического объема, излучатель ультразвуковых колебаний в месте минимума механических колебаний закреплен на верхней торцевой стенке технологического объема, выполнен в виде стержня переменного сечения, имеющего максимальный диаметр в зонах максимума механических колебаний на резонансной частоте пьезопреобразователя, длина стержня от места крепления до торцевой поверхности выбирается соответствующей четному количеству длин полуволн механических колебаний в материале стержня и должна быть меньше длины цилиндрического объема на 10 максимальных диаметров излучателя, расстояние между участками излучателя максимального диаметра и внутренней поверхностью стенки технологического объема выбрано кратным числу длин полуволн в очищаемой жидкости, канал для подачи озоносодержащего газа выполнен в излучателе вдоль его акустической оси и имеет выходы на торцевую и боковые поверхности излучателя, причем выходы на боковую поверхность излучателя выполнены на участках начала изменения минимального диаметра излучателя на максимальный.
Таким образом, в предлагаемом техническом решении задача реализации высокоэффективной очистки сточных вод при помощи акустического поля ультразвуковой частоты решается за счет:
- выполнения и размещения ультразвукового излучателя таким образом, что ультразвуковое воздействие на обрабатываемую жидкость осуществляется в кавитационном режиме во всех зонах технологического объема, что увеличивает качество ее обработки.
- введения озона непосредственно с колеблющейся поверхности ультразвукового излучателя, через отверстия на нем по всему технологическому объему, что обеспечивает диспергирование озона во всех зонах ультразвукового воздействия и повышает эффективность использования озона;
- увеличенного по интенсивности ультразвукового воздействия (обеспечивающего дополнительное дробление газовых пузырьков и исключающее их коагуляцию) вдоль движения жидкости в объеме за счет резонансного усиления ультразвуковых колебаний во внутреннем объеме устройства, создаваемого путем выбора расстояния между излучателем и стенкой технологического объема, кратным половине длине ультразвуковых колебаний в воде.
В предлагаемом техническом решении задача заключается в создании устройства, в котором устранены вышеперечисленные недостатки известного устройства и которое отличается повышенной эффективностью (качеством очистки и производительностью) реализации процесса ультразвуковой очистки сточных вод.
Сущность технического решения поясняется:
фиг. 1, на которой схематично изображено устройство ультразвуковой очистки сточных вод;
фиг.2, на которой изобрежен выносной вид А, отображающий структуру внутренних каналов в стержне переменного сечения в продольном направлении;
фиг.3, на которой показан разрез Б-Б, отображающий структуру внутренних каналов в стержне переменного сечения в поперечном направлении.
В предлагаемом устройстве ультразвуковой очистки сточных вод, содержащем технологический объем 1, который выполнен в виде цилиндра, устанавливаемого вертикально, патрубок 2 подвода необработанной загрязненной воды размещается в нижней торцевой стенке технологического объема, патрубок 3 вывода обработанной воды размещается в верхней части боковой поверхности цилиндрического технологического объема, излучатель 4 ультразвуковых колебаний в месте минимума механических колебаний закреплен на верхней торцевой стенке технологического объема, выполнен в виде стержня 5 переменного сечения, имеющего максимальный диаметр D1 в зонах максимума механических колебаний на резонансной частоте пьезопреобразователя, длина стержня от места крепления до торцевой поверхности выбирается соответствующей четному количеству длин полуволн nλ механических колебаний в материале стержня и должна быть меньше длины цилиндрического объема на 10 максимальных диаметров излучателя 10D1, расстояние Lp между
участками излучателя максимального диаметра и внутренней поверхностью стенки технологического объема выбрано кратным числу длин полуволн в очищаемой жидкости, канал 6 для подачи озоносодержащего газа выполнен в излучателе вдоль его акустической оси и имеет выходы на торцевую 7 и боковые 8 поверхности излучателя, причем выходы на боковую поверхность излучателя выполнены на участках начала изменения минимального диаметра излучателя на максимальный.
Предложенное устройство работает следующим образом. В патрубок 2, расположенный в нижней части технологического объема 1, поступает подвергаемая очистке сточная вода. В процессе очистки вода подвергается воздействию ультразвука и озона в нижней части технологического объема, длиной, соответствующей 10 диаметрам излучателя. Выбор указанного расстояния обусловлен зоной эффективного ультразвукового воздействия в кавитационном режиме (расходящаяся ультразвуковая струя), создаваемым излучением торцевой поверхности излучателя и объемом эффективного диспергирования и распространения пузырьков озона, выходящего через отверстия 7.
Далее очищаемая жидкость движется вдоль поверхности излучателя, между излучателем 5 и внутренней стенкой технологического объема 1, и подвергается воздействию ультразвука увеличенной, за счет резонанса, интенсивности. В пространстве между излучателем и стенкой объема происходит измельчение сформированных ранее пузырьков озона и формирование и дробление новых, обеспечивающих максимально эффективное окисление и очистку воды. Подвод озона или озоносодержащего газа осуществляется по центральному каналу 6 излучателя 5 через отверстия 8, выполненные в рабочем инструменте ультразвуковой колебательной системы. За счет того, что озон или озоносодержащий газ подводится вблизи колеблющихся поверхностей ультразвукового инструмента, осуществляется насыщение воды газом
вследствие кавитационной обработки. Прошедшая через объем жидкость, подвергнутая воздействию ультразвука и озона выводится через патрубок 3 для дальнейшего использования.
Таким образом, в процессе движения потока по мере прохода воды по технологическому объему она будет насыщаться озоном под воздействием ультразвуковых колебаний. Озон поступает в технологический объем через отверстия в самом излучателе УЗ колебаний. Данные отверстия расположены в максимуме механических колебаний, это позволяет с максимальной эффективностью насыщать воду озоном под воздействием ультразвукового поля. Поскольку расстояние между ультразвуковым излучателем и стенками технологического объема выбрано кратным длине волны, это позволяет создать в объеме резонанс ультразвуковых колебаний, что в свою очередь влечет за собой повышение эффективности процесса очистки воды от загрязнений. Расстояние между нижней торцевой стенкой объема и тыльной стороной излучателя выбрано 10-ти кратным диаметром тыльной стороны излучателя с целью повышения времени обработки загрязненной жидкости и для отсутствия застойных зон. После прохода воды по всему технологическому объему, она будет удаляться из него через патрубок отвода очищенной воды, расположенного в верхней части боковой поверхности технологического объема.
В предлагаемом устройстве ультразвуковой очистки сточных вод, задача повышения эффективности ультразвуковой очистки обеспечена за счет значительного повышения интенсивности ультразвукового воздействия на жидкую среду с частицами загрязнения и обеспечения равномерности воздействия во всех зонах обработки для существенного повышения эффективности очистки. Кроме того, эффективность очистки воды повышается за счет увеличения насыщения воды озоном или озоносодержащим газом. Это достигается за счет кавитационного растворения подведенного озоносодержащего газа вблизи колеблющихся
поверхностей ультразвукового инструмента, находящегося в воде и увеличения эффективности взаимодействия на границе газ - жидкость при воздействии ультразвука.
Список литературы, использованной при составлении заявки
1. Способ биохимической очистки сточных вод от органических соединений [Текст]: патент на ИЗ 1219530 РФ: МПК C02F 3/02 (1986.03) / C02F 1/36 (1986.03) / Бондарев А.А., Дубаткова Л.А., Корнеева Е.А., Саруханов Р.Г., Троян О.С., Шеломков А.С; заявка №3635850 от 18.08.1983. Опубликовано: 23.06.1986
2. Устройство для очистки воды от эмульгированных нефтепродуктов [Текст]: патент на ИЗ SU 1636340 А1: МПК C02F 1/36 (1991.03) / C02F 1/40 (1991.03) / C02F 103/34 (1991.03) / Глушко В.Т., Нестеренко А.И., Ткалич А.Н., Широбокова Н.В., Прошкин В.С; заявка №4680918 от 18.04.1989. Опубликовано: 23.03.1991.
3. Реакторный бак [Текст]: патент на ИЗ US 90341802 В2: МПК C02F 2001/46119 (2013.01) / C02F 2101/20 (2013.01) / C02F 2201/008 (2013.01) / Dennis McGuire, Stuart, FL (US); правообладатель - Ecosphere Technologies, Inc., Stuart, (Continued) FL (US); заявка № US 14/252,900, от 15.04.2014. Опубликовано: 19.05.2015. - прототип