УСТРОЙСТВО И СПОСОБ ОЧИСТКИ ЖИДКОСТИ ОЗОНОМ И РЕЦИРКУЛЯЦИЕЙ
DEVICE AND METHOD OF TREATING LIQUID WITH OZONE AND RECIRCULATION

Изобретение относится к устройству и способу очистки жидкости, в частности воды, согласно преамбуле независимых пунктов патентной формулы.
Во многих частях света источники питьевой воды содержат микробиологические загрязнители, такие, как цисты, бактерии и вирусы, наряду с концентрациями неорганических химических компонентов, таких, как двухвалентное железо, марганец, сероводород, мышьяк и фторид, которые представляют либо опасность для здоровья в отдаленной перспективе, либо эстетические проблемы.
В некоторых случаях можно разрешить только часть проблем, и нельзя надеяться, что очистные станции будут постоянно обеспечивать поставку питьевой воды, отвечающей надлежащим стандартам. Если источник воды содержит значительные количества органического материала, такого, как гуматы, санирование посредством высоких уровней хлорирования может добавить новые токсические химические загрязнители в виде тригалометанов (ТНМ).
Источник воды может также быть частным колодцем, в этом случае полную ответственность за очистку системы несет потребитель. Однако мало кто из потребителей воды из личных колодцев обладает техническими знаниями для правильной обработки и поддержания такого источника. Таким образом, существует потребность в простом автоматическом устройстве на месте применения, которое способно эффективно очистить воду с получением питьевой воды, отвечающей стандартам, установленным USEPA (Управление по охране окружающей среды США), и которая подходит для использования частными лицами или в офисе.
Многоступенчатая очистка воды с использованием отстойных фильтров с последующей фильтрацией через активированный уголь для удаления хлора, с последующим обратным осмосом для удаления большинства солей и, наконец, удаление следов органических соединений активированным углем хорошо известно в данной области. Так как мембраны обратного осмоса обычно имеют низкие степени очистки воды, обработанная вода должна храниться в резервуаре и защищаться от повторного загрязнения бактериями. Это требует периодического санирования резервуара из-за роста бактерий и возникающих проблем со вкусом и запахом. Эти системы не подходят для операций с непитьевой водой, если только хранилище очищенной воды дополнительно не подвергается химической стерилизации озоном или добавлением низкой доли хлорамина.
Применение химического санирования питьевой воды в месте потребления известно. Предпочтительным химикатом является озон, так как его можно легко создать на месте, он не образует потенциально токсичных галогенированных побочных продуктов (ТНМ) и за короткое время переходит в молекулярный кислород. В уровне техники известно несколько устройств.
В патенте US 5683576 описано устройство для очистки воды на основе озона, подходящее для бытового применения и в месте поступления жидкости. Это устройство содержит фильтр предварительной очистки, реактор-озонатор периодического действия (СТ-камера), генератор озона, резервуары-хранилища и микроконтроллер для обработки воды. Неочищенная вода проходит через фильтр предварительной очистки в СТ, где озон растворяется в воде, чтобы убить бактерии, вирусы и другие микроорганизмы. Озон вырабатывается на месте генератором озона. Обработанная вода закачивается в резервуар-хранилище, из которого она берется по требованию. Резервуар-хранилище защищен от переносимых по воздуху загрязнителей атмосферой насыщенного озоном воздуха в промежутке между высотой запасенной воды и верхом резервуара-хранилища. Вода из СТ льется сквозь эту атмосферу, когда она входит в резервуар-хранилище. Запасенная вода периодически возвращается назад в СТ для повторной очистки. Такое устройство имеет определенные недостатки. Когда вода возвращается в СТ для повторной очистки, нельзя озонировать неочищенную воду, так как СТ занята. Таким образом, производительность устройства ограничена. Кроме того, это устройство направлено только на удаление микробиологических компонентов. Неочищенная вода обычно содержит неорганические загрязнители, которые также требуют рассмотрения.
В патенте US 6475352 B2 описан водоочиститель для домашнего использования, в котором применяется озон, нагнетаемый в рециркуляционную систему, содержащую предварительный фильтр, основной фильтр на активированном угле, реактор для обработки воды и, факультативно, барьерный фильтр на активированном угле для фильтрования воды непосредственно перед розливом. Работа системы осуществляется с помощью микроконтроллера и насоса с системой клапанов. Вода должна проциркулировать минимум 3-8 раз через основной фильтр и реактор для достижения надлежащего уровня микробиологической очистки. Хотя это устройство будет удалять коллоидные частицы (присутствовавшие изначально или образованные при окислении компонентов в процессе озонирования) и органические химические загрязнители, оно не обеспечивает удаление неорганических ионов, таких, как ионы мышьяка или фторида, которые могут присутствовать в концентрациях, представляющих опасность для здоровья в отдаленной перспективе. Кроме того, отсутствует возможность запасать очищенную воду, продолжая обработку неочищенной воды.
Таким образом, задачей настоящего изобретения является устранение недостатков предшествующего уровня техники, в частности, создание способа и устройства для очистки жидкости, которые позволяют осуществить эффективную очистку такой жидкости, как неочищенная вода, в частности, для применения в месте потребления. Кроме того, устройство должно автоматически обеспечивать надежную очистку и предотвращать повторное загрязнение в случаях, когда в течение определенного периода времени не производилось розлива очищенной жидкости. Согласно настоящему изобретению эти и другие задачи решаются устройством и способом с отличительными признаками независимых пунктов патентной формулы.
Поставленная задача решается посредством устройства для очистки жидкости, в частности потенциально непитьевой воды (W1) из источника, от микробиологических загрязнений и/или ионов металлов, которые могут быть окислены до состояния с более высокой степенью окисления, содержащего по меньшей мере одну установку озонирования, гидравлически соединенную с источником для обработки указанной жидкости (W1) озоном (О), и физически отделенный резервуар-хранилище, гидравлически соединенный с установкой озонирования, причем устройство снабжено средствами рециркуляции для рециркуляции обработанной озоном жидкости (W4) из резервуара-хранилища по линии рециркуляции, при этом линия рециркуляции снабжена по меньшей мере одним устройством фильтрации.
Предпочтительно устройство содержит по меньшей мере одну установку озонирования для обработки жидкости (W1) озоном (О) и резервуар-хранилище для хранения обработанной жидкости (W4), причем указанное устройство снабжено средствами для озонирования жидкости (W4) в резервуаре-хранилище и/или в линии рециркуляции.
Предпочтительно также часть линии рециркуляции образует часть гидравлического соединения между установкой озонирования и резервуаром-хранилищем.
Дополнительно устройство может быть снабжено средством для периодического оборота жидкости через линию рециркуляции.
Кроме того, устройство может быть снабжено насосом и средством управления для рециркуляции жидкости (W4) до тех пор, пока количество загрязнителей, удаляемых из жидкости (W4) фильтровальным устройством, не станет ниже заранее установленного уровня.
Предпочтительно фильтрационное устройство выполнено с возможностью удаления соединений мышьяка и/или фторидов.
Более предпочтительно фильтрационное устройство является картриджем на активированном оксиде алюминия.
Еще более предпочтительно линия рециркуляции снабжена дополнительным фильтрационным устройством, расположенным выше фильтрационного устройства, предпочтительно с фильтром на активированном угле.
Предпочтительно также установка озонирования выполнена с возможностью озонирования некоторого количества жидкости в периодическом режиме.
Дополнительно устройство может содержать соединение, расположенное между реакционной камерой озонирования и резервуаром-хранилищем, причем избыточный озон в реакционной камере озонирования может быть переведен в резервуар-хранилище по соединению.
Предпочтительно резервуар-хранилище соединен с генератором озона посредством соединения.
Более предпочтительно резервуар-хранилище снабжен продувочным фильтром для удаления озона из газа, когда газ выбрасывается из резервуара-хранилища в атмосферу.
Устройство может быть снабжено одним генератором озона, соединенным как с реакционной камерой озонирования, так и с резервуаром-хранилищем.
Кроме того, устройство может быть снабжено насосом для подачи жидкости из реакционной камеры озонирования в резервуар-хранилище, предпочтительно при постоянной скорости течения.
Предпочтительно насос гидравлически соединен с резервуаром-хранилищем клапанными устройствами таким образом, что
- в первом режиме работы (M1) насос способен подавать жидкость (W3) из реакционной камеры озонирования в резервуар-хранилище,
- во втором режиме работы (М2) насос способен рециркулировать жидкость (W4) в линии рециркуляции и через фильтрационное устройство
- и в третьем режиме работы (М3) насос способен подавать очищенную жидкость (W4) из резервуара-хранилища в выпускное отверстие.
Более предпочтительно устройство содержит средство управления для осуществления устройством по меньшей мере одного из следующих режимов работы, в которых:
- в режиме реакции и хранения неочищенная вода обрабатывается озоном в реакторе в течение заданного времени обработки, определяемого средством управления, после чего она перекачивается через фильтр или фильтры и хранится в резервуаре-хранилище,
- в режиме периодического озонирования резервуара и рецикла вода в резервуаре-хранилище подвергается обработке озоном в течение заданного времени, определяемого средством управления, вследствие чего вода перемещается по кругу из резервуара-хранилища через фильтры и снова в резервуар-хранилище, и
- в режиме периода отсутствия обработки озонирования вся вода в реакционной камере и в резервуаре озонируется в течение заданного времени, определяемого средством управления, и после заданного периода отсутствия, определяемого средством управления, если устройство не используется в течение заданного времени, определяемого средством управления.
Другим аспектом изобретения является способ очистки жидкости, в частности воды, включающий этапы, на которых осуществляют:
- озонирование жидкости в установке озонирования,
- перенос озонированной жидкости (W3) в резервуар-хранилище, проводя при этом жидкость через по меньшей мере одно фильтрационное устройство,
- рециркуляцию жидкости из резервуара-хранилища по линии рециркуляции и снова в резервуар-хранилище через по меньшей мере одно фильтрационное устройство.
Предпочтительно жидкость периодически рециркулируют, предпочтительно, если в течение заданного периода времени не было разлито требуемое количество очищенной воды (W6).
Более предпочтительно осуществляют рециркулирование жидкости до тех пор, пока концентрация загрязняющих веществ в воде не сократится до максимально допустимой концентрации загрязнителей или в котором осуществляют рециркулирование жидкости в течение заданного времени или заданного периода времени, определяемого средством управления.
Целесообразно проводить обработанную озоном жидкость (W3) через устройство предварительной фильтрации, предпочтительно через фильтр на активированном угле, до ее проведения через фильтрационное устройство.
Предпочтительно в реакционной камере озонирования обрабатывают заданное количество жидкости, причем после указанной обработки обработанное количество жидкости подают в резервуар-хранилище.
Более предпочтительно жидкость озонируют в установке озонирования, озонированную жидкость (W3) переводят в резервуар-хранилище и жидкость (W4) в резервуаре-хранилище по меньшей мере временно обрабатывают озоном.
Дополнительно избыточный озон в установке озонирования подают в резервуар-хранилище по меньшей мере временно.
Предпочтительно озон, создаваемый генератором озона, подают в резервуар-хранилище через соединение.
Более предпочтительно озон, содержащийся в газовой фазе в резервуаре-хранилище, удаляют из газового потока, выходящего из резервуара-хранилища путем прохождения через продувочный фильтр.
Целесообразно также подавать жидкость в фильтрационное устройство с постоянной скоростью течения.
Предпочтительно также в первом режиме работы (M1) жидкость переводят из реакционной камеры озонирования в резервуар-хранилище насосом, во втором режиме работы (М2) осуществляют рециркулирование жидкости по фильтрационному устройству посредством насоса и в третьем режиме работы (М3) жидкость разливают указанным насосом.
Более предпочтительно во время рециркуляции жидкость из резервуара-хранилища, содержащая растворенный озон, движется по линии рециркуляции и через фильтрационное устройство.
Кроме того, целесообразно загрязнители в жидкости окислять при озонировании в реакционной камере озонирования, причем окисленные загрязнители удаляют в фильтрационном устройстве.
Предпочтительно также в режиме реакции и хранения неочищенную воду обрабатывают озоном в реакторе в течение заданного времени обработки, определяемого средством управления, после чего ее перекачивают через фильтр или фильтры и хранят в резервуаре-хранилище, в режиме периодического озонирования резервуара и рецикла воду в резервуаре-хранилище подвергают обработке озоном в течение заданного времени, определяемого средством управления, вследствие чего вода рециркулирует из резервуара-хранилища через фильтры и снова в резервуар-хранилище, и в режиме периода отсутствия обработки озонированием всю воду в реакционной камере озонирования и в резервуаре-хранилище озонируют в течение заданного времени, определяемого средством управления, и после заданного периода отсутствия обработки, определяемого средством управления, если устройство не использовалось в течение заданного времени, определяемого средством управления.
Более подробно, вышеописанное устройство используется в основном для очистки таких жидкостей, как потенциально непитьевая вода из личных колодцев или ненадежных общественных источников. Оно содержит по меньшей мере одну установку для очистки жидкости реакцией озонирования, гидродинамически соединенную с источником. Основная функция указанной реакционной установки озонирования состоит в инактивировании микробиологических загрязнителей, которые могут присутствовать в неочищенной воде. Реакционная установка озонирования обычно содержит реактор периодического действия, содержащий устройство для проведения реакции, источник газообразного озона, разбрызгиватель для введения газа в виде маленьких пузырьков, подходящие средства для регулирования ввода и вывода воды, а также ее уровня в устройстве для проведения реакции и таймер для контроля времени очистки.
Кроме того, устройство снабжено резервуаром-хранилищем, связанным гидравлически с установкой озонирования, для хранения очищенной воды, пока она не будет разливаться потребителем. Согласно настоящему изобретению устройство снабжено, кроме того, рециркуляционным средством для рециркуляции обработанной жидкости из резервуара-хранилища по линии рециркуляции, снабженной по меньшей мере одним устройством фильтрации. В отличие от предшествующего уровня техники очищенная жидкость не возвращается из резервуара-хранилища в установку озонирования. Напротив, она проводится через указанное устройство фильтрации, которое размещено в линии рециркуляции, и назад в резервуар-хранилище. Такая конструкция имеет несколько преимуществ. Во-первых, можно рециркулировать озонированную жидкость из резервуара-хранилища через указанное устройство фильтрации много раз для удаления неорганических загрязнителей, все еще имеющихся в воде после озонирования. Это позволяет достичь оптимального использования фильтровальных сред, так как увеличенное время пребывания вызывает неоднократную очистку в устройстве фильтрации. Во-вторых, обработка озонированием новой неочищенной воды может проводиться параллельно с циклом рециркуляции, что повышает эффективность устройства с точки зрения суточного выхода очищенной воды.
Согласно предпочтительному варианту реализации изобретения устройство дополнительно снабжено средством для озонирования жидкости в резервуаре-хранилище и/или в линии циркуляции. Если жидкость озонируют в резервуаре-хранилище, при рециркуляции растворенный озон также будет переноситься как через линию, так и через все расположенные в ней клапаны, соединительные элементы или фильтровальные устройства. Таким образом, рост микроорганизмов в компонентах гидравлической системы и в устройстве фильтрации замедляется или полностью предотвращается в зависимости от частоты и концентрации процесса озонирования. Хотя такое озонирование предпочтительно в контексте рециркуляционной установки, содержащей устройство фильтрации, как упомянуто выше, озонирование очищенной жидкости в резервуаре-хранилище предпочтительно также в отсутствие такой рециркуляции. В частности, может быть предпочтительным время от времени озонировать жидкость, содержащуюся в резервуаре-хранилище, если в течение определенного периода времени разлива жидкости не было. Если иметь установку озонирования для озонирования неочищенной воды и дополнительные средства озонирования очищенной воды в резервуаре-хранилище, то озонирование неочищенной воды и повторное озонирование очищенной воды можно проводить параллельно. Следовательно, повторное озонирование не оказывает отрицательного влияния ни на озонирование неочищенной воды в реакционной установке озонирования, ни на суточную производительность очистной системы.
Предпочтительно, по меньшей мере часть линии рециркуляции образует часть гидравлического соединения между реакционной установкой озонирования и резервуаром-хранилищем. Особенно предпочтительно размещать устройство фильтрации в линии рециркуляции таким образом, чтобы озонированная вода, закачиваемая из реакционной установки озонирования в резервуар-хранилище, подавалась через устройство фильтрации в линии рециркуляции. Можно также использовать другие устройства фильтрации для транспортировки и рециркуляции. Таким способом загрязнители могут быть удалены при переносе из реакционной камеры озонирования в резервуар-хранилище, и после рециркуляции их концентрацию можно еще больше понизить с каждым проходом через фильтр. Увеличенное время контакта между фильтровальной средой и обработанной водой позволит, таким образом, либо использовать фильтр меньших, менее эффективных размеров, или более быструю очистку благодаря повышенной скорости рециркуляции.
Согласно следующему варианту осуществления изобретения устройство может быть снабжено средствами хронометража и управления для периодической рециркуляции жидкости по линии рециркуляции. При озонировании жидкости в резервуаре-хранилище это особенно предпочтительно для предотвращения повторного роста микробиологических загрязнителей.
Дополнительно или альтернативно можно также снабдить устройство насосом и средствами управления для автоматической рециркуляции жидкости, пока концентрация загрязнителей, удаляемых из жидкости в устройстве фильтрации, не упадет ниже заранее установленного уровня. Конечно, в одном и том же устройство могут быть и средство для периодической рециркуляции жидкости, и средство для начальной рециркуляции жидкости, пока не будет достигнута определенная концентрация загрязнителей.
В одном варианте предпочтительной реализации устройство фильтрации в линии рециркуляции предназначено предпочтительно для частичного или полного удаления неорганических ионов, таких, как арсениды и/или фториды. Было установлено, что в отношении трехвалентной формы мышьяка, арсенита, двухвалентной формы железа и трехвалентной формы марганца, обработка воды озоном в реакционной установке озонирования окисляет такие загрязнители до более высокого валентного уровня, когда они могут быть удалены в последующем устройстве фильтрации. Для удаления получившихся в результате растворимых пятивалентных арсенатных ионов это последующее устройство фильтрации предпочтительно является фильтром на активированном оксиде алюминия.
Согласно следующему предпочтительному варианту реализации изобретения линия рециркуляции может быть снабжена дополнительным фильтрационным устройством, размещенным выше устройства фильтрации на активированном оксиде алюминия. Оно предпочтительно может быть набором фильтров со стеклянным микроволокном и блоком активированного угля или фильтром на активированном угле. Такие фильтры будут удалять всякие коллоидные оксиды, получившиеся из железа и марганца, а также растворенные органические молекулы. Они могут также удалять потенциально канцерогенные броматные ионы, которые могли быть образованы из бромидных ионов, присутствовавших в воде во время озонирования.
Предпочтительно, установка озонирования по настоящему изобретению предназначена для озонирования в периодическом режиме определенного, заранее установленного количества жидкости. Это позволяет провести озонирование в течение времени, достаточном для достижения желаемого уровня очистки даже в случае, когда потребитель должен разливать воду из резервуара-хранилища. Кроме того, это позволяет очищать воду и повторно наполнять резервуар-хранилище, даже когда очищенная вода не разливается.
Согласно следующей предпочтительной реализации устройство может быть оборудовано линией транспортировки газа между реакционной установкой озонирования и резервуаром-хранилищем. Избыточный озон, который должен иметь возможность выйти из реакционной установки озонирования, может переноситься в резервуар-хранилище по этой линии. Это дает возможность особенно простого озонирования в резервуаре-хранилище с одним и тем же генератором озона. Согласно этому предпочтительному варианту реализации резервуар-хранилище снабжен продувочным фильтром на активированном угле для удаления озона из потока газа-носителя (воздуха или кислорода), который выпускается из резервуара-хранилища, поскольку с точки зрения здоровья потребителя и безопасности нежелательно, если большие количества озона входят в промежуточную зону водоочистителя.
Согласно другому предпочтительному варианту реализации изобретения устройство может быть оборудовано одним единственным генератором озона. Этот генератор может быть соединен и с реакционной установкой озонирования, и с резервуаром-хранилищем. Соответствующие клапаны осуществляют подачу озона в одну или обе установки озонирования и резервуар-хранилище.
Устройство согласно изобретению предпочтительно снабжено насосом для подачи жидкости. Насос может использоваться в первую очередь для подачи жидкости из реакционной установки озонирования в резервуар-хранилище. Когда жидкость будет проводиться через устройство фильтрации, предпочтительно, чтобы насос подавал жидкость при постоянной производительности.
Особенно предпочтительно соединение гидравлического насоса с резервуаром-хранилищем посредством клапанного устройства, так чтобы в первом режиме работы насос мог подавать жидкость из установки озонирования в резервуар-хранилище. Во втором режиме работы насос осуществляет рециркулирование жидкости через фильтровальную установку и линию рециркуляции. В третьем режиме работы насос осуществляет подачу очищенной жидкости из резервуара-хранилища в выпускное отверстие разливочного устройства. Всю подачу жидкости можно выполнить с одним и тем же насосом и при использовании соответствующих клапанов.
Согласно следующему аспекту изобретения предложен способ очистки жидкости, в частности воды. На первом этапе жидкость озонируется в установке озонирования. Затем озонированная жидкость переносится в резервуар-хранилище. При том жидкость предпочтительно проводится через, по меньшей мере, одно устройство фильтрации. На последнем этапе жидкость рециркулирует из резервуара-хранилища по линии рециркуляции и снова в резервуар-хранилище через по меньшей мере одно устройство фильтрации. При переносе из установки озонирования в резервуар-хранилище и при рециркуляции жидкость предпочтительно проводится через одно и тоже устройство фильтрации. Подходящие трубы и клапаны позволяют избирательно соединять устройство фильтрации с линией рециркуляции или перекачивающей трубой, соединяющим установку озонирования с резервуаром-хранилищем.
Жидкость можно подвергать рециркуляции время от времени, например, периодически. Рециркуляции предпочтительно проводится, если слишком малое количество очищенной воды разливалось в течение установленного периода времени. Такая рециркуляции, в сочетании с периодическим озонированием резервуара-хранилища, предотвращает повторный рост бактерий в период бездействия.
Альтернативно можно также в течение определенного времени или определенное число раз подвергать рециркуляции жидкость после переноса из реакционной установки озонирования. Рециркуляция проводится до тех пор, пока количество загрязнителей в жидкости не сократится ниже заранее установленного уровня. Это можно измерять либо напрямую, измеряя содержание загрязнителей, или эмпирически, заставляя воду рециркулировать в течение определенного периода времени. Конечно, можно сначала подвергнуть жидкость рециркуляции для снижения количества загрязнителей и затем периодически рециркулировать жидкость после озонирования резервуара-хранилища, чтобы предотвратить повторный рост биологического материала.
Согласно следующему предпочтительному варианту реализации изобретения жидкость, обработанная озоном, подается через два фильтрационных устройства до того, как войти в резервуар-хранилище, предпочтительно через фильтр с блоком активированного угля для удаления коллоидных частиц и растворенного органического материала, затем через фильтр на активированном оксиде алюминия, который используется для удаления неорганических ионов, таких, как арсениды или фториды.
Согласно следующему предпочтительному варианту реализации жидкость озонируют порциями в реакционной установке озонирования. Таким образом, в реакционной установке озонирования обрабатывается заранее установленное количество жидкости. Затем, после обработки озоном, указанное обработанное количество жидкости поступает в резервуар-хранилище. Это позволяет постоянно порциями обрабатывать неочищенную воду в установке озонирования. Параллельно из резервуара-хранилища может разливаться очищенная вода.
Согласно следующему предпочтительному варианту реализации очищенная жидкость в резервуаре-хранилище по меньшей мере временами обрабатывается озоном в резервуаре-хранилище. Такая временная обработка в дополнение к озонированию в установке озонирования предотвращает повторный рост биологического материала.
Особенно предпочтительно подавать избыточный озон из установки озонирования в резервуар-хранилище. Если количество озона недостаточно, может быть сделана прямая связь между резервуаром-хранилищем и генератором озона.
Далее, предпочтительно удалять озон, содержащийся в газовой фазе в резервуаре-хранилище, из потока газа, выходящего из резервуара-хранилища. Для этого газовый поток может проводиться через продувочный фильтр. Такой профильтрованный отвод предотвращает загрязнение озоном среды, окружающей устройство.
Предпочтительно, жидкость проводится через фильтровальное устройство с постоянной скоростью течения. Было найдено, что при применении постоянной скорости течения можно получить наилучшие результаты фильтрации.
Согласно настоящему изобретению жидкость может перемещаться разными маршрутами. В первом режиме работы жидкость может перемещаться из установки озонирования в резервуар-хранилище. Для этого переноса может применяться насос, предпочтительно насос, подающий жидкость при постоянной скорости течения. Во втором режиме работы жидкость циркулирует через фильтрующее устройство с помощью указанного насоса. В третьем режиме работы жидкость может разливаться тем же самым насосом. Один и тот же насос может применяться для разных целей, если использовать соответствующие клапаны и трубы.
Далее, предпочтительно озонировать жидкость в резервуаре-хранилище по время или непосредственно перед рециркуляцией. Озон, растворенный в жидкости, проходит через устройство фильтрации и/или другие компоненты устройства рециркуляции. Тем самым предотвращается повторный рост бактерий в компонентах устройства рециркуляции, таких, как клапаны, трубы или устройства фильтрации.
Согласно настоящему изобретению, предпочтительно, кроме того, обрабатывать неочищенную воду путем окисления загрязнителей в жидкости во время озонирования и удалять окисленные загрязнители в устройстве фильтрации. Было обнаружено, что известные устройства фильтрации, использующие активированный оксид алюминия, показывают лучшую эффективность удаления таких неорганических загрязнителей, как арсениды, если неочищенная воду предварительно была обработана озоном. Хотя такой принцип удаления сам по себе имеет существенные преимущества, в контексте вышеупомянутой рециркуляции он особенно предпочтителен, так как эффективность удаления уменьшается при рН>7, а рециркуляция может восстановить часть потерянной эффективности за один проход.
Согласно следующему предпочтительному варианту реализации настоящего изобретения аппарат включает, кроме того, микропроцессор с подходящим программным обеспечением, чтобы осуществить вышеупомянутые предпочтительные варианты реализации в одном или более из следующих рабочих режимах:
А. Режим реакции и хранения: Неочищенная вода обрабатывается озоном в реакторе в течение заранее установленного времени обработки, после чего она перекачивается через фильтр или фильтры и хранится в резервуаре.
В. Периодическое озонирование резервуара и рецикл: Вода в резервуаре подвергается обработке озоном в течение заранее установленного времени (время обработки резервуара) путем рециркуляции воды из резервуара через фильтры и снова в резервуар. Программа, кроме того, позволяет пользователю устанавливать, сколько раз проводить такую обработку резервуара, а также конкретное время между обработками.
С. Период отсутствия озонирования: Если очистительное устройство не используется в течение заранее установленного времени, программа автоматически озонирует всю воду и в реакционной камере, и в резервуаре в течение установленного времени и после установленного периода отсутствия обработки.
Обратимся далее к чертежам, на которых показан в качестве примера предпочтительный вариант осуществления настоящего изобретения:
фиг.1 является схематической иллюстрацией принципов настоящего изобретения,
фиг.2 является схематическим изображением устройства согласно настоящему изобретение и
фиг.3a-3e - различные режимы работы патентуемого изобретения.
На фиг.1 схематически показаны элементы устройства 1 очистки воды согласно изобретению.
Неочищенная вода W1 поступает из источника 10 воды. Макрочастицы и коллоидный неорганический материал в источнике непитьевой воды W1 сначала отфильтровываются предварительным фильтром 16. Предварительный фильтр 16 содержит слой микроволоконного стекла номинальным размером 1 мкм, за которым идет блок активированного угля, чтобы по существу удалить весь растворенный или коллоидный органический материал. Помимо того, что вода W1 обработана с эстетической точки зрения, чтобы устранить мутность, благодаря снижению концентрации присутствующего органического материала на следующей стадии потребуется меньше озона.
4
7
Эта предварительно очищенная вода W2 подается в установку 8 озонирования с генератором озона 32 и реакционной камерой 18 озонирования (смотри фиг.2), чтобы производить обеззараживание предварительно очищенной воды в установке 8 озонирования. Тем самым арсенит As(III+) окисляется до арсенатной формы As(V+). Озонирование проводится порциями в течение фиксированного периода времени, зависящего от производительности генератора озона, предполагаемой потребности в озоне и значения ct (концентрация × время), требующегося, чтобы привести к желаемому снижению количества загрязнителей. Для дезинфекции, которая отвечает руководящим стандартам USEPA, это соответствует в логарифмическом масштабе 4х-кратному уменьшению цист и вирусов и 7-кратному уменьшению бактерий (т.е. реакция 10 или 10). Все избыточные ионы двухвалентного железа или двухвалентного марганца в воде также будут окислены до состояния трехвалентного железа или трехвалентного марганца и образуют коллоидные частицы. Поскольку питьевая вода имеет рН в диапазоне 6-8,5, ионы трехвалентного железа или трехвалентного марганца очень плохо растворимы в этом диапазоне рН и выпадают в осадок в виде своих гидроксидов в виде коллоидных частиц.
Затем озонированную, предварительно очищенную воду W3 перекачивают насосом при постоянной скорости течения из реакционной установки 8 озонирования через второй набор фильтров 56 со стеклянным микроволокном и блоком активированного угля, которые удаляют все коллоидные оксиды и растворенные органические молекулы, а также любые броматные ионы, которые могли образоваться из имеющихся бромидных ионов. За этим следует картридж 58 с активированным оксидом алюминия, который удаляет по меньшей мере 80% As(V+) или фторида за один проход при постоянной скорости течения. Очищенная вода W4 затем хранится в резервуаре 48 для очищенной воды. Резервуар обычно имеет объем на 40 литров очищенной воды.
3
Резервуар 48 для хранения очищенной воды и гидравлические линии для розлива чистой воды, например, выпускные отверстия, поддерживаются почти в стерильных условиях благодаря периодическому пропусканию пузырьков озона O через резервуар 48 в течение коротких промежутков времени и рециркуляции воды W4 из резервуара-хранилища 48 через фильтры 56 со стеклянным микроволокном и активированным углем, картридж 58 с активированным оксидом алюминия и снова в резервуар-хранилище 48.
Скорость течения при рециркуляции устанавливается в зависимости от производительности картриджа 58 с активированным оксидом алюминия и предполагаемым числом проходов, необходимым для снижения концентрации ионов или As(V+), или фторида в резервуаре-хранилище 48 до концентрации, допускаемой стандартами USEPA. Эта оценка зависит от типа и количества среды активированного оксида алюминия, диаметра и длины фильтра и объема резервуара-хранилища. Таким образом, для конкретной системы ее легче всего определить экспериментально методом проб и ошибок.
Барботирование озона через резервуар проводится периодически, если розлива воды не производилось в течение заранее установленного времени периода времени, например, в течение четырех часов. Время озонирования будет зависеть от мощности генератора озона и конкретного объема резервуара. Например, в 20-литровом резервуаре при мощности генератора озона 1 г/час озонирование воды W4 в резервуаре-хранилище 48 обычно продолжается в течение 10 минут.
Рециркуляции также проводится сначала до тех пор, пока концентрация загрязнителей в неочищенной воде не снизится до предельно допустимой концентрации загрязнителей. Она включается также позднее, в периоды озонирования резервуара, чтобы предотвратить повторный рост микробиологического материала в таких гидравлических системах, как угольные фильтры и фильтры с активированным оксидом алюминия, в трубах, клапанах или в резервуаре-хранилище 48.
Устройство для осуществления вышеупомянутого способа показано схематически на фиг.2, за исключением микроконтроллера с сопутствующим программным обеспечением и электрических схем, которые регулируют работу различных элементов. В дальнейшем описании при ссылках на датчики, активирующие различные рабочие элементы, следует понимать, что они делают это через программу микропроцессора.
Неочищенный источник воды, показанный позицией 10, соединен с насосом 12 постоянного расхода, который последовательно соединен гидравлически с электромагнитным клапаном 14 и патроном 16 предварительного фильтра 16. Предварительный фильтр 16 состоит из фильтра с блоком активированного угля, с номинальным размером пор 0,5 микрон (КХ Industries, USA), упакованным в фильтровальный материал из стеклянного микроволокна номинальным размером пор 1 микрон. Этот фильтр снабжен либо одноразовым пластиковым корпусом, либо сменным фильтровальным элементом в стандартной оболочке фильтра (Ametek, USA). Для фильтровального элемента размером 10'' насос 12 обычно работает с производительностью 2 л/мин.
Предварительный фильтр 16 сообщается гидравлически через трубу 17 для неочищенной воды с камерой 18 озонирования, через крышку 28. Камера 18 озонирования содержит переключатель 20 минимального уровня воды, который активирует насос 12 и открывает клапан 14 всякий раз, когда уровень воды становится ниже высоты переключателя. Прошедшая через предварительный фильтр вода W2 поступает затем в реакционную камеру 18 озонирования, пока она не поднимется так, чтобы привести в работу переключатель 22 максимального уровня и/или перепускной переключатель 23, который выключает насос 12 и закрывает клапан 14.
Реакционная камера 18 озонирования типично имеет объем на 4-8 литров неочищенной воды в зависимости от мощности генератора озона, физических ограничений конструкции и размера очистительного устройства и способа нагнетания смеси озон/воздух в воду в реакционной камере. Для эффективной работы она выполнена в виде цилиндра с минимальным отношением высоты к диаметру 7:1, предпочтительно 10:1 или больше.
Внизу 19 реакционной камеры 18 озонирования расположено средство 26 для введения смеси озон/воздух в виде мелких пузырьков. Это может быть пористый керамический камень или другие средства, известные в данной области. Устройство 26 барботирования соединено через трубу 29 озонирования с электромагнитным клапаном 30 озонирования. Труба 29 озонирования проходит сквозь крышку 28 полностью непроницаемо. Труба 31 подачи озона гидравлически соединяет клапан 30 озонирования с генератором озона 32. После активации переключателя 22 максимального уровня электромагнитный клапан 30 озонирования открывается, генератор озона 32 активируется, и смесь озон/воздух барботируется средством 26 в течение заданного времени, составляющего типично 5-12 мин реакционной камеры 18 озонирования объемом четыре литра и отношением высоты к диаметру 7. Одновременно открывается перепускной электромагнитный клапан 34, соединенный с крышкой 28, чтобы избыточный воздух и озон могли выйти из реакционной камеры 18 озонирования.
Избыточный воздух и озон из реакционной камеры 18 озонирования проводятся через перепускной электромагнитный клапан 34 и перекачивающую трубу 45 сквозь крышку 46 резервуара в свободное пространство вверху резервуара 48 для хранения очищенной воды. Этот газ выпускается в атмосферу через патрон воздушного фильтра 50 на гранулированном активированном угле (GAG). Патрон воздушного фильтра 50 на гранулированном активированный угле может быть, например, патроном типа продаваемых компанией Ametek Ltd для осуществления очистки воздуха.
Генератор озона 32 имеет воздушный насос 36, соединенный последовательно с охлаждающим элементом 38 и далее с колонкой 40 воздушной сушки, переключателем 42 воздушного потока, индикаторной лампой коронного разряда и источником энергии 44.
Охлаждающий элемент 38 является металлическим блоком с термоэлектрическим охлаждением, содержащим извилистый канал для движения воздуха, целью которого является удалить избыточную влагу из окружающего воздуха и снизить температуру воздуха приблизительно на 10°С. Частично осушенный охлажденный воздух А1 входит в колонну 40 воздушной сушки, которая наполнена гигроскопичной средой, такой, как молекулярные сита Zeochem 4A или шарики силикагеля. Воздух А2, выходящий из колонки 40, имеет относительную влажность не более 5% при температуре 20°С. Датчик 43 влажности и температуры воздуха вводит данные по каждому из этих параметров в вышеупомянутый микроконтроллер. В случае, когда измеренные значения отклоняются от установленных величин, микроконтроллер указывает на ошибку системы и прекращает обработку воды в реакционной камере озонирования, перекрывая подачу энергии 44 и клапан 30 озонирования. Таким образом, уже обработанная вода в резервуаре 48 может разливаться до тех пор, пока не потребуется генератор озона для озонирования резервуара 48. В этот момент времени розлив воды из резервуара 48 также станет невозможным.
В конце заранее установленного периода озонирования микроконтроллер открывает перепускной клапан 52 для озонированной воды, который расположен между дном 19 камеры 18 озонирования и насосом 54 постоянной пропускной способности и соединен с ними гидравлически. Активация насоса 54 и открытие клапана 60 входа в резервуар переносит воду W3 из камеры 18 озонирования при постоянной скорости течения через фильтр 56 на активированном угле и фильтр 58 на активированном оксиде алюминия. Очищенная вода W4 переносится через входную трубу 61 резервуара и крышку 46 резервуара в резервуар 48 очищенной воды. Максимальное значение производительности насоса 54 определяется максимальной скоростью течения, допустимой для достижения заданного уровня снижения растворенного органического материала фильтром 56 и снижения неорганических ионов (арсенид или фторид) фильтром 58. Скорость течения типично составляет 1 литр/мин для 10-дюймовых фильтр-патронов.
Фильтр 56 идентичен по конструкции фильтру 16, описанному ранее. Фильтр 58 на активированном оксиде алюминия образован из колонки на базе активированного оксида алюминия, который был активирован до применения, путем контакта фильтра с раствором сульфата алюминия концентрацией 29 г/л в течение 1 часа. Этот раствор затем вымывается из фильтра чистой водой до установки в аппарат и использования. Физические размеры фильтра 58 на активированном оксиде алюминия диктуются параметрами течения контура рециркуляции, рН и концентрацией мышьяка или фторида в источнике воды и полным объемом обрабатываемой воды, например, обычно это может быть цилиндрический патрон диаметром 60 мм и длиной 500 мм.
Резервуар 48 для хранения очищенной воды снабжен переключателем 70 минимального уровня, переключателем 72 максимального уровня и перепускным переключателем 74. Элемент 62 барботирования смеси воздух/озон, установленный в резервуаре, соединен посредством трубы 63 озонирования резервуара через крышку 46 с клапаном 64 озонирования резервуара. Клапан 64 сообщается гидравлически с трубой 31 подачи озона и, тем самым, с генератором озона 32. В определенные периоды, например, с четырехчасовыми интервалами микроконтроллер активирует генератор озона 32 и клапан 64 озонирования резервуара, барботируя смесь озон/воздух в резервуаре 48 очищенной воды.
Выходная трубка 66 резервуара проходит сквозь крышку 46, закрывающую резервуар 48 очищенной воды, чтобы вода могла выйти из резервуара 48. Выходная трубка 66 резервуара через выходной клапан 68 резервуара и трубку 69 соединена гидравлически с всасывающим отверстием насоса 54. Розлив очищенной воды из выпускного отверстия 78 производится посредством раздаточного клапана 76 и дозирующей трубки 75, которая соединена с выходом насоса 54. Когда потребитель вручную указывает микроконтроллеру разливать очищенную воду, например, нажатием кнопки на очистительном устройстве, открываются выходной клапан 68 резервуара и раздаточный клапан 76, насос 54 активируется, и вода W6 выливается из выпускного отверстия 78.
Для осуществления рецикла воды из резервуара 48 через фильтры 56 и 58 перепускной клапан 52 для озонированной воды и раздаточный клапан 76 остаются закрытыми. Входной клапан 60 резервуара, выходной клапан 68 резервуара и насос 54 активируются, и повторно обработанная вода возвращается в резервуар 48 по входной трубке 61 резервуара. Длительность этого цикла рециркуляции задается значением, установленным в микроконтроллере.
Обычно озонирование в резервуаре-хранилище и рециркуляции проводятся параллельно.
На фиг.3а-3е схематически показаны другие режимы работы.
На фиг.3а предварительно отфильтрованная вода W2 озонируется в реакционной камере 18 озонирования. Для этого открывается клапан озонирования 30 и работает воздушный насос 36. Озон, образованный генератором озона 32, подается через трубку 31 подачи озона и трубку 29 озонирования в реакционную камеру 18 озонирования. На фиг.3а показана первая порция озонирования. Перепускной клапан 34 для озона открыт. Все другие клапаны закрыты. Поскольку это есть начальная порция, воды в резервуаре-хранилище 48 нет.
На фиг.3b показан перенос обработанной озоном воды W3 в резервуар-хранилище 48 в режиме M1. Перепускной клапан 52 для озонированной воды и входной клапан 60 резервуара открыты, и насос 54 работает. Все другие клапаны закрыты.
На фиг.3с показан другой режим работы М2. В этом режиме работы все содержимое реакционной камеры 18 озонирования было переведено в резервуар-хранилище 48. Для получения повторной очистки воды посредством фильтров 56 и 58 перепускной клапан 52 озонированной воды закрывается, при этом выходной клапан 68 резервуара и входной клапан 60 резервуара открыты. Насос 54 работает так, что вода рециркулирует из резервуара-хранилища 48 по линии рециркуляции, включая выходную трубку 66 резервуара и входную трубку 61 резервуара, а также трубку 69. В этом режиме работы все другие клапаны закрыты. Однако можно озонировать параллельно неочищенную воду, содержащуюся в реакционной камере 18 озонирования путем, сходным с показанным на фиг.3а.
На фиг.3d показан альтернативный рециркуляционный режим работы М2'. Выходной клапан 68 резервуара и входной клапан 60 резервуара открыты, и насос 54 работает так, что вода может циркулировать. По сравнению с фиг.3с дополнительно открыт клапан 64 подачи озона в резервуар, так что озон поступает в резервуар-хранилище 48. Озон будет растворяться в воде, содержащейся в резервуаре-хранилище 48, и будет подаваться по линии рециркуляции, включая выходную трубку 66 резервуара, выходной клапан 68 резервуара, трубку 69, насос 54, фильтры 56 и 58, а также входной клапан 60 резервуара и входную трубку 61 резервуара. Параллельно может озонироваться новая порция неочищенной воды.
На фиг.3е показан розлив очищенной воды W5 в другом режиме работы М3. Параллельно может озонироваться новая порция неочищенной воды.