ПЛАЗМЕННО-БИОХИМИЧЕСКИЙ РЕАКТОР

Предлагаемая полезная модель относится к экологической технике, в частности, к локальным очистным установкам, и может быть использована для экономичного обеззараживания сточных вод промышленного, технического и бытового характера, содержащих высокостойкие токсические химические отходы, содержащие микроорганизмы, или загрязнения химического и биологического характера, содержащихся в воде одновременно.
Известен способ и установка биохимической очистки сточных вод от фенола (Патент РФ №2188164 от 2000.11.03 г. C02F 3/02 опубликовано 2002.08.27) с достаточно высоким содержанием высокотоксичного органического вещества фенола, однако не выше 3 г/литр, с использованием перекиси водорода и активного ила с непрерывным процессом обеззараживания. К недостаткам следует отнести то, что при обработке загрязненной воды с более высокой концентрацией органических отходов необходимо разбавление воды до приемлемого уровня 3 г/литр, что приведет к либо значительному увеличению массогабаритных характеристик установки и дополнительному расходу чистой воды либо к значительному увеличению расхода ценных химических веществ; данная установка может применяться для обеззараживания сточных вод, содержащих только ограниченный круг веществ - фенол и его производные; при содержании наряду с фенолом токсических веществ, угнетающих данный вид микроорганизмов, возможно снижение производительности реактора или необходимо применять другие реактивы, чтобы снизить концентрацию этих веществ.
Наиболее близкой к предлагаемой полезной модели является патент на полезную модель: “Плазменно-биологический реактор” (Патент на полезную модель РФ №79551, от 26 августа 2008 г., опубликовано 10 января 2009 г., прототип).
Недостатком этого устройства является наличие поджигающего электрода в виде тонкого стержня, что приводит к его быстрому износу и необходимости частой его замены, отсутствие блоков механической фильтрации и блока химической обработки ведет к неоправданно высоким энергетическим затратам при обработке вод, содержащих неорганические примеси.
Предлагаемая полезная модель решает техническую задачу экономичного стимулированного плазмой сжигания или обеззараживания токсических органических и неорганических отходов химических производств и других производств, сельскохозяйственных отходов, растворенных в воде, с последующим фильтрованием золей, гелей, устранения остатков неорганических химических отходов в блоке химической обработки, доокисления оставшихся жидких органических отходов до уровня предельно допустимой концентрации, в блоке биологической обработки при одновременном снижении массогабаритных характеристик и затрат электрической энергии, имеющихся в аналоге и прототипе, уничтожения микрофауны и микрофлоры, в том числе и высокостойкой.
Поставленная техническая задача решается тем, что в плазменно-биохимическом реакторе, содержащем плазменный реактор, состоящий из нескольких плазменных ячеек, соединенных последовательно или параллельно, или одной плазменной ячейки для создания электрического разряда, состоящей из диэлектрического герметичного корпуса, содержащего два узла, соединенных последовательно, в нижней части корпуса плазменной ячейки имеется узел предварительной активации воды, содержащий камеру смешения, в нижней части которой расположена пористая мембрана-диспергатор для подачи воздуха или кислорода, в камере смешения сверху над поверхностью мембраны-диспергатора расположена трубка для подачи загрязненной воды под напором на поверхность мембраны для создания пузырьковой дисперсной среды и снижения размера пузырьков, образующихся на поверхности мембраны-диспергатора, путем их смывания, арматура для подачи загрязненной воды и воздуха, в верхней части плазменной ячейки установлен узел плазменной обработки загрязненной жидкости, на его корпусе имеются торцовые верхняя и нижняя крышки с герметизирующими прокладками, при этом в верхней крышке установлен колпак с сальником для крепления электрода и обеспечения возможности его перемещения в вертикальном направлении, выполненного в виде стержня, на колпаке имеется выводящее устройство для выпуска очищенной воды, в нижней крышке расположено отверстие для установки трубки переходника для соединения узла предварительной активации воды и узла плазменной обработки в плазменной ячейке, внутри трубки переходника установлен дроссель для регулировки расхода газодисперсной смеси, образующейся в камере смешения, расположенной в узле предварительной активации воды, и ее ускорения и турбулизации для дальнейшего снижения размеров пузырьков путем их дробления и увеличения площади поверхности раздела фаз жидкость - газ при проведении предварительной обработки загрязненной химическими составами или биологическими организмами и примесями воды в плазменном реакторе, плазменно-биохимический реактор также содержит блок электропитания переменного или постоянного тока, систему подачи воздуха, блок подачи загрязненной воды, плазменный реактор в виде емкости, содержащей барботажное устройство для создания микропузырьков газа в загрязненной жидкости, регулирующего расход крана, в узле плазменной обработки на внутреннем электроде имеется одна или более шайб, внешняя форма которых имеет одну или более острых кромок, обеспечивающих поджиг разряда при более низких напряжениях и снижение эрозии электродов, дополнительно для дробления пузырьков на нижней крышке верхней части плазменной ячейки за дросселем расположен ударноволновой генератор, а внешний электрод, расположенный в верхней части плазменной ячейки, состоит из двух частей, нижняя часть представляет собой электропроводящее кольцо, внутренний диаметр которого превышает диаметр шайб, расположенных на конце внутреннего электрода, верхняя часть внешнего электрода представляет собой перфорированный электропроводный цилиндр, для снижения энергетических затрат дополнительно установлены блок химической обработки и блок фильтрации гелей и золей.
По сравнению с устройствами, реализующими электрический разряд - плазму в воде и электролитах или устройствах биохимической обработки сточных вод, предлагаемая установка плазменно-биохимический реактор обладает улучшенными экономическими показателями.
Факторами, определяющими высокую экономическую эффективность работы данной установки являются большая удельная поверхность на разделе фаз газ - обрабатываемая жидкость в микропузырьковой среде, так как разряд происходит на поверхности раздела фаз, что позволяет снизить массо-габаритные характеристики плазменной ячейки, осуществлять обработку загрязнений за один проход, и поэтому снизить энергетические и капитальные затраты на обработку заданного объема загрязнений до приемлемого уровня, возможность при необходимости создания высокой объемной концентрации газовой фазы в микропузырьковом режиме течения вплоть до 99% для воды с высоким содержанием органики и осуществление стимулированного плазмой горения органических отходов ведет к значительному сокращению первоначальных затрат электроэнергии и открывает перспективу использования жидких отходов как источника дешевой тепловой энергии для отопления производственных помещений.
Кроме того, наличие в установке дополнительно блоков фильтрации гелей и золей, блока химической обработки остатков неорганических отходов, блока для биологической доочистки до уровня предельно допустимой концентрации органических химических отходов позволяет также дополнительно существенно в 2-3 раза снизить затраты электроэнергии на проведение процесса обеззараживания сточных вод, так как энергоемкость плазменных процессов обеззараживания воды при снижении уровня концентрации вредных веществ воде возрастает. Следует отметить, что эффективность фильтрации, химической обработки, биологических методов очистки при относительно невысоком содержании вредных примесей высока, а процессы материально и энерго мало затратные.
Наличие в установке узлов плазменной очистки, узла фильтрации и узлов биохимической доочистки позволяет значительно снизить массо-габаритные размеры установки при высоком содержании вредных органических примесей в воде, так как при биохимических методах обработки при превышении некоторого уровня загрязнений необходимо либо разбавление исходной жидкости чистой водой до приемлемого уровня загрязнений для начала возможности нормальной жизнедеятельности бактерий либо значительное увеличение расхода ценных химических реагентов.
Оригинальная конструкция катода и анода, позволяет уменьшить количество элементов оборудования и снизить эрозию электродов.
Сущность полезной модели поясняется схемой, представленной на фиг.1. Плазменно-биохимический реактор, содержит компрессорную установку 1, состоящую из компрессора для подачи сжатого воздуха 2, ресивера для накопления воздуха 3, манометра на входе для контроля давления в ресивере 4, крана 5 для регулировки подачи воздуха, плазменный реактор, состоящий из одной или плазменных ячеек 6, в нижней части корпуса плазменных ячеек расположен узел предварительной активации воды 7, состоящий из корпуса из диэлектрического материала 8, внутри корпуса 8 имеется камера 9 для смешения воздуха и загрязненной жидкости, в нижней части камеры смешения 9 установлена пористая мембрана-диспергатор 10, в верхней и нижней части корпуса 8 установлены фланцы с прокладками 11, в корпусе 8 имеются шпильки 12 для соединения верхнего и нижнего фланцев 11 с целью уплотнения корпуса 8, сбоку корпуса 8 имеется вход-переходник 13, блок подачи загрязненной воды 14, состоящий из резервуара 15 с исходной загрязненной жидкостью, насоса 16, предназначенного для перекачки под давлением загрязненной жидкости в узел предварительной активации воды 7, расходометра по жидкости 17 предназначенного для измерения расхода загрязненной жидкости, в камере смешения 9 расположена трубка 18, предназначенная для поступления загрязненной воды из блока подачи воды 14 под давлением на поверхность мембраны диспергатора 10, в верхнем фланце 11 корпуса 8 расположена переходная трубка 20, предназначенная для соединения узлов плазменной ячейки, в трубке 20 расположен дроссель 21, предназначенный для регулировки расхода газодисперсной смеси, ускорения потока и его турбулизации, в верхней части корпуса ячейки 6 расположен узел плазменной обработки загрязненной жидкости 22, состоящий из герметичного корпуса из диэлектрика, в котором размещены внутренний электрод 24 в виде стержня, на конце которого имеется шайба или шайбы с острыми гранями 33, обеспечивающий поджиг разряда и снижение эрозии электродов, фиксация внутреннего электрода строго по центру корпуса обеспечивается перфорированным диском из диэлектрика 25, и анод, состоящий из двух частей, верхней в виде перфорированного цилиндра из меди 26 и нижней в виде медного кольца 32 с диаметром проходного отверстия большего диаметра шайбы или шайб 33, в корпусе имеется сквозная полость, в которой происходит обработка разрядом загрязненной воды, корпус уплотнен торцовыми нижней 27, на которой установлен генератор ударных волн 23, и верхней 28 крышками с герметизирующими прокладками, на верхней крышке 28 предусмотрена установка колпака с сальником 29 для крепления электрода 24, и возможности его перемещения в вертикальном направлении, для обеспечения работы установки со средами с различными проводящими свойствами, на колпаке установлено выпускное устройство 30 для вывода предварительно очищенной воды, для подачи напряжения на внешний электрод используются медные стрежни 31 с сальниками, блок питания 34, предназначенный для подачи напряжения на электроды 24, 33 и 26, 32, состоящий из источника питания 220 В, 50 Гц 35, ЛАТРа для регулировки напряжения в разных режимах работы 36, повышающего трансформатора 37, делителя напряжения 38, вольтметра 39, амперметра 40; шина 41 для заземления корпуса плазменного реактора и блока питания переменного напряжения, блок фильтрации гелей и золей 42, блок химической очистки 43 от остатков неорганических отходов, и отходов угнетающих жизнедеятельность микроорганизмов в блоке биологической очистки 44, блок биологической очистки, состоит из емкости 45, предназначенной для накопления и дальнейшей обработки биологическим способом до ПДК первично очищенной в плазменном реакторе загрязненной жидкости, включающей диспергирующее устройство 46 и микроорганизмов в виде «активного ила»; ресивера 47, регулирующего крана 48; компрессора 49 для подачи сжатого воздуха или баллона с кислородом.
Предлагаемое устройство работает следующим образом.
Газ - воздух или кислород из компрессорной установки 1 по трубопроводам подается на пористую мембрану-диспергатор 10, расположенную в нижней части камеры смешения 9 в узле предварительной активации воды 7, при этом сжатый воздух создается в компрессоре 2, далее поступает в ресивер 3, измерение давления в ресивере осуществляется манометром 4, расход газа регулируется дроссельным краном 5; одновременно загрязненная жидкость из блока подачи загрязненной воды 14 подается под давлением через вход-переходник 13 в узел предварительной активации воды 7, при этом в бак - 15 периодически или непрерывным образом подается загрязненная вода, содержащая биологические и химические отходы или то и другое вместе, далее насос 16 под давлением, через расходомер по воде 17 подает жидкость по трубопроводам на вход - переходник 13, далее по трубке 18 загрязненная жидкость под напором поступает на поверхность мембраны-диспергатора 10, расположенную в нижней части камеры смешения 9, где происходит образование газодисперсной пузырьковой смеси и образование первичных пузырьков, далее газодисперсный поток поступает в соединительную трубку 20, в которой расположен дроссель 21, предназначенный для регулировки расхода газодисперсной пузырьковой смеси, проходя через дроссель, газодисперсная смесь ускоряется, турбулизируется, вследствие чего возникают сдвиговые напряжения и происходит дополнительно дробление пузырьков; далее газопузырьковая смесь поступает в узел плазменной обработки загрязненной жидкости 22, газодисперсная струя из дросселя 21 попадает на ударноволновой генератор 23, расположенный в корпусе верхней части плазменной ячейки 22, где происходит дополнительное дробление пузырьков до субмикронного размера, далее газодисперсная смесь поступает в область между электродами 24, 33 и 26, 32, где образуется объемно - диффузионный разряд, напряжение на электроды подается из блока питания 34 через медные штырьки 31, уплотненные сальниками, напряжение на электрод 24, 33 непосредственно по соединительным проводам подается с блока питания переменного или постоянного напряжения 34 с плавной регулировкой параметров тока и напряжения ЛАТРом 35, повышение напряжения до заданных параметров осуществляется трансформатором 37, напряжение регистрируется вольтметром 39, ток амперметром 40, для возможности использования дешевых маломощных измерительных приборов амперметра и вольтметра применяется делитель напряжения 38, после первичной обработки в узле плазменной очистки 22 газодисперсная смесь через выпускное устройство 30 по трубопроводу поступает в блок фильтрации гелей и золей 42, предназначенный для устранения крупных частиц органического и неорганического характера, которые могут образовываться в ходе первичной обработки плазмой, далее в блок химической обработки 43 для отделения жидкости и газа, устранения остатков неорганических примесей и примесей, угнетающих жизнедеятельность микроорганизмов в блоке биологический очистки 44, далее обезгаженная жидкость поступает в бак 45 блока биологической очистки 44, где вода, прошедшая обработку в предшествующих трех блоках, доокисляется до предельно допустимой концентрации биологически активным илом, содержащим микроорганизмы. Для увеличения эффективности жизнедеятельности микроорганизмов и увеличения производительности биологического реактора на единицу объема предварительно очищенной жидкости, производится барботирование жидкости в емкости 45 с помощью диспергатора 46 воздухом, либо кислородом. Для этого воздух или кислород нагнетается компрессором 49, далее поступает в ресивер 47, затем на диспергатор 46, регулировка расхода производится краном 48. Работа биологического реактора возможна как в непрерывном, так и периодическом режимах.
Газо-жидкостная микропузырьковая гетерогенная смесь, являясь средой развития разряда, переходит в иное состояние, образуя сложный очень динамичный конгломерат водяного пара, воздуха, продуктов электролиза воды и ионизации воздуха, продуктов распада химических веществ и биологических организмов. При высоком объемном газосодержании >0,4 в области, где горит разряд за счет локальных пробоев, образуются мощные ударные и акустические волны, разрушительно действующие на живые организмы и химические соединения. Это обусловлено тем, что скорость звука в микропузырьковых средах при высоком объемном газосодержании составляет десятки метров в секунду, тогда как в газах она составляет сотни, в жидкостях тысячи метров в секунду. Поэтому интенсивность ударных волн, определяемая отношением скорости ударной волны к скорости звука, при сжатии пузырьков весьма высока. Это является дополнительным, положительным фактором, отличающим горение разряда в чистой жидкости или в газе от горения разряда в микропузырьковой среде. Также фактором, влияющим на высокую эффективность разряда в пузырьковой среде, является большая удельная площадь поверхности раздела фаз, так как разряд происходит и образуется плазма на поверхности раздела фаз газ - жидкость.
Поражающими факторами для биологических организмов являются ударные волны и акустические волны, генерируемые в разряде при его горении, высокая температура в плазме в локальных зонах на поверхности раздела фаз, излучение, наличие озона или хлора (если вода содержит NaCl), электрический ток.
Факторами, обеспечивающими высокую эффективность разряда при обработке химических отходов, являются ударные волны и акустические волны, генерируемые в разряде при его горении, высокая температура в локальных зонах в плазме на поверхности раздела фаз, излучение, наличие озона, электрический ток, ионизация, стимулированное плазмой горение, окисление в кислороде или воздухе при барботировании жидкости газом при высоком объемном газосодержании.
По сравнению с установками и устройствами, реализующими объемно-диффузионный разряд в воде и электролитах, предлагаемая установка плазменно-биохимический реактор обладает улучшенными экономическими показателями, так как плазма при повышенном содержании органики в воде 50-100 г/литр только стимулирует горение органики в присутствии воды и возможен даже относительно высокий выход дополнительного тепла для отопления производственных помещений. В данном случае загрязненная вода может выступать как низкокалорийное топливо. Кроме того, наличие дополнительно в установке реактора блоков фильтрации золей и гелей, блока химической доочистки и биологической доочистки до предельно допустимой концентрации химических отходов позволяет существенно повысить экономичность процесса. Это поясняется типичной зависимостью снижения содержания в воде химического вещества, например фенола, от времени обработки в разряде см. фиг.2. Из фиг.2 видно, что примерно до концентрации 1 г/литр фенола имеется резкая зависимость снижения токсичного вещества от времени, далее концентрация раствора падает значительно медленнее, возрастают непроизводительные потери электроэнергии на обеззараживание загрязненной воды на единицу объема. Применение блока фильтрации гелей, золей, блока химической доочистки, биологической очистки для доокисления органических отходов позволяет примерно в 3.0 раза снизить затраты электроэнергии при обеззараживании их в плазменно-биохимическом реакторе по сравнению с устройствами с применением только плазменной дезактивации токсических отходов. Наличие высокой удельной площади поверхности контакта фаз в микропузырьковом режиме течения в объемно-диффузионном разряде (так как разряд идет на поверхности раздела фаз газ - жидкость) и совокупности факторов, а именно ударных волн и акустических волн, генерируемых в разряде при его горении, высокой температуры в локальных зонах в плазме, возникающей на поверхности раздела фаз, излучения, наличие озона, электрического тока, ионизации, стимулированного плазмой горения в кислороде или воздухе при барботировании жидкости газом при высоким объемном газосодержании, а так же возможности плавного изменения характеристик разряда в зависимости от состава обрабатываемой среды, позволяют использовать этот вид разряда с высокой эффективностью для обеззараживания воды, содержащей высокостойкие химические вещества и высокостойкие микроорганизмы, споры микробов, вирусы с минимальными непроизводительными энергетическими потерями.