УСТРОЙСТВО ДЛЯ ОБРАБОТКИ ВОДНЫХ СРЕД В ПРОТОКЕ

Полезная модель относится к охране окружающей среды, а именно к области очистки и обеззараживания воды из поверхностных водоисточников, а также промышленных и бытовых сточных вод от загрязнений, различных по виду и характеру, и может быть использована для обработки водных сред, в частности мутных, в протоке.
Потребность населения в достаточном количестве воды необходимого качества всегда остается жизненно важной. Обработка водных систем, как из природных водоисточников, так и из систем водоотведения (промышленных и бытовых сточных вод) с целью их очистки и обеззараживания, является одной из наиболее актуальных задач человечества. Проблема охраны окружающей среды, в частности, обеспечение населения питьевой водой высокого качества, а также предотвращение сброса неочищенных сточных вод, является приоритетной для большинства государств. В воде поверхностных водоисточников наряду с примесями природного происхождения содержатся и различного рода химические загрязнения техногенного характера (пестициды, фенолы, нефтепродукты, соли тяжелых металлов и др.), что обусловлено, в том числе, сбросом в водоемы недостаточно очищенных производственных и бытовых сточных вод. Многочисленные известные технологии и установки для обработки водных сред не всегда могут обеспечить необходимую степень их очистки и обеззараживания.
Известно устройство для обработки водной среды (ЕР №0655417, C02F 1/32; C02F 1/36, 1995), состоящее из двухсекционного корпуса с узлами подачи воды на очистку и отвода очищенной водной среды. В первой по ходу движения водной среды секции расположен ультразвуковой вибратор, а во второй - лампа ультрафиолетового излучения в кварцевом чехле. Подаваемую на очистку водную среду подвергают воздействию ультразвуковых колебаний в кольцевом канале первой секции с последующей обработкой ультрафиолетовым облучением во второй секции реактора. К недостаткам этого устройства относится то, что при использовании одного источника ультразвукового излучения и одного ультрафиолетового - зоны воздействия ультразвука и ультрафиолета разделены. Это приводит к значительным энергетическим затратам ультразвука при очистке кварцевого чехла ультрафиолетового излучателя от биологических обрастаний и отложения солей. Воздействие на водную среду ультразвуком в узком протяженном канале не позволяет использовать полностью преимущества единственного ультразвукового излучателя, т.к. отсутствуют зоны концентрации ультразвукового поля, а использование одного источника ультрафиолетового излучения ограничивает производительность устройства и не обеспечивает достаточную степень очистки.
Известно также устройство для обеззараживания водной системы ультрафиолетом и озоном, которое используют при подготовке воды для бытового и технического назначения (Свидетельство на полезную модель РФ №55354, C02F 1/32, 2006), содержащее корпус, в котором коаксиально размещена бактерицидная лампа в защитном кварцевом чехле, узел подачи водной среды на обработку, в котором установлен эжектор, и узел отвода обработанной водной среды, при этом на выходе из эжектора установлен источник ультразвука, расположенный по оси трубопровода, излучатели ультразвука которого расположены в четыре ряда равномерно по образующей цилиндра в шахматном порядке навстречу друг другу. Такое расположение ультразвуковых излучателей обеспечивает ультразвуковую обработку всего объема водной среды, проходящей через источник ультразвука.
Недостатком этого устройства также является то, что зоны воздействия ультразвука и ультрафиолета разделены, что приводит к значительным энергетическим затратам ультразвука при очистке кварцевого чехла ультрафиолетового излучателя от биологических обрастаний и отложения солей, а использование только одного источника ультрафиолетового излучения ограничивает производительность устройства и не обеспечивает достаточную степень очистки.
Известно устройство для обработки водных сред (Патент РФ №2067079, C02F 1/36, 1996), содержащее проточный корпус с узлами подачи водной среды на обработку и отвода обработанной водной среды, состоящий из одной или нескольких секций, содержащих один или несколько ультразвуковых преобразователей. Один из вариантов исполнения известного устройства представляет собой корпус в виде прямого цилиндра с коаксиально расположенным в нем цилиндрическим ультразвуковым преобразователем. Обрабатываемую водную среду подвергают обработке в одном или нескольких полях стоячих ультразвуковых волн, при этом под действием ультразвука происходит выделение (флокуляция, осаждение, агломерация или коагуляция) растворенных, суспендированных или эмульгированных в водной среде ингредиентов или микроорганизмов с последующим их отделением. Недостатком этого устройства является низкая степень обеззараживания обрабатываемой водной среды, так как при обработке в устройстве происходит лишь частичное удаление патогенной микрофлоры, находящейся на твердых частицах.
Известно устройство для обработки водной среды (Свидетельство на полезную модель РФ №13209, C02F 1/32, 2000), содержащее цилиндрический корпус с узлами подачи водной среды на обработку и отвода обработанной водной среды, в основании которого выполнены отверстия, а внутри расположены поперечные перегородки в форме дисков с отверстиями и лампы ультрафиолетового излучения в чехлах из прозрачного для УФ излучения материала, установленные параллельно образующей цилиндрического корпуса по окружности и в центре. Устройство позволяет повысить степень обеззараживания обрабатываемой водной среды, однако стенки корпуса и защитных чехлов ламп ультрафиолетового облучения подвержены биообрастанию и отложению солей, особенно при эксплуатации устройства для высокомутных водных сред, что приводит к снижению производительности устройства и повышению энергетических затрат на единицу обрабатываемого объема.
Известно также устройство для обработки водных сред (Заявка РСТ №WO 00/58224, C02F 1/32; C02F 1/36, 2000), состоящее из цилиндрического корпуса с коаксиально расположенной в нем лампой ультрафиолетового излучения с защитным кварцевым чехлом и узлами подачи водной среды на обработку, ультразвуковой обработки и отвода обработанной водной среды. Устройство позволяет одновременно повысить степень очистки и обеззараживания обрабатываемой водной среды за счет воздействия на нее ультразвуком и ультрафиолетом в едином акустическом поле и при этом снизить биообрастание и отложение солей на стенках корпуса и защитном чехле лампы ультрафиолетового излучения. Недостатками этого устройства являются ограничение объема обрабатываемой водной среды из-за неоднородного распределения интенсивности ультразвуковых колебаний в объеме устройства, при этом, чтобы повысить эффективность обработки требуется увеличение времени экспозиции. Кроме того, чтобы обеспечить необходимую производительность, соединяют, как правило, параллельно, несколько устройств, что приводит к увеличению металлоемкости и энергетических затрат.
Известно устройство для безреагентного обеззараживания жидкости (Патент РФ №2332358, C02F 1/36, 2008), содержащее корпус, на внешней стороне которого имеются ультразвуковые излучатели, внутри корпуса имеются источники ультрафиолетового излучения с защитными чехлами, прозрачными для ультрафиолетовых лучей, и расположенные вокруг них вставки, на внутренних сторонах которых также имеются ультразвуковые излучатели, которые расположены в узловых точках максимальной интенсивности колебаний и настроены на синхронную или различную относительно друг друга резонансную частоту колебаний.
Недостатками этого устройства являются сложность его аппаратурного оформления и наличие большого количества излучателей, что усложняет его монтаж и эксплуатацию, удорожает устройство и приводит к увеличению энергетических затрат.
Наиболее близким по технической сущности к предложенному является устройство для обработки водной среды (Патент РФ №2183197, C02F 1/32; C02F 1/36, 2002), содержащее цилиндрический корпус с узлами подачи воды на обработку, обработки ультрафиолетом, расположенным внутри цилиндрического корпуса, ультразвуковой обработки и отвода обработанной воды, в котором узел обработки воды ультрафиолетом состоит из двух и более ультрафиолетовых излучателей, снабженных защитными чехлами из материала, прозрачного для ультрафиолетового излучения, и расположенных параллельно образующей цилиндрического корпуса по крайней мере по одной концентрической окружности, а узел ультразвуковой обработки состоит по из двух и более ультразвуковых излучателей, расположенных вдоль оси цилиндрического корпуса равноудаленными двумя и более рядами, при этом в каждом ряду один ультразвуковой излучатель расположен на оси корпуса, а остальные - по крайней мере, по одной концентрической окружности, ультразвуковые и ультрафиолетовые излучатели чередуются от оси корпуса к его внутренней поверхности, а расстояния между ультразвуковыми излучателями, ультрафиолетовыми излучателями, ультразвуковыми и ультрафиолетовыми излучателями кратны длине полуволны ультразвука, при этом ультразвуковые излучатели выполнены сменными и в виде тела вращения - шара или цилиндра.
Недостатком известного устройства является то, что для обеспечения однородности обработки объема водной среды требуется большое количество излучателей, что приводит к увеличению стоимости и энергоемкости устройства.
Определения
В настоящем описании используются термины со следующим значением:
«узел ультразвуковой обработки» - сочетание двух и более ультразвуковых излучателей;
«узел ультрафиолетовой обработки» - сочетание двух и более ультрафиолетовых излучателей;
«ряд» - означает окружность на поверхности цилиндрического корпуса с центром на его оси, на которой расположены «n» однотипных ультразвуковых излучателей, где «n» - 1, 2, 3 и т.д.
Задачей предложенного технического решения является создание универсального устройства с невысокими энергозатратами для обработки водных сред с загрязнениями любого состава в протоке.
Технический результат от использования предложенного устройства заключается в повышении однородности обработки водной среды ультразвуком и ультрафиолетом в едином акустическом поле, что приводит к повышению степени очистки водных сред от органических, неорганических, токсических загрязнений и повышении степени обеззараживания патогенной микрофлоры при одновременном сокращении времени обработки и снижении энергозатрат. Кроме того, устройство позволяет предотвратить биообрастание и отложение солей на внутренней поверхности корпуса устройства и поверхностях защитных чехлов ламп ультрафиолетового излучения, расположенных в корпусе.
Поставленная задача решается, а технический результат достигается за счет того, что в устройстве для обработки водных сред в протоке, содержащем цилиндрический корпус с узлами подачи водной среды на обработку, обработки ультрафиолетом, состоящим из двух и более ультрафиолетовых излучателей, снабженных защитными чехлами из материала, прозрачного для ультрафиолетового излучения, и расположенных параллельно образующей цилиндрического корпуса, по крайней мере, по одной концентрической окружности с центром на оси цилиндрического корпуса, узлом ультразвуковой обработки, состоящим из двух и более ультразвуковых излучателей, расположенных равноудаленными двумя и более рядами вдоль оси цилиндрического корпуса, и узлом отвода обработанной водной среды, ультразвуковые излучатели вмонтированы в цилиндрический корпус по одному и более в каждом ряду по окружности цилиндрического корпуса со смещением в каждом следующем ряду на (360:(2n)град., где n - количество ультразвуковых излучателей в ряду, начиная с 1, и выполнены из двух и более цилиндрических ступеней, при этом диаметр каждой следующей ступени меньше диаметра предыдущей, а длина образующей и диаметр каждой ступени кратны четверти длины волны ультразвука, два и более ультразвуковых излучателя в каждом ряду расположены на равных расстояниях один от другого, а расстояния между ультрафиолетовыми излучателями, ультразвуковыми излучателями, ультрафиолетовыми и ультразвуковыми излучателями кратны четверти длины волны ультразвука.
В частном случае устройство для обработки водных сред в протоке снабжено двумя ультразвуковыми излучателями, расположенными по одному в торцах цилиндрического корпуса по его оси, и выполненными из двух и более цилиндрических ступеней, при этом диаметр каждой следующей ступени меньше диаметра предыдущей, а длина образующей и диаметр каждой ступени кратны четверти длины волны ультразвука
Технический результат достигается также за счет того, что устройство для обработки водных сред в протоке может быть дополнительно снабжено в каждом торце цилиндрического корпуса двумя и более ультразвуковыми излучателями, расположенными на равных расстояниях один от другого, по крайней мере, по одной концентрической окружности с центром на оси цилиндрического корпуса, и выполненными из двух и более цилиндрических ступеней, при этом диаметр каждой следующей ступени меньше диаметра предыдущей, а длина образующей и диаметр каждой ступени кратны четверти длины волны ультразвука.
Краткое описание фигур чертежей.
Полезная модель поясняется чертежами.
На Фиг.1 схематически изображен вертикальный разрез устройства для обработки водных сред в протоке, содержащего два ультразвуковых излучателя, расположенных по одному в каждом ряду; на Фиг.2 - то же с расположенными в обоих торцах по оси цилиндрического корпуса устройства ультразвуковыми излучателями; на Фиг.3 - общий вид устройства с ультразвуковыми излучателями, расположенными в четыре ряда; на Фиг.4 - вид по А-А на Фиг.3, где показан порядок установки излучателей в цилиндрическом корпусе по три в ряду со смещением в двух соседних рядах на 60 градусов (360:(2×3).
Устройство для обработки водных сред в протоке (Фиг.1) содержит цилиндрический корпус 1 с узлом подачи водных сред на обработку 2, ультрафиолетовые излучатели 3 с защитными чехлами, выполненными из материала, прозрачного для ультрафиолетового излучения, и ультразвуковые излучатели 4, расположенные по одному в двух рядах по окружностям на корпусе 1, со смещением один относительно другого на 180 град. (360:(2×1), а также узел отвода очищенной воды 5, при этом в устройстве (Фиг.2) два крайних ультразвуковых излучателя 4 расположены непосредственно в торцах цилиндрического корпуса 1 на его оси. На Фиг.3 показано, что ультразвуковые излучатели 4 расположены по окружностям на поверхности цилиндрического корпуса 1, а на Фиг.4 изображены ультрафиолетовые излучатели 3, расположенные по концентрическим окружностям на равных расстояниях друг от друга, и ультразвуковые излучатели 4, расположенные по три в ряду по окружностям на поверхности цилиндрического корпуса 1 с центром на его оси на равных расстояниях один от другого, при этом, в каждом следующем ряду три ультразвуковых излучателя смещены относительно трех ультразвуковых излучателей в предыдущем ряду на 60 градусов, согласно формуле изобретения (360:(2×3)=60). Устройство работает следующим образом.
Обрабатываемую водную среду, содержащую органические и/или неорганические и/или токсические загрязнения и/или патогенную микрофлору через узел подачи воды на обработку 2 подают в цилиндрический корпус 1 устройства для обработки воды, где ее подвергают одновременной обработке ультразвуковым и ультрафиолетовым облучением в едином акустическом поле. Ультрафиолетовые излучатели 3 - это лампы низкого давления с парами ртути. Для обработки исходной воды с различными степенью и характером загрязнений и обеспечения высокой степени обработки (очистки и обеззараживания) при оптимальном соотношении интенсивности ультразвукового и ультрафиолетового облучения на единицу обрабатываемого объема для воды, ультразвуковые излучатели выполнены из двух и более цилиндрических ступеней, при этом диаметр каждой следующей ступени меньше диаметра предыдущей, а длина образующей и диаметр каждой ступени кратны четверти длины волны ультразвука, вмонтированы в цилиндрический корпус по одному и более в каждом ряду по окружности цилиндрического корпуса со смещением в каждом следующем ряду на (360:(2n)град., где n - количество ультразвуковых излучателей в ряду, начиная с 1, генерирующих ультразвуковые колебания необходимой мощности частоты. Такое расположение ультразвуковых излучателей позволяет сделать поле обработки ультразвуком более равномерным, что позволяет осуществлять более стабильное воздействие на обрабатываемую водную среду. Под воздействием ультразвукового излучения происходит интенсивное образование парогазовых каверн и интенсивных пульсирующих вихрей по всему объему устройства, приводящее к разрыву цепей белков, жиров и углеводов, повреждению оболочек микроорганизмов и разрушению их на клеточном уровне при схлопывании каверн. Одновременно происходит процесс объемного удаления газа из жидкости. В образующихся при этом микроскопических пузырьках растворенного в воде воздуха под воздействием ультрафиолетового излучения, а также при схлопывании каверн, нарабатываются активные радикалы и окислители, например, озон, которые способствуют более интенсивному протеканию фотохимических реакций, ускорению окисления растворенных в воде органических загрязнений и инактивации патогенной микрофлоры. Представленное расположение ультразвуковых и ультрафиолетовых излучателей в объеме цилиндрического корпуса способствует интенсивному перемешиванию обрабатываемой воды, что также способствует повышению степени очистки и обеззараживания воды. При размещении только двух ультразвуковых излучателей их о располагают в два ряда навстречу один другому (угол смещения расположения ультразвукового излучателя во втором ряду относительно первого составляет 180 градусов), что позволит ультразвуковому полю занимать весь объем цилиндрического корпуса 1, включая узел подачи воды на обработку 2 и узел отвода очищенной воды 5. Ультразвуковые излучатели выполняют сменными, расстояния между ультрафиолетовыми излучателями, ультразвуковыми излучателями, ультрафиолетовыми и ультразвуковыми излучателями должны быть кратны длине четверти волны ультразвука - это позволяет мощным окислителям, образующимся в процессе одновременного воздействия на воду ультрафиолетового излучения, ультразвука и акустических колебаний, распределиться по обрабатываемому объему однородно (равномерно). Очищенную и обеззараженную воду через узел отвода очищенной воды 5 отводят, например, потребителю.
6
3
Предложенное устройство позволяет провести практически полное обеззараживание (до 99,999%), т.е. полностью уничтожить любые формы (в том числе споровые) микроорганизмов, вирусы и простейшие в концентрациях до 10 ед/л. и количестве, недоступном для традиционных технологий, за счет того, что мощные окислители, образующиеся в процессе одновременного воздействия на воду ультрафиолетового излучения, ультразвука и акустических колебаний, распределяются по обрабатываемому объему однородно (равномерно). Устройство не подвержено биообрастанию и отложению солей. Энергетические затраты на 1 м/ч обрабатываемой воды не превышают 3-5 Вт для питьевой воды и 13-15 Вт для сточных вод.
Предложенное устройство позволяет повысить степень очистки водных сред от органических и/или неорганических и/или токсических загрязнений и патогенной микрофлоры при одновременном сокращении времени процесса очистки и снижении энергозатрат, а также предотвратить отложение солей на корпусе устройства и поверхностях кварцевых чехлов ламп ультрафиолетового излучения за счет воздействия на очищаемую водную среду ультразвуком и ультрафиолетом в едином акустическом поле, что подтверждает его соответствие критерию «промышленная применимость».
Таким образом, предложенное техническое решение позволяет создать многофункциональное универсальное устройство с невысокими энергозатратами для обеззараживания и очистки в протоке водных сред от загрязнений, различных по виду и характеру.