Фильтрационная озоно-мембранная система очистки и обеззараживания воды
FILTRATION OZONE-MEMBRANE SYSTEM FOR WATER PURIFICATION AND DISINFECTION

Настоящее изобретение относится к устройствам для очистки и обеззараживания воды при помощи озона и фильтрационных мембран и может быть использовано при очистке и обеззараживании воды из грязных вод классом качества 5 (с индексом загрязнения от 4,0 до 6,0), из загрязненных вод классом качества воды 4 (с индексом загрязнения от 2,0 до 4,0) и умеренно загрязненных вод классом качества воды 3 (с индексом загрязнения от 1,0 до 2,0).
Известно, что озон обладает высокими окислительными свойствами и способностью эффективно разрушать различные неорганические и органические соединения, а также патогенные микроорганизмы, в том числе стойкие к действию других окислителей.
Озонирование является незаменимым способом обеззараживания воды. Так, при озонировании у воды исчезает неприятный вкус и запах, повышается прозрачность и возрастает содержание растворенного кислорода, а разложение остаточного озона протекает быстро с выделением кислорода, но без образования токсичных соединений. Доза озона, необходимая для обеззараживания воды, зависит от содержания в воде органических и неорганических примесей, от температуры воды, а также от величины рН. Продолжительность контакта озоно-воздушной смеси с обрабатываемой водой колеблется от 5 до 25 мин в зависимости от типа установок, их производительности и степени загрязнения воды. При этом обработка воды избыточным количеством озона не влечет за собой никаких нежелательных явлений. Избыточный озон, будучи нестойким, превращается в кислород в течение нескольких минут.
Современные керамические мембраны характеризуются высокой производительностью и селективностью, способны улавливать примеси субмикронных (на уровне коллоидов) размеров, при этом стабильно работоспособны при длительной эксплуатации в водных средах со сверхкритической концентрацией озона. Использование сверхкритических концентраций озона является совершенно необходимым для качественной очистки грязных вод классом качества 5 (с индексом загрязнения от 4,0 до 6,0).
Известна установка для очистки воды, содержащая реакционную камеру озона, подключенную выходом к установке аэрации воздухом очищаемой воды, которая выходом подключена к биологическому фильтру, а последний выходом подключен к ультрафильтрационному устройству, которое выходом очищенной воды подключено к фильтровальному устройству обратного осмоса (см. патент JP №7-185546, кл. C02F 1/44, опубл. 25.07.1995).
Работает установка следующим образом. Вторично очищенная вода поступает в реакционную камеру озона, где подвергается биологической очистке, т.е. аэрируется озоном. Трудно разлагаемые загрязняющие вещества денатурируют до легко разлагаемых веществ, чтобы обеспечить биологическую очистку. Затем вторично очищенная вода аэрируется воздухом в емкости биологического фильтра, и загрязняющие вещества, которые еще более легко разлагаются, разлагаются аэробными микроорганизмами в емкости для очистки. После этого очищенная вода направляется в устройство ультрафильтрации. Вода фильтруется через ультрафильтрационные мембраны в устройстве ультрафильтрации, а затем последовательно фильтруется обратноосмотическими мембранами фильтрующего устройства обратного осмоса.
Однако, данная установка не обеспечивает возможность увеличения глубины очистки воды, поскольку озоновое окисление воды выполняется только в одну (первичную) стадию и только в одной реакционной камере, что также сужает область использования такой установки.
Известна «Установка очистки и обеззараживания воды» (см. патент РФ №2668036, кл. C02F 1/44, опубл. 25.09.2018). Установка содержит фильтр предварительной очистки воды, подключенный входом к источнику исходной воды, а выходом - к контактной емкости, к которой подключен источник озона. Контактная емкость своим выходом обработанной озоном воды сообщена с ультрафильтрационным модулем, а выходом очищенной воды ультрафильтрационный модуль сообщен с модулем обратного осмоса. Контактная емкость снабжена насосом подачи обработанной озоном воды и подключена к источнику озона через эжектор, который сообщен с источником озона входом в его камеру смешения. Далее, ультрафильтрационный модуль подключен входом к выходу насоса подачи обработанной озоном воды посредством трубопровода, на котором последовательно по ходу обработанной озоном воды установлены обратный клапан и регулировочный клапан. Полость ультрафильтрационного модуля перед ультрафильтрационной мембраной через сбросной кран сообщена с канализацией, а полость после ультрафильтрационной мембраны подключена через второй обратный клапан и регулятор соотношения обессоленной и не обессоленной воды к накопительной емкости, и через угольный фильтр и перепускной кран - к входу насоса подачи очищенной воды, выход которого подключен к модулю обратного осмоса.
Указанная по патенту РФ №2668036 установка также не обеспечивает возможность увеличения глубины очистки воды, поскольку озоновое окисление воды выполняется в одну стадию и только в одной контактной емкости с помощью единственного представленного на схеме эжектора.
По своей технической сущности наиболее близкой к заявляемому техническому решению является установка, раскрытая в патенте на полезную модель РФ №87421, кл. C02F 1/00, опубликованном 10.10.2009, содержащая контактную емкость, эжектор для создания пузырьков газа, генератор озона, насос, фильтрационный мембранный модуль и резервуар для чистой воды.
3
Однако, отсутствие деструктора озона, предусматривающего разложение остаточного озона, не вступившего в реакцию окисления, является существенным недостатком данной установки, поскольку озон является веществом первого класса опасности (допустимая норма содержания озона в окружающем воздухе составляет 0,01 мг/м), и его выброс в воздух рабочей зоны просто недопустим.
Кроме того, несмотря на то, что в установке предусмотрена возможность увеличения времени контакта очищаемой воды с озоном за счет введения рецикла подачи окисленной воды обратно в контактную емкость, использование части окисленной воды в рецикле неминуемо уменьшает объем подачи окисленной воды непосредственно в фильтрационный мембранный модуль. Следовательно, увеличение времени обработки озоном очищаемой воды невозможно без снижения производительности установки в целом.
Таким образом, установка, известная из патента РФ №87421, не обладает возможностью увеличения глубины очистки воды с возможностью получения на выходе очищенной воды требуемого качества, которое в ряде случаев (особенно, при очистке сточных вод, водопроводной воды, а также сильно загрязненных природных источников) требует значительного увеличения дозы озона и времени воздействия (окисления) озона на примеси на всех стадиях процесса очистки воды. Это, как и невозможность избежать снижения производительности установки, существенно сужает возможности использования данной установки.
Технической проблемой является расширение возможностей использования установки для очистки и обеззараживания воды из грязных вод классом качества 5 (с индексом загрязнения от 4,0 до 6,0). Технический результат заключается в том, что увеличивается глубина очистки водных сред с возможностью получения на выходе чистой воды классом 2 (с индексом загрязнения от 0,2 до 1,0) при очистке грязных вод классом качества 5 (с индексом загрязнения от 4,0 до 6,0) и чистой воды классом 1 (с индексом загрязнения до 0,2) при очистке умеренно загрязненных вод классом качества воды 3 (с индексом загрязнения от 1,0 до 2,0).
Указанная проблема решается, а технический результат достигается за счет того, что фильтрационная озоно-мембранная установка очистки и обеззараживания воды содержит контактную емкость для первичного озонирования воды, снабженную газожидкостным эжектором, который соединен с генератором озона, причем контактная емкость для первичного озонирования воды в верхней части снабжена деструктором остаточного озона, а в нижней части соединена непосредственно с выходом газожидкостного эжектора, при этом контактная емкость для первичного озонирования воды через насос подачи первично окисленной воды связана со входом блока вторичного озонирования воды, выполненным в виде двух параллельно установленных контактных емкостей вторичного озонирования воды, каждая из которых в нижней части снабжена собственным газо-жидкостным эжектором, соединенным с генератором озона, так, что выход газо-жидкостного эжектора непосредственно соединен с нижней частью контактной емкости вторичного озонирования, при этом выход блока вторичного озонирования воды связан с вертикально установленным фильтрационным мембранным модулем, в котором размещены трубчатые керамические мембраны, причем фильтрационный мембранный модуль в нижней части снабжен собственным газо-жидкостным эжектором, соединенным с генератором озона, так, что выход газожидкостного эжектора непосредственно соединен с нижней частью фильтрационного мембранного модуля, а в верхней части фильтрационный мембранный модуль снабжен штуцером для отвода фильтрата, поступающего посредством трубопровода в емкость фильтрата.
Контактная емкость для первичного озонирования воды снабжена двухуровневым датчиком жидкости.
Кроме того, каждая контактная емкость вторичного озонирования воды снабжена двухуровневым датчиком жидкости.
Фильтрационная озоно-мембранная установка также снабжена блоком автоматического управления.
Таким образом, совокупность существенных признаков предлагаемого изобретения обеспечивает получение указанного выше технического результата.
Заявленное изобретение проиллюстрировано на чертеже, где показана гидродинамическая блок-схема предлагаемой установки для очистки и обеззараживания воды, при этом позициями на чертеже обозначены:
1 - поток исходной воды;
2 - первый насос;
3 - первый электромагнитный клапан;
4 - первый датчик давления;
5 - газо-жидкостной эжектор контактной емкости;
6 - контактная емкость первичного озонирования воды;
7 - первый датчик уровня;
8 - деструктор остаточного озона;
9 - насос подачи первично окисленной воды;
10 - второй электромагнитный клапан;
11 - третий электромагнитный клапан;
12 - второй датчик давления;
13 - третий датчик давления;
14 - эжектор первой емкости вторичного озонирования воды;
15 - эжектор второй емкости вторичного озонирования воды;
16 - первая емкость вторичного озонирования воды;
17 - второй датчик уровня;
18 - вторая емкость вторичного озонирования воды;
19 - третий датчик уровня;
20 - четвертый электромагнитный клапан;
21 - пятый электромагнитный клапан;
22 - второй насос;
23 - четвертый датчик давления;
24 - четвертый эжектор;
24 - газо-жидкостный эжектор фильтрационного мембранного модуля;
25 - фильтрационный мембранный модуль;
26 - фильтрационная мембрана;
27 - уплотнение;
28 - поток, выходящий из четвертого эжектора;
29 - вход канала фильтрационной мембраны;
30 - поток фильтрата;
31 - штуцер для отвода фильтрата;
32 - пятый датчик давления;
33 - шестой электромагнитный клапан;
34 - расходомер фильтрата;
35 - верхний штуцер емкости фильтрата;
36 - емкость фильтрата;
37 - четвертый датчик уровня;
38 - нижний штуцер емкости фильтрата;
39 - ретентатный штуцер мембранного модуля;
40 - поток ретентата;
41 - шестой датчик давления;
42 - седьмой электромагнитный клапан;
43 - восьмой электромагнитный клапан;
44 - регенерационный поток;
45 -регенерационный штуцер емкости фильтрата;
46 - насос регенерации;
47 - девятый электромагнитный клапан;
48 - седьмой датчик давления;
49 - входной регенерационный штуцер мембранного модуля;
50 - отработанный регенерационный поток;
51 - выходной регенерационный штуцер мембранного модуля;
52 - восьмой датчик давления;
53 - десятый электромагнитный клапан.
Предлагаемая установка для очистки и обеззараживания воды работает следующим образом.
Поток исходной воды 1, подлежащий очистке, поступает при помощи первого насоса 2 на вход первого электромагнитного клапана 3. Открывается первый электромагнитный клапан 3, и поток исходной воды 1, пройдя первый датчик давления 4, позволяющий контролировать давление потока исходной воды 1, поступает на вход газо-жидкостного эжектора 5 контактной емкости первичного озонирования воды 6.
Одновременно с подачей исходной воды на вход газо-жидкостного эжектора 5 генератор озона (на схеме генератор не показан) начинает подавать озон также на вход газо-жидкостного эжектора 5 контактной емкости первичного озонирования воды. Полученная в газо-жидкостном эжекторе 5 газо-жидкостная смесь поступает через его выход в контактную емкость первичного озонирования воды 6. При этом контактная емкость первичного озонирования воды 6 своей нижней частью соединена непосредственно с выходом газо-жидкостного эжектора 5. Наполнение контактной емкости первичного озонирования 6 сопровождается первичным озоновым окислением содержащихся в потоке исходной воды примесей с образованием их дисперсных нерастворимых фаз.
Уровень жидкости в контактной емкости первичного озонирования воды 6 контролируется первым датчиком уровня 7, имеющим, в свою очередь, также два уровня: максимальный и минимальный. При достижении заданного максимального уровня в контактной емкости первичного озонирования воды 6 выключается первый насос 2 и закрывается первый электромагнитный клапан 3. Таким образом, поток исходной воды 1 перестает поступать в контактную емкость первичного озонирования воды 6. Первичное озоновое окисление может продолжаться от 15 до 45 минут. При этом исходный объем контактной емкости первичного озонирования воды 6 выбирают таким образом, чтобы в ней контакт с озоном был не менее 15 минут. Кроме того, выбор исходного объема контактной емкости зависит также от состава и степени загрязнения потока исходной воды.
В своей верхней части контактная емкость первичного озонирования воды 6 снабжена деструктором остаточного озона 8 для разложения остаточного озона, не вступившего в реакцию окисления. Установка деструктора остаточного озона 8 позволяет избежать попадания озона в окружающую атмосферу и его накопления в воздухе рабочей зоны, где непосредственно размещается установка. По окончании процесса первичного окисления включается насос подачи первично окисленной воды 9 и открывается второй электромагнитный клапан 10. При этом третий электромагнитный клапан 11 и седьмой электромагнитный клапан 42 закрыты.
Первично окисленная вода из контактной емкости первичного озонирования воды 6 подается насосом подачи первично окисленной воды 9 на вход блока вторичного озонирования воды, выполненным в виде двух параллельно установленных контактных емкостей вторичного озонирования воды, каждая из которых в нижней части снабжена собственным газо-жидкостным эжектором, соединенным с генератором озона (на чертеже не показано), так, что выход газо-жидкостного эжектора непосредственно соединен с нижней частью контактной емкости вторичного озонирования, при этом выход блока вторичного озонирования воды связан с вертикально установленным фильтрационным мембранным модулем.
Блок вторичного озонирования воды также включает второй электромагнитный клапан 10, третий электромагнитный клапан 11, второй датчик давления 12, третий датчик давления 13, газо-жидкостной эжектор первой емкости вторичного озонирования воды 14, газо-жидкостной эжектор второй емкости вторичного озонирования воды 15, первую емкость вторичного озонирования 16, второй датчик уровня 17, вторую емкость вторичного озонирования воды 18, третий датчик уровня 19, четвертый электромагнитный клапан 20, пятый электромагнитный клапан 21, а также второй насос 22.
Первично окисленная вода, пройдя второй электромагнитный клапан 10 и второй датчик давления 12, позволяющий контролировать давление первично окисленной воды, поступает на газо-жидкостной эжектор первой емкости вторичного озонирования 14, где первично окисленная вода смешивается с потоком озона, поступающим туда от генератора озона (на чертеже генератор озона не показан). Полученная смесь мелкодисперсных пузырьков озона с первично окисленной водой из газо-жидкостного эжектора первой емкости вторичного озонирования 14 поступает на вход первой емкости вторичного озонирования 16. При этом выход газо-жидкостного эжектора первой емкости вторичного озонирования 14 непосредственно соединен с нижней частью первой емкости вторичного озонирования 16. В момент начала заполнения жидкостью первой емкости вторичного озонирования 16 четвертый электромагнитный клапан 20 закрыт. Уровень жидкости в первой емкости вторичного озонирования 16 контролируется вторым датчиком уровня 17, имеющим два уровня: максимальный и минимальный.
В процессе заполнения первой емкости вторичного озонирования 16 первично окисленная вода подвергается вторичному окислению озоном. После завершения перекачивания всего объема первично окисленной воды из контактной емкости первичного озонирования воды 6 в первую емкость вторичного озонирования воды 16 насос подачи первично окисленной воды 9 отключается. Закрывается второй электромагнитный клапан 10. Таким образом, первично окисленная вода перестает поступать в первую емкость вторичного озонирования 16.
Одновременно с закрытием второго электромагнитного клапана 10 открывается четвертый электромагнитный клапан 20 и включается второй насос 22, соединенный своим входом с выходом четвертого электромагнитного клапана 20. Одновременно с этим открывается седьмой электромагнитный клапан 42. При этом девятый электромагнитный клапан 47 и десятый электромагнитный клапан 53 закрыты, а насос регенерации 46 выключен. Вторично окисленная вода из первой емкости вторичного озонирования 16 поступает на вход четвертого электромагнитного клапана 20, а из его выхода - на вход второго насоса 22. Пройдя четвертый датчик давления 23, контролирующий давление вторично окисленной воды, вторично окисленная вода поступает на вход газо-жидкостного эжектора фильтрационного мембранного модуля 24.
В газо-жидкостном эжекторе фильтрационного мембранного модуля 24 смешиваются два потока: поток вторично окисленной воды, подаваемый вторым насосом 22, и поток озона, подаваемый генератором озона (на схеме генератор не показан). Таким образом, в газо-жидкостном эжекторе фильтрационного мембранного модуля 24 происходит образование смеси мелкодисперсных пузырьков озона со вторично окисленной водой. При этом выход газо-жидкостного эжектора фильтрационного мембранного модуля 24 непосредственно соединен с нижней частью фильтрационного мембранного модуля 25, который установлен вертикально и в котором размещены фильтрационные мембраны 26, причем фильтрационный мембранный модуль 25 в нижней части снабжен собственным газо-жидкостным эжектором 24, соединенным с генератором озона, так, что выход газо-жидкостного эжектора 24 непосредственно соединен с нижней частью фильтрационного мембранного модуля 25.
В корпусе фильтрационного мембранного модуля 25 размещены фильтрационные мембраны 26 трубчатой формы из керамического материала. На чертеже показана только одна из таких мембран, включающая в себя сквозной канал для прохождения потока жидкости. При этом все фильтрационные мембраны включают в себя сквозные каналы для прохождения потока жидкости. На чертеже вход в один из таких каналов обозначен позицией 29.
3
Здесь следует отметить, что для очистки водных сред, особенно сильнозагрязненных водных сред (в условиях использования сильного окислителя - озона), необходимо использовать именно фильтрационные керамические мембраны с минимально допустимым порогом удержания на уровне 0,01 мкм, а также с минимально допустимым его разбросом не более 30%, стабильно работающие в течение длительного срока в водной среде с концентрацией озона от 60 до 120 г/м. Поэтому фильтрационные мембраны могут быть изготовлены, например, на основе электрокорунда (α-оксида алюминия) и/или диоксида титана (анатазной или рутильной модификаций), и/или диоксида циркония.
На фильтрационной мембране осуществляется задержание частиц окислов примесей с размерами на уровне коллоидных частиц. Внутри корпуса фильтрационного мембранного модуля 25 расположено уплотнение 27, которое контактирует с фильтрационными мембранами в нижней и верхней частях таким образом, что исключается возможность смешения потока фильтрата 30, выходящего из фильтрационного мембранного модуля 25, и входящего в фильтрационный мембранный модуль 25 потока из газо-жидкостного эжектора фильтрационного мембранного модуля 24. Таким образом, в фильтрационном мембранном модуле 25 происходит дополнительное озоновое окисление вторично окисленной воды, поступающей из первой емкости вторичного озонирования воды 16. При этом дополнительное озоновое окисление совмещено в одном процессе с мембранной фильтрацией через фильтрационные мембраны, что позволяет увеличить глубину очистки исходных сильно загрязненных вод и повысить производительность установки.
Поток 28, выходящий непосредственно из газо-жидкостного эжектора фильтрационного мембранного модуля 24 и состоящий из смеси вторично окисленной воды и мелкодисперсных пузырьков озона, подается непосредственно на вход 29 канала фильтрационной мембраны по всему поперечному сечению этого канала.
Внутри канала фильтрационной мембраны поток 28 разделяется на части таким образом, что одна часть этого потока подается на мембранную фильтрацию, фильтруется через фильтрационную мембрану 26 в тангенциальном режиме и поступает в пространство между внешней поверхностью фильтрационной мембраны 26 и внутренней поверхностью корпуса фильтрационного мембранного модуля 25. При этом в верхней части фильтрационный мембранный модуль 25 снабжен штуцером для отвода фильтрата 31, поступающего посредством трубопровода в емкость фильтрата 36. Собирающийся в пространстве между внешней поверхностью фильтрационной мембраны 26 и внутренней поверхностью корпуса фильтрационного мембранного модуля 25 поток фильтрата 30, прошедший дополнительное озоновое окисление и мембранную фильтрацию, поступает через штуцер для отвода фильтрата 31 по трубопроводу в емкость фильтрата 36, пройдя сначала пятый датчик давления 32, который совместно с четвертым датчиком давления 23 контролирует перепад давления фильтрации на фильтрационной мембране 26, а затем шестой электромагнитный клапан 33, после чего поток фильтрата 30 через открытый шестой электромагнитный клапан 33 подается на вход расходомера фильтрата 34. Поток фильтрата 30, пройдя расходомер фильтрата 34, поступает через верхний штуцер 35 емкости фильтрата в саму емкость фильтрата 36. Уровень фильтрата в емкости фильтрата 36 контролируется четвертым датчиком уровня 37, представляющим собой двухуровневый датчик, который определяет максимальный и минимальный уровни в емкости фильтрата 36. При превышении максимального уровня фильтрата в емкости фильтрата 36 работа всей установки автоматически останавливается. Снижение уровня фильтрата в емкости фильтрата 36 происходит за счет потребления фильтрата, выводимого через нижний штуцер 38 емкости фильтрата 36. Возобновление работы установки происходит в тот момент, когда текущий уровень фильтрата достигнет минимального уровня в емкости фильтрата 36.
Другая же часть потока 28, не прошедшая мембранную фильтрацию, продолжает линейное движение вверх по каналу фильтрационной мембраны, дополнительно окисляясь озоном, который поступает туда через газо-жидкостной эжектор фильтрационного мембранного модуля 24. При этом поток при движении вверх уносит за собой некоторое количество примесей, которые успели осесть на внутренней поверхности фильтрационной мембраны 26 за счет фильтрации через нее части потока 28. Как показали эксперименты, уменьшение толщины нарастающего осадка на внутренней поверхности фильтрационной мембраны 26 приводит к повышению скорости фильтрации.
Далее, не прошедшая мембранную фильтрацию и несущая частицы окислов и примесей часть потока 28 выводится из канала фильтрационной мембраны через ретентатный штуцер 39 фильтрационного мембранного модуля 25, образуя тем самым поток ретентата 40. Далее, поток ретентата 40 поступает на вход открытого седьмого электромагнитного клапана 42, пройдя шестой датчик давления 41, который совместно с четвертым датчиком давления 23 контролирует перепад давления по длине фильтрационной мембраны 26. При этом восьмой электромагнитный клапан 43 закрыт. Пройдя седьмой электромагнитный клапан 42, поток ретентата 40 направляется на вход газо-жидкостного эжектора первой емкости вторичного озонирования 14, куда по-прежнему продолжает подаваться озон из генератора озона (на схеме генератор озона не показан). Полученная таким образом в газо-жидкостном эжекторе первой емкости вторичного озонирования 14 смесь, состоящая из потока ретентата 40, несущего частицы окислов и примесей, и мелкодисперсных пузырьков озона, поступает в первую емкость вторичного озонирования 16. Следовательно, замыкается первый контур обработки жидкости. Далее, в первой емкости вторичного озонирования 16 происходит озоновое окисление полученной смеси, после чего окисленная смесь через открытый четвертый электромагнитный клапан 20 вторым насосом 22 направляется на вход газо-жидкостного эжектора фильтрационного мембранного модуля 24, а из него на вход 29 канала фильтрационной мембраны. В фильтрационном мембранном модуле 25 снова выполняется процесс озоно-мембранной фильтрации, сопровождающийся наработкой потока фильтрата 30 с последующим его накоплением в емкости фильтрата 36.
Таким образом, установка выполняет периодически повторяющийся циклический процесс очистки первоначально набранного объема исходной воды, который был подвергнут первичному окислению в контактной емкости первичного озонирования воды 6 и затем был перекачан в первую емкость вторичного озонирования 16.
Циклический процесс очистки жидкости по первому контуру продолжается до снижения минимального уровня жидкости в первой емкости вторичного озонирования 16. При достижении минимального уровня в первой емкости вторичного озонирования 16 установка автоматически переключается на выполнение аналогичного периодически повторяющегося циклического процесса очистки, но уже по второму замкнутому контуру. Наличие в установке второго замкнутого контура обработки жидкости обеспечивает непрерывность получения потока фильтрата 30.
Переключение установки с первого замкнутого контура на второй замкнутый контур осуществляется следующим образом.
После завершения перекачивания всего объема первично окисленной воды из контактной емкости первичного озонирования воды 6 в первую емкость вторичного озонирования 16 и закрытия второго электромагнитного клапана 10, автоматически выполняется повторное включение первого насоса 2 и открытие первого электромагнитного клапана 3 для набора второй порции объема исходной воды 1 в контактную емкость первичного озонирования воды 6. Одновременно с этим происходит поступление озона в газо-жидкостной эжектор контактной емкости 5. Наполнение контактной емкости первичного озонирования воды 6 сопровождается первичным озоновым окислением, но уже второго объема исходной воды. После окончания набора второго объема исходной воды первый насос 2 автоматически выключается, первый электромагнитный клапан 3 закрывается.
По окончании процесса первичного окисления второго набранного объема начинается его перекачивание во вторую емкость вторичного озонирования 18 следующим образом. Автоматически включается насос подачи первично окисленной воды 9 и открывается третий электромагнитный клапан 11. При этом второй электромагнитный клапан 10 и восьмой электромагнитный клапан 43 закрыты. Первично окисленная вода из контактной емкости первичного озонирования воды 6 подается насосом первично окисленной воды 9 на вход блока вторичного озонирования воды. Поток первично окисленной воды, пройдя через третий электромагнитный клапан 11 и далее через третий датчик давления 13, позволяющий контролировать давление первично окисленной воды, поступает на вход газо-жидкостного эжектора второй емкости вторичного озонирования 15.
В газо-жидкостном эжекторе второй емкости вторичного озонирования 15 первично окисленная вода смешивается с потоком озона, поступающим туда от генератора озона (на схеме генератор не показан). Полученная смесь мелкодисперсных пузырьков озона с первично окисленной водой из газо-жидкостного эжектора второй емкости вторичного озонирования 15 поступает на вход второй емкости вторичного озонирования 18. При этом выход газо-жидкостного эжектора второй емкости вторичного озонирования 15 непосредственно соединен с нижней частью второй емкости вторичного озонирования 18. В момент начала заполнения жидкостью второй емкости вторичного озонирования 18 пятый электромагнитный клапан 21 закрыт.Уровень жидкости во второй емкости вторичного озонирования 18 контролируется третьим датчиком уровня 19, имеющим два уровня: максимальный и минимальный.
В процессе заполнения второй емкости вторичного озонирования 18 первично окисленная вода подвергается вторичному окислению озоном. После завершения перекачивания второго объема первично окисленной воды из контактной емкости первичного озонирования воды 6 во вторую емкость вторичного озонирования 18 насос подачи первично окисленной воды 9 автоматически отключается, закрывается третий электромагнитный клапан 11. К этому моменту времени уровень в первой емкости вторичного озонирования 16 достигает минимального значения, и установка автоматически переключается на работу по второму замкнутому контуру. Для осуществления перехода на второй замкнутый контур автоматически открывается пятый электромагнитный клапан 21, включается, соединенный с его выходом, второй насос 22. Одновременно с этим открывается восьмой электромагнитный клапан 43. При этом девятый электромагнитный клапан 47 и десятый электромагнитный клапан 53 закрыты, а насос регенерации 46 выключен.
Вторично окисленная вода из второй емкости вторичного озонирования 18 поступает на вход пятого электромагнитного клапана 21, а из его выхода - на вход второго насоса 22. Пройдя четвертый датчик давления 23, контролирующий давление вторично окисленной воды, вторично окисленная вода поступает на вход газо-жидкостного эжектора фильтрационного мембранного модуля 24. В газо-жидкостном эжекторе фильтрационного мембранного модуля 24 смешиваются два потока: поток вторично окисленной воды, подаваемой из второй емкости вторичного озонирования 18 вторым насосом 22, и поток озона, подаваемый генератором озона (на чертеже генератор не показан), с образованием смеси мелкодисперсных пузырьков озона с вторично окисленной водой.
Далее, полученная в газо-жидкостном эжекторе фильтрационного мембранного модуля 24 водяная смесь поступает в мембранный модуль, где происходит дополнительное озоновое окисление, которое совмещено в одном процессе с мембранной фильтрацией через фильтрационную мембрану 26, что позволяет увеличить глубину очистки исходных сильно загрязненных вод и повысить производительность установки.
Поток 28, выходящий непосредственно из газо-жидкостного эжектора фильтрационного мембранного модуля 24 и состоящий из смеси вторично окисленной воды и мелкодисперсных пузырьков озона, подается непосредственно на вход 29 канала фильтрационной мембраны по всему поперечному сечению этого канала.
Внутри канала фильтрационной мембраны поток 28 разделяется на части таким образом, что одна часть этого потока подается на мембранную фильтрацию, фильтруется через фильтрационную мембрану 26 в тангенциальном режиме и поступает в пространство между внешней поверхностью фильтрационной мембраны 26 и внутренней поверхностью корпуса фильтрационного мембранного модуля 25. Собирающийся в этом пространстве поток фильтрата 30, прошедший дополнительное озоновое окисление и мембранную фильтрацию, поступает через штуцер отвода фильтрата 31 по трубопроводу в емкость фильтрата 36, пройдя сначала пятый датчик давления 32, который совместно с четвертым датчиком давления 23 контролирует перепад давления фильтрации на фильтрационной мембране 26, а затем шестой электромагнитный клапан 33, после чего поток фильтрата 30 через открытый шестой электромагнитный клапан 33 подается на вход расходомера фильтрата 34. Поток фильтрата 30, пройдя расходомер фильтрата 34, поступает через верхний штуцер 35 емкости фильтрата в саму емкость фильтрата 36. Уровень фильтрата в емкости фильтрата 36 контролируется четвертым датчиком уровня 37. При превышении максимального уровня фильтрата в емкости фильтрата 36 работа всей установки автоматически останавливается. Снижение уровня фильтрата в емкости фильтрата 36 происходит за счет потребления фильтрата, выводимого через нижний штуцер 38 емкости фильтрата 36. Возобновление работы установки происходит в тот момент, когда текущий уровень фильтрата достигнет минимального уровня в емкости фильтрата 36.
Другая же часть потока 28, не прошедшая мембранную фильтрацию, продолжает линейное движение вверх по каналу фильтрационной мембраны 26, дополнительно окисляясь озоном, который поступает туда через газо-жидкостной эжектор 24 фильтрационного мембранного модуля. При этом поток при движении вверх уносит за собой некоторое количество примесей, которые успели осесть на внутренней поверхности фильтрационной мембраны 26 за счет фильтрации через нее части потока 28. Как показали эксперименты, уменьшение толщины нарастающего осадка на внутренней поверхности фильтрационной мембраны 26 приводит к повышению скорости фильтрации.
Далее, не прошедшая мембранную фильтрацию и несущая частицы окислов примесей часть потока 28 выводится из канала фильтрационной мембраны через ретентатный штуцер 39 фильтрационного мембранного модуля 25, образуя, тем самым, поток ретентата 40. Поток ретентата 40 поступает на вход открытого восьмого электромагнитного клапана 43, пройдя шестой датчик давления 41, который совместно с четвертым датчиком давления 23 контролирует перепад давления по длине фильтрационной мембраны 26. При этом седьмой электромагнитный клапан 42 закрыт.Пройдя восьмой электромагнитный клапан 43, поток ретентата 40 направляется на вход газо-жидкостного эжектора второй емкости вторичного озонирования 15, куда по-прежнему продолжает подаваться озон из генератора озона (на чертеже генератор озона не показан). Полученна таким образом в газо-жидкостном эжекторе второй емкости вторичного озонирования 15 смесь, состоящая из потока ретентата 40, несущего частицы окислов примесей, и мелкодисперсных пузырьков озона, поступает во вторую емкость вторичного озонирования 18. Следовательно, замыкается второй контур обработки жидкости.
Далее, во второй емкости вторичного озонирования 18 происходит озоновое окисление поступающей в нее указанной смеси, после чего окисленная смесь через открытый пятый электромагнитный клапан 21 вторым насосом 22 направляется на вход газо-жидкостного эжектора фильтрационного мембранного модуля 24, а из него на вход 29 канала фильтрационной мембраны мембранного модуля 25. В фильтрационном мембранном модуле 25 снова выполняется процесс озоно-мембранной фильтрации, сопровождающийся наработкой потока фильтрата 30 с последующим его накоплением в емкости фильтрата 36.
Таким образом, установка выполняет периодически повторяющийся циклический процесс очистки второго набранного объема исходной воды, который был подвергнут первичному окислению в контактной емкости первичного озонирования воды 6 и затем был перекачан во вторую емкость вторичного озонирования 18.
Циклический процесс очистки жидкости по второму контуру продолжается до снижения минимального уровня жидкости во второй емкости вторичного озонирования 18. При достижении минимального уровня во второй емкости вторичного озонирования 18 установка автоматически переключается на выполнение аналогичного периодически повторяющегося циклического процесса очистки, но уже по первому контуру. Тем самым достигается непрерывность процесса получения фильтрата.
Часть примесей, задержанная поверхностью фильтрационной мембраны 26 и не снятая входящим потоком 28 при его прямолинейном движении по каналу фильтрационной мембраны 26 значительно уменьшает скорость мембранной фильтрации. Поэтому необходимо периодически смывать этот осадок для поддержания на постоянном уровне скорости фильтрации. Для этого в автоматическом режиме проводится периодическая регенерация фильтрационной мембраны 26.
Регенерация производится регенерационным потоком 44, в качестве которого выступает небольшой объем фильтрата, забираемый из емкости фильтрата 36 через регенерационный штуцер 45 емкости фильтрата. При этом регенерационный штуцер 45 емкости фильтрата соединен с входом насоса регенерации 46. Регенерация фильтрационного мембранного модуля 25 производится периодическим включением насоса регенерации 46, при котором открывается девятый электромагнитный клапан 47. Регенерационный поток 44 направляется из насоса регенерации 46, пройдя седьмой датчик давления 48, на входной регенерационный штуцер 49 фильтрационного мембранного модуля 25. Через этот штуцер регенерационный поток 44 вводится в фильтрационный мембранный модуль 25 противотоком по отношению к направлению движения потока фильтрата 30, прошедшего озоно-мембранную фильтрацию.
Регенерационный поток 44 смывает и захватывает окислы примесей с поверхности канала фильтрационной мембраны 26. На выходе из канала фильтрационной мембраны 26 образуется отработанный регенерационный поток 50, содержащий смытые с фильтрационной мембраны 26 примеси. Отработанный регенерационный поток 50 выводится из фильтрационного мембранного модуля 25 через выходной регенерационный штуцер 51 фильтрационного мембранного модуля 25, соединенный с восьмым датчиком давления 52. Восьмой датчик давления 52 совместно с седьмым датчиком давления 48 контролируют перепад давления на фильтрационной мембране 26 при ее регенерации. Далее отработанный регенерационный поток 50 через открытый десятый электромагнитный клапан 53 выводится из установки.
При выполнении регенерации второй насос 22 выключен; четвертый электромагнитный клапан 20 или пятый электромагнитный клапан 21 закрыты. После окончания регенерации насос регенерации 46 выключается, девятый электромагнитный клапан 47 и десятый электромагнитный клапан 53 закрываются. Далее установка продолжает выполнять прерванный регенерацией циклический процесс очистки. Включается второй насос 22, открывается (в зависимости от используемого до прерывания регенерацией процесса очистки по первому замкнутого контура или второму замкнутого контура) или четвертый электромагнитный клапан 20 или пятый электромагнитный клапан 21. Автоматическим управлением установкой можно регулировать требующиеся для каждого вида очищаемой воды и степени ее загрязнения соотношения времен регенерации и фильтрации.
Все временные точки включения/выключения (открытия/закрытия) всех задействованных в процессе механизмов, узлов и частей установки синхронизируются в процессе циклического повторения описанных выше непрерывно повторяющихся рециклов, т.е. достигается непрерывность в работе установки в целом.
Были проведены испытания предлагаемой фильтрационной озоно-мембранной установки. Результаты выполненных испытаний, достигаемого класса качества воды и их сравнение с прототипом представлены в Таблицах 1 и 2 (для очистки и обеззараживания грязной воды классом качества 5 (для составов 1 и 2)) и в Таблице 3(для очистки и обеззараживания умеренно загрязненной воды классом качества 3 для состава 4).