СПОСОБ ОЧИСТКИ ВОДЫ ОТ ПРИМЕСЕЙ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ
METHOD OF REMOVING IMPURITIES FROM WATER AND APPARATUS FOR REALISING SAID METHOD

Область техники
Изобретение относится области очистки природных вод, различных сточных вод и может быть использовано для доочистки и обеззараживания водопроводной воды.
Предшествующий уровень
5
Известен аэратор (Патент RU 2021979, опубл. 30.10.1994 г., МПК C02F 3/12, C02F 3/16). Аэратор снабжен специальным водозаборным устройством в виде установленного коаксиально цельному валу кожуха в форме обратного усеченного конуса с расположенными на его верхнем большем основании тангенциальными водоприемными отверстиями для закручивания потока в кожухе. Ротор аэратора снабжен дугообразными лопастями, а также лопатками и имеет свободно вращающийся кольцевой ротор для создания гидродинамического удара и дробления пузырьков воздуха в режиме усиленной кавитации. При работе аэратора внутри кожуха образуются устойчивая воздушная воронка по оси потока и закрученный по поверхности кожуха поток воды из верхних слоев, что обеспечивает повышение степени насыщения воды воздухом, увеличение производительности, а также ресурса аэратора.
Недостатком этого устройства является недостаточно высокая степень насыщения воды кислородом. Данный аэратор не позволяет произвести безреагентную очистку воды и различных сточных вод,
7
Известен способ и устройство для кавитационной очистки воды от примесей (WO 2005082786, опубл. 09.09.2005 г., МПК C02F 1/3). Вода, подлежащая очистке от посторонних веществ, непрерывно проходит через линию, в которой установлено приспособление для сужения потока. При движении воды через подобное приспособление происходит увеличение ее скорости и снижение давления, что приводит к кавитации, поддерживаемой в управляемом режиме. Процесс кавитации вызывает разложение присутствующих в воде примесей с образованием менее вредных соединений. Очистка воды осуществляется без ее облучения и использования дополнительных источников энергии.
Недостатком данного способа и устройства является то, что кавитацию сложно провести в управляемом режиме и соответственно не достигается достаточная степень очистки водных сред от вредных соединений.
Известен способ обработки воды путем воздействия на нее воздухом и может найти применение как при очистке воды питьевого и хозяйственного назначения, так и при очистке сточных вод. Способ обработки воды включает ее аэрацию посредством эжекции воздуха водой и ее кавитацию. Для кавитации воды ее поток распыляют из форсунки под перепадом давления не менее 2 ати, а для ее аэрации эжектируемый воздух в распыленную воду подают после ее кавитации, после чего воду сепарируют от газообразных и твердых включений. Технический результат: эффективная очистка и обеззараживание воды без применения химических реагентов (Патент RU 2272791, опубл. 27.03.2006 г., МПК B01F 5/02).
Недостатком способа является сложная в техническом обслуживании установка очистки воды и сточных вод.
7
Для повышения эффективности кавитационной обработки потока жидкой среды предложен способ обработки потока жидкой среды в кавитационном реакторе (Патент RU 2254913, опубл. 27.06.2005 г., МПК B01J 19/10), в котором поток среды с заданной скоростью пропускают через кавитационный реактор, в котором устанавливают стоячую акустическую волну, вызывающую возникновение кавитации. В одной из плоскостей, параллельной колебательным смещениям частиц жидкой среды в акустической волне, поток ограничивают плоской диафрагмой. Внутри сечения, ограничивающего поток, плотность средней по времени потенциальной энергии кавитации устанавливают не меньшей, чем ее среднее по объему реактора значение в отсутствие диафрагмы.
Недостатком данного способа является недостаточно высокая степень очистки воды.
Для увеличения степени очистки воды без использования реагентов предлагается использование закрученного потока с использованием различных установок.
6
Наиболее близким решением к заявляемому является способ очистки воды от железа и устройство. Способ включает подачу очищаемой воды в устройство для очистки, организацию закрученного водного потока, подачу по оси последнего атмосферного воздуха, обеспечивая насыщение воды кислородом, и раздельные выводы из устройства очищенной воды и нерастворимых примесей. Закрученный поток, насыщенный кислородом, тангенциально подают в цилиндрическую емкость, закручивая его с осью, ортогональной оси подаваемого закрученного потока, образовавшиеся в потоке нерастворимые примеси, концентрирующиеся по периферии, выводят в ловушку, а основной поток дополнительно пропускают через фильтрующий элемент перед выводом из устройства (Заявка RU 96108537, опубл. 27.07.1998 г., МПК C02F 1/78).
Устройство для реализации данного способа включает цилиндрическую камеру смешивания потока очищаемой воды с воздухом, воздухоподающую трубу, входящую в геометрический центр торца камеры, ловушку для сбора нерастворимых примесей и раздельные выводы из устройства очищенной воды и нерастворимых примесей. Оно снабжено цилиндрической емкостью, в средней части которой помещен фильтрующий элемент, образующий в донной части коллектор очищенной воды с выводом ее из устройства, в геометрическом центре верхнего торца емкости установлен клапан для сброса отработанной воздуха, при этом емкость соединена с камерой патрубком, один конец которого соединен с геометрическим центром торца камеры, противоположного торцу с воздушной трубой, а в другой конец патрубка тангенциально введен через боковую поверхность емкости в верхнюю ее часть, свободную от фильтрующего элемента, при этом ловушка соединена с верхней частью емкости патрубком с запорным устройством через боковую ее поверхность.
Недостатком вышеописанных устройств является то, что скоростной закрученный поток быстро теряет свои свойства, в результате чего не хватает времени для превращения примесей в водном потоке в нерастворимый осадок, поэтому необходимо введение дополнительных фильтрующих элементов, что усложняет систему очистки потока.
Известно устройство для очистки воды от железа, включающее цилиндрическую камеру для организации закрученного потока, ловушку для сбора нерастворимых примесей, раздельные выводы для очищенной воды и нерастворимых примесей. Во входной части камеры установлен патрубок для ввода очищаемой воды, проходящей через завихритель в камеру, ловушка выполнена двухсекционной, причем первая секция выполнена в виде кольцевой цилиндрической емкости, охватывающей цилиндрическую камеру и сообщающуюся с ней с помощью, по меньшей мере, одного ряда осесимметричных отверстий, расположенных по периметру цилиндрической камеры в плоскости, перпендикулярной оси вращения потока, вторая секция выполнена в виде цилиндра, верхний торец которого служит дном цилиндрической камеры, на котором выполнены осесимметричные отверстия по диаметру, коаксиальному оси вращения потока, выводы для нерастворимых примесей расположены в нижней части обеих секций ловушки, а площадь осесимметричных отверстий во второй секции ловушки не превышает 20% площади поперечного сечения вывода для очищенной воды, при этом диаметр, на котором расположены осесимметричные отверстия второй секции ловушки, больше диаметра противоположного глухого торца цилиндрической камеры (Заявка RU 2006118625, опубл. 20.12.2007 г., МПК C02F 1/78).
Данное устройство обладает теми же недостатками, что и вышеописанное устройство.
Как видно из описанного выше в настоящее время существует потребность в разработке способов и устройств для безреагентной очистки воды с высокой степенью, позволяющих очищать различные сточные воды, а также очищать и обеззараживать питьевую воду, доочищать и обеззараживать водопроводную воду и проводить обработку природных вод.
Раскрытие изобретения
Задачей, решаемой настоящим изобретением, является разработка эффективного способа удаления примесей из водных растворов без введения реагентов, с высокой заданной степенью очистки воды, с одновременным сокращением длительности процесса очистки и разработка устройства для реализации способа.
Поставленная задача решается с помощью способа очистки воды от примесей, включающего подачу очищаемой воды в цилиндрическую камеру смешивания, организацию закрученного водного потока, подачу по оси камеры смешивания атмосферного воздуха для обеспечения насыщения воды кислородом и вывод из цилиндрической камеры смешивания воды и нерастворимых примесей. В цилиндрической камере смешивания организуют стоячую волну, для создания которой цилиндрическую камеру смешивания делят на верхнюю камеру массообмена и нижнюю камеру массообмена с помощью перегородки с коаксиальным отверстием относительно воздухоподающей трубы и перепускными каналами по периферии для подачи воздуха и перетока воды. Водный поток для очистки закручивают в нижней камере массообмена с заданной скоростью по периферии для создания разрежения вдоль центральной оси цилиндрической камеры смешивания, всасывания атмосферного воздуха и образования двух встречных водных потоков в нижней и верхней камерах массообмена, взаимодействующих между собой с образованием стоячей волны и одновременным насыщением водного потока кислородом. Образовавшиеся в водном потоке нерастворимые мелкодисперсные примеси, концентрирующиеся по периферии закрученного потока в цилиндрической камере смешивания, выводят из цилиндрической камеры смешивания через проницаемую стенку в боковой поверхности верхней камеры массообмена в емкость большего объема.
Поставленная задача решается также с помощью устройства для очистки воды, включающего цилиндрическую камеру смешивания потока очищаемой воды с воздухом, воздухоподающую трубу, направленную в центр торца камеры, емкость для сбора нерастворимых примесей и раздельные выводы из устройства очищенной воды и нерастворимых примесей. Цилиндрическая камера смешивания сверху закрыта крышкой, через центр которой установлена воздухоподающая труба.
Цилиндрическая камера смешивания разделена на верхнюю камеру массообмена и нижнюю камеру массообмена с помощью перегородки с коаксиальным отверстием относительно воздухоподающей трубы и перепускными каналами по периферии. Нижняя камера массообмена образована в нижней части торцом цилиндрической камеры смешивания и снабжена по крайней мере двумя тангенциальными патрубками для подвода очищаемой воды и закручивания водного потока. В перегородке выполнены перепускные каналы по периферии для пропуска сгустков и твердых включений в верхнюю камеру массообмена. В боковой поверхности верхней камеры массообмена выполнена проницаемая стенка для выхода обработанного водного потока в емкость большего объема, в которой установлена по крайней мере одна цилиндрическая камера смешивания. В нижней части емкости имеется патрубок для вывода образовавшихся нерастворимых веществ и патрубок чистой воды, а в верхней части емкости установлен патрубок для отвода отработанного воздуха.
Устройство для очистки воды предпочтительно имеет насосы для подачи очищаемой воды, коллектор очищаемой воды, линию трубопроводов и автоматическое управление.
В устройстве для очистки воды в качестве проницаемой стенки предпочтительно использована сетка или проницаемая стенка получена путем выполнения отверстий заданного размера в боковой поверхности верхней камеры массообмена.
Предпочтительно в крышке верхней части цилиндрической камеры смешивания имеется коаксиальное отверстие относительно воздухоподающей трубы.
Предпочтительно в емкости установлены по крайней мере две цилиндрические камеры смешивания.
Способ реализуется следующим образом: через периферийную область цилиндрической камеры смешивания (нижнюю камеру массообмена) прокачивают по тангенциальным патрубкам очищаемую воду, образовавшийся закрученный поток имеет ячеистую структуру, при этом создается разрежение вдоль оси вращения потока, что обеспечивает направление туда потока воздуха, который, распространяясь навстречу водному потоку с задаваемой скоростью, встречает уже активные ионы, реагирует с ними и, достигнув периферии верхней камеры массообмена с основным потоком, уводит из зоны реакции образовавшиеся вещества через боковую поверхность верхней камеры массообмена, в которой установлена сетка с заданными размерами отверстий.
Известно, что вода является лучшим растворителем минеральных солей. При предложенном способе организованного закрученного потока с образованием стоячей волны соли при высоких скоростях перемешивания диссоциируют, распадаются на ионы. Вода образует положительно заряженные ионы водорода и гидроксильные группы ОН. В водном растворе большой массы идет ионообмен, получившиеся при этом нерастворимые соединения выпадают в осадок, вода освобождается от растворенных в ней веществ и приходит к равновесному составу. Предложенная организация ионообмена растворенных солей и вывода полученных веществ реакции из зоны реакции стало возможной при организации по предложенному способу встречных закрученных потоков, управляемых в зависимости от необходимого качества очистки воды.
Наибольшая скорость химического процесса с участием твердой фазы соответствует случаю максимальной площади соприкосновения фаз. В предлагаемом способе взаимодействуют встречные закрученные водные потоки и происходит быстрый ионообмен.
В результате интенсификации процесса, в соответствии с предлагаемым способом, все реакции: окисления-восстановления, замещения, нейтрализации, частичного электролиза воды и т.д. идут до конца. При наличии ионов железа в очищаемой воде непосредственно в устройстве образуется гидроокись железа (III) молекулярной степени дисперсности с получением затем геля заданной структуры с необходимыми свойствами, которая позволяет соосадить практически многие примеси
За счет ионообмена легко удаляются кальций, магний, марганец и другие. Образовавшиеся зародыши нерастворимых соединений имеют размер до 5 ангстрем, что не позволяет удержать их в классических фильтрах.
Гидроокиси железа при своем образовании способны встраивать в свою структуру эти зародыши, например оксиды железа превращаются в кристаллогидраты и укрупняются, образуя хлопья, то есть происходит соосаждение гидроокисью железа.
Очищаемую воду разгоняют до заданной скорости, закручивают, заставляют проходить по криволинейной траектории вдоль проницаемой перфорированной стенки, за которой в емкости большого объема поддерживают давление, равное статическому давлению за перфорированной сеткой. За счет динамического давления закрученного потока хлопья вместе с водой проходят через проницаемую стенку в верхней части цилиндрической камеры смешивания и остаются в большом объеме емкости, позволяя молекулам воды отскочить обратно в закрученный поток, столкнувшись со стенкой, то есть статическим давлением в емкости большего объема. В емкости большего объема скапливается в виде «киселя» большая масса кристаллогидратов, гидроокисей и зародышей не растворимых, вновь образовавшихся соединений, которая и является основным осветляющим воду средством от зародышей нерастворимых веществ.
Краткое описание фигур чертежей.
На Фиг.1 показана цилиндрическая камера смешивания, в которой происходит преобразование жидкостного потока.
На Фиг.2 показан разрез цилиндрической камеры смешения по А-А, на Фиг.3 - разрез по Б-Б.
На Фиг.4 показана схема очистки воды, содержащая две цилиндрические камеры смешивания.
Цилиндрическая камера смешивания, в которой происходит преобразование многофазного жидкого потока, состоит из двух камер массообмена: нижней 1 и верхней 2. Нижняя камера массообмена 1 образована в нижней части торцом цилиндрической камеры смешивания. Верхняя камера массообмена 2 закрыта крышкой 3. Верхняя 2 и нижняя 1 камеры массообмена сообщаются между собой через коаксиальное отверстие 4. По центру крышки 3 установлена воздухоподающая труба 5.
Камеры массообмена нижняя 1 и верхняя 2 связаны между собой перепускными каналами 6.
В боковой поверхности верхней камеры массообмена 2 цилиндрической камеры смешивания выполнена проницаемая стенка, например в виде сетки 7, для выхода обработанного жидкого потока в емкость большего размера, в которой установлена цилиндрическая камера смешивания, или на боковой поверхности верхней камеры массообмена 2 цилиндрической камеры смешивания выполнены отверстия заданного размера.
В перегородке 8 выполнено коаксиальное отверстие 4 относительно воздухоподающей трубы 5 и перепускные каналы 6.
Нижняя камера массообмена 1 цилиндрической камеры смешивания снабжена тангенциальными патрубками 9 для подвода очищаемой воды.
В крышке 3 выполнено коаксиальное отверстие 10 относительно воздухоподающей трубы 5, для уменьшения гидравлического сопротивления цилиндрической камеры смешивания по предпочтительному варианту.
По другому варианту выполнения устройства коаксиальное отверстие 10 в крышке 3 может отсутствовать в цилиндрической камере смешивания.
В емкости большего размера 15 установлена цилиндрическая камера смешивания, в которой верхняя камера массообмена 2 сообщена с нижней камерой массообмена 1 коаксиальным отверстием 4 и перепускными каналами 6 и тангенциальными патрубками 9 для подвода обрабатываемой воды. В нижней части емкости 15 выполнен патрубок 11 для вывода образовавшихся нерастворимых веществ и патрубок 12 для выхода очищенной воды. В верхней части емкости 15 установлен патрубок 13 для отвода отработанного воздуха. Устройство имеет насос 14 для подачи исходной очищаемой воды.
Устройство работает следующим образом: исходную очищаемую воду подают насосом 14 в нижнюю камеру массообмена 1 цилиндрической камеры смешивания, где она закручивается и за счет разрежения по центру всасывает в себя воздух из воздухоподающей трубы 5, образуя гидрозоль и зону реакции ионообмена благодаря образованию стоячей акустической волны. Гидрозоль вращается с задаваемой скоростью. Во вращающемся потоке гидрозоля продолжаются процессы ионообмена.
Крупные образования (сгустки), следуя за вращающимся потоком в силу инерции, сосредотачиваются вдоль периферийной части камер массообмена, сообщающихся через перепускные каналы 6, и, накапливаясь в верхней камере массообмена 2 цилиндрической камеры смешивания, выталкивают друг друга через коаксиальное отверстие 4. Через свободную поверхность в емкости 15 выходит отработанный воздух через патрубок 13. Образующиеся хлопья нерастворимых веществ периодически выводят из емкости 15 через патрубок 11 и утилизируют. Воду с необходимой степенью очистки через патрубок 12 направляют потребителю.
Лучший вариант осуществления изобретения
Заявленное устройство может легко переналаживаться на большую производительность за счет установки большего числа цилиндрических камер смешивания и увеличения скорости потока.
На Фиг.4 показано устройство, включающее две цилиндрические камеры смешивания, которое является оптимальным в промышленном применении: в одной камере происходит очистка подаваемой воды, а в другой камере происходит выгрузка продуктов реакции.
Скорость и время циркуляции в цилиндрических камерах смешивания поддерживается автоматически для проведения обработки в режиме стоячей волны, с использованием известных средств для автоматизации, а также использования заданных программ и компьютерного управления в зависимости от заданных условий проведения очистки и состава подаваемой воды на очистку.
Предлагаемое устройство дает возможность последовательного соединения в одной установке нескольких закрученных потоков, по-разному организованных. Сброс отработанного воздуха осуществляется в емкости 15 большего размера (аккумуляторе-успокоителе) через свободную поверхность воды. Сброс нерастворимых примесей из емкости 15 можно произвести автоматическим гидросмывом.
Емкость 15 может иметь любую форму и объем (например, иметь прямоугольное сечение). Предлагаемое устройство позволяет проводить глубокую очистку различных сточных вод без дополнительного использования фильтрующего элемента, его роль выполняет гидрогель, образующийся в устройстве, при росте кристалл гидратов происходит встраивание в их структуру «зародышей» веществ, менее 5 ангстрем, образовавшихся в цилиндрической камере смешивания в процессе массообмена.
Скорость закрученного потока для очистки водных сред с разным содержанием примесей является переменной величиной. Большим преимуществом данного устройства является отсутствие при проведении очистки фильтрующего элемента, который необходимо регенерировать. В предлагаемом устройстве кристаллогидраты выводятся вместе с поглощенными нерастворимыми образовавшимися веществами.
Предлагаемый способ реализуется с помощью заявленного устройства следующим образом: очищаемая вода подается с помощью насоса 14 под давлением, обеспечивающим необходимую скорость в подводящие тангенциальные патрубки 9, в соответствии с первым законом Ньютона прямолинейными струями. Наталкиваясь на криволинейную поверхность цилиндрической камеры смешивания, она растекается в соответствии с уравнениями Новье-Стокса по трем координатам в каждой точке кусочно-линейными струями. Визуально гладкозакрученная струя, заполняющая весь объем нижней камеры массообмена 1, создает вдоль центральной оси свободное пространство (разрежение). Через установленную в это пространство воздухоподводяшую трубу 5 воздух всасывается, доходит до дна нижней камеры массообмена 1 цилиндрической камеры смешивания и растекается по дну концентрично от центральной оси до границы с поверхностью очищаемой воды. Далее вступает в силу инерционный закон вращательного движения, увлекающий воздух от центра к периферии по коридорам между струями Новье-Стоксовского движения, этим самым образуя встречное движение: вода-воздух. Вода с включениями воздуха движется от периферии к центру (радиальный сток) и, следуя далее через коаксиальное отверстие 4 между перегородкой 8 и воздухоподводящей трубой 5, в верхнюю камеру массообмена 2 цилиндрической камеры смешивания, образуя гладкую закрученную струю, состоящую из жидкой и газообразных фаз. В процессе химических превращений появляется нерастворимая твердая фаза. Поток становится трехфазным. Часть этого потока сбрасывается через сетку 7 в емкость 15 с жидкостью. Через свободную поверхность жидкости в емкости 15 отработанный воздух через патрубки 13 выходит наружу, а твердая нерастворимая фаза, коагулируя, оседает на дно емкости 15 большого объема или принудительно загоняется в гидродинамическую ловушку, расположенную в емкости 15 (на Фиг.4 не показана). Так как цилиндрическая камера смешивания полностью погружена в жидкость в емкости 15, то через коаксиальное отверстие 10 из емкости 15 жидкость устремляется в цилиндрическую камеру смешивания в область разрежения и далее вслед за воздухом в гладкую закрученную струю, тем самым загружая закрученный поток дополнительной массой.
По условию постоянства момента импульса скорость (линейная и вращательная) закрученного потока уменьшается, разрежение в осевой области падает и в нее уменьшается поступление жидкости и воздуха.
Закрученный поток, продолжая вращение, освобождается от избыточной массы (сбрасывая ее через сетку 7) и разгоняется, тем самым повышая разрежение приосевой области и создавая условия для повторения цикла. При этих условиях образуется стоячая волна.
По закону Паскаля стоячая волна сферична (то есть распространяется во все стороны одинаково) и, отражаясь от твердых неподвижных стенок устройства, интерферирует. Появляется множество резонансных пиков, которые разрушают крупные включения и способствуют ускорению химических реакций.
Кроме этого, перепускные каналы 6 в перегородке 8 и коаксиальные отверстия 4 и 10 в цилиндрической камере смешивания способствуют перемешиванию.
Технический результат предлагаемого изобретения состоит в интенсификации процессов очистки природных и сточных вод от различных примесей без применения химических реагентов.
Промышленная применимость
Изобретение может быть использовано для очистки природных и сточных вод, в коммунальных сооружениях для очистки сточных вод, для очистки воды от железа, от гидроокислов различных элементов и может быть использовано на предприятиях, занимающихся очисткой и использованием сточных вод, для очистки стоков от индивидуальных домов.