ПЛАЗМЕННО-БИОЛОГИЧЕСКИЙ РЕАКТОР

Предлагаемая полезная модель относится к экологической технике, в частности, к локальным очистным установкам, и может быть использована для экономичного обеззараживания сточных вод технического и бытового характера: содержащих высокостойкие токсические химические отходы, содержащие микроорганизмы, или загрязнения химического и биологического характера, содержащихся в воде одновременно.
Известен способ биологической 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 значительному увеличению массогабаритных характеристик установки и дополнительному расходу чистой воды; 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 способ и устройство: «Плазма, формируемая в жидкости» (US Patent & Trademark
Office №20060060464, March 23, 2006, Kind Code, Chang; Chak Man Thomas, прототип).
Недостатком этого устройства является то, что его конструкция не позволяет обрабатывать сточные воды с высоким содержанием органики за один проход, так как повышение объемного газосодержания выше 80% по конструктивным соображениям не возможно, либо это потребует увеличения размеров плазменного реактора и увеличения расхода электроэнергии, кроме того, отсутствие в данной конструкции узла по биологической обработке сточной воды, так же ведет к неоправданно высоким энергетическим затратам.
Предлагаемая полезная модель решает техническую задачу экономичного стимулированного плазмой сжигания или обеззараживания токсических органических и неорганических отходов химических производств, растворенных в воде, с последующим доокислением 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-биологический реакторе», содержащем плазменный реактор, состоящий из нескольких плазменных ячеек, соединенных последовательно или параллельно, или одной плазменной ячейки для создания электрического разряда, состоящей из диэлектрического герметического корпуса с арматурой для подачи загрязненной воды и воздуха, устройства для выхода обработанной воды, в которой установлены катод и анод, поджигающий электрод, соединенные с блоком электропитания переменного тока, компрессорную установку, блок подачи загрязненной воды, в нижней части корпуса плазменной ячейки дополнительно установлен узел предварительной активации воды, содержащий камеру смешения, в нижней части которой
расположена пористая мембрана диспергатор для подачи воздуха, в камере смешения сверху над поверхностью мембраны диспергатора расположена трубка для подачи загрязненной воды под напором на поверхность мембраны с целью создания первичной пузырьковой дисперсной среды и снижения размера образующихся на поверхности мембраны диспергатора первичных пузырьков путем их смывания, 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 для крепления катода и выводящего устройства 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 первичной газодисперсной смеси, образующейся в камере смешения, расположенной в узле предварительной активации воды, и ее ускорения и турбулизации с целью дальнейшего снижения размеров первичных пузырьков путем их дробления и увеличения, таким образом, поверхности взаимодействия фаз жидкость - воздух при проведении предварительной обработки загрязненной химическими составами или биологическими организмами и примесями воды в плазменном реакторе, для снижения энергетических затрат дополнительно установлен блок биологической очистки, состоящий из биологического реактора в виде емкости, содержащий диспергирующее устройство для создания микропузырьков из воздуха или кислорода, микроорганизмов в виде «активного ила», компрессора для перекачки воздуха или кислорода, ресивера, регулирующего расход крана.
По сравнению с устройствами, реализующими электрический разряд - плазму в воде и электролитах или устройствах биологической обработки
сточных вод, предлагаемая установка «плазменно-биологический реактор», обладает повышенными 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 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. Отметим при этом, что эффективность биологических методов очистки при относительно невысоком содержании вредных примесей высока, а процесс малоэнергозатратен.
Наличие в установке узлов плазменной очистки и биологической доочистки позволяет значительно снизить массо-габаритные размеры установки при высоком содержании вредных органических примесей в воде, так как при биологических методах обработки при превышении некоторого
уровня загрязнений необходимо разбавление исходной жидкости чистой водой до приемлемого уровня загрязнений для начала возможности нормальной жизнедеятельности бактерий.
Сущность предлагаемой полезной модели поясняется схемой, представленной на фиг.1 «Плазменно-биологический 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 группы или одной плазменных ячеек - 6; в нижней части корпуса плазменной ячейки 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, микроорганизмами - «активным идом»; 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
герметического корпуса из диэлектрика - 23, в котором размещены катод - 24 и анод - 25 в виде перфорированного цилиндра, ограничивающие геометрию объемно-диффузионного электрического разряда, в корпусе - 23 имеется сквозная полость - 26, в которой происходит обработка разрядом загрязненной воды, корпус - 23 уплотнен торцовыми нижней - 27 и верхней - 28 крышками с герметизирующими прокладками, на верхней крышке - 28 предусмотрена установка колпака - 29 для крепления катода - 24 и установки выпускного устройства - 30 для вывода предварительно очищенной воды, в корпусе - 23 имеется поджигающий электрод - 31, представляющий собой заостренный с одной стороны стержень из металла в изолирующей уплотняющей оболочке сальнике - 32; реостат - 33 для регулировки напряжения на поджигающем электроде; блок питания переменного напряжения - 34, предназначенный для подачи напряжения на катод - 24, анод - 25 и поджигающий электрод - 31, 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 биологической очистки - 42, состоящий из емкости - 43, предназначенной для накопления и дальнейшей обработки биологическим способом до ПДК первично очищенной в плазменном реакторе загрязненной жидкости, включающей диспергирующее устройство - 44 и микроорганизмов в виде «активного ила»; ресивера - 45, регулирующего крана - 46; компрессора - 47 для подачи сжатого воздуха или баллона с кислородом.
Предлагаемое устройство работает следующим образом.
Газ-воздух 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, в сквозную полость 26, расположенную в диэлектрическом корпусе 23, где происходит обработка разрядом загрязненной воды, в полости 26 между катодом 24 и анодом 25 образуется объемно-диффузионный разряд, поджиг разряда осуществляется с помощью поджигающего электрода 31 регулировка напряжения на поджигающем электроде, может дополнительно осуществляться реостатом 33, при этом положение поджигающего электрода может меняться в горизонтальном направлении для этого используется уплотняющая диэлектрическая втулка сальник 32; напряжение на катод 24 и анод 25, поджигающий электрод 31 по соединительным проводам подается с блока питания переменного 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 емкость 43 блока биологической очистки 42, где вода, прошедшая первичную обработку в плазменном реакторе отделяется от газа, затем 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 43 с помощью диспергатора 44 либо воздухом, либо кислородом; для этого воздух или кислород нагнетается компрессором 47, далее поступает в ресивер 45, затем на диспергатор 44, регулировка расхода производится краном 46; работа биологического реактора возможно как в непрерывном, так и периодическом режимах.
Водо-воздушная 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<φ 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 газе от горения разряда в микропузырьковой среде. Также фактором, влияющим на высокую эффективность разряда в пузырьковой среде, является - большая удельная поверхность 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), токи.
Факторами обеспечивающих 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, токи, ионизация, стимулированное плазмой горение, окисление в кислороде или воздухе при барботировании жидкости газом при высоким объемном газосодержании.
По сравнению с установками устройствами, реализующими объемно-диффузионный разряд в воде и электролитах, предлагаемая установка «плазменно-биологический реактор», обладает повышенными 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 для 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 ил. 2. Из ил. 2 видно, что примерно до концентрации 1 г/литр фенола имеется резкая зависимость снижения токсичного вещества от времени далее эта зависимость выполаживается возрастают непроизводительные потери электроэнергии на обеззараживание загрязненной воды на единицу объема. Применение биологической очистки для доокисления органических отходов позволяет примерно в 3.0 раза снизить затраты электроэнергии при обеззараживании их в «плазменно-биологическом реакторе» по сравнению с устройствами с применением только плазменной дезактивации токсических отходов. Наличие высокой удельной 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, 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.