СИСТЕМА ОБРАБОТКИ ДЛЯ ВАКУУМНЫХ ТУАЛЕТОВ В ТРАНСПОРТНЫХ СРЕДСТВАХ

Область техники, к которой относится полезная модель
Настоящая полезная модель относится к системам обработки сточных вод для вакуумных туалетов или туалетов в транспортных средствах и, более конкретно, относится к системе для обработки сточных вод в транспортном средстве в соответствии с ограничительной частью п.1 формулы полезной модели.
Уровень техники
Низкое водопотребление, высокая эффективность, экономия пространства и массы, а также низкое энергопотребление и затраты являются важными факторами для современных систем вакуумных туалетов в транспортных средствах. Это особенно относится к скорым пассажирским поездам, самолетам, суднам, катерам и им подобным. Вместо традиционных систем с самотеком в таких транспортных средствах все чаще используется вакуум для экономии воды, массы, объема и затрат. Кроме того, в пассажирских вагонах железной дороги использование систем вакуумных туалетов замкнутого типа является эффективным способом предотвращения попадания необработанных сточных вод и даже опасных бактерий в окружающую среду.
В современных вакуумных туалетах смывная вода с нечистотами, другими словами, со сточными водами сначала хранится в баке или ему подобном устройстве. В режиме работы партиями или непрерывной работы содержимое такого бака должно быть извлечено и перемещено в установку очистки канализационных вод, расположенную в самом транспортном средстве или в другом месте. Канализационные воды и другая вода бытового водоснабжения из раковин и душевых или им подобных также может собираться в том же самом или отдельном баке для хранения, или может сбрасываться на железнодорожный путь, в реку или в окружающую среду без какой-либо обработки или очистки.
Одним из недостатков установок из уровня техники является то, что бак для хранения, в который направляются и в котором хранятся сточные воды, должен довольно часто опустошаться. Например, в железнодорожном пассажирском вагоне за день может накопиться около 300 литров сточных вод, но из-за ограничений по габаритным размерам в вагоне может быть установлен лишь относительно небольшой бак для хранения. Поэтому объем бака обычно составляет от 300 до 1000 литров, и он должен опустошаться каждые 2 или 3 дня. Опустошение должно производиться еще чаще, если в тот же бак для хранения направляются канализационные воды или вода из других источников. Подобное справедливо и для самолетов и катеров.
Ограниченный размер и объем бака для хранения часто не позволяет канализационным водам и воде бытового водоснабжения или ей подобной из раковин и душевых храниться в данном баке для хранения сточных вод. Поэтому канализационные воды сбрасываются в окружающую среду. Это приводит к загрязнению окружающей среды.
В то же время существуют строгие требования защиты окружающей среды, и во многих случаях сброс канализационных вод, не говоря о сточных водах, в окружающую среду невозможен, и, таким образом, их можно лишь хранить в баке для хранения или обрабатывать на месте. Другой альтернативой является опустошение бака в специальное транспортное средство или в стационарное сооружение приема сточных вод. С другой стороны, частое опустошение бака для хранения сточных вод не всегда возможно, что означает возможную остановку работы туалетов, что в транспортных средствах вызывает значительный дискомфорт пассажиров. В настоящее время туалеты могут устанавливаться в железнодорожных вагонах, проходящих через населенную местность, судах и катерах, проходящих по экологически чувствительным водным путям.
Необходимость частого опустошения бака является проблемой особенно в транспортных средствах дальнего следования и с продолжительным временем в пути, в местах, где круглосуточное опустошение организовано неэффективно или отсутствует. Решение этой проблемы из уровня техники, например, для железных дорог, заключается в организации обширной сети станций опустошения баков, покрывающей требуемую железнодорожную сеть. Например, в такой стране с большой железнодорожной сетью, как Россия, необходимо построить 100 очень дорогих новых станций опустошения баков.
Существует несколько современных систем, используемых для обработки канализационных вод непосредственно в транспортных средствах. Они выполнены с возможностью извлечения из канализационных вод в достаточной степени очищенной воды, обеспечивая ее сброс в окружающую среду и тем самым уменьшая необходимость в больших баках для хранения и/или их частое опустошение. В качестве способа обработки сточных вод в данных системах широко используется аэрация с природными микробами, которые самопроизвольно начинают биологическое разложение сточных вод. Также используется фильтрация и электрохимическое окисление. Для окончательной стерилизации полученной воды предпочтительно использование хлора, ультрафиолетового излучения и озона. В некоторых железнодорожных пассажирских вагонах установлены экспериментальные системы обработки сточных вод. Также различные современные системы обработки сточных вод постоянно используются в судах.
Другим недостатком современных указанных систем является высокое электропотребление. Оборудование для производства электрической энергии и топливо для него дорогостоящие, требуют много пространства и увеличивают массу. Эти недостатки являются серьезной проблемой, например, для самолетов и современных поездов. Также электроснабжение большого количества железнодорожных пассажирских вагонов во время простоя осуществляется от батареи аккумуляторов. При остановке вагона по какой-либо причине на продолжительное время или истечении срока службы аккумуляторов электроснабжение может оказаться под угрозой.
Описание биологической обработки сточных вод, а также мембранной фильтрации приведены в патенте США 7,285,212. Указанный источник информации раскрывает систему для обработки сточных вод в транспортном средстве, использующем вакуумный туалет или туалеты, которая может быть выбрана в качестве ближайшего аналога предложенной полезной модели.
Однако в дополнение к описанному выше существует несколько других недостатков и проблем, связанных с современными системами и способами, как описано ниже.
Одна из проблем в современных способах биологической очистки сточных вод связана с использованием природных бактерий в случайно образующихся партиях сточных вод. Эти бактерии используются для самопроизвольного начала процесса биологического разложения. Существует очень большое многообразие видов и подвидов бактерий в случайно образующихся партиях сточных вод. На начальном этапе в особенности, а также на последующих этапах в сточной массе имеет место непрерывный процесс естественного отбора. Таким образом, некоторые виды бактерий могут размножаться более эффективно, чем другие, и по существу возобладать в процессе биологического разложения. Этот способ имеет несколько недостатков, связанных с настоящей полезной моделью и ее применениями. Во-первых, период начального этапа может быть долгим и неэффективным в отношении обработки сточных вод. Очень вероятно, что из-за частого опустошения бака, процесс биологического разложения не достигает максимальной эффективности. Во-вторых, современные способы не обеспечивают осуществления достаточной аэрации в маленьких баках, которая необходима для эффективного аэробного биологического разложения. В-третьих, нет гарантии, что в процессе возобладают наиболее эффективные бактерии биологического разложения. Напротив, во многих случаях из-за множества случайно изменяющихся факторов в транспортных средствах более вероятно противоположное. Транспортные средства могут проходить большие расстояния в различных условиях окружающей среды и в различных местах, населенных людьми с разными привычками и культурой питания. Поэтому первоначальная бактериальная флора в случайных партиях сточных вод может значительно изменяться, вызывая серьезную проблему нестабильности процесса биологической обработки сточных вод в таком транспортном средстве.
Другие недостатки и проблемы установок из уровня техники связаны с тем фактом, что сточные воды из вакуумных туалетов имеют очень высокую концентрацию. Это является причиной того, что в вакуумных туалетах используется очень маленькое количество воды, обычно от 0,3 до 1,2 литра на один смыв. Экономически целесообразная и технически осуществимая обработка в поездах для обработки, например, 300 литров таких концентрированных сточных вод в день не обеспечивается современными системами.
В соответствии с приведенным выше описанием, очевидно, что современные системы и способы являются причиной технически сложных конструкций, неэффективного оборудования и систем, требующих слишком много места и энергии, что, в свою очередь, приводит к значительным издержкам и проблемам. Это особенно относится к самолетам, современным скорым поездам и подобным транспортным средствам, в которых ограничения пространства, массы и энергопотребления очень важны. Это также относится к пассажирским вагонам, суднам и катерам, находящимся долгое время в экологически чувствительных областях без эффективных средств опустошения баков.
Раскрытие полезной модели
Задачей настоящей полезной модели, таким образом, является создание системы для обработки сточных вод, устраняющей описанные выше недостатки и проблемы. Основным техническим результатом полезной модели является повышение степени переработки и/или фильтрации сточных вод. Данная задача решается, а указанный результат достигается системой для обработки сточных вод в транспортном средстве, использующем вакуумный туалет или туалеты, отличительной особенностью которой является наличие в составе системы по меньшей мере одного трубчатого ультрафильтра для фильтрации сточных вод, имеющего внутренний диаметр порядка 5 мм или более.
В предпочтительном варианте система подключена к раковинам и/или душевым транспортного средства для направления канализационных вод из раковин и/или душевых в бак обработки.
В другом варианте система выполнена с возможностью обработки канализационных вод в баке обработки в режиме работы партиями или непрерывном режиме работы.
В еще одном варианте система содержит средства подачи биологических веществ для обработки канализационных вод в баке обработки с использованием агента или агентов биологической обработки.
Средства подачи биологических веществ предпочтительно обеспечивают обработку канализационных вод в баке обработки с использованием одного или более из следующего: самопроизвольного процесса биологической очистки с природными бактериями, агента или агентов биологической очистки, содержащих смешанные виды бактерий рода Бацилла, одного или более ферментов амилазы, целлюлозы, протеазы, липазы и уриказы, и смешанного биологического агента, содержащего как бактерии, так и ферменты.
Система может содержать средства механической обработки для механического ускорения обработки сточных вод, и/или средства обработки химическими веществами для химического ускорения обработки сточных вод, и/или средства электрохимической обработки для электрохимического ускорения обработки сточных вод.
Система дополнительно содержит средства аэрации для подачи кислорода в бак обработки для ускорения обработки сточных вод.
По меньшей мере один ультрафильтр может быть выполнен с возможностью фильтрации в одной или более ступенях.
В предпочтительном варианте система содержит нагревательные средства для ускорения обработки сточных вод путем повышения температуры в баке обработки.
Нагревательные средства предпочтительно выполнены с возможностью использования горячей воды из системы отопления транспортного средства.
По меньшей мере один ультрафильтр может быть выполнен с возможностью фильтрации необработанных или частично обработанных сточных вод.
По меньшей мере один ультрафильтр предпочтительно является трубчатым ультрафильтром с проходным потоком.
В дальнейшем предпочтительном варианте система дополнительно содержит обратноосмотический фильтр, механический фильтр или активное фильтрующее вещество для дополнительной очистки после ультрафильтра.
Система может также содержать насос для прокачивания сточных вод из бака обработки вихревым или турбулентным потоком через ультрафильтр для предотвращения загрязнения ультрафильтра.
Наиболее предпочтительно, если система содержит средства прокачивания воздушных пузырей через ультрафильтр.
Система может также включать обратный поток из ультрафильтра назад в бак обработки с обеспечением создания воздушных пузырей в баке обработки.
Ультрафильтр предпочтительно выполнен как заменяемый модульный блок.
Система может также содержать чистящие средства, выполненные с возможностью создания обратной циркуляции воздуха и/или воды через ультрафильтр.
Система предпочтительно содержит чистящие средства, выполненные с возможностью механической очистки щеткой и/или протирания ультрафильтра.
Система может быть выполнена с возможностью использования вакуума из вакуумного туалета или туалетов для направления сточных вод, и/или очистки ультрафильтров и/или управления клапанами, и/или подачи агентов обработки в бак обработки.
В наиболее предпочтительном варианте система выполнена с возможностью повторного использования фильтрованной воды в вакуумном туалете или туалетах.
Предпочтительно, если система содержит озонатор для выполнения озонирования сточных вод в баке обработки и/или очистки озоном ультрафильтра.
Система также предпочтительно содержит тепловую изоляцию вокруг бака обработки для обеспечения экономичного использования температур, более высоких, чем температура окружающей среды, для биологической обработки сточных вод.
Система может также содержать сбросной трубопровод для сброса обработанных и фильтрованных сточных вод или их рециркуляции для повторного использования в вакуумном туалете или туалетах.
Полезная модель основана на подходе, в котором повышается техническая эффективность и экономическая целесообразность систем обработки сточных вод, расположенных в транспортных средствах, использующих вакуумный туалет или туалеты. Согласно настоящей полезной модели сточные воды из вакуумных туалетов и возможно также канализационные воды или им подобные обрабатываются таким образом, что обработанная вода по существу соответствует требованиям к чистоте и может быть отделена от сточных вод и сброшена из транспортного средства или использована повторно, например, в качестве смывной воды в вакуумных туалетах. Согласно настоящей полезной модели сточные воды и возможно также канализационные воды обрабатываются в системе обработки. Из-за ограничений по массе, размеру и энергопотреблению систем вакуумных туалетов в транспортных средствах обработка должна выполняться в достаточно короткое время и с низким энергопотреблением. Блок обработки может быть выполнен с возможностью работы в режиме работы партиями или непрерывном режиме. В системе обработки сточные воды могут сначала подвергаться биологической обработке с помощью самопроизвольного действия микробов или с помощью применения специализированных способов ускорения, например, механического, и/или биологического и/или химического, и/или электрохимического. Также может быть повышена температура бака для ускорения процесса обработки. Механическая обработка может включать перемешивание сточных вод, дробление или резание твердых частиц в сточных водах. Химическая обработка может включать добавление или подачу подходящих современных химических веществ в сточные воды, а биологическая обработка может включать подачу в сточные воды подходящих агентов биологической обработки, например, ферментов или бактерий. Электрохимическая обработка может включать, например, использование анодов и катодов и использование подходящих каталитических веществ и/или реакторов. Также при обработке может использоваться озонирование. Такая обработка может происходить в баке обработки, из которого сточные воды далее направляются в блок ультрафильтрации, который может содержать лишь один ультрафильтр или же несколько ступеней очистки. Фильтрованная вода может быть сброшена из системы или возвращена в блок обработки, или бак обработки, или же направлена в отдельный бак для хранения. В другом примере фильтрованная вода используется повторно.
Следует отметить, что система обработки может также быть выполнена без блока ультрафильтрации, если обработки в баке обработки достаточно для выполнения требований к обработанной воде. Следует также отметить, что блок фильтрации может быть выполнен без бака обработки, если одной лишь фильтрации достаточно для выполнения требований к обработанной воде.
Преимуществом системы обработки настоящей полезной модели является то, что большая часть воды в сточных водах может быть отделена и очищена таким образом, чтобы соответствовать требованиям к чистоте для сброса или повторного использования в качестве смывной воды в вакуумных туалетах. Это означает, что в транспортном средстве необходимо хранить намного меньше стоков, так как вода отделяется, что, в свою очередь, означает, что интервал опустошения бака для хранения или ему подобного может быть увеличен. Это обеспечивает значительную экономию и, например, позволяет увеличить время в пути и дальность следования без необходимости опустошения бака для хранения сточных вод. В самолетах и поездах затраты на инфраструктуру значительно уменьшаются при необходимости постройки и/или использования меньшего количества станций опустошения. Кроме того, смывная вода или ей подобная из раковин или душевых или других источников воды может также обрабатываться в системе обработки и, таким образом, не загрязняет окружающую среду. Также использование эффективной обработки обеспечивает непрерывную работу системы обработки с низким энергопотреблением, так что блокирование фильтров из-за засорения предотвращается. Низкое энергопотребление достигается путем использования небольшого количества энергоэкономичных элементов и, например, использования вакуума для системы вакуумных туалетов.
Краткое описание графических материалов
Настоящая полезная модель подробно описана ниже с использованием предпочтительных примеров осуществления со ссылкой на сопроводительные графические материалы, в которых
фиг.1 представляет собой схему структуры системы обработки настоящей полезной модели.
Осуществление полезной модели
На фиг.1 показана схема одного примера осуществления системы обработки в соответствии с настоящей полезной моделью. Система в соответствии с настоящей полезной моделью может быть использована в любых прикладных задачах, связанных с вакуумными туалетами. Система обработки настоящей полезной модели также пригодна для обработки канализационных вод, воды для бытового водоснабжения и ей подобной из других источников воды, например, раковин и душевых.
Как показано на фиг.1, сточные воды СВ от вакуумных туалетов 1 направляются в сборный бак 2. Следует отметить, что при прохождении сточных масс через трубопроводную систему сточные массы, включая туалетную бумагу и другие материалы, выброшенные в туалет, измельчаются вакуумом на мелкие кусочки, а также эффективно растворяются кислородом. Этот процесс измельчения и окисления является результатом турбулентности и сдвигающего усилия, вызванных вакуумом в трехфазном потоке (воздух, вода и твердая фаза).
Сборный бак 2 также принимает канализационные воды KB из раковин и душевых 3. Сточные воды из вакуумного туалета имеют высокую концентрацию сточных масс. Из сборного бака 2 сточные воды СВ, включая в данном случае и канализационные воды KB, направляются в бак 6 обработки. Заданное количество сточных вод СВ может направляться в бак 6 обработки для обработки через заданные интервалы или после завершения обработки и сброса или рециркуляции предыдущей партии сточных вод СВ. Между сборным баком 2 и баком 6 обработки может находиться обратный клапан 4.
Система обработки содержит бак 6 обработки сточных вод и блок 10 фильтрации, в который направляются сточные воды СВ из бака 6 обработки. Как указано выше, при необходимости в систему обработки могут также направляться другие канализационные воды KB из раковин, душевых или им подобных 3. Сточные воды СВ из вакуумных туалетов и им подобным содержат смывные воды, фекальные массы, мочу, туалетную бумагу (целлюлозу) и другие возможные вещества. Такие сточные воды не могут быть сброшены в окружающую среду, но должны быть обработаны для соответствия требованиям, после чего обработанные сточные воды могут быть сброшены. Требования к сточным водам для сброса могут включать, например, потребление химических веществ (ХПК, химическое потребление кислорода), потребление биологических веществ (БПК, биологическое потребление кислорода), потребление взвешенных твердых частиц (ВТЧ) и потребление для бактерий.
В примере осуществления на фиг.1 показан сборный бак 2, в который направляются сточные воды СВ. Часто, но не всегда, сборный бак 2 находится в вакууме, и вакуумметрическое давление может быть, например, на 40-60% ниже нормального давления. При использовании настоящей полезной модели в поездах объем сборного бака может составлять от 100 до 700 литров. Из сборного бака 2 сточные воды СВ могут направляться по трубопроводу через обратный клапан 4 в бак 6 обработки. Сточные воды для обработки можно также подавать непосредственно в бак обработки с использованием насосных систем. Бак 6 обработки может находиться под давлением окружающей среды, а в данном примере осуществления бак 6 обработки также служит в качестве бака для хранения сточных вод СВ. При использовании настоящей полезной модели в поездах объем бака для обработки может составлять от 20 до 600 литров.
Несмотря на то, что, как показано на фиг.1, система содержит сборный бак 2 и бак 6 обработки, система обработки может содержать лишь один бак, служащий в качестве как сборного бака, так и бака обработки. Такой один бак может находиться в вакууме или под давлением окружающей среды. Сборный бак 2 может также использоваться в качестве начального бака, бака первой ступени обработки, имеющего соответствующую подачу веществ для обработки и/или агентов.
В баке 6 обработки сточные воды могут подвергаться самопроизвольному процессу биологической очистки, обеспечиваемому при биологическом разложении органического вещества с использованием природных бактерий в сточных водах, измельченных вакуумом и в большой степени растворенных кислородом. Известно, что указанный процесс биологической очистки, при котором разлагаются органические вещества, и тем самым уменьшаются ХПК, ВПК и ВТЧ (описанные выше), улучшается путем насыщения кислородом и измельчения твердых частиц на более мелкие, что значительно увеличивает площадь их реакции. В то же время бак 6 также служит в качестве питательного бака для блока 10 фильтрации.
Необходимо отметить, что в некоторых случаях, указанная выше природная биологическая очистка не обеспечивает полную обработку сточных вод. Это может быть вызвано ограничениями по времени и пространству даже при улучшении биологической очистки путем использования измельчения вакуумом и непрерывного растворения кислородом. Эти проблемы могут быть также вызваны другими факторами, описанными выше при обсуждении проблем современных способов биологической обработки сточных вод, использующих природные бактерии, случайно образующиеся в партиях сточных вод.
В предпочтительном примере осуществления системы обработки для решения данных проблем в соответствии с настоящей полезной моделью могут использоваться ускоренные способы обработки сточных вод. Это обеспечит дальнейшее уменьшение частоты опустошения баков 2 и 6 сточных вод благодаря уменьшению количества необработанного осадка сточных масс, который храниться в различных баках.
Указанная ускоренная обработка может включать обработку при повышенных температурах, так как известно, что скорость биологических процессов удваивается с увеличением температура на каждые 10°С. Кроме того, сточные воды могут обрабатываться со специальными современными и высокоэффективными биологическими веществами, которые за последние годы стали широко доступны в больших количествах и по разумной цене. Также может использоваться ускорение с использованием современных механических, химических и электрохимических средств.
Ускоренная обработка может производиться в различных ступенях и в отдельных отсеках одного бака или в нескольких отдельных баках. Также может использоваться любая комбинация указанных выше способов ускорения. Ниже описаны некоторые преимущественные и предпочтительные системы в соответствии с настоящей полезной моделью.
Известно, что определенные агенты при подаче в достаточных количествах и соответствующими способами, а также в соответствующее время и участок процесса биологического разложения обеспечивают более эффективную и гарантированную биологическую очистку сточных вод, чем природные бактерии в случайно образующихся партиях сточных вод. Соответственно биологическая обработка может включать подачу указанного выше эффективного агента или агентов биологической обработки в сточные воды в баке 6 обработки с помощью средств 5 подачи биологических веществ для ускоренной биологической обработки сточных вод. Агент или агенты биологической обработки могут содержать один, или несколько типов бактерий, и/или один или несколько типов ферментов, и/или один или несколько типов биоцидов, или любых других биологических агентов или их смесей, ускоряющих обработку сточных вод СВ.
В одном предпочтительном примере осуществления настоящей полезной модели агент или агенты биологической обработки содержат один или несколько видов бактерий нетоксичного и безопасного для природы рода Бациллы, которые быстро размножаются в аэробных или анаэробных условиях. Известно, что определенные доступные на рынке виды Бациллы очень эффективно и устойчиво способствуют биологическому разложению. Известно, что они способны активно и быстро заполнить большой объем сточных масс практически любого состава для обработки в пределах объема настоящей полезной модели. Указанные бактерии были первыми обнаружены и выбраны из большого количества различных видов и подвидов бактерий, существующих в природе, и с помощью современных методов был проведен их анализ относительно эффективности их использования в обработке сточных вод. Также были разработаны целесообразные способы их производствам и применения. В сточных массах аэробные Бациллы или анаэробные бактерии вырабатывают различные каталитические белки, называемые ферментами, которые эффективно разрушают органические сточные частицы, обеспечивая требуемую очистку.
На случай недостатка растворенного кислорода в сточных массах для обеспечения эффективного действия аэробных бактерий, согласно настоящей полезной модели используются анаэробные бактерии или ферменты непосредственно для биологического ускорения. Известно, что они действуют даже в анаэробных условиях. Предпочтительными ферментами согласно настоящей полезной модели могут быть амилаза, целлюлоза, протеаза, липаза и уриказа или любые их комбинации. Известно, что эти ферменты эффективно разрушают органические сточные частицы по существу любого состава, обрабатываемые в пределах объема настоящей полезной модели. В последние годы эти эффективные, нетоксичные и безопасные для природы ферменты стали доступны на рынке по разумной цене. Эффективность биологического разложения также удваивается с увеличением температуры на каждые 10°С. Другим преимуществом ферментов является то, что они начинают действовать сразу после введения в сточные массы и, следовательно, не требуют начального этапа, как бактерии.
В одном предпочтительном примере осуществления систем, реализованных в соответствии с настоящей полезной моделью, используются указанные выше бактерии и ферменты в определенных пропорциях и количествах с использованием в целом известных способов применения. В данном случае пропорции и количества определены в соответствии с конкретным применением данной системы согласно настоящей полезной моделью для достижения оптимальной экономической и технической эффективности. Одним примером такой оптимизации является случай, когда биологическое ускорение сначала начинается путем применения эффективного ферментного агента, который сразу начинает процесс биологического разложения, и введения приблизительно в то же время бактериального агента, содержащего эффективные бактерии, способные быстро заполнить сточные массы в степени, достаточной для ускорения процесса, тем самым обеспечив достижение оптимальной технической и экономической эффективности. В некоторых прикладных задачах из-за относительно высокой стоимости ферментов этот способ может являться наиболее рентабельным и обеспечивать преимущество непосредственного начала биологического разложения и последующего ускорения процесса при достаточном заполнении сточных масс бактериями.
Необходимо отметить, что современные бактерии и ферменты биологического разложения могут безопасно храниться даже при экстремально низких температурах, что является преимуществом для транспортных средств, эксплуатирующихся при различных температурах.
В одном предпочтительном примере осуществления системы обработки, реализованной в соответствии с настоящей полезной моделью, используется тот факт, что эффективность современных бактерий и ферментов биологического разложения возрастает при повышенных температурах. Поэтому система обработки может иметь нагревательные средства. Известно, что их эффективность возрастает примерно в два раза при увеличении температуры на каждые 10°С. Поэтому, например, увеличение температуры с 15 до 35°С приводит к увеличению эффективности в четыре раза. Система обработки, реализованная в соответствии с этим предпочтительным примером осуществления настоящей полезной модели, уменьшает время обработки на 75%. Необходимо отметить, что все другие процессы биологического разложения ведут себя таким же образом.
Система обработки содержит средства 5 подачи биологических веществ для подачи агента или агентов биологической обработки в бак 6 обработки для ускоренной обработки сточных вод СВ. Средства подачи биологических веществ могут содержать дозирующее устройство, подающее заданное количество биологического вещества в бак 6 обработки через заданные интервалы или в соответствии с количеством сточных вод, направленных в бак 6 обработки. Средства 5 подачи биологических веществ могут также содержать бак для хранения биологических веществ.
3
Как показано на фиг.1, бак обработки дополнительно содержит средства 6 обработки химическими веществами для подачи агента или агентов химической обработки в бак 6 обработки. Средства 7 обработки химическими веществами могут содержать химический бак для хранения химического агента или агентов и дозирующее устройство для дозирования химического агента или агентов в бак 6 обработки для химической обработки сточных вод СВ. Эти химические агенты могут содержать, например, дезинфекционные агенты или предохраняющие от замерзания жидкости, или агенты, или коагулянты. Устройство дозирования химических агентов выполнено с возможностью подачи заданного количества химических агентов в бак 6 обработки через заданные интервалы или в соответствии с количеством сточных вод, направленных в бак 6 обработки. В другом примере, известно, что озон (О) является очень сильным окислителем и может разрушать органическое вещество в сточных водах. Существует несколько современных доступных на рынке генераторов озона или озонаторов, которые могут быть использованы для подачи озона в средства 6 обработки химическими веществами. Таким образом, система обработки может также иметь озонатор для подачи озона в бак 6 обработки. Следует отметить, что в некоторых прикладных задачах средства 7 обработки химическими веществами могут быть дополнительными и могут отсутствовать в системе обработки. Средства 7 подачи химических веществ могут быть выполнены с возможностью хранения двух или более агентов химической обработки как смеси в химическом баке и подачи данной смеси в бак 6 обработки. В другом примере средства 7 обработки химическими веществами выполнены с возможностью подачи двух или более агентов химических веществ отдельно в бак 6 обработки. Также могут использоваться известные коагулянты сточных вод.
Эффективность агентов биологической и химической обработки в баке 6 обработки может быть улучшена путем механической или электрохимической обработки сточных вод СВ. Такая механическая обработка может включать перемешивание или аэрирование сточных вод СВ в баке 6 обработки и резание и/или дробление твердых частиц нечистот в сточной воде СВ. Таким образом, блок обработки содержит средства 8 механической обработки для перемешивания сточных вод и/или резания и/или дробления твердых сточных частиц. Средства 8 механической обработки, таким образом, могут содержать перемешивающее устройство или ему подобное. Также в системе обработки может использоваться любой тип известных средств электромеханической обработки.
Необходимо отметить, что применяемые ускоряющие агенты, как описано выше, должны быть в достаточной степени перемешаны в сточных массах с использованием современных способов. Следует отметить, что указанные выше агент или агенты могут применяться в различных местах системы обработки в соответствии с конкретной прикладной задачей. Например, биологические или химические агенты могут подаваться непосредственно в бак 6 обработки, и/или сборный бак 2, и/или в блок фильтрации, и/или в насос, и/или в трубопроводную систему, и/или блок вакуумного туалета. Они также могут подаваться в одной партии предпочтительно во время опустошения баков или подаваться непрерывно дозирующим насосом или с помощью вакуума. Они даже могут быть добавлены в вещество для очистки унитазов и/или смывную воду. В данном случае агент подается в процесс очистки при каждом смыве и/или очистке блока туалета.
Ускоренная обработка в соответствии с настоящей полезной моделью может включать средства аэрации (не показаны) для аэрации сточных вод СВ в баке 6 обработки. Аэрация растворяет больше кислорода в сточных массах, что улучшает действие бактерий. Для аэрации могут использоваться в целом известные нагнетатели воздуха и нагнетатели пузырей.
В одном предпочтительном примере систем, реализованных в соответствии с настоящей полезной моделью, используются повышенные температуры для ускорения разложения сточных масс в любой комбинации описанных выше способов ускорения.
Это указанное выше существенное уменьшение времени обработки может быть использовано для уменьшения частоты опустошения бака для хранения сточных вод, что является целью настоящей полезной модели.
Нагревательные средства для сточных масс (не показаны) могут быть, например, средствами теплового сопротивления или им подобными. Преимущественным способом для применения в поездах является использования горячей воды из системы обогрева вагона в качества источника тепла для сточных масс. Другим преимущественным способом повышения температур с низким энергопотреблением является использование эффективных современных изоляционных конструкций вокруг оборудования обработки сточных вод.
Как описано выше, несмотря на то, что различная обработка может снизить содержание ХПК, БПК и ВТЧ в сточных водах в баке 6, в нем могут остаться бактерии, вирусы и неразложенные твердые частицы в сточных водах, которые не могут быть полностью извлечены или удалены из сточных вод различными способами обработки. Кроме того, из-за соображений пространства, массы, излишнего потребления энергии и времени в системе, выполненной в соответствии с данной полезной моделью, в некоторых случаях, особенно в начале нового цикла обработки в баке 6, может оказаться преимущественным направление необработанных и/или лишь частично обработанных сточных масс на следующую ступень системы, выполненной в соответствии с настоящей полезной моделью.
Из бака 6 обработки сточные воды СВ в баке для обработки могут быть откачаны в блок 10 фильтрации. Откачивание обработанных сточных вод СВ может осуществляться с помощью насоса 9 дробилки, как показано на фиг.1. При использовании насоса 9 дробилки для откачивания обработанных сточных вод СВ из бака 6 обработки в блок фильтрации средства 8 механической обработки могут отсутствовать, так как насос 9 дробилка разрезает или дробит твердые частицы нечистот и может обеспечить перемешивание в баке 6 обработки. В другом примере для откачивания обработанных сточных вод СВ из бака 6 обработки в блок 10 фильтрации может использоваться центробежный насос или ему подобный, или разница давлений в вакуумной системе.
Назначение блока 10 фильтрации заключается в выделении воды из сточных масс путем очистки воды до заданного уровня чистоты. В одном предпочтительном примере осуществления системы, выполненной в соответствии с настоящей полезной моделью, блок 10 фильтрации может включать одну или несколько ступеней, использующих различные современные способы очистки, причем одна или несколько из указанных ступеней являются ультрафильтрами.
Ультрафильтрация представляет собой процесс мембранного отделения под действием давления, в котором вещество по существу отделяется от текучей среды-носителя, например, воды. Мембраны ультрафильтров обычно имеют поры, размером от 0,01 до 0,10 мкм, и обладают большой возможностью извлечения бактерий, большинства вирусов и различных твердых частиц. Чем меньше номинальный размер пор, тем выше эффективность извлечения. К распространенным полимерным материалам, используемым в мембранных ультрафильтрах, относятся полисульфон, полиэфирсульфон, полипропилен или поливинилиденфторид. Современные мембраны ультрафильтров изготавливаются в форме трубок, полых волокон и листов.
В одном предпочтительном примере осуществления системы, выполненной в соответствии с настоящей полезной моделью, используется мембрана ульрафильтра, изготовленная с конкретным размером или размерами пор. Необходимо отметить, что другой размер и/или размеры пор могут использоваться для достижения заданного уровня чистоты для конкретной прикладной задачи.
В одном предпочтительном примере осуществления настоящей полезной модели изготавливается мембрана ультрафильтра с размером пор, который достаточно мал для по существу предотвращения прохождения всех частиц, включая частицы, имеющие размер бактерий и вирусов, через мембрану фильтра. В терминах технологии фильтров это означает отсечной размер пор приблизительно 150 кД.
В осуществления системы, выполненной в соответствии с полезной моделью, ультрафильтр представляет собой трубчатый, проходной фильтр, в котором сточные воды для фильтрации подаются внутрь трубы или труб. Внутренний диаметр ультрафильтра составляет порядка 5 мм или более. Из-за разницы давлений с двух сторон мембраны 6 выделенная фильтрованная вода проходит из центра радиально через мембрану фильтра, а остаток сточных вод выходит из трубы или труб и предпочтительно подается назад в бак 6 обработки. Очищенная вода, называемая фильтратом, выводится из внешней поверхности трубки.
Необходимо отметить, что разница давлений с двух сторон мембраны может быть обеспечена любым известным способом, например, нагнетательным насосом и/или установкой обеспечения вакуума, и/или комбинированными насосом и установкой вакуума.
Трубчатый ультрафильтр обеспечивает несколько преимуществ для системы, выполненной в соответствии с данной полезной моделью. Соответственно один предпочтительный пример осуществления настоящей полезной модели включает использование недорогих, устойчивых, надежных и компактных трубчатых ультрафильтров с большим внутренним диаметром, превышающим около 5-10 мм, который обеспечивает прохождение даже относительно крупных, измельченных вакуумом, необработанных сточных частиц через трубу без блокирования, что значительно уменьшает сложность, энергопотребление и затраты на систему. Это обеспечивается благодаря тому, что в данном случае дробилка мелких частиц или сложная система предварительной фильтрации перед блоком 10 ультрафильтра не требуется. Напротив, например, стандартный, недорогой центробежный насос для стоков может иметь достаточные характеристики.
Из-за того, что мембрана ультрафильтра пропускает не только воду, но также некоторые растворенные вещества, например, некоторые соли, блок фильтрации может состоять из различных ступеней последующей обработки для дополнительной очистки выделенной фильтрованной воды. Для этого могут быть использованы несколько известных способов, например, обратноосмотическая фильтрация, механическая фильтрация или фильтрация с использованием некоторых известных веществ активной фильтрации, например, активированного угля. Так как вода, отфильтрованная ультрафильтром, содержит питательные вещества для бактерий, она может быть легко загрязнена нежелательными бактериями. Поэтому в качестве окончательной ступени блока 10 ультрафильтра может использоваться известный тип дезинфицирующего устройства, например, устройство ультрафиолетового излучения. Последующая обработка может также быть частично или полностью исключена из блока фильтрации. Необходимо отметить, что может использоваться любая комбинация описанных выше способов последующей обработки.
После обработки системой обработки очищенная вода может быть сброшена в окружающую среду, так как она соответствует требованиям защиты окружающей среды по чистоте. Таким образом, фильтрованная вода может быть сброшена из системы обработки на железнодорожный путь, в море, реку или другую водную систему, или в атмосферу. В другом примере фильтрованная вода может рециркулироваться для использования, например, в качества смывной воды в вакуумных туалетах.
Одной проблемой, связанной с мембранными фильтрами, является загрязнение или блокирование мембраны фильтра. Это означает, что на поверхности мембраны образуется или накапливается слой вещества. Этот загрязняющий слой может со временем перекрыть поток воды через мембрану фильтра, что, в конечном счете, может полностью вывести мембрану фильтра из строя. В настоящей полезной модели загрязнение предотвращается или по существу уменьшается путем использования одного или комбинации следующих описанных ниже способов и средств.
Некоторые предпочтительные примеры осуществления настоящей полезной модели для по существу решения указанной выше проблемы загрязнения описаны ниже.
Один способ заключается в использовании предварительной обработки сточных вод и тем самым уменьшении потока веществ, которые могут, в конечном счете, образовать блокирующий слой. Несколько таких способов описаны выше при описании различных способов обработки сточных масс. Необходимо отметить, что может использоваться озонирование.
Другой альтернативой является добавление в сточные воды известных биологических или химических агентов, которые по существу разрушают загрязняющий слой. Эти агенты могут быть поданы в фильтр с любой стороны мембраны фильтра. Предпочтительным способом также является подача фильтрованной воды и/или воздуха в противоток через мембрану фильтра с предотвращением тем самым загрязняющего эффекта.
Кроме того, загрязнение может быть предотвращено путем прокачивания сточных вод вихревым или турбулентным потоком через ультрафильтр. Вихревой или турбулентный поток обеспечивает турбулентность и усилие сдвига, так называемый поперечный поток на поверхности мембраны, удаляющий и предотвращающий прилипание или накопление вещества на поверхности мембраны фильтра. Этот турбулентный или вихревой поток сточных вод к блоку фильтра предпочтительно обеспечивается путем использования насоса 9 дробилки или центробежного насоса для откачивания обработанных сточных вод из бака 6 обработки в блок фильтрации.
При проведении полномасштабных испытаний с трубкой ультрафильтра, диаметром 25 мм, было установлено, что преимущественным является обратный поток из ультрафильтра назад в бак 6 обработки, выполненный сверху, так чтобы бак наполнялся большим количеством воздушных пузырей, образованных разбрызгиванием на границе воздух-вода. В дополнение к увеличению аэрации для улучшения биологической обработки в баке некоторые воздушные пузыри прокачиваются через ультрафильтр, в котором они вызывают преимущественный многофазный поперечный поток на поверхности мембраны фильтра, тем самым еще раз предотвращая загрязнение.
При испытаниях также было установлено, что преимущественным является применения вакуума у мембраны ультрафильтра. Это значительно улучшает эффективность фильтрации и предотвращает возможные эффекты загрязнения без необходимости дополнительных насосов или мощности.
При использовании различных описанных выше преимущественных вариантов настоящей полезной модели во время данных полномасштабных испытаний было установлено, что можно пропускать сточные массы с примерным содержанием твердых частиц равным 30% через трубчатый фильтр диаметром 25 мм в течение длительного времени, может быть даже в течение нескольких месяцев, без загрязнения мембраны.
Независимо от различных средств, используемых для предотвращения загрязнения, некоторое количество загрязнения может, в конечном счете, образовываться в мембране фильтра. В таком случае несколько других способов или их комбинаций может быть использовано в системе, выполненной согласно настоящей полезной модели, как описано ниже.
Во-первых, недорогой блок фильтра или его части могут быть выполнены в виде небольшого, легко заменяемого модульного блока. При этом загрязненные модули могут периодически удаляться, либо очищаться/восстанавливаться в другом, более подходящем месте. В качестве второй альтернативы загрязненный модуль может очищаться на месте. В преимущественном способе очистки на месте периодически используется вакуум для обеспечения автоматической обратной циркуляции воздуха и/или воды через мембрану. Испытания прототипа показали, что хорошая очистка также обеспечивается механической чисткой поверхности мембраны щеткой, которая может быть улучшена путем использования известных моющих агентов. Для механической очистки также могут использоваться губчатые шарики или им подобные.
Для уменьшения энергопотребления, уменьшения сложности системы, ее размера и массы вакуум из системы вакуумного туалета может быть использован для нескольких целей в системе. К ним относится использование вакуума для различной передачи воды и обеспечения или улучшения разницы давлений на мембранах фильтра с увеличением тем самым эффективности фильтра. Вакуум также может быть использован для восстановления/очистки мембран фильтра путем обеспечения противодавления и создания тем самым очищающего противотока воды и/или воздуха.
В соответствии с описанным выше, настоящая полезная модель предлагает систему обработки для вакуумных туалетов, используемых в самолетах, поездах, суднах, других транспортных средствах или любых других прикладных задачах с вакуумными туалетами. Эта система обеспечивает недорогую, несложную и надежную систему обработки для сточных вод вакуумных туалетов, которая по существу не требует обслуживания и обеспечивает более длительные интервалы извлечения сточных вод по сравнению с системами из уровня техники.
Специалисту в данной области техники понято, что, по мере развития технологии, идея полезной модели может быть реализована различными путями. Полезная модель и примеры ее осуществления не ограничены описанными выше примерами и могут изменяться в пределах объема формулы полезной модели.