Устройство для обработки водных сред в протоке
DEVICE FOR TREATMENT OF AQUEOUS MEDIA IN THE WATERWAY

Изобретение относится к охране окружающей среды, а именно к области очистки и обеззараживания промышленных и бытовых сточных вод, а также поверхностных водоисточников от различных по виду и характеру загрязнений, и может быть использовано для обработки водных сред в протоке.
Проблемы охраны окружающей среды, в частности очистка и обеззараживание сточных вод от различных по виду и характеру загрязнений, а также снабжение населения питьевой водой высокого качества, в настоящее время выдвигаются на передний план. Сброс в водоемы недостаточно очищенных и обеззараженных производственных и бытовых сточных вод приводит к загрязнению поверхностных водоисточников не только примесями природного происхождения, но и различного рода химическими загрязнениями.
Известно устройство для обработки в протоке водных сред от различных по виду и характеру загрязнений, содержащее цилиндрический корпус с узлами подачи воды на обработку, обработки ультрафиолетом, расположенным внутри цилиндрического корпуса, ультразвуковой обработки и отвода обработанной воды, в котором узел обработки воды ультрафиолетом состоит по крайней мере из двух ультрафиолетовых излучателей, снабженных защитными чехлами из материала, прозрачного для ультрафиолетового излучения, и расположенных параллельно образующей цилиндрического корпуса, по крайней мере по одной концентрической окружности, а узел ультразвуковой обработки состоит по крайней мере из двух ультразвуковых излучателей, расположенных вдоль оси цилиндрического корпуса двумя и более рядами, при этом в каждом ряду один ультразвуковой излучатель расположен на оси корпуса, а остальные - по крайней мере по одной концентрической окружности, ультразвуковые и ультрафиолетовые излучатели чередуются от оси корпуса к его внутренней поверхности, а расстояния между ультразвуковыми излучателями, ультрафиолетовыми излучателями, ультразвуковыми и ультрафиолетовыми излучателями кратны длине полуволны ультразвука /Патент RU 2183197, C02F 1/32, 1/36, 2002/.
Недостатками известного устройства являются неоднородность распределения ультразвуковых колебаний в объеме обрабатываемой водной среды, что не позволяет повысить степень ее очистки и обеззараживания, а также недостаточная прочность устройства в условиях повышенных давлений.
Известно устройство для безреагентного обеззараживания жидкости, содержащее корпус с узлами подачи и отвода воды, источники ультрафиолетового излучения с защитными чехлами, из материала, прозрачного для ультрафиолетовых лучей, ультразвуковые излучатели, а также одну или несколько вставок, расположенных в корпусе в виде протяженного тела, на внутренних сторонах которых расположены ультразвуковые излучатели, при этом на внешней стороне корпуса также могут быть расположены ультразвуковые излучатели в узлах максимальной интенсивности колебаний, настроенные на синхронную или различную резонансную частоту с ультразвуковыми излучателями, расположенными на внутренних сторонах вставок /Патент RU 2332358, C02F 1/36, 2008/.
Недостатками известного устройства являются его высокая энергоемкость, поскольку для обеспечения однородного распределения интенсивности ультразвуковых колебаний по обрабатываемому объему водной среды и достижения высокой степени ее обеззараживания необходимо большое количество УЗ-излучателей с высокой подводимой энергией, которые должны обеспечить необходимую для возникновения кавитации в водной среде амплитуду колебаний поверхностей наружного корпуса и корпуса вставок.
Наиболее близким по технической сущности к предложенному является устройство для обработки водных сред в протоке, содержащее цилиндрический корпус с узлами подачи водной среды на обработку, отвода обработанной водной среды, обработки ультрафиолетом, состоящим из двух и более ультрафиолетовых излучателей, снабженных защитными чехлами из материала, прозрачного для ультрафиолетового излучения, и расположенных параллельно образующей цилиндрического корпуса, по крайней мере по одной концентрической окружности с центром на оси цилиндрического корпуса, узлом ультразвуковой обработки, состоящим из двух и более ультразвуковых излучателей, расположенных двумя и более рядами вдоль оси цилиндрического корпуса, вмонтированными в цилиндрический корпус по одному и более в каждом ряду по окружности цилиндрического корпуса со смещением в каждом следующем ряду на (360:(2 n)°, где n - количество ультразвуковых излучателей в ряду, начиная с 1, и выполненными из двух и более цилиндрических ступеней, при этом диаметр каждой следующей ступени меньше диаметра предыдущей, а длина образующей и диаметр каждой ступени кратны четверти длины волны ультразвука, два и более ультразвуковых излучателя в каждом ряду расположены на равных расстояниях один от другого, а расстояния между ультрафиолетовыми излучателями, ультразвуковыми излучателями, ультрафиолетовыми и ультразвуковыми излучателями кратны четверти длины волны ультразвука /WO 2011/016744, C02F 1/32, 1/36, 2011/.
Недостатками известного устройства являются неоднородность распределения ультразвуковых колебаний в объеме обрабатываемой водной среды, что не позволяет повысить степень ее очистки и обеззараживания, а также недостаточная прочность устройства в условиях повышенных давлений.
Технической проблемой, решение которой обеспечивается осуществлением изобретения, является усовершенствование универсального устройства для обработки в протоке исходных водных сред, содержащих любой состав загрязнений, с повышенной прочностью корпуса и невысокими энергозатратами.
Технический результат от использования предложенного устройства заключается в повышении степени очистки водных сред от различных по своему составу загрязнений и обеззараживания от патогенной микрофлоры за счет повышения эффективности воздействия ультразвука при одновременном снижении энергозатрат. Кроме того, устройство обладает повышенной прочностью корпуса, что является важным при его эксплуатации в условиях повышенных давлений.
Техническая проблема решается, а технический результат достигается за счет того, что устройство для обработки водных сред в протоке, содержащее цилиндрический корпус с торцевыми стенками и узлами подачи воды на обработку, обработки ультрафиолетом, ультразвуковой обработки и отвода обработанной воды, узел обработки ультрафиолетом расположен внутри цилиндрического корпуса и состоит по меньшей мере из двух ультрафиолетовых излучателей, снабженных защитными чехлами из материала, прозрачного для ультрафиолетового излучения, и расположенных параллельно образующей цилиндрического корпуса, по меньшей мере по одной концентрической окружности, узел ультразвуковой обработки состоит по меньшей мере из двух ультразвуковых излучателей, снабжено по меньшей мере двумя волноводами изгибных колебаний, выполненными в виде стержней, длиной, кратной длине полуволны ультразвука, жестко закрепленными в торцевых стенках цилиндрического корпуса, ультразвуковые излучатели установлены на внешней стороне цилиндрического корпуса, акустически изолированы герметичными узлами крепления от корпуса и снабжены погружными сонотродами продольных колебаний цилиндрической формы, длина которых кратна длине полуволны ультразвука, а каждый волновод изгибных колебаний соединен по меньшей мере с одним сонотродом, при этом расстояния между ультрафиолетовыми излучателями, ультразвуковыми излучателями, ультрафиолетовыми и ультразвуковыми излучателями кратны длине полуволны ультразвука.
Предпочтительно, что каждый волновод изгибных колебаний соединен с сонотродом в узле максимальной интенсивности изгибных колебаний волновода.
Изобретение поясняется чертежами.
Для большей наглядности соотношение между отдельными элементами устройства изменены.
На Фиг. 1 схематически изображено устройство для обработки водных сред в протоке; на Фиг. 2 - разрез и вид по АА на Фиг. 1; на Фиг. 3 - разрез и вид по ВВ на Фиг. 1; на Фиг. 4 - узел С на Фиг. 2 - соединение сонотрода с волноводом изгибных колебаний; на Фиг. 5 - узел D на Фиг. 1 - крепление волноводов изгибных колебаний к торцевой стенке цилиндрического корпуса; на Фиг. 6 - условное изображение соединения сонотрода ультразвукового излучателя с волноводом изгибных колебаний в узле максимальной интенсивности изгибных колебаний волновода. На Фиг. 7-10 изображены различные варианты выполнения стержней волноводов изгибных колебаний.
Устройство для обработки водных сред в протоке (Фиг. 1, Фиг. 2) состоит из цилиндрического корпуса 1 с торцевыми стенками 2 и содержит узел подачи воды на обработку 3, узел отвода обработанной воды 4 (Фиг. 3), узел обработки ультрафиолетом, расположенный параллельно образующей цилиндрического корпуса 1 внутри него, по меньшей мере по одной концентрической окружности, и состоящий по меньшей мере из двух ультрафиолетовых излучателей 5, снабженных защитными чехлами из материала, прозрачного для ультрафиолетового излучения, и узел ультразвуковой обработки, состоящий по меньшей мере из двух ультразвуковых излучателей 6, установленных на внешней стороне цилиндрического корпуса 1 с обеспечением акустической изоляции от корпуса 1 за счет герметичных узлов крепления 8. Ультразвуковые излучатели 6 на концах снабжены погружными сонотродами продольных колебаний цилиндрической формы 9 (Фиг. 4), длина которых кратна полуволне ультразвука. Внутри корпуса 1 расположены по меньшей мере два волновода изгибных колебаний 7, выполненные в виде стержней различной конфигурации (Фиг. 7-10), длиной, кратной длине полуволны ультразвука, жестко закрепленные в торцевых стенках 2 цилиндрического корпуса 1 (Фиг. 5), каждый из которых соединен по меньшей мере с одним сонотродом 9 ультразвукового излучателя 6. По меньшей мере один сонотрод 9 ультразвукового излучателя 6 соединен с волноводом изгибных колебаний 7 в узле максимальной интенсивности изгибных колебаний волновода 7 (Фиг. 6). Расстояния между ультрафиолетовыми излучателями, ультразвуковыми излучателями, ультрафиолетовыми и ультразвуковыми излучателями кратны длине полуволны ультразвука.
Устройство работает следующим образом.
Исходную водную среду, подвергаемую обработке, содержащую различные по виду и характеру загрязнения, через узел подачи воды на обработку 3 подают внутрь цилиндрического корпуса 1 устройства для обработки водных сред в протоке, где ее подвергают обработке ультрафиолетовым и ультразвуковым излучениями в едином акустическом поле.
Под воздействием ультразвукового излучения в объеме обрабатываемой водной среды происходит образование ультразвуковых пузырьковых каверн, на поверхности которых происходит фотохимическая инактивация патогенной микрофлоры, и при схлопывании которых на клеточном уровне разрушаются оболочки микроорганизмов, а также разрушаются белки, жиры и углеводы. Одновременно происходит процесс объемного удаления газов, растворенных в водной среде, во время которого под воздействием ультрафиолетового излучения при одновременном схлопывании пузырьковых каверн могут образовываться активные радикалы и окислители, в частности, ОН радикалы, которые способствуют ускорению и повышению степени окисления загрязнений и инактивации патогенной микрофлоры. При этом также повышается степень очистки от биообрастания и отложения солей на поверхностях защитных чехлов ультрафиолетовых излучателей 5 и внутренней поверхности корпуса 1.
Для повышения однородности распределения ультразвуковых колебаний в объеме обрабатываемой водной среды и увеличения количества ультразвуковых пузырьковых каверн, ультразвуковые излучатели 6 снабжены погружными сонотродами продольных колебаний 9 цилиндрической формы, соединенными с волноводами изгибных колебаний 7 и являющимися излучателями ультразвуковых колебаний. Это позволяет добиться большей однородности образования пузырьковых каверн по обрабатываемому объему жидкости при меньших энергозатратах.
Установка ультразвуковых излучателей 6 на внешней стороне корпуса 1 с обеспечением их акустической изоляции от корпуса 1 герметичными узлами крепления 8 позволяет исключить потери ультразвуковой энергии на элементах конструкции корпуса, ввести ультразвуковую энергию непосредственно в обрабатываемый объем жидкости при минимальных энергозатратах.
Расстояния между ультрафиолетовыми излучателями 5, ультразвуковыми излучателями 6, ультрафиолетовыми и ультразвуковыми излучателями, а также длины сонотродов 9 и волноводов изгибных колебаний, кратные длине полуволны ультразвука, также способствуют равномерности распределения совокупности всех факторов, влияющих на очистку и обеззараживание водных сред.
Волноводы изгибных колебаний 7, жестко закрепленные в торцевых стенках 2 цилиндрического корпуса 1, выполняют функции турбулизаторов и кавитаторов потока обрабатываемых водных сред, а также одновременно функцию упрочняющих стяжек корпуса 1, что позволяет дополнительно интенсифицировать обработку водных сред и обеспечить повышенную прочность устройства при его эксплуатации в условиях повышенных давлений.
Очищенную и обеззараженную водную среду выводят из устройства через узел отвода обработанной воды 4.
Таким образом, предложенное устройство позволяет повысить степень очистки водных сред от различных по своему составу загрязнений и обеззараживания от патогенной микрофлоры за счет повышения эффективности воздействия ультразвука при одновременном снижении энергозатрат. Кроме того, устройство обладает повышенной прочностью корпуса, что является важным при его эксплуатации в условиях повышенных давлений.