Способ и устройство для обработки водной среды в потоке
METHOD AND DEVICE FOR TREATING AQUEOUS MEDIUM IN STREAM

Изобретение относится к технологии очистки воды или водной среды различного происхождения, в частности к высокопроизводительным методам единовременной комплексной обработки воды в потоке водной среды без применения химических реагентов. Предложенная технология включает в себя плазменную обработку, обработку ультрафиолетовым облучением, термобарическую, кавитационную и ультразвуковую обработку. Изобретение предназначено для защиты жизни и здоровья человека путем приведения физических, химических и биологических параметров потребляемой воды в соответствие с нормативными требованиями к качеству воды.
Вода является неотъемлемым условием поддержания жизни, поскольку ее характеристики определяют качество и продолжительность жизни людей. Индивидуальное потребление воды зависит от ряда факторов, но в среднем находится в интервале от 12 до 200 л в сутки на человека. Согласно докладу Всемирной организации здравоохранения (ВОЗ) в 2007 году 1,1 млрд человек не имели доступа к улучшенным источникам водоснабжения, из 4 млрд. случаев диареи 88% были вызваны использованием небезопасной воды, а также неадекватной санитарией и гигиеной. Кроме того, по данным экспертов ВОЗ ежегодно 1,8 млн человек умирают от диарейных заболеваний, из них в 94% случаев развитие диареи можно предотвратить путем изменения условий окружающей среды, включая доступ населения к безопасной (очищенной и подготовленной) воде.
Известно несколько основных методов дезинфекции воды: хлорирование, озонирование и применение ультрафиолетового облучения. Под дезинфекцией понимают уничтожение в воде микроорганизмов (прокариот, эукариот и вирусов).
Любой метод водоочистки имеет свои плюсы и минусы. Современная водоподготовка основывается на многостадийности и комплексности методов, направленных на приведение физических, химических и биологических параметров воды в соответствие с нормой. Главной тенденцией развития технологии дезинфекции воды является комплексность методов дезинфекции, основанная на синергетических эффектах различных методов. В таблице 1 приведены сравнительные сведения по известным методам дезинфекции воды.
Следует отметить, что для положительных результатов водоочистки, как правило, недостаточно использования одного из вышеперечисленных методов, т.к. ни один из них не является универсальным, и современная водоподготовка подразумевает многоступенчатую систему очистки.
Из уровня техники известен способ и устройство для обработки воды (патент РФ №2272791, 06.09.2004, МПК C02F 1/74), в котором воздействие на содержащиеся в воде вредные компоненты осуществляют созданием с помощью форсунки градиента давления в водном массиве с формированием ускоренного потока воды и последующим воздействием на него бактерицидного излучения. При этом ультрафиолетовое (УФ) облучение осуществляют непрерывно, а распыление форсункой водного потока производят в воздушной среде с привлечением механизмов кавитации и окисления для обезвреживания растворенных в воде веществ. Затем отделение крупных фракций осуществляют с помощью гидроциклона, до и после которого используют обработку потока магнитным полем. Недостаток указанного технического решения состоит в многостадийности и низкой производительности процесса обработки воды. Кроме того, следует отметить недостаточную эффективность известной технологии в плане улучшения микробиологических показателей воды, а также повышенную энергоемкость системы стерилизации жидкой среды.
c
c
c
c
Наиболее близким аналогом заявляемого устройства для обработки водной среды является устройство, описанное в патенте Украины на полезную модель №35346 (10.09.2008, МПК C02F 1/00). Указанный документ раскрывает установку для обеззараживания балластовых вод и других водных сред в потоке. Установка содержит вакуумсоздающее устройство, подводящий и отводящий трубопроводы. Вакуумсоздающее устройство выполнено в виде сопла, вмонтированного в переднюю стенку вакуум-камеры, снабженной манометром. Подводящий трубопровод снабжен последовательно соединенными фильтром, насосом, расходомером, термометром и манометром, а отводящий трубопровод снабжен регулятором противодавления и манометром, при этом длина вакуумного участка относительно диаметра его полости равна L=(3÷15) D, где L - длина вакуумного участка, D - диаметр полости вакуумного участка, а длина сопла относительно диаметра его исходного среза определяется соотношением l/d=(0,7÷7), где l - длина сопла, d - диаметр сопла, а соотношение площади поперечного сечения сопла на уровне кромки и площади поперечного сечения вакуум-камеры составляет f/F=(0,2÷0,6), где f - площадь сопла, F - площадь вакуум-камеры.
Недостаток указанного устройства для обработки водной среды состоит в недостаточной эффективности уничтожения микроорганизмов в водной среде.
Наиболее близким аналогом заявляемого способа обработки водной среды является способ стерилизации жидких сред, раскрытый в описании патента РФ №2325329 (27.05.2008, МПК C02F 1/36, C02F 1/32), при котором воздействие на содержащиеся в воде микроорганизмы размером от 1 до 10000 мкм осуществляют созданием градиента давления в водном массиве с формированием ускоренного потока воды и воздействием на него бактерицидным излучением. При этом, после ускорения потока с формированием локальной декомпрессии, ударной волны и температурных импульсов в его объеме водный поток резко замедляют, а после воздействуют бактерицидным излучением в виде пульсирующего ультрафиолетового излучения и/или плазменного разряда в микропузырьковой жидковоздушной среде. Плазменный разряд создают в виде поперечного коронного разряда, то есть перекрывающего сечение, проходящее через него водного потока в реакционной ячейке.
Известный способ обработки водной среды имеет ряд недостатков. В описании патента РФ №2325329 авторы указывают, что после торможения (схлопывания парогазовых пузырьков) жидкость облучали УФ-излучением с длиной волны 185 нм. Однако после торможения не все парогазовые пузырьки схлопываются, а ввиду того, что время жизни микропузырьков диаметром 4±1 мкм может составлять минуты, идет процесс интенсивного поглощения УФ-излучения микропузырьками, и, следовательно, обработка воды происходит не по всему объему. Далее, плазменный разряд формируют перпендикулярно потоку жидкости в отдельной камере при избыточном давлении. Зазор между электродами составляет примерно 10 мм (об этом можно судить по напряжению на электродах 850 В). Кроме этого, в камеру подают воздух из компрессора мощностью 5 кВт, а при такой мощности компрессора нельзя создать равномерное распределение воздушных пузырьков по всему объему реакционной ячейки. Для поджига плазмы необходимо подавать ток около 3 А, но при таком токе максимальное время работы стержневых электродов составляет порядка 30 мин., после чего электроды сгорают.
Задачей настоящего изобретения является создание высокоэффективной и высокопроизводительный технологии обработки воды, в частности воды поверхностных источников, а также водной среды различного происхождения (включая различные растворы, технические и сточные воды) путем осуществления единовременной комплексной плазменной, ультрафиолетовой, термобарической, кавитационной и ультразвуковой обработки воды в потоке с повышением качества готового продукта и приведением обработанной воды в соответствие санитарно-гигиеническим нормам (СанПиН 2.1.4.1074-01 «Питьевая вода. Гигиенические требования к качеству воды централизованных систем питьевого водоснабжения. Контроль качества». Минздрав РФ. 2002. 62 с).
Технический результат заключается в повышении эффективности дезинфекции воды с повышением микробиологических показателей качества водной среды.
Поставленная задача решается, а заявленный технический результат достигается с использованием устройства для обработки водной среды в потоке, содержащего реакционную камеру с подводящим патрубком и отводящим патрубком и элемент первой ступени сопла, установленный на входе в реакционную камеру, обеспечивающий падение давления на входе в реакционную камеру. Также устройство содержит диффузор, размещенный на выходе из реакционной камеры для торможения потока. При этом реакционная камера выполнена из диэлектрического материала (например, из полиметилметакрилата, поликарбоната, эбонита или капролона) и формируется последовательно установленными в ней по ходу потока кольцевыми электродами, разнесенными по длине камеры для создания в полости реакционной камеры продольного плазменного разряда.
В предпочтительном варианте реализации изобретения электроды выполнены из металлического электропроводного материала, выбранного из группы, включающей молибден, серебро, медь, а также сплавы указанных металлов.
В другом варианте реализации изобретения электроды выполнены из нержавеющей стали, электропроводной пористой керамики, графита или силицированного графита.
Поставленная задача решается, а заявленный технический результат достигается также в способе обработки водной среды в потоке, который включает направление потока под давлением в элемент первой ступени сопла с дальнейшим истечением потока в реакционную камеру для обработки водной среды с образованием двухфазного газожидкостного потока и последующим торможением и конденсацией двухфазного потока на выходе из реакционной камеры. При этом в реакционной камере создают продольный плазменный разряд, который инициирует УФ-излучение и синтез озона из кислорода, выделившегося из водной фазы при образовании двухфазного газожидкостного потока, а при торможении потока схлопыванием пузырьков газа создают ультразвуковое поле и локальный перегрев потока водной среды.
В предпочтительном варианте реализации изобретения подачу водной среды в элемент первой ступени сопла осуществляют под давлением в диапазоне от 0,2 до 2 МПа.
Также в предпочтительных вариантах реализации изобретения:
- продольный плазменный разряд создают подачей на электроды напряжения от 500 до 2000 В и тока от 20 до 200 мА,
-4
-2
- время воздействия плазменного разряда на поток водной среды обеспечивают в течение времени от 10 до 10 секунд;
- давление в реакционной камере поддерживают в диапазоне от 1 до 10 кПа.
Далее изобретение подробно описывается со ссылками на фигуры.
На фиг. 1 показана принципиальная схема установки для обработки водной среды, в составе которой использовано заявляемое устройство для обработки водной среды в потоке. На фиг. 1 используются следующие обозначения:
1 - устройство для обработки водной среды в потоке;
2 - трубопровод;
3 - фильтр на выходе из устройства для обработки водной среды в потоке;
4 - насос подачи водной среды;
5 - генератор постоянного/переменного тока;
6 - подающая магистраль;
7 - выходная магистраль;
8, 9 - вентили запорные;
10 - фильтр на входе в устройство для обработки водной среды в потоке;
11 - расходомер;
12 - датчик температуры водной среды;
13, 14 - датчики давления водной среды;
15 - вентиль регулирующий;
I - подающий напорный трубопровод;
II - сливной трубопровод для выхода очищенной водной воды.
На фиг. 2 приведена принципиальная схема заявленного устройства для обработки водной среды в потоке, выполненного в виде сверхзвукового плазменного реактора. На фиг. 2 используются следующие обозначения:
16 - патрубок подвода жидкости;
17 - элемент первой ступени сопла;
18 - зона формирования двухфазного потока;
19 и 21 - кольцевые электроды;
20 - зона плазменной обработки потока;
22 - диффузор;
23 - отводящий патрубок;
24 - контакты для соединения с генератором.
Заявленное устройство работает следующим образом.
Обработка водной среды в потоке осуществляется преобразованием водного потока в сверхзвуковой двухфазный поток за счет резкого падения давления на выходе из элемента первой ступени сопла 17 (первый скачок давления) и плазменной обработкой потока в зоне плазменной обработки потока 20 с последующим торможением при расширении потока в диффузоре 22 (второй скачок давления). На обработку водную среду, например, в виде речной воды через подводящий патрубок 16 подают под давлением в элемент первой ступени сопла 17 с дальнейшим ее истечением в полость реакционной камеры, представляющей собой пространство от зоны формирования двухфазного потока 18 до диффузора 22.
c
кс
Элемент первой ступени сопла 17 и полость реакционной камеры формируют сопло. За счет разницы диаметра элемента первой ступени сопла 17 (D) и превосходящего его диаметра полости реакционной камеры (D) реализуется первый скачок (падение) давления, создающий зону разрежения в полости реакционной камеры. После прохождения элемента первой ступени сопла 17 скорость потока остается постоянной, однако поток становится сверхзвуковым, так как скорость звука падает.
2
2
2
H2O
H2O
H2O
В зоне разряжения зажигают плазменный разряд. При этом, исходную водную среду подают в элемент первой ступени сопла 17 под давлением более 0,2 МПа. В полости реакционной камеры за счет декомпрессии происходит вскипание водной среды с выделением из нее паров воды и растворенных газов (в основном кислорода О, углекислого газа СО и азота N, содержание которых в пресной воде составляет соответственно около 7 мг/кг, 14 мг/кг и 14 мг/кг).
Таким образом, формируют двухфазный сверхзвуковой поток, через который пропускают продольный плазменный разряд, а затем, после прохождения реакционной камеры, поток подвергают воздействию второго скачка (повышения) давления в диффузоре (за счет создания противодавления посредством регулирующего вентиля 15) с лавинообразной конденсацией паровой фазы двухфазного потока.
Плазменный разряд в объеме сверхзвукового двухфазного потока водной среды инициирует электромагнитное излучение ультрафиолетовой области спектра (170÷300 нм), видимой области спектра (380÷400 нм) и инфракрасной области спектра (760÷780 нм). При этом воздействие УФ-излучения приводит к частичной стерилизации обрабатываемой водной среды.
В зоне плазменной обработки потока 20 в присутствии кислорода, выделившегося из потока воды, происходит синтез озона из кислорода, который позволяет обработать водную среду с обеспечением ее стерилизации и значительным улучшением микробиологических показателей качества водной среды.
При осуществлении второго скачка (резкого повышения) давления в потоке водной среды формируется спектр колебаний различной физической природы, в том числе ультразвуковых и электромагнитных, способствующих схлопыванию газовых пузырьков, которые, в свою очередь, схлопываясь, рождают новые колебания, то есть наблюдается лавинообразный процесс схлопывания газовых пузырей, что создает мощное ультразвуковое поле и вызванный им локальный перегрев жидкости в области схлопывания пузырьков, в результате чего происходит термическая обработка исходной воды - ее дезинфекция.
Установка для обработки водной среды, показанная на фиг. 1, включает в себя подающий насос 4, генератор постоянного/переменного тока 5, подающий напорный I и сливной II трубопроводы, вентили 8, 9 и 15, расходомер 11, датчик температуры водной среды 12, датчики давления водной среды 13 и 14, а также устройство 1 для обработки водной среды, представляющее собой сверхзвуковой плазменный реактор. При этом устройство для обработки водной среды содержит реакционную камеру, которая включает в себя элементы 18-21: зону 18 формирования двухфазного потока с последовательно установленными по ходу потока первым и вторым кольцевыми электродами 19 и 21, разнесенными между собой на расстояние, соответствующее длине зоны плазменной обработки потока 20, которая также входит в реакционную камеру. Стенки реакционной камеры на протяжении зоны 20 выполнены из диэлектрического материала (например, из полиметилметакрилата, поликарбоната, эбонита или капролона). Кольцевые электроды 19 и 21 для поджога плазмы могут быть выполнены из различных металлов и неметаллов, проводящих электрический ток, а также из пористого диэлектрика с электропроводным наполнителем.
Длина полости реакционной камеры и ее диаметр, предпочтительно, связаны соотношением:
L=(10÷15)⋅D,
где L - длина полости реакционной камеры, D - диаметр полости реакционной камеры. Как показали эксперименты, при таком соотношении размеров полости реакционной камеры возможно использовать напряжение на электродах в диапазоне 500÷2000 В, что является предпочтительным с точки зрения энергосбережения.
Кроме того, в напорный трубопровод I между подающим насосом 4 и входом в устройство 1 для обработки водной среды в потоке могут быть подключены такие контрольно-измерительные приборы как расходомер, датчики давления и температуры (11, 12, 13).
вх
с
с
кс
сзв
э1
э1
пр
э2
э2
э2
В соответствии с предпочтительным вариантом воплощения изобретения устройство 1 для обработки водной среды состоит из подводящего патрубка 16 диаметром D, элемента первой ступени сопла 17 диаметром D и длиной L, зоны формирования двухфазного потока 18 диаметром D и длиной L, кольцевого электрода 19 диаметром D и длиной L, зоны плазменной обработки потока 20 диаметром D и длиной L, кольцевого электрода 21 диаметром D и длиной L, диффузора 22, и отводящего патрубка 23.
Диаметры патрубков 16 и 23 выбираются из условия обеспечения скорости движения потока не более 1,0÷1,5 м/с.
с
с
Диаметр элемента первой ступени сопла 17 рассчитывается исходя из условия получения минимального давления на выходе (соответствует давлению насыщения воды при данной температуре). Длина элемента первой ступени сопла 17 предпочтительно лежит в диапазоне от 0,5⋅D до 3,0⋅D.
c
кс
Диаметр зоны 18 формирования двухфазного потока определяется из условия минимальной локальной скорости звука водной среды 10÷20 м/с и составляет величину (1,24÷2,00)⋅D. Длина зоны составляет величину (3,0÷40,0)⋅D.
с
кс
Диаметр зоны кольцевого электрода 19 составляет величину (1,2÷2,0)⋅D. Длина кольцевого электрода составляет величину (0,5÷1,5)⋅D.
с
кс
Диаметр зоны плазменной обработки потока 20 определяется из условия минимальной локальной скорости звука водной среды 10÷20 м/с и составляет величину (1,24÷2,0)⋅D. Длина зоны 20 составляет величину (3,0÷10,0)⋅D.
c
кс
Диаметр кольцевого электрода 21 составляет величину (1,2÷2,0)⋅D. Длина кольцевого электрода составляет величину (0,5÷1,5)⋅D.
Полный угол раскрытия диффузора 22 предпочтительно находится в диапазоне от 6 до 30°.
В зоне плазменной обработки потока 20 создают постоянное или переменное электрическое поле с напряжением 500÷2000 В через кольцевые электроды 19 и 21 и контакты 24. Время воздействия плазменного разряда на поток водной среды, т.е. время обработки водной среды, в зоне плазменного разряда составляет приблизительно от 0,0001 до 0,01 секунды. Этого времени достаточно, чтобы уничтожить все известные виды патогенных микроорганизмов, которые обитают в пресных водоемах.
Для формирования плазменного разряда предпочтительно пониженное давление в реакционной камере в зонах 18, 19, 20 и 21 в сравнении с давлением водной среды на входе в подводящий патрубок 16. Пониженное давление достигается за счет сопла, образованного элементом первой ступени 17 и полостью реакционной камеры. Величина пониженного давления лежит в диапазоне от 1 до 10 кПа.
Для создания плазменного разряда между кольцевыми электродами в заявленном устройстве достаточно силы тока 20÷200 мА (поджиг разряда осуществляют при токе примерно 150 мА, а затем ток снижают до 50÷70 мА) и напряжения на электродах 900÷1000 В. Если сравнивать с прототипом, износ электродов при таких токах незначителен.
Согласно настоящему изобретению все процессы обработки воды происходят в непрерывном потоке в реакционной камере заявленного устройства. Этими процессами являются:
- гидродинамическое воздействие на водную среду в потоке (резкое понижение давления до кипения воды и образования двухфазного потока);
- плазменный разряд с выделением электромагнитного излучения широкого спектра (ультрафиолетовое излучение, излучение видимого спектра, инфракрасное излучение и излучение радиочастотного спектра); при этом УФ-излучение оказывает губительное воздействие на микроорганизмы;
- воздействие ультразвукового излучения, образующегося в водной среде на стадии второго скачка (резкого повышения) давления, которое оказывает губительное воздействие на некоторые микроорганизмы;
- синтез озона in situ и последующая дезинфекция водной среды посредством ее озонирования образовавшимся озоном.
Также может быть предусмотрен ввод в водную среду ионов меди и серебра при выборе соответствующего материала кольцевого электрода.
Далее приведены примеры осуществления данного изобретения. Не являясь единственно возможными, они наглядно демонстрируют возможность достижения технического результата в различных вариантах осуществления изобретения.
Пример 1
3
Воду из реки (температура воды 18°C) через подающий напорный трубопровод I с помощью подающего насоса 4 производительностью 1,2 м/ч подавали в элемент первой ступени сопла 17 реакционной камеры (давление на входе в устройство 1 для обработки водной среды в потоке - 0,8 МПа). Затем вода истекала в зону 18 формирования сверхзвукового двухфазного потока, где за счет ее вскипания водной среды с выделением из нее паров воды и растворенных газов формировался двухфазный сверхзвуковой поток водной среды, после чего в зоне плазменной обработки потока 20 двухфазный поток подвергали действию плазменного разряда. Давление в зоне плазменной обработки потока 20 составляло 0,095 МПа; давление на выходе из устройства 1 для обработки водной среды в потоке - 0,28 МПа; диаметр реакционной камеры - 6,5 мм, зазор между медными электродами 19 и 21 - 40 мм, напряжение на электродах 19 и 21 - 900 В, сила тока на электродах 19 и 21 - 50 мА). На выходе из устройства отбирались пробы для измерения основных показателей чистоты воды согласно СанПиН 2.1.4.1074-01: общего микробного числа, содержания общих колиформных бактерий, содержания термотолерантных колиформных бактерий, содержания спор сульфитредуцирующих бактерий, содержание кишечной палочки (E. coli), содержание спор и клеток B.subtilis, содержание С.albicans, содержание спор С.cladosporioides.
Пример 2
3
Воду из реки (температура воды 20°C) через подающий напорный трубопровод I с помощью подающего насоса 4 производительностью 5,0 м/ч подавали в элемент первой ступени сопла 17 реакционной камеры (давление на входе в устройство 1 для обработки водной среды в потоке - 1,0 МПа). Затем вода истекала в зону 18 формирования сверхзвукового двухфазного потока, где за счет вскипания водной среды с выделением из нее паров воды и растворенных газов формировался двухфазный сверхзвуковой поток водной среды, после чего в зоне плазменной обработки потока 20 двухфазный поток подвергали действию плазменного разряда. Давление в зоне плазменной обработки потока 20 составляло 0,096 МПа; давление на выходе из устройства 1 для обработки водной среды в потоке - 0,30 МПа; диаметр реакционной камеры - 6,5 мм, зазор между серебряными электродами 19 и 21 - 45 мм, напряжение на электродах 19 и 21 - 1000 В, сила тока на электродах 19 и 21 - 100 мА). На выходе из устройства отбирались пробы для измерения основных показателей чистоты воды согласно СанПиН 2.1.4.1074-01.
Пример 3
3
Воду из реки (температура воды - 22°С) через подающий напорный трубопровод I с помощью подающего насоса 4 производительностью 15,0 м/ч подавали в элемент первой ступени сопла 17 реакционной камеры (давление на входе в устройство 1 для обработки водной среды в потоке - 1,2 МПа). Затем вода истекала в зону 18 формирования сверхзвукового двухфазного потока, где за счет вскипания водной среды с выделением из нее паров воды и растворенных газов формировался двухфазный сверхзвуковой поток водной среды, после чего в зоне плазменной обработки потока 20 двухфазный поток подвергали действию плазменного разряда. Давление в зоне плазменной обработки потока 20 составляло 0,097 МПа; давление на выходе из устройства 1 для обработки водной среды в потоке - 0,32 МПа; диаметр камеры - 6,5 мм, зазор между стальными электродами 19 и 21 -50 мм, напряжение на электродах 19 и 21 - 1200 В, сила тока на электродах 19 и 21 - 150 мА). На выходе из устройства отбирались пробы воды для измерения основных показателей чистоты воды согласно СанПиН 2.1.4.1074-01.
Результаты очистки воды на установке согласно настоящему изобретению приведены в таблице 2.
Примечание: ОМЧ - общее микробное число, ОКБ - общие колиформные бактерии, ТКБ - термотолерантные колиформные бактерии, ССБ - Споры сульфитредуцирующих бактерий.
Таким образом, заявленные устройство для обработки водной среды в потоке, а также способ обработки водной среды в потоке показали высокую эффективность очистки проточной речной воды. При этом в устройстве осуществлена более эффективная и экономичная обработка воды плазменным разрядом по сравнению с прототипом.