УСТРОЙСТВО ДЛЯ ОБЕЗЗАРАЖИВАНИЯ ВОДЫ

Полезная модель относится к области водоочистки, а именно к установкам и оборудованию для очистки и обеззараживания природной, питьевой, технической воды и сточных вод различного происхождения от микроорганизмов и биологически активных компонентов.
В настоящее время известны технологии конверсии органических загрязнителей с использованием озона и других мощных окислителей, а также путем фотокаталитического окисления и методов электрического разряда (RU 161633, 2016; RU 161968, 2016; RU 173849, 2017; RU 2220110, 2003; SU 1353743, 1987, JP 02284689 и др.), однако, как правило, они недостаточно эффективны и весьма дорогостоящи.
Так известна (RU 2220110, 2003) установка для очистки воды от физико-химических и микробиологических загрязнений, в которой обработку воды и содержащихся в ней загрязнений производят последовательной подачей высоковольтных и сильноточных импульсов с противоположной полярностью при отношении энергий сильноточных импульсов к высоковольтным в диапазоне 0,1-10, причем напряжение высоковольтных импульсов составляет 800-1000 В, а сильноточных - 100-300 В, при этом сила тока импульсов составляет соответственно 150-300 и 500-1500 А.
Известна установка (WO 2008008958), которая состоит из корпуса с расположенными внутри нее вертикальными пластинчатыми электродами, между которыми формируется импульсный коронный разряд. Обработанная жидкость диспергируется между электродами в капельках или в виде тумана. Форма электродов выбирается так, чтобы обеспечить стабильный поток жидкости через зону окисления.
Недостатком устройств является то, что остаточное напряжение, наблюдаемое на поверхности электродов, является высоким в течение длительного времени и приводит к возникновению вредной искры пробоя и, как следствие, разрушению электродов, особенно когда используются жидкости с высокой электропроводностью, то есть воды с высоким содержанием солей и обогащенный кислородом газ.
Наиболее близкой по технической сущности и достигаемому эффекту к заявляемому решению является установка для обработки воды с помощью реактора коронного разряда (WO 2014188078). в которой жидкая смесь подается в виде душа сверху вниз между, по меньшей мере, двумя вертикальными пластинчатыми электродами в зону, где присутствует кислород в виде газовой фазы и между ними расположен по меньшей мере один электрод, создающий в паре с пластинчатыми электродами высокое напряжение. Между вертикальными пластинчатыми электродами для образования зоны электрического разряда генерируется зона импульсного электрического разряда, в которой осуществляется окисление органических загрязнений.
Устройство содержит дополнительно средство подачи кислорода в виде газовой фазы, содержащей кислород в концентрации от 60 до 99 об.%, устройство для равномерного распределения жидкой смеси между вертикальными пластинчатыми электродами, например, форсунки, перфорированные плиты и тому подобное, а также средство регулировки параметров импульса электрического разряда.
В ходе работы предпочтительно генерируются короткие импульсные электрические разряды с частотой от 1 до 1400 импульсов в секунду (pps). Параметры импульса регулируются так, что остаточное напряжение, оставшееся после импульса электрического разряда, уменьшается, по меньшей мере, до уровня напряжения, предшествующего импульсному разряду, например, так, что достигается профиль биполярного импульса. Генератор импульсов подключен к электроразрядному реактору и выполнен с возможностью генерации импульсов электрического разряда, например, импульсов коронного разряда, как правило, с частотой от 1 до 1400 импульсов в секунду (pps).
Низковольтный вертикальный электрод представляет собой заземленный пластинчатый электрод, а высоковольтный электрод представляет собой в качестве одного из вариантов проволочный электрод, который помещается между вертикальными электродами, так что между последними образуются несколько горизонтально ориентированных каналов разнесения стримеров с образованием горизонтально ориентированной короткоимпульсной зоны электрического разряда. Чтобы уменьшить вес устройства, электрод с вертикальной пластиной может быть выполнен в виде проводящей проволочной сетки, в которой расстояние между соседними проводами внутри сетки не должно превышать расстояние между двумя соседними высоковольтными проволочными электродами и предпочтительно находится в диапазоне от 1 до 10 мм.
Недостатком устройства является недостаточно высокая эффективность в отношении воздействия на биоматериал.
Задачей, решаемой авторами являлось повышение эффективности установки, за счет дополнения проходящего в установке процесса окисления обработки биоматериала с помощью ультразвуковых волн, возникающих при ее работе.
Технический результат достигался за счет создания установки, в корпусе которой расположен реактор коронного разряда, состоящий из пластинчатых низковольтных электродов и расположенных между ними высоковольтных электродов, причем высоковольтные электроды, выполненные в виде проволоки, установлены на уровне верхней части низковольтных электродов и закреплены с возможностью вибрации. В состав установки дополнительно входят подсоединенные к электродам генераторы высокого и низкого напряжения, а также генератор подачи кислородсодержащего газа, трубопровод для его подачи, емкость для накопления очищенной воды, трубопроводы для подачи очищаемой воды и вывода очищенной воды. При необходимости в корпусе на трубопроводе очищаемой воды может быть дополнительно установлено распылительное устройство для очищаемой воды.
Высоковольтные электроды между низковольтными, как правило, располагаются в один горизонтальный слой, однако для усиления действия установки она может содержать несколько горизонтальных рядов высоковольтных электродов.
Вместо проволоки высоковольтные электроды могут быть выполнены в виде ленты, пластины, трубки или иной аналогичной пространственной структуры, а также быть жестко закреплено, однако проведенные эксперименты показали, что эффективность биоцидного действия при этом снижается.
В частности, это обусловлено тем, что максимальное воздействие ультразвука на микроорганизмы достигается при использовании низкочастотного ультразвука, оказывающего биоцидное воздействие на такие микроорганизмы, как негемолитический стрептококк, вульгарный протей, неклостридиальная анаэробная микрофлора, кишечная палочка, эхинококк, более устойчивыми к озвучиванию считаются золотистый вирулентный стафилококк и синегнойная палочка. (https://www.bibliofond.ru/view.aspx?id=479470)
Общий вид установки приведен на фиг. 1, вид сверху на зону электродов - на фиг. 2.
На рисунках используются следующие обозначения:
1. Корпус установки.
2. Низковольтный электрод (НВЭ).
3. Высоковольтный электрод (ВВЭ).
4. Распыляющее устройство (не обязательно).
5. Зона коронного разряда.
6. Емкость для накопления очищенной воды
7. Импульсный генератор высокого напряжения.
8. Генератор низкого напряжения.
9. Генератор подачи кислорода.
10. Линия подачи кислородсодержащего газа.
11. Входящий трубопровод.
12. Выходящий трубопровод.
Предлагается устройство, которое состоит из расположенной в корпусе 1 разрядной камеры, состоящей из заземленных расположенных параллельно вертикальных пластинчатых низковольтных электродов 2, между которыми на уровне их верхней части закреплены с возможностью вибрации высоковольтные электроды аноды 3. НВЭ 2 соединены с генератором низкого напряжения 8. а ВВЭ 3 - с импульсным генератором высокого напряжения 7, снабженными при необходимости регулирующими устройствами. Высоковольтные электроды 3 расположены на изоляторах, а мощность подается на высоковольтные электроды 3 от генератора 7 с использованием высоковольтной шины. НВЭ 2 выполняются из плоских или выпуклых пластин, расположенных вертикально или под небольшим углом к вертикальному направлению, например, до 10-20°.
ВВЭ 3 помещаются между НВЭ 2 таким образом, чтобы генерировать импульсный коронный разряд между НВЭ 2, образуя зону коронного разряда 5, коротко-импульсный коронный разряд, и многочисленные вертикальные разрядные каналы короны, которые распространяются горизонтально между НВЭ 2.
В пространство между НВЭ 2 в средней части корпуса 1-зону коронного разряда 5- из генератора подачи кислорода 9 введена линия подачи кислородсодержащего газа 10. В нижней части корпуса размещена емкость для накопления очищенной воды 6, связанная с выходящим трубопроводом 12.
Над ВВЭ 3 может быть размещено распыляющее устройство, например, перфорированная пластина, связанное с входящим трубопроводом 11.
Установка работает следующим образом. В пространство между НВЭ 2 из генератора 9 через трубопровод 10 подается кислородсодержащий газ с содержанием кислорода более 60%. Генератор импульсов 7 генерирует импульсы высокого напряжения длиной от 100 до 400 наносекунд, подаваемые на проволочные ВВЭ 3 с частотой от 1 до 1400 pps, так что коронный разряд между ВВЭ 3 и НВЭ 2 происходит в межэлектродном пространстве и под действием энергетических импульсных разрядов в зоне коронного разряда 5 возникает плазменное состояние. Очищаемые воды через трубопровод 11 поступают в корпус 1 в зону электродов 2 и 3. При этом под воздействием высоковольтного напряжения ВВЭ 3, закрепленные на изоляторах подвижно вибрируют, образуя ультразвуковые волны, под воздействием которых поступающая вода переходит в мелкодисперсное состояние, при этом осуществляется деактивирующее воздействие на микроорганизмы, а взвешенные или растворенные в ней органические соединения переходят в возбужденное (активированное) состояние, в результате чего подвергаются в зоне коронного разряда более эффективному разрушению под действием озона и иных заряженных частиц, образующихся в зоне разряда из кислорода, воды и органических молекул.
Вибрация электродов 3 наряду с образованием ультразвука одновременно воздействует на поле разряда, делая его также вибрирующим (квазинеустойчивым), что обеспечивает дополнительное образование радикалов при входе жидкости в зону коронного разряда 5. В зоне коронного разряда 5 под воздействием интенсивного окисления, воздействия ультразвука и бомбардировки биообъектов образующимися радикалами происходит их деструкция и распад.
Далее вода с продуктами распада попадает в емкость для накопления очищенной воды 6, где при необходимости отстаивается или фильтруется, после через трубопровод 12 поступает потребителю или рециркулируется.
При необходимости, в частности, при очистке растворов, возможна установка над зоной электродов распыляющих приспособлений, однако использование вибрирующих электродов позволяет проводить очистку сточных вод без предварительной очистки с взвесями и небольшими примесями, не опасаясь забивания пор распылителя.
Проведенные испытания показали, что установка обеспечивает надежное бактерицидное воздействие как на все виды микроорганизмов, так и на широкий слой органических веществ, в частности, лекарственных препаратов и нефтепродуктов, решая проблему защиты окружающей среды от сточных вод фармацевтических предприятий, ферм и подобных объектов. Дополнительным преимуществом заявляемой установки является ее компактность.
Сущность и преимущества установки иллюстрируются следующими примерами.
Пример 1. Очистка сточных вод от микроорганизмов.
На опытной установке была проведена очистка сточных вод от условно-патогенных штаммов, таких как Staphylococcus aureus, Mycoplasma pneumoniae, Escherichia coli, Clostridium difficile и ряда других микроорганизмов.
Параметры установки были заданы таким образом, чтобы генератор импульсов генерировал импульсы высокого напряжения длиной 380 наносекунд, подаваемых на ВВЭ с частотой 800 и 1200 pps.   Периодически брались пробы очищенной воды, и оценивалась зараженность жидкости.
Таким образом, предлагаемое техническое решение обеспечивает очистку воды от широкого спектра микроорганизмов.
Пример 2. Очистка воды от органических примесей.
Была проведена очистка сточных вод с содержанием фармацевтических препаратов и нефтепродуктов. Через трубопровод в корпус установки в зону электродов поступает сточная вода, содержащая органические вещества, в частности, фармпрепараты и нефтепродукты.
При этом параметры установки были заданы таким образом, чтобы генератор импульсов генерировал импульсы высокого напряжения длиной 400 наносекунд, подаваемых на проволочные ВВЭ с частотой 950 pps.
После очистки результаты показали, что содержание органических веществ снизилось более чем на 70%.
Пробы, содержащие полиоксипирролидон и нефтепродукты, были подвергнуты очистке на установке с вмонтированным дополнительным слоем ВВЭ. Были получены следующие результаты: для полиоксипирролидона степень конверсии составила 86%, для нефтепродуктов - 83%.
Пример 3. Очистка сточных вод от вирусов.
Исследование было проведено на пробе с содержанием в воде реассортантного штамма вируса гриппа RA-52, полученного в лаборатории гриппозных вакцин ФГБУ "Научно-исследовательский институт гриппа имени А.А. Смородинцева" МЗ РФ.
6,5
Через трубопровод в корпус установки в зону электродов поступала сточная вода с содержанием штамма вируса гриппа RA-52 в концентрации 10 КОЕ/мл. Генератор импульсов генерировал импульсы высокого напряжения длиной 200 наносекунд, подаваемых на проволочные ВВЭ с частотой 600 pps.
-1
-9
Определение инфекционной активности вируса осуществляли следующим образом. Делали десятикратные разведения вируссодержащей аллантоисной жидкости на физиологическом растворе. Каждым разведением, начиная с 10 до 10, заражали по 3 куриных эмбриона посредством введения 0,2 мл суспензии вируса в аллантоисную полость. Инкубировали в термостате 48 часов при температуре 32°С. Затем эмбрионы охлаждали в течение ночи при +4°С (18,0±2,0 ч.) и вскрывали.
Шприцем отбирали из каждого эмбриона по 0,05 мл ВАЖ и переносили в лунки планшета для иммунологических реакций. Для каждого разведения использовали отдельный шприц. После вскрытия всех эмбрионов, каждую лунку в планшете, содержащую ВАЖ, заливали 1% суспензией куриных эритроцитов по 0,05 мл в каждую лунку. Инфекционную активность вируса рассчитывали по методу Рида и Менча. РГА проводили в микропланшетах, в общем объеме 0,1 мл (0,05 мл вируса + 0,05 мл взвеси 1%-ных куриных эритроцитов). Планшеты инкубировали в течение 30 минут при температуре 20-22°С, затем учитывали результаты (Табл. 3).
Использовали следующие образцы:
ОИ - исходный, не разведенный вирус
РИ 1 - разведенный в фосфатном буфере исходный вирус рН 7.3
И1, И2, И3 - водопроводная забуференная вода рН 7,3
О1, О2, О3 - вирусные образцы после обработки.
И3 - соответствует И2, но скорость пропускания вдвое быстрее
Результаты исследований приведены в таблице 3
В серии исследования опытных образцов на куриных эмбрионах показано, что инфекционная активность составляет:8,5 lg для исходного вируса RA-52; для образца РИ1 -6,24 lg, для образцов И1-И3 от 5,75 до 4,25 lg, для образцов О1-О3 - менее 0,75 lg.
Полученные результаты показали перспективность использования установки для инактивации вирусов в водной среде и для обеззараживания воды.