Способ стерилизации биологически опасных стоков и устройство для его реализации
METHOD FOR STERILIZATION OF BIOLOGICALLY HAZARDOUS EFFLUENTS AND A DEVICE FOR ITS IMPLEMENTATION

Изобретения относятся к термической очистке и обеззараживанию биологически опасных стоков (жидкостей) с обеспечением точного выполнения требований по температуре нагрева, давлению и времени выдержки при заданной температуре. Заявленные технические решения актуальны для внедрения в фармацевтической и биологической промышленности, в исследовательских учреждениях, в инфекционных больницах, в лабораториях, в животноводческих комплексах, на судах, в учреждениях Минздрава и др.
Способ и устройство для его реализации могут быть использованы для обеспечения работ по термической стерилизующей обработке стоков предприятий, работающих с патогенными биологическими агентами, таких как: ветеринарные учреждения, виварии; инфекционные больницы и отделения; микробиологические лаборатории контроля качества продуктов; исследовательские центры и производства, занимающиеся вирусологией, бактериологией, эпидемиологией, биотехнологией, генной инженерией, производством вакцин и сывороток.
Применение термической стерилизации биологически опасных стоков широко известно. Так известны способы проточной термической обработки (стерилизации) сточных вод без регенерации (полезного возвращения) теплоты нагрева, например по двум патентным источникам.
Аппарат для термической обработки жидких стоков септика по патенту США: US 2998139 (А) от 29.08.1961 - [1], содержащих по пути следования сточных вод проточный электрический нагреватель, для температурной дезинфекции (тепловой стерилизации) жидких стоков.
Проточная система тепловой стерилизации бытовых сточных вод лодок и судов по патенту Китая: CN 207108539 (U) от 16.03.2018 - [2], содержащая шкафы высокотемпературной стерилизации, анаэробные шкафы, аэробные шкафы, шкафы для осаждения и шкафы для обработки, расположенные последовательно в низу кабины.
Недостатком аналогов [1] и [2] является то, что в данных устройствах нет регенерации теплоты нагретой жидкости, и, следовательно, это приводит к большим энергозатратам на температурную стерилизацию жидкости.
Снижение энергозатрат на температурную стерилизацию биологически опасных стоков можно достигнуть применением регенерации теплоты в рекуперативных теплообменниках, конструктивные особенности которых известны из патентной литературы, касающейся теплоты сточных вод, приведенной ниже.
Устройство рекуперации отходящего тепла от обезжириваемых и декантируемых стоков - в переливных очистных баках с теплообменниками по патенту Франции: FR 2436948 (А1) от 18.04.1980 - [3].
Система теплообмена при очистке сточных вод по международной заявке: WO 2016100990 (А1) от 23.06.2016 - [4].
Устройство теплообменника водоочистных сооружений по патенту Китая: CN 207716923 (U) от 10.08.2018 - [5].
Система рекуперации тепла для повышения температуры сточных вод в зимний период на очистных сооружениях в холодных регионах по патенту Китая: CN 209428166 (U) от 24.09.2019 - [6].
Теплообменные аппараты рекуперативного типа по аналогам [3, 4, 5 и 6], как и всем другим, приведенным в настоящих материалах, показывают широко известную возможность регенерации теплоты, которая существенно снижает энергозатраты на дезинфекцию и снижает ее стоимость.
Известны способы проточной термической обработки сточных вод (стерилизации биологически опасных стоков) с регенерацией теплоты нагрева в теплообменниках рекуперативного типа (без смешения теплообменивающихся сред), например, по приведенной ниже патентной литературе. В данных устройствах и способах их работы осуществлено непрерывное движение биологически опасных стоков по трубопроводам для их термической стерилизации.
Так известно проточное устройство и способ для термической обработки (очистки, дезинфекции) сточной воды по заявке на изобретение РФ: RU 2004138551 А от 23.06.2003 - [7]. Устройство [7] содержит с верхним и нижним стоками контейнер с расположенным внутри извилистым каналом для протекания сточной воды. Контейнер оборудован нагревательным устройством, которое может быть выполнено в виде теплообменника для пара или в виде электрического нагревателя. Контейнер может быть выполнен цилиндрическим с горизонтальной продольной осью. При необходимости могут быть использованы два одинаковых проточных устройства по [7] соединенные между собой последовательно. В проточном устройстве [7] может быть использован регенеративный теплообменник рекуперативного типа. При этом способ для термической обработки (очистки, дезинфекции) сточной воды по [7] осуществляется со следующими параметрами: температура воды в контейнере должна быть выше 190°С, а именно в интервале температур 220…230°С, а ее давление в интервале 30…60 бар. При этом сточная вода предварительно нагревается, по меньшей мере, один раз до поступления в гидролизер, предварительное нагревание подаваемой в гидролизер сточной воды осуществляется в регенеративном теплообменнике, в котором нагревание происходит в противотоке с потоком, выходящим из гидролизера, и далее сточная вода направляется через гидролизер в колонну, откуда выходящий продукт колонны поступает в газопромыватель.
Недостатком известного устройства [7] и способа его осуществления является то, что они предназначены для очистки сточной воды, содержащей меламин. Наличие гидролизера, колонны и газопромывателя усложняет конструкцию устройства. Кроме того, в опубликованной заявке [7] не достаточно данных для ее промышленной реализации, без существенных доработок и добавления дополнительно разработанных технических решений.
Устройство для обеззараживания жидкости по авторскому свидетельству СССР: SU 952773 А1 от 23.08.1982 - [8], содержит рабочую камеру, насос, технологические трубопроводы, входной и выходной патрубки. Рабочая камера выполнена в виде секционированной герметичной емкости с термоэлектрическими нагревателями и наружной теплоизоляцией. Проточное устройство для обеззараживания жидкости также снабжено установленными перед рабочей камерой регенеративным теплообменником и сообщенным с ним радиатором с вентилятором.
Устройство для очистки воды и тепловой стерилизации по патенту Китая: CN 203333328 (U) от 11.12.2013 - [9], содержит трубопровод, теплообменник, нагревательную трубку и генератор промежуточной частоты. Нагревательная трубка закреплена на внешней стенке трубопровода и электрически связана с генератором промежуточной частоты. Теплообменник расположен между впуском воды в трубопровод и нагревательной трубкой. Теплообменник закреплен на трубопроводе и к теплообменнику подсоединен сливной узел. Среднечастотный генератор дает энергию для нагревательной трубки, и вода в трубопроводе может быть мгновенно нагрета до 120°С, что радикально предотвращает размножение бактерий.
Устройство термической обработки аммиаксодержащих сточных вод по патенту Китая: CN 207227050 (U) от 13.04.2018 - [10], содержит буферный резервуар для сточных вод с аммиаком, регенеративный теплообменник (с рекуперацией тепла), нагревательный теплообменник, дутьевую башню, абсорбционную башню, насосы и трубопроводы.
Устройство для очистки и стерилизации с теплообменником по патенту Японии: JP 2004354024 (А) от 16.12.2004 - [11], содержит корпус с установленными внутри регенеративным теплообменником со спиральными каналами, а также нагреватель для дальнейшего подогрева сточных вод, две емкости, а также трубопроводную арматуру. В патенте также раскрыты конструктивные особенности регенеративного теплообменника.
Устройство и способ очистки сточных вод с ступенчатыми емкостями для термообработки по патенту Тайваня: TW 201111287 (А) от 01.04.2011 - [12]. Устройство содержит следующие элементы: Смесительный резервуар для равномерного смешивания сточных вод с реакционными агентами с образованием смешанного раствора. Теплообменник для регенерации теплоты нагретых дезинфицированных сточных вод и их охлаждения. Множество последовательно соединенных резервуаров для проточной термообработки, каждый из которых позволяет смешанному раствору циркулировать в нем при нагревании в течение определенного периода времени для прохождения процесса термического разрушения смешанного раствора. Резервуар накопителя конденсата для приема и окончательного охлаждения выпускаемой жидкости. Водоочиститель, позволяющий выпускаемой воде разделяться на чистую воду и концентрированную жидкость для вывода. Блок рециркуляции реагентов для электролиза концентрированной жидкости с целью рециркуляции реагентов.
Способ [12] для очистки сточных вод состоит в том, что в смесительном резервуаре равномерно смешивают сточные воды с реакционными агентами до образования смешанного раствора, далее в теплообменнике первоначально подогревают смешанный раствор и направляют его во множество резервуаров, соединенных последовательно для проточной термообработки, после которой дезинфицированные смешанный раствор (со сточными водами) направляют и охлаждают в теплообменнике, после чего последовательно направляют в резервуар накопителя, водоочиститель.
Способ термического обеззараживания по патенту на изобретение РФ: RU 2599561 С2 от 10.10.2016 - [13], включающий в себя измельчение сырья и смешение его с водой до создания пульпы текучей консистенции, полученную пульпу непрерывно подают насосом через рекуперативный теплообменник в нагреваемую проточную термическую камеру, где установленные температура и выдержка обеспечивают обеззараживание сырья. При этом, насосом обеспечивают давление пульпы в указанном выше теплообменнике и термической камере выше давления насыщенных паров воды при температурах в указанных теплообменнике и термической камере. Охлаждение продуктов переработки осуществляют в рекуперативном теплообменнике за счет теплообмена с поступающей на термическую обработку пульпой путем, исключающим смешение термически не обработанного сырья и термически обработанных продуктов, а извлечение обеззараженных продуктов производят через дросселирующий клапан, поддерживающий заданное давление в теплообменнике и термической камере.
Система тепловой обработки и способ дезинфекции жидкостей по международной заявке: WO 2009146504 (А1) от 10.12.2009 - [14].
Устройство для дезинфекции жидкости, в виде смонтированной на судне установки, содержащей подогреватель жидкости, теплообменник для регенерации теплоты, и нагреватель жидкости с удлиненным каналом, приспособленный для нагрева и протекания текучей среды внутри удлиненного канала, где жидкость нагревается до температуры, достаточной для дезинфекции жидкости. Удлиненный канал может иметь одну или несколько змеевидных, петлевых или извилистых конфигураций, а также содержать две или более ячеек, соединенных вместе. Ячейки могут иметь поперечное сечение одной или более форм, квадратной, прямоугольной, многоугольной, угловой или круглой формы, а также иметь такое поперечное сечение ячеек, которое приспособлено для перемешивания жидкости. Удлиненный канал имеет один или несколько нагревателей, находящихся в тепловом сообщении с текучей средой. Нагреватель может быть выполнен в виде полосового нагревателя с электрическим сопротивлением. В устройстве происходит нагрев до температуры в диапазоне от 60° до 100°С.
Способ [14] состоит в первоначальном подогреве поступающих в устройство сточных вод в теплообменнике подогревателе (для регенерации теплоты нагретых дезинфицированных сточных вод и их охлаждения), после которого подогретые сточные воды направляют в проточный удлиненный канал с нагревателем для окончательного нагрева и термической дезинфекции, после которого дезинфицированные сточные воды направляют и охлаждают в теплообменнике подогревателе и сливают обеззараженную воду у судна в водоем.
Система и способ теплообработки воды судна по патенту США: US 2020198752 (А1) от 25.06.2020 - [15]. Устройство содержит отдельную от судна установку с теплообменником рекуперативного типа, проточным каналом нагрева и термической дезинфекции сточных вод, насоса и трубопроводной арматуры. Способ [15] состоит в первоначальном подогреве поступающих в устройство сточных вод в рекуперативном теплообменнике (для регенерации теплоты нагретых дезинфицированных сточных вод и их охлаждения), после которого подогретые сточные воды направляют в проточный канал окончательного нагрева и термической дезинфекции, после которого дезинфицированные сточные воды направляют и охлаждают в теплообменнике рекуперативного типа и сливают в воду (у судна).
Общим недостатком аналогов [7, 8, 9, 10, 11, 12, 13, 14 и 15] является то, что нет полной уверенности в абсолютной стерилизации биологически опасных стоков, так как в данных аналогах осуществлено непрерывное движение жидкости. При этом, очень вероятны ситуации, когда в нагреваемом канале будут несоблюдение заданных для стерилизации параметров, как по температуре, так и по давлению и времени дезинфекции подвижного потока. Это в свою очередь ставит задачу гарантированной дезинфекции биологически опасных стоков, что можно достигнуть только в закрытых емкостях-автоклавах со строго фиксированными значениями температуры, давления и времени обеззараживания.
В то же время из патентной литературы широко известны такие способы обеззараживания (в автоклавах) и устройства для их реализации.
Так в известном резервуаре для обработки воды с циклическим нагревом по патенту Китая: CN 210656237 (U) от 02.06.2020 - [16], содержащим корпус резервуара, представляющий собой полую намоточную трубу, полый каркас полой пластины полой намоточной трубы образует сквозной спиральный проточный канал. Текущие теплоносители направляются в спиральный проточный канал. Входное и выходное отверстие сформированы в начале и конце спирального проточного канала. Аналог [16] относится к области очистки сточных вод, в частности к резервуару для нагрева и сохранения тепла для очистки воды.
Недостатком аналога Аналог [16], является то, что при наполнении и сливе из трубчатого резервуара дезинфицированной воды не используется регенерация теплоты нагрева этой воды, что приводит к дополнительным энергозатратам.
Известен способ термического обеззараживания и очистки сточных вод по патенту на изобретение РФ: RU 2264989 С1 от 27.11.2005 - [17], заключающийся в предварительном нагреве сточной воды в теплообменном аппарате до температуры 20…30°С за счет тепла очищенных сточных вод и обеззараживание путем термической обработки. Предварительно подогретую сточную воду дополнительно подогревают в трубном пространстве автоклава за счет тепла обеззараженных сточных вод с последующим обеззараживанием сточных вод путем нагрева в межтрубном пространстве автоклава до температуры 110…120°С и при давлении 0,3…0,5 МПа. Далее проводят охлаждение сточной воды в межтрубном пространстве автоклава за счет подачи свежей сточной воды в трубное пространство автоклава, после чего сточную воду подвергают электрокаталитической обработке и реагентной обработке с седиментацией. Образующийся осадок подогревают в режиме мезофильного или термофильного сбраживания за счет тепла очищенных сточных вод. Охлажденные в сгустителе и затем в теплообменном аппарате до температуры 20…30°С сточные воды направляют в водоем. Техническое решение относится к термической очистке и обеззараживанию сточных вод и может быть использовано для локальной очистки сточных вод предприятий биологической промышленности, лечебных учреждений, туберкулезных больниц.
Недостатком аналога [17] является то, что он действует периодически по загрузке, работе (дезинфекции, стерилизации в автоклаве), охлаждению и выгрузке автоклава, и, следовательно, обладает недостаточной пропускной способностью по стерилизации биологически опасных стоков.
Известна установка для термического обеззараживания дренажной воды по патенту на изобретение РФ: RU 2446108 С1 от 27.03.2012 - [18], содержащая последовательно соединенные трубопроводами насос для грязной дренажной воды, фильтр тонкой очистки, первый теплообменник для основного нагрева дренажной воды, насос для нагретой дренажной воды, второй теплообменник для догрева дренажной воды, котел для догрева дренажной воды и емкость для выдержки дренажной воды, соединенную для последующего направления дренажной воды с каналом охлаждения первого теплообменника для вывода обеззараженной дренажной воды и со вторым насосом для нагретой дренажной воды для ее направления через 3-х ходовой регулятор на последующее обеззараживание, а трубопровод на входе насоса для грязной дренажной воды соединен с трубопроводом для подачи жидкости для промывки. При этом трубопровод между фильтром тонкой очистки и первым теплообменником может быть соединен с трубопроводом, который предназначен для соединения с баком с грязной дренажной водой, и на котором установлены два датчика рН, между которыми установлен эжектор для подачи кислоты в бак с грязной дренажной водой.
Управление процессом обеззараживания в аналоге [18] производится электронным блоком, который включает контроллер, органы индикации и управления.
Недостатком аналога [18] является то, что он, как и аналог [17] действует периодически по загрузке, работе (дезинфекции в контуре: второй насос - второй теплообменник - котел - емкость - 3-ходовой регулятор - второй насос) и выгрузке всего устройства, и, следовательно обладает недостаточной пропускной способностью по стерилизации биологически опасных стоков. Кроме того, также, как и в проточных обеззараживателях [7, 8, 9, 10, 11, 12, 13, 14 и 15], нет полной уверенности в абсолютной стерилизации биологически опасных стоков, так как в вышеприведенном контуре дезинфекции аналога [18] очень вероятны ситуации, когда в составляющих контур элементах будет несоблюдение заданных для стерилизации параметров, в основном, по температуре. Это в свою очередь снижает надежность гарантированной дезинфекции биологически опасных стоков.
Прототипом заявленных технических решений является «установка термической обработки стоков, загрязненных биологическими агентами I-IV группы патогенности по патенту на изобретение РФ: RU 2670871 С9 от 25.10.2018 - [19]. Установка включает CIP-мойку, блок охлаждения, общую канализацию, соединительные трубопроводы, датчики, клапаны, и, а также две технологические линии, каждая из которых включает накопительную емкость, дозирующий насос-измельчитель, стерилизатор, насос стерилизатора, парогенератор. Установка выполнена с возможностью переключения на ручное управление процессом. Емкости технологических линий соединены между собой с возможностью перемещения стоков между линиями: накопительная емкость первой технологической линии взаимосвязана со стерилизатором второй технологической линии, накопительная емкость второй технологической линии взаимосвязана со стерилизатором первой технологической линии, накопительные емкости обеих линий, а также стерилизаторы обеих линий взаимосвязаны.
Сходными с заявленными техническими решениями у прототипа [19] является то, что него есть не одна, как у других аналогов, линия стерилизации, а две, расположенные параллельно, которые работают попеременно или совместно (по описанию). Далее остальные признаки существенно различаются. То есть по прототипу есть две независимые одинаковые линии термической стерилизации, которые могут работать или совместно или поочередно. Кроме того, прототип обладает низкой энергетической эффективностью, так как в нем нет системы регенерации теплоты, затраченной на термическую стерилизацию биологически опасных стоков.
Недостатки аналогов и прототипа ставят задачу создания устройства (системы) с низкими энергетическими затратами для стерилизации биологически опасных стоков и способа его работы, при котором осуществлялся бы процесс непрерывного прохождения биологически опасных стоков через устройство, и с гарантированным процессом стерилизации, который достигается только при стерилизации в автоклавах.
Данная задача решается тем, что в заявленных технических решениях осуществляется процесс квазинепрерывной стерилизации биологически опасных стоков, то есть гарантированной стерилизации этих стоков в автоклавах, названных емкостями-автоклавами (установленных и подключенных параллельно друг другу), а непрерывность процесса стерилизации обеспечивается последовательным включением емкостей-автоклавов в работу, таким образом, что когда (например, в определенный момент времени) в первой емкости-автоклаве проходит ее заполнение, во второй, третьей, последующей и так далее - идет процесс стерилизации, а в последней (которую заполняли первой) осуществляется слив термически стерилизованных (обеззараженных) стоков (сточных вод). По заполнении первой емкости-автоклава, ее вентиль впуска (заполнения) закрывают и в ней включают нагрев, а в последней емкости-автоклаве закрывают вентиль выпуска (слива), прекращают слив и открывают вентиль входа (для осуществления ее заполнения), при этом в остальных емкостях-автоклавах осуществляется процесс термической стерилизации загрязненных стоков. Далее действия циклически повторяются, обеспечивая тем самим квазинепрерывный процесс стерилизации биологически опасных стоков.
При этом емкости-автоклавы оборудуют раздельными вентилями входа (расположены на верху) и выхода (расположены внизу), чем обеспечивают разделение загрязненных и термически стерилизованных (обеззараженных) стоков (сточных вод), поскольку они не проходят (не протекают) по одним и тем же элементам трубопроводной арматуры, чем обеспечивается гарантированное обеззараживание биологически опасных стоков, исключая их «перекрестное» инфицирование.
Энергетическую эффективность обеспечивают тем, что сливаемые горячие обеззараженные стоки направляют в рекуперативный теплообменник, где они отдают свою теплоту (при этом охлаждаясь) поступающим на стерилизацию биологически опасным (загрязненным) стокам, предварительно их нагревая. То есть в устройстве (системе) проводят регенерацию теплоты, затраченной на термическую стерилизацию в емкостях-автоклавах, и это приводит к существенной экономии (например, электроэнергии) и снижению затрат на стерилизацию.
Сущность заявленного способа стерилизации биологически опасных стоков, заключающегося в том, что их (сточные воды с биологически опасными отходами) при помощи блока автоматизированного управления технологическими процессами с исполнительными элементами первоначально направляют в приемную емкость (позволяющую принимать на последующую обработку как незначительные, так и залповые сливы стоков), по мере наполнения которой их направляют в рекуперативный теплообменник, в котором предварительно подогревают загрязненные стоки (сточные воды), и направляют их в блок температурной стерилизации, после которого нагретые стерилизованные стоки охлаждают в рекуперативном теплообменнике и сливают в канализацию. В блоке температурной стерилизации, содержащим не менее трех, подключенных параллельно одинаковых, снабженных индивидуальными нагревателями и раздельными вентилями заполнения и слива емкостей-автоклавов (1, 2, … N≥3 штук), постепенно и последовательно заполняют загрязненными стоками емкости-автоклавы, и по мере их последовательного (1, 2, … N-1) заполнения в них включают нагрев загрязненных стоков для температурной стерилизации, которую последовательно (со сдвижкой по времени, равной времени заполнения одной емкости-автоклава) проводят в каждой из емкостей-автоклавов (1, 2, … N) при заданных (требуемых, расчетных, оптимальных) параметрах по температуре, давлению и времени стерилизации. В начале заполнения последней (N) емкости-автоклава, в первой емкости-автоклаве завершают процесс температурной стерилизации (выключают нагрев) и открывают слив нагретых стерилизованных стоков, которые через рекуперативный теплообменник, где они охлаждаются, направляют в канализацию, при этом поступающие через рекуперативный теплообменник из емкости в первую емкость-автоклав загрязненные стоки подогреваются. Далее действия циклически повторяются, обеспечивая процесс (режим) квазинепрерывной гарантированной стерилизации биологически опасных стоков до полного опорожнения приемной емкости.
Сущность заявленного устройства для стерилизации биологически опасных стоков, состоит в том, что оно содержит устройства подсоединения к источнику биологически опасных стоков, соединенные трубопроводами через водяные гидрозатворы с приемной емкостью для биологически опасных стоков (сточных вод), выход приемной емкости через выходной вентиль приемной емкости, первый насос, соединенный с первым входом рекуперативного теплообменника, первый выход которого подключен ко входу блока температурной стерилизации, выход которого подсоединен во второму входу рекуперативного теплообменника, второй выход которого через второй насос и водяной гидрозатвор подсоединен к системе канализации, устройство также снабжено блоком автоматизированного управления технологическими процессами с исполнительными элементами. Блок температурной стерилизации выполнен из не менее трех подключенных параллельно одинаковых емкостей-автоклавов, снабженных индивидуальными нагревателями и раздельными вентилями впуска (заполнения) и выпуска (слива) емкостей-автоклавов, расположенные на верху емкостей-автоклавов вентили впуска соединены с помощью коллектора заполнения (входного коллектора) с первым выходом рекуперативного теплообменника, а вентили выпуска соответственно соединены с помощью коллектора слива (выходного коллектора) со вторым входом рекуперативного теплообменника. Заявленное устройство может быть снабжено второй, установленной параллельно первой, аварийной приемной емкостью для биологически опасных стоков (сточных вод) со своими выходными вентилями, при этом первая - основная и вторая - дополнительная приемные емкости оборудованы входными вентилями, а также соединены трубопроводом перетока. Также устройство может быть оборудовано расположенным после устройства подсоединения к источнику биологически опасных стоков с водяным гидрозатвором блоком грубой очистки для биологически опасных (жидких) стоков. Все емкости-автоклавы на своей внешней поверхности могут иметь закрепленные нагреватели, которые с наружной стороны (поверхности) покрыты слоем теплоизоляции. При этом нагреватели емкостей-автоклавов могут быть выполнены как в виде электрических нагревательных элементов, например в виде гибких нагревательных лент омического сопротивления, так и в виде трубки из теплопроводного материала, для циркуляции в последней теплоносителя с высокой температурой.
Также из патентной литературы известна система очистки сточных вод, снабженная устройством циркуляции сточной жидкости, устройством теплообмена и устройством хранения воды по патенту Тайваня: TW 201741247 (А) от 01.12.2017 - [20]. Система содержит резервуар для хранения сточных вод, теплообменник, паровой фильтр для отделения чистой воды, тепловой насос для нагрева в теплообменнике сточной воды до образования пара, емкость для хранения чистой воды. Паровой фильтр состоит из множества (пяти) вертикальных емкостей, сверху и снизу которых имеются запорные вентили. При работе аналога [20] сточная вода из резервуара самотеком поступает в теплообменник, в котором, от теплоты, получаемой в тепловом насосе, испаряется, и в виде пара поступает в паровой фильтр, в котором из сточной воды отделяется чистая вода, а отработанная жидкость с повышенной концентрацией загрязнений поступает обратно в резервуар для хранения сточных вод. Чистая вода из парового фильтра стекает в емкость для хранения чистой воды. В дополнительных вариантах реализации 2, 3 и 4 аналога [20] предусматривается установка дополнительных теплообменников для регенерации теплоты и повышения эффективности работы системы.
При внешней схожести вертикальных резервуаров с нижними и верхними запорными вентилями заявленного технического решения и аналога [20], у них совершенно разное предназначение. Так, у заявленного технического решения вертикальные резервуары выполняют функцию автоклавов и оборудованы электронагревателями, а в аналоге [20] они выполняют функцию парового фильтра.
Также недостатком аналога [20] является необходимость периодического опорожнения резервуара для хранения сточных вод (с утилизацией содержимого резервуара), когда загрязнения в нем достигнут предельной концентрации, и паровой фильтр не сможет функционировать.
Техническим результатом заявленного изобретения является создание энергоэффективного процесса (метода) квазинепрерывной стерилизации биологически опасных стоков с их гарантированной стерилизацией.
На фигурах 1-7 представлены графические материалы, поясняющие заявленные способ и устройство для его реализации, а именно:
На фиг. 1 представлена схема устройства (системы) для стерилизации биологически опасных стоков по пунктам 1 и 2 формулы изобретения. Рекуперативный теплообменник схематично отображает его конструктивную реализацию, испытанную заявителем, а емкости-автоклавы изображены условно с электронагревом.
На фиг. 2 - схема устройства для стерилизации биологически опасных стоков с аварийной приемной емкостью (по пунктам 1, 2 и 3 формулы изобретения).
На фиг. 3 - схема устройства для стерилизации биологически опасных стоков с аварийной приемной емкостью и блоком грубой очистки для биологически опасных стоков (по пунктам 1, 2, 3 и 4 формулы изобретения).
На фиг. 4 - схема одной из одинаковых емкостей-автоклавов с расположенными на ее внешней поверхности электрическими индивидуальными нагревателями, а также слоем теплоизоляции.
На фиг. 5 - схема теплоизолированной емкости-автоклава с расположенными на ее внешней поверхности электрическими индивидуальными нагревателями в виде гибких нагревательных лент омического сопротивления.
На фиг. 6 - схема теплоизолированной емкости-автоклава с расположенными на ее внешней поверхности трубки из теплопроводного материала, для циркуляции в последней жидкого теплоносителя с высокой температурой.
На фиг. 7 - схема теплоизолированной емкости-автоклава с погруженным в нее трубчатым электронагревателем.
На фигурах обозначены: 1 - устройства подсоединения к источнику биологически опасных стоков; 2 - водяные (жидкостные) гидрозатворы устройств подсоединения к источнику биологически опасных стоков; 3 - приемная емкость (основная); 4 - выходной вентиль приемной емкости (3); 5 - первый насос для биологически опасных стоков (жидкости); 6 - рекуперативный теплообменник; 7 - блок температурной стерилизации; 8 - второй насос для стерилизованных стоков (жидкости); 9 - водяной (жидкостной) гидрозатвор слива в канализацию; 10 - (10.1, 10.2 … 10.N) емкости-автоклавы, для реализации квазинепрерывной стерилизации биологически опасных стоков с их гарантированной стерилизацией; 11 - (11.1, 11.2 … 11.N) индивидуальные нагреватели, соответственно емкостей-автоклавов (10.1, 10.2 … 10.N); 12 - (12.1, 12.2 … 12.N), соответствующие вентили впуска (заполнения) емкостей-автоклавов; 13 - (31.1, 13.2 … 13.N) соответствующие вентили выпуска (слива) из емкостей-автоклавов; 14 - коллектор заполнения емкостей-автоклавов блока температурной стерилизации; 15 - выходной коллектор (слива) емкостей-автоклавов блока температурной стерилизации; 16 - вторая, установленная параллельно первой, аварийная емкость для приема биологически опасных стоков; 17 - выходной вентиль аварийной приемной емкости (16); 18 - входной вентиль первой приемной емкости (3); 19 - входной вентиль аварийной приемной емкости (16); 20 - трубопровод перетока биологически опасных стоков между приемными емкостями (3) и (16); 21 - блок грубой очистки, поступающих из моек (1) через гидрозатворы (2) биологически опасных стоков; 22 - индивидуальные электрические нагреватели, закрепленные на внешней поверхности емкостей-автоклавов (10); 23 - внешняя теплоизоляция (индивидуальная) емкостей-автоклавов (10), наложенная поверх индивидуальных нагревателей; 24 - индивидуальные электрические нагреватели в виде гибких нагревательных лент омического сопротивления; 25 - индивидуальные нагреватели в виде трубки из теплопроводного материала; 26 - подводы теплоносителя с высокой температурой к индивидуальным нагревателям (25); 27 - отводы теплоносителя от индивидуальных нагревателей (25); 28 - трубчатые электронагреватели.
Устройство (система) для стерилизации биологически опасных стоков, содержит устройства подсоединения к источнику биологически опасных стоков (1), соединенные трубопроводами через водяные гидрозатворы (2) с приемной емкостью (3) для биологически опасных стоков (сточных вод). Выход приемной емкости (3) соединен через ее выходной вентиль (4) и первый насос (5) с первым входом рекуперативного теплообменника (6). Первый выход рекуперативного теплообменника (6) подключен ко входу блока (7) температурной стерилизации, выход которого подсоединен ко второму входу рекуперативного теплообменника (6), а его второй выход через второй насос (8) и водяной гидрозатвор (9) подсоединен к системе канализации. Устройство также снабжено блоком автоматизированного управления технологическими процессами с исполнительными элементами, которые на фигурах не показаны.
На всех фигурах показаны только трубопроводные вентили с электрическим приводом (по обозначению). Блок температурной стерилизации (7) выполнен из не менее трех подключенных параллельно одинаковых (идентичных) емкостей-автоклавов (10, соответственно 10.1, 10.2 … 10.N), снабженных индивидуальными нагревателями (11, соответственно 11.1, 11.2... 11.N). Также идентичные емкости-автоклавы (10...) оборудованы расположенными в их верхней части вентилями впуска (заполнения) (12, соответственно 12.1, 12.2 … 12.N), а также расположенными в их нижней части вентилями выпуска (13, 13.1, 13.2… 13.N) (слива) емкостей-автоклавов (10…). Вентили впуска (12…) емкостей-автоклавов (10…) соединены с помощью коллектора заполнения (14) - (входного коллектора) с первым выходом рекуперативного теплообменника (6). Вентили выпуска (13…), соответственно, соединены с помощью коллектора слива (15) - (выходного коллектора), со вторым входом рекуперативного теплообменника (6). Заявленное устройство может быть снабжено второй, установленной параллельно первой, аварийной приемной емкостью (16) для биологически опасных стоков (сточных вод) со своим выходным вентилем (17). При этом (в случае добавления в устройство аварийной приемной емкости (16), первая - основная (3) и вторая - дополнительная (16) приемные емкости оборудованы входными вентилями, соответственно (18) и (19) для переключения режимов заполнения. Также основная (3) и дополнительная (16) приемные емкости соединены трубопроводом (20) перетока, обеспечивающим дополнительную безопасность при заполнении приемных емкостей (3) и (16). Устройство (система) может быть оборудовано, расположенным после устройства подсоединения к источнику биологически опасных стоков с водяными гидрозатворами, блоком грубой очистки (21) для биологически опасных стоков. Все емкости-автоклавы (10…) на своей внешней поверхности могут иметь закрепленные электрические нагреватели (22…), которые с наружной стороны (поверхности) покрыты слоем теплоизоляции (23…). При этом индивидуальные нагреватели (11…) емкостей-автоклавов (10…) могут быть выполнены как в виде электрических нагревательных элементов (22…) - приведено на фиг. 4 в общем виде, например (см. фиг. 5), в виде гибких нагревательных лент (24…) омического сопротивления, или (см. фиг. 6) в виде трубки (25…) из теплопроводного материала, для циркуляции в последней теплоносителя с высокой температурой, или (см. фиг. 7) в виде погруженного в емкость-автоклав трубчатого электронагревателя. Как пример, на фигуре 6 приведена схема расположения на внешней поверхности емкости-автоклава (10…) трубки (25…) с подводом (26…) и отводом (27…) для теплоносителя с высокой температурой.
Работа вышеприведенного устройства осуществляется согласно заявленного способа автоматически под управлением блока автоматизированного управления технологическими процессами с исполнительными элементами (на фигурах не показаны для упрощения графических материалов). Исполнительными элементами являются вентили с электрическими исполнительными устройствами, например, электромагнитами и электрическими двигателями, пусковые реле первого и второго электрических насосов, пусковые теле индивидуальных электронагревателей емкостей-автоклавов. Также блок автоматизированного управления технологическими процессами с исполнительными элементами включает датчики температуры, давления и уровня, которые расположены в заявленном устройстве, и по показаниям которых автоматически идет коррекция операций заявленного способа стерилизации биологически опасных стоков.
Заявителем вышеприведенный «Способ стерилизации биологически опасных стоков и устройство для его реализации» внедрены в станции термического обеззараживания стоков (СТОС), предназначенной для сбора инфицированных стоков из помещений «заразной» зоны и их очистки от патогенных микроорганизмов путем высокотемпературного воздействия. Входящая в СТОС автоматизированная система управления (при работе станции в квазинепрерывном режиме термической стерилизации) позволяет непрерывно проводить сплошной контроль выполнения условий термической обработки всей генеральной совокупности прошедших обработку стоков. СТОС оборудована комплектом автоматической запорно-регулирующей арматуры. Вся арматура имеет возможность ручного управления. Режим работы - автоматизированный, управление с помощью сенсорной панели, установленной в чистой зоне. Верхний уровень АСУ ТП и создание автоматизированного рабочего места (АРМ) не требуются. В режиме сбора происходит самотечный сброс инфицированных стоков из помещений «заразной» зоны в приемную емкость независимо от цикла отбора стоков для термической стерилизации. Резервная (дополнительная) приемная емкость используется для проведения регламентных работ и в случае внештатных ситуаций. При заполнении на 95% (по показаниям дискретного датчика уровня) прием стоков автоматически переключается на резервную емкость.
Таким образом, из анализа вышеприведенных аналогов, прототипа, а также заявленных технических решений, дополнительно можно сделать вывод о том, что существуют два метода обеззараживания биологически опасных стоков, а именно непрерывным и периодическим методом.
При непрерывном методе термической стерилизации, стоки проходят непрерывно через систему труб, в которой стоки прогреваются паром, или с помощью электрического нагрева, и при этом время выдержки определяется временем прохождения обрабатываемых стоков через систему труб. При непрерывном методе стоки обрабатываются по мере поступления, и нет необходимости накапливать стоки для проведения обработки, следовательно, уменьшается вероятность пролива необработанных стоков в критическом объеме.
Однако непрерывный метод термической стерилизации имеет следующие недостатки:
- для обеспечения значительного времени выдержки стоков при заданной температуре длина системы труб должна быть большой, что требует большого объема производственных площадей для размещения установки;
- время термической обработки стоков определяется теоретически, расчетным путем, при этом имеется потенциальная возможность невыполнения (несоблюдения) требований термической обработки из-за изменения скорости потока;
- нет возможности верификации выполнения условий термической обработки каждой отдельно взятой партии стоков.
При периодическом методе термической стерилизации, стоки накапливаются в емкость большого объема, после чего нагреваются до необходимой температуры, например, с помощью пара, или электрического нагрева. При периодическом методе стерилизации обеспечивается гарантированно точное выполнение нормативных требований по термической стерилизации (обработке) стоков.
Но периодический метод термической стерилизации имеет следующие недостатки:
- для обеспечения метода требуется накопление стоков в значительных объемах, что повышает вероятность разлива необработанных стоков в критических объемах;
- также требуется большой объем производственных площадей для размещения установки.
По заявленным техническим решениям поступающие на обработку жидкие биологически опасные стоки подвергаются термической обработке комбинированным методом, сочетающим в себе как периодический, так и непрерывный методы, а именно путем стерилизации в емкостях малого объема по очереди, в замкнутом цикле обеспечивая квазинепрерывный метод термической стерилизации.
Использование квазинепрерывного метода термической стерилизации биологически опасных стоков позволяет обеспечить точное выполнения требований по температуре нагрева стерилизуемой жидкости и времени выдержки при заданной температуры в каждой партии обработанных стоков, при высокой производительности установки стерилизации.
Литература
1. Патент США: US 2998139 (А) от 29.08.1961, МПК C02F 1/02, C02F 3/28, «Apparatus for heat treatment of septic tank liquid effluent» (Аппарат для термической обработки жидких стоков септика).
2. Патент Китая: CN 207108539 (U) от 16.03.2018, МПК C02F 1/02, C02F 9/14, «Boats and ships treatment of domestic sewage heat sterilization system» (Система тепловой стерилизации бытовых сточных вод лодок и судов).
3. Патент Франции: FR 2436948 (А1) от 18.04.1980, МПК B01D 17/02, B01D 21/00, C02F 1/02, «Waste heat recovery from effluent being degreased and decanted - in tank with treatment compartment overflowing into heat exchanger compartment)) (Устройство рекуперации отходящего тепла от обезжириваемых и декантируемых стоков - в переливных очистных баках с теплообменниками).
4. Международная заявка: WO 2016100990 (А1) от 23.06.2016, МПК A62D 3/02, C02F 1/02, C02F 9/08, «Heat transfer wastewater treatment system)) (Система теплообмена при очистке сточных вод).
5. Патент Китая: CN 207716923 (U) от 10.08.2018, МПК C02F 1/02, F28D 7/16, F28F 27/00, «Ве applied to heat exchanger of water treatment facilities)) (Устройство теплообменника водоочистных сооружений).
6. Патент Китая: CN 209428166 (U) от 24.09.2019, МПК C02F 1/02, C02F 9/10, «Waste heat recovery system special for sewage winter temperature rise of sewage treatment plant in cold regions)) (Система рекуперации тепла для повышения температуры сточных вод в зимний период на очистных сооружениях в холодных регионах).
7. Заявка на изобретение РФ: RU 2004138551 А от 23.06.2003, МПК C02F 1/04, C02F 1/02, B01D 3/14, B01D 53/14, «Устройство и способ для термической обработки воды)).
8. Авторское свидетельство СССР: SU 952773 А1 от 23.08.1982, МПК C02F 1/50, C02F 11/18, C02F 103/02, «Устройство для обеззараживания жидкости»
9. Патент Китая: CN 203333328 (U) от 11.12.2013, МПК C02F 1/02, «Water treatment and heat sterilization device» (Устройство для очистки воды и тепловой стерилизации).
10. Патент Китая: CN 207227050 (U) от 13.04.2018, ПМК B01D 53/58, B01D 53/78, С01С 1/242, «Ammonia - containing wastewater adds heat treatment device» (Устройство термической обработки аммиакосодержащих сточных вод).
11. Патент Японии: JP 2004354024 (А) от 16.12.2004, МПК C02F 1/02, F28D 7/02, «Heat exchanger and sterilization treatment device using the heat exchanger)) (Устройство для очистки и стерилизации с теплообменником).
12. Патент Тайваня: TW 201111287 (А) от 01.04.2011, МПК C02F 1/02, C02F 1/68, C02F 101/30, «Wastewater treatment apparatus and method with stairlike heat treatment tanks)) (Устройство и способ очистки сточных вод с ступенчатыми емкостями для термообработки).
13. Патент на изобретение РФ: RU 2599561 С2 от 10.10.2016, МПК В09В 5/00, A61L 11/00, «Способ термического обеззараживания».
14. Международная заявка: WO 2009146504 (А1) от 10.12.2009, МПК A61L 2/04, C02F 1/02, C02F 11/18, «Heat treatment and disinfection system for fluids)) (Система тепловой обработки и дезинфекции жидкостей).
15. Патент США: US 2020198752 (А1) от 25.06.2020, МПК B63J 4/00, C02F 1/02, «А system and a method for heat treatment of water of a vessel)) (Система и способ теплообработки воды судна).
16. Патент Китая: CN 210656237 (U) от 02.06.2020, МПК C02F 1/02, C02F 3/28, «СусНс heating heat-preservation water treatment tank» (Резервуар для обработки воды с циклическим нагревом).
17. Патент на изобретение РФ: RU 2264989 С1 от 27.11.2005, МПК C02F 1/02, «Способ термического обеззараживания и очистки сточных вод».
18. Патент на изобретение РФ: RU 2446108 С1 от 27.03.2012, МПК C02F 1/02, «Установка для термического обеззараживания дренажной воды».
19. Патент на изобретение РФ: RU 2670871 С9 от 25.10.2018, МПК C02F 1/02, A61L 2/07, A61L 11/00, C02F 11/18, «Установка термической обработки стоков, загрязненных биологическими агентами I-IV группы патогенности» - прототип.
20. Патент Тайваня: TW 201741247 (А) от 01.12.2017, ПМК C02F 1/02, «Waste liquid treatment system being provided with a waste liquid circulating device, a heat exchange device and a water storage device» (Система очистки сточных вод, снабженная устройством циркуляции сточной жидкости, устройством теплообмена и устройством хранения воды).