СПОСОБ ОБРАТНООСМОТИЧЕСКОЙ ОЧИСТКИ САНИТАРНО-ГИГИЕНИЧЕСКОЙ ВОДЫ В ЗАМКНУТОМ КОНТУРЕ В УСЛОВИЯХ НЕВЕСОМОСТИ
METHOD FOR REVERSE OSMOSIS TREATMENT OF SANITARY AND HYGIENIC WATER IN CLOSED CIRCUIT IN GRAVITY-FREE ENVIRONMENT

Изобретение относится к области систем жизнеобеспечения экипажей космических летательных аппаратов (космических кораблей, орбитальных станций), а также индивидуальных домовладений, а именно к системам регенерационного водообеспечения.
th
Известен способ регенерации санитарно-гигиенической воды, основанный на фильтрации с последующей сорбционной очисткой ионообменными смолами и активным углем (Samsonov N.S., Farafonov N.S., Abramov L.Kh. Hygiene water recovery aboard the space station / N.S. Samsonov// 4 European Symposium on Space environmental control systems ESA SP-324 vol 2, 21-24 oct. 1991 - P. 649-651.; Бобе Л.С., Синяк Ю.Е., Берлин A.A., Солоухин В.А. и др. Эколого-технические системы [Текст] / Л.С. Бобе// М.: Издательство МАИ, 1992, - 72 с.).
К недостаткам вышеназванного способа относится неудовлетворительное качество очищенной воды при использовании моющих средств общего применения, которые не диссоциируют на ионы. Необходимая степень очистки воды может быть достигнута только при использовании диссоциирующих на ионы моющих средств. Так как для очистки используются активные угли и ионообменные смолы, ресурс установки ограничивается относительно небольшой емкостью сорбционного фильтра. Известен способ регенерации санитарно-гигиенической воды, при котором загрязненную воду очищают баромембранными методами, а именно ультрафильтрацией с последующей очисткой методом обратного осмоса. На ступени ультрафильтрации производится осветление санитарно-гигиенической воды; на ступени обратноосмотической очистки производится доочистка воды от солей и других загрязнителей с малой молекулярной массой (Стариков С.Е. Регенерация санитарно-гигиенической воды на основе баромембранных методов для условий длительных космических экспедиций / дис. на соискание уч. степ. к.т.н. - Москва, 2009, с. 68). К недостаткам вышеназванного способа относится периодичность процесса регенерации воды с необходимостью обратной промывки фильтра на основе ультрафильтрационной мембраны пермеатом обратноосмотического фильтра, а также относительно невысокая степень извлечения воды (80%). При этом не указано, как осуществляется прием (сбор) загрязненной воды в условиях микрогравитации.
Известно решение AU 2007202471, в котором описано устройство для дезинфекции обратноосмотической системы, включающее насос, транспортирующий дезинфектант из специальной емкости в трубопроводы системы обратноосмотической очистки, причем линия подачи дезинфектанта соединена с трубопроводом обратноосмотической системы, оборудованным запорным устройством, которое перекрывает поток воды при подаче дезинфектанта и открывается во время функционирования обратноосмотической системы.
В данном устройстве осуществляется очистка проточной воды и отсутствует аппаратура, обеспечивающая многократную очистку одной и той же воды с высоким коэффициентом извлечения.
Наиболее близким аналогом является патент RU2536993 на устройство для выработки сверхчистой воды по принципу обратного осмоса, в первичном и (или) вторичном контуре которого расположено устройство для регистрации органических и (или) неорганических отложений, соединенное с устройством обработки данных, а во вторичный контур встроен эластичный, способный расширяться буферный сосуд, приспособленный для выполнения обратной промывки мембраны пермеатом, причем устройство для регистрации органических и/или неорганических отложений выполнено с возможностью запуска обратной промывки при соответствующей степени загрязнения. Сущностью прототипа и предыдущего аналога является то, что исходная вода поступает в емкость приема исходной воды, откуда подается насосом в обратноосмотический фильтрующий элемент. Поток воды проходит вдоль поверхности мембраны под давлением и разделяется на поток очищенной воды, который затем раздается потребителям, и поток концентрата, который выходит из обратноосмотического элемента и отводится в канализацию или дренаж. Предусмотрена возможность возврата воды в емкость приема в случае недостатка в ней воды.
В данном устройстве осуществляется очистка проточной воды и отсутствует аппаратура, обеспечивающая многократную очистку одной и той же воды с высоким коэффициентом извлечения.
Задачей изобретения является разработка способа и системы регенерации санитарно-гигиенической воды, позволяющего обеспечить прием загрязненной воды в условиях невесомости, ее очистку до требуемого качества, хранение и выдачу чистой воды, а также продолжительный ресурс по очистке.
Технический результат: обеспечивается увеличение степени извлечения воды при проведении непрерывного процесса регенерации в условиях невесомости, обеспечение продолжительного ресурса работы.
Указанный технический результат достигается за счет того, что заявлен способ обратноосмотической очистки санитарно-гигиенической воды от моющего средства и загрязнений в условиях невесомости, основанный на использовании мембранной технологии, при которой исходную воду подают в емкость приема исходной воды, откуда подают насосом в обратноосмотический фильтрующий элемент, причем реализуют возможность возврата концентрата в циркуляционный контур, отличающийся тем, что одновременно производят фильтрование через обратноосмотическую мембрану загрязненной воды, циркулирующей в контуре с емкостью постоянного объема с подпиткой контура циркуляции исходной очищаемой водой с постепенным наращиванием концентрации до предельно допустимой по степени очистки и обеспечением коэффициента извлечения чистой воды, определяемого отношением этих концентраций.
Предпочтительно вводят в циркуляционный контур очистки оборотной воды емкость постоянного объема, которую соединяют с приемной емкостью переменного объема, имеющей в своем составе пакет из полимерного материала, таким образом, что по мере отбора воды через обратноосмотическую мембрану осуществляется подпитка емкости постоянного объема циркуляционного контура исходной водой, а перед приемной емкостью устанавливают блок сепарации газожидкостной смеси с центробежным сепаратором, при этом на линии нагнетания насоса высокого давления устанавливают вихревой сепаратор, кроме того, перед емкостью очищенной воды переменного объема устанавливают ионатор серебра, обеспечивающий консервирование очищенной воды перед ее попаданием в емкость, а кроме того, используют насос выдачи очищенной воды, после которого устанавливают ультрафиолетовый обеззараживатель, обеспечивающий финишное обеззараживание воды перед выдачей ее потребителю.
Предпочтительно выбирают соотношение количества очищенной воды до смены (опорожнения) концентрационной емкости к объему циркуляционного контура, равное 1/50 (степень концентрирования загрязнений равна 50). Это позволяет обеспечить ресурс работы системы при коэффициенте извлечения воды не менее 98% при минимальной селективности мембраны по моющему средству, равной 99,6%.
Для реализации способа, предпочтительно используют устройство обратноосмотической очистки санитарно-гигиенической воды, образующейся при санитарно-гигиенических процедурах и стирке, в состав которого входит приемная емкость переменного объема, фильтр грубой предварительной очистки, модуль обратноосмотической очистки, приемная емкость очищенной воды, насосы, соединенные при помощи гибких трубопроводов, снабженные запорными и регулировочными вентилями, причем устройство выполнено с возможностью циркуляции загрязненной воды, отличающееся тем, что дополнительно содержит концентрационную емкость постоянного объема, имеющую канал подпитки исходной очищаемой водой, функцией которой является концентрирование загрязнений пропорционально объему очищенной воды, при этом емкость постоянного объема соединена с приемной емкостью переменного объема, имеющей в своем составе пакет из полимерного материала, таким образом, что по мере отбора воды через обратноосмотическую мембрану осуществляется подсос исходной воды в емкость постоянного объема, а перед приемной емкостью установлен блок сепарации газожидкостной смеси с центробежным сепаратором, при этом на линии нагнетания насоса высокого давления размещен вихревой сепаратор, а перед емкостью очищенной воды переменного объема установлен ионатор серебра, причем на выходе из насоса, расположенного перед каналом выдачи очищенной воды, установлен ультрафиолетовый обеззараживатель.
Предпочтительно для обеспечения ресурса по очищенной воде при коэффициенте извлечения воды не менее 98% устройство имеет объем циркуляционного контура 24 л, расход воды в циркуляционном контуре 6 л/мин и выполнено с возможностью промывки контура циркуляции с вытеснением загрязненной воды.
Предпочтительно после фильтра грубой очистки дополнительно установлен фильтр тонкой очистки.
Предпочтительно перед приемной емкостью установлен блок сепарации газожидкостной смеси с центробежным сепаратором.
Предпочтительно на линии нагнетания насоса высокого давления установлен вихревой сепаратор.
Предпочтительно устройство содержит двухступенчатую систему обеззараживания очищенной воды с использованием ионатора серебра и ультрафиолетового обеззараживателя.
Предпочтительно в блок обратноосмотической очистки встроена байпасная линия с электромагнитными клапанами. Это позволяет осуществлять возврат загрязненного за счет диффузии загрязнений через мембрану пермеата в циркуляционный контур. Принципиальным отличием предлагаемого изобретения является введение в циркуляционный контур очистки оборотной воды емкости постоянного объема. Данная емкость в прототипах отсутствует. Введение данной емкости позволяет осуществлять концентрирование загрязнителей в замкнутом оборотном циркуляционном контуре в 50 раз с обеспечением высокого коэффициента извлечения чистой воды (до 98%). Вторым отличием предлагаемого изобретения является соединение приемной емкости переменного объема, имеющей в своем составе пакет из полимерного материала, с емкостью постоянного объема таким образом, что по мере отбора воды через обратноосмотическую мембрану осуществляется подсос исходной воды в емкость постоянного объема, чем обеспечивается постоянный объем циркуляционного контура очистки.
Третьим отличием предлагаемого изобретения является то, что перед приемной емкостью установлен блок сепарации газожидкостной смеси с центробежным сепаратором, а на линии нагнетания насоса высокого давления установлен вихревой сепаратор. Данные блоки обеспечивают функционирование предлагаемой системы в условиях невесомости. Представленные прототипы в своем составе подобных блоков не имеют и не могут функционировать в условиях невесомости.
Четвертым отличием предлагаемого изобретения является введение в состав системы обратноосмотической очистки емкости очищенной воды переменного объема, имеющей в своем составе пакет из полимерного материала, перед которой установлен ионатор серебра, обеспечивающий консервирование очищенной воды перед ее попаданием в емкость. Система обратноосмотической очистки также имеет в своем составе насос выдачи очищенной воды, после которого установлен ультрафиолетовый обеззараживатель, обеспечивающий финишное обеззараживание воды перед выдачей ее потребителю. В представленных прототипах возможности консервирования, хранения, выдачи и финишного обеззараживания очищенной воды не предусмотрено.
Краткое описание чертежей.
На Фиг. 1 показан пример блок-схемы устройства обратноосмотической очистки санитарно-гигиенической воды, реализующего способ, где 1 - отсек водных процедур или стирки; 2 - блок сепарации газожидкостной смеси с центробежной сепарацией; 3 - приемная емкость переменного объема; 4 - концентрационная емкость постоянного объема; 5 - фильтр грубой предварительной очистки; 6.1, 6.2, 6.3 - насосы; 7 - ультрафиолетовый обеззараживатель, 8 - вихревой сепаратор, 9 - обратноосмотический фильтр; 10 - манометр; 11 - регулировочный вентиль; 12.1, 12.2, 12.3, 12.4 - запорные вентили (клапаны); 13 - ионатор серебра; 14 - емкость очищенной воды; 15 - фильтр тонкой предварительной очистки.
На Фиг. 2 показана принципиальная блок-схема реализации способа обратноосмотической очистки санитарно-гигиенической воды, где 16 - ОВП - отсек водных процедур, 17 - УЗВ - узел загрязненной воды, 18 - УМО - узел мембранной очистки, 19 - УОВ - узел обеззараживания воды.
Осуществление изобретения
Заявленный технический результат достигается путем осуществления предварительной механической очистки и подготовки воды с последующей очисткой методом обратного осмоса путем осуществления тангенциальной фильтрации с циркуляцией загрязненной воды в замкнутом контуре и концентрированием загрязнителей в заменяемой (опорожняемой) циркуляционной емкости постоянного объема с подпиткой исходной очищаемой водой, а также путем введения в систему очистки воды сепараторов при приеме загрязненной воды и в контуре циркуляции для обеспечения процессов фильтрования и обратного осмоса в условиях невесомости.
Система обратноосмотической очистки санитарно-гигиенической воды работает в двух режимах:
1) в режиме выдачи очищенной санитарно-гигиенической воды и приема загрязненной воды;
2) в режиме очистки (регенерации) загрязненной воды.
Система может работать в совмещенном режиме, когда одновременно осуществляется прием и выдача воды и производится очистка загрязненной воды. Режим выдачи очищенной санитарно-гигиенической воды и приема загрязненной воды. Так как в условиях невесомости отсутствует гравитационный механизм осаждения, необходимо применять специальные методы транспортирования загрязненной воды из отсека водных процедур. Данная задача решается путем введения в состав системы обратноосмотической очистки санитарно-гигиенической воды блока сепарации газожидкостной смеси (ГЖС) поз. 2 (фиг. 1), в состав которого входит вентилятор для транспортирования жидкости с потоком воздуха в данный блок и центробежный насос-сепаратор для разделения фаз «газ-жидкость» и транспортирования жидкости в емкость для хранения.
При приведении установки в режим готовности к выдаче воды автоматически включается режим приема воды. При этом запускается блок сепарации ГЖС поз. 2 (фиг. 1) (подается питание на вентилятор и сепаратор ГЖС блока). Установка готова к приему загрязненной воды.
По запросу из отсека водных процедур 1 чистая вода подается с помощью насоса 6.3 из емкости 14, проходит ультрафиолетовый обеззараживатель воды 7 и выдается на потребление. После использования вода увлекается потоком воздуха в блок сепарации ГЖС поз. 2, отделяется от воздуха и транспортируется в емкость загрязненной воды переменного объема 3.
Емкости переменного объема 3 и 14 представляют собой металлический корпус, в котором находится полимерная емкость, способная к сжатию и расправлению (полость между полимерной емкостью и корпусом сообщается с атмосферой) и обеспечивающая прием и выдачу воды в условиях невесомости.
Режим очистки (регенерации) загрязненной воды
Режим очистки (регенерации) загрязненной воды запускается и останавливается по команде с пульта управления или автоматически. Запуск режима регенерации в автоматическом режиме происходит при заполнении емкости переменного объема 3 (фиг. 1) или при опорожнении емкости очищенной воды 14. Автоматическая остановка режима регенерации происходит при опорожнении емкости переменного объема 3 или при заполнении емкости очищенной воды 14.
В режиме регенерации запускаются насосы 6.1 и 6.2. Загрязненная вода начинает циркулировать по циркуляционному контуру, тангенциально проходя через обратноосмотический элемент. Циркуляция производится через емкость постоянного объема 4, в которой происходит концентрирование загрязнений. Концентрационная емкость постоянного объема 4 представляет собой металлический корпус, в котором находится полимерная емкость, способная к сжатию и расправлению, причем из полости между полимерной емкостью и корпусом откачен воздух. Полимерная емкость прижата к стенкам корпуса и имеет постоянный объем. Имеется возможность опорожнения данной емкости без демонтажа путем подачи давления в полость между полимерной емкостью и корпусом, а также возможность ее последующего заполнения. При опорожнении емкости 4 используют вентиль 12.1, через который ее и опорожняют. По мере прохождения воды через мембрану обратноосмотического фильтра 9 осуществляется подпитка циркуляционной емкости постоянного объема исходной очищаемой водой. Таким образом, решается проблема поддержания постоянного объема циркуляционного контура.
При этом после фильтра грубой очистки 5 дополнительно может быть установлен фильтр тонкой очистки 15, при очистке которого перекрывают вентиль 12.2. Необходимое давление в обратноосмотическом фильтре 9 выставляется при помощи вентиля 11 и манометра 10. При циркуляции потока загрязненной воды через обратноосмотический фильтр 9 исходный поток разделяется на поток концентрата и поток очищенной воды (фильтрат, пермеат). Очищенная вода поступает в ионатор серебра 13, где консервируется и транспортируется на хранение в емкость очищенной воды переменного объема 14. Законсервированная вода может храниться продолжительное время, не теряя своего качества.
При осуществлении обратноосмотической очистки в условиях невесомости недопустимо попадание воздуха в обратноосмотический фильтр 9. Задача отделения воздуха на входе в обратноосмотический фильтр решается путем введения в линию нагнетания насоса высокого давления вихревого сепаратора 8.
При осуществлении очистки в концентрационной емкости постоянного объема 4 производится постепенное наращивание концентрации загрязнителей до концентрации, предельно допустимой по степени очистки и обеспечивающей заданный ресурс работы системы, после чего осуществляется замена емкости 3 на новую или ее опорожнение с последующей заправкой чистой водой.
Предусмотрена промывка циркуляционного контура системы путем вытеснения концентрата загрязненной воды чистой водой.
Для обеспечения надежности и безопасности системы обратноосмотической очистки воды для человека при ее использовании в гермообъекте в состав системы введена двухступенчатая системы обеззараживания очищенной воды с использованием ионатора серебра и ультрафиолетового обеззараживателя.
нач
кон
При продолжительных простоях между регенерациями загрязнения, находящиеся в циркуляционном контуре, посредством диффузии проходят через обратноосмотическую мембрану и оказываются в канале очищенной воды. Для решения проблемы попадания воды ненадлежащего качества в емкость для очищенной воды 14 в заявленной системе очистки воды предусмотрен байпас для промывки канала очищенной воды перед началом регенерации. Для осуществления промывки в установке предусмотрены запорные вентили (клапаны) 12.3, 12.4. В режиме ожидания вентили 12.3, 12.4 закрыты. При включении режима регенерации открывается один вентиль 12.3 и начинается промывка канала очищенной воды свежим фильтратом с возвратом его в циркуляционный контур. По истечении 15 минут промывки вентиль 12.3 автоматически закрывается, а вентиль 12.4 открывается. Начинается регенерация воды. При объеме емкостей 3, 4 и 14, равном 20 литров, объеме трубопроводов и фильтров контура 4 литра, расходе загрязненной воды в циркуляционном контуре 6 л/мин и концентрировании загрязнителей от С=5 г/л до С=250 г/л система обратноосмотической очистки санитарно-гигиенической воды при перепаде давления на ФО, равном 1 МПа, обеспечивает очистку не менее 1200 литров загрязненной воды без замены (опорожнения) концентрационной емкости постоянного объема поз. 4. При этом система осуществляет не менее 50 циклов очистки. Коэффициент извлечения воды составляет не менее 98%.
Коэффициент извлечения воды рассчитывается по формуле:
О.В.
где: G - количество очищенной воды;
З.В.
G - количество поступившей загрязненной воды;
нач
С - начальная концентрация загрязнителей;
кон
С - конечная концентрация загрязнителей.
.
Ресурс работы до смены (опорожнения) емкости 4:
,
где: V - объем концентрирования:
4
к
V=V+V=20+4=24 л
4
V - объем концентрационной емкости постоянного объема 4 (фиг. 1);
к
V - объем циркуляционного контура.
Степень концентрирования загрязнений:
.
Минимальная селективность мембраны:
,
ф
ф
2
где С - концентрация моющего средства в фильтрате (С = 1 г/л при максимально допустимом значении ХПК(б) фильтрата, равном 150 мг О/л, в соответствии с ГОСТ Р 50804-95).
Очистка загрязненной санитарно-гигиенической воды производится следующим образом (см. схему Фиг. 2). Вода из отсека водных процедур ОВП 16 (душевой кабины, помещения для помывки, стиральной машины) поступает в узел загрязненной воды УЗВ 17, где происходит ее накопление. После накопления нужного количества загрязненной воды автоматически запускается режим очистки (регенерации). Вода подается в узел мембранной очистки УМО 18, где исходный поток делится на поток очищенной воды и поток концентрата, который возвращается в узел загрязненной воды. Очищенная вода поступает в узел очищенной воды (УОВ) 19, где происходит ее накопление и выдача в отсек водных процедур.