СПОСОБ ОЧИСТКИ ПРИРОДНЫХ И СТОЧНЫХ ВОД И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ
METHOD OF PURIFICATION OF NATURAL AND SEWAGE WATERS AND DEVICE FOR ITS REALISATION

Изобретение относится к оборудованию для очистки природных и сточных вод, стоков промышленных предприятий, а также городских сточных вод инженерных сооружений; может применяться для очистки от органических и неорганических загрязнений на предприятиях водоочистки питьевых вод, коммунального хозяйства и ТЭЦ.
Известен способ флотации сточных вод, включающий введение флокулянта с последующим насыщением полученной смеси, растворенным под давлением воздухом и разделение сточных вод на очищенную жидкость и пенный слой (SU 1835802 А1 МПК C02F 1/24, опубл. 29.06.1995 г.)
Недостатком такого способа является недостаточная степень очистки природных и сточных вод от загрязнений и примесей, особенно от частиц мелкодисперсных загрязнений крупностью менее 5 мкм.
Известна установка для флотационной очистки воды, содержащая корпус, с перфорированными трубопроводами для подачи водовоздушной смеси, узел вывода очищенной воды, механизм удаления пены, устройство для насыщения исходной воды пузырьками воздуха (RU 2251530 С1 МПК C02F 1/24, опубл. 10.05.2005 г.).
Недостатком указанного устройства является недостаточная степень очистки природных и сточных вод от загрязнений и примесей, в том числе от частиц мелкодисперсных загрязнений крупностью менее 5 мкм.
Наиболее близким к заявляемым способу и устройству для очистки сточных вод, принятым за прототип, является флотатор для очистки сточных вод (RU 100512 U1 МПК C02F 1/24, опубл. 20.12.2010 г.).
Флотатор содержит корпус с патрубками входа сточных вод и выхода осветленной воды, входа газа, выхода пенного продукта, выгрузки шлама, перегородку с центральным отверстием, разделяющую корпус на верхнюю и нижнюю камеры, переточную трубу, выведенную за пределы перегородки вверх, распределительную тарелку, патрубок выхода пенного продукта, установленный на корпусе выше большого основания конуса перегородки, патрубок выходы осветленной воды, расположенный ниже малого основания полого усеченного конуса перегородки.
Исходная вода поступает под давлением во флотатор, насыщается растворенным под давлением воздухом, частички газа в виде пузырьков транспортируются по поперечному сечению объема обрабатываемой воды, далее газовые пузырьки всплывают вверх, захватывая с собой твердые и жидкие примеси и создавая на поверхности раздела фаз пенный продукт, пена собирается в специальной камере, по мере ее накопления производится сброс пенного продукта, осветленная вода отводится из устройства.
Недостатком данного способа и устройства является недостаточная степень очистки природных и сточных вод от частиц загрязнений и примесей, в том числе от частиц мелкодисперсных загрязнений размерами менее 5 мкм.
Задачей заявляемых способа и устройства для очистки природных и сточных вод является повышение степени очистки от мелких частиц загрязнений крупностью менее 5,0 мкм.
Технический результат достигается благодаря тому, что при реализации предлагаемого способа очистки природных и сточных вод, включающего разделение природных и сточных вод на очищенную жидкость и пенный продукт загрязнений, в отличие от прототипа, для удаления мелкодисперсных загрязнений дополнительно в установке для получения плазмоидов формируют положительно и отрицательно заряженные гидратированные ионы, которыми с помощью созданного вентилятором воздушного потока насыщают природные и сточные воды, поступающие по переточной трубе в корпус устройства, образованные ионизированные комплексы: гидратированный ион - воздушный пузырек - мелкодисперсная частица загрязнений направляют в пенный продукт загрязнений, который через сквозные периферийные отверстия в перегородке отделяют от очищенной жидкости.
Технический результат в предлагаемом устройстве для очистки природных и сточных вод реализуется благодаря тому, что устройство, содержащее корпус с патрубками входа сточных вод и выхода осветленной воды, входа воздуха, выхода пенного продукта, выгрузки шлама, перегородку в виде усеченного конуса с центральным отверстием, разделяющую корпус на верхнюю и нижнюю камеры, переточную трубу, выведенную за пределы перегородки вверх, в отличие от прототипа, для обеспечения удаления мелкодисперсных загрязнений устройство дополнительно содержит установку для получения плазмоидов и формирования положительно и отрицательно заряженных гидратированных ионов, которая соединена с переточной трубой посредством горизонтального воздуховода с вентилятором, и содержит емкость с водой, в которой расположены кольцевой короткозамкнутый медный анод и помещенный в кварцевую трубку цилиндрический графитовый катод, причем вертикальная ось катода перпендикулярна воздуховоду, нижний торец катода соединен токопроводом через электронный ключ и таймер с отрицательно заряженной пластиной конденсаторной батареи, верхний торец катода выступает над уровнем воды, а анод соединен токопроводом с положительно заряженной пластиной конденсаторной батареи, на нижнем торце переточной трубы неподвижно закреплен диск со сквозными отверстиями, а в перегородке расположены, по меньшей мере, два сквозных периферийных отверстия.
Кроме того, верхний торец цилиндрического корпуса имеет форму конуса.
Для удаления мелкодисперсных загрязнений интенсифицируют процесс образования комплексов: воздушный пузырек - частица загрязнений с помощью неподвижно закрепленного диска со сквозными отверстиями на нижнем торце переточной трубы, затем, применяя установку для образования гидратированных ионов, ими насыщают сточные воды, при этом, ионизируют мелкодисперсные частицы загрязнений с образованием ионизированных комплексов: гидратированный ион - воздушный пузырек - мелкодисперсная частица загрязнений, что способствует тому, что ионизированные комплексы поступают в очищаемую воду и в пенный продукт загрязнений, который отделяют через сквозные периферийные отверстия в перегородке, обеспечивая очистку природных и сточных вод от мелкодисперсных загрязнений и примесей размером менее 5 мкм.
Создание в очищаемой жидкости комплексов гидратированный ион - воздушный пузырек - мелкодисперсная частица и вывод их из очищаемой воды обеспечивает очистку природных и сточных вод от частиц загрязнений размером менее 5 мкм.
Установка для получения плазмоидов и формирования положительно и отрицательно заряженых гидратированных ионов, которая соединена с переточной трубой посредством горизонтального воздуховода с вентилятором, и содержит емкость с водой, в которой расположены кольцевой короткозамкнутый медный анод и помещенный в кварцевую трубку цилиндрический графитовый катод, позволяет преобразовать холодную плазменную струю в плазмоиды и гидратированные ионы, ионизировать мелкодисперсные частицами, создать комплексы гидратированный ион - воздушный пузырек - мелкодисперсная частица, которые затем отделить от очищаемой жидкости и удалить вместе с пенным продуктом. Для того чтобы воздушные пузырьки распространялись на весь объем очищаемой воды в нижнем торце переточной трубы неподвижно закреплен диск со сквозными отверстиями, через которые пузырьки воздуха из переточной трубы попадают в периферийные части установки и, соединяясь с частицами мелкодисперсных загрязнений, образуют комплексы. Для повышения скорости вывода комплексов из нижней части установки в ее верхнюю часть, а затем за ее пределы, в перегородке выполнены сквозные периферийных отверстия.
При использовании цилиндрического катода с верхним торцом в виде конуса образуются плазмоиды диаметром 5-10 мм, увеличивается количество гидратированных ионов, повышается степень очистки воды от мелкодисперсных частиц загрязнений.
Проведенный поиск по патентной и научно-технической литературе показал, что новая совокупность существенных признаков в способе и устройстве, позволяющая обеспечить удаление мелкодисперсных примесей меньше 5 мкм, не известна из уровня техники, что доказывает соответствие технического решения критерию «новизна» и «изобретательский уровень».
В процессе насыщения природных и сточных вод воздухом происходит образование комплекса воздушный пузырек - частица загрязнений, который происходит в три стадии: сближение пузырька воздуха и частицы загрязнений в жидкой фазе, контакт пузырька с частицей, их прилипание или адсорбция с частицей загрязнений. При этом лучшее прилипание наблюдается для гидрофильных минеральных частиц или загрязнений размерами 0,1-1,0 мм. Мелкие частицы загрязнений размерами менее 5 мкм не закрепляются на пузырьках воздуха и не удаляются из очищаемой воды.
В заявляемом техническом решении гидратированные ионы вводятся в объем очищаемых природных и сточных вод, насыщенных пузырьками воздуха, ионизируют частицы загрязнений, растворенные в воде, образуют комплекс: гидратированный ион - воздушный пузырек - частица загрязнений. Благодаря ионизации частиц крупностью менее 5 мкм, удается создать новый ионизированный комплекс: гидратированный ион - воздушный пузырек - мелкодисперсная частица загрязнений.
Находящиеся во взвешенном состоянии в природных и сточных водах коллоидные частицы загрязнений: кварцевые и глинистые частицы, окись железа, бактерии, вирусы, нефтепродукты, синтетические моющие вещества, поверхностно активные вещества (ПАВ) нейтральны или имеют слабый отрицательный заряд.
Образование нового комплекса гидратированный ион - воздушный пузырек - мелкодисперсная частица загрязнений, происходит в два этапа.
На первом этапе, при соприкосновении положительно и отрицательно заряженных гидратированных ионов с нейтральными частицами загрязнений ионы сообщают им заряд, то есть ионизирует их. Положительно и отрицательно заряженные частицы загрязнений за счет кулоновских сил притягиваются между собой с образованием более крупных комплексов: гидратированные ионы - мелкодисперсная частица, то есть происходит их укрупнение.
-3
-2
На втором этапе, комплекс: гидратированные ионы - мелкодисперсная частица за счет адгезии прилипает к пузырьку воздуха и образует новый комплекс гидратированный ион - пузырек воздуха - мелкодисперсная частица, который флотирует на границу раздела фаз вода - воздух с образованием пенного продукта и выводится из очищаемой воды. Способ может быть также реализован для извлечения радионуклидов урана из морской воды при ее дезактивации, а также при извлечении мелкодисперсных минеральных веществ из разбавленных растворов, с низкой концентрацией вещества в воде (менее 10-10 моль/литр).
Для получения плазменных струй и автономных гидратированных ионов используют устройство, в котором для получения положительно и отрицательно заряженных гидратированных ионов замыкается разрядник электрической цепи и постоянный ток протекает от отрицательного полюса конденсаторной батареи по токопроводу к аноду и через ионизированный воздух к заземленной поверхности воды, находящейся в емкости. Верхняя торцевая часть катода расположена над уровнем воды в емкости на расстоянии от 3-5 мм. При смачивании угольного катода каплей воды и быстром замыкании - размыкании разрядника электрической цепи из катода вылетает плазменная струя, от которой отрывается плазмоид, имеющий ядро из положительно и отрицательно заряженных гидратированных ионов и отрицательно заряженную оболочку. Через 1-2 сек. оболочка исчезает, и положительно и отрицательно заряженные гидратированные ионы поступают в окружающий воздух (А.И.Егоров, С.И.Степанов. Свойства короткоживущих шаровых молний, полученных в лаборатории. Журнал технической физики, 2008, том 78, вып.6, С-Петербург, Наука, с.15-19). Однако, использование данного устройства для очистки природных и сточных вод от загрязнений не известно.
На чертеже изображен продольный разрез устройства для очистки природных и сточных вод.
Устройство содержит корпус 1 с патрубками входа сточных вод 2 и выхода осветленной воды 3, входа воздуха 4, выхода пенного продукта 5, выгрузки шлама 6, перегородку 7 в виде усеченного конуса с центральным и периферийными отверстиями 8, разделяющую корпус на верхнюю и нижнюю камеры, переточную трубу 9, выведенную за пределы перегородки вверх и соединенную с патрубком входа воздуха, неподвижно закрепленный диск 21 с отверстиями, горизонтальный трубопровод 10, вентилятор 11, установку для образования гидратированных ионов 12, содержащую емкость с природной водой 13, с расположенным в ней кольцевым короткозамкнутым медным анодом 14, замкнутым в кварцевую трубку 15, цилиндрическим графитовым катодом 16, токопровод 17, соединенный через электронный ключ 18 и таймер 19, с конденсаторной батареей 20.
Устройство работает следующим образом.
Природные или сточные воды, содержащие частицы загрязнений, через патрубок входа 2 поступает в корпус 1. Одновременно, через патрубок входа 4 поступает поток воздуха, который через переточную трубу 9 и диск 21 с отверстиями вводится в очищаемую воду с образованием пузырьков воздуха, которые флотируют на поверхность раздела фаз: вода - воздух.
При срабатывании таймера 19 происходит быстрое замыкание - размыкание электронного ключа 18 и на короткий промежуток времени замыкание электрической цепи, состоящей из отрицательно заряженной пластины конденсаторной батареи 20, токопровода 17, электронного ключа с таймером, цилиндрического катода 16, замкнутого в кварцевую трубку 15, паров воды над катодом, воды в емкости 13, короткозамкнутого анода 14, соединенного токопроводом с положительно заряженной пластиной конденсаторной батареи.
При смачивании каплей воды верхней торцевой части цилиндрического катода 16 из нее вылетает плазменная струя на высоту 15-20 мм. Через 0,1 секунды плазменная струя обрывается и образуется плазмоид, который поднимается вверх перпендикулярно потоку воздуха нагнетаемого вентилятором 11 через горизонтальный трубопровод 10.
Через 1-2 сек оболочка плазмоида исчезает и образуются положительно и отрицательно заряженные гидратированные ионы, которые вводятся в воздушный поток, образуемый вентилятором 11. Через горизонтальный трубопровод 10 гидратированные ионы направляются в переточную трубу 9 и поступают в очищаемую воду, находящуюся в нижней части корпуса.
Так как, гидратированные ионы имеют положительный заряд, то при встрече с отрицательно заряженными мелкодисперсными частицами загрязнений крупностью менее 5 мкм они притягиваются с образованием комплексов гидратированные ионы - мелкодисперсная частица. В нижней части корпуса, отделенной перегородкой 7 от верхней части корпуса, происходит процесс образования комплекса: гидратированные ионы - пузырек воздуха - мелкодисперсная частица загрязнений. Через центральное и периферийные отверстия 8 в перегородке комплекс поднимается в верхнюю часть корпуса, в которой собирается пенный продукт. Далее, через патрубок 3 происходит вывод осветленной воды, через патрубок 5 - вывод пенного продукта. Частицы загрязнений крупностью более 5 мкм опускаются в нижнюю часть корпуса и через патрубок 6 выводятся из него.
Исследования показали, что при использовании способа и устройства можно получить степень очистки сточных вод от мелкодисперсных частиц загрязнений - до 20 мг/л.