УСТРОЙСТВО ДЛЯ ОЧИСТКИ И ОБЕЗЗАРАЖИВАНИЯ ВОДНЫХ СРЕД
DEVICE FOR PURIFICATION AND DISINFECTION OF AQUATIC MEDIA

Предлагаемое изобретение относится к системам очистки и обеззараживания водных сред, включая локальные системы подготовки питьевой воды муниципальных систем водоснабжения.
Под обеззараживанием питьевой воды понимают мероприятия по уничтожению в воде бактерий и вирусов, вызывающих инфекционные заболевания. По способу воздействия на микроорганизмы методы обеззараживания воды подразделяются на химические или реагентные; физические или безреагентные и комбинированные. В первом случае должный эффект достигается внесением в воду биологически активных химических соединений; безреагентные методы обеззараживания подразумевают обработку воды физическими воздействиями, а в комбинированных используются одновременно химическое и физическое воздействия.
К химическим способам обеззараживания питьевой воды относят ее обработку окислителями: хлором, озоном и т.п., а также ионами тяжелых металлов. К физическим - обеззараживание ультрафиолетовыми лучами, ультразвуком и т.д. Перед обеззараживанием вода обычно подвергается очистке фильтрацией и (или) коагуляцией, при которой удаляются взвешенные вещества, яйца гельминтов и значительная часть микроорганизмов.
Из химических способов обеззараживания питьевой воды наибольшее распространение получило обеззараживание воды хлором и озоном. В последнее время наибольший интерес представляет обеззараживание воды озоном. 95% питьевой воды в Европе проходит озонную подготовку. В США идет процесс перевода с хлорирования на озонирование. В России также действуют несколько крупных станций (в Москве, Нижнем Новгороде, Санкт-Петербурге и других городах). Интерес к применению озона при подготовке питьевой воды объясняется тем, что озон обеспечивает быстрое и надежное обеззараживание, вызывает значительное улучшение органолептических свойств воды - в результате обработки озоном устраняются привкусы и запахи, цветность воды. Кроме того, возрастает содержание растворенного кислорода, что возвращает очищенной воде одно из основных свойств, характеризующих чистые природные источники.
Озон является бесцветным газом, молекулы которого, состоящие из трех атомов кислорода, являются нестабильными. Спустя небольшой интервал времени после образования, молекула озона распадается, возвращаясь в свое естественное состояние: молекулу кислорода, состоящую из двух атомов. При этом остаются свободные атомы кислорода, которые агрессивно стремятся присоединиться к любым инородным частицам, содержащимся в воде. При этом вода оказывается той средой, в которой бактерии и прочие органические примеси легко разлагаются под действием этих свободных атомов кислорода. Благодаря этому, озон оказывается очень сильным окислителем, и его дезинфицирующие свойства во много раз сильнее других распространенных дезинфекторов, таких как хлор. Предпочтительность использования озона в индустрии подготовки питьевой воды обусловлена также тем фактом, что озон, в отличие от хлора, не оставляет никакого запаха, полностью разлагаясь на кислород. Озонирование - наилучший метод обезжелезивания воды, а если железо и марганец содержатся в форме органических соединений или коллоидальных частиц (с размером 0,1-0,01 мкм), то обезжелезивание воды возможно только при помощи озоновой очистки воды, т.к. требуется предварительное окисление органических соединений. Озон не придает воде привкусов и запахов и обладает весьма ценным свойством самораспада - после окончания обработки озон превращается обратно в кислород. Благодаря этому передозировка озона не является проблемой. По своей сути очистка воды озоном эквивалентна многократно ускоренной процедуре природной очистки воды, протекающей в естественных условиях под действием кислорода воздуха и солнечного излучения. Озон очень сильный окислитель, его окислительный потенциал - 2,06 В. Патогенные микроорганизмы уничтожаются им в 15-20 раз, а споровые формы бактерий - в 300-600 раз быстрее, чем хлором. Вирус полиомиелита погибает при концентрации озона 0,45 мг/л через 2 мин, тогда как от хлора - только за 3 ч при 1 мг/л. Исследования показали, что из бактерий кишечная палочка оказалась наиболее устойчивой к действию окислителей из всей группы кишечных бактерий, быстро погибает при озонировании. Также эффективно использование озонирования в борьбе с возбудителями брюшного тифа и бактериальной дизентерии. С химической точки зрения минеральные вещества, растворенные в воде и определяющие в некоторой мере и питательные свойства, не изменяются после озонирования. В то же время обработка озоном не придает воде никаких дополнительных посторонних веществ и химических соединений. Наряду с несомненными преимуществами, как наиболее эффективного, комплексного и естественного реагента, у озона есть и недостатки. Озонирование не может быть единственным универсальным методом очистки воды, избавляющим ее от всех возможных загрязнений, и является только одной из ступеней водоподготовки. Кроме того, применение озона накладывает некоторые технологические ограничения, поскольку озонирование - это процесс, требующий определенного состава оборудования:
- озоногенератор, в котором осуществляется выработка озона из воздуха или кислорода;
- система введения озона в воду и его смешения;
- реактор - емкость, в которой за счет перемешивания и выдержки обеспечивается необходимое время реакции озона с водой;
- деструктор озона для удаления остаточного не прореагировавшего озона.
К тому же это оборудование надо эксплуатировать, выполняя необходимые профилактические мероприятия и мероприятия по обеспечению безопасности.
Как правило, озоногенератор отделен от реактора и озон подается в реактор через трубопроводы. Например, в А.С. №695968 описана «Установка для озонирования воды», включающая устройство синтеза озона с воздухоподготовкой и контактную камеру озонирования. Недостатком этой установки является ее малая эффективность, связанная с потерей вырабатываемого озона в соединительных коммуникациях между устройством синтеза озона и контактной камерой озонирования.
Известно «Устройство для обработки воды» по патенту РФ №2311348, которое, как наиболее близкое по совокупности существенных признаков, выбрано авторами в качестве прототипа. В известном устройстве озоногенератор помещен непосредственно в корпус устройства, но озон подается в камеру смешивания все равно через трубопровод, что не позволяет достичь достаточной эффективности и экономичности устройства. Также в известном устройстве наряду с озоном используется активированный уголь в качестве фильтрующего материала, который требует периодической замены или восстановления его сорбционной способности, что также повышает эксплуатационные расходы при использовании этого устройства, а также приводит к загрязнению окружающей среды, поскольку используются химические реактивы.
Задачей настоящего изобретения является создание нового устройства для очистки и обеззараживания водной среды, обеспечивающее получение следующего технического результата, а именно повысить эффективность и экономичность очистки и обеззараживания воды с помощью озонирования.
Для решения поставленной задачи предлагается в устройстве для очистки и обеззараживания водной среды, включающем герметичный полый корпус с двумя крышками верхней и нижней, в который помещены два коаксиальных цилиндра, патрубки со штуцерами для подачи исходной воды, отвода обработанной и подачи сжатого воздуха, система электродов с разрядной зоной, причем пространство между цилиндрами разделено водопроницаемыми кольцами на три зоны: верхнюю - приемную, среднюю - фильтровальную, заполненную фильтрующим материалом, и нижнюю - для насыщения воды озоном, СОГЛАСНО настоящему изобретению разрядную зону разместить в нижней части внутреннего коаксиального цилиндра, которая отделена от верхней части соответствующей перегородкой, коаксиальные цилиндры выполнить из материалов, не проводящих электрический ток, внутри наружного цилиндра поместить индуктор, подключенный к генератору токов высокой частоты, расположенному вне герметичного полого корпуса, во внутреннем цилиндре поместить обмотку из проводов, в которой индуцируется ток ВЧ от индуктора, находящегося в наружном цилиндре, причем число витков обмотки рассчитывается так, чтобы в обмотке создавалось напряжение, достаточное для возникновения импульсного коронного разряда в системе электродов в нижней части устройства, причем один из них подключен к индуктору, а второй - к обмотке из проводов.
Такое новое техническое решение всей своей совокупностью существенных признаков позволяет создать новое устройство для очистки и обеззараживания водной среды, обеспечивающее достижение технического результата, который заключается в повышении эффективности и экономичности очистки и обеззараживания воды с помощью озонирования. Это обусловлено тем, что в герметичном пустотелом корпусе предложено:
- разрядную зону разместить в нижней части внутреннего коаксиального цилиндра, отделив ее от верхней части соответствующей перегородкой,
- коаксиальные цилиндры выполнить из материалов, не проводящих электрический ток, стойких к озону - керамики, кварцевого стекла, фарфора, термостойкого фторопласта,
- внутри наружного цилиндра поместить индуктор, подключенный к высокочастотному генератору,
- во внутреннем цилиндре разместить обмотку из проводов, в которой индуцируется ток ВЧ от индуктора, находящегося в наружном цилиндре, причем число витков обмотки рассчитывается так, чтобы в обмотке создавалось напряжение, достаточное для возникновения импульсного коронного разряда в системе электродов.
Заявителем проведен патентно-информационный поиск по данной теме, который показал, что предлагаемая совокупность существенных признаков не известна. Поэтому заявляемое изобретение можно считать новым.
Предлагаемое изобретение для специалиста логически не следует из известного уровня техники, что достаточно обосновано было ранее.
Практическая применимость заявляемого изобретения поясняется нижеследующим описанием и чертежом.
На фиг. 1 приведен разрез предлагаемого устройства для очистки и обеззараживания водной среды, где:
1 наружный цилиндр
2 индуктор
3 высокочастотный генератор
4 внутренний коаксиальный цилиндр
5 обмотка из проводов
6 система электродов (высоковольтный и низковольтный электрод)
7 нижняя часть внутреннего коаксиального цилиндра
8 патрубок со штуцером для подачи сжатого воздуха
9 патрубок со штуцером для отвода очищенной и обеззараженной воды
10 нижняя крышка
11 патрубок для приема воды от магистрали
12 верхняя крышка
13 корпус
14 водопроницаемые кольца
15 фильтрующий материал
Устройство представляет собой два коаксиально расположенных (соосных) цилиндра 1 и 4 из электрически непроводящего материала (например, керамики), между которыми протекает вода.
Пространство между крышками 10 и 12 разделено на три секции водопроницаемыми кольцами 14. Средняя секция заполнена сорбирующим материалом 15 (например, активированным углем).
Внутри наружного цилиндра 1 находится индуктор 2, подключенный к высокочастотному генератору 3.
Во внутреннем цилиндре 4 находится обмотка из провода 5, в которой индуцируется ток ВЧ от индуктора 2. При этом число витков обмотки 5 намного превышает число витков индуктора 2, и достаточно для получения напряжения, позволяющего создавать импульсный коронный разряд в системе электродов 6 в нижней секции.
Электроды заключены в пористый керамический цилиндр 7, в который через патрубок 8 подается сжатый воздух.
Давление в цилиндре 7 больше, чем давление воды, а проницаемость пор соответствует необходимой концентрации озона при данных условиях. Вода от патрубка 11 проходит через угольный фильтр очищается от примесей и в нижней части устройства насыщается озоном. При этом предполагается, что расстояние до пользователя достаточно велико или имеется накопительный резервуар, в котором остатки активного кислорода нейтрализуются.
Для создания импульсного коронного разряда генератор 3 вырабатывает импульсы при безопасном напряжении (50-500 В) при несущей частоте 50-200 кГц, которой недостаточно для нагрева активированного угля.
Но частота выше 1-4 МГц поглощается активированным углем и разогревает его. Известно, что разогрев угля до 800-900°С восстанавливает его поглощающие способности. В данном случае его сорбирующая способность может быть значительно восстановлена при разогреве до 400°С.
Таким образом, слив воду, можно обеспечить индукционный нагрев угля до необходимых температур. Выделяющийся при этом загрязненный газ уходит через патрубок 9, который при этом должен быть отключен от магистрали, идущей к потребителям или в накопительный резервуар.