Компактная установка для комплексной очистки воды
COMPACT INSTALLATION FOR COMPLEX WATER TREATMENT

Изобретение относится к области экологии и предназначено для очистки воды, как для бытового, так и промышленного водоснабжения и может быть использовано для очистки воды в частных домах, коттеджах, квартирах, офисах, других жилых и общественных зданиях, населенных пунктах, предприятиях.
Известна установка «Компакт» для очистки воды из патента SU №1623691, опубл. 30.01.1991 г. [1].
Установка включает подводящий трубопроводов, впускной лоток с водосливным, входную часть, полупогружной щит, распределительное устройство, камеру из наклонных элементов, приямок, смеситель с трубопроводом подачи реагентов, камеру хлопьеобразования, опирающуюся на решетку, переливное устройство, отстойник из трубчатых элементов, межтрубное пространство, осадочные части и устройство для отвода осадков. После трубчатых элементов располагается камера осветленной воды, сборный желоб, трубопровод, запорные устройства, смесители, дозаторы и скорый фильтр с колпачковым дренажем и отводной трубопровод. Система для отвода промывной воды включает приемные воронки, сборный трубопровод с запорным устройством, трубопровод, дырчатые трубопроводы и запорные устройства.
Известная установка имеет сложную рабочую конструкцию и высокие по сравнению с заявляемой установкой эксплуатационные затраты в связи с тем, что требует обязательную дозацию химического реагента для эффективного протекания процесса очистки.
Известна установка для очистки и обеззараживания воды из патента РФ №2304561, опубл. 20.08.2007 г. [2].
Установка безреагентной подготовки воды для питьевого и технического водоснабжения. Установка содержит гидроциклон, фильтр осветлительный, насос, гидродинамический импульсный генератор роторного типа с электроприводом, кавитационный реактор-циклон (КРЦ), два эжектора, проскоковый фильтр. Гидродинамический импульсный генератор содержит горизонтально расположенный цилиндрический полый корпус, который имеет диаметрально расположенные два отверстия со вставленными в них разгонными форсунками. Цилиндрический корпус также содержит цилиндрический полый ротор с двумя диаметрально расположенными одинаковыми отверстиями. Причем отверстия разгонных форсунок и отверстия ротора расположены на одной диаметральной оси. При входе воды в разгонные форсунки при среднем давлении 0,15 МПа давление на встречных импульсных струях достигается 3,2 МПа, что способствует уничтожению спор грибков и бактерий. После гидродинамического импульсного генератора обрабатываемая вода поступает в эжекторы, где интенсивно смешивается с кислородом воздуха или озоном, окисляется и поступает по тангенциальным патрубкам в КРЦ. КРЦ содержит вертикально расположенный цилиндрический полый корпус, внутри которого на одной оси расположены разгонный конус и совмещенный с ним разгонный цилиндр. Очищаемая вода, вращаясь вокруг разгонного цилиндра, поднимается вверх в коллектор отвода очищенной воды, далее в резервуар чистой воды и к потребителю. Твердые частицы отбрасываются от центра к периферии корпуса КРЦ и по сливной трубе удаляются в канализацию. Технический результат - повышение качества питьевой воды и экономичности при ее обработке.
Недостатком известной установки является сложность ее конструктивного решения, высокое энергопотребление и также отличает от предлагаемой тем, что ее узлы размещены не в одном едином корпусе.
Известна установка для очистки воды ГДВУ-03/5-М из https://гкпт.рф/dokumenty [3]. Известная установка ГДВУ-03/5-М содержит циркуляционно-подпиточную емкость, насосы, коагулятор/сборник осадков, датчики, трубопровод, запорную арматуру, фитинги, фильтрующую загрузку технологических узлов, ультрафиолетовый проточный стерилизатор, автоматическую систему управления и контроля блок промежуточного расхода.
Известная установка отличается от предлагаемой тем, что ее узлы размещены не в одном едином корпусе.
Наиболее близким к заявляемой установке является бытовая водоочистная установка EcoStation Home, известная из https://гкпт.рф/oborudovanie/vodoochistnaya-ustanovka-a-box [4].
Известная установка выполнена в едином корпусе, в котором расположены следующие зоны: генерации, отстаивания, осветления и накопления. Бытовая компактная безреагентная гидродинамическая установка EcoStation Home очищает исходную воду от механических примесей, солей, металлов (железа, марганца и др.), поверхностно-активных веществ (ПАВ), микроорганизмов. Вода, прошедшая очистку в установке EcoStation Home, применима для хозяйственно-бытовых целей и может быть использована для питьевых целей. Очищенная вода подается потребителю при помощи встроенной насосной станции.
Качество очистки воды у известной установки значительно ниже, чем у заявляемой в силу того, что у известной отсутствует дополнительная выделенная зона коагуляции. Также у известной установки выше энергопотребление, так как для ее работы обязательно использование технологического насоса, в отличие от заявляемой установки.
Технической задачей предлагаемого изобретения является разработка компактной и экономичной в плане эксплуатационных затрат установки комплексной очистки воды.
Техническим результатом изобретения также является то, что конструктивные особенности разработанной установки предполагают расположение всех узлов в едином корпусе, имеющем компактные размеры, причем их можно масштабировать и, при этом установка имеет одинаково высокую эффективность очистки, независимо от ее размеров и производительности. Установка обеспечивает потребителя запасом чистой воды даже в случае отключения электричества и/или подачи исходной воды.
Указанный технический результат достигается тем, что компактная установка для комплексной очистки воды, имеющая единую, по крайней мере, двухконтурную емкость, во внутреннем контуре которой расположены: зона генерации, зона отстаивания, а во внешнем контуре - зона осветления и зона накопления. Установка во внутреннем контуре емкости дополнительно содержит зону коагуляции.
Во внутреннем контуре емкости установки узлы расположены следующим образом: в верхней части - зона генерации с функцией насыщения воды кислородом из воздуха (аэрация и кавитация) за счет эжекции; в средней части - зона коагуляции с функцией образования нерастворимых хлопьевидных скоплений (осадка) за счет химической реакции кислорода с растворенными в воде элементами (примесями); в нижней части - зона отстаивания с функциями осаждения хлопьевидных скоплений (осадка) и периодического сброса воды с выделенным осадком при промывке установки.
Во внешнем контуре емкости установки расположены: в средней части - зона осветления с функцией доочистки воды, в верхней части - зона накопления с функциями хранения и подачи воды потребителю.
Внутренний и внешний контуры емкости соединены между собой по принципу сообщающих сосудов и имеют соотношение объемов внутреннего и внешнего контуров емкости 1:(1,7-2,3).
В установке зона генерации оснащена форсунками в количестве от 1 до 10 c диаметрами форсунок от 1 до 30 мм.
В зоне осветления установки в качестве фильтрующей загрузки используют от 1 до 5 типов фильтрующих материалов, например, разно-фракционные керамзит, цеолит, кварцевый песок, которые укладывают послойно между перфорированными листами с диаметром преформации в диапазоне от 1 до 5 мм и процентом преформации не менее 35%.
Предлагаемая установка может дополнительно содержать автоматическую систему управления и контроля.
Раскрытие сущности изобретения.
Компактная установка для комплексной очистки воды, по мнению авторов, является лучшим техническим решением для очистки воды, как для бытового, так и промышленного водоснабжения. В одном корпусе предусмотрено несколько этапов очистки (аэрация и кавитация, коагуляция, отстаивание, фильтрация), за счёт чего установка подходит для очистки воды, имеющей в своем составе превышения по различным показателям. Установка может быть подключена к общей системе водоснабжения, в нее подается исходная, не очищенная вода, а выходит вода, очищенная от механических примесей, солей, металлов и других загрязнений. Установка имеет единую, по крайней мере, двухконтурную емкость, во внутреннем контуре которой расположены узлы: зона генерации, зона коагуляции, зона отстаивания, а во внешнем контуре - зона осветления и зона накопления. Все узлы установки интегрированы и размещены в едином компактном корпусе.
В отличие от прототипа в предлагаемой установке дополнительно выделена зона коагуляции. В прототипе зона коагуляции и зона отстаивания совмещены.
Выделение отдельной зоны коагуляции позволило значительно увеличить время протекания химической реакции исходной воды с растворенным в ней кислородом и эффективность образования хлопьевидных скоплений (осадка), тем самым способствуя повышению эффективности очистки воды.
Внешний и внутренний контуры емкости установки соединены по принципу сообщающихся сосудов и имеют соотношение объемов внутреннего и внешнего контуров емкости 1:(1,7-2,3). Такое конструктивное решение установки обеспечивает эффективную работу установки с заданной степенью очистки исходной воды, при этом скорость движения воды во внутреннем контуре емкости должна быть 1-14 м/ч, а скорость движения воды во внешнем контуре емкости должна быть 0,5-7 м/ч.
Зона генерации установки оснащена технологическими форсунками, необходимыми для эжекции воды с воздухом и возникновения процесса аэрации и кавитации. Для регулирования эффективности протекания процесса аэрации и кавитации может быть использовано от 1 до 10 форсунок. В зависимости от требуемой производительности и состава загрязняющих веществ в исходной воде количество форсунок может быть увеличено. Диаметр выходного отверстия форсунок должен быть в диапазоне от 1 до 30 мм. Диаметр выходного отверстия форсунок может быть увеличен для обеспечения требуемой производительности.
2
Для протекания процессов очистки воды достаточно наличия давления на входе в установку, создаваемого скважинным насосом, либо существующего давления водопроводной сети, которое составляет 4-6 кгс/см. Использование дополнительного технологического насоса для прохождения процесса очистки воды не требуется.
В зоне осветления установки в качестве фильтрующей загрузки используют от 1 до 5 типов фильтрующих материалов. При увеличении размеров установки количество типов фильтрующих загрузок может быть увеличено. Засыпка фильтрующей загрузки в установку осуществляется послойно, в соответствии с количеством типов загрузок. В качестве фильтрующей загрузки могут использоваться разно-фракционные керамзит, цеолит, кварцевый песок и другие подобные фильтрующие материалы. Благодаря использованию разного типа фильтрующих загрузок на этапе доочистки можно добиться точечного удаления определенных загрязнений из воды. Для удержания фильтрующей загрузки в зоне осветления используют перфорированные листы с диаметром преформации в диапазоне от 1 до 5 мм и процентом преформации не менее 35%. Диаметр и процент преформации определяется в зависимости от фракции используемых типов фильтрующих материалов.
Установка включает в себя область для накопления очищенной воды с возможностью ее подачи потребителю, благодаря чему, даже в случае отключения электричества и/или подачи исходной воды в установку потребитель будет обеспечен чистой водой в количестве равному объему зоны накопления.
3
Предлагаемая компоновка узлов позволяет легко масштабировать установку до заданных размеров для достижения требуемой производительности и эффективности очистки воды. Производительность предлагаемой установки в зависимости от размеров может быть от 0,05 до 25 м/ч и более. Для достижения большей производительности также может быть применено параллельно более одной установки.
Для получения очищенной воды в непосредственной близости от установки достаточно гидростатического давления, создаваемого столбом воды внутри установки. Для подачи очищенной воды в водопроводную сеть потребителя установка может быть доукомплектована насосом второго подъема.
Для осуществления процесса промывки установки также достаточно гидростатического давления, создаваемого столбом воды внутри установки. Благодаря предлагаемой компоновке узлов минимизирован объем сбрасываемой в канализацию воды и потребность в электроэнергии. На промывку установки требуется менее 0,3% от объема очищенной воды. Наличие дополнительного насоса для прохождения процесса промывки установки не требуется.
Процесс очистки воды в установке (фиг. 1) может осуществляться без подключения к электричеству. Для корректной работы необходимо контролировать только подачу воды в установку с заданным давлением, а также производить сброс воды при промывке установки.
При необходимости установка (фиг. 2) может быть доукомплектована автоматической системой управления и контроля, для автоматизации процесса промывки и осуществления контроля ее работы.
Предлагаемая установка позволяет производить очистку исходной воды до требуемых показателей качества, при этом значительно сокращая энергозатраты, а также используя минимальный объем сбрасываемой воды в канализацию, для осуществления технологических нужд.
Изобретение поясняется фигурами 1 и 2.
На фиг. 1 представлена принципиальная схема установки, включающая следующие основные узлы: 1 - зона генерации, 2 - зона коагуляции, 3 - зона отстаивания, 4 - зона осветления, 5 - зона накопления чистой воды.
На фиг. 2 представлена принципиальная схема установки, включающая следующие основные узлы: 1 - зона генерации, 2 - зона коагуляции, 3 - зона отстаивания, 4 - зона осветления, 5 - зона накопления чистой воды, 6 - автоматическая система управления и контроля.
Предлагаемая установка работает следующим образом.
Пример 1
3
3
3
Установка выполнена из нержавеющей стали, имеет размеры диаметр 636 мм, высота 1500 мм и имеет производительность 1 м/ч. Объем внутреннего контура установки 0,15 м, а объем внешнего контура 0,3 м. Установка подключена к системам водоснабжения и канализации.
Процесс очистки воды проходит следующим образом.
2
Исходная вода под давлением 4 кгс/см подается в верхнюю часть установки во внутренний контур емкости, в зону генерации, где происходит обильное насыщение воды кислородом из воздуха, поступающий из трех технологических форсунок с диаметрами выходного отверстия 1,5, 2 и 2,5 мм. Первичное наполнение зоны генерации водой осуществляется через одну форсунку, с наименьшим диаметром выходного отверстия. Струи воды подаются из форсунки с диаметром 1,5 мм с заданной скоростью. Последующие две форсунки включаются для обеспечения аэрационных и кавитационных процессов, а также требуемой производительности. Струи воды ударяются о поверхность воды и в результате образовавшихся гидроударов создаются аэрационные и кавитационные процессы.
Аэрированная вода движется сверху вниз по внутреннему контуру емкости и поступает в зону коагуляции, где за счет химической реакции с кислородом происходит переход растворенных в воде элементов (солей, металлов и т.п.) в нерастворенные с образованием хлопьевидных скоплений (осадка).
После прохождения зоны коагуляции вода поступает в нижнюю часть установки в зону отстаивания, где под действием силы тяжести происходит осаждение хлопьевидных скоплений (осадка), механических примесей и отделение их от воды. Скорость движения воды во внутреннем контуре емкости около 8,5 м/ч.
Вода поступает во внешний контур емкости по принципу сообщающихся сосудов и подается в зону осветления, где при помощи фильтрующей загрузки происходит ее доочистка. В качестве фильтрующей загрузки использованы: керамзит, цеолит и кварцевый песок, загруженные послойно в три слоя между перфорированными листами. Для удержания загрузки применяются перфорированные листы с диаметром преформации 1,5 мм и процентом преформации 35%. Вода движется сквозь фильтрующую загрузку зоны осветления снизу-вверх благодаря чему также происходит эффективное удержание хлопьевидных скоплений, механических примесей в нижней части установки. После прохождения зоны осветления очищенная вода поступает в зону накопления, расположенную в верхней части внешнего контура установки. Скорость движения воды во внешнем контуре емкости около 3 м/ч.
Очищенная вода из зоны накопления благодаря гидростатическому давлению из-за расположения в верхней части установки подается потребителю.
Процесс промывки установки проходит следующим образом.
Для проведения промывки необходимо прекратить подачу исходной воды в установку, после чего открыть сливной кран в нижней части установки. Сброс воды с выделенным осадком осуществляется из нижней части установки из зоны отстаивания. Для промывки зоны осветления подается очищенная вода из зоны накопления. Сброс осадка и промывочных вод осуществляется в безнапорную канализацию. Процесс промывки длится около 20 минут.
Так как вода в процессе работы установки проходит через зону осветления снизу-вверх, а выделившиеся из воды вещества оседают в нижней части установки, то промывка установки осуществляется обратным током, т.е. сверху-вниз, за счёт чего увеличивается эффективность и качество промывки. Вектор потока воды и вектор силы тяжести накопившихся в зонах отстаивания и осветления загрязнений являются сонаправленными. В результате требуется меньшее количество воды (в сравнении с аналогами), так как промывка осуществляется более естественным путем.
После полного сброса воды необходимо закрыть сливной кран, после чего заново осуществить подачу исходной воды в установку для начала процесса очистки воды.
Пример 2
Отличием примера 2 от примера 1 является то, что установка доукомплектована автоматической системой управления и контроля и подключена не только к системам водоснабжения и канализации, но и системе электроснабжения.
Процессы очистки воды и промывки установки проходят аналогичным образом, как описано в примере 1. При этом благодаря наличию дополнительной автоматической системы управления и контроля, все процессы в водоочистной установке происходят в автоматическом режиме и не требуют вмешательства человека. Автоматическая система управления и контроля позволяет включать/выключать установку, контролировать ее работу, а также настраивать время и периодичность автоматической промывки и включать принудительную промывку.