Установка очистки сточных вод
Полезная модель относится к физико-технологическим процессам обработки воды и может быть использована для очистки и обеззараживания сточных технологических и бытовых вод. Установка очистки сточных вод включает ультрафиолетовый излучатель (1), отражательный рефлектор (3), озонатор (4), концентратомер (5) растворенного озона в воде, задающее устройство (6), сравнивающее устройство (7), следящий привод (8), вентиль (9), кран (10), электрифицированные задвижки (11, 12), датчики положения (13, 14) электрифицированных задвижек (11, 12), датчик давления (15), блок управления (16), мутномер (17), коммутатор (18), контактную камеру (19), внутри которой размещена съемная безэлектродная СВЧ-газоразрядная лампа (20), подключенная к магнетрону (21) через коаксиальный возбудитель (22), барботажный реактор (27), бак (28) с исходной водой, соединенный с барботажным реактором (27), устройство (29) для диспергирования газа, размещенное в барботажном реакторе (27), пьезометр (30), деструктор озона (31), мерный цилиндр (32), соединенный через трехходовой кран (33) с барботажным реактором (27), газоанализатор (34), компрессор (35), блок (36) очистки и осушки воздуха, пьезоэлектрические элементы (37). Ультрафиолетовый излучатель (1) состоит из отдельных ультрафиолетовых ламп, один из выходов блока управления (16) соединен с входом коммутатора (18). Выход коммутатора (18) соединен с лампами ультрафиолетового излучателя (1). Электрифицированные задвижки (11, 12), датчики положения (13, 14) электрифицированных задвижек (11, 12), датчик давления (15) и концентратомер (5) растворенного озона в воде соединены с блоком управления (16). Компрессор (35) соединен с входом блока (36) очистки и осушки воздуха, выход которого соединен с озонатором (4). Пьезоэлектрические элементы (37) размещены в контактной камере (19). Мутномер (17) установлен на входе контактной камеры (19), выход мутномера (17) соединен с входом блока управления (16), другой выход блока управления (16) соединен с вычитывающим входом сравнивающего устройства (7), суммирующий вход которого соединен с задающим устройством (6). Выход сравнивающего устройства (7) соединен с входом следящего привода (8), соединенного с запорно-регулирующим органом вентиля (9). Концентратомер (5) установлен на выходе контактной камеры (19). Технический результат - интенсификация процесса обеззараживания воды путем комплексного воздействия озоном, ультразвуком, ультрафиолетом и СВЧ, и уменьшение потребляемой мощности за счет применения оптимальной интенсивности и продолжительности воздействия. 1 н.п. ф-лы, 2 з.п. ф-лы, 1 ил.
Полезная модель относится к физико-технологическим процессам обработки жидких сред, в частности комплексным воздействием озона, ультразвука, ультрафиолета (УФ) и сверхвысокими частотами (СВЧ), и может быть использована для очистки и обеззараживания воды, сточных технологических и бытовых вод от тяжелых металлов и патогенных микроорганизмов.
Известно устройство для обеззараживания воды ультрафиолетом и озоном (см. изобретение по патенту РФ 
2042637, МПК C02F 1/32. C02F 1/78, опубл. 27.08.1995 г.), включающее корпус с патрубками для подвода исходной воды и отвода обработанной воды, бактерицидную лампу ультрафиолетового излучения с защитным кварцевым чехлом, эжектор, установленный на патрубке подвода воды, при этом полость чехла соединена патрубком с источником воздуха и трубопроводом рециркуляции озоновоздушной смеси с вакуумной полостью эжектора, и прочистное устройство кварцевого чехла щеточного типа, установленное с возможностью вращения вокруг него. Устройство снабжено системой контроля ультрафиолетового излучения с фотоприемником, установленным в стенке корпуса, лопатками, выполненными в виде крыльчатки, установленными в корпусе напротив патрубка подвода исходной воды и соединенными с прочистным устройством, направителями течения, выполненными в виде выступов и расположенными на внутренней стенке корпуса, прочистное устройство щеточного типа расположено коаксиально кварцевому чехлу по всей его длине, а трубопровод рециркуляции озоновоздушной смеси снабжен вентилем для регулировки расхода. Обрабатываемая сточная вода, подается в корпус, где расположена ультрафиолетовая лампа, ударяется о лопатки поток турбулизируется, затем подается воздух, из которого под действием ультрафиолетового излучения образуется озон.
Недостатком известного устройства для обеззараживания воды ультрафиолетом и озоном является то, что вследствие насыщения воды озоном все химические соединения вступают в окислительную реакцию и образуют нерастворимые частицы. Вода при этом мутнеет и содержит большое количество взвешенных веществ, которые не отфильтровываются перед УФ облучением. Это снижает эффективность процесса обработки жидкостей.
Известно устройство для обеззараживания воды (см. изобретение по патенту РФ 2091319, МПК C02F 1/32, опубл. 27.09.1997 г.), содержащее корпус с проточной камерой, бактерицидную лампу ультрафиолетового излучения, установленную в защитный герметичный чехол из кварцевого стекла, подводящую и отводящую трубки. Устройство снабжено дополнительными бактерицидными лампами ультрафиолетового излучения, установленными радиально в защитном чехле, размещенном в проточной камере, выполненной в виде стакана с центральной конической насадкой, конус которой направлен к месту забора воды, и расположенной коаксиально относительно бактерицидных ламп, при этом между наружной поверхностью защитного чехла и внутренней поверхностью корпуса имеется постоянный зазор, достаточный для пропускания расчетного количества обрабатываемой воды. Вода, подвергается интенсивному ультрафиолетовому облучению, протекая между кожухом и конической насадкой, в которой вода получает вращательное движение за счет винтовых пазов. Воздух, поступающий через подводящую трубку, ионизируется и, смешиваясь с водой, производит окончательную стерилизацию воды.
Недостатком известного устройства является то, что концентрация озона, полученная в результате УФ облучения воздуха, будет недостаточной для стерилизации воды. Это снижает функциональные возможности и эффективность процесса обработки жидкостей.
Известна также установка комбинированной бактерицидной обработки (см. изобретение по патенту РФ 2173562, МПК A61L 11/00, A61L 2/12, A61L 2/20, опубл. 20.09.2001 г.), содержащая источник УФ излучения, генератор СВЧ-энергии и электродинамически связанную с ним микроволновую рабочую камеру. Источник УФ излучения выполнен в виде по меньшей мере одной съемной безэлектродной СВЧ-газоразрядной лампы, СВЧ-генератор снабжен коаксиальным возбудителем безэлектродной лампы и рабочей камеры, а рабочая камера снабжена полым УФ- и СВЧ-прозрачным змеевиком. Змеевик выполнен в виде петляющего по меньшей мере в одной плоскости трубопровода. В рабочей камере установлена по меньшей мере одна дополнительная съемная безэлектродная СВЧ-газоразрядная лампа, не контактирующая с коаксиальным возбудителем. Внутри рабочей камеры размещена съемная безэлектродная СВЧ-газоразрядная лампа, подключенная к магнетрону При работе часть энергии СВЧ-колебаний расходуется на поддержание СВЧ-разряда в лампе, а часть преобразуется в УФ-излучение, при этом происходит образование озона (О 3).
Однако недостатком известной установки является то, что обрабатываемая вода проходит через змеевик и очищается, при этом внутри змеевика осаживаются нерастворимые соединения и возможны обрастания, что приведет к повторному заражению уже очищенных вод. Очищение змеевика возможно с помощью химических препаратов, но это может повлиять на вкусовые качества и вызывать появление новых соединений. Это снижает эффективность процесса обработки жидкостей.
Известно устройство для обеззараживания проточной воды (см. изобретение по патенту РФ 2233249, МПК C02F 9/12, C02F 1/32, C02F 1/78, C02F 101:00, C02F 103:02, опубл. 27.07.2004 г.), включающее ультрафиолетовый излучатель, отражательный рефлектор, источник технического кислорода, озонатор, струйный аппарат с окном из кварцевого стекла, винтообразную лопасть, вертикально-трубчатую систему, концентратомер растворенного озона в проточной воде, задающее устройство, сравнивающее устройство, следящий привод, вентиль, обратный клапан, кран, электрифицированные задвижки, датчики положения электрифицированных задвижек, два датчика давления и блок управления с соответствующими связями.
Недостатком известного устройства для обеззараживания проточной воды является недостаточная эффективность обеззараживания проточной воды при изменяющейся во времени ее мутности.
Наиболее близким техническим решением к предложенной полезной модели является известная установка для обеззараживания проточной воды (см. изобретение по патенту РФ 2288192, МПК C02F 9/12, C02F 1/32, C02F 1/78, опубл. 27.11.2006 г.), включающее ультрафиолетовый излучатель, отражательный рефлектор, источник технического кислорода, озонатор, струйный аппарат, винтообразную лопасть, вертикально-трубчатую систему, концентратомер растворенного озона в проточной воде, задающее устройство, сравнивающее устройство, следящий привод, вентиль, обратный клапан, кран, электрифицированные задвижки, два датчика давления, блок управления, мутномер, функциональный преобразователь и коммутатор, причем камера смешения струйного аппарата выполнена из кварцевого стекла, ультрафиолетовый излучатель состоит из отдельных ультрафиолетовых ламп, расположенных аксиально относительно кварцевой камеры смешения струйного аппарата, мутномер установлен на входе струйного аппарата, выход мутномера соединен со входом функционального преобразователя, блок управления соединен с выходом функционального преобразователя и со входом коммутатора, а выход коммутатора соединен с лампами ультрафиолетового излучателя.
Однако недостатком известного устройства является то, что для приведения в движение винтообразной лопасти необходимо дополнительно устанавливать двигатель, запитываемый от источника питания. При этом в зависимости от объема воды двигатель должен подбираться индивидуально, что приведет к увеличению потребляемой мощности и расходу электроэнергии на питание дополнительной машины. Это снижает функциональные возможности устройства для обеззараживания проточной воды.
Задачей, на решение которой направлена предлагаемая полезная модель, является создание установки для очистки сточных вод с расширенными функциональными возможностями и повышенной бактерицидной эффективностью.
Техническим результатом, достигаемым при осуществлении полезной модели, является интенсификация процесса обеззараживания воды большей зараженности путем комплексного воздействия озона, ультразвука, ультрафиолета и СВЧ, и уменьшение потребляемой мощности за счет применения оптимальной интенсивности и продолжительности воздействия.
Указанный технический результат достигается тем, что установка очистки сточных вод, включающая ультрафиолетовый излучатель, отражательный рефлектор, озонатор, концентратомер растворенного озона в воде, задающее устройство, сравнивающее устройство, следящий привод, вентиль, кран, электрифицированные задвижки, датчики положения электрифицированных задвижек, датчик давления, блок управления, мутномер, коммутатор, при этом ультрафиолетовый излучатель состоит из отдельных ультрафиолетовых ламп, один из выходов блока управления соединен с входом коммутатора, а выход коммутатора соединен с лампами ультрафиолетового излучателя, электрифицированные задвижки, датчики положения электрифицированных задвижек, датчик давления и концентратомер растворенного озона в воде соединены с блоком управления, согласно полезной модели, дополнительно содержит контактную камеру, внутри которой размещена съемная безэлектродная СВЧ-газоразрядная лампа, подключенная к магнетрону через коаксиальный возбудитель, барботажный реактор, бак с исходной водой, соединенный с барботажным реактором, устройство для диспергирования газа, размещенное в барботажном реакторе, пьезометр, деструктор озона, мерный цилиндр, соединенный через трехходовой кран с барботажным реактором, газоанализатор, компрессор, блок очистки и осушки воздуха, пьезоэлектрические элементы, при этом компрессор соединен с входом блока очистки и осушки воздуха, выход которого соединен с озонатором, пьезоэлектрические элементы размещены в контактной камере, мутномер установлен на входе контактной камеры, выход мутномера соединен с входом блока управления, другой выход блока управления соединен с вычитывающим входом сравнивающего устройства, суммирующий вход которого соединен с задающим устройством, выход сравнивающего устройства соединен с входом следящего привода, соединенного с запорно-регулирующим органом вентиля, концентратомер установлен на выходе контактной камеры.
Предусмотрено, что ультрафиолетовые лампы ультрафиолетового излучателя расположены коаксиально относительно движения жидкости. Предусмотрено также, что барботажный реактор снабжен равномерно распределенными по его сечению стеклянными трубками.
Комплексное воздействие озоном, ультразвуком, ультрафиолетом и сверхвысокими частотами обеспечивает возможность бактерицидного воздействия на обрабатываемую жидкость. При этом эффективность бактерицидного воздействия на обрабатываемую жидкость существенно повышена, так как все эти средства могут быть применены либо одновременно (в преднамеренно выбираемом сочетании), либо в определенной последовательности (например, с чередованием) и по определенной пространственно-временной программе.
Полезная модель иллюстрируется чертежом, на котором изображена функциональная схема установки очистки сточных вод. Позиции на чертеже обозначают следующее:
1 - ультрафиолетовый излучатель;
2 - кварцевый чехол;
3 - отражательный рефлектор;
4 - озонатор;
5 - концентратомер;
6 - задающее устройство;
7 - сравнивающее устройство;
8 - следящий привод;
9 - вентиль;
10 - кран;
11 - электрифицированная задвижка;
12 - электрифицированная задвижка;
13 - датчик положения электрифицированной задвижки 11;
14 - датчик положения электрифицированной задвижки 12;
15 - датчик давления;
16 - блок управления;
17 - мутномер;
18 - коммутатор;
19 - контактная камера;
20 - безэлектродная СВЧ-газоразрядная лампа;
21 - магнетрон;
22 - коаксиальный возбудитель;
23 - высоковольтный выпрямитель;
24 - повышающий (высокочастотный) трансформатор;
25 - инвертор;
26 - сетевой выпрямитель;
27 - барботажный реактор;
28 - бак с исходной водой;
29 - устройство для диспергирования газа;
30 - пьезометр;
31 - деструктор озона;
32 - мерный цилиндр;
33 - трехходовой кран;
34 - газоанализатор;
35 - компрессор;
36 - блок очистки и осушки воздуха;
37 - пьезоэлектрические элементы;
38 - источник питания ультразвуковых пьезоэлектрических элементов 37;
39 - патрубок;
40 - отводящий трубопровод;
41 - кран;
42 - патрубок;
43 - выходной патрубок;
44 - стеклянные трубчатые вставки;
45 - патрубок;
46 - кран;
47 - вентиль;
48 - вентиль;
49 - патрубок;
50 - вентиль;
51 - входной патрубок.
На чертеже сплошной линией показано движение сточных вод, подвергаемых очистке, штриховой линией - движение воздуха и озоно-воздушной смеси, пунктирной - линии электрических связей.
Установка очистки сточных вод содержит ультрафиолетовый излучатель 1, состоящий из отдельных ультрафиолетовых ламп, с кварцевым чехлом 2, расположенных коаксиально относительно движения жидкости, отражательный рефлектор 3, озонатор 4, концентратомер 5 растворенного озона в воде, задающее устройство 6, сравнивающее устройство 7, следящий привод 8, вентиль 9, кран 10, электрифицированные задвижки 11 и 12, датчики положения 13 и 14 электрифицированных задвижек 11 и 12, датчик давления 15, блок управления 16, мутномер 17, коммутатор 18, контактную камеру 19, внутри которой размещена съемная безэлектродная СВЧ-газоразрядная лампа 20, подключенная к магнетрону 21 через коаксиальный возбудитель 22, высоковольтный выпрямитель 23, повышающий (высокочастотный) трансформатор 24, инвертор 25, сетевой выпрямитель 26, барботажный реактор 27, бак 28 с исходной водой, соединенный с барботажным реактором 27, устройство 29 для диспергирования газа, размещенное в барботажном реакторе 27, пьезометр 30, деструктор озона 31, мерный цилиндр 32, соединенный через трехходовой кран 33 с барботажным реактором 27, газоанализатор 34, компрессор 35, блок 36 очистки и осушки воздуха, пьезоэлектрические элементы 37, источник питания 38 ультразвуковых пьезоэлектрических элементов 37, патрубок 39, отводящий трубопровод 40, кран 41, патрубки 42 и 43.
Один из выходов блока управления 16 соединен с входом коммутатора 18, а выход коммутатора 18 соединен с лампами ультрафиолетового излучателя 1. Электрифицированные задвижки 11 и 12, датчики положения 13 и 14 электрифицированных задвижек 11 и 12, датчик давления 15 и концентратомер 5 растворенного озона в воде соединены с блоком управления 16.
Компрессор 35 соединен с входом блока 36 очистки и осушки воздуха, выход которого соединен с озонатором 4. Пьезоэлектрические элементы 37 размещены в контактной камере 19. Мутномер 17 установлен на входе контактной камеры 19. Выход мутномера 17 соединен с входом блока управления 16, другой выход блока управления 16 соединен с вычитывающим входом сравнивающего устройства 7, суммирующий вход которого соединен с задающим устройством 6. Выход сравнивающего устройства 7 соединен с входом следящего привода 8, соединенного с запорно-регулирующим органом вентиля 9. Концентратомер 5 установлен на выходе контактной камеры 19. Барботажный реактор 27 снабжен равномерно распределенными по его сечению стеклянными трубками 44.
Из бака 28 исходная вода подается через патрубок 45 в верхнюю часть барботажного реактора 27. Для переключения барботажного реактора 27 из прямоточного в противоточный режимы работы предназначены кран 46 и вентили 47 и 48. Из барботажного реактора 27 через патрубок 49 отводится в каталитический деструктор озона 31 отработанная озоно-воздушная смесь. Газоанализатор 34 предназначен для определения концентрации озона в озоно-воздушной смеси и в отработанном газе, для его подключения применяются краны 10, 41 и вентиль 50. В контактную камеру 19 вода поступает по подводящему трубопроводу через входной патрубок 51.
Установка очистки сточных вод содержит два модуля. В первый модуль входит блок озонирования, т.е. барботажный реактор 27 со стеклянными трубчатыми вставками 44, в котором происходит процесс насыщения небольшими дозами озона, вследствие чего все химические соединения вступают в окислительную реакцию и образуют нерастворимые частицы. Это первая стадия очистки воды. Контактный аппарат в поперечном сечении содержит многоканальные трубчатые вставки для создания стесненного режима всплывания диспергированной газовой фазы. Второй модуль содержит пьезоэлектрические элементы 37, безэлектродную СВЧ-газоразрядную лампу 20 с коаксиальным возбудителем 22 и ультрафиолетовый излучатель 1 в кварцевом чехле 2, т.е. блоки ультрафиолетовый, ультразвуковой и СВЧ. Во втором модуле производится обеззараживание воды ультрафиолетом, ультразвуком и СВЧ. Это вторая стадия очистки воды. Ультрафиолетовая обработка воды осуществляется посредством использования амальгамных ламп низкого давления. Лампы расположены в верхней части контактной камеры 19 для наиболее эффективного облучения воды. Кроме того, внутренняя поверхность корпуса контактной камеры 19 выполнена из материала с высокой отражательной способностью. Ультразвуковое воздействие на воду осуществляется путем применения пьезоэлектрического ультразвукового генератора. Обработка сверхвысокими частотами производится с помощью СВЧ генератора, который состоит из магнетрона 21, коаксиального возбудителя 22 и амальгамной безэлектродной лампы 20.
В одном из вариантов реализации устройства очистки сточных вод деструктор озона 31, пьезометр 30, газоанализатор 34, компрессор 35, устройство для диспергирования газа 29 и мерный цилиндр 32 могут быть выполнены, например, как в известном устройстве (см. Алексеев С.Е. Исследование процессов озонирования для интенсификации очистки сточных вод: Дис. канд. тех. наук. - М., 2005, с.183, рис.5.13). Отражательный рефлектор 3 и ультрафиолетовый излучатель 1 в кварцевом чехле 2 могут быть выполнены, например, как в известном устройстве для обеззараживания воды по патенту РФ 2091319. Безэлектродная СВЧ-газоразрядная лампа 20, магнетрон 21 и коаксиальный возбудитель 22 могут быть выполнены, например, как в известной установке комбинированной бактерицидной обработки по патенту РФ 2173562. Высоковольтный выпрямитель 23, повышающий (высокочастотный) трансформатор 24, инвертор 25 и сетевой выпрямитель 26 могут быть выполнены, например, как в известном устройстве (см. Артюхов И.И., Тютьманова В.В., Сошинов А.Г. Направления совершенствования источников питания СВЧ генераторов магнетронного типа // Вестник СГТУ, 2006, 4(19), с.36, рис.1). Пьезоэлектрические элементы 37 могут быть выполнены, например, как в известных многофункциональных аппаратах (см. Хмелев В.Н., Попова О.В. Многофункциональные ультразвуковые аппараты и их применение в условиях малых производств, сельском и домашнем хозяйстве: Научная монография / Алт. гос. техн. ун-т. им. И.И.Ползунова. - Барнаул: изд. АлтГТУ, 1997, рис.3.7, электронный ресурс: Монографии | U-SONIC.ru,). Блок 36 очистки и осушки воздуха, озонатор 4 могут быть выполнены, например, как в известном устройстве (см. Алексеев С.Е. Исследование процессов озонирования для интенсификации очистки сточных вод: Дис. канд. тех. наук. - М., 2005, с.183, рис.5.14). Источник питания 38 ультразвукового пьезоэлектрического элемента 37 может быть выполнен, например, как в известном устройстве (см. Хмелев В.Н., Попова О.В. Многофункциональные ультразвуковые, аппараты и их применение в условиях малых производств, сельском и домашнем хозяйстве: научная монография / Алт. гос. техн. ун-т. им. И.И.Ползунова. - Барнаул: изд. АлтГТУ, 1997, рис.4.3, электронный ресурс: Монографии | U-SONIC.ru,). Барботажный реактор 27 со стеклянными трубчатыми вставками 44 может быть выполнен, например, как в известном устройстве (см. Алексеев С.Е. Исследование процессов озонирования для интенсификации очистки сточных вод: Дис. канд. тех. наук. - М., 2005, с.169, рис.5.4). Контактная камера 19 может быть выполнена, например, как в известном устройстве для обеззараживания воды ультрафиолетом и озоном по патенту РФ 2042637.
Установка очистки сточных вод работает следующим образом.
Исходная вода из бака 28 через патрубок 45 подается в верхнюю часть барботажного реактора 27 колонного типа, при движении сверху вниз она контактирует с диспергированной озоно-воздушной смесью. Через блок 36 очистки и осушки воздух подается компрессором 35 в озонатор 4, где из воздуха генерируется озон. Озоно-воздушную смесь подают в барботажный реактор 27 снизу через патрубок 42, оборудованный вентилем 9, и устройством 29 для диспергирования газа. Пузырьки диспергированного газа всплывают, проходя через модуль, состоящий из стеклянных трубок 44 с диаметром соизмеримым с диаметром пузырька, при этом они равномерно распределяются по сечению колонны барботажного реактора 27. Отработанная озоно-воздушная смесь через патрубок 49 отводится в каталитический деструктор озона 31, а потом сбрасывается в атмосферу. Для определения концентрации озона в озоно-воздушной смеси и в отработанном газе используется газоанализатор 34, подключаемый кранами 10, 41 и вентилем 50. Для определения газонаполнения в барботажном реакторе 27 колонного типа имеется пьезометр 30. Барботажный реактор 27 может работать как в прямоточном, так и противоточном режимах, для переключения используются кран 46 и вентили 47 и 48. Очищенная вода после предозонирования отводится из барботажного реактора 27 через патрубок 39 во второй модуль установки. Перед этим отбираются пробы воды при помощи трехходового крана 33 и производится замер расхода жидкости с помощью мерного цилиндра 32.
Далее включаются в действие лампы ультрафиолетового излучателя 1 и открываются электрифицированные задвижки 11 и 12. При разрешающих сигналах от датчиков положения 13 и 14 электрифицированных задвижек 11 и 12 обрабатываемая проточная вода под напором по подводящему трубопроводу поступает во входной патрубок 51 контактной камеры 19. Датчик давления 15 необходим для измерения давления при подаче воды в контактную камеру 19. В контактной камере 19 вода подвергается воздействию лучей от ультрафиолетового излучателя 1, находящегося в кварцевом чехле 2. Отражательный рефлектор 3 усиливает поток ультрафиолетовых лучей. Одновременно с этим мутномер 17 фиксирует мутность воды, прошедшей предозонирование, и в виде электрического сигнала передает информацию на блок управления 16, а затем коммутатор 18 подает команду на включение определенного количества ламп ультрафиолетового излучателя 1, соответствующего мутности исходной воды. На выходе установки очистки сточных вод размещен концентратомер 5 растворенного озона в воде, который фиксирует концентрацию растворенного озона в воде и в виде электрического сигнала передает ее через блок управления 16 на вычитывающий вход сравнивающего устройства 7, суммирующий вход которого соединен с задающим устройством 6. На задающем устройстве 6 устанавливается определенная величина концентрации растворенного в воде озона. Следящий привод 8, с входом которого соединен выход сравнивающего устройства 7, будет воздействовать на запорно-регулирующий орган вентиля 9 до тех пор, пока не наступит равенство величин: концентрации растворенного озона в воде и установленном ее значении на задающем устройстве 6. Таким образом, автоматически поддерживается расход озоно-воздушной смеси, необходимой как для эффективного окисления загрязнений, так и для минимально необходимого содержания растворенного озона в обеззараживаемой воде перед ее использованием.
Ультразвуковой технологический аппарат состоит из ультразвукового источника питания 38 и пьезоэлектрических элементов 37. При обработке проходящего потока воды ультразвуком от пьезоэлектрических элементов 37, размещенных непосредственно в контактной камере 19, в воде возникают короткоживущие парогазовые «каверны», которые появляются в момент локального снижения давления в воде и «схлопываются» при «сжатии» воды. Скорость «схлопывания» очень высокая и в окрестности точек «схлопывания» возникают экстремальные параметры - огромные температура и давление. Вблизи точек «схлопывания» полностью уничтожается патогенная микрофлора, образуются активные радикалы.
В локальном устройстве для питания магнетрона 21, а, следовательно, для получения СВЧ энергии, используется схема с бестрансформаторным входом, в которой переменное напряжение сети сначала выпрямляется и сглаживается при помощи сетевого выпрямителя 26, затем с помощью инвертора 25 преобразуется в переменное напряжение повышенной частоты. Это напряжение с помощью высокочастотного трансформатора 24 повышается до необходимой величины и снова выпрямляется посредством высоковольтного выпрямителя 23. Коаксиальный возбудитель 22 предназначен для передачи электромагнитной энергии от магнетрона 21 к безъэлектродной аргоно-ртутной лампе 20.
Обеззараженная вода по отводящему трубопроводу 40 поступает потребителю для ее повторного использования.
Авторами была разработана имитационная модель установки (электротехнического комплекса) очистки сточных вод с последовательным соединением блоков воздействия (озоном, ультрафиолетом, ультразвуком, СВЧ). Параметры состояния имитационной модели отображали процент выживших микроорганизмов от общего числа патогенов, для ОМЧ, ОКБ, ТКБ начальное число болезнетворных бактерий равно 10000 шт. в 100 мл., а колифагов 100 шт. в 100 мл. (для удобства восприятия вместо процентного соотношения приведены количественные показатели).
При воздействии на сточные воды оптимальными параметрами на выходе имитационной модели установки очистки сточных вод наблюдалось минимальное число болезнетворных микроорганизмов. Общее микробное число снизилось до величины менее 3,29·10-7 КОЕ/мл. в очищенной воде. Аналогичные результаты были достигнуты и по остальным индикаторным показателям: количество общих колиформных бактерий на выходе установки составило 0,086 КОЕ/100 мл., термотолерантных бактерий - 2,6·10-10 КОЕ/100 мл, а колифагов - 0,015 БОЕ/100 мл. При этом потребляемая мощность для каждого блока составляла: озонирующий блок - 25 Вт, ультрафиолетовый блок - 85 Вт (энергопотребление при продолжительности воздействия 0,75 с и интенсивности 45 мВт/см 2 составляло 1,7 Вт·с/м2), ультразвуковой блок - 1,2 Вт·час (энергопотребление при продолжительности воздействия 2,26 с и интенсивности 1 мВт/см2 составляло 0,0678 Вт·с/м2), СВЧ блок - 211,7 Вт·час (энергопотребление при продолжительности воздействия 120 с и интенсивности 1,8 Вт/г составляло - 705 Вт·с).
При увеличении входного параметра (интенсивности воздействия) во всех блоках установки очистки сточных вод наблюдалась еще большая инактивация патогенных микроорганизмов: общее микробное число снизилось до 3,2·10-11 КОЕ/100 мл, общие колиформные бактерии до величины 8,55·10-3 КОЕ/100 мл, термотолерантные бактерии - 6,89·10-11 КОЕ/100 мл, колифаги - 0,0019 БОЕ/100 мл. При этом потребляемая мощность для каждого блока составляла: озонирующий блок - 25 Вт, ультрафиолетовый блок - 140 Вт (энергопотребление при продолжительности воздействия 0,75 с и интенсивности 55 мВт/см2 составляло 2,9 Вт·с/м 2), ультразвуковой блок - 2,3 Вт (энергопотребление при продолжительности воздействия 2,26 с и интенсивности 2 мВт/см 2 составляло 0,14 Вт·с/м2), СВЧ блок - 423,5 Вт (энергопотребление при продолжительности воздействия 120 с и интенсивности 3,6 Вт/г составляло 1404 Вт·с).
Полученные результаты обеззараживания сточных вод много ниже требуемых по МУ 2.1.5.800 - 99 «Организация госсанэпиднадзора за обеззараживанием сточных вод», следовательно, увеличение интенсивности воздействия является нецелесообразной, так как ведет к необоснованным дополнительным затратам электроэнергии и необходимости применения более дорогостоящего оборудования большей производительности.
Так как предложенная установка очистки сточных вод работает в режиме накопления (установка работает не в проточном режиме, а накапливает воду, пока не произойдет наполнение контактной камеры), то появляется возможность регулирования времени воздействия в широком диапазоне. Для оценки качества обеззараживания был рассмотрен каждый метод воздействия индивидуально. Увеличение периода озонирования привело к незначительному снижению численности патогенов по сравнению с воздействием оптимальными дозами и временем: ОМЧ - 107 КОЕ/100 мл, ОКБ - 1539 КОЕ/100 мл, ТКБ - 117 КОЕ/100 мл, колифаги - 32,6 БОЕ/100 мл. Полученные результаты объясняются тем, что с увеличением времени нахождения сточных вод в контактной камере увеличивается продолжительность пребывания озоносодержащей газовой фазы в барботажном реакторе. Это необходимо для обеспечения более полного перехода озона в жидкую фазу и поддержания высоких скоростей окисления. При увеличении длительности воздействия ультрафиолетом и ультразвуком вместо инактивации микроорганизмов наблюдался рост численности патогенов (ультрафиолетовый блок: ОМЧ - 5,8·10-5 КОЕ/100 мл, ОКБ - 232 КОЕ/100 мл, ТКБ - 8,6 КОЕ/100 мл, колифаги - 13,19 БОЕ/100 мл; ультразвуковой блок: ОМЧ - 2,19·10-5 КОЕ/100 мл, ОКБ - 62966 КОЕ/100 мл, ТКБ - 2,2 КОЕ/100 мл, колифаги - 2,19 БОЕ/100 мл.). Таким образом, увеличение периода воздействия приводило к реактивации микроорганизмов, при котором восстанавливаются поврежденные участки нуклеиновых кислот (ДНК/РНК) патогенов. Способность к реактивации имеется не у всех микроорганизмов, поэтому не наблюдается четко выраженной зависимости между количеством болезнетворных микроорганизмов и временем, при этом наибольшее увеличение численности наблюдалось у общих колиформных бактерий. В блоке ультрафиолетового воздействия наблюдалась фотореактивация, которая запускается под воздействием света, а в ультразвуковой установке - темновая реактивация, которая происходит без участия света. Реактивация возможна после любого вида воздействия, если степень воздействия оставляет возможность для реактивации. При обеспечении достаточной дозы облучения реактивация невозможна. Данные, полученные на выходе установки, мало отличались от результатов воздействия оптимальными дозами и временем, так как завершающим блоком установлен блок СВЧ воздействия, увеличение длительности, воздействия которой приводит к снижению численности индикаторных показателей. При этом энергозатраты для каждого блока составляли: озонирующий блок - 25 Вт, ультрафиолетовый блок - 85 Вт (энергопотребление при продолжительности воздействия 4 с и интенсивности 45 мВт/см 2 составляло 9,4 Вт·с/м2), ультразвуковой блок - 1,2 Вт (энергопотребление при продолжительности воздействия 4 с и интенсивности 1 мВт/см2 составляло 0,12 Вт·с/м 2), СВЧ блок - 211,7 Вт·час (энергопотребление при продолжительности воздействия 200 с и интенсивности 1176 Вт/г составляло 11,6 Вт·с),
Из этого следует, что после воздействия на микроорганизмы ранее определенной оптимальной интенсивностью и продолжительностью по времени наблюдается меньшая потребляемая мощность установки очистки сточных вод и практически полная инактивация микроорганизмов.
Был также проведен анализ изменения выходных параметров имитационной модели установки очистки сточных вод при удалении из структурной схемы поочередно по одному блоку воздействия.
В модели установки очистки сточных вод, состоящей из последовательно включенных блоков озонирования, ультразвука, и СВЧ воздействия, предполагалось, что вода проходит и через блок ультрафиолетовой обработки, но он не функционирует, что отражают выходные данные. Отключение блока ультрафиолетового воздействия приводило к увеличению численности микроорганизмов в сточных водах, идущих на ультразвуковую установку и как следствие при неизменной дозе и времени приводило к увеличению выходных параметров установки. При этом наблюдался процентный рост патогенов и на блоке СВЧ воздействия.
При отключении блока ультразвукового воздействия также как и в предыдущем опыте наблюдался рост численности болезнетворных микроорганизмов на выходе из установки СВЧ облучения по сравнению с имитационной моделью, где применялись все четыре блока. Данная имитационная модель отражала увеличение численности болезнетворных микроорганизмов на выходе установки по сравнению с моделью, в состав которой входили четыре блока воздействия. Следовательно, можно сделать вывод, что все используемые методы обработки сточных вод не дублируют друг друга, а дополняют, что является необходимым для обеспечения требуемого уровня обеззараживания сточных вод при дальнейшем их использовании.
Была исследована имитационная модель установки очистки сточных вод с параллельным соединением блоков после предварительного озонирования стоков. Данная имитационная модель отражала эффективность использования каждого метода относительно индикаторных показателей при использовании оптимальной интенсивности и времени воздействия. После предварительной подготовки сточных вод в отношении общего микробного числа наилучшие показатели демонстрировал метод ультрафиолетового воздействия: ОМЧ - 2,13·10 -7 KOE/100 мл. По всем остальным патогенным микроорганизмам наилучшим являлся метод СВЧ воздействия: ОКБ - 1,01 КОЕ/100 мл., ТКБ - 6,04·10-8 КОЕ/100 мл., колифаги - 0,285 БОЕ/100 мл.
На основании вышеприведенного анализа была рассмотрена имитационная модель установки очистки сточных вод, в которой первым блоком был установлен озонатор, а далее одновременно осуществляли воздействие методы ультрафиолетовой, ультразвуковой и СВЧ обработки. На выходе из комбинированной установки, при использовании оптимальных параметров воздействия, наблюдалась полная инактивация патогенных микроорганизмов: общее микробное число - 2,3·10-12%, общие колиформные бактерии - 0%, термотолерантные бактерии - 0%, колифаги - 0,09%.
Таким образом, предлагаемое устройство для очистки сточных вод позволяет расширить функциональные возможности за счет обеззараживания воды большей зараженности путем комплексного бактерицидного воздействия озоном, ультразвуком, ультрафиолетом и сверхвысокими частотами, а также интенсифицировать процесс обеззараживания воды за счет контроля и применения оптимальной интенсивности и продолжительности воздействия, необходимых и достаточных для очистки и обеззараживания сточных технологических и бытовых вод от тяжелых металлов и патогенных микроорганизмов.
1. Установка очистки сточных вод, включающая ультрафиолетовый излучатель (1), отражательный рефлектор (3), озонатор (4), концентратомер (5) растворенного озона в воде, задающее устройство (6), сравнивающее устройство (7), следящий привод (8), вентиль (9), кран (10), электрифицированные задвижки (11, 12), датчики положения (13, 14) электрифицированных задвижек (11, 12), датчик давления (15), блок управления (16), мутномер (17), коммутатор (18), при этом ультрафиолетовый излучатель (1) состоит из отдельных ультрафиолетовых ламп, один из выходов блока управления (16) соединен с входом коммутатора (18), а выход коммутатора (18) соединен с лампами ультрафиолетового излучателя (1), электрифицированные задвижки (11, 12), датчики положения (13, 14) электрифицированных задвижек (11, 12), датчик давления (15) и концентратомер (5) растворенного озона в воде соединены с блоком управления (16), отличающаяся тем, что дополнительно содержит контактную камеру (19), внутри которой размещена съемная безэлектродная СВЧ-газоразрядная лампа (20), подключенная к магнетрону (21) через коаксиальный возбудитель (22), барботажный реактор (27), бак (28) с исходной водой, соединенный с барботажным реактором (27), устройство (29) для диспергирования газа, размещенное в барботажном реакторе (27), пьезометр (30), деструктор озона (31), мерный цилиндр (32), соединенный через трехходовой кран (33) с барботажным реактором (27), газоанализатор (34), компрессор (35), блок (36) очистки и осушки воздуха, пьезоэлектрические элементы (37), при этом компрессор (35) соединен с входом блока (36) очистки и осушки воздуха, выход которого соединен с озонатором (4), пьезоэлектрические элементы (37) размещены в контактной камере (19), мутномер (17) установлен на входе контактной камеры (19), выход мутномера (17) соединен с входом блока управления (16), другой выход блока управления (16) соединен с вычитывающим входом сравнивающего устройства (7), суммирующий вход которого соединен с задающим устройством (6), выход сравнивающего устройства (7) соединен с входом следящего привода (8), соединенного с запорно-регулирующим органом вентиля (9), концентратомер (5) установлен на выходе контактной камеры (19).
2. Установка по п.1, отличающаяся тем, что ультрафиолетовые лампы ультрафиолетового излучателя (1) расположены коаксиально относительно движения жидкости.
3. Установка по п.1, отличающаяся тем, что барботажный реактор (27) снабжен равномерно распределенными по его сечению стеклянными трубками (44).
