Устройство для обеззараживания водных сред

Предлагаемое устройство относится к системам обеззараживания воды, включая локальные системы подготовки питьевой воды для отдельных городских домов или кварталов и поселков.

Задачей предлагаемого устройства является повышение надежности и долговечности устройств, повышение степени обеззараживания водных сред и исключения вредного влияния на окружающую среду.

Для решения поставленной задачи предлагается устройство для обеззараживания водных сред, включающее герметичный корпус с входным и выходным патрубками для подвода и отводы воды, источник ультрафиолетового излучения, выполненный в виде тороида из прозрачного для ультрафиолетового излучения материала, заполненный инертным газом, генератор УФИ и блок питания генератора, включающий генератор тока высокой частоты и индуктор, внутри которого находится тороид, создающий электромагнитное поле для возбуждения атомов инертного газа для получения ультрафиолетового излучения, воздействующего на обеззараживаемую воду.

Технико-экономический эффект предлагаемого устройства заключается в повышении ресурса генератора УФИ за счет исключения электрических контактов внутри генератора и исключения, в отличие от ртутных ламп, широко используемых в настоящее время для этих целей, вредного воздействия на окружающую среду и здоровье человека при несоблюдении правил безопасности при работе с ртутными лампами.

Предлагаемое устройство относится к системам обеззараживания воды, включая локальные системы подготовки питьевой воды.

Необходимость реализации локальных систем подготовки питьевой воды (ЛППВ) для отдельных домов и поселков связана с тем, что существующие системы водоснабжения хотя и обеспечивают требуемую степень чистоты водопроводной воды и ее дезинфекцию, но при прохождении по водоводам вода загрязняется окислами железа, марганца и микроорганизмами, не говоря уже о возможных случаях аварий.

Указанные системы должны включать в себя, как минимум, следующие блоки:

- фильтры механической доочистки воды;

- фильтры тонкой очистки - поглотители солей и тяжелых металлов;

- обеззараживатели воды.

Это позволит населению отказаться от использования домашних фильтров, контроль за работой которых затруднен и которые, при определенных условиях, сами становятся «инкубаторами бактерий».

В системах, предназначенных для обеззараживания воды, используются установки, включающие в себя:

- генераторы озона, обладающего высокой активностью при взаимодействии с органическими и неорганическими веществами в части окислительных процессов;

- мембраны керамические и из синтетических материалов (целлюлозы и полимеров), представляющие собой сита с ячейками, размеры которых близки к размерам бактерий и вирусов (10-30 нанометров);

- источники ультра-фиолетового излучения (УФИ).

Метод обеззараживания воды УФИ получил широкое распространение в последние 20 лет во всем мире.

Одной из основных мотиваций применения этого метода послужил обнаруженный в 70-х годах XX века факт, что хлорирование воды приводит к образованию опасных побочных продуктов. Анализ альтернативных хлорированию технологий обеззараживания показал, что все окислительные технологии обеззараживания приводят к форматированию тех или иных побочных продуктов, большинство из которых представляют опасность для здоровья людей.

Вторым важным фактором в продвижении УФИ для обеззараживания явилась недостаточная эффективность хлорирования в отношении ряда микроорганизмов, в частности, Cryptosporidium parvum.

Ультрафиолетовое обеззараживание воды - простой и современный метод водоподготовки, не использующий химические реагенты. Метод обеспечивает экологическую безопасность, высокую эффективность и экономичность. Технология ультрафиолетового обеззараживания воды, обладая высокой эффективностью воздействия на бактерии, вирусы и простейшие, имеет ряд преимуществ по сравнению с окислительными технологиями, а именно:

- отсутствие побочных явлений и вторичных продуктов, оказывающих негативное влияние на здоровье человека и водную среду, характерных для хлорирования и озонирования воды;

- отсутствие необходимости в организации специальных мер безопасности при работе с токсичными материалами (хлор, хлорсодержащие реагенты, озон);

- низкие эксплуатационные расходы в связи с малой энергоемкостью оборудования УФИ для водоподготовки;

- компактность оборудования УФИ для водоподготовки, отсутствие периферийных систем для его обслуживания, отсутствие специального обслуживающего персонала.

В мире эксплуатируется более 3000 станций УФ обеззараживания воды различного назначения и с производительности, более 1 млн куб. м/сут.

Наибольшее распространение для обеззараживания воды получили установки, основным элементом которых являются ртутные лампы. Пары ртути, находясь в электрическом поле, излучают ультрафиолет. Значительная часть энергии этого излучения находится в области с длиной волны около 250 нм, которая, по имеющимся данным, совпадает с одним из максимумов поглощения этого излучения ДНК и РНК бактерий и вирусов, инактивируя эти организмы и лишая их способности к дальнейшему делению.

Одним из недостатков ртутных ламп является проблема их сбора и утилизации, а практически - большая вероятность загрязнения внешней среды ртутью с соответствующими последствиями.

Несмотря на сравнительно большой ресурс эксплуатации этих ламп - до 10 тысяч часов - контактов для включения лампы в электрическую сеть приводит к их «пригоранию» и ухудшению работы ламп.

В качестве источников УФ - излучения применяются также газоразрядные лампы.

Например, патент РФ 2236060 «Газоразрядный источник УФ излучения» относится к области электротехники, в частности, к газоразрядному источнику УФИ для обработки объектов и материалов, в том числе, для очистки и стерилизации жидкостей УФ-излучением, и содержит СВЧ-генератор, у которого внешний электрод коаксиального волновода соединен со стенкой газоразрядной емкости (ГЕ), в полость которой введен покрытый прозрачной для СВЧ-излучения изоляцией центральный электрод волновода. ГЕ размещена внутри емкости для обрабатываемой среды. Общие стенки ГЕ и емкости для обрабатываемой среды выполнены из материала, прозрачного для УФ-излучения. Наиболее вероятный вариант исполнения газоразрядного источника УФ-излучения имеет ГЕ и емкость для обрабатываемой среды в виде круговых соосных цилиндров, по оси которых от торца до торца ГЕ расположен центральный электрод волновода. Конец его продлен за пределы ГЕ. ГЕ и конец центрального электрода, выходящий за пределы ГЕ, покрыт сеткой из непрозрачного для СВЧ-излучения материала. Изоляция центрального электрода и стенки ГЕ выполнены из одного и того же материала.

Недостатками известного технического решения являются: сложность конструкции, повышенная электроопасность, низкий к.п.д и другие.

Наиболее близким по совокупности существенных признаков к предлагаемому техническому решению является «Устройство для очистки и обеззараживания водных сред» по патенту РФ 2031850, дата публикации 27.03.1995 г. Данное устройство выбрано в качестве прототипа.

Известное устройство содержит герметичный корпус, снабженный входным и выходным отверстиями для пропускания обрабатываемой жидкости. В корпусе продольно расположен источник УФ-излучения, который представляет собой трубку, заполненную воздухом или инертным газом, например, ксеноном. Концы трубки закреплены на торцевых стенках корпуса, посредством уплотнения и гаек. Концы трубки снабжены также электродами, подключенными к блоку питания, который содержит выпрямитель тока, накопительный конденсатор, генератор высоковольтных импульсов и схему управления.

Недостатком этого технического решения является наличие высокого напряжения, сравнительно быстрое разрушение электродов, а также неравномерное облучение обеззараживаемой воды УФ излучением.

По мнению специалистов, газоразрядные лампы, использующие впаянные электроды, остаются весьма недолговечными. В самих электродах теряется до 40% от подводимой мощности. Газовый разряд в присутствии коррозионно активных элементов (ртуть, хлор, натрий и др.) разрушает электроды и изменяет состав рабочей среды внутри колбы. На внутренней поверхности стекла постепенно образуется малопрозрачный слой. Это меняет спектр излучения лампы и сокращает срок ее службы.

Задачей предлагаемого устройства является упрощение конструкции генератора УФИ, увеличение долговечности устройства и повышение к.п.д.

Для решения поставленной задачи предлагается устройство для очистки и обеззараживания водных сред, включающее герметичный корпус с входным и выходным патрубком для подвода и отводы воды, размещенный в нем источник ультрафиолетового излучения, выполненный в виде колбы из прозрачного для ультрафиолетового излучения материала, заполненной инертным газом, и блок питания,

выполнить следующим образом:

- корпус выполнить разъемным и состоящим из центральной части, и двух крышек - нижней и верхней,

- в стенках центральной части корпуса разместить индуктор, выполненный в виде катушки индуктивности,

- колбу источника ультрафиолетового излучения выполнить в виде полого тороида, закрепленного между крышками корпуса,

- блок питания, размещенный на центральной части корпуса, должен содержать генератор токов высокой частоты, подключенный через электроды к индуктору, создающему электромагнитное поле внутри тороида,

- причем входной и выходной патрубки для подвода и отвода воды предлагается разместить на верхней крышке корпуса, тогда как нижнюю крышку предлагается выполнить таким образом, чтобы обеспечить возможность обтекания тороида обеззараживаемой водой снаружи внутрь.

Устройство может быть дополнено схемой автоматического управления, позволяющей менять мощность и, соответственно, интенсивность излучения в зависимости от расхода воды.

Вертикальный разрез устройства и изометрическая проекция представлены на фиг.1 и фиг.2, на которых:

1 - верхняя крышка корпуса устройства;

2 - патрубок для входа воды;

3 - патрубок для выхода воды;

4 - нижняя крышка корпуса;

5 - центральная часть корпуса с генератором ТВЧ;

6 - индуктор;

7 - генератор ТВЧ;

8 - полый тороид (генератор УФИ);

9 - инертный газ;

10 - прокладки;

11 - щели для протекания воды из наружной полости во внутреннюю полость устройства.

Устройство работает следующим образом.

Обеззараживаемая вода входит через патрубок - 2, расположенный на крышке - 1, и после облучения выходит через патрубок - 3.

Источником ультрафиолетового излучения является тороид из материала, прозрачного для УФИ (например, кварцевого стекла) - 8, который образует вместе с корпусом - 5 внутреннюю и внешнюю полости, что позволяет максимально использовать подводимое к индуктору - 6, расположенному внутри стенки наружного корпуса устройства, питание от генератора ТВЧ - 7, смонтированного на корпусе.

Создаваемое индуктором - 6 электромагнитное поле возбуждает атомы (электроны) инертного газа - 9. Интенсивность излучения зависит от параметров электромагнитного поля, создаваемого индуктором, и степенью разреженности газа.

Ток высокой частоты (3-10 МГц) от генератора ТВЧ поступает через электроды на индуктор - 6.

Конструкция устройства проста и легко разбирается путем отвинчивания нижней и верхней крышки (см. фиг.3), что позволяет, в случае необходимости производить промывку поверхностей тороида, степень чистоты стенок которого в значительной степени влияет на прозрачность стенок для пропускания ультрафиолетовых лучей и облучения воды.

Технико-экономический эффект предлагаемого устройства заключается в повышении ресурса генератора УФИ за счет исключения электрических контактов внутри генератора и исключения, в отличие от ртутных ламп, широко используемых в настоящее время для этих целей, вредного воздействия на окружающую среду и здоровье человека при несоблюдении правил безопасности при работе с ртутными лампами.

1. Устройство для обеззараживания водных сред, включающее герметичный корпус с входным и выходным патрубком для подвода и отводы воды, размещенный в нем источник ультрафиолетового излучения, выполненный в виде колбы из прозрачного для ультрафиолетового излучения материала, заполненной инертным газом, и блок питания, отличающееся тем, что корпус выполнен разъемным и состоит из центральной части, и двух крышек - нижней и верхней, в стенках центральной части корпуса размещен индуктор, выполненный в виде катушки индуктивности, колба источника ультрафиолетового излучения выполнена в виде полого тороида, который закреплен между крышками корпуса, блок питания, размещенный на центральной части корпуса, содержит генератор тока высокой частоты, подключенный через электроды к индуктору, создающему электромагнитное поле внутри тороида, причем входной и выходной патрубки для подвода и отвода воды размещены на верхней крышке корпуса, тогда как нижняя крышка выполнена таким образом, что обеспечена возможность обтекания тороида обеззараживаемой водой снаружи внутрь.

2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что дополнительно содержит схему управления мощностью генератора токов высокой частоты в зависимости от расхода воды, подлежащей обеззараживанию.