Устройство для очистки и обеззараживания водных сред

 

Использование: для обработки жидких сред с целью их обеззараживания, в частности природных и сточных вод. Сущность изобретения: устройство содержит герметичный корпус 1, снабженный входным 2 и выходным 3 отверстиями для пропускания обрабатываемой жидкости. В корпусе продольно расположен источник 4 УФ-излучения, который представляет собой трубку, заполненную воздухом или инертным газом, например ксеноном. Концы трубки закреплены в торцевых стенках корпуса 1 посредством уплотнения 5 и гаек 6. Концы трубки снабжены электродами 7, подключенными к блоку 8 питания, который содержит выпрямитель 9 тока, накопительный конденсатор 10, генератор 11 высоковольтных импульсов и схему 12 управления. 1 ил.

Изобретение относится к обработке жидких сред с целью их обеззараживания, очистки от растворенных органических примесей и может быть использовано при очистке сточных и природных вод, обеззараживания и стерилизации воды, используемой для питья, в пищевой промышленности, фармацевтике и т.д.

Известно устройство УФ-обработки жидкостей, содержащее герметичный корпус, внутри которого продольно расположена трубка с размещенным в ней источником УФ-излучения, концы которой жестко закреплены в торцах корпуса. Корпус имеет входное и выходное отверстия для подачи и отвода обрабатываемой жидкости. В процессе обработки жидкость проходит по камере, образованной внутренней поверхностью корпуса и наружной поверхностью трубки с источником УФ-излучения. Концы трубки закреплены в корпусе таким образом, что они выступают наружу и образуют электрические клеммы, с помощью которых на источник УФ-излучения подают электрический ток.

Данное устройство обладает достоинствами, связанными с конкретным конструктивным выполнением, позволяющим повысить экономичность и коэффициент полезного действия, что обусловлено высокой степенью использования УФ-излучения за счет продольного расположения трубки с источником и продольного направления потока жидкости в корпусе.

Известное устройство имеет, однако, ряд недостатков, обусловленных свойствами используемого в нем источника УФ-излучения в виде ртутно-кварцевой лампы непрерывного излучения с линейчатым спектром излучения. Из-за низкой интенсивности излучения таких ламп очистка водных сред от растворенных органических соединений с помощью такого устройства требует большого времени обработки, что обусловливает низкую производительность.

Принципиальные ограничения связаны также с линейчатым спектром излучения лампы, вследствие чего ожидать какой-либо эффект от использования такого устройства можно лишь при условии попадания наиболее интенсивной линии спектра ртути ( λ = =2537 А) в полосу поглощения растворенного вещества. Аналогичные недостатки проявляет известное устройство и при дезинфекции (или стерилизации) водных сред. Кроме того, все известные устройства на основе ртутно-кварцевых ламп непрерывного излучения требуют при использовании значительного времени (5-10 мин) для разогрева лампы и выхода ее на рабочий режим. При этом пары ртути, находящиеся в таких лампах, являются высокотоксичным веществом, вследствие чего утилизация ламп, выработавших срок службы, или устранение заражений, произошедших при разрушении колбы из-за неосторожного обращения или аварии, представляет серьезную экологическую проблему.

Цель изобретения - значительно расширить номенклатуру органических соединений, видов бактерий и штаммов микроорганизмов и вирусов, эффективно удаляемых и инактивируемых из обрабатываемой водной среды, увеличить глубину очистки (в ряде случаев до 100%), снизить энергетические затраты, необходимые для очистки или обеззараживания некоторого объема водной среды, повысить производительность, обеспечить практически мгновенную готовность устройства к работе, достичь полной экологической безопасности при работе и утилизации источников УФ-излучения.

Для этого в устройстве для очистки и обеззараживания водных сред, содержащем герметичный корпус с входным и выходным отверстиями, размещенный в нем электроразрядный источник УФ-излучения, выполненный в виде трубки из прозрачного для УФ-излучения материала с электродами на концах, и блок питания, снабженный системой инициирования разряда и подключенный к источнику УФ-излучения, трубка источника УФ-излучения заполнена инертным газом или воздухом, блок питания содержит высоковольтный выпрямитель тока и накопительный конденсатор, а система инициирования разряда выполнена в виде генератора высоковольтных импульсов, при этом параметры устройства связаны между собой следующими соотношениями: > 0,3 (1) и >1, (2) где R - расстояние между трубкой и внутренней стенкой корпуса, м; l - расстояние между электродами источника УФ-излучения, м; f - частота повторения импульсов УФ-излучения, Гц; Q - объемный расход обрабатываемой водной среды, м³/с; W - электрическая энергия, запасенная в накопительном конденсаторе, Дж; d - внутренний диаметр трубки источника УФ-излучения, м; L - индуктивность разрядного контура, образованного источником УФ-излучения, накопительным конденсатором и элементами системы инициирования разряда, Гн; с - емкость накопительного конденсатора, Ф;
А = 2˙10⁹ Вт/м² - постоянный коэффициент.

На чертеже представлена конструкция устройства для очистки и обеззараживания водных сред со схемой блока питания и управления работой устройства.

Устройство содержит герметичный цилиндрический корпус 1, выполненный из материала, непрозрачного для УФ-излучения, и снабженный входным 2 и выходным 3 отверстиями для пропускания обрабатываемой жидкости. В корпусе продольно расположен источник 4 УФ-излучения в виде трубки из прозрачного для УФ-излучения материала, заполненной воздухом или инертным газом (например, Хе). Концы трубки герметично закреплены в торцевых стенках корпуса 1 посредством уплотнений 5 и гаек 6.

Возможна также иная форма корпуса, например прямоугольная, и иное расположение трубки источника 4 УФ-излучения, например поперечное. На работоспособность устройства и достигаемый технический результат это не влияет. Трубка служит источником УФ-излучения, представляя собой импульсную газоразрядную лампу. Концы трубки снабжены электродами 7, подключенными к блоку 8 питания. Блок 8 питания содержит высоковольтный выпрямитель 9 тока, который служит источником постоянного напряжения, накопительный конденсатор 10, генератор 11 высоковольтных импульсов и схему 12 управления.

Накопительный конденсатор 10 подключен к высоковольтному выпрямителю 9. Источник 4 УФ-излучения и накопительный конденсатор 10 образуют разрядный контур, с которым индуктивно связан генератор 11 высоковольтных импульсов. Такая связь осуществляется посредством, например, импульсного трансформатора (на чертеже не показан), входящего в состав генератора 11 высоковольтных импульсов.

В устройстве использован высоковольтный выпрямитель тока с напряжением 1-5 кВ.

Генератор 11 высоковольтных импульсов представляет собой формирователь импульсов амплитудой 20-40 кВ, длительностью 0,1-1,3 мкс и частотой повторения, определяемой схемой 12 управления.

Схема 12 управления содержит генератор тактовых импульсов, задающий частоту повторения импульсов излучения, источник опорного напряжения, компаратор, сравнивающий напряжение между обкладками накопительного конденсатора 10 с опорным напряжением, органы управления, позволяющие устанавливать необходимые для конкретного использования значения частоты повторения импульсов и энергии, запасаемой накопительным конденсатором 10.

Устройство работает следующим образом.

Вода, которую необходимо подвергнуть очистке или обеззараживанию, подается через входное отверстие 2 в канал, образованный внутренней поверхностью корпуса 1 и наружной поверхностью трубки. В этом канале вода подвергается УФ-обработке импульсным УФ-излучением, причем расход воды и частота импульсов связаны с геометрическими параметрами устройства соотношением (1).

Формирование импульса УФ-излучения обеспечивается взаимодействием блока 8 питания с источником излучения.

В начальный момент времени инертный газ, находящийся в трубке, состоит из электрически нейтральных атомов, свободные носители заряда отсутствуют, и электрическое сопротивление между электродами 7 бесконечно велико.

Схема 12 управления включает высоковольтный выпрямитель 9, который заряжает накопительный конденсатор 10 до тех пор, пока напряжение на нем не сравняется с опорным. В этот момент схема 12 управления выключает высоковольтный выпрямитель 9. Благодаря соединению блока 8 питания с источником УФ-излучения разность потенциалов между обкладками конденсатора 10 через генератор 11 высоковольтных импульсов оказывается приложенной к электродам 7.

Затем схема 12 управления вырабатывает импульс запуска генератора 11 высоковольтных импульсов, который работает в ждущем режиме и на каждый импульс от схемы управления формирует один высоковольтный импульс амплитудой 20-40 кВ. Импульс такой амплитуды вызывает электрический пробой межэлектродного промежутка, в котором появляются свободные носители заряда (электроны), приобретающие большую кинетическую энергию в электрическом поле межэлектродного промежутка. При соударении электронов с атомами инертного газа последние ионизируются, число носителей заряда увеличивается. В результате такого лавинообразного развития процесса разряда накопительного конденсатора 10 в трубке образуется высокотемпературная плазма (Т ≃ 10000-15000 К), излучение которой характеризуется сплошным спектром высокой интенсивности в УФ-области. Импульс излучения прекращается по мере разряда конденсатора 10. В конкретных примерах выполнения длительность импульса УФ-излучения составляет от 35 до 500 мкс.

После окончания разряда конденсатора 10 условия для образования и разгона свободных носителей заряда в межэлектродном промежутке исчезают, плазма быстро остывает, инертный газ деионизируется, и устройство приходит в исходное состояние. В дальнейшем процесс повторяется благодаря работе схемы 12 управления, которая фактически синхронизирует работу остальных узлов и задает период повторения импульсов УФ-излучения.

Для обеспечения высокой интенсивности излучения в УФ-области спектра за счет формирования сплошного спектра и сдвига максимума спектральной плотности излучения в УФ-область необходимо соблюдение параметров, отвечающих соотношению (2).

УФ-излучение через прозрачную трубку попадает в воду и проходит сквозь ее толщу размером R - , разлагая при этом растворенные органические загрязнения (вплоть до СО₂ и Н₂О) и уничтожая бактерии и микроорганизмы, т.е. наряду с очисткой осуществляется также и бактерицидное воздействие. При непрерывной прокачке обрабатываемой водной среды через корпус 1 и периодическом облучении короткими импульсами УФ-излучения выполнение соотношения (1) гарантирует обработку каждого элементарного объема водной среды.

Преимущества предложенного устройства заключаются в универсальности воздействия на водные среды с различными примесями и бактериологическим загрязнением (за счет сплошного спектра излучения), существенном сокращении необходимого времени обработки, т. е. в увеличении производительности за счет высокой интенсивности обработки, практически мгновенной готовности к действию, определяемой временем заряда накопительного конденсатора (0,05-1 с), повышении безопасности при работе и утилизации использованных ламп за счет наполнения трубки безвредными инертными газами или воздухом.

Эти преимущества обусловлены также существенным снижением суммарной энергетической дозы, необходимой для минерализации органических примесей и уничтожения бактерий, что достигается за счет использования высокоинтенсивного импульсного УФ-излучения сплошного спектра, которое характеризуется большей глубиной проникновения и меньшими пороговыми дозами, необходимыми для минерализации и обеззараживания, чем излучение линейчатого спектра. Кроме того, при использовании высокоинтенсивного импульсного УФ-излучения для обеззараживания высокая эффективность обработки достигается и за счет превышения скорости подавления микроорганизмов в водной среде над скоростью их естественного собственного размножения. При использовании же низкоинтенсивного облучения даже при увеличении длительности обработки может иметь место обратный эффект за счет адаптации микроорганизмов.

В одном из вариантов выполнения устройство имеет размеры корпуса: ⊘ 80 мм, длина 450 мм; габариты блока питания и управления 500х350х250 мм; потребляемая электрическая мощность 1 кВт, частота повторения импульсов излучения 0,7 Гц; диаметр трубки 16 мм; длина межэлектродного промежутка 250 мм; наполнение трубки - ксенон.

Экспериментальные исследования такого устройства показали, что для полного разрушения фенола в дистиллированной воде при концентрации 0,1-0,4 мг/л и общем объеме обрабатываемой воды 15 л достаточно обработки в течение 14 мин.

Для экспериментов по обеззараживанию воды использовался вариант выполнения устройства с диаметром корпуса 70 мм, длиной 350 мм, частотой следования импульсов 25 Гц. Объектом исследования являлась вода, зараженная спорами сибиреязвенных вакцинных штаммов. При исходной концентрации 10⁴-10⁵ спор в 1 л получено полное обеззараживание воды для объемного расхода воды через устройство до 3 м³/ч.

Приведенные результаты подтверждают высокую эффективность устройства при очистке и обеззараживании водных сред.

Кроме того, предлагаемое устройство успешно используется для очистки водных сред от нефтепродуктов, поверхностно-активных веществ, ядохимикатов.

Формула изобретения

УСТРОЙСТВО ДЛЯ ОЧИСТКИ И ОБЕЗЗАРАЖИВАНИЯ ВОДНЫХ СРЕД, содержащее герметичный корпус с входным и выходным отверстиями, размещенный в нем электроразрядный источник ультрафиолетового излучения, выполненный в виде трубки из прозрачного для ультрафиолетового излучения материала с электродами на концах, и блок питания, снабженный системой инициирования разряда и подключенный к источнику ультрафиолетового излучения, отличающееся тем, что трубка источника ультрафиолетового излучения заполнена инертным газом или воздухом, блок питания содержит высоковольтный выпрямитель тока и накопительный конденсатор, а система инициирования разряда выполнена в виде генератора высоковольтных импульсов, при этом параметры устройства связаны между собой соотношениями


где R - расстояние между трубкой и внутренней стенкой корпуса, м;
l - расстояние между электродами источника ультрафиолетового излучения, м;
f - частота повторения импульсов ультрафиолетового излучения, Гц;
Q - объемный расход обрабатываемой водной среды, м³/с;
W - электрическая энергия, запасенная в накопительном конденсаторе, Дж;
d - внутренний диаметр трубки источника ультрафиолетового излучения, м;
L - индуктивность разрядного контура, образованного источником ультрафиолетового излучения, накопительным конденсатором и элементами системы инициирования разряда, Гн;
C - емкость накопительного конденсатора, Ф;
A = 2 · 10⁹ Вт/м² - постоянный коэффициент.

РИСУНКИ

Рисунок 1