Способ очистки сточных вод и устройство для его осуществления

 

Изобретение относится к способам и устройствам очистки сточных вод с использованием электрических полей и сорбции и может быть использовано для очистки различных жидких сред. В очищаемой воде создают искусственный сорбционный слой толщиной 2-800 мм воздействием на очищаемую воду в анодной зоне электрическим полем с параметрами: напряжение 3-100 В, сила тока 1 мА - 1000 А, частота основного сигнала 0,1 Гц - 100 кГц. При очистке маломутной воды дополнительно используют слой сорбента. Устройство содержит генератор, корпус, разделенный подвижной перегородкой на катодную и анодную зоны. Анодная зона оснащена однослойной поперечной сеткой толщиной 1-50 мм. Суммарная площадь отверстий составляет 50-97% от общей площади сетки. Нижняя кромка перегородки образует с днищем корпуса зазор высотой 1-500 мм. Анод со стороны рабочей поверхности оснащен съемными выступами. Технический эффект - повышение эффективности процесса очистки воды, расширение сферы применения. 2 с. и 3 з.п.ф-лы, 1 табл., 1 ил.

Изобретение относится к способам и устройствам очистки сточных вод с использованием электрических полей и сорбции и может быть использовано для очистки промышленных стоков, природной воды и в прочих областях.

Известен способ очистки воды, включающий ее электролиз и сорбцию; процесс электролиза проводят при напряжении 16 - 18 В и токе 150 мA - 2 A, в качестве сорбентов применяют активированный уголь СГН - 30А и сильнокислотный катионит в H⁺-форме, причем воду пропускают последовательно вначале через катионит, а затем через активированный уголь и объемное соотношение активированного угля и катионита выдерживают равным 1:(0,04-0,06) [1].

Способ не обеспечивает достаточно высокой степени очистки воды, а применяемый сорбент имеет ограничение по использованию в различных производствах.

Известен способ очистки технологической воды металлургического производства, при котором совмещаются по времени процессы фильтрования и магнитной обработки в электромагнитном фильтре, у которого катушку индуктивности подключают к генератору инфранизкой частоты, причем параметры и импульсы поля определяют по индикатору из условия максимального снижения жесткости до максимальных значений I = 500 A, F = 10 Гц, τ = 0,1 мкс [2].

Способ имеет ограниченное применение, а предложенные параметры электромагнитной обработки не позволяют получить наибольшую степень очистки воды; кроме того, требует значительных затрат на техническое обслуживание.

Известен способ электрохимической очистки воды, включающий последовательную обработку в катодной и анодной камерах диафрагменного электролизера с использованием нерастворимых электродов, при этом на электроды подают асимметричное переменное напряжение с соотношением катодной и анодной составляющих (8-10): 1, а перед обработкой в анодной камере воду фильтруют [3].

К недостаткам способа относятся повышенные сложность процесса и затраты на очистку воды.

Известна установка для очистки сточных вод от нефтепродуктов, в которой вода пропускается через фильтровальную камеру с коалесцирующей загрузкой в виде гранулированного гидрофобного материала, например полиамида или полиэтилена, затем через фильтровальную камеру с адсорбирующей загрузкой из термостойкого кварцевого волокна с большой пористостью [4].

К недостаткам этой установки относится использование адсорбента невысокой эффективности по сорбционным свойствам и способности к регенерации, а также недостаточная производительность.

Известно устройство очистки технологической воды металлургического производства, содержащее источник ее забора в замкнутую систему циркуляции с потребителем, индикаторы, определяющие степень загрязнения и очистки, пропускные вентили, фильтры для очистки воды и индукционные катушки для ее магнитной обработки, которые выполнены в корпусе фильтра и соединены с источником, обеспечивающим создание электромагнитного импульсного поля инфранизкой частоты [2].

Использование инфранизкой частоты импульсного поля не позволяет обеспечить высокой степени очистки воды; устройство имеет ограниченное применение.

Известно устройство для очистки воды, включающее корпус, состоящий из камеры электролиза с алюминиевым анодом, камеры сорбции и отверстий для входа и выхода воды; причем в камере сорбции по ходу движения воды установлены фильтры, заполненные сильнокислотным катионитом в H⁺-форме и активированным углем СГН - 30А в объемном соотношении (0,04-0,06): 1 соответственно [1].

Использование в известном устройстве активированного угля не позволяет получить максимальную очистку воды.

К наиболее близким предлагаемому изобретению по совокупности существенных признаков и выполняемым задачам можно отнести способ обработки воды, включающий электрообработку ее постоянным электрическим током в электролитической камере, разделенной пористой перегородкой на анодное и катодное пространства, при последовательном пропускании обрабатываемой воды сначала через анодное, а затем через катодное пространство, фильтрование католита и удаление обработанной воды, а электрообработку ведут при определенной силе тока, зависящей от степени минерализации исходной воды [5].

Способ и устройство, с помощью которого он реализуется, недостаточно эффективны, особенно при очистке воды, загрязненной, например, нефтепродуктами.

Целью предлагаемого способа является повышение эффективности очистки воды и расширение области применения способа для очистки промышленных стоков, природной воды, технологической воды замкнутого водоснабжения разнообразных производств.

Указанная цель достигается обработкой очищаемой воды электрическим полем, параметры которого регулируют в пределах: напряжение от 3 до 1000 В, сила тока от 1 мA до 1000 А, частота основного сигнала от 0,1 Гц до 100 кГц, при этом частота модулирующих импульсов в 10,2-100 раз больше частоты основного сигнала, а амплитуду берут в пределах 0,05-0,9 максимальной амплитуды основного сигнала. Одновременно регулируют плотность электрического тока в зазоре между катодной и анодной зонами от 0,2·10^-6 до 10 А/см² изменением площади сечения зазора. Очищаемую воду пропускают сквозь сетку, перекрывающую проточную часть анодной зоны и фиксируемую в корпусе в одном из положений между нижней точкой патрубка сливного трубопровода при минимальном зазоре и верхней границей зазора, соединяющего электродные зоны корпуса при максимально открытом зазоре. Конкретная высота расположения сетки определяется параметрами электрического поля, установленными при настройке режима осуществления предлагаемого способа, кратная амплитуде основного сигнала. В случае использования способа доочистки маломутной воды на сетке дополнительно размещается адсорбент одного из известных типов.

Очистка воды предложенным способом включает ряд этапов: в катодной зоне происходит гравитационное удаление механических примесей, скапливающихся на дне камеры. Наложение электрического поля, предварительно настроенного на оптимальный режим, приводит к насыщению жидкости пузырьками электролизного газа, который выносит в верхнюю часть катодной зоны грубодисперсные ассоциации органических и других примесей с последующим удалением их через соответствующие патрубки. Повышенная плотность электрического тока в зазоре между электродными зонами при оптимальных параметрах электрического поля обеспечивает коалесценцию и последующую флокуляцию коллоидных частиц примесей и элементов эмульсии. Эти образования, вынесенные потоком в анодную зону, попадают в область взаимодействия налагаемого электрического поля с поверхностным электростатическим полем сетки. Образуется искусственная сорбционная подушка с существенной по величине сорбционной емкостью, что обеспечивает очистку воды до хроматографических следов примеси, этот искусственный сорбционный слой - сорбционная подушка - составляет по толщине от 2 до 800 мм и размещен примерно поровну от верхней и нижней плоскостей сетки; отличается высокой геометрической устойчивостью при оптимальных режимах осуществления способа, обеспечивая высокую скорость сорбции, значительную сорбционную емкость и практически неограниченные возможности регенерации, происходящей непрерывно путем гравитационного перераспределения слоев с оседанием коагулированных конгломератов.

Дополнительная сорбционная подушка, используемая при очистке маломутной, например артезианской воды, обеспечивает стартовые условия для образования искусственного сорбционного слоя при наложении электрического поля.

Величины параметров электрического тока, включая модулирующие импульсы, а также другие характеристики способа, определены из следующих соображений: при снижении предложенных параметров ниже нижних границ - влияние на качество очистки воды не эффективно, а превышение верхних границ нецелесообразно из-за значительного усложнения и удорожания оборудования и технологии и незначительности дополнительного эффекта (Таблица).

Указанная цель достигается тем, что устройство для осуществления предлагаемого способа очистки сточных вод содержит корпус, разделенный подвижной перегородкой на катодную и анодную зоны, плоские катод и анод, причем анод оснащен выступами на рабочей поверхности, генератор электрического поля, входной и выходные патрубки для подачи очищаемой воды и отвода очищенной воды, нефтепродуктов, осадка. В анодной зоне поперек потока жидкости в корпусе зацеплена с возможностью вертикального перемещения сетка толщиной 1-50 мм с ячейками круглой, прямоугольной и иной формы; суммарная площадь ячеек составляет 50-97% общей площади сетки. Все поверхности, исключая электроды, электрически изолированы от жидкости. Минимальные геометрические размеры - толщина поперечной сетки и высота зазора между подвижной перегородкой и днищем корпуса определяются технологическими возможностями изготовления. Превышение максимальных размеров приводит к удорожанию устройства без заметных изменений эффективности очистки.

На чертеже представлена схема устройства. Устройство включает корпус 1, разделенный вертикальной подвижной перегородкой 2 с зазором относительно днища корпуса с возможностью регулирования зазора от 1 до 500 мм, на катодную и анодную зоны с анодом 3 и катодом 4, размещенными в верхней части соответствующей зоны, входной патрубок 5, патрубок 6 для отвода нефтепродуктов, люк 7 для удаления осадка. В анодной зоне размещена сетка 8, в частном варианте оснащенная сверху сорбентом 9, и патрубок отвода очищенной воды 10; сетка закреплена в корпусе в одном из положений по высоте между нижней образующей патрубка отвода очищенной воды и нижней кромкой подвижной перегородки в ее верхнем положении. Корпус, вертикальная перегородка и сетка изготовлены из диэлектрика или оснащены в области контакта с жидкостью диэлектрическим покрытием. Электроды выполнены в виде пластин, при этом анод дополнительно оснащен съемными выступами на нижней рабочей плоскости: катод - из нержавеющей стали, анод из меди, а выступы - из графита с силицированным покрытием. Выступы выполнены в виде стержней круглой, прямоугольной и другой формы в поперечном сечении и закреплены в электроде с возможностью замены после израсходования.

Устройство работает следующим образом. Перед началом работы, с учетом степени загрязненности воды и типа примесей, осуществляют настройку режима работы устройства: параметры электрического поля, в особенности модулированного сигнала и положения по высоте в анодной зоне сетки; производительность устройства устанавливается путем изменения величины зазора между электродными зонами.

Вода под воздействием разности гидростатических давлений через входной патрубок 5 поступает в катодную зону корпуса 1; затем через регулируемый зазор между подвижной перегородкой и днищем поступает в анодную зону и проходит через сетку 8, оснащенную при необходимости сорбентом 9, а затем поступает на слив через патрубок отвода 10.

После заполнения корпуса 1 включают генератор электрического поля (на схеме не показан) и осуществляют подстройку режима работы устройства для обеспечения необходимого качества очистки. Очистка осуществляется в два этапа: в катодной зоне выпадают в осадок механические примеси и грубодисперсные фракции нефтепродуктов; тонкодисперсные образования органического и неорганического происхождения выносятся пузырьками электролизного газа на поверхность объема жидкости катодной зоны и удаляются через патрубок 6; по этому же механизму удаляются образования сверхтонкой, коллоидальной дисперсности конгломератов после коагуляции под воздействием оптимального электрического поля. Затем вода поступает через зазор между подвижной перегородкой и днищем корпуса в анодную зону, где подвергается воздействию электрического поля высокой плотности и насыщается ассоциациями из оставшихся примесей, статистически распределенных по сечению потока.

Попадая с потоком воды в область взаимодействия наложенного электрического поля с поверхностным электростатическим полем сетки, эти ассоциации образуют искусственную сорбционную подушку, ориентированную с обеих сторон сетки на высоте ее фиксации в анодной зоне корпуса и обеспечивают абсорбцию оставшихся в очищаемой воде примесей. По крайней мере с нижней стороны сетки искусственный слой - сорбционная подушка - имеет разную плотность по высоте, увеличивающуюся по мере приближения к поверхности сетки. Достигнув определенной величины плотности, участок слоя начинает оседать на дно корпуса, увлекая на себя флокулы из коллоидных частиц примесей. После накопления на дне корпуса осадок удаляется через люк 7. Так обеспечивается дополнительная тонкая очистка воды. Непрерывная смена участков слоя обеспечивает регенерацию этого слоя, его высокую сорбционную емкость и сорбционную способность. Очищенная до хроматографических следов примеси вода сливается через патрубок отвода 10.

Устройство компактно, все узлы размещены в одном корпусе, простое в настройке и обслуживании и обеспечивает высокую степень очистки практически любых текучих сред.

Источники информации 1. Патент РФ N 2129529, C 02 F 1/46, 1/28, 9/00, 1997.

2. Заявка РФ N 96120682/25, C 02 F 1/48, 1996.

3. A. С. СССР N 1171428, C 02 F 1/46, 1982.

4. Патент РФ N 2013375, C 02 F 1/40, B 01 D 17/028, 1991.

5. Патент РФ N 2064440, C 02 F 1/46, 1992.

Формула изобретения

1. Способ очистки сточных вод, включающий обработку воды электрическим полем в катодной и анодной зонах и сорбцию, отличающийся тем, что в анодной зоне создают искусственный слой - сорбционную подушку толщиной 2 - 800 мм путем воздействия на очищаемую воду электрическим полем с параметрами: напряжение - 3 - 1000 В, сила тока - 1 мА - 1000 А, частота основного сигнала - 0,1 Гц - 100 кГц, при частоте модулирующих импульсов в 10,2 - 100 раз больше частоты основного сигнала и амплитуде 0,05 - 0,9 максимальной амплитуды основного сигнала; при этом плотность электрического тока в зазоре, соединяющем катодную и анодную зоны, регулируют в пределах от 0,2 · 10^-6 до 10,0 А/см², а наложенное электрическое поле взаимодействует с электростатическим полем, создаваемым в анодной зоне по крайней мере однослойной поперечной сеткой.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что при очистке маломутной воды поперечную сетку берут по крайней мере двуслойной, а в качестве верхнего слоя используют сорбент любого типа.

3. Устройство для очистки сточной воды, включающее корпус, разделенный подвижной перегородкой на катодную и анодную зоны, катод и анод, патрубки входные и выходные, отличающееся тем, что оно дополнительно снабжено генератором электрических сигналов, а в анодной зоне закреплена в корпусе с возможностью вертикального перемещения по крайней мере однослойная поперечная сетка толщиной 1 - 50 мм с отверстиями круглой, и/или прямоугольной, и/или любой другой формы, суммарная площадь которых составляет 50 - 97% от общей площади сетки; нижняя кромка перегородки образует с днищем корпуса зазор высотой 1 - 500 мм, а электрическое поле, создаваемое генератором, имеет параметры: напряжение - 3 - 1000 В, сила тока - 1 мА - 1000 А, частота основного сигнала - 0,1 Гц - 100,0 кГц, при частоте модулирующих импульсов в 10,2 - 100,0 раз больше частоты основного сигнала и амплитуде 0,05 - 0,9 максимальной амплитуды основного сигнала; при этом анод оснащен со стороны рабочей поверхности съемными выступами.

4. Устройство по п.3, отличающееся тем, что поперечную сетку размещают между нижней образующей сливного патрубка и нижней кромкой подвижной перегородки в ее верхнем положении, сетку берут по крайней мере двуслойной, причем в качестве верхнего слоя используют сорбент.

5. Устройство по п.3 или 4, отличающееся тем, что корпус, подвижная перегородка и сетка электрически изолированы от очищаемой воды, катод изготовлен из нержавеющей стали, анод - из любого токопроводящего материала, например из меди, а съемные выступы анода, имеющие в поперечном сечении форму круга, и/или прямоугольника, и/или какую-либо другую, изготовлены из силицированного графита.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3

NF4A Восстановление действия патента Российской Федерации на изобретение

Извещение опубликовано: 27.04.2005        БИ: 12/2005