Способ обеззараживания воды синергетическим воздействием

 

Изобретение относится к охране окружающей среды, а именно к обеззараживанию как питьевой, так и сточной воды, может быть использовано в сельском и коммунальном хозяйствах, а также пищевой, микробиологической и других отраслях промышленности. Для осуществления способа в проточных объемах проводят гидродинамическую кавитационную обработку потока воды и последующую обработку ультрафиолетовым облучением, причем гидродинамическую кавитацию осуществляют ступенчато с помощью дополнительно устанавливаемых возбудителей кавитации, при этом перед началом кавитационной обработки поток воды сужают до достижении скорости потока 19,0-28,0 м/с, для чего площади поперечных сечений ступеней выбирают, исходя из следующих соотношений: S=(13,2-14,6)•10^-6 Q; S_i=nh(d_i+а_i), где S₁ - площадь поперечного сечения первой ступени, м²; Q - расход воды, м³/ч; S_i - площадь поперечного сечения i-й ступени, м²; а_i - расстояние между возбудителями i-й ступени, м; d_i - диаметр возбудителя i-й ступени, м; n - количество возбудителей в каждой ступени; h - высота возбудителей кавитации в каждой ступени, м; (13,2-14,6)•10^-6 - коэффициент, определяющий обратную величину скорости потока воды перед первой ступенью возбудителей, ч/м, при этом возбудители кавитации устанавливают в сечении ступени исходя из соотношений: а ультрафиолетовое облучение проводят интенсивностью 13,5-15,0 мДж/см². Способ обеспечивает повышение эффективности обеззараживания воды за счет увеличения синергетического воздействия путем интенсификации гидродинамической кавитации. 1 табл., 2 ил.

Изобретение относится к области охраны окружающей среды, а именно к обеззараживанию как питьевой, так и сточной воды, может быть использовано в сельском и коммунальном хозяйствах для населенных пунктов численностью населения до 100000 человек, а также пищевой, микробиологической и других отраслях промышленности.

Известен способ обеззараживания сточных вод, при котором поток воды обрабатывают гидродинамическим воздействием (см. патент РФ 2057079 от 27.03.96). Гидродинамическое воздействие осуществляют таким образом, при котором поток разделяют и пропускают через ряд параллельных объемов, выполненных в виде труб Вентури.

К недостаткам данного способа можно отнести низкую интенсивность кавитационных процессов, следствием чего является необходимость повторного цикла обработки воды.

Известен также способ обеззараживания воды, при котором в проточных объемах осуществляют синергетическое воздействие на обеззараживаемый поток, осуществляя гидродинамическую обработку и последующую обработку ультрафиолетовым излучением (см. заявку Франции 2637582 от 13.04.90).

К недостаткам данного способа относится невысокая эффективность гидродинамической обработки, которую осуществляют кавитацией, путем возбуждения турбулизацией потока кавитационных явлений без дополнительных побуждающих кавитацию приемов.

Перед разработчиками была поставлена задача: создать способ обеззараживания воды синергетическим воздействием с повышенной эффективностью на первом этапе воздействия - гидродинамической кавитацией, при которой обеспечивается разрушение колоний микробных клеток до уровня единичных клеток и дальнейшего разрушения наружной оболочки каждой клетки, на втором этапе воздействия - ультрафиолетовым облучением, обеспечивая окончательную стерилизацию потока, путем воздействия на белковые коллоиды клеток, изменяя их структуру и дисперсность, что обуславливает гибель микробной клетки.

Цель изобретения - повышение эффективности обеззараживания воды за счет увеличения синергетического воздействия путем интенсификации гидродинамической кавитации.

Поставленная цель достигается тем, что в способе обеззараживания воды синергетическим воздействием, при котором осуществляют в проточных объемах гидродинамическую кавитационную обработку потока воды и последующую обработку ультрафиолетовым облучением, предложено гидродинамическую кавитацию осуществлять ступенчато с помощью дополнительно устанавливаемых возбудителей кавитации, при этом перед началом кавитационной обработки поток воды сужают до достижении скорости потока 19,0-28,0 м/с, для чего площади поперечных сечений ступеней выбирают, исходя из следующих соотношений: S₁=(13,2÷14,6)•10^-6Q; (1) S_i=nh(d_i+a_i), (2) где S₁ - площадь поперечного сечения первой ступени, м², Q - расход воды, м²/ч, S_i - площадь поперечного сечения i-й ступени, м², а_i - расстояние между возбудителями i-й ступени, м,
d_i - диаметр возбудителя i-й ступени, м,
n - количество возбудителей в каждой ступени,
h - высота возбудителей кавитации в каждой ступени, м,
(13,2÷14,6)•10^-6 - коэффициент, определяющий обратную величину скорости потока воды перед первой ступенью возбудителей, ч/м,
при этом возбудители кавитации устанавливают в сечении ступени исходя из соотношений:


а ультрафиолетовое облучение проводят интенсивностью 13,5-15,0 мДж/см².

Сущность происходящих процессов поясняется следующим. Негативный эффект кавитации - гидроабразивный износ металлов - в предлагаемом способе использован как положительный эффект, направленный на разрушение защитных барьеров клеток микроорганизмов, что обеспечивает обеззараживание как питьевых, так и сточных вод.

При поступлении на обработку гидродинамической кавитацией поток воды сужают до достижения скорости потока 19,0-28,0 м/с, далее возбуждают кавитационные процессы на каждой ступени обработки, обеспечивая образование мощных ударных волн, кумулятивных микроструй воды и высокотемпературных тепловых импульсов. Максимум интенсивности кавитации приходится на значение зоны кавитации, длина которой зависит от диаметра возбудителя кавитации (см. Козырев С. П. Гидроабразивный износ металлов при кавитации М.: Машиностроение, 1964. - c.34):
l=3d_i,
где d_i - диаметр возбудителя кавитации, d_i=3-12 мм.

Многоступенчатое возбуждение гидродинамической кавитации требует, чтобы площади сжатых сечений канала последовательно увеличивались, иначе действие противодавления последующей ступени может уничтожить кавитационный факел предыдущей. Сечения ступеней проточного объема рассчитывают по вышеприведенным формулам (1) и (2).

При скорости потока менее 19,0 м/с энергии, высвобождающейся при прохождении кавитационных процессов, недостаточно для нарушения защитных барьеров микробных клеток. При скорости более 28,0 м/с, как показали исследования, значительно увеличивается гидравлическое сопротивление проходящему потоку за счет сильной турбулизации зон сжатого сечения, что приводит к снижению энергии потока, направленной на разрушение клеток.

Способ осуществляют следующим образом.

Поток обеззараживаемой воды с расходом Q и скоростью не менее 19,0 м/с направляют в проточный объем на первую ступень воздействия гидродинамической кавитацией, имеющую площадью поперечного сечения S₁ и интенсивностью кавитационных процессов, обеспеченной возбудителями кавитации первой ступени. Здесь начинается процесс разрушения твердых микровключений, имеющих неорганический и органический состав, в том числе и живых микроорганизмов находящихся в воде, гибель части живых и ослабленных микроорганизмов, срыв специфических защитных барьеров микробных клеток в целом.

Последующие ступени кавитационной обработки с площадью поперечного сечения S_i с n возбудителями гидродинамической кавитации в каждой ступени позволяют наиболее полно использовать накопленную энергию самого обеззараживаемого потока и способствуют дальнейшему разрушению клеток, значительно повышая их чувствительность к ультрафиолетовому облучению.

На фиг.1 представлена технологическая схема осуществления предлагаемого способа, на фиг.2 - схема проточного кавитационного генератора для осуществления предлагаемого способа обеззараживания воды синергетическим воздействием.

Обрабатываемая вода по трубопроводу 7 через задвижку 2, обеспечивающую необходимую скорость потока 19,0-28,0 м/с, поступает на первую ступень проточного объема 3 в виде кавитационного генератора, в корпусе 7 которого выполнен канал прямоугольного сечения. Симметрично оси канала расположены ступени цилиндрических возбудителей кавитации диаметрами: d₁ - ступени 8, d₂ - ступени 9, d₃ - ступени 10. Необходимое противодавление в системе для изменения длины зоны кавитации создается установкой ультрафиолетового облучения с проточным объемом 4 и задвижкой 5, которая обеспечивает регулирование гидравлического сопротивления в системе проточных объемов 3 и 4.

После обработки гидродинамической кавитацией поток воды подают на ультрафиолетовую обработку в проточный объем 4, выполненный в виде камеры с погружными источниками ультрафиолетового излучения, в которой происходит ее окончательная стерилизация потока. Затем обработанный поток воды отводится по трубопроводу 6 для осуществления дальнейшего технологического процесса.

Для проведения практического осуществления способа были выбраны параметры проточного объема обработки гидродинамической кавитацией, параметры ультрафиолетовой обработки для проведения процесса обеззараживания питьевой и сточной воды для населенных пунктов с численностью населения 5000, 20000, 100000 человек со среднечасовым расходом и коли-индексом С₀ соответственно:
а) для сточной воды 40, 160, 900 м³, С₀=100000;
б) для питьевой воды 25, 100, 500 м³, С₀=100.

Параметры и результаты исследований сведены в таблицу.

Пример выполнения расчета проточного объема для расхода сточной воды Q= 40 м.

1) По формуле 7 рассчитываем площадь поперечного сечения первой ступени, м²:
S₁=13,5•10^-6•40=5,4•10^-4.

2) Принимаем, согласно указанному диапазону, диаметр возбудителя первой ступени равным d=0,005 м.

3) Из формулы 3 рассчитываем расстояние между возбудителями первой ступени, м:
а₁=(-0,175•1²+0,975•1-0,3)•(0,005=0,0025.

4) Из формулы 4 определяем высоту возбудителей:
h=(0,125•1²-0,625•1+1,45)•(0,005=0,0048.

5) Находим ширину канала первой ступени как B₁=S₁/h, м,
В₁=5,4•10^-4/0,0048=0,113.

6) Количество возбудителей в ступени определяем из формулы 2 (с округлением в большую сторону):
n=5,4•10^-4/(0,0048(0,005+0,0025)=15.

7) Диаметр возбудителей второй и третьей ступеней находится из формулы 4, м:
d₂=0,0048/(0,125•2²-0,625•2+1,45)=6,9•10^-3,
d₃=0,0048/(0,125•3²-0,625•3+1,45)=6,9•10^-3.

8) Аналогично п.3 рассчитываем расстоян a₂=0,0066 м, а₃=0,0072 м.

9) По формуле 2 определяем площадь поперечного сечения второй и третьей ступеней, м²: S₂=15•0,0048(0,0069+0,0066)=9,7•10^-4; S₃= 15•0,0048(0,0069+0,0072)=10,2•10^-4.

10) Аналогично п.5 находим ширину канала второй и третьей ступеней, м:
В₂=9,7•10^-4/0,0048=0,202; B₃=10,2•10^-4/0,0048=0,212.

На основании полученных результатов видно, что использование предложенного способа позволяет увеличить расход воды через ультрафиолетовую установку на 11±1%, что приводит к снижению себестоимости обработки воды и увеличению экономического эффекта от использования данной технологии.

Формула изобретения

Способ обеззараживания воды синергетическим воздействием, при котором осуществляют предварительную гидродинамическую обработку потока воды в кавитационном реакторе проточного типа с последующей обработкой ультрафиолетовым излучением, отличающийся тем, что гидродинамическую кавитацию осуществляют ступенчато с помощью дополнительно устанавливаемых возбудителей кавитации, при этом перед началом кавитационной обработки поток воды сужают до достижении скорости потока 19,0-28,0 м/с, для чего площади поперечных сечений ступеней выбирают, исходя из следующих соотношений:
S₁=(13,2-14,6)•10^-6 Q;
S_i=nh(d_i+a_i),
где S₁ - площадь поперечного сечения первой ступени, м²;
Q - расход воды, м³/ч;
S_i - площадь поперечного сечения i-й ступени, м²;
а_i - расстояние между возбудителями i-й ступени, м;
d_i - диаметр возбудителя i-й ступени, м;
n - количество возбудителей в каждой ступени;
h - высота возбудителей кавитации в каждой ступени, м;
(1,32-14,6)10^-6 - коэффициент, определяющий обратную величину скорости потока воды перед первой ступенью возбудителей, ч/м;
при этом возбудители кавитации устанавливают в сечении ступени исходя из соотношений:


а ультрафиолетовое облучение проводят интенсивностью 13,5-15,0 мДж/см².

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4