Установка для глибокого очищення води

Настоящее изобретение относится к области глубокой очистки воды от поверхностно-активных веществ (ПАВ) флотацией и предназначено для непрерывной очистки питьевой воды в быту, коммунальных службах водоподготовки и в промышленности для производства напитков. Оно может быть применено также для доочистки сточных вод различных предприятий. Наиболее близкой к заявляемой установке по совокупности общих признаков, принципу действия и глубине (степени) очистки является установка для очистки воды, преимущественно питьевой, от поверхностно-активных веществ [Патент Украины №5243, кл. С 02 F 1/24, опубл. 28.12.94], содержащая колонну с патрубками подачи исходной и вывода очищенной воды, аэратор, установленный в нижней части колонны, трубчатый экстрактор, установленный внутри колонны над аэратором, и расположенный над аэратором пеноприемник со сливным патрубком для вывода флотоконцентрата. Трубчатый аэратор представляет собой вертикальную трубн ую ячейку с коническим сужением на верхнем конце и раструбом на нижнем конце. Пеноприемник выполнен в виде замкнутой оболочки, охватывающей верхнюю часть экстрактора и снабженной в нижней части сливным патрубком для вывода флотоконцентрата. Между внутренней стенкой оболочки пеноприемника и торцом конического сужения трубной ячейки имеется зазор, величина которого выбирается в зависимости от диаметра выходного отверстия конического сужения трубной ячейки экстрактора. Работает эта установка следующим образом. Через входной патрубок в колонну до требуемого уровня заливается порция исходной воды. Аэратор создает поток пузырьков воздуха со скоростью, необходимой для создания пузырьково-жидкостного столба в трубчатом экстракторе - трубной ячейке. ПАВ адсорбируются на пузырьках воздуха, которые улавливаются раструбом и поступают в тр убную ячейку, где ви хревые и циркуляционные потоки резко ограничиваются внутренней стенкой трубной ячейки, в результате чего достигается предельная адсорбция ПАВ на поверхностях раздела фаз жидкость - газ. Поднимаясь вверх вн утри тр убной ячейки пузырьково жидкостный столб трансформируется в серию копланарно перемещающи хся жидкостных пленок, состоящих из концентрированных растворов ПАВ и стабилизированных монослоев ПАВ. Толщина пленок уменьшается по мере продвижения к верхнему коническому сужению трубной ячейки. Проходя вдоль конического сужения, жидкостные пленки сокращают площадь своей поверхности. При этом вода из внутреннего пространства вытесняется в горообразные мениски и ее избыток по прослойке, смачивающей стенки конического сужения трубной ячейки стекают к основанию пеноприемника. Таким образом, содержание ПАВ в пленках еще более возрастает. Далее пленки флотоконцентрата ПАВ проходят через зазор между торцем конического сужения трубной ячейки и замкнутой оболочкой пеноприемника и попадают внутрь последней. Флотоконцентрат загрязнений собирается в нижней части замкнутой оболочки пеноприемника, а его избыток удаляется через сливкой патрубок. Характерной особенностью известной установки является то, что она позволяет достичь максимальной степени извлечения ПАВ при минимальной скорости процесса очистки воды (максимальном потоке пузырьков воздуха) и минимальном объеме удаляемого флотоконцентрата загрязнений. Степень очистки воды от ПАВ в такой установке достигает за 0,5 часа - 90%, а за 2,0 часа - 97% Удаляя из воды опасные загрязнения, такая установка оставляет в ней необходимые для организма минеральные вещества: соли натрия, калия, кальция и магния. На базе этого технического решения был разработан и изготовлен промышленным способом водоочиститель "Аквилегия", который прошел комплексную санитарногигиеническую экспертизу в Минздраве Украины и рекомендован для доочистки питьевой воды в быту с целью существенного улучшения ее физико-химических органолептических показателей (Водоочиститель "Аквилегия". Инструкция по эксплуатации, ВПОП "Дніпро", г. Днепропетровск, ул. Серова, 7, 1995 г.). Однако известная установка такую глубокую очистку воды от ПАВ позволяет производить только для стационарного объема воды, который заливается в колонну (например, 3 л) и обрабатывается определенное время (0,5-2,0 часа) для достижения высокой глубины очистки (90-97%), что не всегда удобно потребителю, когда водопотребление ведется в непрерывном режиме. Использование же этой установки в непрерывном режиме водоподготовки и водопотребления из-за конвективного перемешивания исходной и очищенной воды не обеспечивает глубокую очистку воды от ПАВ (90-97%), а сохраняется на уровне выше рассмотренных установок с трубчатым экстрактором [Авт. св. СССР №1015917, кл. В 03 О 1/24, опубл. 07.05.83, в которых степень очистки воды от ПАВ не превышает 60-70%. В основу изобретения поставлена задача усовершенствовать конструкции колонны, трубчатого экстрактора и пеноприемника так, чтобы путем поэтапного вывода флотоконцентрата загрязнений из зигзагообразного потока проточной воды обеспечить глубокую ее очистку от П АВ до 90-97% в непрерывных режимах водоподготовки и водопотребления. Поставленная задача решается тем, что в установке для глубокой очистки воды, содержащей колонну с патрубками подачи исходной и вывода очищенной воды, аэратор, установленный в нижней части колонны, трубчатый экстрактор, установленный внутри колонны над аэратором, и расположенный над экстрактором пеноприемник со сливным патрубком для вывода флотоконцентрата, согласно изобретению, экстрактор выполнен в виде блока нескольких рядов вертикальных трубных ячеек, закрепленных нижними концами в нижней трубной решетке, перекрывающей колонну сверху, в колонне между рядами трубных: ячеек установлены вертикальные перегородки, разделяющие колонну на отсеки, сообщенные между собой перепускными отверстиями, выполненными в нижних и верхних частя х перегородок в шахматном порядке, аэратор сообщен со всеми отсеками колонны, пеноприемник выполнен в виде коробчатой камеры, охватывающей верхнюю часть экстрактора, ее нижняя стенка выполнена в виде верхней трубной решетки, через которую пропущены верхние части тр убных ячеек, а ее верхняя стенка имеет по периметру отверстия для выхода воздуха, при этом патрубок подачи исходной воды установлен в верхней части первого отсека колонны, а патрубок вывода очищенной воды установлен в нижней части последнего отсека колонны. Указанные новые существенные признаки во взаимосвязи с известными существенными признаками являются достаточными во всех случаях, на которые распространяется объем правовой охраны в решении поставленной задачи. Так выполнение трубчатого экстрактора в виде блока нескольких рядов вертикальных тр убных ячеек закрепленными нижними концами в нижней трубной решетке, перекрывающей колонну сверху позволяет увеличить объем водоподготовки установки, так как трубные ячейки располагаются только в верхней части колонны, а во-вторых, обеспечить перекрытие колонны сверху и выход пузырьков воздуха с поглощенными ПАВ только через трубные ячейки экстрактора, за счет чего достигается высокая интенсивность флотационного процесса и глубокая степень очистки. Установка в колонне между рядами трубных ячеек вертикальных перегородок, разделяющих колонну на отсеки, сообщенные между собой перепускными отверстиями, выполненными в нижних и верхних частях перегородок в шахматном порядке, позволяет организовать зигзагообразный ток воды по всем отсекам и одновременное поэтапное извлечение ПАВ сорбирующихся на восходящих потоках пузырьков воздуха в каждом отсеке. При этом в каждом последующем отсеке степень очистки воды от ПАВ возрастает и в последнем отсеке достигает своего максимального значения (90-97%). Выполнение аэратора так, чтобы он был сообщен со всеми отсеками колонны, обеспечивает организацию автономного флотационного процесса очистки в каждом отсеке колонны. Выполнение пеноприемника в виде коробчатой камеры, охватывающей верхнюю часть экстрактора, у которой нижняя стенка выполнена в виде верхней трубной решетки, через которую пропущены верхние части трубных ячеек, а ее верхняя стенка имеет по периметру отверстия для вы хода воздуха, во-первых, обеспечивает аккумилирование в ней флотоконцентрата и крепление всех верхних частей трубны х ячеек в верхней трубной решетке (нижней стенке коробчатой камеры), а во-вторых, создает растекание флотоконцентрата по верхней стенке к ее краям в направлении отверстий для выхода воздуха и стекание по боковым стенкам внутрь камеры пеноприемника и дальнейшее удаление флотоконцентрата через сливной патрубок, что исключает возврат флотоконцентрата в тр убные ячейки и повышает качество очистки воды. Установка патрубка подачи исходной воды в верхней части первого отсека колонны создает наиболее оптимальный ток воды в первом отсеке колонны установки, когда поступающая сверху вниз исходная вода подвергается интенсивному процессу флотации встречным восходящим потоком пузырьков воздуха, что повышает качество очистки воды. Установка патрубка вывода очищенной воды в нижней части последнего отсека колонны обеспечивает необходимое давление столба жидкости для непрерывного самотока максимально очищенной воды. Кроме того, согласно изобретению в отдельных случаях исполнения установка имеет и другие отличия. Так, установка согласно изобретению, дополнительно содержит форкамеру, которая смонтирована снаружи на стенке колонны и охватывает патрубок подачи исходной воды, при этом в днище форкамеры установлены заправочный патрубок с клапаном регулирования уровня подаваемой в форкамеру исходной воды, а также переливной патрубок. Это позволяет стабилизировать расчетный уровень (давление) воды в отсеках колонны, что благоприятно сказывается на качестве водоподготовки. В установке, согласно изобретению, сливной патрубок пеноприемника введен в переливной патрубок форкамеры. Это обеспечивает надежность удаления флотоконцентрата и компактность установки, В установке, согласно изобретению, форкамера сообщена отверстием в стенке колонны, расположенным в зоне между нижней и верхней решетками, с пространством между трубными ячейками в этой зоне. Такое решение позволяет в случае проникновения пены в межтрубное пространство выводить ее в форкамеру и удалять ее совместно с флотоконцентратом через переливной патрубок в канализацию. В установке, согласно изобретению, сверху нижней трубной решетки по ее периметру установлены ограждающие стенки для исключения возврата пены флотоконцентрата обратно внутрь колонны в случае ее проникновения через щели в межтрубное пространство, что исключает конвективный возврат загрязнений в очищенную воду и повышает качество ее очистки. Изобретение поясняется чертежами. На фиг. 1 изображена установка для глубокой очистки воды, общий вид, без воды; на фиг. 2 - установка в исходном положении, заполненная водой; на фиг. 3 - то же, при работе с герметичным экстрактором; на фиг. 4 - то же, при работе с негерметичным экстрактором. Заявляемая установка глубокой очистки воды содержит колонну 1 (фиг.1) с патр убками 2, 3 подачи исходной и вывода очищенной воды, аэратор 4, установленный в нижней части колонны 1, трубчатый экстрактор 5, установленный внутри колонны 1 над аэратором 4, и расположенный над экстрактором 5 пеноприемник 6 со сливным патрубком 7 для вывода флотоконцентрата. Экстрактор 5 выполнен в виде блока нескольких рядов (I-VI) тр убных ячеек 8, закрепленных нижними концами в нижней трубной решетке 9, перекрывающей колонну 1 сверху. В каждом ряду может быть несколько трубных ячеек 8. В колонне 1 между рядами трубных ячеек 8 установлены вертикальные перегородки 10, разделяющие колонну 1 на отсеки 11 (I, II, III и т.д.), сообщенные между собой нижними и верхними перепускными отверстиями 12,13, выполненными в нижних и вер хних частях перегородок 10 в шахматном порядке и образующие зигзагообразный канал. Верхние отверстия 13 перегородок 10 расположены несколько ниже патрубка 2 подачи исходной воды для обеспечения заполнения всех отсеков 10 водой. Аэратор 4 сообщен со всеми отсеками 10 колонны 1. Пеноприемник 6 выполнен в виде коробчатой камеры 14, охватывающей верхнюю часть экстрактора 5. Нижняя стенка 15 камеры 14 пеноприемника 6 выполнена в виде верхней трубной решетки 16, через которую пропущены верхние сужающиеся части 17 трубных ячеек 8. Верхняя стенка 18 камеры 14 пеноприемника 6 расположена над торцами сужающихся частей 17 тр убных ячеек 8 на расстоянии L, определяемом величиной выходного отверстия d сужающихся частей 17 трубных ячеек 8 экстрактора 5 и имеет по периметру отверстия 19 для выхода воздуха. Для удобства пользования пеноприемник 6 снабжен технологической крышкой 20 с центральным отверстием 21 для выхода воздуха. Патрубок 2 подачи исходной воды установлен в верхней части первого (I) отсека 11 колонны 1. Патрубок 3 вывода очищенной воды установлен в нижней части последнего (VI) отсека 11 колонны 1. Установка дополнительно содержит форкамеру 22, которая смонтирована снаружи на стенке колонны 1 и охватывает патрубок 2 подачи исходной воды. В днище форкамеры 22 установлены заправочный патрубок 23 с клапаном 24 регулирования уровня подаваемой в форкамеру 22 исходной воды, а также переливной патрубок 25. Сливной патрубок 7 пеноприемника 6 введен в переливной патрубок 25 форкамеры 22. Форкамера 22 сообщена отверстием 26 в стенке колонны 1, расположенным в зоне между нижней и верхней трубными решетками 9, Н5, с пространством между трубными ячейками 8 в этой зоне. Сверху нижней трубной решетки 9 по ее периметру установлены вертикальные ограждающие стенки 27. Заправочный патрубок 23 форкамеры 22, патрубок 3 вывода очищенной воды колонны 1, и аэратор 4 снабжены клапанами 28, 29, 30. В исходном положении в установке для глубокой очистки воды клапаны 28, 29, 30 закрыты, а переливной патрубок 25 сообщен с канализацией. Сначала установку заполняют исходной водой (фиг. 2). Для этого открывают клапан 28. Исходная вода через патрубок 23 и клапан 24 поступает в форкамеру 22 и из нее через патрубок 2 поступает в первый (I) отсек 11 колонны 1, заполняя его и сообщенный с ним нижним перепускным отверстием 12 второй (II) и отсек 11 колонны 1 до уровня верхнего перепускного отверстия 13. При дальнейшей подаче вода аналогичным образом заполняет все остальные (III-VI) отсеки 11 колонны 1. Заполнение ведется до расчетного уровня 0-0, который выбран ниже уровня нижних торцев трубных ячеек 8 экстрактора 5. Это связано с тем, что в дальнейшем при включении аэратора 4 за счет пузырьков воздуха уровень воды в установке поднимется и частично заполнит трубные ячейки 8. Затем производят предварительную очистку воды без водопотребления (фиг. 3). Для этого открывают клапан 30 и воздух через аэратор 4 поступает во все отсеки 12 (I-VI) колонны 1. За счет объема восходящих пузырьков воздуха повышается уровень воды в установке и он достигает примерно середины трубных ячеек 8 экстрактора 5. Как в сообщающихся сосуда х одновременно с повышением уровня воды в колонне 1 повышается уровень воды в форкамере 22, а ее избыток удаляется через переливной патрубок 25 в канализацию. При этом клапан 29 остается закрытым. Аэратор 4 создает поток пузырьков воздуха со скоростью, необходимой для создания пузырьково-жидкостного столба в трубных ячейках 8 экстрактора 5. Кроме воздуха для флотации вн утрь колонны 1 может вдуваться другой газ, например, кислород, водород или инертный газ, например аргон. Пузырьки воздуха восходящими потоками в каждом отсеке 11 (I-VI) поднимаются вверх и попадают во все трубные ячейки 8 экстрактора 5. ПАВ адсорбируются на пузырьках воздуха. Поступающие в трубные ячейки 8 пузырьки воздуха накапливаются в них и образуют пузырьковожидкостные столбы. В этих столбах скорость вертикального перемещения пузырьков воздуха снижается при большом отношении суммарного объема пузырьков к объему воды в столбе. Тем самым обеспечивается предельная адсорбция ПАВ на границах раздела фаз жидкость-газ (вода-воздух) и дости гается максимальная концентрация ПАВ у вершины пузырьково-жидкостных столбов. В верхних частя х тр убных ячеек 8 пузырьково-жидкостные столбы трансформируются в серии жидкостных пленок, состоящих из концентрированного раствора ПАВ, стабилизированных монослоями ПАВ, и копланарно перемещающихся вверх по прослойке воды, смачивающей стенки каждой трубной ячейки 8 экстрактора 5. Толщина пленок уменьшается по мере продвижения к верхним сужающимся частям 17 трубных ячеек 8. Проходя вдоль сужающихся частей 17, жидкостные пленки сокращают площадь своей поверхности. Вода из их внутреннего пространства вытесняется в торообразные мениски и ее избыток по прослойке, смачивающей внутренние Стенки трубных ячеек 8, стекает к их основаниям. Таким образом, содержание ПАВ в пленках еще более возрастает. Далее, пленки флотоконцентрата ПАВ через выходные отверстия d верхних сужающихся частей 17 трубных ячеек 8 выдуваются восходящими потоками воздуха на внутреннюю поверхность верхней стенки 18 коробчатой камеры 14 пеноприемника. Благодаря наличию отверстий 19 флотоконцентрат ПАВ под действием потоков воздуха, направленных в сторону этих отверстий растекается к периферии и далее по боковым стенкам коробчатой камеры 14 стекает к ее нижней стенке 14, выполненной в виде верхней трубной решетки 16, накапливается и затем через сливной патрубок 7 пеноприемника 6 и переливной патрубок 25 форкамеры 22 удаляется в канализацию. По достижении нижнего критического уровня концентрации ПАВ в очищаемом объеме воды во всех отсеках 11 (I-VI) колонны 1, пузырьково-жидкостные столбы теряют способность образовывать жидкостные пленки внутритрубных ячеек 8 экстрактора 5. Это свидетельствует об окончании этапа предварительной очистки, достижении степени очистки 90-97% и возможности ее потребления. После этого установку выводят на режим непрерывной очистки и непрерывного водопотребления. Для этого приоткрывают клапан 29, через который ведут забор очищенной воды. При этом расход очищенной воды выбирают клапаном 29 таким, чтобы в двух последних отсеках 11 (V-VI) пленки ПАВ в трубных ячейках 8 не образовывались, т.е. в них достигалась максимально глубокая очистка воды (90-97%). Как видно, устройство эффективно работает как в режиме экстракции ПАВ из фиксированного объема воды, так и в режиме непрерывного водопотребления (проточный вариант). В случае проникновения флотоконцентрата ПАВ через неплотности в межтрубное пространство, он концентрируется внутри ограждающих стенок 27 и затем сливается через отверстие 26 в форкамеру 22, после чего через переливной патрубок 25 удаляется в канализацию. По окончании работы установку полностью опорожняют от воды и флотоконцентрата и промывают. Для удобства пользования (сборка, разборка, осмотр, промывка и т.п.) установку целесообразно выполнять разборной и из прозрачного материала, например органического или обычного стекла, пищевого полиэтилена, полистирола и других аналогичных материалов, В примере конкретного выполнения установка для глубокой очистки воды была изготовлена из инертных материалов (стекло, пищевой полиэтилен) согласно фиг. 1. Емкость колонны составляла 15 л. Колонна имела размеры в поперечном сечении 190x240 мм. Высота колонны до экстрактора 360 мм. Общая высота установки 570 мм. Колонна 1 имела пять перегородок 10, разделяющих ее внутренний объем на 6 равных отсеков 12 (I-VI). Экстрактор 5 был выполнен в виде блока нескольких рядов вертикальных трубных ячеек 8 в количестве 6x9=54 штук. Тр убные ячейки 8 выполнены в виде стеклянных трубок диаметром 20мм высотой 190мм с длиной верхних сужающи хся частей 20мм и диаметром выходного отверстия d-8 мм. Установка была выполнена разъемной. Расход воздуха составлял 75 л/мин. Расход электроэнергии (работа компрессора воздуха) составлял 300 вт/час. Предварительный этап очистки и вывода установки на режим до степени очистки 90-97% воды от ПАВ составил 8-9 мин. При работе установки в непрерывном режиме водоподготовки и водопотребления, установившийся режим водопотребления при степени очистки воды от ПАВ 97% составил 150 л/час. Повышение производительности очистных устройств может быть достигнуто увеличением емкости, а главным образом высоты колонны, количества отсеков и количества трубных ячеек в одной установке или увеличением количества единичных установок такой конструкции. Наряду с ПАВ органического происхождения, с помощью предлагаемой установки удаляются также ионы поливалентных металлов, коллоидные примеси. Настоящее изобретение может эффективно и экономично использоваться для глубокого извлечения ПАВ из проточной воды (90-97%) в непрерывном режиме водоподготовки и водопотребления при доочистке литьевой воды в быту, коммунальных службах водоподготовки, в промышленности для производства напитков, а также детских дошкольных и школьных учреждениях и может найти применение при доочистке сточных вод различных предприятий. Все конструктивные элементы установки просты в изготовлении и могут быть изготовлены промышленным способом как не малых, так и на крупных предприятиях.