Спосіб знезаражування баластових вод та інших водних середовищ в потоці та установка для його здійснення

1. Спосіб знезаражування баластових вод та інших водних середовищ в потоці, що передбачає гідродинамічну обробку, який відрізняється тим, що гідродинамічну обробку здійснюють шляхом формування двофазного рідинно-парогазового середовища з наступним створенням стрибка тиску при русі його по профільованому каналу. 2. Спосіб за п.1, який відрізняється тим, що формування двофазного рідинно-парогазового середовища здійснюють шляхом створення вакуумної області в профільованому каналі при об'ємному співвідношенні рідкої й парогазової фаз, рівному 1: (0,8-2,0) відповідно. C2 2 (11) 1 3 тового випромінювання й ультразвукових коливань (див. Гигиеническая оценка эффективности электроимпульсной технологии кондиционирования качества питьевой воды, содержащей антропогенные органические загрязнители. А.В.Авчинников. Вестник Смоленской медицинской академии, №3, 2000). Однак, зазначений спосіб малоефективний при знезаражуванні рідких середовищ. Найбільш близьким до заявленого способу є спосіб очищення води, що передбачає подачу коагулянту та/або реагенту, що окисляє, в очищаєму воду, подачу води в сопло гідроакустичного випромінювача й подальше розпилення її (див. патент Російської Федерації №2165891, 2001p., МПК7 С02F1/36.) Даний спосіб обраний як прототип. Прототип і заявлений спосіб співпадають в наявності загальної ознаки -гідродинамічна обробка води, що підлягає знезаражуванню. Однак, внаслідок використання в прототипі коагулянту та/або реагенту, що окисляє, спосіб має більше високу собівартість очищення. Крім того, це призводить до забруднення води при очищенні її у відкритих басейнах і трубопроводах. Слід також зазначити, що у відомому способі немає умов формування стрибка тиску, що обумовлює низьку ефективність знезаражування рідких середовищ. Крім того, формування кавітаційних бульбашок менш ефективно, чим високошвидкісний двофазний потік. Найбільш близьким до установки для обробки рідини по технічній сутності винаходу є роторний кавітаційний пастеризатор, що має порожній корпус із патрубками для всмоктування й нагнітання оброблюваної рідини, усередині якого розташований ротор і розділовий диск. Нагнітальні отвори розділового диска перекриваються лопатями ротора, ротор розташований ексцентрично щодо корпуса, а периферійні частини лопатів оснащені ультразвуковими випромінювачами Левассера (див. заявка РФ №2001106829 МПК А23СЗ/02, 20.03.2003). Конструкція даного пастеризатора обрана як прототип заявленого пристрою. Прототип і заявлений пристрій мають спільні ознаки: - вакуумстворюючий пристрій; - підвідний трубопровід; - відвідний трубопровід. Недоліком описаного пристрою є недостатньо висока ефективність його роботи, пов'язана з великою матеріалоємністю й зайвими енерговитратами, а в конструктивному виконанні - зі складністю компонування й наявністю обертових частин. В основу винаходу поставлено задачу створити спосіб знезаражування баластових вод і інших водних середовищ у потоці й установку для його здійснення, які забезпечать підвищення ефективності знезаражування за рахунок знищення мікроорганізмів, без застосування хімічних реагентів або із застосуванням в окремих випадках понижених доз реагентів. Поставлене завдання вирішене двома винаходами - способом знезаражування баластових 87763 4 вод і інших водних середовищ у потоці й установкою для здійснення зазначеного способу. У першому винаході поставлена задача вирішена в способі знезаражування баластових вод і Інших водних середовищ у потоці, що передбачає гідродинамічну обробку тим, що гідродинамічну обробку здійснюють шляхом формування двофазного рідинно-парогазового середовища з наступним створенням стрибка тиску при русі його по профільованому каналу, формування двофазного рідинно-парогазового середовища здійснюють шляхом створення вакуумної області в профільованому потоці при об'ємному співвідношенні рідкої й парогазової фаз рівному 1:(0,8-2,0), відповідно, процес знезаражування ведуть при співвідношенні тисків оброблюваного середовища на вході в профільований канал і після гідродинамічної обробки рівним 1:(0,1-0,7) відповідно, крім того, формування двофазного рідинно-парогазового середовища й наступне створення стрибка тиску здійснюють в одній або декількох ділянках профільованого каналу. Оброблюване середовище попередньо насичують повітрям над надлишковим тиском. Перед формуванням двофазного рідинно-парогазового середовища з наступним створенням стрибка тиску, під час або після, оброблюване середовище піддаютьелектророзрядному впливу при амплітуді (36-25000)В і частоті (0,5-500)кГц. Перед формуванням двофазного рідиннопарогазового середовища з наступним створенням стрибка тиску, під час або після, в оброблюване середовище вводять знезаражуючий реагент. У другому винаході поставлена задача вирішена в установці для знезаражування баластових вод і Інших водних середовищ у потоці, що містить вакуумстворюючий пристрій, підвідний і відвідний трубопроводи тим, що вакуумстворюючий пристрій виконаний у вигляді сопла, вмонтованого в передню стінку вакуум-камери, забезпеченої мановакуумметром, при цьому підвідний трубопровід, забезпечений послідовно з'єднаними фільтром, насосом, витратоміром, термометром і манометром, а відвідний трубопровід, забезпечений регулятором протитиску й манометром, окрім того довжина вакуумної ділянки відносно діаметра його порожнини дорівнює L=(3 ¸ 15)×D, де L - довжина вакуумної ділянки, D - діаметр порожнини вакуумної ділянки, а довжина сопла відносно діаметра його вихідного зрізу визначається співвідношенням lс/dс=(0,7 ¸ 7), де Іс - довжина сопла, dc - діаметр сопла, а співвідношення площі поперечного перерізу сопла на рівні вихідної крайки до площі поперечного перерізу вакуум-камери складає f = 0,2 ¸ 0,6, F де f- площа сопла, F - площа вакуумкамери. Спосіб передбачає подачу під тиском рідини в сопло вакуумстворюючого пристрою з подальшим надходженням її у вакуум-камеру, при цьому, відповідно до винаходу, вихідну рідину подають у вакуумстворюючий пристрій під тиском, рівним 5 (0,3...10)МПа, а на виході вакуум-камери по ходу потоку додатково створюють протитиск, що забезпечує разом з вакуумстворюючим пристроєм концентрацію енергії двофазного середовища для формування стрибка тиску й утворення однофазного середовища. При формуванні стрибка тиску формується широкий спектр коливань різної фізичної природи, у тому числі ультразвукових, електромагнітних і т.д., що сприяють сплескуванню газових бульбашок, які, у свою чергу, сплескуючись, народжують нові коливання, тобто спостерігається лавиноподібний процес сплескування газових бульбашок, що створює потужне ультразвукове поле, у результаті чого відбувається знищення мікроорганізмів в оброблюваному середовищі. Вакуумна область створюється соплом і наступною за ним вакуумною ділянкою. Довжина вакуумної ділянки відносно діаметра його порожнини дорівнює: L=(3 ¸ 15)×D, де L - довжина вакуумної ділянки, D - діаметр порожнини вакуумної ділянки, а довжина сопла відносно діаметра його вихідного зрізу визначається співвідношенням: lс/dс=(0,7 ¸ 7), де Іс - довжина сопла, dc - діаметр сопла. Крім того, на виході вакуумного пристрою знаходиться регулятор протитиску, що забезпечує разом з вакуумстворюючим пристроєм умови для формування стрибка тиску необхідної інтенсивності. Інтенсивність стрибка тиску пов'язана із часом перебування оброблюваного середовища у вакуумній зоні. Більш інтенсивному стрибку відповідає менший час перебування у вакуумній зоні. Час перебування живих форм у вакуумній зоні є самостійним знезаражуючим фактором і є наслідком внутрішньоклітинного газовиділу при різкому зниженні зовнішнього тиску, що призводить до ушкодження клітин. Величина тиску насичення води залежить від температури середовища, наприклад при температурі 4°С, тиск насищення дорівнює 0,8131кПа, при температурі 17°С цей тиск дорівнює 1,938кПа, при температурі 22°С тиск дорівнює 2,645кПа. Рідина при проходженні сопла скипає. Одночасно із цим величина швидкості потоку стає більше локальної швидкості звуку в парогазорідинній суміші. В результаті утворюється високошвидкісний двофазний потік з рівномірним по перерізу розподілом обох фаз. Після ввімкнення насоса і стабілізації тиску у вакуум-камері, регулятором протитиску створюють максимально можливий протитиск, при якому глибина вакууму не змінюється. Тим самим створюються умови для стрибка тиску й переходу потоку до однофазного режиму течії. При подальшому русі потоку його швидкість знижується, а тиск зростає й досягає свого максимально можливого значення, що, як правило, менше величини тиску, створюваного насосом в (1,8...2,5) рази. На кресленні зображена принципова схема установки. 87763 6 Установка містить вакуум-камеру 1, подавальний насос 2, підвідний 3 і відвідний 4 трубопроводи, вакуумстворюючий пристрій, виконаний у вигляді сопла 5, вмонтованого в передню торцеву стінку 6 вакуум-камери 1, і регулятор протитиску 7, що підключений до задньої торцевої стінки 8 вакуум-камери 1. Мановакуумметр 9 з'єднаний з порожниною вакуум-камери 1 у її передній частині. Довжина L вакуум-камери 1 перевищує діаметр D її порожнини в (3-15) разів. Контролюючі прилади установки - витратомір 10, термометр 11 і манометр 12 включені в підвідний трубопровід 3, між подавальним насосом 2 і і вакуумстворюючим пристроєм, виконаним у вигляді сопла 5. Перед подавальним насосом 2 установлений фільтр 13, а підвідний З І відвідний 4 трубопроводи мають засувки 14, 15, 16. У відвідний трубопровід 4 між регулятором протитиску 7 і задньою торцевою стінкою 8 вакуум-камери 1 підключений манометр 17. Робота установки здійснюється в такий спосіб. Рідина, призначена для обробки, через засувку 14 і фільтр 13 надходить до подавального насоса 2. Після подавального насоса 2 тиск рідини підтримують у межах (2,0 ¸ 2,5)МПа. Манометром 12, термометром 11 і витратоміром 10 вимірюють відповідно тиск, температуру й витрату вихідної рідини на робочій ділянці від подавального насоса 2 до вакуум-камери 1. При пуску установки засувки 14, 15, 16 перебувають у відкритому положенні. Необхідну величину розрідження у вакуум-камері 1 контролюють мановакуумметром 9, з'єднаним з порожниною передньої частини вакуум-камери 1. Ця величина визначається насиченням рідини. Для води, наприклад, цей тиск становить (0,00182...0,00234)МПа при температурах (1620)°С відповідно. Регулятором протитиску 7 створюють максимально можливий протитиск, а саме тиск, при якому вакуум по мановакуумметру 9 не змінюється. Цей тиск, як правило, становить (0,3...0,8) від величини тиску, створюваного подавальним насосом 2. Для формування стрибка тиску повинно бути дотримане співвідношення: R2 >15, R1 де: Р1 - тиск до стрибка; Р2 - тиск після стрибка. Установлено, що такий стрибок тиску можливий при співвідношенні площі поперечного перерізу сопла 5 на рівні вихідної крайки до площі поперечного перерізу вакуум-камери, рівному: f = 0,2 ¸ 0,6, F де: f- площа сопла; F - площа вакуум-камери. Приклади здійснення винаходу. Приклад 1. Вихідну воду, що являє собою рідке однофазне робоче середовище, подають у сопло 5 під тиском (0,6...2,4)МПа. Внаслідок пережаття струменя, за вихідною крайкою сопла 5 створюється вакуум, рівний тиску насичення вихідної води при даній температурі. 7 Величина тиску насичення води всередині зазначеного інтервалу залежить від температури середовища, наприклад при температурі 4°С, тиск дорівнює 0,8131кПа, при температурі 17°С тиск дорівнює 1,938кПа, при температурі 22°С тиск дорівнює 2,645кПа, за рахунок чого в зоні відриву струменя утворюється парогазова фаза. Рідина при проходженні сопла 5 скипає. Одночасно із цим величина швидкості потоку стає більше локальної швидкості звуку в парогазорідиннІй суміші. В результаті утворюється високошвидкісний двофазний потік з рівномірним по перерізу розподілом обох фаз. Після ввімкнення насоса 2 і стабілізації тиску у вакуум-камері 1, регулятором 7 створюють максимально можливий протитиск, при якому глибина вакууму не змінюється. Тим самим створюються умови для стрибка тиску й переходу потоку до однофазного режиму течії. При подальшому русі потоку його швидкість знижується, а тиск зростає й досягає свого максимально можливого значення, що, як правило, менше величини тиску, створюваного подавальним насосом 2, в (1,8...2,5) рази. Приклад 2. Вихідну морську воду, що являє собою рідке однофазне робоче середовище, подають у сопло 5 пристрою під тиском 2,0МПа. Внаслідок пережаття струменя, за вихідною крайкою сопла 5 створюється вакуум, глибина якого визначається станом насичення і залежить від температури оброблюваної води. Рідина при проходженні сопла 5 скипає. У результаті утворюється високошвидкісний двофазний потік з рівномірним по перерізі розподілом обох фаз. Після ввімкнення насоса 2 І стабілізації тиску у вакуум-камері 1, регулятором 7 створюють максимально можливий протитиск, при якому глибина вакууму не змінюється. Тим самим створюються умови для стрибка тиску й переходу потоку до однофазного режиму течії. При подальшому русі потоку його швидкість знижується, а тиск зростає й досягає свого максимально можливого значення, яке, як правило, є меншим за величину тиску, створюваного подавальним насосом 2, в (1,8...2,5) рази. Результати дослідження життєздатності тесторганізмів після обробки води в експериментальній установці при початковому тиску перед вакуумстворюючим пристроєм 20 аті представлені в таблиці 1. Таким чином, заявлений спосіб має летальну дію на всі види мікроорганізмів (за винятком їхніх стадій, які перебувають у стані спокою і покриті щільною захисною оболонкою) і є перспективним, а також екологічно чистим. Приклад 3. Стічна вода після первинних відстійників Люберецької станції аерації (м.Москва), що представляє собою рідке однофазне робоче середовище, подають у сопло 5 пристрою під тиском 3,0МПа і при температурі 22°С. 87763 8 Внаслідок пережатгя струменя, за вихідною крайкою сопла 5 створюється вакуум, рівний тиску насичення вихідної води при даній температурі. Рідина при проходженні сопла 5 скипає. Одночасно із цим величина швидкості потоку стає більше локальної швидкості звуку в парогазорідинній суміші. В результаті утворюється високошвидкісний двофазний потік з рівномірним по перерізу розподілом обох фаз. Після ввімкнення насоса 2 і стабілізації глибини тиску у вакуумі, регулятором 7 створюють максимально можливий протитиск, при якому глибина вакууму не змінюється. Тим самим створюються умови для стрибка тиску й переходу потоку до однофазного режиму течії. При подальшому русі потоку його швидкість знижується, а тиск зростає й досягає свого максимально можливого значення, що, як правило, менше величини тиску, створюваного насосом, що подає, 2, в (1,8...2,5) рази. Результати обробки стічної води на експериментальній установці при початковому тиску перед вакуумстворюючим пристроєм 3МПа, представлені в таблиці 2. Проводили випробування заявленого способу і установки на культурах Prorocentrum cordatum, Platymonas viridis і Dunaliella salina, Cerioodaphnia affinis, Artemia Salina. Дані наведені в протоколах (таблиці №№3, 4, 5, 6). Як видно з даних, наведених в протоколах, спосіб діє на всі види організмів і є перспективним, а також екологічно чистим. Приклад 4. Стічна вода після первинних відстійників Люберецької станції аерації (м. Москва), що являє собою рідке однофазне робоче середовище, подають у сопло 5 пристрою під тиском 3,0МПа і при температурі 22°С. Одночасно подають рідкий хлор пониженої дози 0,5г/м. Внаслідок пережаття струменя, за вихідною крайкою сопла 5 створюється вакуум, рівний тиску насичення вихідної води при даній температурі. Величина тиску насичення води при температурі 22°С дорівнює 2,645кПа. Рідина при проходженні сопла 5 скипає. Одночасно із цим величина швидкості потоку стає більше локальної швидкості звуку в парогазорідинній суміші. В результаті утворюється високошвидкісний двофазний потік з рівномірним по перерізу розподілом обох фаз. Після ввімкнення насоса 2 і стабілізації тиску у вакуум-камері 1, регулятором 7 створюють максимально можливий протитиск, при якому глибина вакууму не змінюється. Тим самим створюються умови для стрибка тиску й переходу потоку до однофазного режиму течії. При подальшому русі потоку його швидкість знижується, а тиск зростає й досягає свого максимально можливого значення, що, як правило, менше величини тиску, створюваного подавальним насосом 2, в (1,8...2,5) рази. В результаті комбінованої обробки води з пониженою дозою активного хлору протягом трьох 9 87763 діб в пробах не вдалося виявити живих мікроорганізмів. При цьому концентрація активного хлору була знижена на 75%. Необхідна концентрація 10 активного хлору яка забезпечує аналогічний ефект при реагентному знезаражуванні стічної води становить 2,0г/м3. Таблиця 1 Зведений протокол випробувань установки на культурах морських організмів Темпе-ратура °С № Тест-об'єкт 1 Cerioodaphnia affinis ювеніси й дорослі особини 21,4 ¸ 24,2 2 Cyprinus salinus ювеніси й дорослі особини Смертність і характер ушкодження організмів на виході з установки 100%-ва загибель. Повне руйнування тест-організмів -II 20,6 ¸ 23,0 3 Стадія розвитку ювеніси дорослі особини Artemia Salina 20,2 ¸ 22,5 активовані яйця дорослі особини Brachionus plicatilis 4 20,5 ¸ 22,8 латентні яйця 5 Prorocentrum cordatum 6 Platymonas viridis Культура в експонентній фазі росту 19,5 ¸ 21,8 19,3 ¸ 21,5 -II -II-II-II65% живих яєць. Через добу - інтенсивний викльов науплиусів 100%-ва загибель. Повне руйнування тест-організмів 57% живих яєць. Викльов Знерухомість, руйнування клітин, загибель культури Клітини водоростей знерушувались, але через 30-40 хвилин після обробки відновлювали рухливість Таблиця 2 Протокол випробувань установки на стічній воді Люберецької станції аерації № Обумовлені величини 1 2 3 4 5 6 7 8 9 БПК5 ХПК Зважені речовини Твердість загальна Лужність Коли-Індекс МЛА ЭНДО рН Одиниці виміру мг/л мг/л мг/л мг-экв/л мг-экв/л к.о.е./мл к.о.е./мл Проба вихідна (після первинних відстійників) 55 121,3 19 5,6 4,9 6 23·10 85тис. 41,5тис. 6,84 Проба після обробки на установці 40 120 9 4,0 4,6 5 24·10 76тис. 35тис. 6,95 Таблиця 3 Протокол випробувань установки на культурі одноклітинних планктонних водоростей Prorocentrum cordatum 6 Дата Тиск перед модулем, аті Експозиція після випробувань годин Проба 3.09.04 20 0,1 Вихідна Оброблена -1 Середня чисельність, n·10 кл·мл Рухливі клітини Нерухливі клітини 0,41±0,07 0,17±0,06 Таблиця 4 Протокол випробувань установки на культурах одноклітинних водоростей Platymonas viridis (6.08.2004p.) і Dunaliella salina (1.10.2004р.) Дата Тиск перед модулем, аті Експозиція після випробувань, годин 6.08.04 20 1 1.10.04 8 1 1 6 Проба Вихідна Оброблена Вихідна Оброблена Вихідна Оброблена -1 Середня чисельність, n·10 кл·мл Рухливі клітини Нерухливі клітини 1,26±0,17 1,23±0,25 2,50±0,40 1,6±0,12 0,76±0,07 0,67±0,08 11 87763 12 Таблиця 5 Протокол випробувань установки на культурі ракоподібних Cerioodaphnia affinis Дата Тиск перед модулем, аті Експозиція після випробувань, годин 10.08.04 20 1 13.08.04 20 1 24.09.04 20 1 -1 Проба Вихідна Оброблена Вихідна Оброблена Вихідна Оброблена Середня чисельність організмів, экз.·л Живі самки Зруйновані самки 435±21 163±15 2190±185 261±11 350 220 Таблиця 6 Протокол випробувань установки на культурі ракоподібних Artemia Salina Дата 27.08.04 Умови проведення випробувань Тиск перед Експозиція після вимодулем аті пробувань, годин 20 1 . -1 Середня чисельність організмів, экз. л Проба Вихідна Оброблена Живі Зруйновані* 1370 + Примітка: * - плюсом позначені проби, у яких організми представлені гомогенізованими тканинами і по цій причині не може бути підрахована чисельність організмів в обробленій пробі. Комп’ютерна верстка Н. Лиcенко Підписне Тираж 28 прим. Міністерство освіти і науки України Державний департамент інтелектуальної власності, вул. Урицького, 45, м. Київ, МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут промислової власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601