Установка для очищення води озонуванням

Реферат: Пропонований винахід належить до пристроїв для очищення озонуванням як питної води, так стічних вод, і може знайти застосування при підготовці води в системах господарсько-питного і промислового призначення, у хімічній і фармацевтичній, харчовій і м'ясопереробній, медичній та інших галузях промисловості, а також при підготовці води із поверхневих джерел типу бюветів для її подальшого використання як питної. Установка містить резервуар з патрубками для підведення необробленої води, відведення обробленої води, а також трубку для подання до резервуара повітряно-озонової суміші, один кінець якої призначений для з'єднання з джерелом повітряно-озонової суміші, а другий - вільний кінець трубки - розташований у порожнині резервуара. Над виходом трубки для подання до резервуара повітряно-озонової суміші горизонтально встановлений, щонайменше один, тарілчастий або куполоподібний елемент, буртик якого орієнтований вниз, а у згаданому елементі виконані наскрізні отвори, осі яких рівномірно розподілені по колу, центр якого співпадає з центром тарілчастого або куполоподібного елемента. Винахід забезпечує високоефективне очищення води за рахунок створення умов для збільшення об'єму води, що взаємодіє із молекулами озону. UA 112363 C2 (12) UA 112363 C2 UA 112363 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 Пропонований винахід належить до пристроїв для очищення озонуванням як питної води, так стічних вод і може знайти застосування при підготовці води в системах господарськопитного і промислового призначення, у хімічній і фармацевтичній, харчовій і м'ясопереробній, медичній та інших галузях промисловості, а також при підготовці води із поверхневих джерел типу бюветів для її подальшого використання як питної. Одним з високоефективних методів очищення води від забруднень є озонування. Привабливість використання озону в порівнянні з іншими окислювачами, застосовуваними для обробки води, обумовлена в першу чергу його високими окислювальними властивостями і здатністю ефективно руйнувати різні неорганічні та органічні сполуки, а також знищувати патогенні мікроорганізми, в тому числі стійкі до дії інших окислювачів і дезінфекторів, наприклад до хлору. Окрім цього, при озонуванні води у неї зникають неприємний смак і запах, підвищується прозорість і зростає вміст розчиненого кисню. Розкладання ж залишкового озону протікає швидко з виділенням кисню і практично без утворення токсичних сполук, а можливість виробництва озону безпосередньо на очисній станції виключає витрати на його підвезення і зберігання. Найбільш близькою до пропонованої за кількістю суттєвих ознак є установка для очищення води озонуванням, що містить резервуар з патрубками для підведення необробленої води, відведення обробленої води, а також трубку для подання до резервуара повітряно-озонової суміші, один кінець якої призначений для з'єднання з джерелом повітряно-озонової суміші, а другий - вільний кінець трубки - розташований у порожнині резервуара [Патент на корисну модель № 51011 U1, РФ, МПК С01В13/11 (2006.01); H01J19/00 (2006.01); C02F9/12 (2006.01); опублікований 27.01.2006]. Згадана установка для озонування води містить генератор озону, виконаний у вигляді трубки з діелектричного матеріалу з патрубком для введення кисневмісного газу на одному кінці, коаксіально розташованим всередині високовольтним електродом, зовнішня поверхня якого утворює розрядний проміжок з внутрішньою поверхнею трубки, через який проходить кисневмісний газ, що піддається розряду, низьковольтний електрод, джерело живлення генератора озону. При цьому генератор озону розміщений безпосередньо у воді, яка виконує функцію низьковольтного електрода. Згадана установка передбачає синтез озону в генераторі (озонаторі) і диспергування озону у воді, що очищують. Озонування води дає високий знезаражуючий ефект, але конструкція описаної установки є недостатньо продуктивною, особливо при її використанні для промислових цілей обробки води і, окрім сказаного, не забезпечує рівномірного насичення озоном води по всьому об'єму резервуара. Це пов'язане з тим, що озон О3, маючи високу хімічну активність, має обмежений термін існування молекули О 3, а тому об'єм води у трубці генератора, який взаємодіє із молекулами озону під час їх диспергування у воді, що очищують, є невеликим, що суттєво зменшує продуктивність згаданої установки. Окрім сказаного описана установка є досить складною, а використання високовольтного обладнання потребує застосування додаткових і досить дорогих засобів для дотримання правил техніки електробезпеки та технічної експлуатації високовольтного обладнання і праці кваліфікованого персоналу, якому надано право на обслуговування високовольтного обладнання. В основу пропонованого винаходу поставлено задачу створення такої установки для очищення води озонуванням, яка б була більш продуктивною за рахунок створення умов для збільшення об'єму води, який взаємодіє із молекулами озону. Пропонована, як і відома установка для очищення води озонуванням, містить резервуар з патрубками для підведення необробленої води, відведення обробленої води, а також трубку для подання до резервуара повітряно-озонової суміші, один кінець якої призначений для з'єднання з джерелом повітряно-озонової суміші, а другий - вільний кінець трубки розташований у порожнині резервуара, а, відповідно до винаходу, над виходом трубки для подання до резервуара повітряно-озонової суміші горизонтально встановлений, щонайменше один, тарілчастий або куполоподібний елемент, буртик якого орієнтований вниз, а у згаданому елементі виконані наскрізні отвори, осі яких рівномірно розподілені по колу, центр якого співпадає з центром тарілчастого або куполоподібного елемента. Особливістю пропонованої установки є і те, що тарілчастий або куполоподібний елемент жорстко закріплений на трубці для подання повітряно-озонової суміші, що встановлена вертикально у порожнині резервуара. Ще одною особливістю пропонованої установки є і те, що на кожній вертикально встановленій у порожнині резервуара трубці для подання повітряно-озонової суміші розміщено N однакових тарілчастих або куполоподібних елементів, а проміжки між тарілчастими або куполоподібними елементами, дном резервуара і поверхнею шару води, який озонують, утворюють N+1 секції. 1 UA 112363 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 Особливістю пропонованої установки є і те, що тарілчастий або куполоподібний елемент забезпечений генераторами акустичних коливань, кожний генератор жорстко закріплений над наскрізним отвором тарілчастого або куполоподібного елемента і має форму стакана, дно якого розташоване зверху і в ньому виконаний наскрізний отвір, а геометричні параметри генераторів кожного тарілчастого або куполоподібного елемента є однаковими і призначені для генерації акустичних коливань заданої частоти у воді. Також особливістю пропонованої установки є і те, що генератор акустичних коливань виконаний знімним. Експериментально виявлено утворення на бульбашці газу у воді мікрошару рідини, який має підвищену концентрацію озону О3, а тому руйнування саме цього мікрошару бульбашки озону у очищуваній воді дозволяє суттєво збільшити в ній концентрацію озону і тим самим підвищити продуктивність установки. В традиційних установках для очищення води озонуванням ступінь використання озону складає лише 68-72 %. У пропонованій же установці ступінь використання озону складає 96-98 %. Такий результат досягається завдяки наступному. Процес озонування реалізується за рахунок контактів десятків тисяч бульбашок озоноповітряної суміші з водою. Однак, при цьому навколо кожної бульбашки утворюється мікроплівка - тонкий шар води, де концентрація озону підвищена. Наявність такої мікроплівки навколо кожної бульбашки гальмує перехід озону (О3) з внутрішнього об'єму бульбашки у воду, оскільки зменшується рушійна сила процесу - різниця між концентрацією озону (О3) всередині бульбашки та концентрацією озону (О3) в оточуючій воді. Зменшення рушійної сили призводить до зменшення інтенсивності (швидкості) процесу озонування, що проілюстровано на фіг. 3, де показана залежність інтенсивності (швидкості) процесу озонування (І) від висоти шару води, в якій підіймаються тисячі бульбашок. Ця закономірність притаманна всім видам процесу абсорбції - взаємодії газової суміші з компонентом (озоном), що поглинається рідиною (водою), та хемосорбції - абсорбції, що супроводжуються хімічною реакцією, до якої і належить процес озонування [див. Касаткин А.Г. Основные процессы и аппараты химической технологии. - М.: Химия, 1971. - 783 с.; Фрог Б.Н., Левченко А.П. Водоподготовка. - М.: Издание МГУ - 1996, 681с]. "Зірвати" цю, гальмуючу процес озонування, мікроплівку з кожної з десятків тисяч бульбашок практично неможливо. Але реалізація секціонування, тобто розподілу всього процесу на окремі секції по висоті шару води, яку піддають озонуванню, завдяки використанню тарілчастих або куполоподібних елементів, з відповідним обсягом озоно-повітряної суміші під буртиками кожного з них, дає можливість оновлювати бульбашки, "зриваючи" з них гальмуючі мікроплівки. "Зрив" гальмуючої мікроплівки відбувається при переході бульбашок з води до "хмарки" озоноповітряної суміші, що утворюється під кожним тарілчастим елементом, через наскрізні отвори яких виходять вже оновлені бульбашки, на поверхні яких немає мікроплівки води, що гальмує процес. Саме за рахунок оновлення всіх бульбашок, яке відбувається автоматично на всіх тарілчастих елементах, в кожній секції повторюється найбільш інтенсивна (головна) частина процесу, як показано на фіг. 3. Під час проходження кожної бульбашки через генератори акустичних коливань, встановлених над всіма отворами тарілчастих елементів, виникає вібрація бульбашок, яка запобігає процесу виникнення гальмуючої мікроплівки рідини на поверхні оновленої бульбашки. Таким чином виникає синергетичний ефект від взаємодії двох штучно створених факторів: першого - секціонуванню процесу шляхом розділення по висоті всього шару рідини тарілчастими (куполоподібними) елементами, під якими відбувається оновлення бульбашок автоматичне "зривання" з них гальмуючої процес озонування мікроплівки, що збільшує рушійну силу процесу - різницю між концентрацією озону (О3) всередині бульбашки та концентрацією озону (О3) в оточуючій воді, а збільшення рушійної сили призводить до збільшення інтенсивності (швидкості) процесу озонування; другого - вібрації бульбашок, під час їх проходження через генератор акустичних коливань, що запобігає процесу виникнення гальмуючої мікроплівки рідини на поверхні оновленої бульбашки і підсилює дію першого фактора. На відмінність від установки-прототипу, в якому поточний об'єм води, що піддають інтенсивному озонуванню, не перевищує об'єму порожнини трубки з генератором озону, у пропонованій установці поточний об'єм води, що піддають інтенсивному озонуванню, дорівнює об'єму води у проміжку - секції - між суміжними тарілчастими елементами, а тому продуктивність пропонованої установки є суттєво більшою за установку-прототип, тобто поточний об'єм води, який взаємодіє з озоном, очищується і знезаражується у пропонованій установці є суттєво більшим при тих же енергетичних витратах, що і в установці-прототипі. 2 UA 112363 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 Зважаючи на нову сукупність суттєвих ознак - конструктивних елементів, що описують пропоновану установку, можна зробити висновок про те, що пропонований винахід відповідає критерію "новизна". Пропонований винахід направлений на отримання нових технічних результатів, зокрема результату, який полягає у створенні умов для підвищення інтенсивності процесу озонування за рахунок створення синергетичного ефекту від двох штучно створених факторів: першого - секціонування процесу шляхом розділення по висоті всього шару рідини тарілчастими (куполоподібними) елементами, під якими відбувається оновлення бульбашок автоматичне "зривання" з них, гальмуючої процес озонування, мікроплівки, що збільшує рушійну силу процесу - різницю між концентрацією озону (О3) всередині бульбашки та концентрацією озону (О3) в оточуючій воді, а збільшення рушійної сили призводить до збільшення інтенсивності (швидкості) процесу озонування; другого - вібрації бульбашок під час їх проходження через генератор акустичних коливань, що запобігає виникненню гальмуючої мікроплівки рідини на поверхні оновленої бульбашки і підсилює дію першого фактора. В досліджуваних технічних рішеннях, які увійшли в рівень техніки, авторами не виявлено отримання такого самого технічного результату, який дозволяє отримати пропонований винахід, описаний новою сукупністю суттєвих ознак, що доводить відповідність пропонованого технічного рішення критерію винаходу "винахідницький рівень". Синергетичний ефект проявляється у підвищенні ступеня використання озону з 68-72 %, як у традиційних установках, до 96-98 % - у пропонованій - до максимально можливого рівня при промисловій реалізації процесу. Економічний ефект від такого підвищення ступеня використання озону значний, оскільки процес генерації озону досить енерговитратний і пов'язаний не лише з використанням 68-72 % озону, а і у витратах на нейтралізацію майже 30 % озону. Запропонована установка дозволяє використовувати майже весь озон на обробку води, що на третину зменшує витрати на генерацію озоно-повітряної суміші, а отже, і на реалізацію всього процесу озонування. Для виготовлення пропонованої установки використовують відомі на сьогоднішній день технологічні прийоми, засоби, пристрої та матеріали, вона може бути використана у різних галузях народного господарства, зокрема для очистки і питної води, і стічних вод, а тому можна зробити висновок про те, що пропонований винахід відповідає критерію "промислова придатність". Суть пропонованої установки для очищення води пояснюється за допомогою графічних матеріалів та фотографії. На фіг. 1 схематично показано вигляд спереду на вертикальну трубку подачі озоноповітряної суміші з закріпленими на ній тарілчастими елементами. На фіг. 2 схематично показано вигляд зверху на тарілчастий або куполоподібний елемент установки. На фіг. 3 показана залежність інтенсивності (швидкості) процесу озонування (І) від висоти шару води в резервуарі (Н). При цьому позицією "А" позначена активна фаза процесу, а позицією "В" - пасивна фаза озонування, під час якої на бульбашках присутня гальмуюча процес мікроплівка води, насичена озоном Ni На фіг. 4 показана залежність інтенсивності (швидкості) процесу озонування (І) води від висоти шару води в резервуарі (Н) пропонованої установки - по секціях (Ni-Nn). На фіг. 5 показано фотографію фрагменту установки для очищення води. Пропонована установка для очищення води озонуванням містить резервуар /не показано/ з патрубками для підведення необробленої води /не показано/, відведення обробленої води /не показано/, а також трубку 1 для подання до резервуара повітряно-озонової суміші. Один кінець трубки 1 призначений для з'єднання з джерелом повітряно-озонової суміші /не показано/, а другий - вільний кінець трубки 1 - розташований у порожнині резервуара. Трубка 1 розташована у резервуарі горизонтально, а до неї перпендикулярно приварені патрубки, до яких через фланцеві з'єднання та регулюючу арматуру 2 під'єднані шість вертикальних трубок 3 (умовно показана одна). На вертикальних трубках 3 горизонтально закріплені тарілчасті елементи 4, кількість яких залежить від висоти шару води. Кожний тарілчастий елемент 4 має буртик, орієнтований вниз, та наскрізні отвори 5, осі яких рівномірно розподілені по колу, центр якого співпадає з центром тарілчастого елемента 4. Над наскрізними отворами 5 тарілчастих елементів 4 закріплені генератори акустичних коливань 6, що генерують у воді коливання звукової частоти. Кожний генератор 6, закріплений над наскрізним отвором 5 тарілчастого елемента 4, має форму стакана, дно якого розташоване зверху і в ньому виконаний наскрізний отвір, а геометричні параметри генераторів 6 є однаковими для даного тарілчастого елемента 4 3 UA 112363 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 і призначені для генерації акустичних коливань заданої частоти у воді. При цьому геометричні параметри генераторів 6 визначають експериментально і вони залежать від напору води у патрубках, тиску озону в трубці 1, засміченості вхідної води та висоти резервуара. Генератор акустичних коливань 6 може бути жорстко закріпленим над отвором 5 або виконаним знімним з можливістю, наприклад, його закручування у тіло тарілчастого елемента 4 з утворенням різьбового з'єднання або закріплення в спеціально зроблених пазах тарілчастого елемента 4. Ця можливість пропонованої установки дозволяє під час експлуатації установки своєчасно замінювати генератори 6 у випадку їх забивання сміттям і\або кремнієвими чи кальцієвими відкладеннями з метою підтримування заданої продуктивності установки. Для контролю за роботою установка містить акустичну систему з датчиком, який контролює тон звуку, що генерують генератори 6 установки /не показано/. Як приклад, як акустична система може бути застосована система, описана на сайті: http://ra4a.narod.ru/Spravka4/d28.htm. Під тарілчастим елементом 4 під час роботи установки утворюється хмарка озоно-повітряної суміші, позначена на фіг. 1 позицією 7, а бульбашки озоно-повітряної суміші, які виходять з генератора акустичних коливань 6, позначені на фіг. 1 позицією 8. Пропонована установка працює так. Резервуар заповнюють до заданого рівня водою, яку очищують і подають через трубку 1 озоно-повітряну суміш. З трубки 1 озоно-повітряна суміш проходить у вертикальну трубку 3 і виходить через її нижній - вільний кінець у порожнину резервуара, заповнену водою. Під дією підйомної сили бульбашки озоно-повітряної суміші підіймаються вверх та концентруються під першим тарілчастим елементом 4. Під буртиком тарілчастого елемента 4 утворюється хмарка озоно-повітряної суміші 7. При проходженні бульбашок від вільного кінця вертикальної трубки 3 до першого тарілчастого елемента 4 на поверхні бульбашки утворюється мікроплівка води з підвищеною концентрацією озону. Ця мікроплівка зменшує рушійну силу процесу. "Зрив" гальмуючої мікроплівки відбувається при переході бульбашок з води до хмарки озоноповітряної суміші 7, що утворилася під першим тарілчастим елементом 4, з отворів 5 якого виходять оновлені бульбашки 8, на поверхні яких вже немає мікроплівки води, що гальмує процес. Саме за рахунок оновлення бульбашок, яке відбувається автоматично на всіх тарілчастих елементах 4, в кожній секції повторюється найбільш інтенсивна (головна) частина процесу, як показано на фіг. 4. Під час проходження кожної бульбашки через генератори акустичних коливань 6, встановлених над всіма отворами 5 тарілчастих елементів 4, виникає вібрація бульбашок, яка запобігає процесу виникнення гальмуючої мікроплівки рідини на поверхні оновленої бульбашки 8. При цьому молекули озону згаданої суміші взаємодіють з присутніми у очищуваній воді органічними та неорганічними сполуками, руйнуючи їх і знищуючи патогенні мікроорганізми. Далі бульбашки 8 після проходу нижнього тарілчастого елемента 4, підіймаються у очищуваній воді до наступного тарілчастого елемента 4, під яким в хмарці озоно-повітряної суміші 7 знову відбувається оновлення кожної бульбашки, а у наступній секції здійснюються такі ж дії, що і у попередній. Процес очищення йде безперервно і для роботи установки оператору достатньо періодично отримувати інформацію з акустичної системи контролю щодо тону звуку, який генерує установка. При цьому зміна тону, що фіксується акустичною системою контроля, свідчитиме про засмічення генераторів 6. Очищена вода виходить через відповідний патрубок резервуара і надходить або до магістралі водопроводу, або до наступного ступеня очистки води. Пропонована установка може бути використана на стадії первинного озонування вхідної води замість первинного хлорування. Процес хлорування може бути застосований на фінішній стадії обробки води для консервації ефекту знезаражування перед поданням води в міську водопровідну мережу. Окрім очистки питної води, пропонована установка може бути застосована і на фінішному ступені обробки міських стічних вод замість хлорування, що принципово зменшить кількість хлорорганіки, яка потрапляє у відкриті водойми. 50 ФОРМУЛА ВИНАХОДУ 55 1. Установка для очищення води озонуванням, що містить резервуар з патрубками для підведення необробленої води, відведення обробленої води, а також трубку для подання до резервуара повітряно-озонової суміші, один кінець якої призначений для з'єднання з джерелом повітряно-озонової суміші, а другий - вільний кінець трубки - розташований у порожнині резервуара, яка відрізняється тим, що над виходом трубки для подання до резервуара повітряно-озонової суміші горизонтально встановлений, щонайменше один, тарілчастий, буртик якого орієнтований вниз, або куполоподібний елемент, а у згаданому елементі виконані 4 UA 112363 C2 5 10 15 наскрізні отвори, осі яких рівномірно розподілені по колу, центр якого співпадає з центром тарілчастого або куполоподібного елемента. 2. Установка для очищення води озонуванням за п. 1, яка відрізняється тим, що тарілчастий або куполоподібний елемент жорстко закріплений на трубці для подання повітряно-озонової суміші, що встановлена вертикально у порожнині резервуара. 3. Установка для очищення води озонуванням за пп. 1 або 2, яка відрізняється тим, що на кожній вертикально встановленій у порожнині резервуара трубці для подання повітряноозонової суміші розміщено N однакових тарілчастих або куполоподібних елементів, а проміжки між тарілчастими елементами, дном і верхом резервуара утворюють N+1 секції. 4. Установка для очищення води озонуванням за п. 1, яка відрізняється тим, що тарілчастий або куполоподібний елемент забезпечений генераторами акустичних коливань, кожний генератор жорстко закріплений над наскрізним отвором тарілчастого або куполоподібного елемента і має форму стакана, дно якого розташоване зверху і в ньому виконаний наскрізний отвір, а геометричні параметри генераторів кожного тарілчастого або куполоподібного елемента є однаковими і призначені для генерації акустичних коливань заданої частоти у воді. 5. Установка для очищення води озонуванням за п. 4, яка відрізняється тим, що генератор акустичних коливань виконаний знімним. 5 UA 112363 C2 6 UA 112363 C2 Комп’ютерна верстка Д. Шеверун Державна служба інтелектуальної власності України, вул. Василя Липківського, 45, м. Київ, МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут інтелектуальної власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601 7