Содержание к диссертации
Введение
Глава 1 Обзор методов и устройств очистки воды 10
1.1 Структура и свойства воды 10
1.2 Промышленные и бытовые сточные воды 14
1.3 Методы очистки воды от дисперсных частиц 16
1.4 Сорбционные методы очистки сточных вод 19
1.5 Очистка воды с использованием кавитации 21
1.6 Озонирование воды для ее очистки 25
1.7 Коагуляция и осветление воды 33
1.8 Электродиализная водоподготовка 36
1.9 Магнитное воздействие при очистке воды 41
Глава 2. Методы исследования, регистрации токовых характеристик и лабораторный стенд для очистки водных растворов 42
2.1 Методики анализа примесей и реагентов в водных системах 42
2.2 Методика экспериментальной регистрация тока при магнитной интенсификации электродиализа 44
2.3 Лабораторная установка для отработки методик и режимов очистки водных систем 55
Глава 3. Разработка метода кавитационной очистки и обеззараживания воды 57
3.1 Разработка метода формирования кавитационных пузырьков 57
3.2 Исследование процесса кавитационного разрушения водного раствора родамина 61
3.3 Исследование процесса кавитационной обработки суспензий нанопорошков A1-A1N 63
3.4 Разработка метода формирования кавитации для очистки воды 65
3.5 Технологическая установка для кавитационной обработки при получении питьевой воды 79
Глава 4 Разработка методов и устройств очистки воды озоном 84
4.1 Разработка генератора с высоким выходом озона 84
4.2 Исследование генерации озона на наносекундных импульсах 93
4.3 Технология очистки и обеззараживания воды озоном 101
4.4 Разработка озоно-воздушного реактора для очистки воды 104
4.5 Комплекс для очистки воды AquaVallis Р 106
4.6 Электроположительный сорбционный материал для обеззараживания водных систем 111
Глава 5 Разработка метода интенсификации процесса биоочистки сточных вод 117
5.1 Физико-химические основы озонирования сточных вод 117
5.2 Натурные испытания предварительного озонирования в малых дозах на процесс биоочистки сточных вод 122
Основные выводы 13 8
Список литературы
- Методы очистки воды от дисперсных частиц
- Методика экспериментальной регистрация тока при магнитной интенсификации электродиализа
- Исследование процесса кавитационной обработки суспензий нанопорошков A1-A1N
- Разработка озоно-воздушного реактора для очистки воды
Введение к работе
Актуальность работы
В настоящее время обостряются проблемы, связанные с загрязнением запасов пресной воды: отмечается повышение содержания в открытых источниках пресной воды тяжелых металлов, продуктов нефтепереработки, биологически стойких органических веществ, оказывающих негативное влияние на биохимический режим водоемов. В связи с этим разработка аппаратуры и методов очистки воды для создания экологически чистых безотходных технологий является актуальной.
Перспективным способом электрохимической очистки воды является метод электродиализа. Производительность электродиализного аппарата ограничена предельной плотностью тока для используемых мембран. Увеличению производительности препятствуют: пространственный заряд возле мембран и электролиз воды. Необходим поиск методов физического воздействия на электродиализ, уменьшающих негативные эффекты.
Кавитационная дезинтеграция это разрушение или разделение на фрагменты любых включений, находящихся в воде в виде дисперсной фазы, или растворенных молекул. При обработке воды в кавитационном реакторе происходит повышение дисперсности и гомогенности содержащихся фаз, интенсификация химических реакций, а также бактериолиз. Процессы, происходящие в кавитационном пузыре, до конца не изучены. Для широкого внедрения кавитационной технологии очистки воды необходимы простые в исполнении, эффективные и надежные при эксплуатации аппараты.
Современные технологии озонирования позволяют очищать сточные воды от биологически трудноокисляемых органических соединений и токсичных веществ. Применение озона в биологической очистке сточных бытовых вод до сих пор не рассматривалось. Поэтому такая технология до сих пор не разработана.
Работа выполнялась в рамках программ: ФЦНТП «Исследования и разработки по приоритетным направлениям развития науки и техники» на 2002 - 2006 годы; ФЦП «Исследования и разработки по приоритетным направлениям развития научно-технологического комплекса России на 2007-2013 годы»; Планов НИР ФТИ ТПУ, ИФПМ СО РАН.
Объект исследования - природные и сточные воды, содержащие ионы железа, дисперсные частицы и болезнетворные бактерии, модельные растворы, имитирующие загрязнения природных вод.
Предмет исследования - процессы очистки природных и сточных вод от ионов железа, болезнетворных бактерий и дисперсных частиц органического происхождения с помощью электродиализа, кавитации и озонирования.
Цель работы - Разработка методов интенсификации процессов очистки подземных и сточных вод от ионов, дисперсных частиц и болезнетворных бактерий с помощью физико-химических методов, и аппаратурное
оформление этих процессов.
Для достижения поставленной цели решались следующие задачи.
1. Разработка метода очистки и обеззараживания воды с помощью кавитации.
2. Разработка магнитной интенсификации электродиализных процессов на
модельном водном растворе хлорида натрия
-
Разработка методов очистки природных и сточных вод путем озонирования.
-
Аппаратурное оформление разрабатываемых методов озонирования воды.
Исследования по теме диссертации связаны с совершенствованием химических технологий очистки воды и заменой их на физико-химические и биологические. Исследования заканчиваются созданием и промышленными испытаниями аппаратурного оформления разработанных методов.
Научная новизна
1. Установлено, что эффективность электродиализа во внешнем
магнитном поле с индукцией 1,2 Тл выше как за счет выдавливания
объемного заряда возле мембран к их периферийным областям, так и
частичной поляризации диполей воды. Показано, что эффект от
перераспределения объемного заряда пропорционален величине поля, а
поляризация воды проявляется в поле выше пороговой с индукцией 0,08 Тл.
-
Установлено, что в процессе кавитации, формируемой с помощью струйного насоса, в разработанном методе безреагентной очистки природных вод от железа, улучшается процесс дегазации воды и насыщения её кислородом .Эффект достигается за счет конусного кавитатора, встроенного в проточную часть камеры смешения.
-
Установлено, что повышение удельного энерговклада в генератор озона не менее, чем в 1,5 раза обеспечивается подключаемой параллельно высоковольтному источнику питания индуктивности, сердечник которой насыщается к концу импульса длительностью 1 мкс
-
Установлено, что предварительное озонирование сточных вод в количестве 0,02-Ю,2 г/м реагента позволяет поддерживать значение окислительно-восстановительного потенциала (ОВП) в оптимальном диапазоне, уменьшает время переработки загрязнений активным илом в 1,5-2 раза за счет формирования благоприятных условий размножения аэробных бактерий.
Практическая ценность
1. Кавитационный реактор, спроектированный на основе водоструйного
насоса для формирования кавитационных пузырьков, является составной
частью технологии безреагентной очистки водоочистных комплексов (ВОК)
"Водолей". Конструкция используемого насоса исключает его засорение
механическими примесями, а кавитационный реактор не требует сезонного
профилактического обслуживания.
2. Предложена схема усовершенствования электродиализатора с
использованием постоянных магнитов. Совмещение направления
электродиализного тока с направлением юг - север, для эксплуатируемых
аппаратов, увеличивает производительность электродиализаторов для обессоливания воды.
3. Разработанный реактор для обработки воды озоном, используемый в
ВОК "Водолей", "Aqua Vallis Р", за счет конструкционных особенностей,
позволяет снизить эксплуатационные затраты, увеличить надежность и не
требует периодической чистки электродной системы.
4. Разработанный и предложенный источник питания озонатора с
импульсным знакопеременным напряжением, питающим высоковольтный
безбарьерный разряд, обеспечивает максимальный выход озона. Такие
источники питания в составе озонаторов внедрены на более чем 40 станциях
водоочистки.
5. Разработано устройство для синтеза озона, которое обеспечивает ввод
озона в сточные воды перед их биологической переработкой. Предложенная
технология позволяет уменьшить как необходимое количество озона, так и
необходимое время биологической очистки. Станция биологической очистки
сточных вод "СКВ", использующая технологию предозонирования, прошла
успешные испытания на канализационных очистных сооружениях в
п.Пионерный Томской области.
На защиту выносятся
-
Эффективность электродиализа водных растворов NaCl выше во внешнем постоянном магнитном поле с индукцией 1,2 Тл, силовые линии которого направлены навстречу напряженности электрического поля.
-
Результаты разработки водоструйного насоса с распределенной камерой и активным соплом, позволяющим, за счет сталкивающихся импульсных струй при давлении 0,15 МПа, интенсифицировать процесс кавитации при очистке природных вод от железа.
3. Результаты разработки способа генерации озона с помощью
импульсного знакопеременного напряжения в озонаторе безбарьерного типа.
4. Способ предозонирования сточных вод в количестве 0,02-Ю,2 г/м при
их биологической очистке способствует фрагментации молекул
загрязнителей и формирует благоприятные условия для развития аэробных
бактерий активного ила, разлагающих загрязнения.
Достоверность результатов лабораторных исследований
обеспечивается корректным использованием современных приборов и методик проведения эксперимента, многократным их повторением. Достоверность результатов натурных испытаний подтверждается проведением независимого анализа в аккредитованных лабораториях, осуществляющих контроль состава питьевой и сточных вод.
Обоснованность результатов исследований связана с
непротиворечивостью экспериментальных данных, предложенных моделей и научных выводов с результатами других авторов.
Реализация результатов Разработаны и внедрены ВОК "Водолей", "Aqua Vallis Р", станция биологической
очистки сточных вод "СКВ".
Разработана технологическая часть проектной документации для 38 станций водоподготовки
Разработаны, поставлены, запущены в эксплуатацию 46 комплексов "Водолей", "Aqua Vallis Р"
Заказчики: ОАО "Томскнефть" ВНК, ОАО "Томскгазпром", Администрации Томской области, Алтайского края, ХМАО - Югра и др
Личный вклад автора. Диссертация является самостоятельной научной работой, обобщившей результаты исследований, полученные лично автором. Постановка задач большинства исследований; определение методов решения; анализ результатов исследований; разработка, испытания и внедрение технологий выполнены совместно с научным руководителем и соавторами опубликованных работ.
Апробация работы. Результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на: конф. «ЭТНОМИР - устойчивое экологическое поселение и центр распространения экотехнологий», 2012г., г.Калуга; совещании «Проблемы водоснабжения Бийского района и пути сотрудничества с представленными на совещании организациями», 2010г. г.Бийск; научно-практ. семинаре-совещании: «О разработке региональной программы «Чистая вода». Современные технологии водоочистки», 2011 г., г.Барнаул; семинаре-совещании «Обеспечение жилищного фонда и социально-культурных учреждений централизованным водоснабжением. Особенности эксплуатации объектов водоснабжения и водоотведения», 2012, Алтайский край; VI междунар. симпозиуме "Чистая вода России-2001", 2001г., г. Екатеринбург; междунар. научно-техн. конф. «Техника и технология очистки и контроля качества воды», 1999г., г.Томск; междунар. научно-практ. конф.: «Актуальные проблемы транспорта и энергетики и пути инновационного поиска решения», 2013г., г.Астана, Казахстан; VII научно-технич. конф. «Актуальные вопросы ядерно-топливного цикла ЯТЦ-2013» г.Севастополь, Украина; междунар. научно-практ. конф. «Актуальные научные вопросы современности» Россия, г. Липецк, 2013г.; X междунар. научно-практич. конф. «Современное состояние естественных и технических наук». - г.Москва, 2013; научных семинарах: кафедры ТФ ФГБОУ ВПО «Национальный исследовательский Томский политехнический университет» и Института физики прочности и материаловедения СО РАН.
Публикации. Основное содержание диссертационного исследования отражено в 21 работах, в том числе 3 патента, 7 статей - из них 5 опубликованы в журналах, входящих в перечень научных изданий, рекомендованных ВАК РФ для использования в диссертациях.
Объем и структура диссертационной работы - диссертация изложена на 169 страницах машинописного текста и состоит из введения, пяти глав, выводов, списка литературы, включающего 160 источников, приложения на 13 листах, 46 рисунков и 11 таблиц.
Методы очистки воды от дисперсных частиц
К настоящему времени разработаны множество методов очистки воды, применяемых отдельно или в комплексе. Выбор методов зависит от потребности воды, обладающей определенным набором характеристик или от требований к промышленным и бытовым стокам. Методы очистки воды классифицируют по степени очистки [43] и последовательности методов [42], по типу загрязнений и составу стоков [44], по принципам действия [34, 38].
Механические способы очистки воды используют для выделения примесей грубой дисперсности. Широко применяются гравитационное (центробежное) отстаивание и фильтрация.
В основе гравитационного отстаивания лежит действие силы тяжести на взвешенные частицы. Метод требует значительного времени, характеризуется простотой реализации и низкой стоимостью [38].
Разработаны отстойники различных конструкций: горизонтальные, вертикальные, радиальные, трубчатые, пластинчатые. Различают отстойники периодического, полунепрерывного и непрерывного действия.
Гравитационное осаждение эффективно для организации оборотного водоснабжения предприятий. Апробирована конструкция, в которой загрязненная вода очищается в процессе пленочного движения поверх перегородок. Нерастворимые загрязнения задерживаются в промежутках между пластинами [45].
Центробежная очистка воды более эффективна по продолжительности осаждения, по сравнению с гравитационной, вследствие большего ускорения частиц в центробежном поле гидроциклонов и центрифуг.
В конических гидроциклонах суспензия подается тангенциально. Под действием центробежной силы твердые частицы перемещаются к стенкам устройства и попадают в нижнюю часть устройства. Осветленная жидкость удаляется через верхнюю часть аппарата. К основным достоинствам гидроциклонов относят высокую производительность, отсутствие движущихся частей, простоту конструкции и низкие затраты на обслуживание. Недостаток - изнашивание из-за абразивного действия взвешенных частиц.
Используются два основных типа центрифуг - отстойные со сплошным ротором и фильтрующие с перфорированным ротором. В отстойных центрифугах происходит осаждение твердых частиц на стенках ротора и последующее уплотнение осадка. В фильтрующих центрифугах жидкая фаза удаляется в зароторное пространство. Центрифуги разделяются на полунепрерывного, непрерывного и периодичного действия [38].
Методы фильтрации предполагают разделение жидкой и дисперсной фаз при помощи перфорированных экранов. Протекание раствора через фильтры обеспечивается разностью давлений в камерах. Дисперсные частицы с размерами, большими чем размеры пор, задерживаются на поверхности и образуют осадок. Частицы меньшего размера проходят через фильтры либо задерживаться в порах из-за адсорбции. Распространены фильтры сетчатой структуры и фильтры с зернистым слоем [38, 46].
Эксплуатация промышленных установок с рулонными фильтрующими элементами из трековых мембран с размерами пор 0,2-0,6 мкм показывает удовлетворительные результаты при очистке вод от взвешенных веществ [47]. Высокая селективность мембраны (не менее 95%) достигается при очистке воды с размерами загрязняющих частиц, сопоставимыми с размерами пор мембраны. Максимальная удельная производительность наблюдается при фильтрации предварительно химически очищенной воды с минимальным содержанием кальция. Наличие ионов Са+ приводит к постепенному снижению проницаемости мембраны из-за нейтрализации заряда на мембране и образования труднорастворимых комплексов.
Исследования по применению минеральных базальтовых волокон для очистки от взвешенных соединений показали, что при постоянной скорости потока (10 м /ч) происходит эффективная очистка взвесей. Более плотная укладка волокон обеспечивает больший эффект [48]. Методы механической очистки позволяют удалять из водных систем до 95% взвешенных частиц [46].
Физико-химические методы используют для очистки воды от тонкодисперсных примесей твердой и жидкой фазы, дегазации, деминерализации и удаления органических веществ. Разработаны методы: коагуляции, флотации, адсорбции, ионного обмена, экстракции, обратного осмоса, ультрафильтрации, дегазации, омагничивания, электромагнитной обработки, а также термические и электрохимические методы [28, 38, 49].
Для удаления мелких дисперсных частиц из водных растворов часто используют способы, основанные на явлениях коагуляции. Методы особенно эффективны для удаления частиц размерами 1-100 мкм. Для интенсификации процесса обычно используются вещества, образующие в воде нерастворимые гидроксиды металлов. За счет электростатического притягивания частиц загрязнения с частицами гидроксидов образуются крупные агрегаты, удаление которых не представляет трудностей. Из коагулянтов наиболее распространены соли алюминия и железа [49, 50].
Вариантом реализации коагуляционных методов очистки является флокуляция, при которой в воду помимо коагулянтов добавляются высокомолекулярные соединения. Таким образом, увеличивается размер хлопьев гидроксидов металлов и достигается дополнительный эффект образования агрегатов частиц на флокулянтах, что позволяет уменьшить расход коагулянтов. Основными флокулянтами являются крахмал, эфиры целлюлозы, диоксид кремния, полиакриламид.
Флотационные методы очистки воды от взвешенных твердых частиц основаны на молекулярном прилипании частиц к поверхности раздела газовой и жидкой фаз. Для образования пены используются жирные кислоты, жирные амины и их соли, обладающие полярными группами для адсорбции частиц и неполярные углеводородные радикалы, обуславливающие гидрофобные свойства адсорбированной фазы. Флотационные методы позволяют удалять до 98% нерастворимых дисперсных частиц, а также растворенных ПАВ [51].
Разработано большое количество методов флотационной очистки воды, различающихся степенью диспергирования газа. Газ может поступать в очищаемую воду через пористые диафрагмы, за счет струйной аэрации, при выделении из пересыщенного раствора, фрагментироваться механически.
Первый тип устройств не эффективен и практически не используется. В конструкциях с механическим перемешиванием очищаемая вода подается в нижнюю часть вращающегося ротора. Воздух засасывается в его верхнюю часть и разбивается решеткой. При перемешивании пульпы с воздухом образуется пена, удаляемая через верхнюю часть аппарата.
Хорошими характеристиками обладают аппараты со струйной аэрацией. Воздух попадает в раствор при высокоскоростном пропускании струи очищаемой жидкости через общий объем. При этом происходит захват воздуха и его диспергирование на мелкие пузыри [46].
Вибрация (100 Гц) позволяет дополнительно диспергировать пузырьки и способствовать коалесценции связанных комплексов (400 Гц). В результате увеличивается эффективность процесса и уменьшается его время [52].
Методика экспериментальной регистрация тока при магнитной интенсификации электродиализа
Для регистрации величины тока в цепи через ячейку использовались: цифровой осциллограф LeCroy Wave Surfer 44Xs, аналоговый миллиамперметр Ml09 (на шкале 200 мА). Перед проведением измерений осциллограф переводился в режим самописца с разверткой 500 S/s. При этом осциллограф регистрирует 500 точек в 1 секунду при общем числе точек регистрируемых напряжений на экране 5 миллионов. Сигнал на осциллограф подается с нагрузочного резистора с сопротивлением 5,1 Ом, включенным последовательно в цепь питания электродиализной ячейки. Устанавливали напряжение питания ячейки 10 В и предельный ток 0,3 А.
Каждая электродиализная ячейка обладает своими характерными для неё вольтамперными характеристиками. Поэтому каждая серия экспериментов включала электродиализ: без внешнего магнитного поля, с магнитными полями двух полярностей (по отношению к электродам). Исследуемый раствор хлорида натрия готовился один раз для всех циклов измерений при данной концентрации соли. Электродиализные мембраны не заменялись.
Проводили динамическое воздействие на работающую электродиализную ячейку магнитным полем. Постоянные магниты подносили к средней части электродиализной ячейке в направлении, перпендикулярном направлению электромиграции. При этом время действия магнитного поля, в различных фазах электро диализа, составляло 5-10 минут. Эффективность воздействия наблюдали при двух полярностях магнитного поля. При этом регистрировали осциллограмму напряжения с нагрузочного сопротивления, а также наблюдали за показаниями миллиамперметра. Одна из регистрируемых при динамическом воздействии магнитным полем осциллограмм падения напряжения на нагрузочном сопротивлении и участок осциллограммы с увеличением, приведены на рис. 2.2.
Рассмотрение регистрируемых при этом осциллограмм, показывает следующее. Приближение к работающей электродиализной ячейке постоянного магнита (с любой полярностью поля) сопровождается уменьшением напряжения на нагрузочном сопротивлении на 20-30 мВ за время 25 - 35 с. Показания миллиамперметра также уменьшаются. В дальнейшем напряжение изменяется с наклоном, характерным до момента времени ввода (вывода) магнитного поля. При этом время, необходимое для полного обессоливания раствора изменяется незначительно.
Анализ различных возможных процессов показывает, что изменение регистрируемого напряжения (изменение электродиализного тока), скорее всего, связано с перемещением (за счет силы Лоренца) ионов в магнитном поле к противоположной стороне ячейки. При этом эффективность использования мембраны уменьшается. Воздействие магнитным полем поперек линий тока уменьшает пропускную способность электродиализной ячейки.
На электродах происходит формирование газовых пузырей, уменьшающих эффективную площадь (величину электродиализного тока). Для уменьшения амплитуды скачков тока, из-за периодически растущих и всплывающих пузырей, горизонтальные грани электродов располагали под углом 5-7 градусов от уровня горизонтали.
Вначале регистрировали осциллограмму напряжения в режиме действия магнитного поля на электродиализ в динамическом режиме. Для этого на ячейку устанавливались магниты на 5-7 минут (в разной полярности магнитного поля относительно направления катод-анод). Наблюдали за изменением напряжения на нагрузочном сопротивлении и тока в цепи. Регистрируемые при этом осциллограммы напряжения на нагрузочном сопротивлении (график 1) и тока в цепи (график 2) приведены на рис. 2.3. Прямоугольниками выделены периоды времени действия продольного магнитного поля: сплошная - южный полюс в области катода, пунктирная -северный. Чувствительность осциллографа 200 мВ/дел, ток указан в относительных единицах. По горизонтали осциллограммы одна клетка соответствует 17 минутам. Из рис. 2.3 видно, что достаточно быстро проявляется действие магнитного поля на электродиализную ячейку. Удаление магнита с ячейки сопровождается перестройкой режима электродиализа в течении 5-10 минут. Анализ осциллограммы напряжения показывает, что воздействие магнитного поля ощутимо на этапе электродиализа, когда концентрации ионов во всех трех ячейках сопоставимы. Графики тока и напряжения имеют синхронные во времени изломы. При этом формы кривых отличаются. Например, точки наивысших значений тока и напряжения не совпадают по времени. Анализ показывает, что изменения падения напряжения на нагрузочном сопротивлении 5,1 Ом связаны как с изменением тока электро диализа, так и изменением падения напряжения на электродиализной ячейке.
Установлено, что динамическое воздействие на ячейку с помощью продольного магнитного поля любой полярности не приводит к значительному уменьшении общего времени электродиализа (полного обессоливания). При этом время, за которое графики напряжения на нагрузочном сопротивлении или электродиализного тока выходят на малое стационарное значение, практически одинаково как при воздействии, так и отсутствии продольного магнитного поля.
Дальнейшие исследования проводились при стационарном установлении магнитов (заданной полярности) на все время электродиализа. Осциллограммы напряжения нагрузочного сопротивления ячейки с установленными стационарно в продольном направлении магнитами
Исследование процесса кавитационной обработки суспензий нанопорошков A1-A1N
Применение разгонных форсунок, расположенных на одной оси с диаметрально расположенными отверстиями ротора в гидроимпульсном генераторе, позволило решить сложную техническую задачу путем создания эффекта взрывной кавитации на катастрофически встречных кавитирующих импульсных струях.
Кавитационный реактор представляет собой вертикально расположенный цилиндрический конус, внутри которого на одной вертикальной оси находится защитный экран 17, который расположен в нижней части КР 6 над разгонными соплами 16, (кроме того защитный экран 17 установлен с зазором коаксиально корпусу КР 6 и закреплен на кронштейнах 18. КР снабжен коллектором 19 отвода воды, содержащей твёрдые частицы-хлопья через сливной трубопровод 20 в канализацию. КР также снабжен воздушным клапаном 21 (рис. 3.11) для сброса парогазовой смеси в атмосферу.
Установка для очистки и обеззараживания воды снабжена также дренажным трубопроводом 22 для удаления твёрдых частиц в процессе обработки воды из гидроциклона 1 по сливной трубе 23.
Для расширения области применения установки для очистки и обеззараживания воды (или других жидкостей) она может быть снабжена озонатором и подавать озон через эжектор в КР 6.
Достоинством способа очистки и обеззараживания воды в кавитационном реакторе является применение разгонных сопел, которые встречно направлены друг к другу, что позволяет кавитирующим импульсным струям неизбежно сталкиваться, что дает возможность увеличить и ускорить процесс образования хлопьев.
Применение защитного экрана в КР, установленного с зазором коаксильно корпусу КР в нижней его части над разгонными соплами, способствует образованию хлопьев и предохраняет от попадания хлопьев в зону очищенной и обеззараженной воды в верхней части КР.
Эффективным условием рождения пузырька и его схлопывания является гидродинамическое импульсное воздействие на воду путём столкновения двух (нескольких) струй в гидроимпульсном генераторе. В гидроимпульсном генераторе, работающем с заданной угловой скоростью ротора, осуществляется эжекция в обрабатываемую воду кислорода воздуха (или озона) и протекание кавитационных процессов. В кавитационном реакторе происходит процесс схлопывания микропузырьков, сопровождающийся обеззараживанием воды. Далее происходит коагуляция образовавшихся твердых частиц в хлопья [12].
Для расширения области применения способа безреагентной очистки и обеззараживания воды путем создания взрывной кавитации и усовершенствование устройства для его осуществления проведена доработка конструкции. Особенностью предлагаемого технического решения является то, что устройство дополнительно снабжено модулем интенсивной аэрации и дегазации, в котором используются процессы дросселирования, кавитации, турбулентной диффузии, вакууммирования и увеличения площади контактов двух сред, воздуха и воды. Это позволяет многократно увеличить скорость дегазации и аэрации, кроме того в баке-реакторе модуля интенсивной аэрации и дегазации происходит процесс образования микропузырьков путем сталкивания водовоздушных струй с реакторной водой. Процесс схлопывания микропузырьков идет одновременно с обеззараживанием воды, так как внутри микропузырька возникает температура порядка 1000С, а процесс порождает появление радикалов Н и »ОН. Оказавшиеся в центре схлопывания пузырька споры грибков и бактерий уничтожаются. Осадок накопившейся в баке-реакторе в процессе работы, периодически сбрасывается в отстойник или в дренаж. Вода в бак-реактор поступает через эжекторы, в которых струйки жидкости вытекают из сопловых насадок со скоростью порядка 25 м/с, и эжектируют в окружающий воздух, и создают разрежение в приемной камере эжекторов, что, безусловно, способствует десорбции пахучих (токсичных) газов из воды, например, SO2 или H2S, удаление которых производится вытяжным вентилятором, установленным в верхней части бака-реактора.
В модифицированном нами устройстве имеются ряд недостатков.
1. Между гидроциклоном 2 и эжекторами Э1 и Э2 не установлен сетчатый фильтр для улавливания проскоковых твердых частичек из гидроциклона 2, что значительно ухудшает работу эжекторов Э1 и Э2, которые содержат сопловые насадки с отверстиями для подачи обрабатываемой воды в камеру смешения эжекторов. Отверстия сопловых насадок в процессе длительной работы затягиваются органическими и твердыми частицами, что приводит к остановке модуля интенсивной аэрации и дегазации для замены сопловых насадок, или их прочистке. Следовательно, снижается производительность устройства.
2. Вода из бака-реактора поступает через эжекторы Э1 и Э2, в которых струйки обрабатываемой воды вытекают из отверстий сопловых насадок со скоростью порядка 25 м/с, и эжектируют окружающий воздух и создают разрежение в приемной камере (ПК) эжекторов Э1 и Э2, что, безусловно, способствует десорбции газов (СО2, SO2, H2S). При соударении струек воды с реакторной водой происходит распад струек воды на дисперсные частицы, что не является отрицательным эффектом и способствует удалению из них газов, эффект удаления которых повышается еще и за счет вакуумирования воздушного пространства бака-реактора вытяжным вентилятором. При этом большинство дисперсных частиц удаляются через вентилятор в атмосферу, что отрицательно влияет, как на работу самого вентилятора, так и на работу установки в целом, так как часть обрабатываемой воды теряется в атмосфере.
Преимуществом технического решения следующего этапа, по сравнению с предыдущим является то, что в верхней части бака-реактора перед входным патрубком вытяжного вентилятора установлен фильтр-картридж, который снабжен сорбционным материалом. Особенностью фильтра является то, он задерживает дисперсионные частицы из воды и беспрепятственно пропускает воздух. В качестве сорбционного материала применяется волокнистое полотно.
В разработанном нами техническом решении устройство кавитационного реактора (КР) для осуществления технологии безреагентной очистки и обеззараживания воды путем создания эффекта взрывной кавитации выполнено конструктивно просто. КР представляет собой вертикально расположенный цилиндрический полый корпус в нижней части которого герметично приварен полый конус, кроме того в нижней части цилиндрического корпуса диаметрально вварены встречно друг к другу разгонные сопла, выходные срезы которых расположены на расстоянии не менее 0,2 м. Причем над разгонными соплами коаксиально корпусу КР с зазором установлен куполообразный экран, верхняя точка которого расположена но высоте от диаметральной оси сопел не менее 0,2 м.
Из оценок следует, что увеличение гидростатического давления приводит к уменьшению времени захлопывания пузырьков. Этот эффект применен в нашем техническом решении путем установки разгонных сопел встречно друг к другу в нижней части КР. Это создает условие кавитирующим затопленным водовоздушным струям находится под гидростатическим давлением в КР, которое способствует уменьшению времени захлопывания пузырьков, которые образуются при контактировании кавитирующих водовоздушных струй с реакторной водой и при столкновении друг с другом.
Кавитационный реактор содержит (рис. 3.11): 1 - гидроциклон, 1а -сетчатый фильтр: 2 - модернизированный модуль интенсивной аэрации и дегазации (ММИАД), 3- насос, 4- гидродинамический импульсный генератор, 5 - электропривод, 6 - кавитационный реактор КР, 7 - два эжектора, 8 -проскоковый фильтр.
Кавитационный реактор КР 6 представляет собой вертикально расположенный цилиндрический корпус, в нижней части которого герметично приварен полый конус 19. В нижней части внутри цилиндрического корпуса на одной вертикальной оси расположен защитный экран 17 и, который установлен над разгонными соплами 16, кроме того защитный экран 17 установлен с зазором коаксиально цилиндрическому корпусу КР6 и закреплен на кронштейнах 18.
Разработка озоно-воздушного реактора для очистки воды
Комплекс работает следующим образом. Очищаемая вода подается из скважины насосом 1 в гидроциклон, в котором производится удаление песка и твердых частиц. Твердые частицы в гидроциклоне выделяются в результате центробежной силы, возникающей при тангенциальном вводе осветляемой воды. В процессе работы гидроциклона выделяемые твердые частицы сбрасываются в дренаж. Далее вода поступает в эжекторы 4 и 5, в которых струя жидкости, вытекающая с большой скоростью (примерно 25 м/с) из сопловой насадки, эжектирует окружающий газ и создает разрежение в приемной камере (ПК) эжекторов 4 и 5, что способствует десорбции СОг В камере смешения происходит образование водовоздушной смеси — пузырьки воздуха распределяются в объеме воды. Поэтому вода теряет прозрачность и приобретает молочную окраску. В качестве окислителя в установке используется кислород воздуха или озоно-воздушная смесь. Обработка воды происходит в результате использования в модуле интенсивной аэрации и дегазации процессов дросселирования, кавитации, турбулентной диффузии, вакуумирования и увеличении площади контакта двух сред (воздух и вода), что многократно увеличивает скорость дегазации и аэрации по сравнению с другими известными устройствами.
В эжекторах и в баках-реакторах, также происходит образование микропузырьков путем сталкивания эжекторных водовоздушных струй с водой в баке-реакторе. Процесс схлопывания микропузырьков идет одновременно с обеззараживанием воды, так как при схлопывании (коллапсировании) микропузырьков внутри них возникает экстремальная температура, примерно около 1000С. Оказавшиеся в центре схлопывания пузырька споры грибков и бактерий уничтожаются. Осадок, накопленный в баках-реакторах в процессе работы, периодически сбрасывается в отстойник. Удаление отработанных газов в атмосферу производится вытяжным вентилятором. Обработанная вода насосом 9 подается через проскоковый фильтр 11 на РЧВ к потребителю. Воздушный клапан 12 сбрасывает периодически в атмосферу образовавшуюся паровоздушную смесь, скапливающуюся в проскоковом фильтре 11. Параметры степени очистки воды приведены в табл. 4.3.
Комплекс для очистки и обеззараживания воды, в зависимости от выполняемых технологических задач, может содержать один и более модулей интенсивной аэрации и дегазации. Это позволяет увеличить скорость дегазации и аэрации. Такое исполнение позволяет отказаться от дополнительных фильтров. Процесс очищения и обеззараживания воды происходит в баках-реакторах с последующим удалением осадков в дренаж, или септик. Проскоковый фильтр для улавливания мельчайших твердых частиц и получения воды необходимого качества устанавливается только на финишном участке перед подачей воды к потребителю.
Разработанный нами реактор для обработки воды озоном, включает корпус, в верхней части которого размещен узел создания водогазовой смеси, патрубки отвода и подвода воды и электродную систему с высоковольтным напряжением. Эффективность использования увеличивается из-за того, что электродная система заключена в герметичный корпус, имеющий два патрубка, один соединенный с атмосферой, и второй патрубок, соединённый с узлом создания водогазовой смеси [7].
Узел создания водогазовой смеси снабжён патрубком всасывания озоновоздушной смеси, электродная система размещена под узлом создания водогазовой смеси. Герметичный корпус выполнен из нержавеющей стали.
В известных ранее решениях вода, содержащаяся в водогазовой смеси, попадает в разрядное пространство между электродами, что приводит к шунтированию разрядных промежутков и, как следствие этого, уменьшению выхода озона до 3 раз. Кроме того, содержащиеся в обрабатываемой воде примеси в процессе работы осаждаются на поверхности электрических барьеров и замыкают разрядные промежутки. При этом происходит непрерывное уменьшение синтеза озона, вплоть до полного прекращения. Для удаления отложений электродную систему необходимо периодически разбирать, промывать в растворах кислот и очищать от отложений.
Нами разработано устройство с электродной системой, изолированной от водогазовой смеси с помощью корпуса из нержавеющей стали. Поэтому разрядные промежутки обдуваются только воздухом, что приводит к повышению выхода озона и предотвращает появление отложений на электрических барьерах. Благодаря этому отпадает необходимость в периодической разборке и чистке электродной системы.
На рис. 4.10 приведена принципиальная схема реактора для обработки воды озоном. Реактор состоит из герметичного корпуса 1 выполненного из нержавеющей стали, в верхней части которого размещен узел создания водогазовой смеси 2, имеющий патрубок подвода обрабатываемой воды 3 и патрубок всасывания озоновоздушной смеси 4. Под узлом создания водогазовой смеси 2 размещена электродная система 5, подключенная к источнику питания 6. Для увеличения эффективности реактора электродная система 5 заключена в герметичный корпус из нержавеющей стали 7, имеющей патрубок 8, соединенный с атмосферой, и патрубок 9, соединенный с узлом создания водогазовой смеси 2. Для вывода отработанного воздуха из
При обработке воды в реакторе протекают следующие процессы. При подаче обрабатываемой воды на узел создания водогазовой смеси 2 через патрубок 3 во всасывающем патрубке 4 создается разряжение и озоновоздушная смесь из корпуса 7 электродной системы 5 начинает поступать в узел создания водогазовой смеси 2, где и происходит перемешивание озоновоздушной смеси с обрабатываемой водой. Воздух, необходимый для выработки озона поступает в корпус 7 электродной системы 5 через патрубок 8, соединенный с атмосферой. Отработанный воздух удаляется из реактора через патрубок 10. Корпус 7 электродной системы 5 охлаждается водой, имеющейся в водогазовой смеси.
Размещение электродной системы в герметичном корпусе, соединенном с узлом создания водогазовой смеси, позволило изолировать электродную систему от контакта с обрабатываемой водой. Это увеличивает количества озона и предотвращает образование отложений на электродной системе.
