Установка для озонирования воды и способ озонирования воды - RU2207985C1

Чертежи

Описание

Изобретение относится к технике обработки воды окислением с помощью озонирования. Оно может быть использовано, в частности, для обеззараживания питьевой воды в системах водоснабжения городов и других населенных пунктов, для дезинфекции оборотной воды бассейнов и для очистки сточных вод промышленных предприятий.

Предшествующий уровень техники
Привлекательность озона по сравнению с другими окислителями, применяемыми для обработки воды, обусловлена в первую очередь его высокими окислительными свойствами и способностью эффективно разрушать различные неорганические и органические соединения, а также патогенные микроорганизмы, в том числе стойкие к действию других окислителей, например хлора. Возможность производства озона на самой очистной станции исключает необходимость его подвоза и хранения. Кроме того, при озонировании воды у нее исчезают неприятный вкус и запах, повышается прозрачность и возрастает содержание растворенного кислорода. Разложение остаточного озона протекает быстро, с выделением кислорода, без образования токсичных соединений.

Известно большое количество способов и устройств для получения чистой воды методом озонирования, в том числе способ получения воды с высокой концентрацией озона, включающий контактирование озонсодержащего газа с распыляемой в виде мелких капель исходной водой. Способ осуществляют в устройстве, включающем камеру, в верхней части которой расположены сопла для распыления исходной воды и патрубки для подвода озонсодержащего газа, а в нижней части, в которой накапливается обработанная вода, расположен патрубок для ее слива (ЕР 0430904 А1, 05.06.91). Недостатком этого технического решения является то, что оно не предусматривает разложения остаточных количеств озона, который выбрасывается в атмосферу. В связи с тем, что ПДК озона в воздухе составляет 1 мг/м³, актуальной задачей является снижение его концентрации в газовых выбросах.

Известная из RU 2114069 С1, 27.06.98 установка частично решает эту задачу. Она содержит озонатор, насос, соединенные трубопроводами две контактные емкости с вертикальными инжекционными элементами, образованными насадками кольцевого сечения для струйного истечения жидкости, заделанными в трубную решетку, и опускными трубами, вмонтированными в другую, ниже расположенную трубную решетку соосно с насадками. Над первой решеткой расположен штуцер подачи обрабатываемой воды, а над второй - штуцер подвода озоно-воздушной смеси. Штуцер отвода отработанной озоно-воздушной смеси соединен с устройством для разложения остаточного озона, например катализаторной коробкой. Это техническое решение позволяет повысить степень использования озона и уменьшить загрязнение окружающей среды. Однако данное устройство является довольно сложным. Кроме того, озон используется недостаточно полно в основном процессе и заметное количество этого газа теряется за счет разложения.

Известно устройство для озонирования воды, содержащее систему подготовки воздуха, соединенную с генератором озона, снабженным источником электропитания, реакционную емкость, в нижней части которой расположены диспергаторы, сообщенные с генератором озона, а также систему обработки избыточного озона. Реализуемый в этом устройстве способ обработки воды включает синтез озона из предварительно охлажденного и осушенного воздуха, пропускание распыленного диспергатором озона через слой обрабатываемой воды, обработку избыточного озона путем его нагревания и разложения на катализаторе, а также фильтрацию воды (RU 2114790 С1, 10.07.1998). Указанные способ и устройство являются наиболее близким аналогом заявленного изобретения и имеют следующие недостатки: степень использования озона в процессе обработки воды не вполне оптимальная, образуется заметное количество остаточного озона, который расходуется непроизводительно, поступая на химическое разложение.

Раскрытие изобретения
Технической задачей, на решение которой направлено настоящее изобретение, является повышение эффективности и качества обработки воды за счет увеличения степени использования озона. Еще один важный результат заключается в обеспечении возможности создания мобильной установки, состоящей из модулей, не требующей больших капиталовложений.

Поставленная задача решается тем, что установка для озонирования воды, содержащая систему предварительной подготовки воздуха, соединенную по предварительно подготовленному воздуху с, по меньшей мере, одним снабженным источником электропитания генератором озона, который по озоно-воздушной смеси связан с реакционной емкостью, сообщенной с источником обрабатываемой воды, имеющей отводной трубопровод очищенной воды и снабженной диспергаторами для формирования пузырьков озоно-воздушной смеси в воде реакционной емкости, и в которой предусмотрено средство для уменьшения массы остаточного (непрореагировавшего) озона, согласно изобретению выполнена в виде отдельных модулей контейнерного типа, реакционная емкость представляет собой контактный бассейн, в котором диспергаторы для формирования пузырьков озоно-воздушной смеси выполнены в виде пористой пластины или пластины с сужающимися каналами для пропускания озоно-воздушной смеси, в которых диаметры входного и выходного отверстий составляют соответственно 180-200 мкм и 100-150 мкм, а средство для уменьшения массы остаточного озона выполнено в виде форсунок, соединенных с источником воды и размещенных в верхней части контактного бассейна над его зеркалом, обеспечивающих распыление воды над всем зеркалом обрабатываемой воды при их объемном соотношении, соответственно равном 1-20: 100.

Отдельные модули контейнерного типа могут быть выполнены в мобильном или стационарном варианте, а количество модулей в составе установки может насчитываться от четырех и более.

Один из модулей контейнерного типа является модулем предварительной подготовки воздуха, другой является модулем получения озона, включающим, по меньшей мере, один генератор озона, и третий является реакторным модулем, включающим реакционную емкость, в нижней части которой размещены диспергаторы, а в верхней части установлены форсунки.

Модуль предварительной подготовки воздуха содержит блоки охлаждения и осушки воздуха.

Установка дополнительно снабжена модулем системы контроля и управления и модулем энергообеспечения. Управление работой всех модулей может объединяться в модуле системы общего контроля и управления либо может происходить раздельно.

Установка дополнительно снабжена модулем терморегулирования, в модуле получения озона предусмотрено средство охлаждения озоно-воздушной смеси, через которое осуществлена связь с реакционной емкостью, а реакторный модуль снабжен блоком очистки отработанной озоно-воздушной смеси. Модуль терморегулирования установки обеспечивает оптимальный температурный режим работы оборудования.

В верхней части контактного бассейна над его зеркалом, над всей его поверхностью, размещена система для уменьшения массы остаточного озона, выполненная в виде, по меньшей мере, одного блока форсунок, соединенных с источником распыляемой воды. Таким источником воды для форсунок является источник исходной воды или сам контактный бассейн.

Пластины диспергатора выполнены толщиной 1-6 мм. Нижний предел обусловлен сохранением жесткости пластины, а верхний - обеспечением достаточной газовой проницаемости пластины. Для пластин в качестве материала, устойчивого к длительному воздействию озона и воды, используют, например, сплавы на основе титана или стеклокерамики по принципу "фильтров Шотта".

Контактный бассейн разделен на секции вертикальными перегородками, чередующимися между собой, примыкающими к дну и установленными с зазором относительно дна, при этом каждый диспергатор установлен в секции, в которой также размещены форсунки.

Такая конструкция приведена в качестве примера, за счет чего выполняется перетекание воды из секции в секцию.

Количество секций в контактном бассейне может составлять 2-10. Верхний предел количества секций выбран из условия обеспечения производительности типовой стационарной установки. Меньшее количество секций используется в мобильных установках.

Установка снабжена системой фильтрации воды до подачи ее в контактный бассейн и/или после него.

Блок очистки отработанной озоно-воздушной смеси перед выбросом ее атмосферу содержит нагреватель и/или катализатор.

И система фильтрации, и блок очистки конструктивно могут входить в состав реакторного модуля.

Поставленная задача решается также тем, что в способе озонирования воды, включающем предварительную подготовку воздуха путем его осушения и охлаждения, подачу его в генератор озона с получением на выходе из него озоно-воздушной смеси с последующей ее подачей в реакционную емкость и пропусканием через обрабатываемую воду, после чего уменьшают массу остаточного озона, согласно изобретению для увеличения поверхности взаимодействия озона с обрабатываемой водой формируют пузырьки озоно-воздушной смеси диаметром 1-2 мм путем пропускания ее через пластину с сужающимися каналами, диаметры входного и выходного отверстий которых составляют соответственно 180-200 мкм и 100-150 мкм, а уменьшение массы остаточного озона в озоно-воздушной смеси осуществляют путем распыления воды над всем зеркалом обрабатываемой воды при их объемном соотношении, соответственно равном 1-20:100. Предпочтительно, когда озоно-воздушную смесь подают в контактный бассейн реакционной емкости, при этом обрабатываемую воду подают последовательно из одной секции в другую контактного бассейна поочередно восходящими и нисходящими потоками, причем предпочтительно в каждой секции поток озоно-воздушной смеси из обрабатываемой воды и поток распыляемой воды направляют навстречу друг другу.

Перед подачей в генератор озона воздух осушают и охлаждают до точки росы от минус 60 до минус 65^oС и подают в генератор озона при температуре от плюс 5 до минус 30^o С.

Для очистки от механических примесей перед подачей обрабатываемой воды в контактный бассейн и после выхода обработанной из контактного бассейна воды последнюю очищают путем фильтрации.

Для удаления следов озона, которые еще могут оставаться в отработанной озоно-воздушной смеси, перед выбросом в атмосферу отработанную озоно-воздушную смесь нагревают и/или пропускают через слой катализатора блока очистки.

Указанные пористость или альтернативно форма и размеры каналов пластин диспергатора способствуют тонкому распылению озоно-воздушной смеси, ее хорошей растворимости в воде и эффективному воздействию озона на примеси.

Наличие блока форсунок, размещенных указанным выше образом, и обеспечение оптимального объемного соотношения распыляемой и обрабатываемой в контактном бассейне воды позволяют снизить до минимума количество остаточного озона в озоно-воздушной смеси, подаваемой в дальнейшем в блок очистки, где ее нагревают и/или пропускают через катализатор.

Краткое описание чертежа
Сущность изобретения поясняется чертежом, на котором схематично показана установка для озонирования воды в виде модулей контейнерного типа (наиболее предпочтительный вариант выполнения установки по данному изобретению).

Предпочтительный вариант осуществления изобретения
Установка для озонирования воды согласно изобретению выполнена в виде отдельных модулей контейнерного типа, основными из которых являются модуль 1 предварительной подготовки воздуха, модуль 3 получения озона и реакторный модуль 5.

Модуль 1 содержит систему предварительной подготовки воздуха. Система предварительной подготовки воздуха содержит в свою очередь блок 2 охлаждения и осушки воздуха. Модуль 3 получения озона содержит, по меньшей мере, один снабженный источником электропитания (на чертеже не показан) генератор 4 озона. Реакторный модуль 5 содержит реакционную емкость, которая сообщена с источником обрабатываемой воды и имеет отводной трубопровод очищенной воды. Реакционная емкость представляет собой контактный бассейн 6. Установка снабжена также системой фильтрации воды (на чертеже не показана) до подачи ее в контактный бассейн и/или после него и блоком очистки отработанной озоно-воздушной смеси (на чертеже не показана) перед выбросом ее атмосферу, содержащим нагреватель и/или катализатор. В нижней части бассейна 6 размещены диспергаторы 7 для формирования пузырьков озоно-воздушной смеси в воде. В верхней части бассейна 6 предусмотрено средство для уменьшения массы остаточного (непрореагировавшего) озона. Каждый диспергатор 7 для формирования пузырьков озоно-воздушной смеси выполнен в виде пористой пластины или пластины с сужающимися каналами. Если диспергатор 7 образован пористой пластиной, то размеры пор составляют 10-150 мкм. Если диспергатор 7 образован пластиной с сужающимися каналами, то диаметры входного и выходного для озоно-воздушной смеси отверстий канала в пластине составляют соответственно 180-200 мкм и 100-150 мкм. Средство для уменьшения массы остаточного озона выполнено в виде форсунок 8, соединенных с источником воды и размещенных в верхней части контактного бассейна над его зеркалом. Источником воды для форсунок является источник исходной воды или сам контактный бассейн. Установка дополнительно снабжена модулем терморегулирования (на чертеже не показан). В модуле 3 получения озона предусмотрено средство охлаждения озоно-воздушной смеси (на чертеже не показано). Модуль 3 по озоно-воздушной смеси сообщен с реакционной емкостью, а реакторный модуль 5 снабжен блоком очистки отработанной озоно-воздушной смеси (на чертеже не показан). Установка включает также модуль 10 системы контроля и управления и модуль 11 энергообеспечения.

Контактный бассейн 6 может быть выполнен в виде одной секции или разделен перегородками 9 на две и более секций. Оптимальное число секций 2-10.

Установка согласно изобретению работает следующим образом.

Атмосферный воздух обычно под давлением 4-6 атм подают в модуль 1 предварительной подготовки воздуха, где происходит его очистка, осушка и охлаждение в блоках 2 до точки росы, например от минус 60 до минус 62^oС, и затем при температуре, например, от плюс 5 до минус 10^oС подают в модуль 3 получения озона, где при помощи генераторов 4 озона, источники электропитания которых соединены с модулем 11 энергообеспечения, получают озон, который в составе озоно-воздушной смеси направляют в реакторный модуль 5, где, проходя через диспергаторы 7, формируются пузырьки озоно-воздушной смеси, которые пропускают через обрабатываемую воду контактного бассейна 6 реакционной емкости. Предпочтительно обработку воды ведут в проточном контактном бассейне, в котором вода с заданной скоростью (расходом) протекает от входа в выходу.

Пузырьки озоно-воздушной смеси размером 1-2 мм проходят через слой обрабатываемой воды, при таких размерах пузырьков замедляется их всплытие, вследствие чего часть озона уносится с обрабатываемой водой. Остаточный (непрореагировавший) озон в составе озоно-воздушной смеси поступает в пространство над поверхностью (зеркалом) обрабатываемой воды в контактном бассейне 6. Большая часть остаточного озона в составе озоно-воздушной смеси поглощается водой, распыляемой через форсунки 8 над всем зеркалом обрабатываемой воды при их объемном соотношении, соответственно равном, например, 5-20: 100, при этом в форсунки может подаваться свежая вода из системы подачи воды в контактный бассейн 6 или системы рециркуляции обрабатываемой в контактном бассейне 6 воды.

Остаточный озон в составе озоно-воздушной смеси, который не был поглощен распыляемой форсунками 8 водой, подают в блок очистки (на чертеже не показано), где его нагревают и/или пропускают через катализатор.

В процессе озонирования воды осуществляют контроль качества воды на входе и выходе установки, т. е. анализируют состав примесей. Также возможно контролировать давление или расход воды, давление воздуха и озона и другие показатели. Перед проведением озонирования вода может быть очищена разными способами, например многоступенчатой фильтрацией. В тех случаях, когда при обработке озоном в воде образуются осадок или взвесь твердых включений, предусматривают ее фильтрование перед подачей потребителю. Блоки фильтрации на чертеже не показаны.

Пример 1.

Для обработки воды озоном использовали установку, схема которой показана на чертеже. Атмосферный воздух охлаждали и осушали в блоках 2 до точки росы минус 60^oС, после чего воздух под давлением 1,6 кгс/см² и температуре плюс 5^oС подавали в генераторы 4 озона. Полученную озоно-воздушную смесь вводили в контактный бассейн 5. Обрабатываемая вода протекала со скоростью 2 см/сек от входа в контактный бассейн к его выходу, проходя последовательно первую и вторую секции. Высота слоя воды составляла 4 м. Полное обновление воды в бассейне происходило в течение 20 мин. В его нижней части равномерно по всему поперечному сечению были расположены диспергаторы 7, выполненные в виде пористых пластин толщиной 4 мм с размерами пор 70 мкм, через которые вводили озоно-воздушную смесь. На поверхности пластин образовывались пузырьки озоно-воздушной смеси, которые при достижении размера 2 мм отрывались и, проходя через слой воды, перемешивались с ней и растворялись (растворимость озона в воде составляет 210-400 мг/л в диапазоне температур от плюс 2 до плюс 20^oС). Концентрация озона в воде составляла 20 мг/л. Озон вступал в химическую реакцию с находящимися в воде примесями и окислял их. Коэффициент использования озона в слое воды составлял 90%. Остаточное количество озона в составе озоно-воздушной смеси поступало в верхнюю часть контактного бассейна и взаимодействовало с распыляемой через форсунки 8 свежей водой, вводимой из системы подачи воды в бассейн. Размер капель составлял 1-2 мм. Объемное соотношение распыляемой воды и находящейся в контактном бассейне обрабатываемой воды составляло 5:100. Коэффициент использования озона при этом повышался до 98%. Остаточный озон в составе озоно-воздушной смеси перед выбросом в атмосферу пропускали через блок очистки, где его утилизировали путем нагревания до температуры 90^oС. Система контроля и управления обеспечивала бесперебойную подачу воды, ее обработку, контроль различных параметров и блокировку от нештатных ситуаций.

В таблице приведены некоторые показатели качества воды до обработки озоном и после нее. Представленные данные свидетельствуют о высоком качестве обработки воды озоном, проведенной предложенным способом с использованием предложенного устройства.

Пример 2.

Озонирование воды осуществляли аналогично примеру 1 за исключением того, что вместо двухсекционного контактного бассейна в установке использовали контактный бассейн, которой был разделен на 4 секции вертикальными, поперечными, поочередно примыкающими к дну и установленными с зазором относительно дна перегородками. В каждой секции был размещен блок форсунок, при этом обрабатываемую воду подавали последовательно из одной секции в другую контактного бассейна поочередно восходящими и нисходящими потоками, причем предпочтительно в каждой секции поток озоно-воздушной смеси из обрабатываемой воды и поток распыляемой воды направляли навстречу друг другу. Вода перетекала из секции в секцию от входа в контактный бассейн к его выходу со скоростью 4 см/сек. В качестве диспергаторов применяли пластины толщиной 6 мм с каналами в форме усеченного конуса, диаметр которых на входе и выходе озона составлял соответственно 200 мкм и 150 мкм.

Размер пузырьков озоно-воздушной смеси, срывающихся с диспергаторов, при этом составлял 2 мм. Объемное соотношение распыляемой воды, в качестве которой использовали воду из системы рециркуляции контактного бассейна, и находящейся в контактном бассейне обрабатываемой воды составляло 1:50. Кроме того, использовали дополнительный контактный бассейн, выполненный идентично основному, в который через диспергаторы вводили остаточную озоно-воздушную смесь из основного бассейна. Полученная в результате обработки вода отвечала всем стандартам качества питьевой воды.

Промышленная применимость
Разработанные модули установки имеют габаритные и массовые характеристики, при которых возможно их транспортирование в виде контейнеров любым видом транспорта: автомобильным, железнодорожным, водным и воздушным, что существенно расширяет область ее использования по сравнению с существующими аналогами, которые непригодны к транспортированию, так как выполнены в виде капитальных промышленных сооружений.

Предложенное деление установки на модули контейнерного типа позволяет в широком диапазоне варьировать ее производительность путем последовательно подключения стандартных модулей, что может обеспечить потребности как единичного потребителя, например один дачный домик, так и потребности целого дачного поселка. Кроме этого, предложенные модули могут быть использованы и в составе стационарного очистного сооружения любого населенного пункта, в том числе и мегаполиса. Площадь для размещения модулей установки составляет соответственно для первого случая 18 м² и 27 м². Наряду с возможностью транспортирования предложенная установка обеспечивает очистку воды с соблюдением требуемых стандартов и обеспечивает экологическую безопасность, так в ней предусмотрены средства по уменьшению массы остаточного (непрореагировавшего) озона в пределах допустимых концентраций.

Реферат

Изобретение относится к технике обработки воды озонированием и может быть использовано, в частности, для обеззараживания питьевой воды и системах водоснабжения. Установка для озонирования воды, которая согласно изобретению выполнена в виде отдельных модулей контейнерного типа, реакционная емкость представляет собой контактный бассейн, в котором диспергаторы для формирования пузырьков озоно-воздушной смеси выполнены в виде пластины с сужающимися каналами, в которых диаметры входного и выходного отверстий составляют соответственно 180 - 200 и 100 - 150 мкм, а средство для уменьшения массы остаточного озона выполнено в виде форсунок, соединенных с источником воды и размещенных в верхней части контактного бассейна над его зеркалом, обеспечивающих распыление воды над всем зеркалом обрабатываемой воды при их объемном соотношении, равном соответственно 1 - 20:100. Способ озонирования воды, осуществляемый в описанной установке, включает формирование пузырьков озоно-воздушной смеси диаметром 1 - 2 мм для увеличения поверхности взаимодействия озона с обрабатываемой водой и уменьшения массы остаточного озона в озоно-воздушной смеси, причем озоно-воздушную смесь прпускают через пластины с сужающимися каналами, в которых диаметры входного и выходного отверстий составляют соответственно 180 - 200 и 100 - 150 мкм, а распыление воды над всем зеркалом обрабатываемой воды при их объемном соотношении, соответственно равном 1 - 20:100. Технический результат заключается в повышении эффективности и качества обработки воды вследствие увеличения степени использования озона, а также в обеспечении возможности транспортирования установки за счет выполнения ее в виде отдельных модулей контейнерного типа. 2 с. и 11 з.п.ф-лы, 1 ил., 1 табл.

Формула