ИННОВАЦИИ БИЗНЕСУ

Наименование инновационного проекта

Технология кавитационного обеззараживания питьевой и сточной воды

Рекомендуемая область пременения

ЖКХ, медицинские учреждения, школы и детские дошкольные учреждения, очистные сооружения питьевой и сточных вод.

Назначение, цели и задачи проекта

Основное назначение проекта – разработка современных высокоэффективных и экологически чистых технологий обеззараживания питьевой и сточных вод.

         Поиск дополнительных методов обеспечения населения обеззараженной водой в условиях наводнений, пожаров и других стихийных бедствий из местных водоемов и источников, поиск методов сохранения водных ресурсов, водоочистка и водоподготовка.

         Поиск дополнительных, простых и надежных методов обеззараживания сточных вод туберкулезных диспансеров, инфекционных и других отделений медицинских центров, обеззараживания и дезодорации сточных вод ЖКХ, свиноферм, птицефабрик и других животноводческих помещений.

         Медицинские аспекты замены хлорирования питьевой воды другими методами обеззараживания.

         Точно установлено, что содержание йода в щитовидной железе зависит от содержания доступного йода в пище и потребления человеком воды. Щитовидная железа человека создающая свои запасы йода из содержания его в крови, может терять йод, например, при использовании для питья хлорированной воды.

         Существует известный закон о замещении галогенов. Галогенная группа распределяется следующим образом:

Галогены             Относительный атомный вес

Фтор                    -        19

Хлор                    -        35,5

Бром                   -        80,0

Йод                     -        127,0          

         Клиническая активность любого из этих четырех галогенов обратно пропорциональна их атомному весу. Так хлор может замещать бром и йод. Питьевая вода прошедшая хлорирование более вредна для организма не из-за содержания в ней болезнетворной микрофлоры, а из-за содержания хлора, обуславливающего значительную потерю необходимого организму йода.

Многие инфекционные болезни передаются водным путем - при использовании воды для питья и приготовления пищи, при купании и даже при вдыхании водных аэрозолей, содержащих болезнетворные микроорганизмы. Известен перечень возбудителей инфекционных заболеваний, передающихся через воду и представляющих серьезный риск для здоровья людей.

Существующие технологии водоочистки на водопроводных станциях не справляются со все возрастающим антропогенным загрязнением источников водоснабжения и, как следствие, наблюдается ухудшение качества питьевой воды, в том числе и по бактериологическим показателям. К тому же, методы обеззараживания воды, применяемые на водоочистных сооружениях, малоэффективны в отношении таких опасных возбудителей, как энтеровирусы.

По определению Гончарука В.В. и Потапкина Н.Г. дезинфекция или обеззараживание - это обработка воды, которая должна обеспечить уничтожение в ней болезнетворных микроорганизмов. Осуществить обеззараживание воды на 100% на практике обычно не удается. Поэтому в настоящее время принято выражать эффективность обеззараживания как 99%, 99,9% и т. д., что соответствует снижению количества микробов в обрабатываемой воде на два, три и т. д. порядков. Удовлетворительной считается степень обеззараживания в пределах 9,99 - 99,999%.

Методы обеззараживания, нашедшие применение в практике водоснабжения, условно можно разделить на три группы:

химические (применение различных  соединений  хлора,  озона, пероксида водорода, некоторых ионов металлов и др.);

физические (механические,     термические,     электрические, электромагнитные);

физико-химические (флотация, коагуляция, электрофильтрование, сорбция).

Химические методы обеззараживания. Среди химических методов обеззараживания самым распространенным на данный момент времени является хлорирование, так как хлор сравнительно недорогой, не вызывает трудностей при использовании, активен и обладает широким спектром антимикробного действия, легко дозируется и контролируется. Для обеззараживания и очистки воды в основном используют сжиженный хлор, сохраняемый под давлением в специальной таре, применяют и препараты, содержащие активный хлор, такие как хлорная известь, гипохлориты кальция и натрия, хлорамины, диоксид хлора и др., а также активный хлор, получаемый методом электролиза на месте потребления.

Из патогенных микроорганизмов, встречаемых в воде, наиболее чувствительны к действию хлора холерный вибрион, возбудители брюшного тифа и дизентерии. Возбудители паратифа и микрококки более устойчивы, а по отношению к споровым формам, хлор мало эффективен.Относительно устойчивы к хлору микобактерии, энтеровирусы, цисты простейших, синегнойная палочка.

Наименее эффективно хлорирование в отношении вирусов. Так, вирус гепатита А (ВГА) обладает высокой устойчивостью и практически не инактивируется связанным хлором в дозах 0,8-1,2 мг/дм³, которые используются для вторичного хлорирования на станциях водоподготовки. Для инактивации ВГА в воде на 99% доза связанного хлора должна быть не менее 4,2 мг/дм³ при исходном загрязнении воды 105 вирионов в 1 дм³, относительно устойчив к хлору вирус Norwalk, для полной дезактивации которого требуется доза свободного хлора 10 мг/дм³. Для обеззараживания воды от энтеровирусов необходима концентрация свободного хлора 1 - 2,7 мг/дм³, продолжительность контакта от 30 мин до 4 ч. Проведенные в последнее время исследования показали, что традиционные схемы водоподготовки во многих случаях не являются барьером на пути проникновения вирусов, цист простейших и лямблий в питьевую воду.

Многочисленные данные убедительно свидетельствуют о том, что хлорирование питьевой воды вызывает высокие уровни мутагенной активности и токсичности, выявленные с помощью различных биологических тестов. При обработке воды хлорактивными соединениями, обнаружены и выделены побочные продукты, обладающие высокой генотоксичностью: тригалогенметаны, хлорфенолы, п-нитрохлорбензол, бромоформ и др. У хлороформа и четыреххлористого углерода, относящихся к 24 галогенорганическим соединениям с отдаленными биологическими эффектами, выявлены канцерогенные свойства и, поэтому они рассматриваются как соединения опасные для человека. Недавно выделен и идентифицирован новый продукт, обладающий сильным мутагенным действием-3-хлор-4(дихлорметил)-5-гидрокси-2(5Н)-фуранон и его геометрический изомер. Концентрация его в питьевой воде в некоторых случаях может составлять 30-60 нг/см³.

Еще одна причина, из-за которой хлорирование нельзя считать универсальным методом обеззараживания - существование хлоррезистентной микрофлоры: хлорустойчивых форм E.coli, Pseudomonodaceae, Klebsiellae, Proteae, Legionella, относящихся к условнопатогенным и патогенным микроорганизмам и являющихся стабильными контаминантами городских систем водоснабжения.

Доказано, что при хлорировании сточных вод образуются химические соединения, обладающие мутагенными и канцерогенными свойствами. Даже небольшое количество остаточного хлора токсично для фауны водоемов. Кроме того, образующиеся хлорорганические соединения загрязняют также питьевую воду, так как, обладая высокой стойкостью, вызывают загрязнение рек на значительных расстояниях вниз по течению, практически не извлекаясь в процессе водоподготовки. Поэтому в настоящее время во многих странах ведутся интенсивные поиски альтернативных методов обеззараживания сточных вод.

Наибольшее применение (как альтернатива хлорированию) нашел метод озонирования. В настоящее время более 1000 водопроводных станций в Европе, в основном во Франции, Германии и Швейцарии, применяют озонирование как составляющую часть общего технологического процесса. В последнее время озонирование стали использовать в Японии и США. В странах СНГ озонирование применяется на водопроводных станциях таких крупных городов как Москва, Киев, Минск и др. Озонирование воды позволяет существенно улучшить качество питьевой воды, очищенной сточной воды и решить многие проблемы, возникающие при ее хлорировании.

Основные преимущества озона в сравнении с другими окислителями, используемыми для обработки воды, следующие:

- более сильный окислитель, чем хлор, одновременно с обеззараживанием удаляет и другие загрязнения воды (цветность, запах, привкус, железо, марганец, фенолы, нефтепродукты, ПАВ, уменьшает показатель ООУ и др.);

- высокая биоцидная активность, в том числе и в отношении вирусов и цист простейших;

- повышение эффективности последующих стадий водообработки -коагуляции и фильтрования;

- компактность установок, удобство их эксплуатации, отсутствие громоздкого реагентного хозяйства, возможность полной автоматизации процесса;

- обеспечивает    безопасность    питьевой    воды    в    санитарно-гигиеническом отношении и уменьшает вредное воздействие воды на здоровье человека;

- улучшается экологическое состояние водоемов в виду отсутствия губительного воздействия очищенных и обеззараженных озоном сточных вод на жизнедеятельность водоемов;

- отсутствие  побочных  токсичных  хлорорганических   продуктов реакции.

Обеззараживающее действие озона основано на его высокой окислительной способности, объясняющейся легкостью отдачи им активированного атома кислорода:

О₃ = О₂ + О.

Благодаря высокому окислительному потенциалу озон вступает во взаимодействие со многими минеральными и органическими веществами, в том числе и с протоплазмой бактериальных клеток, разрушая их. Биоцидное действие озона является результатом его реакции с жирными кислотами по двойной связи в клеточных стенках и мембранах бактерий, в протеиновых оболочках вирусов. В случае бактерий окисление приводит к изменению проницаемости клетки и переходу содержимого клетки в раствор. Для вирусов изменение протеиновой оболочки препятствует их захвату восприимчивыми клетками. При воздействии озона на клеточную стенку цист Giardiaпроисходит изменение цитоплазматической мембраны и ультраструктурных элементов организмов.

Озон обладает более сильным бактерицидным, вирулицидным и спороцидным действием. Наибольшая чувствительность к озону отмечена как у индикаторных бактерий, так и патогенных. В то же время чувствительность вирусов и простейших к озону значительно ниже.

Кроме того, озону присущи и недостатки:

- совместное применение соединений хлора и озона может привести как к уменьшению, так и увеличению хлорорганических соединений в

- образование  биоразлагаемых  соединений  в  воде,  являющихся доступными    источниками    углерода    для    бактерий    и    создающих потенциальную   угрозу   вторичному   росту   микроорганизмов   в   сетях (карбонильные соединения с малой и средней молекулярной массой, в основном    формальдегид    и    другие    альдегиды).    Повторный    рост микроорганизмов   вынудил   в   ряде   случаев   отказаться   вообще   от озонирования или ввести дополнительное остаточное хлорирование;

- недостаточная  изученность  продуктов  озонолиза органических соединений  в  воде  и  их  мутагенных  и  токсикологических  свойств. Неоднозначность и противоречивость данных литературы относительно оценки токсикологической безопасности озонированной воды в целом;

- образование   продуктов  озонолиза,   которые   могут  влиять   на здоровье людей - органические пероксиды, ненасыщенные альдегиды и эпоксиды, броматы;

- высокая энергоемкость и стоимость озонаторного оборудования.

Это относится в равной степени и к затратам на строительство и к эксплуатационным расходам, которые при работе станции озонирования определяются, главным образом, высокой энергоемкостью процесса синтеза озона (12 - 22 кВт*ч/кг производимого озона), вспомогательного оборудования (суммарное потребление электроэнергии станцией достигает 30-40 кВт*ч/кг озона и более), а также затратами на содержание обслуживающего персонала и обеспечение здания тепловой энергией.

Физические методы обеззараживания. Из физических методов обеззараживания наибольшее применение нашел ультрафиолетовый метод обработки, как безреагентный и экологически чистый. Создание мощных источников излучения, новые конструктивные решения УФ-установок, снабженных чувствительными датчиками, позволяющими измерять и контролировать интенсивность излучения в обрабатываемой воде и обеспечивать автоматическое регулирование интенсивности в зависимости от качества обрабатываемой воды, сделали этот метод конкурентоспособным и сравнимым по стоимости с хлорированием. Начиная с 80-х годов на Западе эта технология интенсивно развивается для водоочистки и водоподготовки промышленных и сточных вод.

Краткое описание заменяемого процесса или решаемой проблемы

Технической задачей, на решение которой направлено изобретение является создание способа обеззараживания питьевой и сточных вод и установки для его осуществления с повышенной эффективностью вирусов, цист простейших лямблий и яиц гельминтов за счет резкого увеличения разности давлений внутри и вне оболочки бактерий без применения других методов воздействия и каких-либо реагентов на проточную микрофлору.          Поставленная задача достигается тем, что в заявленном способе обеззараживания питьевой и сточных вод используется повышение давления в обрабатываемой жидкости, выдержка под повышенным давлением для выравнивания давлений внутри и вне оболочки бактерий, а затем резкое понижение давления вплоть до разряжения, что обеспечит надежное разрушение оболочек вирусов цист простейших, лямблий и яиц гельминтов на 99,99%.

         Новым, в заявленном способе обеззараживания питьевой и сточных вод является то, что процессы происходящие и осуществляющие разрушение оболочки бактерий обратны процессам, происходящим в кавитационнх пузырьках.

         Для образования кавитационных пузырьков давление в воде резко понижают примерно до -0,7, -0,8 кг/см2, а затем в зоне повышенного давления пузырьки схлопываются и далее на бактерии воздействуют кавитационные эффекты (ударные волны, кумулятивные струйки, высокие температуры и др.).

         В заявленном способе обеззараживания питьевой  и сточных вод, вода насосом высокого давления подается в ресивер в котором, по мере его заполнения поднимается давление, например до 15 кг/см², а затем по трубопроводу направляется в устройство, в котором происходит резкое понижение давления по всему поперечному сечению устройства до разряжения -0,7; -0,8 кг/см2. Разность давлений  АР составляет:

? Р = Р₁ – Р₂ = 15 – (-0,7) = 15,7 кг/см², где:

Р₁ – давление в воде до устройства

Р₂ – давление в устройстве

         Мгновенное понижение давления снаружи оболочек бактерий до -0,7;

 -0,8 кг/см² при временном сохранении давлений внутри бактерий до

15 кг/см² надежно обеспечивает взрывное разрушение изнутри всей патогенной микрофлоры, содержащейся в обрабатываемой воде за один проход.

Краткое описание предлагаемого технологического процесса

Установка для осуществления способа обеззараживания питьевой и сточных вод, включающая: насос высокого давления – 1 фиг.-1, ресивер – 2, устройство для мгновенного понижения давления – 3, накопительная емкость –4.

Рис.1

Рис.2.

Работает установка для осуществления способа обеззараживания питьевой и сточных вод следующим образом. Исходная питьевая или сточная вода по трубопроводу направляется в насос высокого давления – 1. Пройдя через несколько ступеней насоса – 1, каждая из которых повышает давление, питьевая или сточная вода по трубопроводу направляется в ресивер – 2. После заполнения ресивера – 2 и достижения в нем необходимого давления, вода направляется в устройство для мгновенного понижения давления – 3. Устройство для мгновенного понижения давления выполнено в виде круглоцилиндрического насадка Вентури – 5 фиг.-2, заканчивающегося внезапно, расширяющимся насадком Борда – 6 фиг.-2. Струя жидкости, подходя по трубопроводу из ресивера – 2, обходя кромку АА фиг.-2, благодаря силам инерции частиц жидкости, поступающим в насадок сжимается со всех сторон до минимального сечения по оси СС, затем струя расширяется и заполняет весь насадок. При этом образуется кольцевая водоворотная зона А фиг.-2. Водоворотная зона А, равно как и транзитная струя в пределах зоны А характеризуется наличием вакуума. Максимальный вакуум получается в сечении СС, где струя имеет наибольшее сжатие и где скорости в транзитной струе, а также кинетическая энергия жидкости оказываются наибольшими.

Не всякий патрубок, присоединенный к трубопроводу, работает как насадок Вентури. Для того, чтобы патрубок работал как насадок (увеличивая Q на 34%), необходимо, чтобы одновременно были соблюдены следующие два условия:

длина патрубка Ln должна находиться в пределах (3,5-4) d ? (6-7) d, где d – диаметр патрубка;

максимальный вакуум допускаемый в сечении СС не должен превышать – 0,8 кг/см2.

После прохождения струей жидкости  кромки ВВ фиг.-2, транзитная струя жидкости также образуют кольцевую водоворотную зону В характеризующуюся наличием вакуума, которая обеспечивает окончательное понижение давления и гашение кинетической энергии транзитной струи.

После прохождения зоны DD крупноцилиндрического насадка Борда, вода поступает в накопительную емкость – 4.

Технико-экономическое обоснование применения инновационной технологии

Кавитационное обеззараживание воды является одним из безреагентных методов обеззараживания воды. Для кавитации необходимо создать условия для массового обеззараживания кавитационных пузырьков и зону их исчезновения. На эффективность кавитации не влияет не мутность, не солевой состав воды, не цветность.

При кавитационном воздействии разрушаются коллоиды и частицы, внутри которых могут содержаться бактерии. Тем самым болезнетворные организмы лишаются защиты перед другими факторами кавитационного воздействия: химическими, физическим, электрическими.

Бактерицидное действие кавитации прямо пропорционально ее интенсивности, скорости потока и числу ступеней возбудителей кавитации.

Технико-экономические показатели трудо-энерго-природосбережения нового процесса

Высокая производительность.

Производительность соответствует паспортной производительности многоступенчатых насосов, например ЦНСГ.

Энергосбережение.

Затраты эл. энергии в 1,6 раза меньше чем, например, при УФ обработке.

Экологическая безопасность.

Технология обеззараживания не требует каких-либо реагентов, кислот, смол и т.д.

Энергопотребление.

11-17 кВт на 1 т воды.

Возможность использования отечественных материалов.

Все оборудование необходимое для осуществления технологии производится в России.

Новые потребительские свойства продукции

Обеззараживание и дезодорация воды производится одновременно без каких либо реагентов.

Качественные характеристики, предъявляемые к сырью и материалам

Продукция соответствует государственным стандартам.

Стадия и уровень разработки

Данная технология прошла этап экспериментального освоения в институте водных и экологических проблем СО РАН г.Барнаул.

Предлагаемые инвестиции

10 млн. руб.

Рынки сбыта

Оборудование для осуществления обеззараживания питьевой и сточных вод имеет высокую степень отработки, а технология уничтожения хлороустойчивых форм бактерий E.coli, Pseudomonodaceae, Klebsiellae, Proteae, Legionella, туберкулезной палочки, сальмонеллы, птичьего гриппа и др., требует серьезной проработки и оплаты анализов.
Потребителями названных технологий обеззараживания питьевой и сточных вод могут быть не только города и села России, но и страны СНГ, а также страны юго-восточной Азии, Латинской Америки, Африки и др.

Возможность и эффективность импортозамещения

Предлагаемая в проекте технология и оборудование для ее реализации не имеют аналогов на мировом рынке аналогичной продукции и услуг.

Возможность выхода на мировой рынок

Срок окупаемости (в месяцах)

24

Дата поступления материала

07.11.2006