ИННОВАЦИИ БИЗНЕСУ

Наименование инновационного проекта

Технология обеззараживания воды.

Рекомендуемая область пременения

Коммунальное хозяйство, станции водоподготовки и водоочистки бытовых и технических вод, плавательные бассейны, медицинские учреждения, предприятия пищевой отрасли, животноводческие фермы, системы промышленного оборотного водоснабжения, лаборатории биологии и биохимии.

Назначение, цели и задачи проекта

Основное назначение проекта – проведение качественного обеззараживания природных и сточных вод с использованием энергии электрического или гидродинамического поля, позволяющих осуществлять обеззараживание воды безреагентным способом. достоинством названных методов является их экологическая безопасность. Они не требуют использования химических реагентов, что позволяет упростить технологию обработки воды и исключить загрязнение окружающей среды этими реагентами, как в результате эксплуатации, та Ки в результате аварий.

Исходя из этого целями и задачами проекта является создание и практическое внедрение локальных установок для обеззараживания воды энергетическими полями. Локальные установки электрического или гидромеханического обеззараживания должны обеспечивать:

- высокую степень обеззараживания воды (согласно требованиям СанПиНа для питьевой воды и очистки коммунально-бытовых сточных вод или ГОСТам и техническим требованиям для промышленных вод и стоков);

- нейтральность обработки, то есть, сохранение химического состава воды после ее обеззараживания;

последствия, то есть, сохранение бактерицидных свойств воды после ее обработки.

Краткое описание заменяемого процесса или решаемой проблемы

удаления из воды примесей биологического приспособления широко используется обработка ее различными сильными окислителями. с их помощью обеспечивается прекращение жизнедеятельности микроорганизмов, окисление гумусных веществ, молекулярных органических соединений и т.д.

Хлорирование – наиболее распространенный метод обеззараживания воды на водопроводах нашей страны и зарубежом.

современная техника позволяет осуществлять хлорирование воды газообразным хлором или веществами, содержащими активный хлор: хлорной известью, гипохлоритами, хлораминами, двуокисью хлора и др. во всех случаях расход этих препаратов рассчитывается на активный хлор. Наиболее распространены в практике хлорирования газообразный хлор, хлорная известь, гипохлориты и хлорамины.

Несмотря на простоту и компактность установок хлорирования воды, доступность хлора и хлорсодержащих агентов, значительный опыт применения этого метода для обеззараживания воды, он имеет ряд серьезных недостатков, таки как: недостаточная глубина окисления, образование хлорорганических соединений, высокие дозы «активного хлора», высокая токсичность самого хлора и многих хлорсодержащих агентов.

Для обеззараживания воды и улучшения ее органолептических свойств может быть использован озон – O₃, являющийся более сильным окислителем, чем хлор.

Важным преимуществом озонирования является то, что вода при обработке не обогащается дополнительными примесями. Остаточный, неиспользованный озон через кроткий промежуток времени распадается и превращается в кислород. Дозировка озона, поэтому не требуется такой тщательности как дозировка хлора.

К недостаткам озонирования следует отнести достаточно высокую стоимость и сложность аппаратурного оформления, непродолжительность активного действия. Кроме того, при озонировании сточных вод остаются высокостабильные продукты трансформации, химическая природа и степень опасности которых неизвестны (возможно образование диоксинов). 

Для обеззараживания небольших количеств воды применяются аппараты для приготовления серебряной воды различной производительности, обеспечивающие обработку воды на небольших водопроводах, в тех местах, где применение хлора нежелательно и требуется длительной хранение питьевой воды (например, на кораблях). Концентрированные растворы серебряной воды используются для дезинфекции артезианских скважин, колодцев, труб и тары в пищевой промышленности и медицине.

Недостатками метода являются малая производительность установок, дороговизна реагента, что исключает возможность применения метода для обеззараживания стоков, высокая токсичность ионов серебра, требующая тщательного контроля дозировки активного компонента.

Краткое описание предлагаемого технологического процесса

Способы и устройства для обеззараживания жидкости, рассматриваемые в проекте, осуществляют уничтожение микроорганизмов за счет воздействия различных факторов. В зависимости от выбранного устройства или способа гибель микроорганизмов осуществляется за счет воздействия на них электрического поля. Химических веществ, образующихся при электролизе воды, механического разрушения клеток за счет гидроудара и кавитации, либо при комбинировании этих воздействий.

Электрические методы перспективны в виду доступности электрической энергии, простоты реализации и автоматизации.

Условия необходимые для эффективной обработки:

- проведение обеззараживания в непрерывном режиме;

- обеспечение равномерности структуры потока;

- создание и поддержание оптимальных параметров энергетического поля.

С учетом этих условий предложен ряд устройств для обеззараживания воды на конструкции, которых получены патенты России.

При использовании электрического поля обеззараживание осуществляется в специальных устройствах, конструкция которых позволяет проводить обработку в непрерывном режиме и при небольшом напряжении, подаваемом на электроды (до 36 В), обеспечивает оптимальную напряженность поля.

Форма электродов и величина зазоров между ними различна для различных конструкций, но при этом всегда обеспечивается одинаковое время пребывания всей жидкости в зоне электрического воздействия (за счет нарушения ламинарного режима концентрических потоков в межэлектродном зазоре, в случае коаксиального расположения электродов или за счет создания большого количества малых межэлектродных промежутков в случае электродной системы, выполненной в виде рулона).

Конструкция устройства для обеззараживания воды (рис. 1) включает корпус с катодом и анодом и дополнительными катодами и анодами, выполненными в виде цилиндрических пружин. Пружины выполнены с противоположным направлением навивки и установлены одна в другую с зазором.

Такая конструкция электродной системы дает возможность наращивания производительности устройства до необходимой величины при стабильном низковольтном режиме, обеспечивающем качественное обеззараживание.

Осесимметричная установка цилиндрических пружин – электродов с чередованием анодов и катодов позволяет установить такой зазор между ними, чтобы при малых напряжениях создавать оптимальный градиент напряжений в межэлектродном пространстве, обеспечивающий гибель бактерий. При этом величина живого сечения устройства, определяющая его производительность, формируется числом кольцевых сечений (площадью всех межэлектродных зазоров), то есть фактически числом электродных пар. Выполнение электродов в форме цилиндрических пружин обеспечивает турбулентность потоков между соседними электродами, что приводит к разрушению пограничного слоя жидкости, а, следовательно, выравниванию времени пребывания ее элементов в зоне действия электрического поля.

Таким образом, сочетание в конструкции устройства небольших зазоров между электродами и большой площади живого сечения обеспечивает повышение производительности процесса обеззараживания воды при оптимальном, а, следовательно, экономичном токовом режиме.

Конструктивные размеры устройства: длина корпуса 1 м, диаметр корпуса 0,2 м, диаметр стержневого анода 0,002 м, диаметр первого катода 0,02 м, диаметр второго анода 0,04 м, диаметр второго катода 0,06 м, величина зазора между соседними электродами 0,008 м.

Электроды выполнены в форме цилиндрических пружин из проволоки нержавеющей стали, диаметром 2 мм и установлены концентрически. Шаг навивки пружины 5 мм, причем аноды и катоды имеют противоположное направление навивки.

Обеззараживание воды осуществляется при постоянном токе с параметрами I=15 А, U=10 В. Расход воды q=3 л/мин.

Другая конструкция устройства для обеззараживания воды (рис 2) включает камеру в виде трубы, внутри которой установлены катод и анод, разделенные диэлектриком, причем катод, анод и диэлектрик выполнены в виде свернутых в рулон сеток с диаметром рулона, равным внутреннему диаметру трубы, при этом зазор между катодом и анодом равен толщине сетки из диэлектрического материала.

Сетки катода и анода могут быть выполнены из нержавеющей проволоки, проволоки из углеродных нитей и других электропроводных материалов.

Выполнение катода в виде гибких сеток, позволяет создать одинаковый зазор между катодом и анодом, предотвратить короткое замыкание между ними, выровнять время пребывания обеззараживаемой жидкости  в электрическом поле между электродами, уменьшить напряжение между ними при сохранении плотности тока, обеспечивающей подавление жизнедеятельности микроорганизмов, а также упростить конструкцию.

Увеличение диаметра рулона по сравнению  с внутренним диаметром трубы усложнит его установку в трубе, увеличит его гидравлическое сопротивление и, следовательно, затраты энергии на покачивание жидкости через устройство.

Конструктивные параметры устройства: Материал катода и анода – сетки из углеродных токопроводящих нитей толщиной 0,5 мм; материал диэлектрических сеток капрон, толщина сеток 1 мм. Ширина сеток электродов 100 мм, ширина сеток из капрона (диэлектрика) 120 мм. диаметр трубы – корпуса 27 мм. внутренний диаметр прокладок 20 мм, т.е. меньше внутреннего диаметра трубы 1 для создания упора кольцевой формы для рулона из сеток 2, 3, 4.

Конструкции электродных систем дают возможность наращивания производительности устройства до необходимой величины увеличением числа электродных пар, так как площадь живого сечения устройств, определяющая их производительность, складывается из площадей поперечных сечений межэлектродных зазоров.

Проведение процесса обеззараживания возможно с помощью механического разрушения простейших клеточных при сильных гидродинамических воздействиях. Такой способ обеззараживания позволяет отказать от реагентов, и не вызывает изменения химических и физико-химических свойств жидкости (которые возможны при электролизе).

Достаточно сильное гидродинамическое возмущение можно вызывать с помощью процессов кавитации и дросселирования. Осуществление этих методов не требует создания специального оборудования и больших энергозатрат.

Установка для кавитационного обеззараживания воды.

Расход воздуха, подаваемого для аэрации воды под разряжением, устанавливается так, чтобы он составлял 0,8-1,2 от предельной растворимости воздуха, соответствующей температуре воды. Возникающие вблизи лопаток центробежного насоса зоны пониженного давления – области разряжения – приводят к кавитационному течению.

Под действием гидроударов, сопровождающих кавитационное течение, происходит разрушение микроорганизмов и обеззараживание воды.

Расход воды устанавливался 0,6 м³/час или 10 л/мин, давление на входе 1 атм., выходе 2 атм., температура воды 20^о С. При расходе воды 10 л/мин, то расход воздуха составляет 0,2 л/мин.

предлагаемый способ обеззараживания воды можно использовать для обеззараживания и других жидкостей и растворов при соответствующем растворении в них воздуха, так как кавитационный эффект имеет место во всех жидкостях.

Также вместо воздуха можно подавать воздух, обогащенный кислородом или озоном. В этом случае помимо кавитационного эффекта обеззараживания возникает дополнительный эффект обеззараживания за счет интенсивного окисления. Расход газовой фазы в этом случае выбирается с учетом максимальной ее растворимости при рабочей температуре жидкости и ее давлении в выходном патрубке.

Кроме того, вместо центробежных насосов можно использовать осевые насосы, также приводящие к кавитации при аэрации воды.

Достаточно сильное гидродинамическое возмущение, так же приводящее к механическому разрушению микроорганизмов, может быть вызвано с помощью процесса дросселирования.

Микроорганизмы, содержащиеся в газожидкостной смеси, находятся в течение некоторого времени в области высокого давления. При этом происходит насыщение их газами (за счет диффузии и химических процессов, протекающих в клетке) до величины соответствующей температуре и давлению среды. При последующем дросселировании газожидкостной смеси происходит резкое снижение предельной растворимости газов в среде, приводящее к образованию пузырьков газа, как жидкости, так и в клетках микроорганизмов. Последние при этом погибают. Гибель микроорганизмов может быть обусловлена как изменением физических свойств клеток (давления, объема), так и нарушением химических процессов, протекающих в них.

Установка для обеззараживания воды дросселированием.

Давление на входе 1 атм., на выходе 2-6 атм., давлением в потоке после дросселя 1 атм., температура воды 20^оС, расход воздуха от 0,16 до 0,8 л/мин., что соответствует 0,8 доли от предельной растворимости воздуха при соответствующем давлении.

Интенсифицировать процесс позволяет устройство для обеззараживания воды, в котором бактерицидное действие электрического поля дополняется гидравлическим ударом.

Технико-экономическое обоснование применения инновационной технологии

Технико-экономические показатели  и технико-экономическое обоснование применения новых модульных установок для обеззараживания воды зависит от конкретных требований к обработанной воде, общего химического состав воды и заданной производительности.

Лабораторные исследования подтверждают, что обработка электрическими и гидродинамическими методами не оказывает негативного влияния на показатели воды. Химический состав практически не изменяется. Значения всех показателей не превышает предельно-допустимых концентраций для питьевой воды. Отмечается небольшое снижение жесткости воды и содержания некоторых компонентов (алюминия, железа, нитритов) при электрообеззараживании. Это можно объяснить оседанием металлов на катоде, а также разложением и окислением компонентов жидкости при электролизе. В процессе кавитационного обеззараживания по сравнению с контрольным образцом произошли изменения только микробиологического состава.

Таким образом, предложенные способы обеззараживания воды можно считать нейтральными и рекомендовать для применения в процессе водоподготовки. При использовании электрического метода необходимо уделить особое внимание выбору материала электродов и оптимального токового режима.

При обработке воды с помощью электрического поля сохраняется степень (допустимая по нормам, предъявляемым к питьевой воде) обеззараживания в течение 24 часов. Дальнейший рост численности микроорганизмов происходит значительно медленнее, чем в контрольном образце, что можно объяснить присутствием в воде, обработанной электрическим полем, хлора и хлорсодержащих компонентов, образовавшихся в процессе электролиза. Можно отметить, что последствия обработки электрическим полем близко к последействию традиционной обработки хлором.

При обработке воды с помощью кавитации последействие практически отсутствует, рост биологических загрязнений практически совпадает с развитием микробиологических загрязнений в контрольном образце.

Полученные данные позволяют сделать вывод о возможности применения того или иного устройства для обеззараживания воды. В целях водоподготовки, например, целесообразно применять электрическую обработку, так как при этом гарантия качества обработки воды в течение некоторого времени, пока вода поступит к потребителю. Применение процесса гидродинамического обеззараживания возможно только на предварительном этапе и требует внесения дезинфекантов при транспортировке и хранении. Напротив, в целях обеззараживания сточных вод лучше использовать устройства с механическим разрушением бактерий (кавитацией).

Этот способ практически не имеет последствия, что является достоинством, так как сточная вода, обеззараженная сама не несет никаких реагентов, окислителей и других веществ, губительно влияющих на микрофлору водоемов, в которые сбрасываются стоки.

Таблица

Затраты на обеззараживание воды

Опыты подтвердили действительность предложенных способов, и показатели, что эффект обеззараживания по показателям микробного числа соответствует 98-99% для электрического метода и 70-75% для гидродинамического. Это подтверждает данные, полученные на модельной среде, и дает возможность принять их за основу при проектировании промышленных устройств.

Выбор метода обеззараживания для конкретного объекта водоочистки или водоподготовки связан как с технологическими, так и экономическими показателями. В таблице приведены затраты на обеззараживание воды предложенным способом.

Расчеты показывают, что затраты на обеззараживание воды новыми, предлагаемыми способами сопоставимы с затратами на традиционные методы обеззараживания. Однако новые методы более перспективны, так как они экологически безопаснее традиционных.

Таким образом, можно сделать вывод, что предложенные способы обеззараживания воды можно применять в процессах водоподготовки. Они не вносят существенных изменений в физико-химический состав воды. Метод электрообеззараживания обладает хорошим пролонгированным действием. Метод гидродинамического обеззараживания перспективен в качестве предварительного обеззараживания.

В результате исследований по влиянию методов обработки воды на физико-химические, микробиологические и экономические показатели установлено:

кавитация и гидроудар практически не оказывают воздействия на физико-химические свойства воды;

электрообеззараживание в постоянном электрическом поле несколько увеличивает значение pH за счет получения растворимых ионов (хлор), хотя оно остается значительно ниже ПДК, в то же время уменьшается содержание нитритов и снижается жесткость воды;

энергозатраты и себестоимость предлагаемых методов обеззараживания в энергетических полях не превышает затрат при хлорировании или озонировании.

Технико-экономические показатели трудо-энерго-природосбережения нового процесса

Исключаются работы, связанные с наличием опасных и вредных факторов производственного процесса. Применение модульных установок исключает необходимость использования химических реагентов, в том числе любых хлорсодержащих веществ являющихся токсинными и требующими выполнения специальных требований безопасности.

Модульные установки электрообеззараживания в отличие от генераторов озона не используются высоких напряжений, а работают на пониженных (до 36 В) напряжениях.

Сокращаются транспортные расходы. Исключается необходимость закупки, транспортировки, складирования токсичных хлорсодержащих реагентов.

Снижение материальных и трудовых затрат. Достигается при замене сложного технологического оборудования (генераторов озона, контрольно-измерительной аппаратуры для обеспечения заданной дозировки хлорных компонентов) на более простое, как в обслуживании, так и в численности и квалификации персонала.

Новые потребительские свойства продукции

- качество обработанной воды соответствует нормативным требованиям по всем показателям, как микробиологическим, так и общим, органолептическим.
- в обработанной воде не образуются опасные органические соединения как при хлорировании и озонировании, что дает возможность применять технологию для процессов водоподготовки.
- обработанные сточные воды не содержат химические реагенты, что позволяет без ущерба для экосистемы природных водоемов производить выпуск очищенной воды.
- экологическая безопасность, не используются химические реагенты, что позволяет упростить технологию обработки и исключить загрязнение окружающей среды этими реагентами, как в результате эксплуатации, так и в результате аварий.

Качественные характеристики, предъявляемые к сырью и материалам

Качество обработанной воды по химическим и бактериологическим требованиям соответствует:
- при проведении водоподготовки – требованиям СанПиН 2.1.4.559-96 «Питьевая вода. Гигиенические требования к качеству воды централизованных систем питьевого водоснабжения. Контроль качества»
- при проведении очистки сточных вод – требованиям ГОСТ 17.1.3.13-86. Охрана природы. Гидросфера. Общие требования к охране поверхностных вод от загрязнений.

Стадия и уровень разработки

Разработаны модули для электрического и гидромеханического обеззараживания (разработки выполнены на уровне изобретений), проведены лабораторные исследования качества обеззараживания различных видов вод (природных, сточных, модельных), изготовлены опытные модели установок.

Предлагаемые инвестиции

250 млн. руб.
Для внедрения технологии в целом необходимо:
1. Провести лабораторные исследования для определения зависимости степени обеззараживания от расхода очищаемой воды, напряжения и тока электрического поля или кавитационного режима.
2. Спроектировать модуль для заданной воды и производительности.
3. Изготовить модуль.
4. провести монтаж и промышленные испытания.
5. Обучить персонал работе на промышленном модуле.

Рынки сбыта

- Коммунальное хозяйство;
- станции водоподготовки и водоочистки бытовых и технических вод;
- плавательные бассейны;
- медицинские учреждения;
- предприятия пищевой отрасли;
- животноводческие фермы;
- системы промышленного оборотного водоснабжения.
Россия и страны СНГ.

Возможность и эффективность импортозамещения

Возможна замена дорогостоящего оборудования по озонированию и ультрафиолетовому облучению воды производства США, Японии, Великобритании. Способ стерилизации жидкости Пат. Японии. № 62-437556, 1988. Устройство для обработки подавления или ингибирования роста бактерий. Пат. Великобритании. № 21969546, 1988. Устройство для консервирования жидких пищевых продуктов Пат. США № 4838154, 1989. Электролизер для дезинфекции Пат. США № 4822472, 1989.

Возможность выхода на мировой рынок

Срок окупаемости (в месяцах)

18

Дата поступления материала

26.06.2007