CS256446B1

CS256446B1 - Equipment for biological water treatment

Info

Publication number: CS256446B1
Application number: CS856910A
Authority: CS
Inventors: Jan Janca; Jiri Drimal; Jan Trejtnar
Original assignee: Jan Janca; Jiri Drimal; Jan Trejtnar
Priority date: 1985-09-27
Filing date: 1985-09-27
Publication date: 1988-04-15
Also published as: CS691085A1

Abstract

Zařízení řeší biologickou úpravu vody kombinovaným účinkem ultrafialového záření a ozonu. Je tvořeno kovovým válcovým pláštěm, který .je uzemněn a mé vnitřní stranu reflexní. Plášt má jedem otvor bro vtok a druhý otvor pro výtok vody a uvnitř pláště je koncentrická válcová křemenná trubice. Okruh průtoku vody je na obou stranách utěsněn. Uprostřed křemenné trubice je souose umístěna germicidní trutová výbojka s elektrodami. Mezi ní a křemennou trubicí je vytvořena štěrbina, do níž na jedné straně ústí vstupní vzduchový otvor a na druhé straně vyústuje výstupní vzduchový otvor, které jsou oba se štěrbinou spojeny vzduchotěsně a celý tento vzduchový systém je na obou koncích vzduchotěsně připojen pres válcové příruby ke germicidní rtutové výbojce. Její jedna elektroda je připojena na je$en konec sekundárního vinutí vysokonapětového napájecího transformátoru, jehož druhý konec je uzemněn. Vývod sekundárního vinutí vysokého napětí je spojen s vývodem sekundárního vinutí nízkého napětí a přes odpor nebo tlumivku s druhou elektrodou.The device solves the biological treatment of water by the combined effect of ultraviolet radiation and ozone. It consists of a metal cylindrical shell, which is grounded and its inner side is reflective. The shell has one inlet hole and a second hole for the water outlet, and inside the shell is a concentric cylindrical quartz tube. The water flow circuit is sealed on both sides. A germicidal mercury discharge lamp with electrodes is coaxially placed in the middle of the quartz tube. A slit is created between it and the quartz tube, into which an inlet air hole opens on one side and an outlet air hole opens on the other side, both of which are connected airtightly to the slit, and this entire air system is airtightly connected at both ends via cylindrical flanges to the germicidal mercury discharge lamp. One of its electrodes is connected to one end of the secondary winding of a high-voltage power transformer, the other end of which is grounded. The terminal of the high voltage secondary winding is connected to the terminal of the low voltage secondary winding and through a resistor or choke to the second electrode.

Description

Vynález se týká zařízení pro biologickou úpravu vody kombinovaným účinkem ultrafialového záření a ozónu.BACKGROUND OF THE INVENTION The present invention relates to an apparatus for the biological treatment of water by the combined effect of ultraviolet radiation and ozone.

V současné době je ve stále větším množství používána biologicky čistá, tedy sterilní voda. Zvláštní nároky na biologickou čistotu používané vody jsou kladeny zejména v některých nemocničních provozech, farmaceutických technologiích a podobně. Použití tepelně sterilizované vody je příliš nákladné, přičemž destilovaná voda nemůže být v mnoha případech z fyziologického hlediska použita.Nowadays, biologically pure, i.e. sterile, water is used in increasing amounts. Particular demands are placed on the biological purity of the water used in particular in some hospital operations, pharmaceutical technology and the like. The use of thermally sterilized water is too costly, and distilled water cannot in many cases be used physiologically.

Nejúčinnější biologická úprava vody se provádí bud ozonizací vody, nebo ozařováním vody ultrafialovým zářením o vlnových délkách 220 až 300 nm, kdy jsou germicidní účinky největší.The most effective biological water treatment is carried out either by ozonizing the water or by irradiating the water with ultraviolet radiation at wavelengths of 220 to 300 nm, where the germicidal effects are greatest.

Pro úpravu pitné vody je již běžně používán ozón vyráběný v ozonizačních stanicích. Ozón je zde připravován ze vzduchu nebo z kyslíku, koncentrace ozónu v nosném plynu musí dosáhnout 15 až 20 mg/litr. Ozónem obohacený vzduch nebo kyslík je zaváděn do vody, kde se asi za 1 hodinu rozloží na molekulární kyslík. Ozón ve vodě nezanechává žádné toxické, pachové nebo chuťově závadné zplodiny. K biologické úpravě 1 m^ vody používané k pití postačují 3 8 ozónu. Takto upravená voda je vhodná pro komunální spotřebu, ale není biologicky čistá pro zdravotnické účely.For the treatment of drinking water, ozone produced in ozonization stations is already commonly used. Ozone is prepared here from air or oxygen, the ozone concentration in the carrier gas must reach 15 to 20 mg / liter. Ozone-enriched air or oxygen is introduced into water, where it decomposes to molecular oxygen in about 1 hour. Ozone in the water leaves no toxic, odorous or bad taste. 3 8 ozone are sufficient for biological treatment of 1 m 2 of water used for drinking. The treated water is suitable for municipal consumption but is not biologically pure for medical purposes.

Ultrafialové záření je velmi efektivním prostředkem pro ničení všech mikroorganismů včetně virů. Ultrafialové záření v oboru vlnových délek 220 až 300 nm způsobuje rozpad buněk a změny genetických vlastností mikroorganismů^ a postihuje takUltraviolet radiation is a very effective means of destroying all microorganisms, including viruses. Ultraviolet radiation in the wavelength range of 220-300 nm causes cell breakdown and changes in the genetic properties of microorganisms ^ and affects

L'I^SLL mikroorganismy již na molekulární iirovni. Ultrafialové záření v dostatečných dávkách ničí i mikroorganismy, které oxidaci atomárním kyslíkem vznikajícím z ozónu odolávají.L'I ^S LL microorganisms already on the molecular iris. Ultraviolet radiation in sufficient doses destroys microorganisms that resist oxidation by atomic oxygen from ozone.

Intenzívní ultrafialové záření je vyzařováno tzv. germicidními výbojkami. Jedná se o nízkotlaké výbojky s křemennou výbojovou trubicí plněnou argonem s parami rtuti. V germicidních výbojkách lze až 35 % přivedené energie přeměnit na ultrafialové záření o vlnové délce 253,7 nm, což je rezonanční čára Hg. Použití samotného ultrafialového záření je neekonomické a lze takto biologicky upravovat jen menší množství vody. V mikroelektronice se ukazuje.použití samotného ultrafialového záření jako nedostatečné; současná ozonizace podstatně zvyšuje výtěžnost součástek. Ultrafialové záření velmi efektivně mikroorganismy zabíjí, ale organickou hmotu dále nerozkládá. Rozklad organické hmoty probíhá oxidací atomárním kyslíkem z ozónu.Intense ultraviolet radiation is emitted by so-called germicidal lamps. These are low pressure lamps with a quartz discharge tube filled with argon with mercury vapors. In germicidal lamps, up to 35% of the energy input can be converted to ultraviolet radiation at a wavelength of 253.7 nm, the resonance line Hg. The use of ultraviolet radiation alone is uneconomical and thus only minor amounts of water can be biologically treated. In microelectronics, the use of ultraviolet radiation alone appears to be insufficient; simultaneous ozonization significantly increases component yield. Ultraviolet radiation kills microorganisms very effectively, but does not further break down organic matter. The decomposition of organic matter takes place by oxidation with atomic oxygen from ozone.

Ekonomicky je použití ozonizace nejvýhodnější, ale biologické úprava není dokonalá. Kombinované použití ultrafialového záření a ozónu, které je zejména pro zdravotnické.účely nutné, vyžaduje v současné době dvě zařízení zcela rozdílné konstrukce, což je z ekonomického hlediska nákladné.Economically, the use of ozonation is the most advantageous, but the biological treatment is not perfect. The combined use of ultraviolet radiation and ozone, which is particularly necessary for medical purposes, currently requires two devices of completely different design, which is economically expensive.

Uvedené nedostatky odstraňuje zařízení pro biologickou úpravu vody s kombinovaným účinkem ozónu a ultrafialového záření, sestávající z okruhu pro průtok vody, který je tvořen vnějším kovovým válcovým pláštěm a vnitřní koncentrickou válcovou křemennou trubicí o síle stěny 1 až 2 mm. Vnější kovový válcový plášt je uzemněn a jeho vnitřní strana je reflexní pro ultrafialové záření. Vnější kovový válcový plášt je opatřen jedním otvorem pro vtok vody a druhým otvorem pro výtok vody. Tento okruh pro průtok vody je na obou stranách utěsněn. Uprostřed válcové křemenné trubice je souose umístěna germicidní rtutová výbojka se dvěma elektrodami. Podstatou zařízení je, že mezi germicidní rtutovou výbojkou a válcovou křemennou trubicí je vytvořena štěrbina o šíř ce 2 až 3 mm, tvořící vzduchovou mezeru. Do této vzduchové mezery na jedné straně ústí vstupní vzduchový otvor a na druhé straně je vyústěn výstupní vzduchový otvor. Oba tyto otvory jsou vzducho- 3 ~These drawbacks are overcome by a water treatment plant with a combined effect of ozone and ultraviolet radiation, consisting of a water flow circuit consisting of an outer metal cylindrical shell and an inner concentric cylindrical quartz tube having a wall thickness of 1 to 2 mm. The outer metal cylindrical shell is grounded and its inner side is reflective for ultraviolet radiation. The outer metal cylindrical shell is provided with one water inlet opening and a second water outlet opening. This water flow circuit is sealed on both sides. In the middle of a cylindrical quartz tube there is a germicidal mercury lamp with two electrodes coaxially positioned. The essence of the device is that between a germicidal mercury lamp and a cylindrical quartz tube is formed a slit with a width of 2 to 3 mm, forming an air gap. An air inlet opening opens into this air gap on one side and an air outlet opening opens on the other side. Both of these holes are air-3 ~

258 448 těsně připojeny ke štěrbině a celý tento vzduchový agrsiém je na obou koncích připojen vzduchotěsně přes válcové příruby ke germicidní rtuťové výbojce. Jedna elektroda germicidní rtuťové výbojky je připojena na jeden konec sekundárního vinutí vysokonapěťového napájecího transformátoru, jehož druhý konec je uzemněn. Vývod sekundárního vinutí vysokého napětí, spojený přes tlumivku nebo přes odpor s druhou elektrodou germicidní rtuťové výbojky, je spojen s vývodem sekundárního vinutí nízkého napětí·258 448 are tightly connected to the slit, and all this air aggression is connected airtight at both ends via cylindrical flanges to a germicidal mercury lamp. One electrode of the germicidal mercury lamp is connected to one end of the secondary winding of the high voltage power transformer, the other end of which is grounded. Secondary high-voltage winding terminal, connected via a choke or resistance to the second electrode of the germicidal mercury lamp, is connected to the secondary low-voltage winding terminal ·

Výhodou vynálezu je, že je možno na jednom zařízení provádět ozařování vody ultrafialovým zářením o vlnové délce 253»7 nm a současně vyrábět ozón pro kombinovanou sterilizaci vody.It is an advantage of the invention that it is possible to perform irradiation of water in ultraviolet radiation at a wavelength of 253-7 nm on one device while producing ozone for the combined sterilization of water.

Principem tohoto zařízení je použití tzv. plazmové elektrody pro buzení tichého výboje generujícího ozón. Jednou elektrodou je výbojové plazma germicidní výbojky, druhou elektrodou je voda prozařovaná současně ultrafialovým zářením.The principle of this device is the use of so-called plasma electrode for excitation of silent ozone-generating discharge. One electrode is a discharge plasma of a germicidal lamp, the other electrode is water emitted simultaneously by ultraviolet radiation.

Příklad zařízení podle vynálezu je schematicky znázorněn. na přiloženém výkresu.An example of a device according to the invention is shown schematically. in the attached drawing.

Zařízení sestává z okruhu pro průtok vody, který je tvořen vnějším kovovým válcovým pláštěm 10, který je uzemněn. Jeho vnitřní strana je upravena tak, aby odrážela ultrafialové záření. Kovový válcový plášť 10 je opatřen jedním otvorem 2 pro vtok vody a druhým otvorem 12 pro výtok vody a vnitřní koncentrickou válcovou křemennou trubicí j), jejíž stěna je silná 1 až 2 mm. Tento okruh pro průtok vody je na obou stranách utěsněn. V tomto případě je těsnění tvořeno kroužky 8 ze silikonové gumy a těsnícími přírubami 7 z umělé hmoty. Uprostřed válcové křemenné trubice <? je souose umístěna germicidní rtuťová výbojka 6 se dvěma elektrodami χ Mezi germicidní rtuťovou výbojkou 6 a válcovou křemennou trubicí 9 je vytvořena štěrbina 4 o šířce 2 až 3 mm, která tvoří vzduchovou mezeru. Do štěrbiny 4 na jedné stra· ně ústí vstupní vzduchový otvor 1 a na druhé straně je vyústěn výstupní vzduchový otvor 11. Vstupní i výstupní vzduchový otvorThe device consists of a water flow circuit consisting of an outer metal cylindrical shell 10 which is grounded. Its inner side is adapted to reflect ultraviolet radiation. The metal cylindrical shell 10 is provided with one water inlet opening 2 and a second water outlet opening 12 and an inner concentric cylindrical quartz tube 1, the wall of which is 1 to 2 mm thick. This water flow circuit is sealed on both sides. In this case, the seal consists of silicone rubber rings 8 and plastic sealing flanges 7. In the middle of a cylindrical quartz tube <? A germicidal mercury lamp 6 with two electrodes is coaxially disposed. Between the germicidal mercury lamp 6 and the cylindrical quartz tube 9, a slot 4 of 2-3 mm width is formed which forms an air gap. The inlet air opening 1 opens into the slot 4 on one side and the outlet air opening 11 opens out on the other side.

- 4 256 i» il jsou se štěrbinou £ spojeny vzduchotěsně a celý tento vzdu chotěsný systém je na obou koncích připojen opět vzduchotěsně přes válcové příruby 13 ke germicidní rtuťové výbojce 6. Jedna elektroda £ germicidní rtuťové výbojky 6 je připojena na jeden konec sekundárního vinutí vysokonapěťového napájecího transformátoru Tr, jehpž druhý konec je uzemněn. Vývod sekundárního vinutí vysok^napětí je spojen jednak přes tlumivku L nebo přes odpor R s druhou elektrodou 2 germicidní rtuťové výbojky 6 a jednak s vývodem sekundárního vinutí nízkého napětí.The air-tight system is connected to the slit 6 airtightly and the entire airtight system is connected at both ends to the germicidal mercury lamp 6 airtight again via cylindrical flanges 6. One electrode 6 of the germicidal mercury lamp 6 is connected to one end of the secondary winding. supply transformer Tr, the other end being grounded. The secondary winding of the high-voltage winding is connected to the second electrode 2 of the germicidal mercury vapor lamp 6 via a choke L or a resistor R and to the secondary low-winding terminal.

Suchý vzduch vstupuje vstupním otvorem 1 do štěrbiny £ o šířce 2 až 3 mm a vystupuje výstupním otvorem 11. V těto štěrbině £ je buzen tichý výboj. Voda £ vtéká do okruhu průtoku vody prvním otvorem 2 a protéká ve vnějším kovovém válcovém plášti 10 omezeném u štěrbiny £ koncentrickou válcovou křemennou trubicí 2 ^{0 s}*^le stěny 1 až 2 mm. Voda £ je elektricky vodivá natolik, že vytvoří jednu z elektrod pro buzení tichého elektric kého výboje ve štěrbině £. Voda £ po axiálním průtoku zařízením vytéká otvorem 12. Germicidní rtuťová výbojka 6 s elektrodami 2 na obou koncích je umístěna uprostřed válcové křemenné trubice 2 aby voda 2 neprosakovala do štěrbiny £ a systém byl vzduchotěsný. Těsnění je provedeno například kroužky 8 ze šili-? koňové gumy, které jsou ztlačovány a rozpírány těsnicími přírubami £ z umělé hmoty. Podobně je těsněn i okruh s protékající vodou 2· Povrch 2 kovového válcového pláště 10 je uzemněn.The dry air enters through the inlet opening 1 into a slot 6 with a width of 2 to 3 mm and exits through the outlet opening 11. A silent discharge is excited in this slot. £ water flows into the water flow circuit through the first opening 2 and flows in an outer metallic cylindrical housing 10 is restricted by the slit £ concentric cylindrical quartz tube ^with 2 ⁰ * ^le walls of 1-2 mm. The water 4 is electrically conductive enough to form one of the electrodes for generating a silent electrical discharge in the slot 6. The water 6 flows axially through the aperture 12. A germicidal mercury lamp 6 with electrodes 2 at both ends is located in the center of a cylindrical quartz tube 2 so that water 2 does not leak into the slot 6 and the system is airtight. The seal is made, for example, by rings 8 of silicone? horse gums which are compressed and expanded by plastic sealing flanges 6. Similarly, the water circuit 2 is sealed. The surface 2 of the metal cylindrical shell 10 is grounded.

V germicidní výbojce 6 je zapálen elektrický doutnavý výboj buzený na frekvenci 50 Hz. Germicidní rtuťová výbojka 6 je napájena ze sekundárního vinutí transformátoru Tr. Pracovní bod germicidní rtuťové výbojky 6 lze stabilizovat tlumivkou L nebo odporem R. Zapálení výboje lze provést vysokofrekvenčním pulsem například z Teslova transformátoru nebo pomocí startéru pro výbojku užitého výkonu. Zpravidla k zapálení výboje v germicidní výbojce 6 postačí již samotný tichý výboj iniciovaný vysokým napětím přiloženým na kovový plášť 10 a jednu elektrodu 2· Asi 35 % energie spotřebované germicidní výbojkou 6 se mění na energii ultrafialového záření na Hg čáře 255 »7 nm. Na povrchu ger- 5 256 446 micidní a rtutové výbojky 6 o příkonu 15 ϊ e celkovým povrchem 240 cm^, činí tok zářivé energie na čáře 255,7 nm 0,022 W/cmč.In the germicidal lamp 6, an electric glow discharge excited at a frequency of 50 Hz is ignited. The germicidal mercury lamp 6 is fed from the secondary winding of the transformer Tr. The working point of the germicidal mercury lamp 6 can be stabilized by a choke L or a resistance R. The ignition of the discharge can be effected by means of a high-frequency pulse, for example from a Tesla transformer or by a starter for a discharge lamp. Generally, a high-voltage silent shock applied to the metal sheath 10 and one electrode 2 alone will suffice to ignite the discharge in the germicidal lamp 6. About 35% of the energy consumed by the germicidal lamp 6 is converted to ultraviolet radiation at Hg line 255 »7 nm. On the surface of the ger 5 256 446 micride and mercury lamps 6 with a power of 15 ϊ e and a total surface of 240 cm cm, the radiant energy flux at a line of 255.7 nm is 0.022 W / cm cm.

Za těchto podmínek prochází za jednu sekundu 1 cm^ 3.10^ fotonů o energii 4,88 eV. Potom každá molekula vody protékající aktivní zonou zařízení je během jedné sekundy v interakci s přibližně třiceti fotony ultrafialového záření. Ultrafialové záření prochází křemennou stěnou germicidní rtuíové výbojky 6, štěrbinou 4, stěnou křemenné trubice £ a vrstvou ozařované vody 2· Intenzita ultrafialového záření klesne na 50 % po průchodu vrstvy vody o tlouštce 2,2 až 3 mm. Vrstva vody 2 může být až 10 mm silná, vnitřní povrch kovového válcového pláště 10 má odrážet neabsorbované ultrafialové záření zpět do vody. Povrch z vyleštěného hliníku je vyhovujícím reflektorem pro ultrafialové záření. Ultrafialové záření způsobuje při průchodu štěrbinou 4 jen nepatrnou fotolýzu vznikajícího ozónu. Střídavé napětí 13 až 16 kV o technické frekvenci 50 Hz je přivedeno na elektrody 2 germicidní rtutové výbojky 6 a na vnější kovový válcový pláši 10. Plazma výboje germicidní rtuíové výbojky 6 je dostatečně elektricky vodivé; vzniká tzv. plazmová elektroda a ve štěrbině 4 vzniká tichý výboj provázený generací ozónu, průtok vzduchu je nutno volit tak, aby koncentrace ozónu na výstupu ze zařízení dosahovala 15 až 18 mg na litr vzduchu, což je koncentrace 0^ nutná pro efektivní biologickou úpravu vody. Průtok vody 2 je rovněž nutno přizpůsobit tak, aby dávka ultrafialového záření na vlnové délce 253,7 nm postačila při dané geometrii zařízení na usmrcení všech bakterií, plísní, kvasinek a virů.Under these conditions, 1 cm @ 3.10 @ -4 photons with an energy of 4.88 eV are passed per second. Then, each water molecule flowing through the core of the device interacts with approximately thirty ultraviolet photons within one second. The ultraviolet radiation passes through the quartz wall of the germicidal mercury lamp 6, the slit 4, the quartz tube wall 6 and the irradiated water layer 2. The water layer 2 can be up to 10 mm thick, the inner surface of the metal cylindrical shell 10 to reflect unabsorbed ultraviolet radiation back into the water. The polished aluminum surface is a suitable reflector for ultraviolet radiation. Ultraviolet radiation causes only slight photolysis of the ozone produced when it passes through the slit 4. An alternating voltage of 13 to 16 kV at a technical frequency of 50 Hz is applied to the electrodes 2 of the germicidal mercury lamp 6 and to the outer metal cylindrical shell 10. The plasma of the germicidal mercury lamp 6 is sufficiently electrically conductive; the so-called plasma electrode is created and in the slot 4 there is a silent discharge accompanied by ozone generation, the air flow rate must be chosen so that the ozone concentration at the outlet of the device reaches 15 to 18 mg per liter of air . The flow of water 2 must also be adjusted so that a dose of ultraviolet radiation at a wavelength of 253.7 nm is sufficient, given the geometry of the device, to kill all bacteria, fungi, yeasts and viruses.

Protékající voda 2 slouží rovněž k ochlazování vzduchu ve štěrbině 4, což se příznivě projevuje na účinnosti generace ozónu. Na popsaném zařízení dosahuje účinnost generace O5 15 Wh/g O3The flowing water 2 also serves to cool the air in the slot 4, which has a positive effect on the efficiency of the ozone generation. In the described apparatus, the efficiency of the O5 generation reaches 15 Wh / g O3

Kombinovaným účinkem ultrafialového záření a ozónu lze na jednom zařízení připravovat biologicky čistou vodu zejména pro použití ve farmaceutickém průmyslu, nemocnicích, laboratořích a tak podobněoBy combining the effects of ultraviolet radiation and ozone, biologically pure water can be prepared on one device, especially for use in the pharmaceutical industry, hospitals, laboratories and so on.

Claims

Biological water treatment plant consisting of a water flow circuit consisting of an outer metallic cylindrical shell, which is grounded and reflective to the inside of the ultraviolet radiation, the metallic cylindrical shell having one water inlet and a second outlet water and an inner concentric cylindrical quartz tube with a wall thickness of 1 to 2 mm, where this circuit is sealed on both sides, in the center of the cylindrical quartz tube is a coaxial germicidal mercury lamp with two electrodes, characterized in that between the germicidal mercury lamp and a cylindrical quartz tube (9) is provided with a slot (4) having a width of 2 to 3 mm forming an air gap into which on one side an inlet air opening (1) opens and on the other side an outlet air opening (11) opens and the air outlet (11, 1) is connected to air with the slot (4) and the entire air system is connected airtight at both ends via cylindrical flanges (13) to a germicidal mercury lamp (6), one electrode (3) of the germicidal mercury lamp (6) being connected to one end of the secondary winding of the high voltage supply transformer (Tr) whose second end is grounded and the secondary high-voltage winding terminal connected via a choke (L) or resistor (R) to the second electrode (3) of the germicidal mercury lamp (6) is connected to the secondary low-voltage winding terminal.