CZ29679U1 - Zařízení pro čištění vody za p - Google Patents

Description

Oblast techniky

Technické řešení spadá do oblasti komunálního hospodářství a týká se zařízení pro čištění vody s obsahem organických a anorganických kontaminantů fyzikálně chemickým způsobem za použití jejich tepelné likvidace.

Dosavadní stav techniky

Je známo mnoho způsobů čištění vody a zařízení k jejich realizaci, jejichž technologické podmínky a konstrukční parametry jsou závislé na druhu znečištění a množství čištěné vody. Využívá se technologií jak s kontinuálním, tak diskontinuálním průtokem čištěné vody, přičemž konstrukce zařízení, nádrží a čisticích zón je závislá na druhu a velikosti zdroje znečištění. Zařízení mohou být tvořena jediným reaktorem, uvnitř kterého jsou vzájemně propojené čisticí zóny, jak je popsáno například ve spisech CZ8625U1, CZ7706U1, CZ8352U1, CZ20617Ul, CZ21129U1 či US 5618414 a US 5811002, anebo to mohou být soustavy velkokapacitních nádrží opatřených řadou technologických prvků, jako jsou míchadla, provzdušňovače apod., jejichž příkladné konstrukce jsou známé ze spisů CZ 10750 Ul, CZ 285144, CZ 20003991 Al apod. Technologie čištění může být založena na čistě biologickém principu aerobního či anaerobního charakteru, u průmyslově značně znečištěných vod je pak používáno různých koagulantů, sorbentů či flokulantů volených podle druhu znečištění, jak je patrné například ze spisů CZ 303567 nebo CZ 291459.

S rozvojem nových technologií v různých průmyslových odvětvích vznikají nové produkty, jejichž odpadním produktem jsou těžké kovy, radioaktivní prvky nebo sloučeniny s obsahem fosforu a dusíku, makromolekulámích organických sloučenin a další chemické prvky, které jsou škodlivé pro životní prostředí. Z těchto důvodů je žádoucí vyvíjet nové technologie čištění vod, které umožňují efektivně odstraňovat v podstatě veškeré druhy organického a anorganického znečištění, a zařízení pro realizaci těchto čistírenských technologií.

Jsou známy způsoby úpravy vody za použití čiření, tedy koagulace, což je fyzikálně chemický proces, kterým se z vody odstraňují koloidní látky organického původu, jak je popsáno například ve spise CZ 1997-3948 Al. Nejčastěji používaná koagulační činidla pro technologie čištění vody jsou soli železa a hliníku (např. FeSO₄, FeCl₃, A1₂(SO₄)₃.18H₂O nebo A1C1₃), jejichž příkladné složení je známé ze spisu CZ 1994-3326 Al. Ač se jedná o nádrže různých konstrukcí, mají vždy čtyři základní funkční prostory, a to koagulační prostor, prostor vločkového mraku, prostor vyčeřené vody a kalový prostor. Schéma čiříce se vznosem vločkového mraku je popsáno dle doc. Ing. Hiny Strnadové, CSc, a Prof. Ing. Václava Jandy, CSc., v publikaci „ Technologie vody 1, VŠCHT, Praha, 1995“. Nedostatkem tohoto způsobu jsou poměrně složitá a velká konstrukce zařízení, nízký výkon a separace vznikající dvoustupňové suspenze. Konstrukce zařízení neumožňuje čiření pod tlakem a vyžaduje zabudování čerpadla pro odvádění vody a čerpadla pro odvádění kalu.

Je známo biologické čištění odpadních vod, které využívá mikroorganismů rozkládajících a odstraňujících organické znečištění vody tak, že ho přeměňují na biologické vločky. Rozkladný proces je velmi složitý a skládá se z řady reakcí. Rychlost tohoto procesu závisí na řadě faktorů, například na obsahu kyslíku, na pH, na teplotě, na typu znečištění a přítomnosti toxických látek, přičemž důležitá je použitá metoda čištění a velikost částic. Při biologickém čištění odpadních vod se používá dvou různých postupů, aerobního a anaerobního. Při anaerobním čištění bez přítomnosti kyslíku organické látky oxidují na oxid uhličitý a vodu, zatímco některé jiné látky se redukují na organické plyny, například metan. Anaerobní biologické čištění se obvykle používá u silně znečištěných vod a také při běžném způsobu likvidace kalu, známém jako vyhnívání, když příklady tohoto čištění jsou popsány ve spisech EP 2560923, CZ 27092 Ul, EP 2268584, EP 2016030 nebo EP 1408009. Nedostatkem tohoto způsobu čištění je velmi složitý proces, který závisí na řadě faktorů, jako je na obsah kyslíku, pH nebo teplota, a pro jeho realizaci jsou nutná zařízení poměrně složitých a velkých konstrukcí, přičemž neumožňují čištění vody pod tlakem. Při biologickém aerobním čištění, známém například ze spisů CZ 223383 nebo EP 1676816,

-1 CZ 29679 UI dochází k oxidaci organických látek působením mikroorganizmů za přítomnosti kyslíku. Výsledným produktem jsou oxid uhličitý a voda. Při aerobním biologickém čištění městských odpadních vod rostou mikroorganizmy, které jsou volně vznášeny ve vodní fázi a tvoří tzv. kulturu ve vznosu. Nedostatkem tohoto způsobu jsou poměrně složitá a velká konstrukce zařízení a závislost kvality čištění na teplotě vody, přičemž konstrukce známých zařízení také neumožňuje čištění vody pod tlakem.

Jsou rovněž známy další speciální konstrukce zařízení pro čištění odpadních vod, využívajících například podle spisu CZ 19389 UI turbulentního reaktoru nebo podle spisu CZ 26908 UI labyrintového reaktoru, které jsou určeny pro odstraňování těžkých kovů, ale neumožňují odstraňování kontaminantů ve formě chemicky oxidovatelných látek (CHSK) nebo biologicky oxidovatelných látek (BSK). Také je znám způsob čištění odpadních vod pomocí ionizačního provzdušňování za působení elektrických výbojů popsaný ve spise CZ 297103, jehož nevýhodou jsou velké provozní a investiční náklady, a zejména nutnost zabezpečení ochrany obsluhy proti působení vysokého napětí. Tento způsob vyhovuje spíše pro čištění povrchových vod.

Snahou předkládaného technického řešení je představit nové zařízení pro čištění vody za použití tepelné likvidace kontaminantů, které by při poměrně jednoduché konstrukci zařízení, která umožňuje provedení oxidace kontaminantů, pomocí níž se ze znečištěné vody odstraňuji koloidní látky organického původu, jako jsou bílkoviny, mýdla, barviva, huminové látky, ligninsulfonany nebo bakterie, i anorganického původu, například částečky jílu, sraženiny apod., které jsou natolik malé, že je nelze odstranit sedimentací ani filtrací. Tento proces umožňuje odstranění CHSKq. a BSK.

Podstata technického řešení

Stanoveného cíle je dosaženo technickým řešením, kterým je zařízení pro čištění vody obsahující vzájemně propojené zásobník surové vody vybavený dopravním čerpadlem, primární separátor pevných látek, kalolis a dávkovač koagulantů, a je tvořeno tepelným reaktorem, jehož vtokové hrdlo průtočné komory je přes první ejektor, do kterého je bočně napojen kyslíkový separátor, a přes tepelný výměník propojeno s výtlačným potrubím dopravního čerpadla, přičemž na výtokové hrdlo tepelného reaktoru je napojen sekundární separátor pevných látek, jehož výstupy jsou vyvedeny jednak do kalolisu a jednak do tepelného výměníku, na který je přes sekundární ejektor připojen kondenzační separátor, propojený jednak přes plynový filtr s ovzduším, jednak přes přepouštěcí čerpadlo zpětně do sekundárního ejektoru a jednak přes ozonizér na kapalinový filtr opatřený výstupem vyčištěné vody ke spotřebiteli.

Ve výhodném provedení je tepelný reaktor tvořen dutým tělesem, jehož čela jsou opatřena vtokovým hrdlem a výtokovým hrdlem, ve vnitřním prostoru tělesa je zabudována soustava potrubních segmentů, které jsou spojeny do nad sebou horizontálně situovaných bloků a jsou propojeny jak se vtokovým hrdlem, tak s výtokovým hrdlem při vytvoření jedné společné průtočné komory, přičemž mezi bloky potrubních segmentů je ve vnitřním prostoru tělesa instalována topná jednotka a plášť tělesa je opatřen ve spodní části vstupním hrdlem napojeným na vzduchový ventilátor a v horní části výstupním hrdlem napojeným na výstupní potrubí kyslíkového separátoru.

Dále je výhodné, když plášť tělesa má obdélníkový průřez nebo čtvercový průřez nebo kruhový průřez nebo oválný průřez a když potrubní segmenty mají čtvercový průřez nebo obdélníkový průřez nebo kruhový průřez.

Hlavní předností technologie úpravy vody s použitím tepelného reaktoru je vysoká účinnost při likvidaci a odstraňování organických i anorganických kontaminantů, a také schopnost komplexní likvidace látek, nízká energetická náročnost, malé nároky na zástavbový prostor a obsluhu a nízké provozní náklady. Spojením plynodynamického procesu upravované vody s ohřevem a s určitou koncentrací kyslíku ve ventilátorovém vzduchu, který vodu rozptyluje pomocí ejektoru, se umožnilo odstranit veškeré difuzní omezení průběhu fyzikálně chemických interakcí látek v kapalné i plynné fázi. Dále se podařilo zabezpečit podmínky pro okysličení škodlivých příměsí a destruovaných struktur mikroorganizmů a anorganických kontaminantů. Vzhledem ke skutečnosti, že základní technické parametry procesu, tedy množství proudu vzduchu, regulace

-2CZ 29679 UI teploty media v reaktoru, množství proudu vody a množství kyslíku ve ventilátorovém vzduchu, jsou lehce nastavitelné a řiditelné v široké škále kombinací technických parametrů, je možno způsob čištění použít a snadno přizpůsobit různými objemům a stupni znečištění vody. Protože jsou použité procesy rozptýlení upravované vody a procesy obohacení ventilátorového vzduchu kyslíkem termodynamicky spolehlivé, zvyšuje se dále spolehlivost funkce a zmenšují nároky na obsluhu a údržbu používaného zařízení, přičemž provoz je kontinuální. Nezanedbatelným přínosem je pak minimální spotřeba reagentů, čímž se dále snižují nákladu na čistící proces. Objasnění výkresů

Konkrétní příklady provedení technického řešení jsou schematicky znázorněny na přiložených výkresech kde:

obr. 1 je blokové schéma základního provedení zařízení na čištění odpadních vod, obr. 2 je technologické schéma zařízení z obr. 1, obr. 3 je půdorysný pohled na tepelný reaktor, obr. 4 je nárysný pohled na tepelný reaktor, obr. 5 je vertikální podélný osový řez tepelným reaktorem, obr. 6 je příčný řez tepelným reaktorem z obr. 5 v rovině B-B, obr. 7 je příčný řez alternativním provedením tepelného reaktoru s kruhovými tepelnými segmenty obr. 8 je grafické vyobrazení výsledků čistícího procesu pro CHSKc_r a BSK.

Výkresy znázorňující představované technické řešení a následně popsané příklady konkrétního provedení v žádném případě neomezují rozsah ochrany uvedený v definici, ale jen objasňují podstatu technického řešení.

Příklady uskutečnění technického řešení

Základním funkčním prvkem zařízení pro čištění vody je tepelný reaktor 1, který je tvořen dutým tělesem 101. jehož plášť 1011 má obdélníkový průřez a jehož čela 1012 jsou opatřena vtokovým hrdlem 102 a výtokovým hrdlem 103. Ve vnitřním prostoru 1013 tělesa 101 ie zabudována soustava potrubních segmentů 104 čtvercového průřezu, které jsou spojeny, například svařeny, do nad sebou horizontálně situovaných bloků, jak je patrné z obr. 5 a obr. 6, a jsou propojeny jak se vtokovým hrdlem 102, tak s výtokovým hrdlem 103, takže vytvářejí jednu společnou průtočnou komoru. Mezi bloky potrubních segmentů 104 je ve vnitřním prostoru 1013 tělesa 101 instalována topná jednotka 105 napojená na neznázoměný zdroj elektrického proudu nebo plynu. Plášť 1011 tělesa 101 je dále opatřen ve spodní části vstupním hrdlem 1014 a v horní části výstupním hrdlem 1015 sloužícími pro umožnění přívodu a odvodu vzduchu do a z vnitřního prostoru 1013.

Zařízení pro čištění vody je dále tvořeno zásobníkem 2 surové vody vybaveným dopravním čerpadlem 21, na jehož neoznačené výtlačné potrubí je napojen primární separátor 3 pevných látek, který je propojený jednak s kalolisem 4 a jednak s tepelným výměníkem 5, přičemž do potrubí mezi primárním separátorem pevných látek 3 a tepelným výměníkem 5 je paralelně připojen dávkovač 6 koagulantů. Tepelný výměník 5 je přes první ejektor 7 propojen se vtokovým hrdlem 102 průtočné komory tělesa 101 tepelného reaktoru i, přičemž do tohoto prvního ejektoru 7 je bočně napojen kyslíkový separátor 8, do jehož výstupního potrubí je před napojením na první ejektor 7 napojen vývod vzduchu z horního výstupního hrdla 1015 vnitřního prostoru 1013 tělesa 101 tepelného reaktoru 1. Vstupní hrdlo 1014 tělesa 101 je pak napojeno na přívod ze vzduchového ventilátoru 9. Na výtokové hrdlo 103 průtočné komory tělesa 101 tepelného reaktoru 1 je napojen sekundární separátor 10 pevných látek, jehož výstupy jsou vyvedeny jednak do kalolisu 4 a jednak do tepelného výměníku 5. Na tepelný výměník 5 je již kromě zmíněných funkčních prvků zařízení přes sekundární ejektor jj_ připojen kondenzační separátor 12, který je jednak propojen přes plynový filtr 13 propojen s ovzduším, jednak je přes přepouštěcí čerpadlo 14 pro-3CZ 29679 Ul pojen zpětně do sekundárního ejektoru 11 a jednak je přes ozonizér 15 napojen na kapalinový filtr 16 s výstupem vyčištěné vody ke spotřebiteli.

Při zkušebních testech zařízení bylo konstatováno, že optimální délka potrubních segmentů 104 je od 500 mm do 1200 mm, optimální velikost průřezu jednotlivého potrubního segmentu 104 se pohybuje v rozmezí od 30 mm² do 120 mm², délka vtokového hrdla 102 by měla být v rozmezí od 200 mm do 500 mm a délka výtokového hrdla 103 v rozmezí 250 mm do 700 mm. Plošný obsah povrchu jednotlivých potrubních segmentů by měl být minimálně 2 000 mm² a závisí na řadě faktorů, například na typu znečištění a přítomnosti toxických látek, koncentrací BSK a CHSKcr, teplotě kapalného média atd. Při zkušebním čistícím procesu o objemu lm³/hod komunálních odpadních vod, bylo použito modelové zařízení s plošným obsahem povrchu jednotlivých potrubních segmentů 104 o velikosti 3.800 mm² a teplotě média uvnitř výtokového hrdla 103 tepelného reaktoru i v rozmezí od 60 °C až do 350 °C a bylo dosaženo výsledků čistícího procesu graficky znázorněného na obr. 8.

Popsané provedení zařízení není jeho jediným možným provedením, ale bez změny podstaty technického řešení je možno použít v tepelném reaktoru I potrubní segmenty 104 jiného než čtvercového průřezu, například kruhového, jak je znázorněno na obr. 7, a rovněž plášť 1011 tělesa 101 tepelného reaktoru I nemusí mít čtvercový průřez, ale tento může být obdélníkový, kruhový nebo oválný.

Při čistícím procesuje surová odpadní voda čerpána ze zásobníku 2 dopravním čerpadlem 21 pod zvoleným tlakem do primárního separátoru 3 pevných látek, z něhož je pevný odpad odváděn do kalolisu 4 a do předčištěné vody se z dávkovače 6 přidávají koagulanty, například soli hliníku, soli železa nebo vápno, následkem čehož dochází ke srážení rozpuštěných anorganických fosfátů a dále i k tvorbě hydroxidů kovů (Al, Fe, Ca) za vzniku gelových vloček, které poutají fosfáty kovů a další nerozpuštěné látky přítomné ve vodách. Dále čištěná voda proudí přes tepelný výměník 5, kde působí jako chladící médium, do prvního ejektoru 7, do kterého je z kyslíkového separátoru 8 vháněn vzduch obohacený kyslíkem, jehož koncentrace ve vzduchu se pohybuje v rozmezí od 20 % do 40 %. Podle stupně znečištění odpadní vody je voleno množství vzduchu přiváděného pod tlakem 0,3 kPa až 1,0 kPa, jehož objem pro 1 m³ komunální odpadní vody se pohybuje v rozmezí od 8 000 m³h^_1 do 12 000 πΛι'¹. V prvním ejektoru 7 tak dochází k plynodynamické disperzi čištěné vody za vytváření vodní mlhy, která proudí přes vtokové hrdlo 102 do průtočné komory tepelného reaktoru 1 tvořené bloky potrubních segmentů 104. v nichž je podrobována dalšímu ohřevu, neboť povrch potrubních segmentů 104 ie ohříván topnou jednotkou 105 instalovanou ve vnitřním prostoru 1013 tělesa 101 mezi těmito bloky. Při tomto procesu vzniká médium obsahující směs par, plynů, vodní mlhy, sraženin a spálenin, které proudí přes výtokové hrdlo 103 ven z tepelného reaktoru 1 do sekundárního separátoru 10 pevných látek, z něhož jsou pevné částice odváděny do kalolisu 4 a páry, plyny a vodní mlha proudí do tepelného výměníku 5 jako ohřívací médium. Z tepelného výměníku 5 jsou páry, plyny a vodní mlha odváděny přes sekundární ejektor U do kondenzačního separátoru 12. Konečná fáze čištění vody spočívá v tom, že v kondenzačním separátoru 12 dochází k závěrečné separaci složek směsi, kdy jsou plynné složky přes plynový filtr 13 odváděny do atmosféry, kondenzát je vracen zpětně do sekundárního ejektoru 11 a vyčištěná voda poháněná neznázorněným čerpadlem proudí do ozonizéru 15, v němž dochází k její dezinfekci a odstranění pozůstatků těžkých kovů, a dále je přes kapalinový filtr 16 odváděna ke spotřebiteli.

Průmyslová využitelnost

Zařízení podle technického řešení lze využít jak pro čištění vod v přírodních nádržích, tak v komunálním hospodářství při čištění městských i průmyslových odpadních vod. Reálná využitelnost je rovněž v oblasti energetiky, chemie a metalurgie při fyzikálně chemickém čištění nejrůznějších odpadních vod.

Claims (3)

1. Zařízení pro čištění vody za použití tepelné likvidace kontaminantů, obsahující vzájemně propojené zásobník (2) surové vody vybavený dopravním čerpadlem (21), primární separátor (3) pevných látek, kalolis (4) a dávkovač (6) koagulantů, vyznačující se tím, že je tvo5 řeno tepelným reaktorem (1), jehož vtokové hrdlo (102) průtočné komory je přes první ejektor (7), do kterého je bočně napojen kyslíkový separátor (8), a přes tepelný výměník (5) propojeno s výtlačným potrubím dopravního čerpadla (21), přičemž na výtokové hrdlo (103) tepelného reaktoru (1) je napojen sekundární separátor (10) pevných látek, jehož výstupy jsou vyvedeny jednak do kalolisu (4) a jednak do tepelného výměníku (5), na který je přes sekundární ejektor ío (11) připojen kondenzační separátor (12), propojený jednak přes plynový filtr (13) s ovzduším, jednak přes přepouštěcí čerpadlo (14) zpětně do sekundárního ejektoru (11) a jednak přes ozonizér (15) na kapalinový filtr (16) opatřený výstupem vyčištěné vody ke spotřebiteli.

2. Zařízení pro čištění vody podle nároku 1, vyznačující se tím, že tepelný reaktor (1) je tvořen dutým tělesem (101), jehož čela (1012) jsou opatřena vtokovým hrdlem (102)

15 a výtokovým hrdlem (103), ve vnitřní prostoru (1013) tělesa (101) je zabudována soustava potrubních segmentů (104), které jsou spojeny do nad sebou horizontálně situovaných bloků 'ajsou propojeny jak se vtokovým hrdlem (102), tak s výtokovým hrdlem (103) při vytvoření jedné společné průtočné komory, přičemž mezi bloky potrubních segmentů (104) je ve vnitřním prostoru (1013) tělesa (101) instalována topná jednotka (105) a plášť (1011) tělesa (101) je

20 opatřen ve spodní části vstupním hrdlem (1014) napojeným na vzduchový ventilátor (9) a v homí části výstupním hrdlem (1015) napojeným na výstupní potrubí kyslíkového separátoru (8).

3. Zařízení pro čištění vody podle nároku 2, vyznačující se tím, že plášť (1011) tělesa (101) má obdélníkový průřez nebo čtvercový průřez nebo kruhový průřez nebo oválný průřez.

25 4. Zařízení pro čištění vody podle nároku 2 nebo 3, vyznačující se tím, že potrubní segmenty (104) mají čtvercový průřez nebo obdélníkový průřez nebo kruhový průřez.