1. Титульная страница

1. Титульная страница
Номинация: Инновационный проект
Тема проекта: Разработка электроимпульсной технологии обработки воды и
промышленных стоков (Заявка 2 тура)
Организация, представляющая проект: Федеральное государственное научное
учреждение «Научно-исследовательский институт высоких напряжений»
Руководитель проекта: Яворовский Николай Александрович, заведующий
лабораторией №12 ФГНУ «НИИ высоких напряжений», кандидат технических
наук
Номер проекта в базе данных конкурса: № 2876
2. Аннотация
Электроимпульсная технология обработки воды предназначена для
очистки и обеззараживания воды из подземных источников до качества,
соответствующего требованиям СанПиН 2.1.4.1074-01 «Питьевая вода и
водоснабжение населенных мест»; для очистки и обеззараживания сточных вод
с большим содержанием ионов тяжелых металлов, мышьяка; для очистки,
обеззараживания и повторного использования промывных вод на городских
водозаборах; для обеззараживания шахтных вод горнорудных комбинатов.
Технологический процесс является экологически чистым и включает
аэрацию, электроимпульсную обработку воды и фильтрацию, при этом
электроимпульсная обработка воды основана на совместном действии
природных окислителей (озон, радикалы ОН, атомарный кислород и т.д.) и УФизлучения, генерируемых в водо-воздушном потоке, а также на процессах
электроимпульсной коагуляции и кавитации. Предлагаемая электроимпульсная
технология обработки воды реализована в водоочистном комплексе «Импульс».
В качестве аэратора используется противопоточная вентиляционная
градирня. Входная вода распыляется эжектором и по хордовой насадке аэратора
стекает сверху вниз. Эжектор и хордовая насадка является первой ступенью
обработки воды. Здесь происходит окисление легкоокисляемых загрязнителей
воды и удаление растворенных в ней газов: углекислого газа, сероводорода,
метана, радона и т.д.
Электроимпульсная обработка воды осуществляется электроразрядным
устройством, которое активирует процессы окисления, коагуляции и осаждения,
что позволяет значительно снизить энергозатраты на обработку воды за счет
ввода в импульсном режиме малых доз энергии (0,1 – 5 Дж/импульс).
Электроразрядное устройство состоит из блоков №1, №2 и №3, которые
обеспечивают три различных способа электроразрядной обработки воды.
Блок №1 представляет собой “озонатор”, выполненный на основе
импульсного барьерного разряда, способный работать в воздухе с влажностью
до 100% (запатентованное автором решение). Это отличие позволило
разместить такой “озонатор” непосредственно в водо-воздушном потоке,
который генерирует не только долгоживущий озон, но и короткоживущие
атомарный кислород, радикал ОН и ряд других активных частиц, а также УФизлучение. Такой подход позволяет реализовать уникальный технологический
процесс – синергетическое воздействие процессов обычной аэрации, УФизлучения и сильнейших окислителей. Максимальное энергопотребление блока
№1 составляет всего 50 Вт ч/м3 воды. Блок №1 во многих случаях вместе с
первой (аэрационной) ступенью обработки воды и системой фильтрации
обеспечивает очистку подземной воды до питьевого стандарта. Применяемая
технология воспроизводит процессы, происходящие в природе во время
грозовой деятельности. При этом электроразрядные процессы, как природный,
так и воспроизведенный в комплексе «Импульс», происходят не в воде, а на
границе раздела «вода-газ», что не приводит к изменению естественных свойств
воды.
Блок
№2
(электроимпульсный
коагулятор)
интенсифицирует
коагуляционные процессы как в потоке очищаемой воды, так и на поверхности
фильтрующей загрузки, и включается в технологический процесс очистки
подземной воды до питьевого стандарта только тогда, когда примеси в воде
находятся в виде устойчивой мелкодисперсной взвеси или коллоидов,
неудаляющихся при фильтрации зернистой загрузкой. Энергопотребление
блока №2 составляет 20 – 50 Вт ч/м3. При очистке сточных вод технологический
процесс включает первую ступень обработки воды (аэрацию), блок №1 и блок
№2.
Блок №3 - электроимпульсное устройство, инициирующее процессы
кавитации в воде, значительно усиливает процессы коагуляции примесей, а
также обеспечивает обеззараживание воды. Поэтому использование блока №3
целесообразно в технологическом процессе очистки воды до питьевого
стандарта при наличии в ней мелкодисперсной взвеси или коллоидов. Особенно
актуально применение блока №3 для решения задачи повторного использования
промывных вод на городских водоканалах и очистных сооружениях, а также
обеззараживания сточных и шахтных вод. Энергопотребление блока №3
составляет порядка 20 Вт ч/м3.
Таким образом, в зависимости от состава и состояния находящихся в воде
примесей, а также в зависимости от целей водоподготовки (получение воды
питьевого стандарта, очистка стоков, повторное применение промывных вод,
обеззараживание шахтных вод и т.п.) могут быть задействованы указанные
способы электроразрядной обработки и в различных комбинациях.
Обработанная по такой технологии вода хорошо осветляется стандартными
механическими фильтрами с наиболее дешевой и традиционно применяемой
зернистой загрузкой – розовым песком (горелой породой). Промывка фильтров
производится обратным током чистой воды.
Аэратор и электроразрядный блок объединены в колонну, за счет чего
реализуется синергетическая и синтетическая эффективность обработки
воды (с точки зрения многофакторности обработки и обеззараживания воды
традиционные технологии являются аналитическими методами, т.к. каждая
ступень в традиционных технологиях обеспечивает выполнение строго
ограниченной задачи автономно). Модульный вариант компоновки
оборудования позволяет с минимальными затратами скомпоновать комплекс
производительностью от 0,5 м3/час до 200 м3/час и более.
Водоочистной комплекс «Импульс» прост и надежен в эксплуатации, имеет
невысокую стоимость, а вкусовые качества очищенной им воды соответствуют
природным водам горных рек. Предлагаемая технология подготовки воды
является безреагентной, энергосберегающей и экологически чистой, а также
более эффективной в сравнении с существующими по качественным и
количественным характеристикам, не требует существенных капитальных
вложений, имеет более высокий коэффициент «цена-эффективность».
Разработанная технология получила высокую оценку у зарубежных
специалистов (Япония, Франция, Бельгия).
Предлагаемая технология позволяет:
1. Решать экологические проблемы, связанные с загрязнением окружающей
среды (например, очистка и обеззараживание сбросовых вод и т.д.).
2. Решать проблемы здоровья населения, связанные с обеспечением
качественной питьевой водой, особенно в северных регионах России, где воды
классифицируются как «высокосложные». Эти проблемы имеют социальный
аспект в соответствии с Законом РФ «Об эпидемиологическом благополучии
населения».
3. Перейти от централизованных источников водоснабжения питьевой водой к
локальным системам очистки воды, что часто оказывается экономически более
выгодным и обеспечивает гибкость и оперативность в управлении качеством
очищаемой воды.
4. Осуществлять использование промывных или сбросовых вод в качестве
оборотной воды, например, на городских водозаборах или шахтных вод
горнорудных комбинатов. Известно, что до 10% очищенной воды на
водозаборах используется для промывки фильтров и сбрасывается
безвозвратно. На городских водозаборах эта цифра оказывается внушительной и
может составлять десятки кубических метров в сутки.
5. Решать проблемы подготовки технической воды необходимого качества для
различных производств.
В экономике России используется примерно 1010м3/год подземных вод и 1011
3
м /год находится в оборотных системах водоснабжения. Водоочистной рынок
Российской Федерации практически не освоен, т.к. по экспертным оценкам
только 5% населения страны имеют доступ к чистой питьевой воде.
Соответственно емкость российского рынка только по проблеме питьевой воды
составляет примерно 50 млрд. долларов США с ежегодным приростом 8 – 10%.
Емкость мирового рынка по водоочистным технологиям для подготовки
только питьевой воды составляет цифру порядка 300 млрд. долларов США с
дальнейшим увеличением пропорционально росту народонаселения и
экологических проблем.
Наиболее реальные возможности применения технология имеет в следующих
сегментах рынка:
1. Рынок очистки и доочистки питьевой воды;
2. Рынок очистки и обеззараживания сточных вод;
3. Рынок очистки и обеззараживания шахтных вод.
Выполнение проекта осуществляется на собственной производственной и
интеллектуальной базе, а при необходимости возможно привлечение любого
количества соисполнителей с достаточной квалификацией. Вывод технологий
на рынок осуществляет собственная маркетинговая группа. Источник
финансирования проекта – собственные средства, полученные от реализации
продукта.
Для перехода от мелкосерийного производства к внедрению технологии на
промышленном уровне могут потребоваться услуги инвесторов.
Ближайшие планы и стратегия развития: реорганизации НИИ высоких
напряжений в научно-внедренческий центр электроимпульсных технологий на
базе собственных разработок; завершение изготовления КД, организация ряда
представительств и сборочных производств в перспективных регионах РФ и
переход на серийное производство.
3. Информация о заявителе
Название организации: Федеральное государственное научное учреждение
«Научно-исследовательский институт высоких напряжений»
Адрес, в том числе юридический и фактический: 634050 г. Томск, пр. Ленина, 2А
Адрес электронной почты, страницы в Интернете: [email protected],
www.impulse.tom.ru
ФИО руководителя организации, номер телефона, факс: Лопатин Владимир
Васильевич, тел. (3822) 41-90-91, факс (3822) 41-90-91
Направление деятельности организации: научно-исследовательская и научноорганизационная деятельность, направленная на разработку научных и
инженерных основ и создание элементной базы и устройств электроимпульсных
технологий, электрофизики и электротехники
Инновационный потенциал (перечень реализованных за последние 7 лет
инновационных проектов):
1. Крупногабаритные магнитопроводы на основе магнитомягких сплавов.
2. Вакуумный сушильный аппарат для обезвоживания сыпучих материалов.
3. Биодабавки на основе экстрактов трав и ягод.
4. Электроимпульсная
технология
и
устройство
избирательного
разрушения (дробления) горных пород.
5. Установка озонирования воды "Стример".
6. Многоцелевая литиевая смазка с добавлением ультрадисперсных
порошков, полученных по плазменной технологии.
7. Аппарат по очистки теплообменного оборудования от отложений и
накипи "Волна".
8. Лабораторно-информационная система "Химик-аналитик".
9. Крупногабаритные изделия из термопластов со специально заданными
диэлектрическими свойствами.
10. Получение ультрадисперсных порошков металлов и сплавов
электрическим взрывом проводников в инертной газовой среде.
11. Частотный технологический ускоритель электронов.
12. Метод эффективного электроимпульсного бурения горных пород в
сверхглубоких скважинах в условиях высоких давлений и температур.
Производственный и трудовой потенциал института, в том числе:
а) величина годового оборота за последние три календарных года; 2003г. - 43
296 тыс. руб.; 2004г. - 39 622 тыс. руб., 2005г. – 46 684 тыс. руб.
б) среднесписочная численность работающих (включая совместителей)- 246
чел;
в) сведения об имеющихся производственных площадях и производственном
оборудовании, необходимых для выполнения проекта:
Институт высоких напряжений имеет в своем составе опытное производство,
включающее в себя:
 токарный цех с оборудованием для токарных, сверлильных и фрезеровочных
работ;
 слесарный участок с оборудованием для рубки (гильотины), резке, изгибу
как труб, так и листового металла, точильно-шлифовальное оборудование;
 сварочный участок для электродуговой сварки, сварки в атмосфере
инертных газов, оборудование для ацетиленовой резки металла;
 монтажный зал для сборки и монтажа крупногабаритных объектов с
соответствующими
средствами
механизации:
кран-балками
и
автоматическим погрузчиком. В этом цеху возможно проведение
испытательных работ с высоковольтным оборудованием.
 испытательный участок.
Все цеха и складские помещения имеют автомобильные подъездные пути для
транспортировки крупногабаритного груза.
Данные о руководителе проекта: Яворовский Николай Александрович,
заведующий лабораторией №12 ФГНУ «НИИ высоких напряжений», 634050 г.
Томск, пр. Ленина, 2-А, тел. (3822) 41-66-97, факс (3822) 41-69-76,
[email protected], www.impulse.tom.ru, кандидат технических наук,
общее число публикаций: 88 научных работ, в том числе 36 авторских
свидетельств и патентов, из них важнейшие:
1. С.Г. Боев, В.М. Муратов, Н.П. Поляков, Н.А. Яворовский. Реактор и способ
очистки воды.- Патент №2136600 от 16.12.97 г.
2. С.С. Пельцман, И.Н. Родионов, Н.А. Яворовский. Установка для обработки
воды электрическими разрядами.- Патент №99100758 от 10.10.00 г.
3. Н.А. Яворовский. Способ получения высокодисперсных порошков
неорганических веществ.- Патент №2048277 от 20.11.95 г.
4. В.И. Давыдович, Б.А. Биль, Н.А. Яворовский. Устройство для получения
высокодисперсных порошков неорганических материалов электрическим
взрывом и реактор для взрыва металлической заготовки.- Патент №2048278
от 20.11.95 г.
5. Н.А. Яворовский. Способ получения высокодисперсных порошков.Авторское свидетельство №558457 от 24.12.75 г.
6. В.И. Давыдович, Ю.А. Котов, Н.А. Яворовский. Электроразрядное
устройство.- Авторское свидетельство №890299 от 30.04.80 г.
7. Е.И. Азаркевич, В.И. Давыдович, Н.А. Яворовский. Генератор импульсов
тока.- Авторское свидетельство №1235443 от 13.01.84 г.
8. В.В. Серебренников, В.В. Козик, О.П. Климентенко, А.П. Ильин, Н.А.
Яворовский. Газопоглатитель.- Авторское свидетельство №1267984 от
26.12.84 г.
9. Т.А. Лисецкая, А.П. Ильин, В.М. Кецкало, А.А. Васильев, Н.А. Яворовский.
Эталон для резонатора радиоспектрометра ЭПР.- Авторское свидетельство
№1353102 от 25.10.85 г.
10. А.И. Левашова, А.В. Кравцов, В.И. Давыдович, Н.Г. Судобин, Н.А.
Яворовский. Способ получения ультрадисперсных катализаторов для синтеза
углеводородов из оксида углерода и водорода.- Авторское свидетельство
№1370861 от 20.12.85 г.
11. А.П. Ильин, Т.А. Хабас, А.И. Шабалин, Б.С. Троицкий, Н.А. Яворовский.
Металлоплакирующий смазочный состав.- Авторское свидетельство
№1448666 от 24.09.86 г.
12. А.П. Ильин, Ю.А. Краснятов, В.И. Давыдович, В.В. Косых, Ю.Л. Гражуль,
Н.А. Яворовский. Способ получения композитных хромовых покрытий.Авторское свидетельство №1523598 от 27.04.88 г.
13. А.И. Цатурян, Н.А. Яворовский. К вопросу о влиянии дисперсной фазы на
электрическое поле биполярной короны.- Известия высших учебных
заведений. Физика. 1970, №4.
14. А.А. Дульзон, К.Е. Куртенков, С.А. Разин, Н.А. Яворовский. Исследование
погрешностей измерения токов молнии с помощью ферромагнитных
регистраторов.- Электричество, 1975, №12.
15. Ю.А. Котов, Н.А. Яворовский. Исследование частиц, образующихся при
электрическом взрыве проводников.- Физика и химия обработки материалов,
1978, №4.
16. В.Ю. Зелинский, Л.Т. Проскуровская, В.И. Довыдович, Н.А. Яворовский.
Структурное состояние алюминиевых частиц, полученных методом
электрического взрыва.- ФИЗХОМ, 1984, №1.
17. Ю.А. Котов, В.И. Давыдович, Г.В. Иванов, Г.А. Мельникова, Н.А.
Яворовский. Самораспространяющийся процесс спекания УД металлических
порошков.- ДАН СССР, 1984, №
18. А.П. Ляшко, Г.Ф. Савельев, А.П. Ильин, Н.А. Яворовский. Кинетика
окисления дисперсных порошков в воде.- Peact Kinet. Catal. Lett., 1988, v. 37,
№17.
19. Ю.А. Долинский, Н.А. Яворовский. Влияние тока на фазовый переход в
взрывающейся проволочке.- Теплофизика высоких температур, 1989, т.27,
№6.
20. Ю.А. Долинский, Н.А. Яворовский. Влияние тока на фазовый переход в
взрывающейся проволочке.- ЖТФ, 1989, т.59, №8.
21. Г.Ф. Савельев, А.П. Ильин, Н.А. Яворовский. Особенности взаимодействия
сублимирующих порошков алюминия с жидкой водой: макрокинетика,
продукты, проявление саморазогрева.- Кинетика и катализ, 1990, т.31, вып.4.
22. Н.А. Яворовский. Получение ультрадисперсных порошков методом
электрического взрыва.- Известия высших учебных заведений. Физика. 1996,
№4.
23. В.Д. Соколов, Ю.Л. Сколубович, И.С. Ли, Н.А. Яворовский. Очистка воды с
применением электроразрядной обработки.- Водоснабжение и санитарная
техника, 2001, №1.
24. Ю.Н. Исаев, Я.И. Корнев, М.Б. Хаскельберг, Б.Н. Чен, Н.А. Яворовский.
Определение параметров двухполюсника как эквивалентной схемы
замещения электрического разряда при воздействии импульсного
напряжения.- Известия вузов. Физика, 2003, №10.
25. S.G. Boev, N.A. Yavorovskiy. Electropulse water treatment.- Proc. 12th IEEE
International pulsed power conference, Monterey,1999, v.1.
26. M.B. Khaskelberg, V.A. Tereschenko, N.A. Yavorovskiy. Activation of gases and
dispersed liquids with electric discharge treatment.- Proc. 7th Korea-Russia
International Symposium on Science and Technology «KORUS-2003», Korea,
Ulsan, 2003, v.4.
27. N. Yavorovsky, J. Kornev, M. Khaskelberg, U. Isaev. Generation of active species
by pulsed barrier discharge in water-air medium, Proc. 2nd European Pulsed Power
Symposium EPPS 2004, 20-23 September 2004, DESY, Hamburg, Germany, p.p.
73-78.
28. Н.А. Яворовский, Я.И Корнев, Хаскельберг М.Б., В.Я. Ушаков, Ю.Н. Исаев,
В.А. Колчанова. Влияние распределения электрических полей в реакторе на
эффективность электроразрядной обработки воды, Известия вузов. Физика,
№ 10, 2004г., с. 89-96.
29. Kornev, J., Yavorovsky, N., Preis, S., Khaskelberg, M., Isaev, U., Chen, B. - N.
(2005) Generation of active oxidant species by pulsed dielectric barrier discharge
in water-air mixtures. Ozone: Sci. Eng., in press
Лаборатория №12 ФГНУ «НИИ высоких напряжений» имеет также и
собственный производственный и трудовой потенциал, в том числе:
а) величина годового оборота за последние три календарных года; 2003г. - 11
108 тыс. руб.; 2004г. – 7 035 тыс. руб.; 2005г. – 15 450 тыс. руб.
б) среднесписочная численность работающих- 34 чел.
в) сведения об имеющихся производственных площадях и производственном
оборудовании, необходимых для выполнения проекта:
Кроме материально-технической базы института в составе лаборатории
№12 ФГНУ «НИИ высоких напряжений» имеются:
 стенды и аналитическое оборудование для экспериментов с водоочистным
оборудованием;
 монтажный зал для сборки и монтажа крупногабаритных объектов с
соответствующими
средствами
механизации:
кран-балками
и
автоматическим погрузчиком;
 токарный участок с оборудованием для токарных, сверлильных и
фрезеровочных работ;
 слесарный участок с оборудованием для рубки, резки, изгибу труб и
листового металла, точильно-шлифовальное оборудование;
 сварочный участок для электродуговой сварки;
 испытательный участок для ревизии насосного оборудования запорной
арматуры;
 сборочный участок для сборки источников питания и пультов управления;
 компьютеры и соответствующие программные продукты для расчета и
проектирования очистных комплексов и любого вспомогательного
оборудования.
Все имеющееся оборудование находится в технически исправном состоянии.
4. Современное состояние исследований и разработок в области реализации
проекта. Новизна предлагаемого подхода по сравнению с известными.
Проблема обеспечения населения Земли питьевой водой является, пожалуй,
одной из самых актуальных в 21 веке. В частности, по оценке Института водных
проблем РАН (академика В. Данилова-Данильяна), только 1% водных ресурсов
России отвечает первому классу качества (вода, которую можно употреблять
без кипячения). Что касается подготовленной для питья воды, только 5% России
населения имеют доступ к чистой питьевой воде. Поэтому можно сказать, что
21 век будет, в значительной степени, посвящен созданию экологически
безопасных и, самое главное, малозатратных, экономически и технологически
обоснованных процессов очистки воды. Для решения этой задачи, наряду с
традиционными методами, необходимо применение современных технологий и
оборудования, так как традиционные технологии часто не могут решить
вопросы водоочистки (например, аэрационные технологии), а в рыночных
условиях, как правило, и экономически не оправданы (например, реагентные
технологии). Особенно остро эти вопросы встали в связи с усилением
экологических и санитарно-эпидемиологических требований.
Большое многообразие состава вод различного происхождения из
подземных и поверхностных источников пока с трудом позволяют
надеяться на создание универсального метода доведения качества воды до
нормативных требований. Очистка воды, как правило, является
двухстадийным процессом и состоит из процесса обработки воды,
выполняемого с целью активации окислительно-восстановительных
реакций для перевода примесей в газообразные или твердые
нерастворимые формы, а также ускорения коагуляционных процессов, и
процесса фильтрации. В настоящее время среди новых технологий по
обработке и обеззараживанию воды наиболее перспективными являются
окислительные фотохимические технологии, объединенные термином
Advanced Oxidation Processes (AOP), включающие методы одновременного
воздействия УФ-излучения и естественных для природной среды
окислителей (озона, перекиси водорода и др.). К технологиям АОР можно
отнести и применение импульсного электрического разряда в многофазной
среде.
Предлагаемый метод обработки воды от различных, в том числе органических,
загрязнений представляет собой так называемый деструктивный метод, в основу
которого, в отличие от регенеративных методов, удаляющих примеси из воды в
твёрдую (адсорбция), газовую (десорбция) или неводную жидкую (экстракция)
фазы, положено внесение химических изменений в структуру и состав молекул
примесей. Наиболее действенным превращением является окисление веществ,
которое также служит наиболее эффективным средством в отношении
микроорганизмов, в том числе и патогенных. Основными конкурентами
предлагаемому методу обработки воды выступают следующие методы:
- обработка хлором и его соединениями: гипохлоритами, диоксидом хлора,
хлораминами и т.д.;
- электрохимическое коагулирование;
- озонирование и методы на основе озонирования (т.н. методы интенсивного
окисления);
- ультрафиолетовое облучение;
- окисление пероксидом водорода;
- фотокаталитическое окисление;
- облучение электронными потоками.
Все перечисленные методы являются в той или иной степени эффективными в
отношении дезинфекции воды и её обработки от примесей, но имеют ряд
недостатков. Предлагаемый электроимпульсный метод окисления и дезинфекции
свободен от этих недостатков, и потому может быть перспективным в применении.
Суть методов окислительной обработки воды достаточно подробно изложена в
статье Munter et al.(2001). Экономические вопросы применения различных методов
обработки воды затронуты в брошюрах Siirde ja Munter(1984) и Munter (1988).
Применение хлора и его производных
Применение хлора для обработки и дезинфекции воды, содержащей
органические соединения, имеет существенным недостатком образование
хлорорганических соединений, отличающихся токсичностью и имеющих
канцерогенный (трихлорометаны) и мутагенный (хлорированные диоксины)
характер. Неизбежное вторичное загрязнение воды промежуточными продуктами
хлора ведёт к повсеместному, где возможно, вытеснению хлора из технологии
водообработки. Единственным, незаменимым пока свойством хлора является его
длительное последействие, обеспечивающее стабильность питьевой воды в
микробиологическом отношении. Длительное последействие не требуется в случае
обработки сбрасываемых в водоёмы сточных вод, что освобождает в этом случае
от необходимости использования хлора.
Диоксид хлора также приводит, хотя и в меньшей степени, к образованию
хлорированных органических соединений. Основная же опасность в применении
диоксида хлора состоит в его возможной передозировке: избыточный диоксид
хлора способен образовывать остротоксичный хлорат-ион СlO3–. По этой причине
диоксид хлора в технологии водообработки широко не используется.
Другие хлорпроизводные дезинфектанты - гипохлориты - имеют, хоть и в
меньшей степени, те же недостатки, что и хлор, и отличаются низким
окислительным потенциалом, т.е. зачастую неспособны окислить органические
примеси в воде.
По мнению экспертов НИИ экологии человека и гигиены окружающей среды
РАМН использование хлора показало, что подобные методы не ведут к
уничтожению многих опасных вирусов, в том числе гепатита.
Электрохимическое коагулирование
Для осуществления процесса коагуляции примесей в воду могут быть
введены вместо коагулянтов ионы тяжелых металлов, полученных
электрохимическим путем. Метод электрохимического коагулирования
обеспечивает высокий эффект удаления из воды загрязнений в виде взвесей
(минерального, органического и биологического происхождения) коллоидов
(соединений железа, веществ, обусловливающих цветность воды и др.), а также
отдельных веществ, находящихся в молекулярном и ионном состояниях.
К числу недостатков метода следует отнести значительный расход
электроэнергии и металла на единицу обрабатываемой воды.
Озонирование
Озонирование, из всех представленных методов, является, по своему
окислительному потенциалу и механизму действия, наиболее близким
электроимпульсному методу, предлагаемому к разработке. Основным
окислительным агентом здесь, наряду с озоном, является ОН-радикал,
окислительный потенциал которого является одним из самых высоких (см.
таблицу).
Таблица
Частица
Окислительный потенциал, В
TiO2
3.19
F2
3.03
OH
2.80
O
2.42
O3
2.07
H2O2
1.78
HO2
1.70
Недостатком озонирования является то обстоятельство, что синтез озона в поле
коронного тлеющего разряда является реакцией обратимой, т.е. равновесной. Это
означает, что часть энергии на синтез озона из кислорода расходуется впустую в
зоне реакции, близкой к равновесию и на поддержание равновесия "озонкислород". Кроме того, состояние равновесия "озон-кислород" в значительной
степени зависит от влажности газа - воздуха или кислорода, что требует глубокой
осушки газа. Образование ОН-радикалов в обрабатываемой воде происходит из
молекул озона в стехиометрическом отношении "озон - ОН-радикал" 2:1, причём
ОН-радикалы используются в целевой реакции окисления примесей далеко не
полностью: часть ОН-радикалов расходуется впустую на побочные реакции
рекомбинации и цепное разложение озона. Тем самым, энергетическая
эффективность применения озона ещё больше снижается. Расходы энергии на
синтез 1 кг озона в генераторах озона современных конструкций составляет около
10 кВт·час.
В электроимпульсной обработке вода обрабатывается озоном, различными
радикалами, потоком электронов и активных ионов, а также ультрафиолетовым и
рентгеновским
излучениями,
локальным
повышением
температуры,
гидродинамическим и акустическим воздействием. При этом озон, радикалы и
другие активные окислители воздействуют на примеси в воде в момент
образования, т.е. равновесие пар "кислород-озон", "кислород-ОН-радикал" и др.
сдвигается в сторону активных окислителей и, таким образом, удельная энергия на
их формирование ожидается меньше, чем в процессе озонирования.
Кроме того, в процессе дезинфекции в электроимпульсном методе воздействие
на микроорганизмы идет не только и, возможно, не столько по окислительному
сценарию, как это происходит при озонировании, но и по другим механизмам,
упомянутым выше. Имеющееся данные указывают на то, что расходы энергии при
дезинфекции в электроимпульсном методе оказываются весьма низкими в
сравнении с озонированием.
Существенным недостатком озонирования также является и то обстоятельство,
что озон довольно плохо растворяется в воде. Из-за этого при озонировании воды
приходится решать проблемы наиболее полного использования озона, что
достигается путём применения различных массообменных контактных аппаратов,
сочетающих интенсивный массообмен с продолжительным временем контакта
пузырьков газа с водой. Но даже эти приёмы не позволяют использовать озон на
100%, т.к. растворение озона в воде является равновесным процессом. Остаточный
озон разрушают на выходе из аппарата, как правило, термически, т.е. ещё одна
часть озона расходуется впустую. Всё это повышает энергопотребление процесса
озонирования и делает громоздкой аппаратуру. Электроимпульсный метод
свободен от такого недостатка: поскольку генерирование окислителей происходит
прямо в обрабатываемой водовоздушной среде, аппаратура приобретает
компактность и не требует ухищрений с массообменом.
Ультрафиолетовое облучение
Ультрафиолетовое облучение является действенным дезинфицирующим
средством, применяемым в обработке воды. Существенным недостатком этого
метода является зависимость эффективности и самой применимости метода от
прозрачности обрабатываемой воды в ультрафиолетовом диапазоне: мутные воды
Cl2
1.36
или воды с содержанием заметных количеств оптически активных в УФ - области
веществ, каковыми являются большинство сточных вод, не могут быть
эффективно дезинфицированы.
Применение УФ-ламп даже для дезинфекции прозрачных природных вод
сопряжено с некоторыми техническими трудностями. При расположении УФ-ламп
вне обрабатываемого потока воды большая часть энергии тратится на рассеивание
света вне потока. При помещении же внутри водного потока, поверхность
бактерицидных ртутно-кварцевых ламп низкого давления неминуемо покрываются
плёнкой минеральных и органических отложений. Происходит это вследствие того,
что поверхность ламп в ходе их работы нагревается до 100° С, что способствует
отложениям, прежде всего, солей накипи, играющих роль экрана для УФизлучения. Для очистки поверхностей ламп применяются довольно хитроумные
очистители с пневматическим приводом, что, тем не менее, не решает проблемы
мутных и УФ-непрозрачных сточных вод. Кроме того, УФ-излучение имеет малое
дальнодействие и убивает бактерий на расстоянии не более 5-6 см. Отсюда
следующий минус: для установки большой производительности требуется большое
количество УФ-ламп.
Предлагаемый электроимпульсный метод свободен от описанных недостатков,
т.к. УФ-составляющая высвобождаемой энергии здесь, предположительно,
незначительна и роль УФ-излучения скорее в комбинированном воздействии, а не
в самостоятельном факторе (присутствует синергетический эффект).
Окисление пероксидом водорода
Окисление пероксидом водорода возможно лишь в случае применения
гомогенных катализаторов, ионов металлов переменной валентности, чаще всего
железа (реактив Фентона), что сопряжено с существенным недостатком метода образованием значительных количеств шламов гидроксидов металлов в ходе
обработки воды. Применение фотолитического катализа в сочетании с пероксидом
водорода имеет те же недостатки, что и дезинфекция с помощью УФ-облучения
(см. выше).
Применение электроимпульсного метода обработки воды свободно от
образования шламов. Кроме того, применение пероксида в очистке воды связано с
наличием реагентного хозяйства, от которого свободен предлагаемый
электроразрядный метод.
Фотокаталитическое окисление
В основе фотокаталитического окисления лежит способность УФ-квантов с
достаточной энергией выбивать электроны из так называемого валентного слоя
полупроводника (чаще всего, диоксида титана анатазной структуры) в слой
проводимости, оставляя на месте выбитого электрона положительно заряженную
дырку, являющуюся сильнейшим окислителем в природе. Метод позволяет
использовать до 4% солнечной энергии непосредственно, что делает его
привлекательным с точки зрения экономичности процесса. Однако, методу присущ
такой недостаток, как низкая скорость окисления, что сдерживает его применение:
установки громоздки, потери воды с испарением велики.
Предлагаемый
электроимпульсный
метод
использует
недешёвую
электроэнергию, но делает это в интенсивной манере, уменьшая габариты
установок и увеличивая их пропускную способность.
Обработка электронными потоками
К этой области техники обработки воды обычно относят применение
электронных ускорителей. Во многом природа обработки воды потоком электронов
аналогична природе явлений, наблюдаемых в электроимпульсной обработке воды:
основными реакционными субстанциями выступают окислительные ОН-радикалы,
образуемые в цепи реакций электронного захвата растворённым в воде
кислородом, а также восстановительные Н-радикалы и электроны.
В литературе (Munter, R., Preis, S., Kallas, J., Trapido, M., Veressinina, Y. (2001).
Advanced oxidation processes (AOPs): water treatment technology of the twenty-first
century. Kemia-Kemi, 28, 354-362.) опубликован сравнительный анализ затрат на
обработку модельных растворов, содержащих 20 мг/л бензола и 20 мг/л
трихлороэтилена, отдувкой воздухом (стриппингом) с последующей адсорбцией
примесей из отработанного воздуха активированным углем, пероксидом водорода
с УФ-облучением и обработкой воды в электронном ускорителе. Стоимость
обработки воды в электронном ускорителе оказалась сравнимой с обработкой
пероксидом водорода и втрое дешевле стриппинго-адсорбционной очистки,
принятой в качестве стандартной для удаления летучих органических соединений
Агентством Защиты Окружающей Среды США (Environmental Protection Agency).
Обработка электронными потоками не нашла широкого применения вследствие
больших капитальных затрат на аппаратуру и жёсткие требования безопасности.
Иные технологии
Применение в схеме водоочистки только фильтров с модифицированной
загрузкой предполагает периодическую замену расходных материалов. За счет
этого происходит дополнительное скрытое удорожание этих технологий и
реальное повышение эксплуатационных расходов. Кроме того, использование
этих фильтров предполагает выполнение специальных требований и условий
для осуществления процесса качественной очистки воды. За счет этого область
применения фильтров резко сужается.
Применение мембранных технологий очень тонкий технологический
процесс, для обслуживания которых требуется высококвалифицированный
обслуживающий персонал. Использование этого метода для очистки «сложных»
вод Сибирского региона очень ограничено из-за малого срока службы мембран.
В связи с этим требуется достаточно частая их регенерация, а впоследствии и
замена мембран, что приводит к дополнительным эксплуатационным расходам.
Кроме того, вода, подающаяся на установку обратного осмоса, должна быть уже
максимально очищена от загрязнителей, что предполагает установку до
мембран дополнительного водоочистного оборудования. Также известно, что
25-30% очищаемой воды используется на промывку. Таким образом,
производительность установки необходимо завышать на 25-30%, что опять
сказывается на цене. Кроме того, стоимость самих мембран достаточно высока.
Еще один способ очистки воды - реагентный - сегодня экономически
невыгоден из-за сложности организации технологического процесса, хранения и
доставки реагентов, особенно в сельской местности и удаленных районах.
Выводы
Представленный к разработке метод электроимпульсной очистки воды и
дезинфекции представляет значительный интерес с точки зрения перспектив
развития. Отличительными чертами метода является высокая скорость и
эффективность
обработки
воды.
Эти
обстоятельства,
наряду
с
нечувствительностью к оптическим свойствам жидкости, позволяют с большой
долей вероятности эффективно использовать данный метод также и в обработке
сточных, речных, промывных и шахтных вод (в перечисленных случаях речь идет
о больших объемах обрабатываемых вод). Большая скорость действия может
позволить
обрабатывать
перечисленные
воды
в
малогабаритных
высокопроизводительных аппаратах, установленных прямо в потоке воды по месту
применения без сложной масcообменной аппаратуры. Этими особенностями
предлагаемый метод в лучшую сторону отличается от всех конкурирующих
методов, за исключением обработки потоком электронов.
Метод электроимпульсной обработки воды пока не получил широкого
распространения на практике. Это можно полностью объяснить новизной
рассматриваемой технологии. Так, например, в литературе практически
отсутствуют сведения о химизме процесса электроразрядного окисления, что, в
свою очередь, связано, с одной стороны, со сложностью происходящих в
обрабатываемой среде процессов и, с другой, недостаточным экспериментальным
материалом: количество опубликованных результатов исследований окисления
органических примесей, например, можно пересчитать по пальцам одной руки.
Как результат, трудно говорить о фундаментальных теоретических знаниях
предмета очистки воды электроимпульсным методом. Ограниченность
литературных сведений обусловлена, по-видимому, узостью экспериментальной
базы в рассматриваемой области: количество известных исследовательских групп в
Японии, США, России, Южной Корее, Китае, Румынии и на Украине весьма
невелико. Работы по данной теме проводятся также электротехническими
концернами, такими, как LG Systems, что тоже ведёт к определённой закрытости
информации. Открытых публикаций на сегодняшний день пока меньше, чем
описаний патентов. Подобная картина была характерна как для озонирования в 60х годах XX века, так и для фотокаталитического окисления в 80-х годах. Таким
образом, можно, экстраполировав опыт озонирования и других передовых методов
очистки воды, предположить, что электроимпульсная технология обработки воды
приобретёт существенно большее внимание и расширит географию исследований
к 2010-2015 году. Учитывая высокую эффективность технологии, низкие расходы
энергии, компактность и отсутствие побочных отрицательных эффектов, можно
ожидать всплеск интереса к электроимпульсному методу очистки воды и быстрое
его внедрение. Особенный интерес к электроплазме может быть ускорен
ужесточением требований по дезинфекции оборотных и сточных вод, где данный
метод может оказаться подходящим идеально.
Факт, что данная технология, при всех её возможных преимуществах, не была
широко внедрена раньше, можно объяснить также и тем, что для генерирования
электроразрядов высокой частоты с большим напряжением и достаточной
крутизной импульсов требуются материалы, приборы и накопители энергии
(транзисторы IGBT и MOSFET, высокочастотные конденсаторы и др.), выпуск
которых был налажен сравнительно недавно. При этом, большинство
исследований и разработок были направлены на использование импульсов с
большим энерговкладом (от нескольких сот Дж до нескольких кДж). Несмотря
на наличие большего количества перспективных результатов, создать
промышленные технологии и оборудование, используя в качестве инструмента
электрический разряд с такими параметрами, не удалось. Это связано с тем, что
пока нет материалов и серийных комплектующих, способных обеспечить
приемлемый для промышленных условий ресурс работы электроимпульсных
устройств.
В области малого энерговклада (от единиц до нескольких десятков Дж в
одном импульсе) ведется значительно меньше исследований и получено не так
много перспективных результатов, но именно в этой области не существует
принципиальных ограничений для создания промышленных технологий.
Имеются материалы и серийные комплектующие, способные работать
длительное время. А сами разряды, формируемые короткими импульсами с
малым энерговкладом, обладают такими же высокими характеристиками, как и
разряды с высоким энерговкладом.
Основная идея проекта состоит в разработке электроимпульсной
технологии, позволяющей решать достаточно широкий круг задач,
связанных с очисткой и обеззараживанием вод различной этиологии.
Концепция подготовки воды из подземных источников основана на том,
что традиционные методы водоподготовки, включающие коагуляцию,
флокуляцию с последующим осаждением, фильтрацией и хлорированием с
целью обеззараживания воды часто недостаточны для эффективной очистки
воды, загрязненной трудноразрушаемыми соединениями. Эффективная очистка
от таких загрязнений может быть достигнута с помощью так называемых
Advanced Oxidation Processes (AOP) (или адвансированных окислительных
технологий (АОТ)), которые чаще всего, но не исключительно, ассоциируются с
озоном. Прямое использование озона при водоподготовке имеет серьёзные
недостатки: это высокое энергопотребление (современные генераторы озона
потребляют порядка 10 кВт-ч/кг озона), высокие капитальные и
эксплуатационные затраты, связанные с точной (прецизионной) сборкой,
необходимостью использования коррозионно-стойких материалов и наличием
квалифицированных кадров для обслуживания такого оборудования.
Производство озона представляет собой электроразрядный процесс, в основе
которого лежит равновесие между синтезом озона и обратным процессом его
разложения. Таким образом, существенная часть энергии, затраченной на синтез
озона, непродуктивно расходуется в механизме реакций «озон-кислород-озон».
При протекании этих реакций имеет место генерация и рекомбинация
чрезвычайно активных свободных радикалов, ионов и электронов в зоне
электрического разряда. Являясь активным окислителями и восстановителями,
эти радикалы, ионы и электроны могли бы играть важную роль в процессах
водоочистки. Однако эти частицы генерируются и рекомбинируют только в
зоне, где существует электрический разряд и генерируется озон: энергия,
необходимая для их генерации только частично консервируется и доставляется
в воду в виде озона, остальная энергия, преимущественно, бесполезно теряется.
Озон, взаимодействуя с загрязнениями в воде, реагирует или путем прямого
молекулярного окисления (достаточно медленные селективные реакции), или по
механизму, который преимущественно имеет место в водной среде, включая
генерацию в результате разложения озона мощного окислителя –
гидроксильного радикала ОН (быстрые неселективные реакции). Данная
активная частица, фактически, является единственным окислителем, способным
к разложению устойчивых к окислению органических соединений. Тем не
менее, в окислительных процессах для производства гидроксильного радикала
необходимо, по крайней мере, две молекулы озона, в соответствии со
стехиометрическим соотношением. Принимая во внимание то обстоятельство,
что часть радикалов бесполезно рекомбинирует, либо реагирует с ионами
минеральных веществ, можно видеть, что озонирование в значительной степени
неэффективно. Перечень недостатков озонирования дополняется тем фактом,
что растворимость озона в воде невелика. Для того, чтобы избежать потерь
озона, необходимо создание специальных установок для увеличения времени
контакта между водой и озоном, что, как правило, означает увеличение
размеров оборудования. Проблема становится практически неразрешимой,
учитывая необходимость подачи в генератор озона сухого воздуха (точка росы 40 С) или кислорода.
Данный проект для решения задачи подготовки воды из подземных
источников предлагает возможность устранения всех указанных недостатков.
Для уменьшения потерь энергии, активные окислители и восстановители
должны генерироваться непосредственно в зоне контакта озона с водой и
вступать в контакт только с теми загрязнителями, окисление которых
затруднительно с помощью аэрацией (кислородом воздуха). Это становится
возможным благодаря использованию очень короткого высоковольтного
высокочастотного электрического разряда с малым энерговкладом (0,1 –
5 Дж/имп.). При этом вода становится диэлектриком, т.е. её электрическая
проводимость уменьшается при длительности электрического импульса менее
300 нс. Это позволяет избежать электролитических явлений в воде и, таким
образом, предотвратить искровой разряд во влажном воздухе при высокой
напряженности поля. Поэтому озон может генерироваться в воздухе без его
предварительной осушки и даже в водо-воздушном потоке. В этих новых
условиях процесс окисления загрязнений в воде может быть организован
непосредственно в зоне электрического разряда. Для краткости данный
высоковольтный импульсный процесс назовем мокрым озонированием.
Итак, при использовании импульсного разряда в потоке, состоящем из
воздуха и диспергированной воды, разряд является источником природных
окислителей (озона, атомарного кислорода, радикалов ОН, перекиси водорода и
т.д.) и УФ-излучения. Причем, УФ и природные окислители производятся
непосредственно в потоке обрабатываемой воды, там, где и потребляются.
Эффективность производства и использования озона в такой системе во много
раз выше, чем в существующих системах озонирования, включая и зарубежные.
Система автоматически отслеживает количество производимого озона - чем
больше озона потребляется водой, тем больше его и производится. Нет
надобности и в системе подготовки воздуха для производства озона. УФизлучение также производится во всём объёме обрабатываемой воды,
вследствие чего эффективность этой обработки повышается многократно. Нет
необходимости в системе утилизации неиспользованного озона, что также
существенно снижает капитальные и эксплуатационные затраты.
Кроме того, многие из образующихся при разряде в водо-газовой смеси
активных промежуточных частиц - гидратированных электронов, радикалов (Н,
ОН), активных молекул (О3, Н2О2, НО2), возбужденных частиц и др. (особенно,
радикалов ОН) - по своей окислительной способности во много раз превосходят
озон. Созданные в достаточных количествах эти частицы в результате
последующих превращений способны разложить любое органическое вещество
вплоть до полной минерализации (до СО2 и Н2О) или, по крайней мере, до
форм, легко подверженных биодеградации. Соли тяжелых металлов окисляются
до высших форм окислов, теряя при этом свою токсичность, и легко могут
удаляться фильтрацией.
Значительным преимуществом электроимпульсного метода является его
малое энергопотребление. Это обусловлено следующим: точно дозируемое
количество вводимой энергии (0,1 – 5 Дж/имп.) инициирует дальнейшие
процессы за счет энергии химических реакций, т.е. без ввода дополнительной
энергии. Таким образом, электроимпульсный метод представляет собой
«спусковой крючок» для последующего прохождения окислительновосстановительных процессов.
Мокрое озонирование реализовано в блоке электроразрядной обработки
(БЭО) №1. Блок №1 состоит из источника питания и электродной системы. БЭО
способен работать в воздухе с влажностью до 100% и позволяет в водовоздушном потоке сформировать квазиобъёмный разряд, в котором, наряду с
развитием множества стримеров, наблюдается устойчивое свечение всего
межэлектродного промежутка. Такой разряд оказался эффективным источником
озона и УФ-излучения, а также короткоживущих активных частиц, таких как,
атомарный кислород, радикал ОН и других. Указанное воздействие на воду
является очень эффективным, так как реакционная способность у атомов
кислорода во много раз выше, чем у озона, а радикал ОН является одной из
самых активных промежуточных частиц (окислительный потенциал частицы
OH равен 2,8 В; у озона он равен 2,07 В). При таком подходе удалось
реализовать уникальный технологический процесс – синергетическое
воздействие УФ-излучения и сильнейших (природных) окислителей. БЭО имеет
высокий к.п.д., например, для производства 60 граммов озона в час требуется
источник мощностью всего 250 Вт. Энергопотребление процесса обработки
весьма невелико и не превышает 50 Втч/м3. Блок электроразрядной
обработки устойчиво работает как в газе, так и в водо-воздушной смеси. Блок
№1 во многих случаях вместе с первой ступенью обработки воды и системой
фильтрации обеспечивает очистку подземной воды до питьевого стандарта.
Применяемая технология воспроизводит процессы, происходящие в природе во
время грозовой деятельности. При этом электроразрядные процессы, как
природный, так и воспроизведенный нами, происходят не в воде, а на границе
раздела «вода-газ». Таким образом, сохраняются естественные свойства воды.
Отличие предлагаемой технологии производства озона в водовоздушной смеси
от обычной схемы получения озона из сухого воздуха заключается в отсутствии
дополнительного оборудования, уменьшении энергозатрат, отсутствии
токсичных окислов азота.
Для решения других задач, таких как очистка и обеззараживание сточных
вод с большим содержанием ионов тяжелых металлов, мышьяка; очистка,
обеззараживание и повторное использование промывных вод на городских
водозаборах; обеззараживание шахтных вод горнорудных комбинатов и т.д.,
разработаны блоки №2 и №3 электроразрядной обработки воды.
Блок электроразрядной обработки №2 является электроимпульсным
коагулятором, встроенным как в водный, так и в водо-воздушный потоки.
Энергопотребление блока №2 составляет 20 –50 Втч/м3. Производимый в
этом блоке коагулянт обладает огромной сорбционной способностью в
отношении многих загрязнителей, например, кремния, мышьяка, хрома и др., а
также мощным обеззараживающим эффектом. Суть идеи заключается в
следующем: импульсный ток, подаваемый на электроды, генерирует в слое
металлической загрузки электрические разряды, которые вызывают
диспергирование материала загрузки с образованием активных наночастиц
металла, которые, вступая в реакцию с водой, образуют высокоэффективный
сорбент. Известно, что традиционные технологии по очистке воды от указанных
загрязнений очень сложны, дороги и являются реагентными. Отличие блока
электроразрядной обработки №2 от стандартных коагуляторов заключается в
значительно меньшем энергопотреблении, отсутствии расходных электродов,
универсальностью применения в плане очистки от разных загрязнителей. Кроме
того, традиционные коагуляторы очень часто вообще не могут очистить воду до
требуемых нормативов и их применение, например, для очистки сточных вод в
свете ужесточения экологических требований становится попросту
проблематичным.
Блок №3 - электроимпульсное устройство, инициирующее процессы
кавитации в воде, значительно усиливает процессы коагуляции примесей, а
также обеспечивает высокоэффективное обеззараживание воды. Суть идеи
заключается в использовании физико-химических и биологических явлений,
происходящих при обработке воды высоковольтными импульсными разрядами.
Такой подход позволяет отказаться от малоэффективных и дорогостоящих
операций традиционных технологий очистки воды. Применение блока №3
целесообразно в технологическом процессе очистки подземной воды до
питьевого стандарта при наличии в ней мелкодисперсной взвеси и коллоидов
или высокого бактериального заражения и особенно актуально для решения
задачи повторного использования промывных вод на городских водоканалах и
очистных сооружениях, а также обеззараживания шахтных вод. Указанное
устройство может быть использовано отдельно от другого оборудования с
целью обеззараживания воды и при этом позволяет уменьшать общее
микробное число от значения 106 – 107 до значения менее 10. Т.е. коэффициент
обеззараживания составляет более 105 раз. Энергопотребление блока №3
составляет 20 Втч/м3. Разработанное импульсное кавитационное устройство
представляет собой малогабаритный эффективный аппарат, который может быть
установлен непосредственно в потоке воды по месту применения.
Совокупное применение в технологии водоочистки указанных блоков
электроразрядной обработки №1, №2 и №3 позволяет приблизиться к созданию
универсальной технологии, способной очищать и обеззараживать природные и
сточные воды от широко класса загрязнителей в едином технологическом
цикле.
Высокая эффективность подхода, примененного в комплексе «Импульс» и
его конкурентоспособность подтверждается результатами исследований
японской компании Shinko Pantec.
За счет используемого подхода удалось значительно снизить стоимость
оборудования, его габариты и энергопотребление при высоком качестве
обработки воды. Все разработанное оборудование реализовано на серийных
комплектующих российского производства.
5. Сущность предлагаемой разработки.
Электроимпульсная технология обработки воды предназначена для
очистки воды из подземных источников до качества, соответствующего
требованиям СанПиН 2.1.4.1074-01 «Питьевая вода и водоснабжение
населенных мест»; для очистки и обеззараживания сточных вод с большим
содержанием ионов тяжелых металлов, мышьяка; для очистки, обеззараживания
и повторного использования промывных вод на городских водозаборах; для
обеззараживания шахтных вод.
Технологический процесс является экологически чистым и включает
аэрацию, электроимпульсную обработку воды и фильтрацию, при этом
электроимпульсная обработка воды основана на совместном действии
природных окислителей (озон, радикалы ОН, атомарный кислород и т.д.) и УФизлучения, генерируемых в водо-воздушном потоке, а также на процессах
электроимпульсной коагуляции и кавитации. Предлагаемая электроимпульсная
технология обработки воды реализована в водоочистном комплексе «Импульс».
В работе водоочистных комплексов “Импульс” использованы следующие
технологии:
ИСХОДНАЯ
ВОДА
АЭРАЦИЯ ВОДЫ
ВОЗДУХОМ
ЭЛЕКТРОРАЗРЯДНАЯ
ОБРАБОТКА ВОДЫ
ФИЛЬТРАЦИЯ
ОБРАБОТАННОЙ
ВОДЫ
Рис.1
ПР ОМЫВНАЯ
ВОДА
В КАНАЛИЗАЦИЮ
В качестве аэратора используем противопоточную вентиляционную
градирню. Входная вода распыляется эжекторами Э1,2 (рис. 2) и по хордовой
насадке аэратора, выполненной в виде деревянных решеток, стекает сверху
вниз. Воздух вентилятором подается навстречу потоку воды снизу вверх.
Аэрационная колонна и эжектор является первой ступенью обработки воды, с
помощью которой происходит удаление растворенных в воде газов: свободной
углекислого газа, сероводорода, метана, и др., а также окисление
легкоокисляемых загрязнителей.
Основным узлом, позволившим создать новый и перспективный
водоочистной комплекс, является устройство электроразрядной обработки
воды. Электроразрядное устройство состоит из блоков №1, №2 и №3, которые
обеспечивают три различных способа электроразрядной обработки воды.
Блок №1 представляет собой “озонатор”, в котором, как и в известных
промышленных озонаторах, используется барьерный разряд. Этот “озонатор”
состоит из специальной системы электродов, покрытых диэлектрическими
барьерами и импульсного источника питания. Разработанный “озонатор”
способен, в отличие от известных промышленных озонаторов, работать в
воздухе с влажностью до 100%. Это отличие позволило разместить “озонатор”
непосредственно в водо-воздушном потоке, что обеспечивает комплексную
объёмную
обработку
диспергированного
водо-воздушного
потока
одновременно (проявляется синергетический эффект):
- озоном и ультрафиолетовым (УФ) излучением;
- электрическим полем, возбуждаемым высоковольтными импульсами;
- микроразрядами со всей поверхности электродов, являющимися
эффективным источником активных частиц (пероксид водорода,
атомарный кислород, гидроксильные радикалы и гидратированные
электроны). Созданные в достаточных количествах эти частицы в
результате последующих превращений способны разложить любое
органическое вещество вплоть до полной минерализации (до СО2 и Н2О)
или, по крайней мере, до форм, легко подверженных биодеградации. Соли
тяжелых металлов окисляются до нерастворимых соединений, теряя при
этом свою токсичность.
Максимальные энергозатраты на обработку воды в блоке №1 составляют
всего 30 – 50 Втч/м3. Концентрация активных частиц в электроразрядном
блоке №1 поддерживается в требуемом для эффективного окисления
трудноокисляемых загрязнителей воды диапазоне. Параметром регулирования
является частота следования импульсов.
Эффективность производства и использования озона в разработанной
системе во много раз выше, чем в существующих системах озонирования,
включая и зарубежные. Система автоматически отслеживает количество
Ч ИСТ АЯ
ВОДА
производимого озона. Чем больше озона потребляется водой, тем больше его и
производится. Нет надобности и в системах подготовки воздуха для
производства
озона,
охлаждении
электродной
системы,
системы
транспортировки озона, системы утилизации неиспользованного озона, что
существенно снижает капитальные и эксплуатационные затраты. УФ-излучение
и активные частицы также производится во всём объёме обрабатываемой воды,
вследствие чего эффективность этой обработки повышается многократно
(отмечен синергетический эффект). В случае традиционного озонирования эти
факторы не могут быть использованы по принципиальным соображениям.
Плотность энергии импульса на единицу сечения колонны для всех
комплексов не превышает 0,025 Дж/м2. Вследствие малых доз и импульснопериодического режима ввода энергии в реакционную зону не происходит
наработка азотсодержащих веществ (нитратов, нитритов и др.).
Таким образом, первая ступень обработки воды совместно с блоком №1
обеспечивают полное окисление широкого спектра загрязнителей воды, не
изменяя при этом ее солевого состава.
Блок №2 представляет собой электроимпульсный коагулятор. Принцип
действия основан на использовании электроискровой эрозии, возникающей в
слое токопроводящих металлических гранул при прохождении в нем
сильноточных импульсов. В этом процессе образуются мелкодисперсные
металлические частички, которые, реагируя с водой, превращаются в гидроксид,
являющийся отличным коагулянтом. Кроме того, в процессе эрозии образуются
частицы, обладающие сорбционными свойствами за счет образования в воде
наночастиц с разветвленной поверхностью. Загрязнения, присутствующие в
воде, сорбируются гидроксидом металла и другими частицами наноразмеров и
затем извлекаются из воды в процессе коагуляции и сорбции.
Электрический разряд между частицами металла также сопровождается
высокой температурой в зоне разряда, кавитационными процессами и ударной
волной. За счет воздействия этих физических факторов образуются
возбужденные и ионизированные атомы и молекулы, радикалы, свободные
электроны, а также озон и перекись водорода, что интенсифицирует
окислительно-восстановительные процессы очистки воды.
Достоинством
электроимпульсного
коагулятора
является
его
универсальность, позволяющая производить очистку воды различных категорий
от любых загрязнений и их композиций; отсутствие химических реагентов,
малостадийность процесса, компактность оборудования. Эффективность
электроимпульсного коагулятора при очистки воды характеризуется снижением
загрязнений: по ионам тяжелых металлов (Cr6+, Cu2+, Ni2+, Zn2+, Fe2+, Cd2+) на 9599%, по токсичным металлам (Be, As) на 97-98%, по нефтепродуктам на 98-99%,
по радиоактивным веществам на 74-85%, по микробиологическим загрязнениям
на 97-99%.
Особенностью электроимпульсного коагулятора является то, что он
базируется на дешевом сырье (металлическая стружка) и характеризуется малой
материалоемкостью, низкими капитальными и эксплуатационными затратами,
легкостью управления и автоматизации. Энергопотребление блока №2
составляет 20 –50 Втч/м3.
Блок №3 - электроимпульсное устройство, инициирующее процессы
кавитации в воде, значительно усиливает процессы коагуляции примесей, а
также обеспечивает эффективное обеззараживание воды. Суть идеи
заключается в генерировании ударной волны в импульсном режиме. За счет
создания импульса тока определенной формы с большой скоростью нарастания
переднего фронта удается создать давление во фронте ударной волны порядка
50 кбар. Это давления достаточно для уничтожения любых бактерий на
расстоянии 1м от электродов. Кроме того, скорость процессов коагуляции
примесей возрастает более, чем в 3 раза. Применение блока №3 целесообразно в
технологическом процессе очистки подземной воды до питьевого стандарта при
наличии в ней мелкодисперсной взвесей или высокого бактериального
заражения, что актуально для решения задачи повторного использования
промывных вод на городских водоканалах и очистных сооружениях, а также
обеззараживании шахтных вод. Указанное устройство может быть использовано
отдельно от другого оборудования с целью обеззараживания воды и при этом
позволяет уменьшать общее микробное число от значения 106 – 107 до значения
менее 10. Т.е. коэффициент обеззараживания составил более 105 раз. При этом
возможно обеззараживание воды на объектах с любыми, в том числе и очень
большими производительностями. Энергопотребление блока №3 составляет
20 Втч/м3. Разработанное импульсное кавитационное устройство представляет
собой малогабаритный аппарат, который может быть установлен непосредственно
в потоке воды по месту применения. Блок №3 может быть использован отдельно и
применен для обеззараживания сточных вод, а также любых жидкостей.
Принципиально возможно создание электроимпульсного кавитационного
устройства с производительностью до нескольких тысяч кубических метров в час.
Высоковольтные источники питания для устройства электроразрядной
обработки воды (блок №1, блок №2 и блок №3) собраны на базе отечественных
серийных комплектующих.
В баке-реакторе осуществляется дореагирование окислителей с оставшимися
примесями и завершаются процессы коагуляции и хлопьеобразования.
Обработанная по такой технологии вода хорошо осветляется механическими
фильтрами с зернистой загрузкой. Мы предпочитаем применять напорные
фильтры заводского изготовления, а в качестве фильтрующей загрузки
используем наиболее дешевый розовый песок (горелая порода).
Аэратор и устройство электроразрядной обработки воды (блок №1, блок №2
и блок №3) объединены в реакционную колонну. Изготавливаются четыре типа
колонн на производительность 5, 10, 20 и 40 м3/ч. Эти колонны комплектуются
источниками питания мощностью 250, 500, 1000 и 2000 Вт соответственно.
Высота колонн определяется высотой аэратора и составляет 3,5 – 4,0 м. В тех
случаях, когда аэратор не требуется, высота колонны уменьшается до 1,5 – 2,0
м. Одна или несколько колонн, установленных на бак-реактор, образуют
модуль. Модульный вариант позволяет с минимальными затратами
скомпоновать комплекс производительностью от 2 - 200 м3/час и более,
разместить его (при необходимости) на существующих площадях или в
отдельном блок-боксе.
Установочные
площади,
занимаемые
оборудованием
небольшой
производительности, приведены в таблице 1:
Таблица 1
Производительность, м3/ч
5
10
20
40
Установочная площадь, м2
6
12
20
30
На баке-реакторе установлен эжектор Э3, который выполняет роль
дополнительной ступени обработки воды озоном. Объем бака-реактора
выбирается из условия, что вода, обработанная озоном, должна находиться в
баке не менее 12 минут.
На рис.2 показана типовая технологическая схема установки “Импульc”.
Основными узлами этой установки являются:
 колонна(ы) в комплекте с устройством электроразрядной обработки
воды и источниками питания;
 бак–реактор;
 перекачивающие насосы и насос для промывки фильтра;
 фильтры; блок автоматики с необходимыми датчиками и приборами;
 трубопроводы, арматура, соединительные и коммутационные элементы.
РД
Счетчик
Вода
исходная
Отработанный
воздух
Блок
электроразрядной
обработки
(блок 2)
Аэратор
Э1
Э2
Блок
автоматики
Вода
очищенная
Резервуар
чистой
воды
Фильтр
Источник
питания
Воздух
Блок
электроразрядной
обработки
(блоки 1, 3)
М
Источник
питания
Э3
M
M
Бак-реактор
Насос
Насос
В канализацию
Рис.2
Режим работы комплекса – автоматический, режим промывки фильтров –
ручной. На пульт управления выводится информация о работе устройства
электроразрядной обработки воды, вентилятора, перекачивающих насосов,
данные об уровне воды в баке-реакторе и в РЧВ. По желанию уровень
автоматизации может быть изменён.
В зависимости от «сложности» воды может быть задействована любая
комбинация из трех блоков электроразрядной обработки воды (блок №1, блок
№2 и блок №3).
Водоочистной комплекс «Импульс» способен обеспечить очистку и
обеззараживание воды из подземных источников с широким спектром
загрязнителей, что крайне актуально для так называемых “сложных” вод,
которые характеризуются содержанием железа в виде металлоорганических
соединений, а также повышенным содержанием марганца, кремния и др.,
существенным бактериальным заражением. При этом, водоочистной комплекс
«Импульс» прост и надежен в эксплуатации, имеет невысокую стоимость.
Данная технология водоочистки является безреагентной, энергосберегающей и
экологически чистой.
Разработанная технология поддается межотраслевому переносу, а
накопленный в НИИ ВН научно-технический потенциал может быть
использован для решения задач в других отраслях, а именно:
- разработанная технология обеззараживания может быть использована при
производстве различных форм лекарственных препаратов и в отраслях, где
необходимо применять эффективное обеззараживание для использования
человеком и животными;
- разработанный электроразрядный блок можно применять для очистки и
обеззараживания воздуха в сверхчистых производствах.
- с помощью разработанной электроимпульсной технологии можно
осуществлять димеризацию углеводородного сырья с целью переработки
углеводородных газов в жидкий продукт, например, получение
компонентов для производства современных экологически чистых видов
моторных топлив.
- разработанная электроимпульсная технология может быть использована в
таком современном направлении, как синтез алмазных пленок.
- на основе электроразрядного блока разработать технологию получения
нановолокнистых частиц оксидов металлов, сферических металлических
частиц, различных углеродных наноструктур и кластерной жидкости. Эти
нанопорошки позволят производить высокотехнологическую продукцию:
например, генераторы кислорода индивидуального использования для
больных астмой; полудрагоценные камни на основе корунда; фильтры для
очистки воды, жидкостей и газов.
- на основе электроразрядного блока разработать активатор и диспергатор
для получения устойчивых суспензий нанопорошков, что позволит
существенно повысить эффективность выращивания кристаллов,
нанесения покрытий, соединения разнородных материалов (например,
стекло-металл) с высокой прочностью и высокой температурой распайки,
а также разработать технологию изготовления подложек и радиаторов на
основе наноалмазов, алмазоподобных покрытий, нанопорошков оксидов и
нитрида алюминия.
- на основе электроразрядного блока разработать активатор для повышения
эффективности и экологической безопасности процессов горения
углеводородных топлив (включая биогаз) за счет активации окислителя
(кислорода воздуха и воды) и активации топлива.
6. Мероприятия по охране прав на интеллектуальную собственность
Водоочистной комплекс «Импульс» изготавливается в соответствии с ТУ
4859-001-02070235-01 и имеет гигиеническое заключение на продукцию №
70.ТС.01.515.П.000395.04.04 от 07.04.04 г., сертификат соответствия РОСС
RU.НО03.В00232 №6286911 от 21.06.2004 г. Способ очистки и обеззараживания
воды, применённый в изделиях, защищен патентом РФ №2136600, с
приоритетом от 16.12.97 г. Водоочистной комплекс “Импульс” награжден
серебряной медалью Всемирного салона инноваций «Брюссель–Эврика 2001»
(Бельгия, 2001г.), золотой медалью 2-ого Московского международного салона
изобретений и инноваций (Россия, 2002г.), серебряной медалью 93-го
Международного салона изобретений «Конкурс Лепин» (Франция, Париж,
2002г.) и золотой медалью выставки-конгресса «Высокие технологии.
Инновации. Инвестиции» (Россия, Санкт-Петербург, 2003г.) и др.
Благодаря высокой оценке международными экспертами водоочистного
комплекса “Импульс” НИИ высоких напряжений был награжден почетным
призом “Grand Prix “Effie” с присвоением ему категории А “Участника
международных экономических отношений”.
Производство водоочистного комплекса “Импульс” в НИИ высоких
напряжений сертифицировано по системе менеджмента качества ISO 9001:2000
(сертификат № 16423/2 от 27.01.04 г.).
Руководитель проекта - соавтор патента РФ №2136600 «Реактор и способ
очистки воды» (С.Г. Боев, В.М. Муратов, Н.П. Поляков, Н.А. Яворовский).
Идет подготовка к патентованию импульсного электрокоагулятора,
импульсного кавитационного устройства и связанных с ними отдельных
технических решений и технологий.
7. Конкурентные преимущества.
Ниже перечислены основные фирмы-производители водоочистного
оборудования, которые достаточно широко представлены на водоочистном
рынке России.
Озонные технологии, основанные на применении традиционного
озонирования, используются в водоочистных комплексах следующих фирмпроизводителей: ОАО «НИИ КВОВ», г. Москва; ООО «Озония», г. Нижний
Новгород; ОАО «Курганхиммаш», г. Курган; НИИ машиностроения, г. Нижняя
Салда Свердловской области; АОЗТ “Озон” г. Москва.
Водоочистные комплексы, в которых используются системы аэрации и
фильтрации производятся следующими фирмами-изготовителями: ОАО «НИИ
КВОВ», г. Москва; ГНЦ ВОДГЕО, г. Москва; ОАО “Сорбент” г. Пермь; ООО
«Раэск-Аква», г. Москва; BWT (Германия) и многие другие.
Водоочистные комплексы, использующие мембранные технологии,
производятся следующими фирмами-изготовителями: АО «Мембраны», г.
Владимир, BWT (Германия).
Водоочистные комплексы на основе электрокоагулятора изготавливаются
следующими фирмами: ООО «Тюменьниигипрогаз» г. Тюмень, ООО «Экотех»
г. Харьков Украина.
Технология обеззараживания: УФ-обеззараживание НПО «Лит» г. Москва,
BWT (Германия).
Отметим технологии, которые по сути применяемого метода не являются
прямыми конкурентами предлагаемому способу, хотя и решают аналогичные
задачи и представлены на водоочистном рынке.
Использование в схеме водоочистки только импортных или отечественных с
модифицированной загрузкой фильтров предполагает наличие расходных
материалов в достаточно больших количествах, чего нет в нашей технологии. За
счет этого происходит дополнительное скрытое удорожание этих технологий и
реальное повышение эксплуатационных расходов. Кроме того, использование
этих фильтров предполагает выполнение специальных требований и условий
для осуществления процесса качественной очистки воды. За счет этого область
применения фильтров резко сужается.
Применение мембранных технологий очень тонкий технологический
процесс, для обслуживания которых требуется высококвалифицированный
обслуживающий персонал. Использование этого метода для очистки «сложных»
вод Сибирского региона очень ограничено из-за малого срока службы мембран.
В связи с этим требуется достаточно частая их регенерация, а впоследствии и
замена мембран. Это также приводит к дополнительным эксплуатационным
расходам. Кроме того, вода, подающаяся на установку обратного осмоса,
должна быть уже максимально очищена от загрязнителей, что предполагает
установку дополнительного водоочистного оборудования. Также известно, что
30% очищаемой воды используется на промывку системы. Таким образом,
производительность установки в данном случае необходимо завышать на 30%,
что опять сказывается на цене.
Еще один способ очистки воды - реагентный сегодня практически не находит
заказчиков из-за сложности организации технологического процесса, хранения
и доставки реагентов, особенно в сельской местности и удаленных районах.
В таблицах приведены конкретные параметры водоочистного комплекса
«Импульс» в сравнении с лучшими показателями конкурентов: водоочистной
комплекс «Водопад» производства ООО «Тюменьниигипрогаз» г. Тюмень
(Таблица №1) и водоочистной комплекс производства ОАО «Сорбент» г. Пермь
(Таблица №2) для целей очистки подземной воды до питьевого стандарта.
Таблица №1
№
1.
2.
3.
4.
5.
6.
7.
8.
9.
10.
11.
12.
Наименование параметра продукции
Цена комплекса производительностью
5м3/час
Энергозатраты на обработку воды, кВт
час/м3
Простота и надежность в эксплуатации
(наличие качества)
Высокая степень очистки по
широкому спектру загрязнителей
(наличие качества)
Диапазон производительностей
(м3/час)
Применение химических реагентов
Эффект обеззараживания
Очистка от органических
загрязнителей
Экологическая безопасность (наличие
качества)
Синергетическая и синтетическая
эффективность (наличие качества)
Сокращение эксплуатационных
расходов
Наличие расходных материалов
Значение параметра
Водоочистной
Продукция
комплекс
конкурента (лучшая
«Импульс»
на сегодня)
38 000
долларов 122 000
долларов
США.
США.
0,07 – 0,10
0,6 – 1,0
да
нет
да
да
2 - 200 и более
0,25 - 20
нет
99,9%
95%
нет
частичное
90%
да
нет
да
нет
на 20 - 30% от
существующих
расходов
нет
нет
есть
Таблица №2
№
Наименование параметра продукции
1.
Цена комплекса производительностью
5м3/час
Энергозатраты на обработку воды, кВт
час/м3
Простота и надежность в эксплуатации
(наличие качества)
Высокая степень очистки по
широкому спектру загрязнителей
(наличие качества)
Диапазон производительностей
(м3/час)
Применение химических реагентов
Эффект обеззараживания
2.
3.
4.
5.
6.
7.
8.
9.
Экологическая безопасность (наличие
качества)
Синергетическая и синтетическая
эффективность (наличие качества)
Сокращение эксплуатационных
расходов
Значение параметра
Водоочистной
Продукция
комплекс
конкурента (лучшая
«Импульс»
на сегодня)
38 000 долларов
107 900 долларов
США.
США.
0,07 – 0,10
0,6
да
да
да
да
2 - 200 и более
0,25 – и более
нет
99,9% (в едином
цикле очистки
воды)
да
да
99,9% (с применением
специальных
устройств, в
частности
ультрафиолетовых
ламп)
нет
да
нет
на 20 - 30% от
нет
существующих
расходов
2
11. Компактность размещения, м
21
54
12. Наличие расходных материалов
нет
есть
При обосновании преимуществ электроимпульсного метода очистки воды
необходимо отметить следующее:
10.
1. Традиционные методы водоочистки, включающие коагуляцию,
флокуляцию с последующим осаждением, фильтрацией и хлорированием или
УФ-дезинсекцией с целью обеззараживания воды часто недостаточны для
эффективной очистки воды, загрязненной трудноразрушаемыми соединениями.
Эффективная очистка от этих загрязнений и обеззараживание могут быть
достигнуты с помощью так называемых адвансированных окислительных
технологий (АОТ), которые чаще всего, но не исключительно, ассоциируются с
озоном.
Прямое использование озона имеет серьёзные недостатки: это высокое
энергопотребление (современные генераторы озона потребляют порядка 10 кВтч/кг озона) и высокие капитальные затраты, связанные с точной (прецизионной)
сборкой и необходимостью использования коррозионно-стойких материалов.
Производство озона представляет собой электроразрядный процесс, в основе
которого лежит равновесие между синтезом озона и обратным процессом его
разложения. Таким образом, существенная часть энергии, затраченной на синтез
озона, непродуктивно расходуется в механизме реакций «озон-кислород-озон».
При протекании этих реакций имеет место генерация и рекомбинация
чрезвычайно активных свободных радикалов, ионов и электронов в зоне
электрического разряда. Являясь активным окислителями и восстановителями,
эти радикалы, ионы и электроны могли бы играть важную роль в процессах
водоочистки. Однако эти частицы генерируются и рекомбинируют только в
зоне, где существует электрический разряд и генерируется озон: энергия,
необходимая для их генерации только частично консервируется и доставляется
в воду в виде озона, остальная энергия, преимущественно, бесполезно теряется.
Озон, взаимодействуя с загрязнениями в воде, реагирует или путем прямого
молекулярного окисления (достаточно медленные селективные реакции), либо
по механизму, который преимущественно имеет место в водной среде, включая
генерацию в результате разложения озона мощного окислителя –
гидроксильного радикала ОН (быстрые неселективные реакции). Данная
активная частица, фактически, является единственным окислителем, способным
к разложению устойчивых к окислению органических соединений. Тем не
менее, в окислительных процессах для производства гидроксильного радикала
необходимо, по крайней мере, две молекулы озона, в соответствии со
стехиометрическим соотношением. Принимая во внимание то обстоятельство,
что часть радикалов бесполезно рекомбинирует, либо реагирует с ионами
минеральных веществ, можно видеть, что озонирование в значительной степени
неэффективно. Перечень недостатков озонирования дополняется тем фактом,
что растворимость озона в воде невелика. Для того, чтобы избежать потерь
озона, необходимо создание специальных установок для увеличения времени
контакта между водой и озоном, что, как правило, означает увеличение
размеров оборудования. Проблема становится практически неразрешимой,
учитывая необходимость подачи в генератор озона сухого воздуха (точка росы 40 С) или кислорода. Кроме того, традиционное производства озона в обычной
схеме его получения из сухого воздуха предполагает наличие дополнительного
оборудования (например, система охлаждения, система транспортировки и
барботирования, система утилизации озона и т.д.), большие энергозатраты,
наличие токсичных окислов азота.
Данный проект, делая реальным создание водоочистного устройства на
основе АОТ, предлагает возможность избежать всех указанных недостатков.
Для уменьшения потерь энергии, активные окислители и восстановители
должны генерироваться непосредственно в зоне контакта озона с водой и
вступать в контакт только с теми загрязнителями, окисление которых
затруднительно с помощью аэрацией (кислородом воздуха). Это становится
возможным благодаря использованию очень короткого высоковольтного
высокочастотного электрического разряда. При этом вода становится
диэлектриком, т.е. её электрическая проводимость уменьшается при
длительности электрического импульса менее 300 нс. Это позволяет избежать
электролитических явлений в воде и, таким образом, предотвратить искровой
разряд во влажном воздухе при высокой напряженности поля. Поэтому озон
может генерироваться в воздухе без его предварительной осушки и даже в
воздухе, содержащем капли воды. В этих новых условиях процесс окисления
загрязнений в воде может быть организован непосредственно в зоне
электрического разряда.
Преимущества и высокая конкурентоспособность предлагаемого способа
очистки и обеззараживания при подготовке воды из подземных источников
базируются на использовании импульсного разряда в потоке, состоящем из
воздуха и диспергированной воды (реализована в блоке №1). В этом случае
разряд является источником природных окислителей (озона, атомарного
кислорода, радикалов ОН, перекиси водорода и т.д.) и УФ-излучения. Причем,
УФ и природные окислители производятся непосредственно в потоке
обрабатываемой воды, там, где и потребляются. Эффективность производства и
использования озона в разработанной системе во много раз выше, чем в
существующих системах озонирования, включая и зарубежные. Система
автоматически отслеживает количество производимого озона. Чем больше
озона потребляется водой, тем больше его и производится. Нет надобности и в
системе подготовки воздуха для производства озона. УФ-излучение также
производится во всём объёме обрабатываемой воды, вследствие чего
эффективность этой обработки повышается многократно. Нет систем
утилизации неиспользованного озона, что также существенно снижает
капитальные и эксплуатационные затраты. Система практически не производит
токсичных промежуточных веществ.
Кроме того, многие из образующихся при разряде в водо-газовой смеси
активных промежуточных частиц - гидратированных электронов, радикалов (Н,
ОН), активных молекул (О3, Н2О2, НО2), возбужденных частиц и др. (особенно,
радикалов ОН) - по своей окислительной способности во много раз превосходят
озон. Созданные в достаточных количествах эти частицы в результате
последующих превращений способны разложить любое органическое вещество
вплоть до полной минерализации (до СО2 и Н2О) или, по крайней мере, до
форм, легко подверженных биодеградации. Соли тяжелых металлов окисляются
до высших форм окислов, теряя при этом свою токсичность, и легко могут
удаляться фильтрацией.
2. Отличие электроимпульсной технологии (блок №2) от стандартных
коагуляторов заключается в значительно меньшем энергопотреблении,
отсутствии расходных электродов, универсальностью применения в плане
очистки от разных загрязнителей.
3. Способ обеззараживания, реализованный в предлагаемой технологии (блок
№3), позволяет осуществлять обеззараживание воды от высоких доз
бактериальной
зараженности,
имеет
небольшие
размеры,
малое
энергопотребление и легко встраивается в любую существующую систему
водоочистки практически с любой производительностью, либо просто в
трубопровод подачи воды. Преимущество электроимпульсной технологии перед
стандартными методами обеззараживания заключается в отсутствии
хлорсодержащих реагентов. Кроме того, использование хлора показало, что
подобные методы не ведут к уничтожению многих опасных вирусов, в том числе
гепатита. Кроме того, хлор в результате химической реакции превращается в
канцерогены, которые затем попадают в организм человека. Использовании УФ
ламп ограничено прежде всего их малой производительностью, часто малой
эффективностью (в случае мутных вод) и высокой ценой.
Совокупное применение в водоочистке всех ступеней предлагаемого
электроимпульсного способа обработки воды (блоки №1, №2 и №3) позволяет
приблизиться к созданию универсальной технологии, способной очищать и
обеззараживать природные и сточные воды от широко класса загрязнителей в
едином технологическом цикле.
Высокая эффективность подхода, примененного в комплексе «Импульс» и его
конкурентоспособность подтверждается результатами исследований японской
компании Shinko Pantec.
За счет используемого подхода удалось значительно снизить стоимость
оборудования, его габариты и энергопотребление при высоком качестве
обработки воды.
Ресурс работы электроразрядных блоков №1, №2 и №3 составляет не менее 15
лет. Такой ресурс обусловлен оригинальным решением, заключающимся в
дозировании энергии малыми порциями. Это позволило применить обычные
материалы и стандартные комплектующие.
Водоочистной комплекс «Импульс» изготавливается в соответствии с ТУ
4859-001-02070235-01 и имеет гигиеническое заключение на продукцию
продукцию № 70.ТС.01.515.П.000395.04.04 от 07.04.04 г., сертификат
соответствия РОСС RU.НО03.В00232 №6286911 от 21.06.2004 г. НИИ высоких
напряжений прошел оценку и регистрацию на соответствие требований
стандарта BS EN ISO 9001: 2000 в области проведения научных исследований в
области электроразрядных и плазменных технологий, а также разработки и
производства устройств электроразрядных и плазменных технологий. Имеются
все необходимые разрешения и лицензии на проведение исследовательских,
монтажных и пусконаладочных работ, изготовление оборудования.
8. Рынок сбыта.
Водоочистной рынок Российской Федерации практически не освоен, т.к. по
экспертным оценкам только 5% населения страны имеют доступ к чистой
питьевой воде.
По экспертным оценкам емкость российского рынка по проблеме питьевой
воды составляет примерно 50 млрд. долларов США с ежегодным приростом 8 –
10%, а емкость рынка Сибири и Дальнего Востока составляет примерно 30
млрд. долларов США. Поэтому крупнейшие западные водоочистные
корпорации проявляют высокую активность на рынке РФ. Однако из-за
высокой стоимости импортного оборудования на российском рынке продаются
только простейшие системы очистки воды на основе дозирования реагентов и
фильтрации с помощью модифицированных загрузок. Установки водоочистки,
в которых используется озонирование, из-за дороговизны малодоступны
российским потребителям. Поэтому на сегодняшний день российский заказчик
водоочистного оборудования в первую очередь обращает внимание на
отечественного производителя. И в этой связи особый интерес представляют
конкурентоспособные водоочистные технологии российского производства.
Платежеспособный спрос на сегодняшний день составляет 3 – 5 % от емкости
рынка.
Сектор рынка, который мы стремимся занять, касается водоочистных
установок производительностью 2- 200 м3/час. Этот сектор по разным причинам
оказался наименее освоенным российской промышленностью и сегодня
является наиболее востребованным.
Потенциальными
покупателями
являются
предприятия
нефтегазодобывающей промышленности, промышленные предприятия, железные
дороги, администрации городов и районов в лице департаментов жилищно-
коммунального хозяйства (ЖКХ), расположенные в регионах-донорах. Все эти
потребители платёжеспособны. Особенно остро проблема снабжения населения
качественной питьевой водой стоит в сельской местности. В последнее время
решение этих задач становится приоритетным для местных властей в рамках
выполнения региональных программ «Чистая вода». Поэтому немалая часть
потребителей нашей продукции находится и в сельской местности.
Потребности рынка в водоочистных комплексах производительностью 2-200
м3/час связано с двумя обстоятельствами. Во-первых, промышленные
предприятия в целях минимизации собственных расходов стремятся уйти от
централизованного водоснабжения из-за постоянной тенденции к увеличению
стоимости воды и перейти к локальному водоснабжению, тем более, что
качество воды, получаемой при централизованном водоснабжении, как правило,
оставляет желать лучшее. Во-вторых, там, где нет централизованного
водоснабжения (сельская местность и вахтовые поселки), заказчики стремятся
устанавливать простые, надежные и экономически выгодные в эксплуатации (а
значит безреагентные) водоочистные станции.
Практически, работая десять лет на этом рынке, мы не сталкивались с
серьезными фирмами-конкурентами, что говорит либо о незанятости данного
рынка, либо о том, что потребителям не предложено удовлетворительного
продукта.
В последнее время увеличилось число обращений в наш адрес от
потенциальных заказчиков с просьбой рассмотреть вопрос об изготовлении
водоочистных комплексов «Импульс» производительностью 500-1000 м3/час и
более. Такие обращения говорят о том, что крупные промышленные
предприятия и населенные пункты городского типа, решая вопрос о
водоснабжении, хотят уйти от реагентных технологий очистки воды.
Действительно, на сегодняшний день только электроимпульсная технология
очистки воды, реализованная в водоочистном комплексе «Импульс», может
обеспечить такие производительности без применения реагентных схем, при
этом достигая минимизации капитальных и эксплутационных расходов.
Наше оборудование, которое включает блок электроразрядной обработки
воды разработки НИИ ВН и простейшую систему фильтрации, по стоимости
оказывается на 15-20% ниже стоимости импортной системы фильтрации, а по
возможностям значительно её превосходит.
Цены на продукцию договорные и зависят от ситуации, складывающейся на
рынке данного региона.
Продукция рекламируется в журналах, газетах, на телевидении. Реклама
рассылается по почте, распространяется по дилерской сети. Водоочистной
комплекс «Импульс» регулярно экспонируется на международных и российских
специализированных выставках. Имеется четыре мобильные лабораторные
установки, которые используются на переговорном этапе с потенциальным
заказчиком с целью демонстрации возможностей водоочистного комплекса
«Импульс» на конкретном объекте Заказчика и на этапе предпроектных
изысканий, что оказывается особенно убедительным аргументом для объектов с
производительностью свыше 100 м3/час.
Емкость мирового рынка по водоочистным технологиям для подготовки
только питьевой воды составляет цифру порядка 300 млрд. долларов США с
дальнейшим увеличением пропорционально росту народонаселения и
экологических проблем.
На сегодняшний день Эстония (Таллинский технический университет)
рассматривает вопрос о применении водоочистного комплекса «Импульс» для
решения проблемы очистки воды и стоков в целом по республике и с
дальнейшим выходом в страны Европы, технопарк высоких технологий в
городе Далянь (Китай) инициировал создание совместного предприятия по
водной тематике. Интерес к продвижению на рынок водоочистных комплексов
«Импульс» проявляют торговые представительства Российской федерации в
Канаде, Бразилии и Финляндии. Ведутся переговоры о поставке водоочистных
комплексов «Импульс» на Украину и в Венгрию. Ближайшие планы и стратегия
развития: реорганизации НИИ высоких напряжений в научно-внедренческий
центр электроимпульсных технологий на базе собственных разработок;
организация ряда представительств и сборочных производств в перспективных
регионах РФ.
Исключительно
перспективным
является
решение
проблемы
обеззараживания воды и проблемы использования оборотных и шахтных вод.
Емкость такого рынка по экспертным оценкам показывают цифры не меньшие,
чем на водоочистном. Потребителями устройств обеззараживания прежде всего
являются городские водоканалы, станции очистки производственных и сточных
вод, горнорудные и фармацевтические предприятия и др.
9. Порядок коммерциализации результатов разработки.
«Команду проекта» составляют:
1. Яворовский Николай Александрович- заведующий лабораторией №12 НИИ
высоких напряжений, научный руководитель проекта, к.т.н.;
2. Крыков Виктор Павлович - инженер-технолог лабораторией №12 НИИ
высоких напряжений, руководитель производственной группы;
3. Чен Бен-Нам- старший научный сотрудник лабораторией №12 НИИ высоких
напряжений, заместитель руководителя проекта, соруководитель группы
стратегии-маркетинга, к.ф-м.н.;
4. Хаскельберг Михаил Борисович - старший научный сотрудник лабораторией
№12 НИИ высоких напряжений, заместитель руководителя проекта,
соруководитель группы стратегии-маркетинга, к.ф-м.н.;
5. Хряпов Петр Александрович - старший научный сотрудник лабораторией
№12 НИИ высоких напряжений, руководитель пуско-наладочной группы;
6. Корнев Яков Иванович - научный сотрудник лабораторией №12 НИИ
высоких напряжений, руководитель группы высоковольтных источников,
к.т.н.
Содержание проведенных работ по проекту - мелкосерийное производство
водоочистных комплексов «Импульс» для получения воды питьевого стандарта
из подземных источников.
Содержание предстоящих работ по проекту – доведение до коммерческого
продукта разработок лаборатории:
- электроимпульсного электрокоагулятора;
- электроимпульсного кавитационного устройства;
- электроимпульсной установки восстановления фильтрирующей
загрузки.
Объектом продаж являются водоочистные комплексы «Импульс» различной
производительности от 2м3/час и более.
Водоочистной комплекс “Импульс” изготавливается в соответствии с ТУ 4859001-02070235-01, имеет гигиеническое заключение на продукцию № 70.ТС.01.
515. П.000395.04.04 от 07.04.04 г., сертификат соответствия РОСС
RU.НО03.В00232 № 6286911 от 21.06.2004 г., а его производство
сертифицировано по международному стандарту качества ISO 9001. Способ
очистки и обеззараживания воды, применённый в изделиях, защищен патентом
РФ № 2136600, с приоритетом от 16.12.97 г.
В настоящее время нами налажено производство единичных образцов
водоочистных комплексов «Импульс» производительностью от 2 м3/час до 200
м3/час. Установлено и успешно работают порядка 70 водоочистных комплексов
«Импульс» различной производительности в населенных пунктах и
промышленных предприятиях Томской и Кемеровской областях, Алтайского и
Приморского краях, а также в Ханты-Мансийском и Ямало-Ненецком
автономных округах (список предприятий, эксплуатирующих водоочистной
комплекс «Импульс», приведен на сайте www.impulse.tom.ru). Отметим, что эти
комплексы в своей технологической схеме не содержат блоки №2 и №3
устройства электроразрядной обработки воды, так как на этих объектах решался
вопрос об очистке артезианской воды, и потому применение таких блоков было
бы избыточным.
Производственная база НИИ высоких напряжений и лаборатории №12
обеспечивает весь технологический процесс изготовления водоочистных
комплексов «Импульс» и позволяют выполнять текущие заказы в количестве
15-20 штук производительности от 2-100 м3/час. В случае поступления заказа на
водоочистной комплекс производительностью 500 м3/час и более не составляет
труда привлечь сторонние организации к выполнению такого заказа, так как вся
необходимая конструкторско-технологическая документации разработана.
Институт высоких напряжений имеет в своем составе опытное производство,
включающее в себя:
 токарный цех с оборудованием для токарных, сверлильных и фрезеровочных
работ;
 слесарный участок с оборудованием для рубки (гильотины), резке, изгибу
как труб, так и листового металла, точильно-шлифовальное оборудование;
 сварочный участок для электродуговой сварки, сварки в атмосфере
инертных газов, оборудование для ацетиленовой резки металла;
 монтажный зал для сборки и монтажа крупногабаритных объектов с
соответствующими
средствами
механизации:
кран-балками
и
автоматическим погрузчиком. В этом цеху возможно проведение
испытательных работ с высоковольтным оборудованием.
 Испытательный участок.
Все цеха и складские помещения имеют автомобильные подъездные пути для
транспортировки крупногабаритного груза.
Кроме этого в составе лаборатории №12 имеются:
 стенды и аналитическое оборудование для проведения экспериментов;
 компьютеры и соответствующие программные продукты для расчета и
проектирования водоочистных комплексов и любого вспомогательного
оборудования.
Все имеющееся оборудование находится в технически исправном состоянии.
Ведущими специалистами лаборатории №12 являются:
№
1.
2.
3.
4.
5.
6.
7.
Занимаемая
должность
Ф.И.О.
заведующей
лабораторией
инженер-технолог
Яворовский Н.А.
старший научный
сотрудник
старший научный
сотрудник
старший научный
сотрудник
старший научный
сотрудник
инженер
Пельцман С. С.
Крыков В. П.
Хряпов П. А.
Хаскельберг М. Б.
Чен Бен-Нам
Цымбал В. Н.
8.
инженерэлектронщик
Воловодов В. И.
9.
инженер
Вахрушев А. Г.
10.
научный
сотрудник
ведущий научный
сотрудник
инженер
Корнев Я.И.
11.
12.
Сквирская И.И.
Охота О.В.
Наименование учебного
заведения, образование и
специальность
Томский политехнический
ин-т, электрофизик
Томский политехнический
ин-т, электрофизик
Томский политехнический
ин-т, инженер-электрик
Томский государственный
университет, физик
Томский государственный
университет, радиофизик
Томский государственный
университет, радиофизик
Томский политехнический
институт, радиоинженер
Томский институт
автоматизированных систем
управления, электронщик
Томский политехнический
институт, инженер-электрик
Томский политехнический
ин-т, инженер-электроник
Томский политехнический
институт, химик
Томский политехнический
ин-т, инженер-математик
Стаж
работы
(общий),
лет
34
Стаж
работы по
профилю
занимаемой
должности,
лет
15
34
30
24
30
42
20
42
22
3
22
26
10
26
26
15
26
19
14
19
17
17
17
31
26
31
6
6
6
40
14
40
14
10
14
Основное препятствие для реализации проекта в государственном секторе
связанно:
- в дотационных регионах с крайне тяжелым положением таких
региональных бюджетов, а также (или как следствие) их экономической и
политической нестабильностью;
- в регионах-донорах при наличии программы «Чистая вода» с влиянием
административного ресурса. В этом случае вопрос о применимости той или
иной технологии очистки воды, как правило, решается не с точки зрения ее
экономической и технической эффективности, а с иных, понятных только
узкому кругу заинтересованных лиц, точек зрения. Либо отсутствием
программы «Чистая вода», например, Красноярский край, хотя проблемы с
очисткой воды стоят очень остро.
Основное препятствие для реализации проекта в частном секторе
(исключение составляют предприятия нефтегазового комплекса и пищевой
промышленности) связанно с недостатком средств на модернизацию
производства. На сегодняшний день частный сектор не может обеспечить
приемлемый уровень заказов для организации промышленного производства
водоочистных комплексов, основанных на передовой технологии, а потому
вопрос об очистке воды откладывается на будущее.
Стаж
работы по
специальности, лет
Производственная программа: себестоимость, цены (руб., доллары), объемы в
натуральном и стоимостном выражении по годам.
Год
ПредполагаеЦена за ед.
Объем
мая
готового изделия, реализации, шт.
себестоимость,
руб.
(в пересчете на
руб. (комплекс
(комплекс
комплекс
производитель производитель- производитель-ностью
ностью 5 м3/час) ностью 5 м3/час)
5 м3/час)
2006
0,8 млн.
1,2 млн.
25
Объем
Прибыль,
реализации, руб.
руб.
(в пересчете на
комплекс
производительностью 5 м3/час)
30,0 млн.
10,0 млн.
Организация серийного производства.
Организация серийного производства водоочистного комплекса «Импульс»
является конечной целью данного проекта. Организация серийного
производства сопряжена с различного рода рисками и, прежде всего, с
отсутствием финансирования для массового спроса на продукцию. Чистая вода
необходима всем без исключения, однако эта потребность не подкреплена
финансовым состоянием регионов. В связи с этим решение этой задачи видится
в следующем порядке. Предполагается организация предприятий в регионах
России, где имеется концентрация финансовых ресурсов и тяжелой положение с
водой.
В настоящее время водоочистной комплекс «Импульс» производится
мелкими сериями под реального заказчика и потому лишено риска.
10. Состояние и источники инвестирования в реализацию проекта.
В настоящее время нами налажено производство мелкими сериями
водоочистных комплексов «Импульс» производительностью от 2 м3/час до 200
м3/час. Установлено и успешно работают порядка 70 водоочистных комплексов
«Импульс» различной производительности в населенных пунктах и
промышленных предприятиях Томской, Тюменской и Кемеровской областях,
Алтайского и Приморского краях, Ямало-Ненецкого автономного округа, а
также Октябрьского, Нижневартовского и Сургутского районах ХантыМансийского автономного округа. Экспериментальные образцы водоочистного
комплекса «Импульс» проходят апробацию своей эффективности на водах
Пожарского района Приморского края, юга-западной территории Якутии, на
Приаргунском производственном горно-химическом объединении в Читинской
области и окрестностях г. Караганды. Эстония (Таллинский технический
университет) рассматривает вопрос о применении водоочистного комплекса
«Импульс» для решения проблемы очистки воды и стоков в целом по
республике и с дальнейшим выходом в страны Европы, технопарк высоких
технологий в городе Далянь (Китай) создал совместного предприятия по водной
тематике. Интерес к продвижению на рынок водоочистных комплексов
«Импульс» проявляют Украина, Венгрия, торговые представительства
Российской федерации в Канаде, Бразилии и Финляндии.
В реализацию проекта вложено собственных средств в сумме 8,5 млн. руб.
Часть инвестиций (порядка 500 тыс. руб.) получено за счет участия в
межвузовской научно-технической инновационной программы “Очистка воды и
стоков”. Основные средства, вложенные в реализацию проекта - водоочистной
комплекс «Импульс», получены в ходе выполнения лабораторией №12 НИИ
высоких напряжений хозяйственных договоров по внедрению водоочистных
комплексов «Импульс».
На данном этапе реализации проекта привлечение внешних инвестиций не
предполагается.
Для перехода от мелкосерийного производства к внедрению технологии на
промышленном уровне могут потребоваться услуги инвесторов.
11. Предстоящие затраты по проекту.

необходимость приобретения оборудования, выбор поставщиков,
номенклатура и цены.
Для выполнения производственной программы на 2006 г. не требуется
дополнительного оборудования.

необходимость приобретения материалов, их номенклатура и цены.
Для выполнения производственной программы на 2006 г. требуются материалы
(цены приведены на материалы для водоочистного комплекса «Импульс»
производительностью 5 м3/час):
Наименование материала
Цена, руб.
Сталь нержавеющая, лист 12Х18Н10Т
125 тыс. руб./т
Фильтр ФОВ 1,4-0,6
90 тыс. руб./шт.
Арматура запорная
100-1200 руб./шт.
Труба водогазопроводная
54 руб./м
Источник питания и электроразрядный блок
160 тыс. руб./шт.
Вентилятор типа СК-100С
4 тыс. руб./шт.
Загрузка для фильтров (горелая порода)
1,5 тыс. руб./т
Кабель электрический типа КГХЛ
35 руб./м
Насос консольный
10 тыс. руб./шт.
Дерево хвойных пород, брусок
12 тыс. руб./м3
Резина техническая
350 руб./кг
Пульт управления
10 тыс. руб./шт.

численность работников различных категорий, привлекаемых к
участию в проекте, и соответственно объем средств, запрашиваемых на
выплату заработной платы с начислениями.
На выполнение проекта задействовано 34 сотрудника лаборатории, из которых
8 сотрудников с исключительно высоким уровнем, а 26 сотрудника с хорошим
уровнем знаний и практического опыта. Фонд заработной платы (с учетом
начисления) на 2006 год планируется на уровне 9 млн. руб.

объем и направления использования средств, запрашиваемых как
накладные расходы.
Объем накладных расходов лаборатории №12 на 2006 г. планируется в размере
3,4 млн. руб., которые складываются из отчислений на оплату за коммунальные
услуги, арендную плату, налогов, услуг связи, отчислений в директорский фонд
и фонд поддержки молодых ученых.

цена
работ
подрядчиков,
включая
примерное
указание
приобретаемого ими оборудования и материалов, а также численность
привлекаемого персонала.
Для выполнения производственной программы на 2006 г. подрядчиков не
требуется. В случае необходимости привлечения подрядчиков (например, для
изготовления блок-бокса, в котором размещается водоочистной комплекс
«Импульс»; для выполнения общестроительных работ на водозаборе; для
выполнения особо крупных заказов) возможно привлечение любого количества
соисполнителей (подрядчиков) с достаточной квалификацией и техникотехнологической оснащенностью.
Затраты на НИОКР, подготовку производства, оборотных средств,
сертификацию, рекламу и продвижение продукта. Проект сметы.
На 2006 г. лаборатория №12 планирует затраты:
 на НИОКР- 5,5 млн. руб.
 подготовку производства- 0,7 млн. руб.
 на пополнение оборотных средств- 3,0 млн. руб.
 лицензирование - 0,5 млн. руб.
 рекламу и продвижение продукта- 0,5 млн. руб.