УСТРОЙСТВО ДЛЯ АЭРАЦИИ СТОЧНЫХ ВОД Российский патент 1997 года по МПК C02F7/00 

Предлагаемое изобретение относится к устройствам для аэрации жидкости и может быть использовано в нефтеперерабатывающей, нефтехимической, химической, металлургической и других отраслях промышленности, в частности, при аэрации сточных вод.

Известны аэрационные устройства малого погружения с расположением воздухораспределительных устройств на глубине, составляющей примерно 0,20 - 0,35 общей глубины аэротенка. Недостатки таких устройств низкая степень использования кислорода воздуха и относительно высокий его расход [1]
Известны также аэрационные устройства глубинного погружения, которые характеризуются размещением воздухораспределительных устройств у днища аэротенка таким образом, что глубина аэрируемого слоя практически равна глубине сточных вод в аэротенке. Благодаря этому увеличивается время контакта воздуха и аэрируемой жидкости, а также отмечается высокая степень использования кислорода воздуха. При использовании в качестве диспергаторов в таких устройствах мелкодисперсных систем (фильтросных пластин, пористых труб и т.п.) отмечается быстрая закупорка пор, приводящая к увеличению гидравлического сопротивления и снижению эффективности аэрации (2, 3). Применение в качестве диспергаторов воздуха перфорированных труб приводит к неравномерному распределению воздуха по длине и сечению аэротенка, образованию застойных зон, плохому диспергированию воздуха в сточные воды. Применение в качестве диспергаторов воздуха разветвленных перфорированных труб обеспечивает лучшее диспергирование воздуха и равномернее распределяет воздух по длине и сечению аэротенка, но такая система обладает большим гидравлическим сопротивлением, так как отверстия в трубах работают в разных условиях противодавления [4]
Известно также устройство для аэрирования жидкости, состоящее из вертикальной направляющей трубы, имеющей в нижней части распределительный перфорированный конус с патрубком для подвода воздуха, и конический отражатель, снабженный ребрами с нагнутыми на периферии концами. Недостаток этого устройства состоит в том, что оно не обеспечивает требуемой аэрации из-за недостаточной дисперсности воздуха и малого времени контакта воздуха и сточных вод [5]
Наиболее близким по технической сущности и достигаемым результатам является устройство для аэрации жидкости, содержащее вертикальную направляющую трубу, выполненную из двух частей и снабженную переходным конусом, соединяющим эти части, диспергатор с патрубком подачи воздуха, выполненный в виде вертикальной кольцевой камеры и снабженный рассекателем в виде перфорированной шайбы, и конический отражатель, выполненный с перфорациями и установленный на верхнем конце вертикальной направляющей трубы. Обеспечивая хорошее диспергирование воздуха, это устройство не обеспечивает поддержание во взвешенном состоянии активного ила в объем сточных вод и его равномерного распределения по поперечному сечению аэротенка, а также подъема оседающего ила с днища аэротенка, что является его недостатками [6]
Практика показывает, что концентрирование ила в придонных слоях или его накапливание на дне аэротенка приводит к дефициту кислорода в этих слоях. Из-за недостатка кислорода в этих слоях могут протекать анаэробные процессы, приводящие к вторичному загрязнению сточных вод и, как следствие, существенному снижению эффективности очистки. Таким образом, одним из необходимых условий нормального функционирования аэротенка является предотвращение накапливания ила на его дне.

Цель предлагаемого изобретения повышение эффективности аэрации сточных вод за счет удлинения пути прохождения воздуха в сточных водах при равномерном его распределении в объеме сточных вод, уменьшения коалесценции пузырьков воздуха в зоне контакта жидкости и газа, а также поддержания активного ила во взвешенном состоянии в объеме сточных вод и сокращения его отложения на дне аэротенка.

Поставленная цель достигается тем, что устройство дополнительно содержит концентрически расположенные на нижнем конце вертикальной трубы распределительную кольцевую камеру, к которой подсоединен патрубок для ввода воздуха, диспергатор со струйными излучателями колебаний, установленный в распределительной камере, смесительную камеру с патрубком для нижнего подсоса ила и сточной воды и выходным соплом тороидальной формы, сопло, укрепленной на нижнем конце вертикальной трубы и расположенное в смесительной камере, два параллельных направляющих диска, укрепленных на наружной поверхности трубы, образующих между собой кольцевую щель, соединенную с соплом тороидальной формы.

В качестве струйного излучателя колебаний используют струйный излучатель колебаний по авторскому свидетельству СССР N 316482 [7]
Диаметры направляющих дисков определены из следующих условий.

Если диаметр верхнего направляющего диска превышает десять диаметров сопла направляющей трубы, то возрастает гидравлическое сопротивление устройства и понижается потенциал энергии на внешнюю циркуляцию потоков. Если диаметр верхнего направляющего диска менее семи диаметров сопла направляющей трубы, то сокращается объем обрабатываемых сточных вод за счет вертикального подъема части пузырьков воздуха.

Если верхний конец направляющей трубы установить ниже поверхности сточных вод на расстоянии менее одного диаметра этой трубы или более полутора диаметров этой трубы, то сокращается объем циркуляции верхнего слоя сточных вод, особенно при наличии пенного слоя.

Указанные отличительные признаки предлагаемого устройства для аэрации сточных вод определяют и его существенные отличия в сравнении с уровнем техники в области аэрации сточных вод, так как дополнительное снабжения устройства концентрически расположенными на нижнем концевертикальной трубы, распределительной кольцевой камерой, диспергатором со струйными излучателями колебаний, вихревой смесительной камерой и соплом, двумя параллельными направляющими дисками, образующими кольцевую щель, соединенную с соплом тороидальной формы, обеспечивает:
тонкодиспергированный закрученный поток воздуха, поступающего в вихревую смесительную камеру диспергатора;
приток сточных вод с поверхности аэротенка в вихревую смесительную камеру и приток в эту же камеру ила и сточных вод со дна аэротенка;
перемешивание в вихревой смесительной камере потоков воздуха, сточных вод и ила;
поддержание активного ила во взвешенном состоянии в объеме сточных вод и его равномерное распределение по поперечному сечению аэротенка;
Разрушение хлопков активного ила до клонов и отдельных бактерий;
равномерное распределение пузырьков воздуха в объеме сточных вод;
предотвращение накапливания активного ила на дне аэротенка:
исключение анаэробных процессов, приводящих к вторичному загрязнению очищаемых сточных вод;
увеличение длины пути контакта сточных вод и воздуха за счет закрученности потока;
многократную поперечную циркуляцию сточных вод;
уменьшение коалесценции пузырьков воздуха за счет его тонкого диспергирования;
повышение пропускной способности аэротенка по сточным водам;
повышение степени использования кислорода;
сокращение расхода воздуха;
сокращение удельных энергозатрат на перенос одного килограмма кислорода;
сокращение затрат времени на остановку и чистку аэротенков.

На фиг. 1 показан продольный разрез общего вида предлагаемого устройства, на фиг. 2 схема движения потоков воздуха в аэротенке при работе предлагаемого устройства.

Предлагаемое устройство для аэрации сточных вод выполнено в видевертикальной направляющей трубы 1 (см. фиг. 1), нижний конец которой снабжен соплом 2 для подачи поверхностных сточных вод в вихревую смесительную камеру 3 диспергатора 4, над которой на наружной поверхности направляющей трубы 1 соосно укреплены два параллельных направляющих диска 5 и 6, образующих кольцевую щель 7. Высота щели равна 0,5 диаметра сопла 2 направляющей трубы 1. Диаметр верхнего направляющего диска 5 равен 7-10 диаметрам сопла 2 направляющей трубы 1 и в 1,5 раза больше диаметра нижнего направляющего диска 6. Диспергатор воздуха 4 имеет патрубок для ввода воздуха 8, распределительную кольцевую камеру 9, два сдвоенных струйных излучателя колебаний 10 и смесительную камеру 3. днище 11 которой снабжено патрубком 12 для нижнего подсоса ила и сточной воды и выходным соплом тороидальной формы 13, по вертикальной оси которого введено сопло 2 направляющей трубы 1.

Предлагаемое устройство устанавливают в аэротенке так, чтобы верхний конец направляющей трубы 1 был на 1,0-1,5 диаметра, этой трубы ниже поверхности сточных вод в аэротенке, а нижний конец патрубка 12 выше дна аэротенка на два диаметра этого патрубка.

Предлагаемое устройство работает следующим образом.

Через патрубок 8 в распределительную кольцевую камеру 9 диспергатора 4 поступает воздух, который направляется на вход двух сдвоенных струйных излучателей колебаний 10. На выходе из последних под действием акустических колебаний и центробежных сил образуется вихревой закрученный турбулентный тонкодиспергированный (дисперсность менее 10 мкм) поток воздуха, который поступает в вихревую смесительную камеру 3. Благодаря высокой скорости этого потока воздуха, в вихревой смесительной камере 3 создается разрежение, под действием которого через направляющую трубу 1 и сопло 2 в камеру 3 эжектируются поверхностные сточные воды. Одновременно через патрубок 12 в камеру 3 эжектируются ил и сточные воды со дна аэротенка.

В вихревой смесительной камере 3 диспергатора 4 перемешиваются тонкодиспергированный закрученный турбулентный поток воздуха, сточные воды и ил. При этом начинается окислительно-восстановительная реакция и разрушение хлопков активного ила. Из вихревой смесительной камеры 3 полученная смесь через сопло тороидальной формы 13 поступает в кольцевую щель 7, образованную направляющими дисками 5 и 6. Тороидальнаяформа сопла 13 позволяет использовать эффект Коанда для равномерного распределения потока смеси на выходе из кольцевой щели 7. Благодаря тому, что в кольцевую щель 7 поступает турбулизованный гидроакустическими колебаниями поток смеси тонкодиспергированного воздуха, сточных вод и ила, воздействия на хлопки активного ила, приводящие к разрушению до клонов и отдельных бактерий, продолжаются во всем объеме кольцевой щели 7. При этом поверхность клонов, приходящаяся на одну бактерию, во много раз больше поверхности хлопка, что увеличивает межфазную поверхность контакта бактерий с воздухом и способствует интенсификации процесса аэрации при дальнейшем движении полученной смеси в объеме сточных вод.

Воздушно-водяная смесь через кольцевую щель 7 поступает с высокой скоростью в объем сточных вод аэротенка и образует вертикально-вихревой поток циркулирующих веществ.

Под действием разности плотностей сточных вод и воздуховодяной смеси основная часть последней поднимается вверх. Поскольку в сточные воды через кольцевую щель 7 поступает закрученный турбулентный поток воздуха, путь его движения через сточные воды увеличивается (см. фиг. 2), т.е. увеличивается время контакта жидкости газа, что повышает эффективность процесса аэрации.

При движении воздуха в объеме сточных вод определяющим механизмом массоотдачи кислорода является диффузия, с одной стороны, и массообмен кислорода за счет турбулентных пульсаций, с другой. Интенсификация массообмена кислорода за счет диффузии обеспечивается благодаря тонкой дисперсности потока воздуха и разрушению хлопков активного ила, что приводит к значительному увеличению межфазной поверхности контакта. Интенсификация массообмена кислорода за счет турбулентных пульсаций, обусловленных закрученность воздуха и его высокой скорости, препятствует коалесценции пузырьков воздуха.

Вторая часть потока воздухо-водяной смеси под действием давления столба жидкости и разрежения в вихревой смесительной камере 3 засасывается через патрубок 12 в эту камеру. Пройдя через слой ила в придонной части и на днище, эта воздухо-водяная смесь захватывает ил и оказывает дополнительное воздействие на хлопки активного ила, разpушая их, что также интенсифицирует процесс аэрации сточных вод.

При проверке предлагаемого устройства в лабораторных условиях подтверждено наличие двух контуров циркуляции потоков в аэротенке (см. фиг. 2).

контур 1: поверхность сточных вод __→ направляющая труба 1 --L сопло 2 --L вихревая смесительная камера 3 --L выходное сопло тороидальной формы 13 --L кольцевая щель 7
контур 2: дно аэротенка __→ патрубок 12 --L вихревая смесительная камера 3 --L выходное сопло тороидальной формы 13 --L кольцевая щель 7
Предлагаемое устройство для аэрации сточных вод прошло промышленные испытания в четырехсекционном регенеративном аэротенке Рязанского нефтеперерабатывающего завода.

В промышленных условиях этого завода аэрация сточных вод осуществляется с помощью фильтросных пластин, площадь поверхности сточных вод каждой секции аэротенка 344 м², общая площадь 1376 м², объем каждой секции 1376 м³, пропускная способность аэротенка 208 м³/ч сточных вод при расходе воздуха 13800 м³/ч. При регенерации активного ила содержание кислорода в сточных водах составляет 2,1 мг/л, степень отработки кислорода 10,7 удельные энергозатраты на перенос кислорода составляют 0,838 кВтч/кг кислорода.

Для промышленных испытаний в регенеративном аэротенке установлено 16 предлагаемых устройств для аэрации сточных вод. Диаметр сопла 2 направляющей трубы 1 равен 100 мм, диаметр верхнего направляющего диска 700 мм, диаметр нижнего направляющего диска 466 мм. Верхний конец направляющей трубы 1 при проведении промышленных испытаний был установлен на расстоянии 400 мм ниже поверхности сточных вод в аэротенке, нижний конец патрубка 12 для нижнего подсоса ила и сточных вод установлен выше дна аэротенка на расстоянии 200 мм.

В результате промышленных испытаний установлено, что пропускная способность аэротенка по сточным водам увеличилась до 6250 м³/сутки, расход воздуха составил 1300-1500 м³/ч, содержание кислорода в сточных водах 3,32 мг/л, степень отработки кислорода 27,5 удельные энергозатраты на перенос кислорода составили 0,338 кВтч/кг кислорода.

Таким образом, промышленные испытания подтвердили повышение эффективностиаэрации сточных вод при использовании предлагаемого устройства. При этом установлено, что при зоне действия одного устройства 60-100 м³ обеспечивается 3-4-кратная циркуляция верхнего и нижнего слоев сточных вод на один объем воздуха. Кроме того установлено, что значительно повышаются технико-экономические показатели работы аэротенка: пропускная способность по сточным водам повышается на 20-25% расход воздуха сокращается на 40% степень отработки кислорода увеличивается примерно в 2,5 раза, а удельные энергозатраты на перенос одного килограмма кислорода сокращаются примерно в 2,6 раза.

Результаты промышленных испытаний предлагаемого устройства для аэрации сточных вод на Рязанском нефтеперерабатывающем заводе подтверждаются актом этих испытаний (см. Приложение 1).

Изобретение может быть использовано в нефтеперерабатывающей, нефтехимической, химической, металлургической и других отраслях промышленности. Цель изобретения - повышение эффективности аэрации сточных вод. Устройство содержит вертикальную направляющую трубу 1, концентрично расположенные на нижнем конце этой трубы распределительную кольцевую камеру 9, к которой подсоединен патрубок для ввода воздуха 8, диспергатор 4 со струйными излучателями колебаний 10, установленный в распределительной камере 9, смесительную камеру 3 с патрубком для нижнего подсоса ила и сточных вод 12 и выходным соплом тороидальной формы 13, сопло 2, укрепленное на нижнем конце вертикальной трубы 1 и расположенное в смесительной камере 3, два параллельных направляющих диска 5 и 6, укрепленных на наружной поверхности трубы 1, образующих между собой кольцевую щель 7, соединенную с соплом тороидальной формы 13.

Предлагаемое устройство для аэрации сточных вод позволяет повысить пропускную способность аэротенка по сточным водам на 25 %, сократить расход воздуха на 40%, степень отработки кислорода увеличить примерно в 2,5 раза, а удельные энергозатраты на перенос одного килограмма кислорода сократить примерно в 2,6 раза 2 ил.

Устройство для аэрации сточных вод, содержащее вертикальную направляющую трубу и патрубок для ввода воздуха, отличающееся тем, что оно дополнительно содержит концентрично расположенные на нижнем конце вертикальной трубы распределительную кольцевую камеру, к которой подсоединен патрубок для ввода воздуха, диспергатор со струйными излучателями, установленный в распределительной камере, смесительную камеру с патрубком для нижнего подсоса воздуха и сточной воды и выходным соплом тороидальной формы, сопло, укрепленное на нижнем конце вертикальной трубы и расположенное в смесительной камере, два параллельных направляющих диска, укрепленных на наружной поверхности трубы, образующих между собой кольцевую щель, соединенную с соплом тороидальной формы.