СПОСОБ ОЧИСТКИ ВОДЫ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО РЕАЛИЗАЦИИ Российский патент 1997 года по МПК C02F7/00 

Предлагаемое изобретение относится к области очистки воды, а именно: к очистке воды в водоемах и в потоках ее (река, ручей, канал, водовод, арык и т. п. ), и может найти применение для очистки водоемов, естественных и искусственных потоков воды, в том числе сточных вод.

Известен способ очистки сточных вод, согласно которому в одном резервуаре осуществляют операции: аэрации и дегазации воды, удаления органических веществ за счет сорбции активированным углем и биологического окисления микроорганизмами, нагнетая суточную воду и воздух в этот резервуар [1]
Известный способ имеет недостатки: высокая материало-, металло- и энергоемкость, так как операции выполняются в специальном аппарате, оснащенном нагнетателями воды и воздуха, эрлифтом, устройствами дегазации воды и ожижения слоя активированного угля. Это обуславливает ограниченную производительность, значительные капитальные, энергетические и эксплуатационные затраты, что и определяет невозможность осуществления очистки воды в потоках и водоемах, столь многочисленных и так загрязненных органическими веществами.

Задача изобретения снижение затрат на очистку воды.

Поставленная задача достигается тем, что в известном способе очистки воды, содержащем операции нагнетания и продувки воздуха через воду, согласно изобретению, воздух одновременно с водой нагнетают в сборник среды насоса, вращаемого за счет энергии потока воды.

Кроме того, нагнетаемую воду разбрызгивают в атмосфере.

В соответствии с этим воздух и воду нагнетают одновременно посредством одного лишь гидростатического насоса, ротор которого вращается за счет кинетической энергии потока воды или за счет преимущественно веса воды, истекающей из водоема. Нагнетаемую среду разделяют в гидроаккумуляторе и направляют воду в устройство для разбрызгивания воды, а воздух подают в устройство продувки воздуха через воду. Вода в процессе разбрызгивания и продувки воздухом подвергается дегазации и аэрации, то есть насыщению кислородом. Из очищаемой воды удаляются газы продукты гниения и брожения органических загрязнений и свободная углекислота. Ускоряется процесс обезжелезивания воды и окисления органических загрязнений и продуктов их распада. Аэрация обеспечивает жизнедеятельность микроорганизмов, превращающих загрязнения органического происхождения в минеральные незагнивающие соединения. Аэрация воды обеспечивает высокую окислительную мощность ее. Такой способ очистки воды рек, речек, ручьев, каналов, водоемов, водоводов, арыков и т.п. не требует каких-либо энергетических затрат, так как обеспечивает прямое преобразование энергии потока воды в потенциальную энергию воздуха и воды. Не требуется строительства каких-либо специальных установок очистки, поскольку микроорганизмы находятся во всем и на всей смачиваемой поверхности водоема и потока воды. А это обуславливает существенное снижение капитальных энергетических и эксплуатационных затрат. Заявляемый способ позволяет с минимальными затратами осуществить очистку воды водоемов и потоков, загрязняемых поверхностными, бытовыми и производственными стоками.

Известно устройство аэрации воды аэрофильтр, содержащий резервуар для размещения крупнозернистого фильтрующего материала, нагнетатель воздуха и устройство продувки воды воздухом [2]
Известное устройство имеет недостатки требуется отвод земли для размещения аэрофильтра и вывод ее из пользования, сооружение резервуара, загрузка резервуара материалом, нагнетание воды в резервуар, нагнетатель воздуха для подачи его в аэрофильтр, что обусловливает значительные капитальные, энергетические и эксплуатационные затраты и определяет невозможность осуществления очистки воды потоков и водоемов, столь многочисленных и так загрязненных органическими веществами.

Задача изобретения снижение затрат на очистку воды.

Поставленная задача достигается тем, что в устройстве очистки воды, содержащем соединенные между собой средство продувки воды воздухом и нагнетатель воздуха, последний выполнен в виде насоса, преобразующего энергию потока воды в гидравлическую и пневматическую энергию, имеющего рабочий орган и сборник среды с патрубками для подключения потребителей воздуха и воды, при этом рабочий орган имеет приводное устройство и спиральный канал, один конец которого сообщен атмосферной, а другой герметично с помощью муфты соединен со сборником среды, причем спиральный канал и приводное устройство расположены по периметру рабочего органа, установленного с возможностью вращения вокруг продольной оси насоса.

Кроме того, устройство снабжено средством разбрызгивания нагнетаемой воды, соединенным с патрубком для подключения потребителя воды.

В результате этого поток воды за счет кинетической энергии и веса воды приводит во вращение ротор гидростатического насоса, который периодически зачерпывает первым витком проточной части порцию воды из потока и сообщается с атмосферой. Вследствие вращения ротора в каждом витке проточной части располагается порция воды, изолированная от соседних порций воды воздушными промежутками. При вращении ротора каждая порция воды перемещается по виткам проточной части ротора, занимая под действием сил гравитации положение в нижней части витка, в направлении от первого витка к гидравлической муфте, изолирующей вращающуюся часть насоса от неподвижной. Порции воды и воздуха перемещаются в гидроаккумулятор, повышая давление среды в нем. Давление среды в гидроаккумуляторе обусловливает смещение порции воды в каждом витке с образованием перепада уровня порции воды в витке, а также сжатие воздушного промежутка между порциями воды в соседних витках. Образование перепада уровня порции воды в витке и сжатие воздушного промежутка обеспечивают компенсацию давления в гидроаккумуляторе. При этом давление воздушных промежутков и перепад уровней порции воды в витке возрастают в направлении от первого витка к гидравлической муфте, достигая максимальной величины в последнем витке проточной части ротора, расположенном перед гидравлической муфтой. Сжатый воздух и вода разделяются в гидроаккумуляторе и подаются избыточным давлением вода в устройстве для разбрызгивания воды, а воздух в устройстве для продувки воды воздухом. Вода насыщается кислородом как за счет продувки ее воздухом, так и за счет разбрызгивания ее в атмосфере. Это интенсифицирует процесс очистки воды от загрязнений, в том числе за счет жизнедеятельности микроорганизмов.

Производительность гидравлического насоса определяется величиной поперечного сечения канала проточной части ротора, диаметра витков (ротора) и скорости вращения ротора. Давление, развиваемое гидравлическим насосом, определяется числом витков проточной части на роторе и диаметром витка (ротора). При этом проточная часть может быть выполнена в виде винтообразного канала (одно- или многослойного) или в виде спиралевидного канала. Величина давления сжатого воздуха и воды, развиваемого насосом, может составлять 1 МПа и выше, что позволяет поднимать воду на высоту 100 метров и более. Однако для очистки воды, в зависимости от глубины потока и водоема, достаточно давления 0,01.0,5 МПа.

В технике известны устройства продувки воды воздухом и для разбрызгивания воды, гидроаккумуляторы, способы очистки воды продувкой воздухом и разбрызгиванием в воздухе. Однако, новая совокупность известных признаков проявляет новые свойства прямое преобразование энергии потока воды в потенциальную энергию воды и воздуха, аэрацию воды за счет энергии потока воды. Это обуславливает достижение положительного результата снижение затрат на очистку воды. Что подтверждает наличие существенных отличий у заявленного технического решения.

Предлагаемый способ реализуется посредством устройства для очистки воды.

На фиг.1 представлена схема устройства; на фиг.2 гидростатический насос с гидроаккумулятором; на фиг.3 разрез А-А на фиг.2; на фиг.4 - гидростатический насос с встроенным гидроаккумулятором; на фиг.5 - гидростатический насос с заборным насадком в виде дисковой камеры; на фиг.6 - исполнение устройства продувки воды воздухом в виде фильтра; на фиг.7 - исполнение устройства для разбрызгивания воды в виде тангенциальной форсунки; на фиг.8 разрез Б-Б на фиг.5; на фиг.9 вариант подвода воды к насосу; на фиг.10 гидростатический насос со сквозным каналом в валу и двумя гидроаккумуляторами; на фиг. 11 разрез В-В на фиг.10.

Устройство для реализации способа содержит гидростатический насос 1, устройство 2 разбрызгивания воды, средство 3 продувки воды воздухом, гидроаккумулятор 4.

Насос 1 посредством трубопровода 5 соединен с гидроаккумулятором 4, который посредством воздухопровода 6 соединяется со средством 3 продувки воды воздухом, а гидролинией 7 соединяется с устройством 2 для разбрызгивания воды. Гидростатический насос 1 частично погружен в движущийся поток воды (река, ручей, лоток и т.п.). Устройство 2 размещено над поверхностью очищаемого потока воды или водоема, а средство 3 расположено в потоке воды на дне этого потока. Гидростатический насос 1 имеет ротор 8, вал 9, подшипниковые узлы 10 и гидравлическую муфту 11 для вывода воды и воздуха из ротора 8 в трубопровод 5. Ротор 8 выполнен в виде барабана 12, жестко закрепленного на валу 9, и проточной части в виде спирального канала 13, образующего сообщающиеся витки. Вал 9 посредством подшипниковых узлов 10 установлен на опоре 14 насоса 1. В валу 9 выполнен осевой 15 и радиальный 16 каналы. Канал 13 герметично соединен с каналом 16, который через канал 15 соединяет канал 13 с полостью муфты 11. Канал 13 имеет заборную часть, выполненную, в простейшем случае, в виде открытого конца канала 13, сообщенного с атмосферой. Вал 9 с помощью уплотнения 17 в муфте 11 герметизируется относительно неподвижной опоры 14. Ротор 8 вращается потоком воды за счет сцепления с поверхностью ротора 8, а также за счет воздействия потока на лопатки 18, равномерно расположенные по периферии ротора 8. Канал 13 на барабане 12 может быть выполнен одно- или многослойным, а также в виде спиральной навивки. Причем с каналом 16 соединен периферийный виток канала 13. Устройство 2 для разбрызгивания воды может быть выполнено в виде обычного сужающегося сопла (на чертеже не показан), ускоряющего струю воды. Средство 3 продувки воды воздухом может быть выполнено в виде перфорированного участка трубопровода (на чертеже не показан), предназначенного для образования многоструйного потока воздуха.

Устройство работает следующим образом.

Поток воды взаимодействует с поверхностью барабана 12 и лопатками 18, вращая ротор 8. При вращении ротора 8 открытый конец канал 13 периодически погружается в поток воды и сообщается с атмосферой. При погружении открытого конца канала 13 в воду первый виток его зачерпывает порцию воды, а вращение ротора 8 обеспечивает перемещение этой порции воды в соседний виток и сообщение открытого конца канала 13 с атмосферой. Тем самым в нижней части каждого витка канала 13 располагается порция воды, разделенные воздушными промежутками. Вращение ротора 8 обеспечивает подачу воды и воздуха через каналы 15, 16, муфту 11 и трубопровод 5 в гидроаккумулятор 4. Давление воздуха и воды в гидроаккумуляторе 4 возрастает, обуславливая смещение порции воды в ближайшем витке канала 13 и частичную компенсацию давления, создаваемого в гидроаккумуляторе 4. Смещение порции воды в этом витке обуславливает сжатие воздушных промежутков в остальных витках и смещение порции воды в них. Сумма перепадов уровней порции воды в каждом витке компенсирует давление, создаваемое в гидроаккумуляторе 4. По этой причине давление воздушных промежутков и смещение порций воды в витках увеличивается в направлении от открытого конца канала 13 к муфте 11. Избыточное давление в гидроаккумуляторе 4 обеспечивает истечение воды их гидроаккумулятора 4 по гидролинии 7 в устройстве 2 для разбрызгивания воды и истечение воздуха по воздухопроводу 6 в средство 3 продувки воды воздухом. Устройство 2 разбрызгивает очищаемую воду в воздухе, дегазируя ее и насыщая кислородом. Средство 3 продувает воздух через воду, насыщая ее кислородом. Одновременно давление среды в канале 13 и в гидроаккумуляторе 4 ускоряет процесс растворения кислорода в воде. Происходит интенсивная аэрация очищаемой воды за счет кинетической энергии потока ее. Из очищаемой воды за счет кинетической энергии и брожения, ускоряется процесс обезжелезивания, окисления органических загрязнений и продуктов и распада и обеспечивается жизнедеятельность микроорганизмов, превращающих загрязнения органического происхождения в минеральные незагнивающие соединения. Поток воды очищает сам себя, не требуя каких-либо энергетических затрат и сооружения специальных установок очистки, так как микроорганизмы находятся во всем объеме потока воды и на всей смачиваемой поверхности потока, а также в иле на дне потока.

Возможно исполнение насоса, когда гидроаккумулятор совмещен с насосом и выполнен в виде полости 19, герметизированной относительно вала 9 посредством уплотнения 20. Полость 19 посредством осевого канала 15 и радиального канала 16 соединена с каналом 13 ротора 8. Трубопровод 21 соединяет полость 19 с устройством 2, а трубопровод 22 соединяет полость 19 с устройством 3.

Работает насос в данном исполнении аналогично описанному, за исключением того, что повышается надежность насоса, так как исключается возможность образования воздушных пробок в трубопроводе, связывающем насос с гидроаккумулятором.

Возможное исполнение насоса, в котором заборный конец канала 13 выполнен в виде дисковой камеры 23, имеющей в торцевой стенке 24 проем 25, который сообщает полость камеры 23 с атмосферой. Проем 25 предназначен для забора воды из потока и воздуха из атмосферы. Канал 13 выполнен тангенциально к камере 23. Ширина камеры 23 такова, чтобы емкость ее обеспечивала заполнение водой одного витка канала 13 менее чем наполовину для обеспечения высокой производительности по воздуху. При этом диаметр камеры 23 выбирается меньше диаметра первого витка канала 13. Вследствие этого максимальное смещение порции воды в витке, т.е. максимальный перепад уровней порции воды в витке, имеет место в витках наибольшего диаметра в витках, расположенных рядом с радиальным каналом 16, что обеспечивает стабильную работу и максимальный напор, развиваемый насосом.

Работает насос в данном исполнении аналогично вышеописанному, за исключением того, что камера 23 быстро заполняется водой через проем 25, а затем вода перетекает в первый виток канала 13 в процессе вращения ротора 8.

Возможно исполнение средства 3 продувки воды воздухом в виде фильтра, имеющего корпус 26 для размещения твердых крупнозернистых материалов, на поверхности которых располагаются микроорганизмы. В нижней части корпуса 26 расположена перфорированная насадка 27, предназначенная для многоструйной продувки воздухом и соединенная с полостью 19 насоса посредством трубопровода 22. Корпус 26 расположен на дне потока.

Работает устройство продувки воды воздухом в данном исполнении аналогично описанному, за исключением того, что воздух рассеивается насадкой 27, обеспечивая подачу кислорода к микроорганизмам, расположенным на зернистых материалах, а также насыщение воды кислородом. Подача очищаемой воды в корпус 26 и удаление ее осуществляется потоком.

Возможно исполнение устройства для разбрызгивания воды, когда оно выполнено в виде корпуса 28, в котором образована кольцевая камера 29 с тангенциальным вводом 30 воды и центральным отверстием 31 с фаской 32.

Работает устройство для разбрызгивания воды в данном исполнении аналогично описанному, за исключением того, что в кольцевой камере 29 образуется свободный вихрь очищаемой воды, разбрызгивающий ее в атмосфере веером через отверстие 31 с образованием мелких капель.

Возможно исполнение устройства, когда барабан насоса оснащен ковшами 33, равномерно установленными по периферии поперечного сечения барабана 12. Вследствие этого насос приводится в действие преимущественно весом воды, что позволяет использовать это устройство для очистки воды водоемов (прудов, накопителей, водохранилищ). При этом вода из водоема подводится к барабану 12 по лотку 34 сверху. Возможен подвод потока воды к барабану насоса сбоку, что позволяет использовать как потенциальную, так и кинетическую энергию потока воды.

Работает устройство в данном исполнении аналогично описанному, за исключением того, что барабан 12 вращает преимущественно вес воды потока, вытекающего из водоема по лотку 34, а воздух, нагнетаемый насосом, подается в устройство 3 продувки воды, расположенное на дне водоема.

Возможна установка устройства на любом судне, что позволяет осуществлять оперативное вмешательство в экологическую ситуацию водоемов. При этом двигатель главного хода судна является приводом устройства и определяет производительность устройства по воздуху.

Возможно исполнение устройства для реализации способа, когда вал 35 устройства (насоса) выполнен пустотелым со сквозным каналом 36 и двумя встроенными в устройство гидроаккумуляторами 37 с патрубком 38 для подачи воды и патрубок 39 для подачи сжатого воздуха. Подача воды и сжатого воздуха через сквозной канал 36 в два аккумулятора 37 уменьшает диаметр вала 35, механические потери в узле уплотнения и требуемый момент вращения. Одновременно появляется возможность вдвое уменьшить скорость потока воды в канале 36 и гидравлические потери на этом участке. Если канал 40 проточной части выполнен в виде спирали, но без винтовой намотки (в одной плоскости, перпендикулярной к продольной оси насоса), то увеличивается производительность насоса.

Работает устройство в данном исполнении аналогично описанному, за исключением того, что вода и сжатый воздух поступает к потребителю из двух гидроаккумуляторов 37.

Предлагаемый способ и устройство очистки воды обеспечивают по сравнению с существующими следующие преимущества:
1. Очистка воды без затрат внешней энергии.

2. Минимальные капитальные затраты.

3. Существенное сокращение эксплуатационных расходов.

4. Невысокая трудоемкость и стоимость изготовления устройств, реализующих способ.

5. Возможность улучшения экологического состояния потока воды на всей длине за счет размещения устройств на всем протяжении потока.

6. Возможность улучшения экологического состояния водоемов как за счет очистки потоков, впадающих в водоем, так и за счет очистки водоема путем использования энергии воды, истекающей из водоема.

7. Повышение биологической продуктивности рек и водоемов, из рыбных запасов.

8. Снижение уровня бактериального загрязнения воды.

9. Повышение экологической устойчивости водных бассейнов за счет поддержания жизнедеятельности микроорганизмов.

10. Возможность оперативной борьбы с аварийными сбросами сточных вод путем размещения передвижных устройств очистки ниже по течению.

11. Возможность борьбы с бескислородными зонами у дна водоемов.

12. Расширение области применения устройств очистки воды.

Сущность изобретения: способ очистки заключается в нагнетании воды и воздуха за счет энергии потока воды, аэрации воды воздухом и разбрызгивании воды в атмосфере. Устройство для реализации способа содержит гидростатический насос, устройство для разбрызгивания воды, средство для продувки воды воздухом, гидроаккумулятор. Изобретение позволяет использовать энергию потока воды для аэрации воды и активизации жизнедеятельности микроорганизмов во всем объеме и на всей смачиваемой поверхности потока и водоема. 2 н. и 2 з. п. ф-лы,11 ил.

1 1. Способ очистки воды, содержащий операции нагнетания воздуха и продувки воды воздухом, отличающийся тем, что воздух одновременно с водой нагнетают в сборник среды насоса, вращаемого за счет энергии потока воды.2 2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что нагнетаемую воду разбрызгивают в атмосфере.2 3. Устройство для очистки воды, содержащее соединенные между собой средство продувки воды воздухом и нагнетатель воздуха, отличающееся тем, что нагнетатель воздуха выполнен в виде насоса, преобразующего энергию потока воды в гидравлическую и пневматическую энергию, имеющего рабочий орган и сборник среды с патрубками для подключения потребителей воздуха и воды, при этом рабочий орган имеет приводное устройство и спиральный канал, один конец которого сообщен с атмосферой, другой герметично с помощью муфты соединен со сборником среды, причем спиральный канал и приводное устройство расположены по периметру рабочего органа, установленного с возможностью вращения продольной оси насоса.2 4. Устройство по п.3, отличающееся тем, что оно снабжено устройством разбрызгивания нагнетаемой воды, соединенным с патрубком для подключения потребителя воды.