АЭРАТОР (ВАРИАНТЫ) Российский патент 2001 года по МПК C02F3/20 

Изобретение относится к биологической очисткe сточных вод, в частности к устройствам для пневматической аэрации.

Известен аэратор, имеющий кольцевой диспергирующий элемент с отверстием в центральной части (см. европейскую патентную заявку EP 0704237 A2, B 01 F 3/04, C 02 F 3/20). Отверстие охватывает живое сечение потока. Кольцевой диспергирующий элемент охватывает отверстием поток жидкости. При диспергации воздуха в поток жидкости пузырьки воздуха увлекают за собой поток жидкости, находящийся внутри отверстия. Однако из-за наличия разности скоростей движения воздуха и потокa жидкости при определенных размерах отверстий происходит сужение водовоздушного потока над кольцевым аэратором до диаметра отверстия и менее, что снижает эффективность аэрации сточных вод из-за уменьшения ширины полосы аэрации.

Известен аэратор, содержащий горизонтальный дисковый элемент (см. Худенко Б.М., Шпирт Б.А. Аэраторы для очистки сточных вод.- М.: Стройиздат, 1973, с. 36, рис. IV.2. Дисковый аэратор).

Горизонтальный дисковый аэратор является элементом с постоянной площадью фильтрации воздуха. То есть при увеличении расхода воздуха через постоянную площадь фильтрации горизонтального дискового аэратора увеличивается и перепад давления на его пористой стенке, что приводит к чрезмерным потерям давления в системе аэрации и перерасходу электроэнергии. При этом снижается эффективность аэрации сточных вод из-за недостаточной ширины полосы аэрации.

В основу изобретения поставлена задача в аэраторе (вариант 1), подлежащем усовершенствованию, отверстие выполнять в виде окна для подсоса воды, при этом половина наибольшей ширины по горизонтали поперечного сечения кольцевого диспергирующего элемента составляет от 0,125 до 0,25 среднего диаметра D кольцевого диспергирующего элемента. При этом происходит отсасывание из-под аэратора воды без существенного сужения водовоздушного потока над кольцевым диспергирующим элементом, с сохранением расширяющегося водовоздушного конуса над внешней границей кольцевого диспергирующего элемента, что создает широкую полосу аэрации сточных вод в аэротенке над аэратором.

Половина наибольшей ширины по горизонтали поперечного сечения с внешней образующей в виде части окружности с радиусом r₁ кольцевого диспергирующего элемента равна радиусу r₁. При выполнении радиуса r₁ больше 0,25 диаметра D проходное сечение для воды через окно становится малым в сравнении с общим расходом воздуха через аэратор, существенно начинает возрастать сопротивление входа, что приводит к увеличению разрежения в водяном конусе над окном. Повышенное разрежение стягивает водовоздушный поток от внешней границы кольцевого диспергирующего элемента к оси аэратора до размеров отверстия и менее, и тем сужает ширину полосы аэрации над аэратором. При выполнении радиуса r₁ меньше 0,125 диаметра D возрастает проходное сечение окна и уменьшается расход воздуха через диспергирующий элемент, что приводит к размыканию вершины внутреннего водяного конуса над окном и резкому увеличению давления в нем, что ухудшает подсос, или водой через окно.

В основу изобретения поставлена задача в аэраторе (вариант 2), подлежащем усовершенствованию, горизонтальный дисковый элемент охватить по периметру кольцевым диспергирующим элементом, что позволяет обеспечить стабилизацию перепада давления на пористой стенке горизонтального дискового диспергирующего элемента при увеличении через него расхода сжатого воздуха и создает широкую полосу аэрации над аэратором.

Кольцевой диспергирующий элемент находится под переменным по внешней образующей поперечного сечения гидростатическим давлением сточных вод, а на поверхности дискового диспергирующего элемента давление сточных вод постоянно. При малых расходах воздуха сначала открываются поры диспергирующего элемента в зоне на диаметре D, где наименьшее гидростатическое давление. Образуется кольцевой водовоздушный поток, смыкающийся колпаком над дисковым диспергирующим элементом. При этом под колпаком образуется пониженное давление, которое компенсирует часть гидростатического давления над горизонтальным дисковым элементом, перепад давления на нем уменьшается, его поры открываются и он диспергирует воздух в сточные воды.

При увеличении расхода воздуха повышается давление на всей поверхности аэратора. Водовоздушный колпак уплотняется, и давление под ним уменьшается, что опять уменьшает перепад давления на горизонтальном диспергирующем элементе. Таким образом, при увеличении расхода воздуха через аэратор перепад давления на горизонтальном дисковом диспергирующем элементе растет медленнее, чем это происходит на обычном дисковом аэраторе. Охватывающий его кольцевой диспергирующий элемент является своеобразным стабилизатором перепада давления на пористой стенке горизонтального дискового элемента при увеличении расхода воздуха через него и создает широкую полосу аэрации над аэратором.

Фиг. 1 - вид сверху на кольцевой диспергирующий элемент аэратора (вариант 1). D - средний диаметр кольцевого диспергирующего элемента.

Фиг. 2 - разрез А-А по фиг. 1. Показано положение поперечных сечений кольцевого диспергирующего элемента и оси вращения в плоскости диаметрального разреза. Точками заштрихованы пористые сечения диспергирующего элемента. Стрелками показано направление подсоса сточных вод и ила из-под аэратора. D - средний диаметр кольцевого диспергирующего элемента, D₀ - диаметр проходного сечения для потока, d - ширина поперечного сечения кольцевого диспергирующего элемента, r₁ - радиус внешней образующей в виде части окружности, r₂ - радиус внутренней образующей в виде части окружности, h - расстояние по вертикали между центрами радиусов r₁ и r₂.

Фиг. 3 - вид сверху на кольцевой диспергирующий элемент аэратора (вариант 2).

Фиг. 4 - разрез Б-Б по фиг. 3. Показаны сечения диспергирующих элементов. Точками заштрихованы пористые сечения диспергирующих элементов.

Фиг. 5 - внешние размеры кольцевого диспергирующего элемента (вариант 1).

Аэратор (вариант 1) имеет кольцевой диспергирующий элемент 1 (см. фиг. 1, 2), образованный вращением поперечного сечения 2 в виде части кольца вокруг вертикальной оси вращения 3, лежащей в одной плоскости 4 с поперечным сечением 2.

Поперечное сечение 2 кольцевого диспергирующего элемента 1 ограничено внешней образующей 5 в виде части окружности с радиусом r₁ и внутренней образующей в виде части окружности с радиусом r₂.

Центры радиусов r₁ и r₂ находятся на диаметре D и смещены по вертикали на величину h до образования сечения с равным гидростатическим давлением для равномерного диспергирования воздуха. Величина h = 0,005 - 0,01 м. Диаметр D = 0,25 - 0,3 м. Радиус r₁ составляет от 0,125 до 0,25 диаметра D. Окружности образующих 5 и 6 образуют поверхности торов. Диспергирующий элемент 1 выполнен из пористого полиэтилена.

Полость 7 диспергирующего элемента 1 заглушена снизу опорной пластиной 8 в виде кольца с отверстием 9 в стенке кольца. Отверстие 9 соединено с полостью 7 и штуцером 10, расположенным соосно с отверстием 9 под опорной пластиной 8.

Пластина 8 и элемент 1 напрессованы друг на друга до фиксации в замковое соединение за кольцевые выступы 11, 12 на пластине 8 и выступы 13, 14 внизу элемента 1.

В центральной части кольцевого диспергирующего элемента 1 вдоль оси 3 имеется отверстие в виде проходного окна 15 для подсоса воды, при этом обе половины наибольшей ширины внешней образующей 5 поперечного сечения 2 кольцевого диспергирующего элемента 1, выступающие в обе стороны по горизонтали от среднего диаметра D, на котором находится центр радиуса r₁ равняются радиусу r₁ и составляют от 0,125 до 0,25 среднего диаметра D; D₀ - диаметр проходного сечения для потока воды меньше на 2r₁ среднего диаметра D кольцевого диспергирующего элемента. Наибольшая ширина d поперечного сечения кольцевого диспергирующего элемента равна 2r₁ (см. фиг. 5).

Аэратор (вариант 1) работает следующим образом (см. фиг. 1, 2).

Аэратор работает в погруженном состоянии у дна аэротенка. Из воздуховода (не показан) воздух подается в штуцер 10 (см. фиг. 2), и через отверстие 9 попадает в торообразную полость 7 и диспергируется из нее через поры кольцевого диспергирующего элемента 1 в cточные воды. Кольцевой диспергирующий элемент 1 формирует над собой водовоздушный поток в виде расширяющегося от аэратора водовоздушного конуса вне элемента 1 и сужающегося внутреннего водяного конуса над окном 15 подсоса воды. Воздушный поток из элемента 1 поднимается в воде вдоль сужающегося внутреннего водяного конуса над окном 15 со скоростью от 1 до 3 м/с, образуя под окном 15 разрежение, которое засасывает в окно 15 сточные воды и ил из-под аэратора, т.е. со дна аэротенка. Засосанный в полость окна 15 ил смешивается с водовоздушным потоком и выносится со дна к поверхности.

При выполнении условия, что радиус r₁ составляет 0,125 - 0,25 среднего диаметра D, достигается интенсивный подсос воды в отверстие 15 с сохранением расширяющегося водовоздушного конуса над внешней границей кольцевого диспергирующего элемента, что создает широкую полосу аэрации сточных вод в аэротенке над аэратором.

При выполнении радиуса r₁ > 0,25 диаметра D проходное сечение для воды через окно 15 становится малым в сравнении с общим расходом воздуха через аэратор, существенно начинает возрастать сопротивление входа, что приводит к увеличению разрежения в водяном конусе над окном 15. Повышенное разрежение стягивает водовоздушный поток от внешней границы кольцевого диспергирующего элемента к оси 3 аэратора и тем сужает ширину полосы аэрации над аэратором.

При выполнении радиуса r₁ < 0,125 диаметра D возрастает проходное сечение окна 15 и уменьшается расход воздуха через диспергирующий элемент 1, что приводит к размыканию вершины внутреннего водяного конуса над окном 15 и резкому увеличению давления в нем, что ухудшает подсос ила водой через окно 15.

Технический результат (вариант 1) - достигается интенсивный подсос воды в отверстие с сохранением расширяющегося водовоздушного конуса над внешней границей кольцевого диспергирующего элемента, что создает широкую полосу аэрации сточных вод в аэротенке над аэратором.

Аэратор (вариант 2) имеет кольцевой диспергирующий элемент 1 (см. фиг. 3, 4), образованный вращением поперечного сечения 2 в виде части кольца вокруг вертикальной оси вращения 3, лежащей в одной плоскости 4 с поперечным сечением 2. Ось 3 не пересекает поперечное сечение 2.

Поперечное сечение 2 элемента 1 ограничено внешней образующей 5 в виде части окружности с радиусом r₁ и внутренней образующей 6 в виде части окружности с радиусом r₂. Центры радиусов r₁ и r₂ находятся на среднем диаметре D кольцевого диспергирующего элемента и смещены по вертикали на величину h до образования сечения с равным гидростатическим сопротивлением для равномерного диспергирования воздуха. Толщина S стенки элемента 1 на диаметре D наибольшая и плавно уменьшается до величины h на элементе 16. S равняется 2h. Величина h = 0,005 - 0,01 м. Величина диаметра D = 0,25 - 0,3 м. Радиус r₁ составляет от 0,125 до 0,25 среднего диаметра D кольцевого диспергирующего элемента. Ширина d поперечного сечения кольцевого диспергирующего элемента составляет 2r₁. Окружности образующих 5 и 6 образуют поверхности тора.

Полость 7 находится между диспергирующим элементом 2 и опорной пластиной 8 в виде диска с центром на оси 3. Отверстие 9 в пластине 8 по оси 3 соединено со штуцером 10, соосным с осью 3 и расположенным под пластиной 8. По торцу пластины 8 имеется кольцевой выступ 11, а на диспергирующем элементе 1 внизу под выступом 11 имеется соответствующий кольцевой выступ 14. Выступы образуют замковое соединение.

Кольцевой диспергирующий элемент 1 с поперечным сечением 2 в виде части кольца имеет в середине отверстия горизонтальный дисковый диспергирующий элемент 16 с центром диска на вертикальной оси 3 отверстия. Толщина элемента 16 находится в пределах величины h. Нижняя плоскость дискового диспергирующего элемента 16 находится в одной плоскости с центром радиуса r₂. Диспергирующие элементы 1 и 16 являются единой пористой диспергирующей поверхностью, герметично закрепленной на опорной пластине 8 с образованием между ними полости 17, сообщенной с полостями 7 и 9.

Аэратор (вариант 2) работает следующим образом (см. фиг. 3, 4).

Аэратор работает в погруженном в сточные воды состоянии. Сжатый воздух подается в штуцер 10 (см. фиг. 4) и через отверстие 9 поступает в полость 17 и далее в полость 7. Из полостей 7 и 17 воздух через поры диспергирующих элементов 1 и 16 диспергируется в сточные воды. Диспергирующий элемент 1 формирует в сточных водах над диспергирующим элементом 16 на расстоянии от него 0,4 - 0,6 м водовоздушный купол, под которым образуется пониженное давление в сравнении с гидростатическим давлением на диспергирующей поверхности элемента 16. При этом увеличивается давление на пористых элементах 1 и 16, но при этом больше падает давление под водовоздушным куполом над поверхностью элемента 16, что уменьшает перепад давления на дисковом диспергирующем элементе 16. При увеличении расхода воздуха через аэратор перепад давления на горизонтальном дисковом диспергирующем элементе 16 увеличивается медленнее, чем это происходит на обычном дисковом аэраторе.

Кольцевой диспергирующий элемент 1 находится под переменным по внешней образующей 5 поперечного сечения 2 гидростатическим давлением сточных вод, а на поверхности горизонтального дискового диспергирующего элемента 16 давление сточных вод постоянно. При малых расходах воздуха сначала открываются поры кольцевого диспергирующего элемента 1 в зоне на диаметре D, где наименьшее гидростатическое давление. Образуется кольцевой водовоздушный поток, смыкающийся колпаком над дисковым диспергирующим элементом 16. При этом под колпаком образуется пониженное давление, которое компенсирует часть гидростатического давления над горизонтальным дисковым элементом 16, перепад давления на нем уменьшается, его поры открываются и он диспергирует воздух в сточные воды.

При увеличении расхода воздуха повышается давление на всей поверхности аэратора. Водовоздушный колпак уплотняется, и давление под ним уменьшается, что опять уменьшает перепад давления на горизонтальном диспергирующем элементе 16. Таким образом, при увеличении расхода воздуха через аэратор перепад давления на горизонтальном дисковом диспергирующем элементе 16 растет медленнее, чем это происходит на обычном дисковом аэраторе. Охватывающий его кольцевой диспергирующий элемент 1 является своеобразным стабилизатором перепада давления на пористой стенке горизонтального дискового элемента 16 при увеличении расхода воздуха через него и создает широкую полосу аэрации над аэратором.

Технический результат - кольцевой диспергирующий элемент 1, охватывающий элемент 16, является стабилизатором перепада давления на пористой стенке горизонтального дискового диспергирующего элемента 16 при увеличении через него расхода сжатого воздуха и создает широкую полосу аэрации над аэратором.

Изобретение относится к биологической очистке сточных вод. В первом варианте кольцевой диспергирующий элемент 1 аэратора в центральной части имеет отверстие 15 в виде окна для подсоса воды. Для эффективного подсоса воды и получения расширяющегося от кольцевого диспергирующего элемента 1 восходящего водовоздушного потока необходимого выполнить условие, что половина наибольшей ширины d по горизонтали поперечного сечения 2 кольцевого диспергирующего элемента 1 составляет 0,125 - 0,25 среднего диаметра D кольцевого диспергирующего элемента 1. В другом варианте аэратора горизонтальный дисковый элемент 16 охвачен по периметру кольцевым диспергирующим элементом 1. В результате по первому варианту достигается интенсивный подсос в отверстие 15 с сохранением расширяющегося водовоздушного конуса над внешней границей кольцевого диспергирующего элемента 1, что создает широкую полосу аэрации сточных вод в аэротенке над аэратором. По второму варианту кольцевой диспергирующий элемент 1, охватывающий элемент 16, создает широкую полосу аэрации над аэратором и одновременно является стабилизатором перепада давления на пористой стенке горизонтального дискового диспергирующего элемента 16 при увеличении через него расхода сжатого воздуха. 2 с.п. ф-лы, 5 ил.

1. Аэратор, имеющий кольцевой диспергирующий элемент с отверстием в центральной части, отличающийся тем, что отверстие выполнено в виде окна для подсоса воды, при этом половина наибольшей ширины по горизонтали поперечного сечения кольцевого диспергирующего элемента составляет 0,125 - 0,25 среднего диаметра D кольцевого диспергирующего элемента. 2. Аэратор, имеющий горизонтальный дисковый элемент, отличающийся тем, что горизонтальный дисковый элемент охвачен по периметру кольцевым диспергирующим элементом.