СИСТЕМА АЭРАЦИИ ПРИРОДНЫХ И СТОЧНЫХ ВОД Российский патент 2001 года по МПК C02F3/20 C02F7/00 C02F3/20 C02F101/30 

Изобретение относится к области биологической очистки природных и сточных вод, а, более конкретно, к системам аэрации природных и сточных вод.

Известно аэрирующее устройство в составе станции биологической очистки воды, содержащее коллектор сжатого воздуха, соединенный с ним воздуховод и воздухоразводящую систему с аэрационными модулями, оснащенными аэраторами, выполненными в виде пористой мембраны с прижимным элементом; мембрана изготовлена из войлочного материала с неразъемно нанесенным на него со стороны выхода воздуха пористым покрытием, с размером пор менее 100 мкм, препятствующим проникновению бактерий в моменты простоя (см. заявку Германии N 4314766, кл. C 02 F 3/20 с приоритетом 5.05.93 г., опубл. 8.09.94 г.).

Недостатком известного устройства является низкая эффективность системы аэрации, связанная с неустойчивыми параметрами работы и недолговечностью войлочного материала мембран аэратора.

Известно аэрирующее устройство установки биологической очистки воды, представляющей собой вертикальный цилиндрический корпус, заполненный твердым носителем, имеющим развитую поверхность, с иммобилизованными на ней микроорганизмами; аэрирующее устройство выполнено в виде воздушного диффузора с гибкой мультиперфорированной мембраной, установленного в нижней части корпуса, причем мембрана герметично закреплена в диффузоре (см. заявку Великобритании N 2294458, кл. C 02 F 3/06 с приоритетом 18.08.94 г., опубл. 01.05.96 г.).

Недостатком известного устройства является низкий эффект очистки сточных вод, связанный со сложностью изготовления мультиперфорированной мембраны и с невозможностью быстрой замены засорившейся мембраны диффузора.

Известна система аэрации сточных вод, состоящая из коллектора сжатого воздуха, подсоединенных к нему воздуховода и воздухоразводящих труб, на которых установлены мембранные дисковые аэраторы; аэраторы состоят из цельнолитого корпуса с верхними консолями, обратного клапана, опоры уплотнительной, резинового уплотнения, опорного диска, резиновой перфорированной мембраны, прижимного элемента и резиновой прокладки (Рекламный проспект фирмы "NOPON OY", Turvekvij 6 FIN-00700, Хельсинки, Финляндия, 1994 г.).

Недостатком известной системы является сложность конструкции аэраторов, обусловленная как использованием уплотнительных опор и резиновых прокладок для обеспечения герметичности соединений, так и наличием цельнолитых корпусов, соединенных напрямую с воздухоразводящими трубами; последнее обуславливает сложность монтажа и демонтажа самой системы.

Известна система аэрации природных и сточных вод, наиболее близкая по назначению и технической сущности к заявляемой, состоящая из коллектора сжатого воздуха, сообщенных с ним воздуховода и воздухоразводящей системы, смонтированной из аэрирующих модулей, содержащих аэраторы, каждый из которых имеет дискообразный корпус, расположенную на опорной поверхности корпуса перфорированную мембрану из профильной резины с толщиной, изменяющейся от центра к периферии, и буртиком на конце, и прижимного элемента, при этом прижимной элемент установлен с нижней стороны корпуса и имеет сквозные отверстия, соосные с несквозными отверстиями, выполненными в корпусе, а патрубок, расположенный центрально и выполненный с корпусом как одно целое, в нижней своей части оснащен резьбой для соединения с воздухоразводящими трубами; трубчатые элементы системы соединены при помощи сварки (см. патент России N 2118298, кл. C 02 F 3/20, с приоритетом 3.07.97 г., опубл. 27.08.98 г.).

Недостатком известной системы аэрации природных и сточных вод является:
недостаточно высокая эффективность аэрации - 1,9 кгO₂/кВт•час в результате быстрого засорения отверстий перфорации частицами пыли и окалины, присутствующими в подаваемом на аэрацию воздухе;
неравномерность распределения воздуха по длине системы аэрации, связанная с высоким значением коэффициента неравномерности - 15-20;
невысокая надежность эксплуатации системы, как результат недолговечности материала мембраны (резины) и сложности монтажа системы аэрации, обусловленной необходимостью сварки элементов труб в полевых условиях;
высокая стоимость системы аэрации, обусловленная сложностью выполнения мембраны из перфорированной профильной резины, с толщиной, изменяющейся от центра к периферии и имеющей на конце буртик для герметизации.

Техническим результатом заявляемой системы является повышение эффективности аэрации, снижение коэффициента неравномерности аэрации по длине системы, повышение надежности эксплуатации, упрощение монтажа системы аэрации и удешевление системы аэрации.

Технический результат достигается тем, что в системе аэрации природных и сточных вод, содержащей коллектор для подачи сжатого воздуха, сообщенный с ним воздуховод и воздухоразводящие трубы с установленными на них аэраторами, каждый из которых состоит из дискообразного корпуса с центральным патрубком в его основании, оснащенным резьбой, прижимного элемента с расположенной между ними мембраной, многослойная мембрана аэратора, выполненная как минимум из двух слоев, имеет дифференцированную пористость, нижний слой мембраны выполнен из рыхлого волокнистого полиэтилена с размерами пор 0,2-2 мм, а верхний - либо из плотного волокнистого полиэтилена с размерами пор 0,01-0,19 мм, при соотношении высоты слоев от 1:0,1 до 1:2, либо из нержавеющей стали, со сверхтонкой лазерной перфорацией, при соотношении толщины этого слоя к диаметру отверстий перфорации от 1:0,5 до 1:4; при этом корпуса аэраторов соединены с прижимными элементами резьбовыми соединениями; отверстия в воздухоразводящих трубах выполнены калиброванными, а расположенные над ними патрубки оснащены резьбой для соединения с центральными патрубками корпусов аэраторов при соотношении диаметра отверстия к внутреннему диаметру патрубка от 0,1: 1 до 1:1, а отрезки воздуховодов и воздухоразводящих труб соединены посредством муфт-сгонов, оснащенных резьбой.

На фиг. 1 представлена система аэрации природных и сточных вод.

На фиг. 2 представлен дисковый аэратор в разрезе.

Система аэрации природных и сточных вод состоит из коллектора сжатого воздуха 1, сообщенного с ним воздуховода 2 и сети воздухоразводящих труб 3 с установленными на них аэраторами 4, состоящими, в свою очередь, из дискообразного корпуса 5, с центральным патрубком в его основании 6, оснащенным резьбой 7 (для соединения с воздухоразводящими трубами 3), прижимного элемента 8 с расположенной между ними многослойной мембраной 9 (выполненной как минимум из двух слоев), с дифференцированной пористостью, нижний слой 10 мембраны 9 выполнен из рыхлого волокнистого полиэтилена с размерами пор 0,2-2 мм, а верхний слой 11 мембраны 9 - либо из плотного волокнистого полиэтилена с размерами пор 0,01-0,19 мм, при соотношении высоты слоя 10 к высоте слоя 11 от 1:0,1 до 1:2, либо из нержавеющей стали со сверхтонкой лазерной перфорацией при соотношении толщины слоя 11 к диаметру отверстий перфорации 12 этого слоя, равном от 1:0,5 до 1:4; при этом корпус 5 аэратора 4 и прижимной элемент 8 соединены посредством резьбового соединения 13.

Корпус 5 аэратора 4 соединен с воздухоразводящими трубами 3 при помощи патрубка 14, снабженного на его верхних концах резьбой 15, причем с верхним концом патрубка 14 соединен центральный патрубок 6 корпуса 5 аэратора 4, также снабженный резьбой 7 (резьбовое соединение 7 - 15), а с нижним - воздухоразводящие трубы 3, оснащенные под патрубком 14 калиброванным отверстием 16, при соотношении диаметра отверстия к внутреннему диаметру патрубка от 0,1:1 до 1:1.

Отрезки воздуховодов 2 и воздухоразводящих труб 3 объединены с помощью муфт-сгонов 17 с резьбой 18 в систему аэрации.

Система аэрации природных и сточных вод работает следующим образом.

Сжатый воздух из коллектора сжатого воздуха 1 подают в воздуховод 2 и далее в воздухоразводящие трубы 3, оснащенные патрубками 14 с резьбой 15 на их верхних концах. Далее воздух проходит через калиброванные отверстия 16 под патрубками 14, и через эти патрубки, соединенные резьбой 15 с резьбой 7 центральных патрубков 6 корпусов 5 аэраторов 4, попадает в корпус 5 аэратора 4, под многослойную мембрану 9. Мембрана 9 зафиксирована в корпусе 5 аэратора 4 при помощи прижимного элемента 8.

Многослойная мембрана 9 выполнена по меньшей мере двухслойной с дифференцированной пористостью.

Нижний опорный слой 10 мембраны 9 выполнен из рыхлого волокнистого полиэтилена с размерами пор 0,2-2 мм. Сжатый воздух, проходя через последний, очищается от пыли и окалины, присутствующих в подаваемом на аэрацию воздухе, и равномерно распределяется по всей поверхности мембраны 9, чему способствует структура нижнего слоя 10.

Верхний слой 11 мембраны 9 может быть выполнен из плотного волокнистого полиэтилена с размерами пор 0,01-0,19 мм; при этом соотношение высот нижнего опорного слоя 10 к верхнему слою 11 составляет от 1:0,1 до 1:2.

Верхний слой 11 мембраны 9 может быть выполнен из нержавеющей стали со сверхтонкой лазерной перфорацией при соотношении толщины верхнего слоя 11 к диаметру отверстий перфорации 12, равном от 1:0,5 до 1:4.

Сжатый воздух диспергируется, проходя через верхний слой 11 мембраны 9, с образованием пузырьков воздуха оптимального размера - 1-3 мм.

Основным параметром, определяющим эффективность работы аэраторов, является эффективность аэрации - количество кислорода на единицу электроэнергии (кгO₂/кВт•час), которая, при прочих равных условиях, зависит от двух основных показателей - размера пузырьков воздуха и потерь напора.

Размер пузырьков воздуха - 1-3 мм является оптимальным, т.к. обеспечивает достаточную подъемную силу при значительной площади поверхности контакта фаз - суммарной площади поверхности пузырьков. Отклонение размера пузырьков от оптимального сопровождается увеличением энергозатрат на аэрацию. Уменьшение размера пузырьков воздуха достигается уменьшением диаметра отверстий перфорации либо размера пор мембраны, что ведет к ее быстрой кольматации (засорению) и повышению потерь напора. Увеличение размера пузырьков сверх оптимального сокращает площадь поверхности контакта фаз и, как следствие, требует непроизводительного увеличения расхода воздуха.

Потери напора в аэраторе в диапазоне 0,15-0,25 мм водяного столба являются оптимальными, обеспечивающими равномерную и эффективную работу всех аэраторов в системе при низких энергозатратах. Уменьшение потерь напора снижает стабильность работы системы, т.к. при этом аэраторы вблизи воздуховода 2 пропускают излишне высокий расход воздуха, в то время как аэраторы на периферии практически не работают. Повышение потерь напора сопровождается повышением энергозатрат на аэрацию.

Эффективность работы всей системы аэрации в целом определяется равномерностью распределения воздуха по длине системы, при этом коэффициент неравномерности, исчисляемый как отклонение от работы идеальной системы, не должен превышать 5-7%.

Только совокупность таких отличительных признаков, как особенности выполнения многослойной мембраны, изготовленной как минимум из двух слоев, с дифференцированной пористостью и заявляемыми характеристиками, материал ее и конструктивные особенности как аэратора (резьбовое соединение корпуса последнего с прижимным элементом), так и выполнения системы в целом (соединение аэраторов с воздухоразводящими трубами с помощью патрубков и отрезков воздуховодов и воздухоразводящих труб при помощи муфт-сгонов), обеспечивает повышение эффективности аэрации при снижении коэффициента неравномерности, сокращении стоимости и трудозатрат на монтаж и ремонт системы, а также повышение ее надежности.

Изготовление мембраны 9 аэратора 4 из полиэтилена - инертного и долговечного материала, обуславливает высокую устойчивость вышеуказанного аэратора к воздействию растворов кислот, щелочей, нефтепродуктов и других загрязнений, присутствующих в воде.

Волокнистая структура полиэтилена определяет наличие развитой системы извилистых пор, обеспечивающих закручивание воздушных потоков, равномерное распределение воздуха по всей рабочей поверхности аэратора 4, и, самое главное, эффективное дробление пузырьков воздуха. Такая структура способствует также задержанию пыли, окалины и других присутствующих в воздухе загрязнений.

Дифференцированная пористость мембран 9 аэраторов 4 обеспечивает высокую эффективность аэрации: нижний рыхлый слой 10 служит для очистки подаваемого в аэраторы 4 воздуха от пыли, окалины и пр. загрязнений, предотвращая засорение верхнего плотного слоя 11 мембраны 9, предназначенного для тонкого диспергирования воздушных пузырьков. Кроме того, нижний слой 10 обеспечивает распределение воздуха по площади мембраны 9, обеспечивая, тем самым, равномерную работу всей ее поверхности.

Нижний рыхлый слой 10 мембраны 9 имеет размер пор 0,2-2 мм, что обеспечивает глубокое удаление загрязнений из воздуха. Размер пор менее 0,2 мм приводит к быстрому засорению нижнего слоя, повышению сопротивления и снижению эффективности его работы; размер пор более 2 мм не обеспечивает необходимую глубину очистки воздуха и, как следствие, приводит к быстрому засорению верхнего слоя 11 мембраны 9.

Верхний плотный слой 11 мембраны 9 с размерами пор 0,01-0,19 мм обеспечивает тонкое диспергирование воздушных пузырьков. При размере пор менее 0,01 мм мембрана 9 имеет излишне высокое сопротивление, что приводит к повышению потерь напора и увеличению энергозатрат на аэрацию; при размере пор более 0,19 мм снижается эффективность использования кислорода в результате увеличения размера пузырьков воздуха свыше оптимального.

Одним из основных параметров, определяющих эффективность аэрации, является оптимальное количество и соотношение высоты слоев мембраны 9, которое определяется, исходя из загрязненности воздуха и необходимых параметров аэрации. Количество слоев мембраны 9 определяется загрязненностью воздуха, подаваемого на аэрацию: при его малой загрязненности достаточно двух слоев - нижнего 10 и верхнего 11, при наличии в воздухе большого количества частиц пыли и окалины дополнительно выполняется несколько слоев мембраны дифференцированной плотности, повышающейся от нижнего слоя к верхнему, проходя через которые воздух последовательно очищается от все более мелких частиц, обеспечивая этим длительную работоспособность мембраны. Соотношение высот нижнего опорного слоя 10 к верхнему слою 11 мембраны 9 от 1:0,1 до 1:2 обеспечивает оптимальные параметры - продолжительность пребывания воздуха в мембране 9, необходимую для глубокой очистки воздуха, его равномерного распределения по всей площади мембраны 9 и тонкого диспергирования. Отклонение от оптимальных соотношений снижает эффективность и экономичность аэрации. Уменьшение высоты нижнего слоя 10 ведет к снижению глубины очистки воздуха и, как следствие, к быстрому засорению верхнего слоя 11 и снижению срока службы мембраны 9. Увеличение высоты верхнего слоя 11 повышает сопротивление мембраны 9, что приводит к увеличению потерь напора и энергозатрат на аэрацию.

Выполнение верхнего слоя 11 мембраны 9 из нержавеющей стали обеспечивает надежную аэрацию при работе аэраторов 4 в самых неблагоприятных условиях - высокая температура, наличие в воде растворителей, окислителей и пр., которые могут привести к спеканию пор или разрушению мембран, выполненных из менее надежных материалов.

Соотношение толщины слоя из нержавеющей стали к диаметру отверстий перфорации 12 от 1:0,5 до 1:4 обеспечивает высокую эффективность диспергирования воздуха при низкой засоряемости отверстий. Уменьшение диаметра отверстий перфорации 12 увеличивает потери напора в мембране 9 и, соответственно, затраты электроэнергии на аэрацию; увеличение диаметра снижает эффективность диспергирования воздуха в результате увеличения размера пузырьков.

Резьбовые соединения 7-15 центральных патрубков 6 корпусов 5 аэраторов 4 с патрубками 14, установленными на воздухоразводящих трубах 3 позволяют регулировать высоту установки аэраторов 4, выставляя их при помощи вышеуказанных резьбовых соединений на оптимальном уровне, обеспечивающем равномерность работы всей системы аэрации в целом. Кроме того, наличие патрубков 14 на воздухоразводящих трубах 3 позволяет сократить срок монтажных и ремонтных работ при замене аэраторов 4.

Оснащение воздухоразводящих труб 3 калиброванными отверстиями 16 и расположение над ними патрубков 14, оснащенных резьбой 15 для соединения с центральными патрубками 6 корпусов 5 аэраторов 4, при соотношении диаметра этого отверстия к внутреннему диаметру патрубка 14 от 0,1:1 до 1:1 позволяет подать на каждый аэратор 4 оптимальный расход воздуха с учетом технологических, биологических, химических и др. факторов на каждом участке, например местах ввода сточной воды, ила и пр.

Указанное соотношение может изменяться по длине системы аэрации с таким расчетом, чтобы каждый аэратор работал в оптимальном режиме и коэффициент неравномерности работы системы аэрации по длине не превышал 5-7%.

Выполнение калиброванных отверстий 16 с диаметром меньше оптимального приводит к увеличению коэффициента неравномерности в результате увеличения возможности засорения отверстий и нарушения равномерности работы системы, увеличение же диаметра калиброванных отверстий 16 технически недостижимо.

Применение муфт-сгонов 17 с резьбой 18 для соединения отрезков воздуховодов 2 и воздухоразводящих труб 3 повышает надежность и долговечность системы аэрации за счет использования элементов системы, изготовленных в заводских условиях и исключения применения сварочных работ в полевых условиях; сокращает сроки проведения монтажных работ, повышает их безопасность, увеличивает стабильность работы системы и срок ее службы, сокращает стоимость. Кроме того, муфты-сгоны 17, за счет резьбовых соединений, позволяют отрегулировать длину трубчатых элементов по месту, обеспечивая наибольшую надежность монтажа системы аэрации.

Резьбовое соединение 7 корпуса 5 аэратора 4 с прижимным элементом 8 обеспечивает надежность и герметичность крепления мембраны 9, чему способствует также сжимаемая структура ее нижнего рыхлого слоя, исключающая необходимость использования дополнительных герметизирующих элементов. Кроме того, вышеуказанное резьбовое соединение 7 позволяет, при необходимости, произвести быструю замену мембран 9, сокращая продолжительность и стоимость ремонтных работ.

Сравнительные данные, свидетельствующие об оптимальности предложенных параметров мембраны представлены в таблице N 1.

Сравнительные данные, свидетельствующие о преимуществе предложенного соотношения диаметра калиброванного отверстия к внутреннему диаметру патрубка, представлены в таблице N 2.

Предложенная система аэрации сточных вод по сравнению с известной обеспечивает:
повышение эффективности аэрации с 1,9 кгO₂/кВт•час до 2,5 кгO₂/кВт•час за счет тонкого диспергирования воздуха верхним слоем мембраны до пузырьков оптимальных размеров (1-3 мм) при оптимальных потерях напора (0,1-0,25 мм водяного столба) за счет очистки воздуха от частиц пыли и окалины нижним слоем мембраны и предотвращения, тем самым, быстрого засорения пор мембраны и (или) отверстий перфорации; указанный эффект достигается при оптимальных параметрах мембраны (количестве слоев, размере пор, соотношении толщины слоя к диаметру отверстий перфорации соотношении высот слоев мембраны);
увеличение равномерности работы всех аэраторов в системе за счет снижения коэффициента неравномерности распределения воздуха по длине системы аэрации с 15-20% до 5-7%, что является следствием оснащения воздухоразводящих труб калиброванными отверстиями, обеспечивающими подачу на каждый аэратор оптимального расхода воздуха; указанный эффект достигается за счет изменения соотношения диаметра отверстия к внутреннему диаметру патрубка по длине системы аэрации;
повышение надежности системы аэрации, обусловленное долговечностью мембраны, выполненной из полиэтилена и/или нержавеющей стали, а также выполнением системы из конструктивных элементов заводского изготовления при помощи муфт-сгонов, оснащенных резьбой;
понижение стоимости эксплуатации системы за счет быстроты монтажа всей системы аэрации, а также монтажа и замены мембран аэраторов и самих аэраторов; указанный эффект достигается за счет использования резьбовых соединений: корпус аэратора - прижимной элемент, патрубок аэратора - патрубок воздухоразводящих труб, трубчатые элементы системы труб - муфты-сгоны.

Изобретение относится к биологической очистке природных и сточных вод, а более конкретно к системам аэрации вышеуказанных вод. Система аэрации содержит коллектор для подачи сжатого воздуха, сообщенный с ним воздуховод и воздухоразводящие трубы с установленными на них аэраторами, каждый из которых состоит из дискообразного корпуса с центральным патрубком в его основании, оснащенным резьбой, прижимного элемента с расположенной между ними мембраной. Многослойная мембрана аэратора выполнена как минимум из двух слоев и имеет дифференцированную пористость. Нижний слой мембраны выполнен из рыхлого волокнистого полиэтилена с размерами пор от 0,2-2 мм, а верхний - либо из плотного волокнистого полиэтилена с размерами пор от 0,01 до 0,19 мм при соотношении высоты слоев от 1:0,1 до 1:2, либо из нержавеющей стали со сверхтонкой лазерной перфорацией при соотношении толщины этого слоя к диаметру отверстий перфорации от 1:0,5 до 1:4. Корпуса аэраторов соединены с прижимными элементами резьбовыми соединениями. Отверстия в воздухоразводящих трубах выполнены калиброванными, а расположенные над ними патрубки оснащены резьбой для соединения с центральными патрубками корпусов аэраторов при соотношении диаметра отверстия к внутреннему диаметру патрубка от 0,1: 1 до 1:1, а отрезки воздуховодов и воздухоразводящих труб соединены посредством муфт-сгонов, оснащенных резьбой. Технический эффект - повышение эффективности аэрации, снижение коэффициента неравномерности аэрации по длине системы, повышение надежности эксплуатации, упрощение монтажа. 2 табл., 2 ил.

Система аэрации природных и сточных вод, содержащая коллектор для подачи сжатого воздуха, сообщенный с ним воздуховод и воздухоразводящие трубы с установленными на них аэраторами, каждый из которых состоит из дискообразного корпуса с центральным патрубком в его основании, оснащенным резьбой, и прижимного элемента с расположенной между ними мембраной, отличающаяся тем, что многослойная мембрана аэратора, выполненная, как минимум, из двух слоев, имеет дифференцированную пористость, нижний слой мембраны выполнен из рыхлого волокнистого полиэтилена с размером пор 0,2 - 2 мм, а верхний - либо из плотного волокнистого полиэтилена с размерами пор 0,01 - 0,19 мм при соотношении высоты слоев от 1:0,1 до 1:2, либо из нержавеющей стали со сверхтонкой лазерной перфорацией при соотношении толщины этого слоя к диаметру отверстий перфорации от 1:0,5 до 1:4, при этом корпуса аэраторов соединены с прижимными элементами резьбовыми соединениями, отверстия в воздухоразводящих трубах выполнены калиброванными, расположенные над ними патрубки оснащены резьбой для соединения с центральными патрубками корпусов аэраторов при соотношении диаметра отверстия к внутреннему диаметру патрубка от 0,1:1 до 1:1, а отрезки воздуховодов и воздухоразводящих труб соединены посредством муфт - сгонов, оснащенных резьбой.