УСТАНОВКА ДЛЯ ФЛОТАЦИОННОЙ ОЧИСТКИ ВОДЫ Российский патент 2007 года по МПК C02F1/24 B03D1/22 

Настоящее изобретение относится к установке для обработки воды, содержащей флотационную камеру, в которую подают неочищенную воду, предварительно флокулированную, затем перемешанную с водой, сжатой и расширенной таким образом, что содержащиеся в неочищенной воде в виде суспензии вещества увлекаются вместе с микропузырьками, образовавшимися в результате указанного расширения, и удаляются с поверхности жидкости, содержащейся в указанной камере, при этом обработанную воду удаляют через дно указанной камеры.

Известна (ЕР-А-0659690) установка упомянутого типа, содержащая зону флокуляции, зону перемешивания флокулированной неочищенной воды в восходящем потоке с водой под давлением, поступающей из напорного распределителя, и флотационную зону, из верхней части которой удаляют вещества, содержащиеся в виде суспензии в неочищенной воде и попадающие на поверхность вместе с микропузырьками, при этом данная флотационная зона в своей нижней части содержит перфорированное заборное устройство (пол с соплами или без них, коллекторы и т.д.), а вся поверхность флотационной зоны представляет собой однородный и идентичный поток осветленной жидкости.

Отличительным признаком флотационных машин такого типа является образование толстого слоя микропузырьков, благодаря которому флокуляция происходит в две стадии: вначале в зоне флокуляции, затем внутри микропузырькового слоя благодаря значительной контактной массе, обеспечиваемой микропузырьками, которые, помимо прочего, способствуют разделению флотацией суспензии вещества.

Одним из ограничений в использовании таких установок являются их размеры. Согласно Х.Дж.Киури, который в статье «Development of dissolved air flottation technology from the first generation to the newest (third) one (Daf in turbulent flow conditions», опубликованной в «Water Science and Technology», том 43, №8, стр.1-7, IWA Publishing 2001, указал, что главное правило определения размеров флотационных камер состоит в том, чтобы отношение глубины (или высоты Н) флотационной зоны, находящейся над заборной зоной, к горизонтальной длине L между входом воды и противоположной стенкой (отношение H/L) превышало 1. Соблюдение этого правила вынуждает строить очень дорогие установки большой высоты.

Другая проблема проявилась во время промышленного применения такого типа установки и касается образования микропузырькового слоя большой высоты во флотационной камере (высота микропузырькового слоя часто превышает 3 метра).

С одной стороны, эта высота должна превышать минимальное значение для обеспечения успешного завершения флокуляции, оптимизации сцепления между микропузырьками и хлопьями, а также для обеспечения явлений коалесценции и агломерации, являющихся причиной увеличения микропузырьков и, как следствие, повышение скорости подъема (от 30 до 60 м/ч), и, с другой стороны, она должна быть ограничена для уменьшения глубины резервуаров (то есть их высоты) и, следовательно, их стоимости, и повышенного пересыщения газом. Так, высота в 1,5 м может выразиться в пересыщении порядка +15%, тогда как высота в 4 м может привести к пересыщению порядка +40%, что является главным недостатком при установке флотационной камеры на входе зоны фильтрационной обработки, например, на песочном слое или на мембранах.

Факторами, приводящими к увеличению высоты микропузырькового слоя, могут быть:

- гидропитание плохого качества (неоднородное), которое заставляет, например, повышать степень сжатия для увеличения высоты микропузырькового слоя с целью повышения его стабилизации; и

- большая длина флотационной камеры, приводящая к большим высотам (H/L>1 согласно предшествующему уровню техники).

Наиболее близкой к заявленной является установка для реагентной очистки сточных вод, известная из а.с.СССР №1322216 А1, кл. C02F 1/24, 16.12.1985, содержащая зону коагуляции, зону флокуляции, зону смешивания, напорный распределитель, генерирующий пузырьки, флотационную зону, из верхней части которой удаляют вещества в виде суспензии и из нижней части которой осуществляется забор осветленной воды.

Задачей настоящего изобретения является, с одной стороны, решение проблемы большой глубины, необходимой для получения микропузырькового слоя, и, с другой стороны, решение проблемы стабильности указанного микропузырькового слоя в таких очистных установках.

Таким образом, настоящее изобретение относится к установке для очистки воды, содержащей зону коагуляции, зону флокуляции, зону смешивания в восходящем потоке флокулированной воды с водой под давлением, поступающей из напорного распределителя, генерирующего микропузырьки, и флотационную зону, из верхней части которой удаляют вещества в виде суспензии, попадающие на поверхность вместе с микропузырьками, причем эта флотационная зона в своей нижней части содержит средство забора очищенной воды, при этом установка отличается тем, что:

- геометрические параметры флотационной зоны таковы, что соотношение между высотой зоны, находящейся над средством забора очищенной воды, и длиной указанной зоны находится в пределах от 0,3 до 1; и

- соотношение между площадью вертикального сечения между верхним краем наклонного сливного порога и поверхностью воды флотационной зоны и площадью собственно флотационной зоны находится в пределах от 0,05 до 0,5, предпочтительно от 0,1 до 0,35.

Другие отличительные признаки и преимущества настоящего изобретения будут более очевидны из нижеследующего описания со ссылкой на чертеж, схематически иллюстрирующий данный вариант выполнения, приведенный в качестве неограничительного примера.

Как показано на чертеже, установка содержит: зону коагуляции 1, в которой неочищенную воду смешивают с коагулянтом, причем этот коагулянт в некоторых случаях может нагнетаться на входе этой зоны 1; зону флокуляции 3, отделенную от зоны коагуляции 1 сливной системой 2, зону смешивания 5, в которой флокулированную неочищенную воду, поступающую через впускное отверстие 4, смешивают в восходящем потоке с микропузырьками, создаваемыми напорным распределителем 8, и флотационную зону 6. Флотационная зона 6 отделена от зоны смешивания 5 наклонным сливным порогом 11. В указанной флотационной зоне 6 происходит накапливание микропузырьков, образующих толстый слой в нисходящем потоке, при этом вещества, находящиеся в виде суспензии в неочищенной воде и увлекаемые микропузырьками, скапливаются на поверхности 7 и удаляются в направлении 10, причем осветленную воду извлекают в нижней части этой флотационной зоны путем забора через систему 9 забора осветленной воды или при помощи аналогичного средства, обеспечивающего работу на высоких флотационных скоростях.

На входе зоны флокуляции 3 неочищенная вода равномерно распределяется по всей ширине этой зоны при помощи сливной системы 2, представляющей собой, например, сливные средства, которые могут быть выполнены сплошными, зубчатыми, содержащими перфорированные трубы, разветвленными или неразветвленными. Сливная система 2 равномерного распределения, в случае необходимости, может обеспечивать подачу и смешивание с неочищенной водой таких(ого) веществ(а), как ускоритель флокуляции, при этом сама флокуляция обеспечивается статичной системой или горизонтальными вращающимися перегородками. Комбинация распределительной системы 2 и статичных флокуляторов или флокуляторов с горизонтальной осью обеспечивает равномерное питание флотационной зоны по всей ее ширине. Флокуляция может также обеспечиваться системой механического(их) смесителя(ей) с горизонтальной осью в комбинации с калиброванными отверстиями, выполненными на входе 4 зоны смешивания 5. Это последнее устройство позволяет восстановить равномерность потоков и компенсировать гидравлические возмущения и круговые движения, создаваемые смесителем с вертикальной осью.

В зоне смешивания 5 флокулированную неочищенную воду смешивают с микропузырьками, генерирующимися в сжатой воде, получаемой в компрессионном резервуаре 8 в восходящем потоке, начинающемся от низа зоны, причем расширение и образование микропузырьков осуществляют при помощи множества систем нагнетания воды под давлением, равномерно установленных по всей ширине зоны, причем за этим восходящим потоком следует нисходящий поток, доходящий до заборной системы. Нисходящий поток имеет скорость, меньшую скорости восходящего потока, при этом большая часть увлекаемых микропузырьками веществ в виде суспензии высвобождается во время изменения направления потока и скапливается на поверхности 7 флотационной зоны.

В соответствии с настоящим изобретением высоту микропузырькового слоя поддерживают, по меньшей мере, равной от 1 метра до 1,5 м, чтобы максимально использовать эффект микропузырькового слоя, выполняющего роль фильтра и коагулятора этих микропузырьков (слой выполняет роль ускорителя подъемной скорости калесцированных микропузырьков). Следовательно, высота флотационной зоны 6 должна превышать 1,5 или 2 метра и, в соответствии с настоящим изобретением, соотношение между высотой (Н) зоны, расположенной над системой 9 забора осветленной воды, и длиной (L) этой зоны находится в пределах от 0,3 до 1 (0,3<H/L<1). Этот отличительный признак, отличающийся от решений из предшествующего уровня техники (см. вышеупомянутую статью К.Дж.Киуру, стр.1), позволяет уменьшить глубину установки, причем площадь последней остается постоянной и в основном соответствует скорости обработки (выраженной относительно площади Sp, то есть площади флотационной зоны 6, соответствующей длине этой зоны, обозначенной на фигуре L), составляющей от 15 до 60 м³/м²·ч, что существенно сказывается на стоимости строительства установок. Это уменьшение глубины установок позволяет также избежать перенасыщения растворенным воздухом и его последствий на выходе очистного сооружения, в частности, на песочных фильтрах и/или мембранах.

Согласно другому отличительному признаку установки в соответствии с настоящим изобретением соотношение между площадью Sa плоской струи, расположенной по вертикали выхода зоны смешивания 5 (то есть площадью вертикального сечения между верхним краем наклонного сливного порога 11 и поверхностью воды флотационной зоны 6), и площадью Sp флотационной зоны 6 (площадью этой зоны, соответствующей длине L) должно находиться в пределах от 0,05 до 0,5 (0,05<Sa/Sp<0,5), предпочтительно от 0,1 до 0,35 (0,1<Sa/Sp<0,35). Этот отличительный признак позволяет определить диапазон скоростей плоской струи на вертикали выхода зоны смешивания 5, который не должен выходить за верхний предел скорости, после которого создается распространяющееся круговое движение, с одной стороны, разрушающее микропузырьковый слой в флотационной зоне 6 и увлекающее его в обработанный эфлюент и, с другой стороны, в значительной степени размывающее слой грязи 7 на поверхности флотационной машины. Необходимо отметить, что повышение степени сжатия и, следовательно, увеличение количества образующихся микропузырьков может стабилизировать пузырьковый слой и, как следствие, привести к относительно большому увеличению высоты, что, по меньшей мере, является несовместимым с геометрическими параметрами установки, определенными настоящим изобретением. Диапазон скоростей водяной пленки на вертикали выхода зоны смешивания 5 не должен также выходить за нижний предел скорости, за которым турбулентный режим во флотационной зоне 6 становится недостаточным для обеспечения образования и стабильного поддержания микропузырькового слоя, что приводит с быстрому ухудшению качества очищаемой воды.

Система 9 забора очищенной воды согласно предпочтительному варианту выполнения содержит пол с отверстиями или пол, оборудованный трубами с отверстиями, как описано в ЕР-А-0659690, создающий сопротивление потоку через этот пол, которое является максимальным в концевом участке флотационной зоны (сторона удаления) и уменьшается в направлении входного участка этой зоны (сторона питания). Этот отличительный признак позволяет устанавливать турбулентный режим внутри флотационной зоны, что способствует образованию стабильного и достаточно толстого микропузырькового слоя, и обеспечивает тем самым высокую скорость обработки.

Эти характеристики размерности самым неожиданным образом позволяют специалисту достигать скоростей обработки, начиная от 15 и до 60 м/ч, причем с использованием «плоских» установок (соотношение H/L составляет от 0,3 до 1).

Настоящее изобретение имеет целый ряд преимуществ, в числе которых можно упомянуть следующие:

Возможность создавать установки с высокой производительностью очистки, отличающиеся ограниченной высотой. Так, например, настоящее изобретение позволяет создать установку длиной 7 м при высоте 3 м (вместо высоты 7 м и более установок из предшествующего уровня техники).

Ограничение по высоте размеров установки, с одной стороны, выражается в снижении стоимости строительства и, с другой стороны, в ограничении перенасыщения растворенным газом, оказывающего отрицательное воздействие на фильтрационные системы, расположенные на выходе флотационной зоны.

В упомянутом выше примере ограничение высоты 3 м значительно снижает перенасыщение очищенной воды, поскольку оно может превышать дозу насыщения только на 30%, тогда как в известных технических решениях оно может достигать 70% при высоте 7 м.

Далее приводятся два примера осуществления, со всей очевидностью показывающие преимущество выбора в соответствии с настоящим изобретением соотношения между Sa (площадь плоской струи, расположенной на вертикали выхода зоны смешивания 5) и площадью Sp флотационной зоны 6 (то есть площадью системы 9 забора осветленной воды), находящегося в пределах от 0,05 до 0,5.

Эти примеры были реализованы на экспериментальной установке, содержащей коагулятор, флокулятор статичного типа и флотационную камеру с длиной пола (L), равной 2,5 м, и высотой (Н) над полом (системой 9), равной 3,6 м. Высота плоской струи над верхней границей зоны смешивания (На) менялась от 0,07 м до 1,50 м. Скорость обработки составила 35 м³/м²·ч. Экспериментальная установка дополнительно содержала контур сжатия при 5·10⁵ Па и расширения, обеспечивавший нагнетание воды под давлением с расходом, составлявшим от 10 до 20% обработанного продукта. Для моделирования гидравлического возмущения впуск 4 флотационной зоны можно частично перекрывать, и во время испытаний перекрытие прохода составило 50%.

Эти испытания проводились с использованием речной воды под небольшим давлением. Расход подачи воды был отрегулирован таким образом, чтобы получить скорость на полу 9, равную 40 м/ч.

Задачей этих испытаний было изучение гидравлических условий, необходимых для образования и обеспечения стабильности микропузырькового слоя, и условий минимальной высоты этого микропузырькового слоя, необходимых для поддержания его стабильности.

Анализировались два главных параметра: высота водяной пленки над верхней точкой зоны смешивания и равномерность или неравномерность распределения на входе этой зоны. Оптимальная пропорция или уровень воды под давлением составляет примерно 10%, и для обеспечения стабильности ее повышали до 15 и 20%.

Критериями качества являются образование микропузырькового слоя, его высота и, в конечном итоге, качество очищенной путем флотации воды, которое в данном случае выражается мутностью в НЕМ (нефелометрические единицы мутности). Если мутность ниже 2 НЕМ, ее считают приемлемой, а мутность ниже 1 НЕМ считается отличной.

Полученные результаты приведены в двух таблицах.

В табл.1 приведены результаты, относящиеся к примеру 1 и показывающие влияние скорости плоской струи на выходе зоны смешивания 5 (этот выход соответствует плоской струе высотой На и площадью Sa) на стабильность пузырькового слоя и на мутность обработанной воды.

Табл.2 иллюстрирует результаты, полученные во время реализации примера 2, и показывает влияние равномерности распределения на входе зоны смешивания 5 при соотношении Sa/Sp, равном 0,15.

Таблица 1Первая серия испытанийВлияние скорости на выходе зоны смешиванияSa/SpНа (м)Y (Степень сжатия)Пузырьковый слойМутность обработанной воды0,0280,0710%Отсутствие границы раздела. Сильное вращение. Улетучивание пузырьков11 НЕМ0,0280,0720%То же7 НЕМ0,040,110%То же9 НЕМ0,040,115%Менее сильное вращение, начало образования слоя высотой примерно 3,3 м1,8 НЕМ0,080,210%Едва различимая граница раздела. Наличие некоторого вращения. Слабое образование слоя. Высота трудно определима.4 НЕМ0,080,215%Образование пузырькового слоя. Высота примерно 2,3 м1,1 НЕМ0,150,3810%Четкая граница раздела. Однородный слой. Высота: 1,5 м0,7 НЕМ0,150,3815%Четкая граница раздела. Однородный слой. Высота: 2,1 м0,6 НЕМ0,300,7510%То же. Высота 1,60 м0,8 НЕМ0,601,510% или 15% или 20%Отсутствие пузырькового слоя. Улетучивание пузырьков9 НЕМ

Результаты этих испытаний позволяют сделать следующие выводы:

- Слишком высокая скорость в сечении высотой На при низком соотношении Sa/Sp приводит к сильному вращению микропузырькового слоя, препятствуя его стабилизации и, следовательно, его образованию. Вместе с тем, повышая степень сжатия, можно помешать этому круговому движению и получить пузырьковый слой. Так, при степени сжатия 15% оказалось возможным стабилизировать пузырьковый слой (4-я и 6-я строки из предыдущей таблицы), но путем значительного увеличения этого микропузырькового слоя (соответственно 3,3 м и 2,3 м вместо 1,5 м).

- Слишком низкая скорость при высоком соотношении Sa/Sp (10-я строка таблицы) не обеспечивает минимального вращения, не достигается турбулентный режим, и пузырьковый слой не образуется. Избыток воздуха в данном случае не играет никакой роли.

- Правильно выбранные соотношения Sa/Sp находятся в диапазоне от 0,05 и 0,5 и позволяют получить пузырьковый слой ограниченной высоты (соотношение H/L<1). За пределами этого диапазона пузырьковый слой не образуется, либо его высота является слишком большой. В 4-1 строке таблицы: высота слоя 3,3 м (то есть соотношение H/L=1,32).

Во второй серии испытаний, результаты которых приведены в таблице 2, соотношение Sa/Sp поддерживалось на уровне 0,15. Было проведено два испытания, одно с равномерной подачей, обеспечиваемой сливным порогом на входе флокулятора, и со статичной флокуляцией, другое - при перекрытии на 50% входа 4 флотационной камеры (слабое питание флотационной камеры).

Таблица 2Вторая серия испытанийВлияние равномерности распределения на входе зоны смешиванияSa/SpНаПитаниеYПузырьковый слойМутность обработанной воды0,150,38Равномерное по ширине флотационной машины10%Н=1,5 м0,7 НЕМ0,15 Питание на 50% ширины флотационной машины10%Нечеткая граница раздела. Улетучивание пузырьков.2 НЕМ0,15 То же15%Пузырьковый слой Н=3,10,9 НЕМ

Полученные по результатам этих испытаний результаты позволяют сделать следующие выводы:

- Неравномерное питание по ширине флотационной камеры не всегда позволяет получить пузырьковый слой.

- В данном случае пришлось повысить степень сжатия.

Пузырьковый слой имеет большую высоту, в данном случае равную 3,1 м, и соотношение H/L флотационной камеры превышает 1.

- Для получения пузырьковых слоев небольшой высоты необходимо обеспечить равномерное питание.

Настоящее изобретение не ограничивается описанными и проиллюстрированными примерами реализации и может включать в себя любые варианты.

Установка для флотационной очистки воды, содержащая зону коагуляции (1), зону флокуляции (3), зону смешивания (5) и флотационную зону (6). Из напорного распределителя (8), генерирующего микропузырьки, восходящий поток флокулированной воды с водой под давлением поступают в зону смешения (5). Из верхней части флотационной зоны (6) удаляют вещества в виде суспензии, попадающие на поверхность вместе с микропузырьками. Флотационная зона (6) в нижней части содержит систему (9) забора осветленной воды. Геометрические параметры флотационной зоны (6) выбирают такими, что соотношение между высотой (Н) зоны, находящейся над системой (9) забора осветленной воды, и длиной (L) указанной зоны находится в пределах от 0,3 до 1, и соотношение между площадью (Sa) вертикального сечения между верхним краем наклонного сливного порога (11) и поверхностью воды флотационной зоны (6) и площадью (Sp) собственно флотационной зоны находится в пределах от 0,05 до 0,5, предпочтительно от 0,1 до 0,35. Технический результат - уменьшение габаритных размеров флотационной установки, снижение стоимости ее строительства, увеличение стабильности микропузырькового слоя во флотационной установке. 6 з.п. ф-лы, 1 ил., 2 табл.

1. Установка для очистки воды, содержащая зону коагуляции (1), зону флокуляции (3), зону смешивания (5) в восходящем потоке флоккулированной воды с водой под давлением, поступающей из напорного распределителя (8), генерирующего микропузырьки, и флотационную зону (6), из верхней части которой удаляют вещества в виде суспензии, попадающие на поверхность вместе с микропузырьками, причем указанная флотационная зона в своей нижней части содержит систему (9) забора осветленной воды, отличающаяся тем, что геометрические параметры флотационной зоны (6) выбирают такими, что соотношение между высотой (Н) зоны, находящейся над системой (9) забора осветленной воды, и длиной (L) указанной зоны находится в пределах от 0,3 до 1, и соотношение между площадью (Sa) вертикального сечения между верхним краем наклонного сливного порога (11) и поверхностью воды флотационной зоны (6) и площадью (Sp) собственно флотационной зоны находится в пределах от 0,05 до 0,5, предпочтительно от 0,1 до 0,35.2. Установка по п.1, отличающаяся тем, что содержит средства (2), выполненные с возможностью равномерного распределения неочищенной воды, коагулированной в зоне коагуляции (1), по всей ширине зоны флокуляции (3).3. Установка по одному из п.1 или 2, отличающаяся тем, что равномерность и флокуляция обеспечиваются статичной системой флокуляции.4. Установка по одному из п.1 или 2, отличающаяся тем, что равномерность и флокуляция обеспечиваются горизонтальными вращающимися перегородками.5. Установка по одному из п.1 или 2, отличающаяся тем, что равномерность и флокуляция обеспечиваются системой механических смесителей с вертикальной осью, при этом на входе (4) зоны смешивания (5) выполнены калиброванные отверстия.6. Установка по п.2, отличающаяся тем, что средства (2), обеспечивающие равномерное распределение неочищенной воды по всей ширине зоны флокуляции (3), выполнены, в частности, в виде сливных средств, выполненных сплошными, зубчатыми, с перфорированными трубами, возможно разветвленными.7. Установка по одному из п.1 или 2, отличающаяся тем, что система (9) забора осветленной воды в основании флотационной зоны (6) выполнена в виде промежуточного перфорированного пола или в виде труб с отверстиями, обеспечивающих получение турбулентного режима внутри флотационной зоны.