КОМБИНИРОВАННОЕ УСТРОЙСТВО ДЛЯ ОЧИСТКИ ВОДЫ Российский патент 2008 года по МПК B01D21/00 

Изобретение относится к устройствам для очистки природных и сточных вод, а именно для отделения взвешенных частиц от жидкости путем осаждения и фильтрации, и может быть использовано на водопроводных станциях для очистки вод любых типов.

Известны фильтры для очистки осветленной воды [1], устанавливаемые в виде прямоугольных в плане железобетонных резервуаров, соединенных трубопроводами и специальной арматурой с соответствующими отстойниками, например, "Горизонтальный отстойник" [2].

Недостаток этого сооружения в большой площади его застройки и наличии дополнительных коммуникаций для подачи осветленной воды из горизонтального отстойника в фильтр. В данном горизонтальном отстойнике недостаточно высокая эффективность отстаивания воды.

Известно выбранное за прототип "Устройство очистки природной воды" [3], содержащее резервуар с наклонным дном, разделенный на зоны перемешивания и осаждения, оборудованный гидравлической системой удаления осадка, подающим воду патрубком и патрубком сброса осадка. В зоне перемешивания расположена воздухораспределительная система и распределительный лоток поступающей на осветление воды. В зоне осаждения установлены тонкослойные сепараторы, а в верхней ее части расположен отводящий лоток сбора осветленной воды, оборудованный водосливами. Направление потока воды осуществляется посредством открытой перегородки между зонами перемешивания и осаждения.

Данное устройство имеет ряд недостатков:

После оснащения зоны осаждения устройства тонкослойными сепараторами происходит увеличение фактической площади осаждения в этой зоне, а соответственно, повышение производительности процесса осветления воды. При этом возникает необходимость в повышении производительности установленного вне устройства и соединенного с резервуаром последнего трубопроводами фильтра путем его реконструкции или установки дополнительных фильтров, что неосуществимо на данной площади застройки очистного сооружения.

Данное устройство не рассчитано на очистку различных типов вод.

Неравномерность сбора и распределения осветленной воды в зоне осаждения и неравенство потерь напора потока осветленной воды по всей площади зоны тяготения к отводящему лотку приводят к различным по величине нагрузкам на отдельные участки поверхности зоны осаждения устройства, вследствие чего снижается эффективность осветления воды.

Изобретение решает техническую задачу создания технологичного, универсального, компактного устройства для эффективной очистки воды с уравниванием показателей производительности на стадиях осветления и фильтрации, с обеспечением равномерного распределения гидравлической нагрузки в зоне осаждения, занятой тонкослойными сепараторами и одновременным обеспечением равенства потерь напора потока осветленной воды в каждой из зон тяготения к соответствующему водосборному элементу отводящего лотка.

Данная задача решается в комбинированном устройстве для очистки воды, включающем резервуар с наклонным дном, зону перемешивания и зону осаждения, оборудованную тонкослойными сепараторами, в верхней части которой расположен отводящий лоток осветленной воды с водосливами, при этом в резервуар дополнительно введена зона фильтрации с установленным в ней фильтром, отделенная глухой поперечной перегородкой от зоны осаждения и имеющая с последней общий отводящий лоток с запорным устройством, расположенным на границе зон осаждения и фильтрации. Отводящий лоток в пределах зоны осаждения оснащен равномерно рассредоточенными по его длине сборными лотками с регулируемыми по высоте зубчатыми водосливами, причем расстояние "К" от поверхности зеркала воды до верхнего края тонкослойных сепараторов должно быть не менее 0,35 м, а расстояние "а" между смежными сборными лотками не более значения .

Компактность устройства достигается путем дополнительного введения в резервуар зоны фильтрации, что возможно за счет уменьшения длины зоны осаждения, т.е. сокращения количества тонкослойных сепараторов до расчетного значения, позволяющего уравнять показатели производительности в зоне осаждения с производительностью установленного в свободной области резервуара фильтра.

Глухая поперечная перегородка служит для отделения зоны осаждения от зоны фильтрации и обуславливает герметичность этих зон.

Технологичность устройства повышается за счет того, что зона осаждения имеет общий отводящий лоток с зоной фильтрации, осветленная вода свободно перетекает границу этих зон и попадает на фильтр.

Отводящий лоток выполнен с запорным устройством, расположенным на границе зон осаждения и фильтрации, для предотвращения перетекания в зону осаждения промывной воды на стадии промывки фильтра.

Расчет расстояния между смежными сборными лотками, равномерно рассредоточенными по длине отводящего лотка в пределах зоны осаждения, необходим для обеспечения равномерности распределения гидравлической нагрузки в зоне с тонкослойными сепараторами.

Расстояние от поверхности зеркала воды до верхнего края тонкослойных сепараторов определяется с целью выравнивания потерь напора потока осветленной воды, тяготеющего к одному сборному лотку.

Сборные лотки выполнены с регулируемыми по высоте зубчатыми водосливами для точной установки высоты водослива по длине каждого лотка и выравнивания гидравлической нагрузки на один погонный метр водослива.

Изобретение поясняется схемой, где

на Фиг.1 изображено комбинированное устройство для очистки воды (продольный разрез);

на Фиг.2 - схема для расчета работы тонкослойного сепаратора и сборной системы.

Комбинированное устройство для очистки воды содержит резервуар 1 с наклонным дном, зону перемешивания 2, зону осаждения 3, оборудованную тонкослойными сепараторами 4, и зону фильтрации 5. Зоны осаждения 3 и фильтрации 5 имеют общий отводящий лоток 6 с шиберзапорным устройством 7 и отделены друг от друга глухой поперечной перегородкой 8. Отводящий лоток 6 осветленной воды в пределах зоны осаждения 3 оснащен равномерно рассредоточенными по длине отводящего лотка 6 сборными лотками 9 с регулируемыми по высоте зубчатыми водосливами 10. Резервуар 1 оборудован гидравлической системой удаления осадка 11, патрубком 12, подающим очищаемую воду в резервуар 1, и патрубком 13, сбрасывающим осадок из резервуара 1. В зоне перемешивания располагается воздухораспределительная система 14 и распределительный лоток 15. Зона перемешивания 2 отделена от зоны осаждения 3 открытой перегородкой 16. В зоне фильтрации 5 установлен, как пример конкретного выполнения, самотечный, скорый песчаный фильтр, состоящий из соответствующей части отводящего лотка 6 для подачи на фильтр осветленной воды и отвода промывной воды, слоя песка 17, слоя гравия 18, дренажного устройства отвода фильтрата 19 и трубопровода сброса промывной воды 20.

Работает устройство следующим образом.

По патрубку 12 очищаемая вода (суспензия) подается в распределительный лоток 15 и, переливаясь через его край, попадает в зону перемешивания 2, где происходит распределение потока очищаемой воды по всему объему зоны 2, и барбатируется воздухом, подаваемым из воздухораспределительной системы 14, что способствует перемешиванию очищаемой воды с целью укрупнения хлопьев взвеси. За счет поступления новых порций очищаемой воды происходит вытеснение ранее поступивших порций в зону осаждения 3 под струенаправляющей открытой перегородкой 16, при этом поток очищаемой воды в зоне осаждения 3 направляется снизу вверх. В зоне осаждения 3, проходя через тонкослойные сепараторы 4, очищаемая вода осветляется и собирается сборными лотками 9, переливаясь через их зубчатые водосливы 10. Далее по отводящему лотку 6 при открытом шиберзапорном устройстве 7 осветленная вода поступает в зону фильтрации 5 и попадает на фильтр, проходит через слой песка 17, слой гравия 18 и отводится с помощью дренажного устройства 19. При промывке фильтр выключается из работы, закрывается шиберзапорное устройство 7, промывная вода подается снизу через дренажное устройство 19, проходит слои гравия 18 и песка 17 в обратном направлении. Скорость прохождения через фильтр промывной воды в несколько раз больше скорости фильтрования. Вода взмучивает песок и интенсивно отмывает от поступивших в процессе фильтрования загрязнений. Промывная вода удаляется отводящим лотком 6 через трубопровод сброса промывной воды 20. Удаление накопившегося осадка из зоны осаждения происходит с помощью гидравлической системы удаления осадка 11 в приямок, а затем по патрубку 13 выводится за пределы резервуара 1.

Обязательным условием качественной работы тонкослойного сепаратора 4 является равномерная гидравлическая нагрузка на него в м³/(м²·ч). Обеспечение этого условия достигают правильным устройством систем распределения очищаемой воды (суспензии) и сбора осветленной воды. Тонкослойные сепараторы 4 в отстойнике предназначены для очистки различных вод (суспензий) в гравитационном поле с использованием отдельных элементов, которые рассекают поток на тонкие слои. При этом эффективность очистки высока и составляет 70-95% и более, концентрация взвешенных веществ в осветленной воде после тонкослойных сепараторов 4 не превышает 10-15 мг/л. При такой низкой величине концентрации взвешенных веществ в осветленной воде применимы гидравлические зависимости как для чистой воды. Поэтому совершенно не важно, какие сточные воды разделяются в тонкослойном сепараторе хозяйственно-бытовые, иловые суспензии, ливневые сточные воды или осветляемая при водоподготовке питьевая вода.

По конструктивным соображениям расстояние под тонкослойными модулями 4, в зоне входа в них очищаемой воды, всегда принимают более 0,5 м. Поэтому определяющей системой, для качественной работы тонкослойного модуля 4, является система сбора осветленной воды.

Рассмотрим расчетную схему работы тонкослойного модуля 4 и сборной системы, представленную на Фиг.2.

Диктующие расчетные точки на Фиг.2:

b - точка в месте выхода воды из тонкослойного сепаратора 4 на середине расстояния между сборными лотками 9;

с - точка на кромке водослива сборного лотка 9;

d - точка в месте выхода воды из тонкослойного сепаратора 4 под сборным лотком 9.

Равномерная гидравлическая нагрузка на тонкослойный сепаратор 4 и, как следствие, качественное разделение очищаемой воды (суспензии) в нем возможно при соблюдении следующего условия [4]:

где h_b-c, h_d-c соответственно потери напора при движении осветленной воды от точки b до точки с и потери напора при движении осветленной воды от точки d до точки с.

Все частицы осветленной воды, выходящие из тонкослойного сепаратора 4 на участке от точки b до точки d1, будут направляться к точке с1, т.к. потери напора в данном направлении будут меньше в сравнении с потерями напора при движении этих частиц до точки с.

Значение потерь напора из точек d и b до точки с определяют по уравнениям [5]:

Подставляют уравнения (2) и (3) в (1):

h^b-cl и h^d-cl - потери напора по длине, определяют по известному уравнению Дарси-Вейсбаха

h^сужм - потери напора в местном сопротивлении определяют

где ζ^суж коэффициент местного сопротивления, равный ζ^суж=0,404 (рис.3.24 [5]).

h^лотковм - потери напора при обтекании лотка определяют по уравнениям, приведенным ниже.

Систему сборных лотков 9 на водосборной поверхности можно рассматривать как решетку. В данном случае сборные лотки 9 будут выполнять функцию стержней. Поэтому в данном случае h^лотков м можно определить по известной формуле Вейсбаха:

где k1 - коэффициент засорения ≈ 1,0, т.к. расстояния между стержнями решетки (в нашем случае между лотками 9) не засоряются;

k2 - коэффициент стеснения дополнительным каркасом, k2=1,0, т.к. дополнительный каркас отсутствует;

k3 - коэффициент формы, kф=2,34 (рис.3.24 [5]);

Θ - угол наклона стержней к горизонту при совпадении направления движения потока и горизонта.

В нашем случае сборные лотки 9 расположены перпендикулярно направлению движения потока, Θ=90°; sin Θ=1,0

ζ' - коэффициент, зависящий от (ω₂/ω₁ и l/d_г),

ω₂ - полная площадь решетки в свету, м²

ω₁ - площадь живого сечения перед решеткой, м²

l - ширина стержней решетки, м, в нашем случае hл - высота лотка 9, м

dг - гидравлический диаметр отверстия, м, dг=4·R;

R - гидравлический радиус, R=ω₂/χ;

bл - ширина сборного лотка 9, м принимается в зависимости от расхода осветленной воды;

hл - высота сборного лотка 9, м.

Подставляют уравнения (5), (6), (7) и (8) в (4), получают выражение, в котором скорости потока принимаем равными скоростям потока в точках d и b, т.е. скорости, определенные как расход к площади свободной поверхности отстойника (резервуара 1). В нашем случае она будет тождественно равна площади свободной поверхности элемента между точками d и b.

Тогда приведенные скорости восходящего потока в точках d и b определяют:

и для простоты последующего изложения обозначают Vd=Vb=V.

Используя вышеприведенный анализ выражение примает вид:

Значение L определяют:

или с учетом вышеизложенного:

Сокращают левую и правую части уравнения на скоростной напор получают:

Значение

Величина отношения при использовании лотковой системы имеет узкий диапазон изменения

Величина l/dг или

будет изменяться от 0,15 до 0,4.

принимаем ζ'=0,2 (рис.3.25 [4])

d_экв - эквивалентный диаметр,

В нашем случае d_экв принимаем 3,3 м.

Подставляют табл.значения λ, ζ^суж, ζ', определяют Ki методом итераций из (10) при различных ai=(1,0; 1,5; 2,5; 3,0; 3,5). Таким образом, будем иметь пару значений ai и Ki.

Рассчитывают отдельно левую и правую части уравнения (10):

1. Исходные данные:

λ=62/Re и при числах Рейнольдса до 500, характерных в условиях тонкослойного отстаивания, имеют

λ=0,12

ζ^суж=0,404

Значение ζ' изменяется от 0,15 до 0,4. Поэтому последующие расчеты выполняют для максимального и минимального значений.

hл=0,15

S=K-hл=0,14

Правая часть уравнения (10)- ПЧ 0,512

Левая часть уравнения (10) - ЛЧ 0,522

Определяют методом итераций значение К для заданного а при выполнении условия разности ПЧ и ЛЧ по абсолютной величине, не превышающей 0,01.

ПЧ-ЛЧ=0,010

Числовой коэффициент в уравнении (11)=11,89

2. Исходные данные:

λ=62/Re и при числах Рейнольдса до 500, характерных в условиях тонкослойного отстаивания, имеют

λ=0,12

ζ^суж=0,404

Значение ζ' изменяется от 0,15 до 0,4, поэтому последующие расчеты выполняют для максимального и минимального значений.

hл=0,3

S=K-hл=0,14

Правая часть уравнения (10)- ПЧ 0,515

Левая часть уравнения (10) - ЛЧ 0,524

Определяют методом итераций значение К для заданного а при выполнении условия разности ПЧ и ЛЧ по абсолютной величине, не превышающей 0,01.

ПЧ-ЛЧ=0,009

Числовой коэффициент в уравнении (11) = 11,62

3. Исходные данные:

λ=62/Re и при числах Рейнольдса до 500, характерных в условиях тонкослойного отстаивания, имеют

λ=0,12

ζ^суж=0,404

Значение ζ' изменяется от 0,15 до 0,4, поэтому последующие расчеты выполняют для максимального и минимального значений.

hл=0,5

S=К-hл=0,08

Правая часть уравнения (10)- ПЧ 0,516

Левая часть уравнения (10)- ЛЧ 0,524

Определяют методом итераций значение К для заданного а при выполнении условия разности ПЧ и ЛЧ по абсолютной величине, не превышающей 0,01.

ПЧ-ЛЧ=0,008

Числовой коэффициент в уравнении (11) = 11,89

4. Исходные данные:

λ=62/Re и при числах Рейнольдса до 500, характерных в условиях тонкослойного отстаивания, имеют

λ=0,12

ζ^суж=0,404

Значение ζ' изменяется от 0,15 до 0,4. Поэтому последующие расчеты выполняют для максимального и минимального значений.

hл=0,5

S=К-hл=0,25

Правая часть уравнения (10)- ПЧ 0,515

Левая часть уравнения (10) - ЛЧ 0,525

Определяют методом итераций значение К для заданного а при выполнении условия разности ПЧ и ЛЧ по абсолютной величине, не превышающей 0,01.

ПЧ-ЛЧ=0,010

Числовой коэффициент в уравнении (11) = 11,17

5. Исходные данные:

λ=62/Re и при числах Рейнольдса до 500, характерных в условиях тонкослойного отстаивания, имеют

λ=0,12

ζ^суж=0,404

Значение ζ' изменяется от 0,15 до 0,4. Поэтому последующие расчеты выполняют для максимального и минимального значений.

hл=0,5

S=K-hл=0,38

Правая часть уравнения (10)- ПЧ 0,513

Левая часть уравнения (10) - ЛЧ 0,523

Определяют методом итераций значение К для заданного а при выполнении условия разности ПЧ и ЛЧ по абсолютной величине, не превышающей 0,01.

ПЧ-ЛЧ=0,010

Числовой коэффициент в уравнении (11) = 11,61

6. Исходные данные:

λ=62/Re и при числах Рейнольдса до 500, характерных в условиях тонкослойного отстаивания, имеют

λ=0,12

ζ^суж=0,404

Значение ζ' изменяется от 0,15 до 0,4. Поэтому последующие расчеты выполняют для максимального и минимального значений.

hл=0,5

S=К-hл=0,51

Правая часть уравнения (10) - ПЧ 0,512

Левая часть уравнения (10)- ЛЧ 0,522

Определяют методом итераций значение К для заданного а при выполнении условия разности ПЧ и ЛЧ по абсолютной величине, не превышающей 0,01.

ПЧ-ЛЧ=0,010

Числовой коэффициент в уравнении (11) = 12,07

Расчеты, выполненные по вышеизложенной методике, позволяют определить оптимальные значения ζ', a, К (Расчет №2) и вид зависимости a=f(К), и установить, что равенство потерь напора осветленной воды от любой точки на выходе из тонкослойного сепаратора 4 до водосливной кромки 10 обеспечивается при соблюдении соотношения:

При значении а>K√12 вышеуказанные потери напора будут не равны, а скорость движения осветленной воды и, следовательно, ее расход через отдельные части тонкослойного сепаратора 4 будут различны. Это приведет к различной гидравлической нагрузке на отдельные части тонкослойного сепаратора 4, повышенному выносу взвешенных веществ из очищаемой воды (суспензии).

Величина К определяется как сумма расстояния от верха сепаратора 4 до нижней части лотка 9 - S и высоты лотка 9 - hл.

Опыт эксплуатации очистных сооружений и справочник [6] рекомендуют принимать минимальную ширину сборных лотков b=0,2 м. Отношение высоты сборного лотка hл к b составляет 2,5/2,0=1,25/1 (стр.188, рис.22.2 [6]). Исходя из вышеизложенного минимальная высота сборного лотка hл=0,25 м. Расчеты величины потерь напора, возникающих при сборе осветленной воды, показывают, что при уменьшении величины S до значения S<0,1 м резко возрастают потери напора в местных сопротивлениях. Следствием является уменьшение расхода и гидравлической нагрузки на часть тонкослойного сепаратора 4 под сборным лотком 9 и повышенный вынос взвешенных веществ.

Анализ опыта эксплуатации, собственные экспериментальные данные и расчеты гидравлических сопротивлений показывают, что величина K=S+hл должна быть больше или равна

Эти данные подтверждаются результатами исследований сборных систем, выполненными авторами и сведенными в Таблицы 1 и 2.

Таблица 1.
Результаты тонкослойного разделения суспензии при К>0,35К, ма, мСех, г/лПримечание0,51,730,79-11В пределах допустимого  1,510-12   2,220-25   3,020-30 

Таблица 2.
Результаты тонкослойного разделения суспензии при S, мhл, мК, мQ Гидравлическая нагрузкаСех, мг/л Концентрация взвешенных веществ в осветленной водеПримечание0,030,250,281,520-30  0,060,250,311,520-25  0,100,250,351,510-12В пределах допустимого0,150,250,401,510-12В пределах допустимого0,250,250,501,510-12В пределах допустимого0,750,251,001,510-12В пределах допустимого0,030,250,285,025-30 0,060,250,315,020-25 0,100,250,355,010-13В пределах допустимого0,150,250,405,010-12В пределах допустимого0,250,250,505,010-12В пределах допустимого0,750,251,005,010-12В пределах допустимого

Выводы:

Оптимальными параметрами сборной системы тонкослойных отстойников для эффективной очистки различных вод (разделения различных суспензий), являются параметры, удовлетворяющие условиям (11) и (12).

Предлагаемое комбинированное устройство для очистки воды позволяет снизить уровень капитальных и эксплуатационных затрат в процессе строительства и реконструкции очистных сооружений.

Источники информации

1. Водоснабжение. Н.Н.Абрамов. М.: Стройиздат, 1982 г.

2. Авторское свидетельство №1673160, В01D 21/08, 1989 г.

3. Патент РФ №45294, В01D 21/08, 2004 г.

4. А.Д.Альтшуль, Л.С.Животовский и др. // Гидравлика и аэродинамика. Учебник для ВУЗов. - М.: Стройиздат, 1987, с.414.

5. А.М.Курганов. Гидравлические расчеты водоснабжения и водоотведения // Справочник. - 3-е изд., перераб. и доп. - Л.: Стройиздат. Ленинградское отделение, 1986, с.440.

6. И.А.Назаров. Водоснабжение населенных мест и промышленных предприятий // Справочник проектировщика. - 2-е изд., перераб. и доп. - М.: Стройиздат, 1977. с.288.

Изобретение относится к устройствам для очистки природных и сточных вод от взвешенных частиц путем осаждения и фильтрации и может быть использовано на очистных сооружениях для очистки вод любых типов. Устройство включает резервуар с наклонным дном, зону перемешивания и зону осаждения, оборудованную тонкослойными сепараторами, в верхней части которой расположен отводящий лоток осветленной воды с водосливами. Резервуар содержит зону фильтрации с фильтром, отделенную глухой поперечной перегородкой от зоны осаждения и имеющую с последней общий отводящий лоток с запорным устройством, расположенным на границе зон осаждения и фильтрации. Отводящий лоток в пределах зоны осаждения оснащен равномерно рассредоточенными по длине желоба сборными лотками с регулируемыми по высоте зубчатыми водосливами. Технический результат состоит в уравнивании показателей производительности на стадиях осветления и фильтрации, обеспечении равномерного распределения гидравлической нагрузки в зоне осаждения, занятой тонкослойными сепараторами. 2 ил., 2 табл.

Комбинированное устройство для очистки воды, включающее резервуар с наклонным дном, зону перемешивания и зону осаждения, оборудованную тонкослойными сепараторами, в верхней части которой расположен отводящий лоток осветленной воды с водосливами, отличающееся тем, что в резервуар дополнительно введена зона фильтрации с установленным в ней фильтром, отделенная глухой поперечной перегородкой от зоны осаждения и имеющая с последней общий отводящий лоток с запорным устройством, расположенным на границе зон осаждения и фильтрации, при этом отводящий лоток в пределах зоны осаждения оснащен равномерно рассредоточенными по его длине сборными лотками с регулируемыми по высоте зубчатыми водосливами, причем расстояние «К» от поверхности зеркала воды до верхнего края тонкослойных сепараторов должно быть не менее 0,35 м, а расстояние «а» между смежными сборными лотками не более значения .