Способ напорной аэрации воды для окисления растворенного в воде железа до трехвалентного состояния (Fe и устройство для его осуществления Российский патент 2021 года по МПК C02F1/64 C02F1/74 

Изобретение относится к очистке воды, а именно к способу окисления растворенного в воде железа до трехвалентного состояния (Fe³⁺).

Известные и применяемые на практике, способы и устройства аэрации воды с целью окисления двухвалентного железа до трехвалентного, обеспечивают приемлемый результат, однако, имеют ряд существенных недостатков, снижающих эффективность процесса.

В частности, использование открытых емкостей в качестве отстойников, предполагает значительные габариты емкости и применение на выходе насоса для создания в трубопроводе необходимого давления. Кроме того, растворимость воздуха в воде при атмосферном давлении, относительно низка, а прохождение воздуха в сравнительно спокойной воде не охватывает весь объем воды, содержащейся в емкости.

При напорной аэрации путем подачи сжатого компрессором воздуха в магистраль на входе в аэрационную колонну, растворимость воздуха значительно выше и процесс протекает практически во всем объеме, однако, время окислительной реакции слишком мало для полного использования поступившего воздуха, значительная часть которого, не успев прореагировать, выбрасывается обратно в атмосферу. Продолжение реакции непосредственно в баллоне происходит уже с меньшей эффективностью, приобретая схожесть с открытой емкостью, хотя и с большей растворимостью воздуха при повышенном давлении, к тому же, емкость баллона сравнительно невелика и вода вместе с недоокисленным железом покидает аэрационную колонну.

Для удержания окисленного, трехвалентного железа, как правило, используются фильтрующие материалы, например, БИРМ. Такие материалы требуют периодической промывки обратным потоком воды, при которой в канализацию сливается не менее 400 литров воды за одну промывку.

Известно техническое решение (патент на изобретение № 2075456, МПК C02F 3/20, от 9.12.1995), где осуществляется процесс интенсификации растворения воздуха в жидкости путем эрлифтной циркуляции компонентов в емкости: вверх по центральной трубе и вниз по внешней стороне трубы за счет отражения восходящего потока.

Процесс медленный и предполагает многократное прохождение потока через элементы устройства, что в случае проточной напорной аэрации не приемлемо.

Известен способ аэрирования жидкости (патент на изобретение, № 2036853, МПК C02F 3/22, B01F 3/04, опубл. 09.06.1995) – прототип – в котором повышение эффективности процесса напорной аэрации воды достигается подачей сжатого воздуха в зону смешивания двух встречных потоков воды, повернутых на некоторый угол относительно друг друга. Основной целью такой организации потоков воды является дробление поступающего воздушного потока на мелкие пузырьки.

Тем не менее, такой способ не является совершенным, поскольку, во-первых, воздух подается в закрученный, но недостаточно турбулентный и толстый слой воды, а, во-вторых, струя воздуха, с большой скоростью пересекая закрученный слой воды, надо полагать, под прямым или близким к нему углом, не успевает раздробиться полностью. Кроме того, способ предложен для аэрации оборотных и сточных вод в процессах их микробиологической очистки или дегазации растворенных газов, поэтому не предполагает последующих ступеней для продолжения окислительного процесса, которому, кроме растворения воздуха в воде, требуется еще и некоторое время.

Задачей изобретения является снижение затрат на обезжелезивание воды, уменьшение отрицательного влияния процесса на экологию.

Поставленная задача достигается тем, что в способе напорной аэрации воды для окисления растворенного в воде железа до трехвалентного состояния (Fe³⁺), включающем подачу в слой жидкости струи воздуха и ее диспергирование, осуществляемое охватывающими ее сверху и снизу затопленными струями жидкости, струи воды направляют навстречу друг другу, соосно, в открытой камере, образованной закрепленными на концах водонапорных труб дисками и внутренней поверхностью кольцевой воздушной форсунки, охватывающей периферийные участки обоих дисков и направляющей множество диспергированных струй воздуха навстречу растекающемуся от центра камеры потоку воды, при этом направление воды с успевшим раствориться в ней воздухом через трубопровод-удлинитель, позволяет увеличить время контакта кислорода воздуха с растворенным железом в малом объеме аэрированной воды, после чего водяной поток, смешанный с воздухом, направляют в реактор.

Поставленная задача также достигается тем что устройство для напорной аэрации воды для окисления растворенного в воде железа до трехвалентного состояния (Fe³⁺), содержит аэрационную колонну, воздушный компрессор, систему трубопроводов, арматуры и элементов управления, причем в аэрационной колонне выделен отсек с размещенном в нем смесительно-аэрационным узлом представляющим собой открытую камеру, образованную двумя параллельными и оппозитно расположенными дисками, закрепленными на концах водонапорных труб, и внутренней поверхностью кольцевой воздушной форсунки, являющейся оконечным элементом воздуховода от компрессора, и охватывающей периферийные участки обоих дисков, и направляющей множество диспергированных струй воздуха навстречу растекающемуся от центра камеры потоку воды , а в сообщающейся с отсеком основной полости аэрационной колонны смонтирован трубопровод-удлинитель из коаксиально расположенных труб, причем между аэрационной колонной и осаждающим частицы окисленного железа фильтром размещен реактор в виде емкости с двумя полостями, разделенными эластичной перегородкой, оснащенный магнитными улавливателями и системой управления потоками воды.

Таким образом поставленная задача достигается:

- подачей диспергированного сжатого воздуха во встречный, турбулентный поток воды;

- применением особой конструкция участка трубопровода внутри аэрационной колонны, увеличивающего путь, и, соответственно, время совместного прохождения воды и воздуха в малом объеме;

- использованием промежуточного, между аэрационной колонной и, обычно применяемым, осаждающим частицы окисленного железа фильтром, реактора особой конструкции, выполняющего роль емкости для продолжения во времени процесса окисления, не требующего на выходе насоса для обеспечения необходимого давления в магистрали.

На фиг.1 изображена схема устройства для окисления растворенного в воде железа до трехвалентного состояния (Fe³⁺) способом напорной аэрации воды

Устройство, в своей основе, представляет собой следующее:

- Аэрационную колонну 1;

- Реактор 12;

- Воздушный компрессор 9;

- Систему трубопроводов, арматуры и автоматики.

В нижней части аэрационной колонны 1 выполнен отсек 2, в котором размещен смесительно-аэрационный узел, представляющий открытую камеру 25, образованную двумя параллельными и оппозитно расположенными дисками 21, закрепленными на концах водонапорных труб 4, и внутренней поверхностью кольцевой воздушной форсунки 19, являющейся оконечным элементом воздуховода 5 от компрессора 9.

Отсек в верхней части имеет окно для сообщения с основной полостью аэрационной колонны.

Напорная магистраль 3 (на рис. не показана) на входе в колонну разветвляется на две водонапорные трубы 4, оконечные торцы которых направлены навстречу друг другу.

Встречные струи воды, интенсивно перемешиваясь, находясь в тесном пространстве между двух дисков 21, вынужденно растекаются во все стороны от центра к периферии камеры 25, попутно дробясь на многочисленные тонкие струи при прохождении через перфорированное кольцо 20, установленное между дисками 21.

Одновременно с этим, сжатый воздух от компрессора 9 (на рис. не показан), попадая по воздуховоду 5 в кольцевую воздушную форсунку 19, распыляется на множество мелких потоков через отверстия 24 на внутренней поверхности кольцевой воздушной форсунки 19.

При встрече водных и воздушных струй в турбулентном потоке происходит интенсивное растворение воздуха в воде до максимально возможной концентрации при данном давлении, температуре и времени контакта воздуха с водой.

Вода с успевшим раствориться в ней воздухом и избыточно поданный воздух через кольцевые зазоры 22 между дисками 21 и кольцевой воздушной форсункой 19 устремляются во внешнюю часть отсека, где продолжается процесс растворения воздуха в воде.

С самого начала растворения воздуха в воде (аэрации) происходит процесс окисления растворенного двухвалентного железа в трехвалентное, для чего необходимо определенное время. С этой целью, дополнительно, в аэрационной колонне 1 предусмотрен энергоэффективный и компактный, трубопровод-удлинитель, состоящий из двух труб 6 и 7, размещенных одна в другой, позволяющий увеличить время контакта кислорода воздуха с растворенным железом в малом объеме аэрированной воды. Смешанный с воздухом в турбулентной зоне, водяной поток, под давлением поступающей из магистрали воды, направляется вверх по трубе 6, на которую коаксиально установлена вторая труба 7 большего диаметра, верхний торец которой заглушен. Таким образом, поток воды перенаправляется вниз по кольцевому каналу, образованному наружной поверхностью трубы 6 и внутренней поверхностью трубы 7. Достигнув дна аэрационной колонны 1, поток заполняет остальное пространство колонны 1 и направляется в реактор 12 через выходной патрубок 8, а излишки воздуха и выделившиеся другие газы отводятся в атмосферу через клапан 10.

Обратный клапан 11 предотвращает попадания воды в компрессор 9. Реактор 12 представляет собой емкость с эластичной перегородкой 18, либо с двумя эластичными мембранами (мешками), разделяющей(ими) внутреннюю полость реактора на две равные части, каждая из которых оснащена магнитным улавливателем 15, находящимся непосредственно в потоке. Эластичная перегородка 18 позволяет емкости функционировать поочередно в двух режимах. Изначально емкость реактора 12 полностью заполняется водой с одного торца (на фиг. 1 левая полость 13), изгибая эластичную перегородку 18. При этом, противоположная полость 13 реактора 12 (на фиг. 1 правая) переключателем потоков 16 соединена с трубопроводом потребления. После заполнения реактора 12 по сигналу от реле давления 14 переключатель потоков 16 перенаправляет поток воды из аэрационной колонны 1 в противоположную (правую) полость 13, не заполненную водой, а левую полость соединяет с трубопроводом потребления. В отсутствии водопотребления изменения количества воды в полостях 13 не происходит. При начале водопотребления давление воды в наполненной полости 13 становится меньше давления воды, поступающей из аэрационной колонны, и под действием разницы давлений заполненная водой полость 13 начинает освобождаться, уменьшаясь в размерах, а в порожнюю полость 13 поступает вода из аэрационной колонны, выгибая эластичную перегородку и обеспечивая тем самым должный уровень давления в магистрали потребления. Таким образом, во время заполнения емкости, в период отсутствия потребления и до момента освобождения емкости при потреблении воды, растворенный в воде воздух продолжает реакцию. Когда полость освободится, по сигналу реле давления 14 переключатель потоков 16 вновь перенаправит потоки воды и на водопотребление будет работать наполненная полость 13, а освободившаяся будет заполняться водой из аэрационной колонны. Магнитные улавливатели 15 установлены в трубопроводах так, что вода протекает через них дважды, как при прямом, так и при обратном направлении потока. Магнитные улавливатели периодически извлекаются и очищаются механически. Компрессор 9 управляется датчиком потока 17.

Такое решение позволяет максимально использовать поступающий от компрессора воздух и, что особенно важно, не требует на выходе напорного насоса, снижает нагрузку на фильтрующий элемент и сокращает объем промывочной воды.

Группа изобретений относится к очистке воды, а именно к устройству и способу напорной аэрации воды для окисления растворенного в воде железа до трехвалентного состояния. Устройство содержит аэрационную колонну, воздушный компрессор, систему трубопроводов, арматуры и элементов управления и реактор, расположенный между аэрационной колонной и осаждающим частицы окисленного железа фильтром, выполненный в виде емкости с двумя полостями, разделенными эластичной перегородкой, оснащенный магнитными улавливателями и системой управления потоками воды. В нижней части аэрационной колонны выделен отсек с размещенным в нем смесительно-аэрационным узлом, представляющим собой открытую камеру, образованную двумя параллельными и оппозитно расположенными дисками, закрепленными на концах водонапорных труб, и внутренней поверхностью кольцевой воздушной форсунки, охватывающей периферийные участки обоих дисков и являющейся оконечным элементом воздуховода от компрессора, а в сообщающейся с отсеком основной полости колонны смонтирован трубопровод-удлинитель из коаксиально расположенных труб. Способ включает подачу в слой жидкости струи воздуха, диспергирование жидкости, осуществляемое охватывающими ее сверху и снизу затопленными струями жидкости, при этом водонапорные трубы струи воды направляют навстречу друг другу, соосно, в открытой камере, а кольцевая воздушная форсунка направляет множество тонких, диспергированных струй воздуха навстречу растекающемуся от центра камеры потоку воды, далее направление воды с успевшим раствориться в ней воздухом через трубопровод-удлинитель и направление водяного потока в реактор. Изобретения обеспечивают улучшение качества воды, снижение затрат и экологичность. 2 н.п. ф-лы, 2 ил.

1. Способ напорной аэрации воды для окисления растворенного в воде железа до трехвалентного состояния (Fe³⁺), включающий подачу в слой жидкости струи воздуха и ее диспергирование, осуществляемое охватывающими ее сверху и снизу затопленными струями жидкости, отличающийся тем, что струи воды направляют навстречу друг другу, соосно, в открытой камере, образованной закрепленными на концах водонапорных труб дисками и внутренней поверхностью кольцевой воздушной форсунки, охватывающей периферийные участки обоих дисков и направляющей множество диспергированных струй воздуха навстречу растекающемуся от центра камеры потоку воды, при этом направление воды с успевшим раствориться в ней воздухом через трубопровод-удлинитель позволяет увеличить время контакта кислорода воздуха с растворенным железом в малом объеме аэрированной воды, после чего водяной поток, смешанный с воздухом, направляют в реактор.

2. Устройство для напорной аэрации воды для окисления растворенного в воде железа до трехвалентного состояния (Fe³⁺), содержащее аэрационную колонну, воздушный компрессор, систему трубопроводов, арматуры и элементов управления, отличающееся тем, что в аэрационной колонне выделен отсек с размещенным в нем смесительно-аэрационным узлом, представляющим собой открытую камеру, образованную двумя параллельными и оппозитно расположенными дисками, закрепленными на концах водонапорных труб, и внутренней поверхностью кольцевой воздушной форсунки, являющейся оконечным элементом воздуховода от компрессора, и охватывающей периферийные участки обоих дисков, и направляющей множество диспергированных струй воздуха навстречу растекающемуся от центра камеры потоку воды, а в сообщающейся с отсеком основной полости аэрационной колонны смонтирован трубопровод-удлинитель из коаксиально расположенных труб, причем между аэрационной колонной и осаждающим частицы окисленного железа фильтром размещен реактор в виде емкости с двумя полостями, разделенными эластичной перегородкой, оснащенный магнитными улавливателями и системой управления потоками воды.