АЭРАТОР ВОДОСОДЕРЖАЩЕЙ ЖИДКОЙ СРЕДЫ Российский патент 2024 года по МПК C02F7/00 B01F23/234 

Область техники, к которой относится изобретение

Изобретение относится к области аэрации жидких сред в любых природных и искусственных пространствах, в частности, к оксигенатору для установки в естественные и искусственные водные объекты (озеро, пруд, бассейн, колодец и т.д.), а также к оксигенатору для установки в системы очистки загрязненного стока (канализационные насосные станции, аэротенки, пруды отстойники и т.д.).

Уровень техники

Известна станция глубокой биохимической очистки хозяйственно-бытовых сточных вод (RU 130603 U1, опубл. 27.07.2013) Известная полезная модель относится к области очистки сточных вод, а именно к станциям глубокой биохимической очистки хозяйственно-бытовых сточных вод и может быть использована для полной биологической очистки хозяйственно-бытовых и близких к ним по составу сточных вод отдельно стоящих зданий, объектов инфраструктуры и прочих автономных (децентрализованных) систем канализации. Согласно полезной модели, станция глубокой биологической очистки хозяйственно бытовых сточных вод дополнительно включает в себя прикрепленный к стенке пластикового корпуса герметичный модуль размещения электротехнических элементов. Крышка корпуса имеет жесткую подвеску для крепления циркуляционного насоса. Достигаемый технический результат - повышение удобства эксплуатации станции глубокой биологической очистки хозяйственно бытовых сточных вод.

Однако в данном решении применяется иная конструкция оксигенатора, которая не обеспечивает достаточную эффективность насыщения воды кислородом.

Известен выбранный в качестве прототипа модуль для биологической очистки сточных вод (RU 2656025 C1, опубл. 2018.05.30). Известное решение относится к системам очистки сточных вод и может быть использовано для очистки от СПАВ, органических загрязнений, взвешенных веществ и соединений азота. Модуль для биологической очистки сточных вод включает корпус, с расположенными в нем первой и второй отстаивающими камерами, биореактор с материалом-носителем для формирования прикрепленного биоценоза, систему насыщения воды кислородом воздуха - ороситель, трубопровод отвода очищенной воды из второй камеры и трубопровод рециркулируемого потока с циркуляционными насосом, погруженным во вторую отстаивающую камеру. Корпус модуля выполнен с возможностью погружения в канализационный колодец с образованием после установки камеры, образованной пространством между стенками колодца и корпусом модуля, служащей для приема сточных вод и их усреднения. В корпусе модуля выполнено отверстие для перелива в первую отстаивающую камеру, расположенное на внешней стороне корпуса. Изобретение позволяет обеспечить возможность его установки в канализационный колодец при максимальном использовании объема канализационного колодца, а также модернизацию существующих очистных сооружений, выполненных как ряд последовательно соединенных между собой колодцев с переливами.

Однако в данном решении применяется иная конструкция оксигенатора, которая не обеспечивает достаточную эффективность насыщения воды кислородом.

Раскрытие изобретения

В одном аспекте изобретения раскрыт оксигенатор, содержащий:

- корпус в виде трубы, расположенной вертикально в объекте, заполненном жидкой средой;

- нижнюю камеру, установленную на верхнем конце трубы с возможностью направления жидкости из нее в трубу с формированием водопада и турбулентного потока жидкости;

- верхнюю камеру, установленную над нижней камерой с возможностью направления жидкости из нее в нижнюю камеру через множество отверстий на дне верхней камеры;

- первый насос, выполненный с возможностью наполнения нижней камеры жидкостью из объекта, заполненного жидкой средой;

- второй насос, выполненный с возможностью наполнения верхней камеры жидкостью из объекта, заполненного жидкой средой.

В дополнительных аспектах раскрыто, что нижняя камера выполнена овальной; компоненты оксигенаторы выполнены из материала, устойчивого к воздействию агрессивной среды; содержится система управления и датчик уровня жидкости в нижней камере, выполненные с возможностью управлять работой первого насоса так, чтобы обеспечивать заданный уровень жидкости в нижней камере; содержится система управления и датчик уровня жидкости в верхней камере, выполненные с возможностью управлять работой второго насоса так, чтобы обеспечивать заданный уровень жидкости в верхней камере.

Основной задачей, решаемой заявленным изобретением, является обеспечение насыщения жидкости (воды, стоков животноводческой деятельности, промышленных стоков, хозяйственно-бытовых стоков) кислородом, достижение регулируемого уровня растворенного кислорода в жидкости обрабатываемого кислородом объекта (озеро, пруд, бассейн, колодец, канализационные насосные станции, аэротенки, пруды отстойники и т.д.).

Сущность изобретения заключается в том, что оксигенатор представляет собой вертикальную трубу, верхний конец которой возвышается над уровнем жидкости в обрабатываемом кислородом объекте, а нижний конец установлен вблизи дна упомянутого объекта. Первый насос закачивает жидкость из обрабатываемого кислородом объекта в нижнюю камеру, находящуюся в верхней части трубы, обеспечивая ее уровень выше уровня жидкости в упомянутом объекте. Второй насос закачивает жидкость из обрабатываемого кислородом объекта в верхнюю камеру, расположенную над нижней камерой, при этом жидкость из верхней камеры постоянно сливается в нижнюю камеру через множество отверстий, формируя водопад. Этот поток падающей жидкости обеспечивает насыщение жидкости внутри оксигенатора кислородом. Жидкость из нижней камеры постоянно движется вниз за счет разницы уровней жидкости в трубе и упомянутом объекте, что обеспечивает непрерывную циркуляцию жидкости и постепенное насыщение кислородом всего объема жидкости в обрабатываемом кислородом объекте.

Технический результат, достигаемый решением, заключается в повышении эффективности насыщения кислородом жидкости в объекте, заполненном жидкой средой.

Краткое описание чертежей

Фиг. 1. показывает схему оксигенатора вертикального.

Осуществление изобретения

Предложенное решение предназначено для насыщения прокачиваемой насосами жидкости кислородом из атмосферного воздуха с процентом обогащения до 18 мг/л.

На фиг. 1 показаны:

100 - реактор оксигенатора;

101 - опора оксигенатора;

102 - верхняя камера;

103 - нижняя камера;

104 - второй насос;

105 - первый насос;

106 - датчики уровня воды;

107 - область насыщения воды кислородом,

108 - датчик кислорода.

Реактор 100 предпочтительно выполнен из металла, еще предпочтительнее из металла устойчивого к агрессивным веществам, растворенным в жидкости. Возможно изготовление реактора 100 из пластика при соблюдении условий к достаточной механической прочности. Реактор 100 предпочтительно представляет собой трубу круглого сечения, но его форма не является существенной.

Опора 101 предпочтительно применяется в варианте осуществления, в котором оксигенатор устанавливается на дно объекта, заполненного жидкой средой (бассейн, канализационные насосные станции, аэротенки, отстойники и т.п.). В варианте плавучего оксигенатора, который используется в природных и искусственных водоемах, вместо опоры 101 используется заглушка с отверстиями для выхода жидкости.

Верхняя камера 102 представляет собой емкость, в которую накачивается жидкость вторым насосом 104, эта вода через множество отверстий на дне камеры 102 поступает в нижнюю камеру 103. Верхняя камера 102 может быть частью конструкции реактора 100 или может устанавливаться на него.

Нижняя камера 103 представляет собой емкость, в которую поступает жидкость из верхней емкости 102 и от первого насоса 105. Поскольку реактор 100 и камеры 102, 103 сообщаются с объектом, заполненным жидкой средой, то вся насыщенная кислородом жидкость из камеры 103 утекает в объект, заполненный жидкой средой через реактор 100. Нижняя камера 103 может быть частью конструкции реактора 100 или может устанавливаться на него.

Второй насос 104 выполнен с возможностью перекачивания жидкости из объекта, заполненного жидкой средой, в верхнюю камеру 102. Насос 104 может быть закреплен на камере 102, камере 103 или реакторе 100, забор жидкости осуществляется с помощью шланга или патрубка, погруженного в объект, заполненный жидкой средой, предпочтительно в верхней его части, чтобы обеспечить циркуляцию большего объема жидкости в объекте, заполненным жидкой средой и, как следствие, повышение эффективности работы оксигенатора.

Первый насос 105 выполнен с возможностью перекачивания жидкости из объекта, заполненного жидкой средой, в нижнюю камеру 103. Насос 105 может быть закреплен на камере 102, камере 103 или реакторе 100, забор жидкости осуществляется по шлангу или патрубку, погруженному в объект, заполненный жидкой средой, предпочтительно в верхней его части, чтобы обеспечить циркуляцию большего объема жидкости в упомянутом объекте и, как следствие, повышение эффективности работы оксигенатора.

Датчики 106 уровня установлены в камере 102 или камере 103, они выполнены с возможностью контроля уровня жидкости в камерах 102, 103. Сигналы с датчиков служат для управления работой насосов 104 и 105, чтобы поддерживать заданный уровень жидкости.

Система управления не показана на чертежах, она может быть установлена на корпусе оксигенатора в водозащищенном кожухе. Настройка системы управления не описывается здесь подробно, так как представляет собой типовую задачу, которую стандартными методами без приложения творческих усилий решит специалист в данной области техники.

Оксигенатор должен работать так, чтобы не допускать перелива жидкости из камеры 102 и камеры 103, так как такой перелив свидетельствует о чрезмерном количестве подаваемой в упомянутые камеры жидкости, чрезмерной интенсивности работы насоса 104 и/или насоса 105, которая не улучшает насыщение жидкости кислородом, но приводит к повышенному расходу электроэнергии. Слишком слабая работа насоса 104 и насоса 105 приводят к низкой скорости насыщения жидкости кислородом.

Оптимальным режимом работы оксигенатора является режим, при котором жидкость в камере 102 и камере 103 находится на уровне, контролируемом датчиками 106.

На фиг. 1 позиционным обозначением 107 показана область насыщения жидкости кислородом. Эта область возникает в результате того, что множество нисходящих потоков воды из камеры 102 падают на поверхность жидкости в камере 103 и захватывают кислород, при этом в камере 103 благодаря насосу 105 имеет место формирование водопада и турбулентного движения жидкости.

Все элементы оксигенатора соединены вместе на заводе-изготовителе посредством сборочных операций (сварка, пайка, склейка, резьбовое соединение и т.п.), так чтобы осуществлять единое функциональное назначение - насыщение жидкости кислородом. Корпус оксигенатора может представлять собой, по существу, трубу, с двумя камерами. Эта труба дополнительно содержит по меньшей мере отверстия для труб насосов, отверстия для подвода воздуха из окружающей среды, дверцы для осмотра и обслуживания. Насос 104, насос 105 и их патрубки могут быть закреплены на трубе посредством резьбовых соединений и/или сварки.

В предпочтительном варианте осуществления нижняя камера 103 выполнена овальной формы в сечении, что повышает производительность и эффективность турбулентного потока. При заходе потока от второго насоса 104, он на обороте 360 градусов всегда проседает, при таком варианте в трубу реактора 100 заходит максимальное количество воздушно- пузырьковой смеси.

Описание работы устройства

В рабочем цикле насос 105 постоянно подает жидкость из объекта, заполненного жидкой средой, в нижнюю камеру 103 оксигенатора. В камере 103 всегда поддерживается заданный датчиком 106 уровень жидкости. Система управления регулирует уровень жидкости в камере 103, предотвращая возможный перелив или недолив. Перелив говорит об излишнем расходе электроэнергии, недолив приводит к снижению производительности оксигенатора.

В корпусе реактора 100 поступающий от насоса 105 и насоса 104 объем жидкости формируется в нисходящий турбулентный поток. Турбулентный поток формируется за счет напряженного потока от первого насоса 105, выходящего так, чтобы обеспечивать закручивание водно-пузырькового потока, одновременно с закручиванием происходит перемещение жидкости вниз по реактору 100 под действием силы тяжести.

Оксигенация достигается путем формирования большого количества мелких воздушных пузырьков в жидкости, благодаря создаваемой насосами турбулентной среде в реакторе 100 и формированию нисходящего потока воздушно-пузырьковой смеси, полученного в результате «захвата» воздуха из нижней камеры 103 реактора - эффект водопада, возникающего при падении воды из выхода насоса 105 в камеру 103. При нисходящем движении водно-пузырьковой смеси внутри реактора 100 происходит «дробление» пузырьков на более мелкие, что дает возможность обеспечить быстрое насыщение жидкости кислородом. Уровень растворенного кислорода измеряется установленным датчиком 108. Заявленное устройство может содержать и другие датчики, в частности могут быть установлены датчики температуры, содержания фосфора, аммонийного азота, нитритов, нитратов, растворенного углекислого газа, карбонатной жесткости, углекислого газа, метана, аммиака, сероводорода, температуры. Сигналы от датчиков собираются системой управления для управления работой оксигенатора и/или сбора аналитики.

При определенных условиях (температуре, составе жидкости, уровне pH и т.д.), может потребоваться увеличение количества растворенного кислорода.

Для этих целей используется верхняя камера 102 оксигенатора. В этом случае, насос 104 подает жидкость в верхнюю камеру 102. Дно верхней камеры 102 имеет множество отверстий диаметром от 5 до 70 мм, что определяется диаметром реактора 100. Под имеющиеся конструктивные особенности и желаемый уровень насыщения жидкости кислородом подбираются насосы, которые смогут закачивать достаточно жидкости в камеру 102 и камеру 103.

Через отверстия камеры 102 жидкость стекает в нижнюю камеру 103, создавая эффект «водопада». Скорость вытекания жидкости из верхней камеры 102 зависит от количества и диаметра отверстий.

Между дном верхней камеры 102 и поверхностью жидкости в нижней камере 103 поддерживается зазор, необходимый для слива жидкости через отверстия верхней камеры 102, высота зазора составляет по меньшей мере несколько сантиметров, высота зазора ограничена соображениями экономии материалов.

Создаваемый таким образом эффект «водопада» увеличивает содержание атмосферного кислорода в попадающей в турбулентный поток жидкости, которая под действием силы тяжести продавливается через реактор 100 и попадает в объект, заполненный жидкой средой, обогащенная дополнительным количеством растворенного кислорода.

Использование эффекта падающего водяного потока, насыщенного большим количеством мелких воздушных пузырьков, позволяет исключить образование «придонного» осадка в районе выхода жидкостной пузырьковой смеси. Данный эффект достигается окислением придонного осадка, также придонный осадок «разбивается» (размывается) турбулентностью самого потока.

Баланс входящего в реактор 100 объема жидкости и выходящего из него объема жидкости определяется производительностью насоса 104 и насоса 105, общей площадью отверстий в верхней камере 102, площадью выходных отверстий в нижней части реактора 100.

Объем прокачиваемой в единицу времени жидкости определяет то, в каком объекте, заполненным водной средой, целесообразно устанавливать заявляемый оксигенатор. Конкретные расчеты являются типовой инженерной задачей и не приводятся здесь.

Например, второй насос 104 может закачивать 100 литров жидкости в час, верхняя камера 102 может содержать отверстия, которые позволяют проходить через них 100 литрам жидкости в час, первый насос 105 может закачивать 150 литров жидкости в час, тогда выходные отверстия/прорези реактора 100 должны пропускать не меньше 250 литров жидкости в час.

Высота оксигенатора может быть любой, например, 3 метра, диаметр реактора может составлять, например, 70 см. Овал нижней камеры 103 может быть 70 и 100 см по короткой и длинной диагоналям, диаметр верхней камеры 102 может быть 50 см.

Предлагаемый метод позволяет восстановить биологический потенциал, улучшить экологическое состояние объекта, заполненного жидкой средой, методом оксигенации и детоксикации жидкости, и создает условия для формирования биотопа, основанного на полноценной биогенной эмиссии.

Данный метод относится к видам обработки различных жидких сред - использование системы оксигенации при обработке жидкости, осадка донных отложений, а также возможность параллельного формирования симбиотических микробных комплексов на базе окисленных на придонном и поверхностном этапах, биогенов и микроэлементов, включая оксиды металлов.

Основной подход, который применяется в работе - это детоксикация объектов, заполненных жидкой средой, путем окисления основным биологическим окислителем (кислородом) всех химических элементов, содержащихся в жидкости, с одновременным повышением уровня растворенного кислорода до необходимых уровней.

Даже сам по себе первый насос 105 с нижней камерой 103 обеспечивают насыщение кислородом, так как создается эффект водопада и формируется турбулентный поток. Также и второй насос 104 с верхней камерой 102 обеспечивают насыщение кислородом за счет эффекта водопада и обеспечения захвата кислорода из воздуха. Совместное использование двух насосов и камер, реализованное, как описано выше, обеспечивает сверхсуммарный эффект и приводит к повышению эффективности насыщения жидкости кислородом.

Основные преимущества предложенного оксигенатора вертикального типа:

1. Высокая скорость передачи кислорода.

2. Низкие энергозатраты (расход электроэнергии значительно меньше по сравнению с классическими технологиями).

3. Низкие затраты на техническое обслуживание (возможность проведения обслуживания без демонтажа оборудования).

Возможность перемещения по всей площади объекта, заполненного жидкой средой.

Возможность программной настройки и удаленного управления.

Сохранение эффективности работы оксигенатора на протяжении всего срока его службы.

В изготовлении используется материал, устойчивый к воздействию агрессивной среды.

Возможность установки в канализационные насосные станции, аэротенки, отстойники (оксигенатор вертикальный) и в природные и искусственные водоемы (плавучая станция - оксигенатор).

Варианты осуществления не ограничиваются описанными здесь вариантами осуществления, специалисту в области техники на основе информации, изложенной в описании, и знаний уровня техники станут очевидны и другие варианты осуществления изобретения, не выходящие за пределы сущности и объема данного изобретения.

Элементы, упомянутые в единственном числе, не исключают множественности элементов, если отдельно не указано иное.

Под функциональной связью элементов следует понимать связь, обеспечивающую корректное взаимодействие этих элементов друг с другом и реализацию той или иной функциональности элементов. Частными примерами функциональной связи может быть связь с возможностью обмена информацией, связь с возможностью передачи электрического тока, связь с возможностью передачи механического движения, связь с возможностью передачи света, звука, электромагнитных или механических колебаний и т.д. Конкретный вид функциональной связи определяется характером взаимодействия упомянутых элементов, и, если не указано иное, обеспечивается широко известными средствами, используя широко известные в технике принципы.

Способы, раскрытые здесь, содержат один или несколько этапов, или действий для достижения описанного способа. Этапы и/или действия способа могут заменять друг друга, не выходя за пределы объема формулы изобретения. Другими словами, если не определен конкретный порядок этапов или действий, порядок и/или использование конкретных этапов и/или действий может изменяться, не выходя за пределы объема формулы изобретения.

Несмотря на то, что примерные варианты осуществления были подробно описаны и показаны на сопроводительных чертежах, следует понимать, что такие варианты осуществления являются лишь иллюстративными и не предназначены ограничивать более широкое изобретение, и что данное изобретение не должно ограничиваться конкретными показанными и описанными компоновками и конструкциями, поскольку различные другие модификации могут быть очевидны специалистам в соответствующей области.

Признаки, упомянутые в различных зависимых пунктах формулы, а также реализации, раскрытые в различных частях описания, могут быть скомбинированы с достижением полезных эффектов, даже если возможность такого комбинирования не раскрыта явно.

Изобретение относится к области аэрации жидких сред в любых природных и искусственных пространствах: озеро, пруд, бассейн, колодец и т.д., а также канализационные насосные станции, аэротенки, пруды-отстойники и т.д. Аэратор содержит корпус в виде трубы, расположенной вертикально в объекте, заполненном водосодержащей жидкой средой, нижнюю камеру, верхнюю камеру. Нижняя камера установлена на верхнем конце трубы с возможностью направления водосодержащей жидкой среды из нее в трубу с формированием водопада и турбулентного потока среды. Верхняя камера установлена над нижней камерой с возможностью направления водосодержащей жидкой среды из нее в нижнюю камеру через множество отверстий на дне верхней камеры. Аэратор содержит первый и второй насосы. Первый насос выполнен с возможностью наполнения нижней камеры водосодержащей жидкой средой из объекта. Второй насос выполнен с возможностью наполнения верхней камеры водосодержащей жидкой средой из объекта. Технический результат: повышение эффективности насыщения кислородом жидкости в объекте, заполненном жидкой средой. 4 з.п. ф-лы, 1 ил.

1. Аэратор водосодержащей жидкой среды, содержащий:

- корпус в виде трубы, расположенной вертикально в объекте, заполненном водосодержащей жидкой средой;

- нижнюю камеру, установленную на верхнем конце трубы с возможностью направления водосодержащей жидкой среды из нее в трубу с формированием водопада и турбулентного потока среды;

- верхнюю камеру, установленную над нижней камерой с возможностью направления водосодержащей жидкой среды из нее в нижнюю камеру через множество отверстий на дне верхней камеры;

- первый насос, выполненный с возможностью наполнения нижней камеры водосодержащей жидкой средой из объекта, заполненного водосодержащей жидкой средой;

- второй насос, выполненный с возможностью наполнения верхней камеры водосодержащей жидкой средой из объекта, заполненного водосодержащей жидкой средой.

2. Аэратор по п. 1, в котором нижняя камера выполнена овальной в сечении.

3. Аэратор по п. 1, в котором компоненты аэратора выполнены из материала, устойчивого к воздействию агрессивной среды.

4. Аэратор по п. 1, в котором содержатся система управления и датчик уровня водосодержащей жидкой среды в нижней камере, выполненные с возможностью управлять работой первого насоса так, чтобы обеспечивать заданный уровень водосодержащей жидкой среды в нижней камере.

5. Аэратор по п. 1, в котором содержатся система управления и датчик уровня водосодержащей жидкой среды в верхней камере, выполненные с возможностью управлять работой второго насоса так, чтобы обеспечивать заданный уровень водосодержащей жидкой среды в верхней камере.