АППАРАТ ДЛЯ КОНТАКТНОГО ОСВЕТЛЕНИЯ ВОДЫ Российский патент 2025 года по МПК B01D21/08 

Изобретение относится к устройствам для очистки сточных и природных вод от различных загрязнений (взвешенные вещества, нефтепродукты, нерастворенные формы тяжелых металлов и т.д.) и может быть использовано в горнорудной промышленности, пищевой промышленности, коммунальном хозяйстве, металлургии, машиностроении, и других отраслях промышленности.

Аппараты для осветления воды известны, например, из следующих патентов РФ по кл. B01D 21/08: №1722528, 1992 [1]; №2182838, 2002 [2]; №2234357, 2004 [3]; №2520486, 2013 [4]; C02F 3/06 №29053, 2002 [5].

Аппараты для контактного осветления КО-1, КО-3 известны и широко применяются для осветления различных вод.

Наиболее близким аналогом патентуемого аппарата для контактного осветления можно считать аппарат для осветления воды по источнику [2].

В аппарате установлены корпус с камерой хлопьеобразования, трубопровод подачи воды на очистку и трубопровод отвода очищенной воды, зоны отстаивания с тонкослойными элементами. Вода на очистку подается в камеру хлопьеобразования тангенциально, за счет чего происходит закручивание потока в камере хлопьеобразования. Скорость вращения потока постепенно замедляется. В камере хлопьеобразования вода движется по спирали сверху вниз, где происходит укрупнение и окончательное формирование флокул осадка.

Недостатками известного аппарата для осветления являются:

- низкая скорость движения воды в камере хлопьеобразования в нижней части камеры, не обеспечивает эффективного протекания процесса флокуляции;

- отсутствие возможности изменять скорость тангенциального движения воды в камере хлопьеобразовании, в зависимости от качества воды на входе в аппарат, т.к. данная скорость зависит от скорости подачи воды на очистку в аппарат;

- недостаточное время для осаждения мелких и легких хлопьев в тонкослойных элементах.

Известный аппарат контактного осветления применяется для осветления вод с содержанием взвешенных веществ до 150 мг/дм³. Недостатком аппарата является необходимость применения отдельного насосного оборудования для его периодической промывки, кроме этого, имеет массивный конструктив.

Изобретение направлено на:

- интенсификацию и повышение эффективности процесса хлопьеобразования (флокуляции) твердой фазы, происходящего в аппарате для контактного осветления воды;

- повышение качества очистки воды;

- повышение стабильности очистки воды;

- снижение себестоимости очистки воды;

- снижение капитальных затрат на строительство сооружений по очистки стоков.

Технический результат от применения изобретения состоит в:

- обеспечении требуемой скорости вращения воды в камере хлопьеобразования (флокуляции) за счет использования механического перемешивания с регулируемой скоростью перемешивания;

- повышении качества очистки, заключающемся в контактном осветлении (фильтрации) воды после предварительной очистки воды в зоне отстаивания с тонкослойными элементами;

- снижении себестоимости очистки воды, снижении капитальных затрат на строительство сооружений, обеспечивающихся за счет объединения ступеней очистки - отстаивания с тонкослойными элементами и контактного осветление (фильтрация) в один агрегат (не требуется дополнительное насосное оборудование для осуществления промывок загрузки).

Для достижения требуемой скорости вращения воды в камере хлопьеобразования (флокуляции) смонтировано механическое перемешивающее устройство, выполненное в виде вертикальных лопастей, закрепленных к валу, который имеет полую конструкцию. Вал имеющий полую конструкцию, приводится во вращение приводом механического перемешивающего устройства через цепную передачу. Электропривод установлен на крышке камеры хлопьеобразования (флокуляции). Вертикальные лопасти, имеющие переменное сечение по высоте (выше шире, ниже уже), вращаясь, эффективно передают энергию воде и создают требуемую степень турбулизации потоков, устраняют застойные зоны в камере хлопьеобразования (флокуляции) и увеличивают объемный коэффициент использования камеры хлопьеобразования (флокуляции). При высоком загрязнении скорость вращения вертикальных лопастей повышают, при низком загрязнении скорость вращения понижают. Изменение скорости вращения влияет на прочность коагуляционных агрегатов. Изменение скорости вращения позволяет достигать наилучшего процесса хлопьеобразования (флокуляции) с минимальными дозами коагулянта и флокулянта. Энергетические затраты на механическое перемешивание компенсируются экономией 10-30%, от расходов на коагулянты и флокулянты относительно затрат на гидравлические способы перемешивания воды в камерах хлопьеобразования (флокуляции).

Повышения качества очистки воды аппаратом для контактного осветления воды достигается путем контактной фильтрации воды через фильтрующую загрузку, размещенную после тонкослойных элементов по ходу движения воды. Крупнозернистая загрузка укладывается на мелкоячеистую решетку, с прозором ячеек меньше зерен фильтрующей загрузки, что позволяет пропускать воду от тонкослойных элементов в структуру фильтрующей загрузки. Мельчайшие коллоидные частицы, не отстоянные в тонкослойных элементах, улавливаются частицами фильтрующей загрузки. В качестве фильтрующей загрузки применяются материалы крупностью 5-10 мм и плотностью выше, чем у воды, это обуславливается необходимостью формирования слоя контактной фильтрации выше удерживающей решетки. В процессе накопления загрязнений, по исчерпании фильтрующей способности, загрузка подвергается водо-воздушной промывке, путем подачи воздуха по трубопроводам и воды, поступающей от тонкослойных элементов, с последующей отмывкой загрузки водой со сбросом промывной и отмывной воды по отдельным трубопроводам.

Контактное осветление и фильтрация в аппарате снижает себестоимость очистки воды (эксплуатационных) и капитальных затрат за счет исключения строительства отдельных зданий и сооружений.

На Фиг. 1 представлен разрез аппарата для контактного осветления воды.

На Фиг. 2 представлен вид сверху аппарата для контактного осветления воды.

На Фиг. 3 представлена 3D-модель аппарата для контактного осветления воды в разрезе.

На Фиг. 1, Фиг. 2, Фиг. 3 указаны основные элементы аппарата для контактного осветления воды:

1. Корпус.

2. Цилиндрическая перегородка.

3. Камера хлопьеобразования.

4. Привод механического перемешивающего устройства.

5. Привод скребкового механизма.

6. Плавающее улавливающее устройство.

7. Коническая перегородка.

8. Скребковый механизм.

9. Тонкослойные элементы.

10. Трубопроводы подачи воздуха со струйными насадками.

11. Фильтрующая загрузка.

12. Переливная кромка.

13. Трубопровод отвода очищенной воды.

14.1 Трубопроводы отвода промывной воды с лотка.

14.2 Трубопроводы отвода промывной воды с контактной зоны.

15. Трубопровод отвода шлама.

16. Удерживающая решетка.

17. Механическое перемешивающее устройство.

18. Трубопровод подачи воды на очистку.

19. Лоток сбора промывной воды.

20. Лоток сбора очищенной воды.

21. Глухая перегородка.

22. Сектора фильтрации.

В аппарат для контактного осветления воды установлен корпус (1) с цилиндрической (2) и конической (7) перегородками. Цилиндрическая перегородка (2) формирует камеру хлопьеобразования (3), в которую по трубопроводу подачи воды на очистку (18) поступает вода, смешанная с реагентами. В камере хлопьеобразования установлено механическое перемешивающее устройство с вертикальными лопастями (17). перемешивающее устройство с вертикальными лопастями приводится во вращение, путем передачи крутящего момента, валом имеющим полую конструкцию от привода механического перемешивающего устройства (4). Вертикальные лопасти имеют переменное сечение по высоте, в верхней части лопасть шире, в нижней части лопасть уже. Такая конструкция обусловлена необходимостью обеспечения в верхней части камеры хлопьеобразования (2) более интенсивным перемешиванием, для ускорения процессов формирования хлопка. В нижней части, по мере роста хлопка, интенсивность перемешивания снижается, для обеспечения дальнейшего роста размеров агрегатов хлопка и снижения риска его разрушения. В камере хлопьеобразования (2) за счет пузырьков воздуха, захватываемого вместе с водой, поступающей по трубопроводу подачи воды на очистку (18) происходит частичная флотация легкой фракции загрязнений. Данные загрязнения захватываются плавающим улавливающим устройством (6).

Из камеры хлопьеобразования вода огибает конусную перегородку (7) и поступает в зону отстаивания, где отстаивается в наклонных тонкослойных элементах (9). Осадок осаждается и непрерывно удаляется вращаемым скребковым механизмом (8). Скребковый механизм приводится во вращение отдельным приводом скребкового механизма (5), и вращается с меньшей скоростью относительно механического перемешивающего устройства (7). Шлам из аппарата контактного осветления удаляется по трубопроводу отвода шлама (15).

Вода, осветленная после тонкослойных элементов (9) с содержанием взвешенных веществ до 20-30 мг/дм³, поступает через удерживающую решетку (16) в фильтрующую загрузку (11) по ходу движения воды, в которой за счет контактной фильтрации происходит прилипание загрязнений к поверхности зерен фильтрующей загрузки (9). Размер ячейки, удерживающей решетку (16), подбирается таким образом, чтобы обеспечить удержание фильтрующей загрузки. Отфильтрованная вода поступает через верхнюю удерживающую решетку (16) в лоток сбора очищенной воды (20), размер ячейки подбирается для обеспечения удержания фильтрующей загрузки и предотвращения ее уноса во время промывки.

Лоток сбора очищенной воды (20) оборудован устройством с регулируемой по высоте переливной кромкой (12), для обеспечения равномерности сбора воды. Далее отфильтрованная вода поступает в лоток сбора очищенной воды и удаляется из аппарата по трубопроводу отвода очищенной воды (13).

В процессе фильтрации нижние слои фильтрующей загрузки насыщаются загрязняющими массами, процесс суффозии начинает преобладать над адгезией, в результате чего зона фильтрации перемещается в верхнерасположенные слои загрузки по направлению потока. При нарастании дисбаланса между нарастающей интенсивностью отрыва частиц (суффозии) и интенсивностью адгезии в определенный момент весь зерновой слой фильтрующей засыпки оказывается насыщенным загрязнениями, что приводит к падению производительности фильтрации и компенсируется повышением уровня воды в камере хлопьеобразования, относительно сборного лотка очищенной воды.

При повышении уровня в камере хлопьеобразования выше максимального может произойти «пробой», то есть вынос загрязнений из фильтрующей загрузки в очищенную воду. Для предотвращения «пробоя» проводится регенерация загрузки с целью восстановления грязезадерживающей способности фильтрующего слоя.

Стадия регенерации фильтрующей загрузки проводится в три этапа. Первый этап - взрыхление воздухом, второй этап - водовоздушная промывка, третий этап - отмывка фильтрующей загрузки.

На первом этапе закрывается трубопровод отвода очищенной воды (13), и открывается трубопровод отвода промывной воды (14.1) из сборного лотка очищенной воды (20). Производится подача сжатого воздуха по трубопроводам со струйными насадками (10), расстояние между осями насадок составляет 300 мм, при этом происходит взрыхление фильтрующей загрузки (11) и отбой загрязнений с поверхности загрузки. Этап продолжается 1-2 минуты с интенсивностью 20 л/(с*м²). Происходит водовоздушная промывка фильтрующей загрузки (11), с расходом воды соответствующем режиму фильтрации.

На втором этапе дополнительно открывается трубопровод отвода промывной воды (14.2) от лотка промывной воды (19), верхняя кромка которого расположена ниже уровня переливной кромки (12). Разность отметок лотка промывной воды и переливной кромки рассчитывается и зависит от гидравлических потерь в отводящем трубопроводе с учетом геометрической высоты входа и выхода трубопровода отвода промывной воды. Подача сжатого воздуха по трубопроводам со струйными насадками (10) продолжается. Расход воды на промывку должен составлять около 3 л/(с*м²), соответствует скорости 10,8 м/ч. Продолжительность промывки 6-7 минут.

На третьем этапе производится отмывка фильтрующей загрузки, при этом подача воздуха прекращается, закрывается трубопровод отвода промывной воды (14.2) из контактной зоны. Отмывная вода через переливную кромку (12) с расходом, соответствующим режиму фильтрации, отводится по трубопроводу отвода промывной воды (14.1.) Продолжительность третьего этапа составляет около 10-12 мин.

Удельная производительность зоны осаждения с тонкослойными элементами составляет 4,6-5,5 м³/(ч*м²), скорость воды в фильтрующей загрузке соответственно составит 4,6-5,5 м/ч, данная скорость соответствует регламентированной скорости контактного осветлителя 5-5,5 м/ч. Таким образом обеспечивается стабильная, синхронная работа с одной скоростью воды в зоне отстаивания и зоне осветления.

На втором этапе промывки фильтрующей загрузки необходимо обеспечивать скорость восходящего потока в два раза превышающую скорость в режиме фильтрации. Для решения данной задачи в аппарате для контактного осветления предусмотрено деление на отдельные друг от друга сектора фильтрации (22) глухими перегородками (21). Количество секторов фильтрации рассчитывается, отношением скорости промывки к скорости фильтрации 10,8/5,5 м/ч=1,96 шт. Таким образом, количество секторов фильтрации должно быть не менее 2 шт., а при большем количестве секторов, улучшается стабильность работы агрегата, за счет снижения расходов на промывку каждой секции. Трубопровод отвода промывной воды с лотка и трубопровод отвода промывной воды с контактной зоны выполнены с каждого сектора камер контактной фильтрации и объединены между собой через запорную арматуру.

Обеспечиваются все три этапа регенерации (взрыхление, промывка и отмывка) фильтрующей загрузки водой без увеличения расхода воды на очистку в режимах промывки.

Таким образом, создан аппарат для контактного осветления воды относительно простой комбинированной конструкции, позволяющей интенсифицировать процесс хлопьеобразования (флокуляции) за счет механического перемешивания воды, улучшения качества очистки воды путем дополнительной очистки воды после тонкослойных элементов на фильтрующей загрузке в зоне контактной фильтрации без вспомогательного насосного оборудования.

Изобретение может быть использовано в горнорудной промышленности, пищевой промышленности, коммунальном хозяйстве, металлургии, машиностроении и других отраслях промышленности. В корпусе (1) аппарата для контактного осветления воды установлены элементы, обеспечивающие процесс хлопьеобразования, процесс тонкослойного отстаивания и контактную фильтрацию. Аппарат содержит корпус с камерой хлопьеобразования (2), оборудованной механическим перешивающим устройством (17), выполненным в виде вертикальных лопастей, а также содержит отдельные сектора камер контактной фильтрации воды на фильтрующей загрузке и наклонные тонкослойные элементы (9). При этом сектора камер контактной фильтрации (22) изолированы друг от друга глухими перегородками (21). Также аппарат содержит трубопровод отвода очищенной воды (13), трубопровод отвода промывной воды с лотка (14.1), трубопровод отвода промывной воды с контактной зоны (14.2), выполненные с каждого сектора камер контактной фильтрации (22) и объединенные между собой через запорную арматуру. Изобретение обеспечивает улучшение хлопьеобразования за счет использования механического перемешивания с регулируемой скоростью вращения лопастей и использование лопастей различного сечения; повышение качества очистки в контактном осветлении (фильтрации) воды после осветления на тонкослойных элементах; снижение себестоимости очистки воды; снижение капитальных затрат на строительство сооружений за счет объединения ступеней очистки - тонкослойное осветление и контактное осветление (фильтрация) в один аппарат. 4 з.п. ф-лы, 3 ил.

1. Аппарат для контактного осветления воды, содержащий корпус с камерой хлопьеобразования, трубопровод подачи воды на очистку и трубопровод отвода очищенной воды, тонкослойными элементами, скребковым механизмом, отличающийся тем, что камера хлопьеобразования аппарата для контактного осветления воды оборудована механическим перемешивающим устройством, выполненным в виде вертикальных лопастей, а также отдельными секторами камер контактной фильтрации воды на фильтрующей загрузке, которые изолированы друг от друга глухими перегородками, после зоны отстаивания с тонкослойными элементами.

2. Аппарат для контактного осветления воды по п. 1, отличающийся тем, что механическое перемешивающее устройство с вертикальными лопастями предусматривают различные сечения по высоте - в верхней части лопасть шире, в нижний части лопасть уже.

3. Аппарат для контактного осветления воды по п. 1, отличающийся тем, что механическое перемешивающее устройство приводится во вращение валом, который имеет полую конструкцию.

4. Аппарат для контактного осветления воды по п. 1, отличающийся тем, что фильтрующая загрузка размещается после тонкослойных элементов по ходу движения воды.

5. Аппарат для контактного осветления воды по п. 1, отличающийся тем, что аппарат также содержит трубопровод отвода промывной воды с лотка и трубопровод отвода промывной воды с контактной зоны, при этом трубопровод отвода очищенной воды, трубопровод отвода промывной воды с лотка и трубопровод отвода промывной воды с контактной зоны выполнены с каждого сектора камер контактной фильтрации и объединены между собой через запорную арматуру.