СИСТЕМА АЭРАЦИИ

Изобретение относится к биологической очистке сточных вод, в частности к устройствам для пневматической аэрации.

Данное изобретение может быть использовано в аэротенках очистных сооружений при биологической очистке сточных вод и в рыбохозяйственных водоемах при искусственном выращивании рыбы.

Все возрастающий уровень требований к качеству очистки сточных вод при одновременном стремлении к снижению затрат электроэнергии на проведение самого процесса очистки потребовали разработки и использования современных высокоэффективных систем, приспособленных к более гибкому проведению процесса очистки сточных вод.

Если раньше процесс биологической очистки сточных вод практически завершался на стадии окисления органических соединений и мог эффективно осуществляться с помощью керамических аэраторов и аэраторов из пористого полиэтилена, работающих только в непрерывном режиме аэрации, в настоящее время, в связи с резким ужесточением требований по очистке сточных вод от азота и фосфора, во всем мире на первый план вышли мембранные аэраторы, так как только они могут работать в периодическом режиме аэрации, необходимом для создания в водно-иловой смеси переменных аэробно-анаэробных условий проведения процессов денитрификации и дефосфатации.

За рубежом в течение последних 20-ти лет разработан целый ряд трубчатых и дисковых аэраторов с резиновой перфорированной мембраной, позволяющих осуществлять как непрерывный, так и периодический режимы аэрации за счет способности отверстий в резиновой мембране открываться при подаче в аэрационную систему сжатого воздуха и эффективно его диспергировать в виде мелких пузырьков (размером 1-3 мм) в водно-иловую смесь и закрываться при отключении подачи воздуха, предотвращая тем самым возможность попадания водно-иловой смеси в воздухоподающие трубы системы аэрации.

Известна система аэрации сточных вод "Nopol" (Рекламный проспект фирмы "Nopon Oy" Turvekja FIN-00700, Хельсинки Финляндия, 1994г.) с мембранными дисковыми аэраторами KKJ-215 с площадью поверхности диффузора 0,025 м², работающим при расходе воздуха 0,5-4,0 нм³/ч, и с мембранным дисковым аэратором KKR-300 с площадью поверхности диффузора 0,06 м², работающим при расходе воздуха 1,0-8,0 нм³/ч.

Также известна система аэрации сточных вод "Sanitaire" (рекламный проспект фирмы ITT Flygt Techology Corporation Швеция, 1993г.) с мембранным дисковым аэратором 9 дюймов с площадью поверхности диффузора 0,045 м², работающим при расходе воздуха 0,85-8,4 нм³/ч.

Аналогичные аэрационные системы выпускаются и в России (см. патент Российской Федерации 2118298 от 27.08.98г.) с мембранными дисковыми аэраторами АР-300 с площадью поверхности диффузора 0,06 м², работающими при расходе воздуха 2,0-10,0 им³/ч.

Основным недостатком всех вышеперечисленных систем является низкая производительность диффузоров (оптимальный расход воздуха на диффузор KKJ-215 - 2 м³/ч, диффузор системы "Sanitaire" - 3,5 м³/ч, аэратор АР-300 - 4 м³/ч и диффузор KKR-300 - 4,5 м³/ч), а также резкое снижение эффективности переноса кислорода (на 20-30%) при увеличении нагрузки на диффузор, вследствие увеличения степени открытия отверстий в резиновой мембране (из-за большого растяжения резины) и более неравномерного диспергирования воздуха по площади аэрируемой поверхности аэратора (значительное укрупнение пузырьков воздуха и повышение интенсивности аэрации по центру аэратора). Все это ведет к тому, что проектировщики аэрационных систем вынуждены закладывать в проект большое количество диффузоров и, как следствие, резко повышать стоимость строительства (реконструкции) очистных сооружений.

В основу изобретения поставлена задача создания системы аэрации сточных вод, в которой за счет нового конструктивного выполнения составляющих элементов системы, позволяющего повысить производительность аэраторов при сохранении высокой эффективности переноса кислорода, обеспечивается уменьшение количества элементов и объема монтажных работ и, как следствие, снижение стоимости аэрационной системы в целом.

Поставленная задача решается тем, что в системе аэрации сточных вод, содержащей по меньшей мере один узел, имеющий воздухоподающую трубу, подсоединенную к распределительному коллектору, воздухоразводящие трубы, соединенные с распределительным коллектором, с установленными на них аэраторами, каждый из которых содержит корпус с патрубком для соединения с воздухоразводящими трубами и подачи воздуха и диспергирующую мембрану, согласно изобретению, расположенная на опорной поверхности корпуса аэратора диспергирующая мембрана скреплена с корпусом по концентрическим окружностям через каждые 60-200 мм и имеет недиспергирующую зону по центру, диаметр которой составляет 80-220 мм, при этом аэраторы скреплены с воздухоразводящими трубами с помощью по меньшей мере одного узла системы крепления.

Целесообразно, чтобы корпус каждого аэратора имел по меньшей мере два выполненных за одно целое с корпусом с нижней его стороны прилива с отверстиями, а элементами узла крепления аэраторов к воздухоразводящим трубам, в совокупности с патрубком корпуса, являлись жестко скрепленный с приливами корпуса кронштейн, опирающийся своей нижней частью по образующей на воздухоразводящую трубу, и расположенный в пазу кронштейна прижимной хомут, опоясывающий воздухоразводящую трубу в месте крепления аэратора к воздухоразводящим трубам.

Также целесообразно, чтобы диспергирующая мембрана была выполнена либо сплошной с неперфорированной зоной по центру, либо с центральным отверстием.

Возможно, чтобы резиновая диспергирующая мембрана была скреплена с корпусом аэратора по внутренним концентрическим окружностям кольцевым зажимом посредством винтов или шурупов.

Предпочтительно, чтобы корпус каждого аэратора имел кольцевую форму и был выполнен с Г-образными кольцевыми выступами по периферийной части наружного и внутреннего обводов корпуса и двумя, наружным и внутренним, кольцевыми поясками с нижней стороны, в каждом из которых имеется ряд щелевых пазов, причем диаметр наружного пояска d₁ меньше диаметра корпуса d, а диаметр внутреннего пояска d₂ больше диаметра центрального отверстия корпуса d₀ не менее чем на размер соответствующего Г-образного выступа корпуса, а расположенная на опорной поверхности корпуса резиновая диспергирующая мембрана была выполнена с наружным и внутренним герметизирующими буртами, выполненными в местах, соответстующих наружному и внутреннему обводам корпуса, при этом в каждом из буртов имелся внутренний кольцевой Г-образный паз, соответствующий Г-образному кольцевому выступу корпуса, и ряд резиновых, ориентированных во внутрь, фиксирующих шипов с утолщением на конце, соосных и соразмерных соответствующим щелевым пазам в соответствующих кольцевых поясках корпуса, причем шаг между фиксирующими шипами составлял бы 0,02-0,6 диаметра в месте расположения шипов, а ширина утолщения на конце фиксирующего шипа была бы больше ширины самого шипа не менее чем на 1 мм.

Целесообразно, чтобы крепление кронштейна с приливами корпуса осуществлялось или с помощью дополнительных фиксирующих элементов, или за счет выступов, выполненных за одно целое с кронштейном в верхней его части, при этом профиль и размер фиксирующих элементов или выступов кронштейна соответствуют профилю и размеру отверстий в приливах корпуса.

Также целесообразно, чтобы кронштейн узла крепления аэратора к воздухоразводящей трубе был выполнен с выступом по прилегающей к трубе поверхности, а в воздухоразводящей трубе в месте крепления аэратора имелся паз, взаимодействующий с выступом кронштейна.

Возможно, что кронштейн узла крепления аэратора к воздухоразводящей трубе соединен с ней методом термосварки.

Предпочтительно, чтобы крепление аэратора к воздухоразводящей трубе осуществлялось с помощью полимерного хомута, жестко соединенного с приливами корпуса, и опоясывающего воздухоразводящую трубу в месте крепления аэратора, и вставляемого в промежуток между хомутом и трубой в нижней части разжимного зубчатого клина.

Целесообразно, чтобы крепление патрубка корпуса в воздухоразводящей трубе осуществлялось либо за счет резьбового соединения, либо с помощью резиновой насадки.

Данная система аэрации сточных вод позволяет за счет нового конструктивного выполнения составляющих элементов системы обеспечить значительное повышение производительности аэраторов без снижения уровня эффективности использования кислорода, сократить объем и стоимость монтажных работ и системы аэрации в целом.

В дальнейшем изобретение поясняется примером выполнения и чертежами, на которых:
фиг.1 изображает общий вид узла системы аэрации сточных вод, вид сверху, согласно изобретению;
фиг. 2 изображает общий вид аэратора с частичным поперечным разрезом, согласно изобретению;
фиг.3 изображает общий вид аэратора, вид сверху, согласно изобретению;
фиг. 4 изображает общий вид сплошной резиновой диспергирующей мембраны, частичный поперечный разрез, согласно изобретению;
фиг. 5 изображает общий вид диспергирующей мембраны с центральным отверстием, частично поперечный разрез, согласно изобретению;
фиг. 6 изображает общий вид аэратора с прикрепленной к корпусу с помощью кольцевого зажима диспергирующей мембраной, с частичным поперечным разрезом, согласно изобретению;
фиг. 7 изображает общий вид кольцевого аэратора, частично поперечный разрез, согласно изобретению;
фиг.8 изображает общий вид кольцевого аэратора, вид снизу, согласно изобретению;
фиг. 9 изображает общий вид узла крепления аэратора к воздухоразводящим трубам, с частичным поперечным разрезом, согласно изобретению;
фиг. 10 изображает общий вид узла крепления аэратора к воздухоразводящим трубам, вид сбоку, согласно изобретению;
фиг. 11 изображает общий вид узла крепления аэратора к воздухоразводящим трубам с кронштейном, скрепленным с приливами корпуса с помощью дополнительных фиксирующих элементов, частичный поперечный разрез, вид сбоку, согласно изобретению;
фиг. 12 изображает общий вид узла крепления аэратора к воздухоразводящим трубам с кронштейном, выполненным с выступами в верхней части, с частичным поперечным разрезом, вид сбоку, согласно изобретению;
фиг. 13 изображает общий вид узла крепления аэратора к воздухоразводящим трубам с кронштейном, имеющим выступ по прилегающей к трубе поверхности, частично поперечный разрез, согласно изобретению;
фиг. 14 изображает общий вид узла крепления аэратора к воздухоразводящим трубам с приваренным к трубе кронштейном, согласно изобретению;
фиг. 15 изображает общий вид узла крепления аэратора к воздухоразводящим трубам с полимерным хомутом и зубчатым клином, согласно изобретению;
фиг. 16 изображает общий вид закрепления патрубка корпуса в воздухоразводящей трубе (варианты), частично поперечный разрез, согласно изобретению.

Система аэрации сточных вод содержит по меньшей мере один узел, имеющий воздухоподающую трубу 1 (фиг.1), подсоединенную к распределительному коллектору 2. Также в системе имеются воздухоразводящие трубы 3, соединенные с распределительным коллектором 2, с установленными на них аэраторами 4. На фиг. изображены три воздухоразводящие трубы 3. Количество труб 3 и аэраторов 4 определяется количеством воздуха, подаваемого на аэрацию, и требуемой эффективностью аэрации. На фиг. 2 и 3 изображен аэратор 4, имеющий корпус 5 (фиг. 2) с патрубком 6 для соединения с воздухоразводящими трубами 3 (фиг.1) и подачи воздуха и по меньшей мере двумя, выполненными за одно целое с корпусом 5 (фиг.2) с нижней его стороны, приливами 7 с отверстиями 8, а также расположенную на опорной поверхности 9 корпуса 5 резиновую диспергирующую мембрану 10, скрепленную с корпусом 5 по концентрическим окружностям 11, 12, 13 (фиг. 3) через каждые 60-200 мм. На фиг. показано три места закрепления мембраны 10 к корпусу 5. Количество закреплений определяется диаметром аэратора 4 и требуемой эффективностью использования кислорода. Выполнение закреплений 11, 12, 13 (фиг.3) через каждые 60-200 мм обусловлено тем, что при уменьшении шага между закреплениями 11, 12, 13 менее 60 мм резко возрастает сопротивление аэратора 4, что приводит к увеличению энергозатрат на сжатие воздуха, а увеличение более чем на 200 мм приводит к значительному уменьшению эффективности использования кислорода, вследствие увеличения размеров пузырьков воздуха, за счет высокой деформации резины и степени открытия отверстий в резиновой мембране 10 (фиг.2).

На фиг. 4 и 5 показаны варианты выполнения диспергирующей мембраны 10, которая может быть либо сплошной 14 (фиг.4) с перфорированной зоной 15 по периферии и неперфорированной зоной 16 по центру мембраны 10, либо с центральным отверстием 17 (фиг.3), диаметр которых составляет 80-220 мм. На фиг. 6 изображен аэратор 4, диспергирующая мембрана 10 которого по внутренним концентрическим окружностям 12, 13 скреплена с корпусом 5 кольцевым зажимом 18 (фиг. 6) посредством винтов или шурупов 19. На фиг.6 показано одно место закрепления диспергирующей мембраны 10 к корпусу 5 аэратора 4. На фиг. 7 и 8 показан аэратор 4 кольцевой формы, состоящий из кольцевого корпуса 5 с Г-образными кольцевыми выступами 20, 21 (фиг.7) по периферийной части наружного 22 и внутреннего 23 обводов корпуса 5 и двумя, наружным 24 (фиг.7, 8) и внутренним 25, кольцевыми поясками, в каждом из которых имеется ряд щелевых пазов 26, и резиновой диспергирующей мембраны 10 с центральным отверстием 17, выполненной с наружным 27 (фиг.7, 8) и внутренним 28 герметизирующими буртами. В каждом из буртов 27, 28 имеются внутренние кольцевые Г-образные пазы 29 (фиг.7), соответствующие Г-образным кольцевым выступам 20, 21 корпуса 5, и ряд резиновых фиксирующих шипов 30 (фиг.7, 8) с утолщением 31 на конце, соосных и соразмерных соответствующим им щелевым пазам 26 в соответствующих кольцевых поясках 24, 25 корпуса 5.

Фиксирующие шипы 30 (фиг.7, 8) ориентированы во внутрь. Герметизирующие бурты 27, 28 выполнены в местах, соответствующих наружному и внутреннему обводам 22, 23 (фиг.7) корпуса 5. Крепление диспергирующей мембраны 10 в корпусе 5 осуществляют за счет размещения Г-образных выступов 20, 21 корпуса 5 в соответствующих им Г-образных внутренних пазах 29 диспергирующей мембраны 10, при этом фиксирующие шипы 30 (фиг.7, 8) мембраны 10 входят в соответствующие щелевые пазы 26 соответствующих кольцевых поясков 24, 25 корпуса 5 и закрепляются в нем за счет утолщений 31 на конце шипов 30. Шаг А между фиксирующими шипами 30 составляет 0,02-0,6 диаметра в месте расположения шипов 30, что было определено тем, что при шаге А между шипами 30 меньше 0,02 диаметра происходит значительное снижение прочностных характеристик корпуса 5 за счет увеличения количества щелевых пазов 26 в кольцевых поясках 24, 25 корпуса 5, что может привести к его разрушению в процессе эксплуатации, а при увеличении шага А более чем 0,6 диаметра нарушается герметичность аэратора 4 в местах крепления мембраны 10 к корпусу 5 и, как следствие, к истечению воздуха из аэратора 4 (фиг.1) в виде крупного пузыря. Ширина В утолщения 31 на конце фиксирующего шипа 30 больше ширины B₁ самого шипа 30 не менее чем на 1 мм, так как при меньшей разнице ширины В и B₁ происходит разгерметизация аэратора 4, обусловленная вытягиванием утолщений 31 сквозь щелевые пазы 26 кольцевых поясков 24, 25 в процессе эксплуатации.

На фиг. 9 и 10 представлен узел крепления аэратора 4 к воздухоразводящим трубам 3. Элементами узла крепления являются кронштейн 32 (фиг.9, 10), жестко скрепленный с приливами 7 аэратора 4, опирающийся своей нижней частью на воздухоразводящую трубу 3, и опоясывающий воздухоразводящую трубу 3 зажимной хомут 33 из нержавеющей стали. Зажимной хомут 33 проходит через паз 34 (фиг. 10), выполненный с наружной стороны прилегающей к воздухоразводящей трубе 3 поверхности кронштейна 32 (фиг.9, 10). Крепление аэратора 4 к воздухоразводящей трубе 3 за счет данного узла крепления осуществляется в совокупности с креплением в воздухоразводящей трубе 3 патрубка 6 аэратора 4. На фиг. 11 и 12 изображены варианты соединения кронштейна 32 с приливами 7 аэратора 4. Конструкция узла крепления аэраторов 4 к воздухоразводящим трубам 3 аналогична конструкции узла, изображенного на фиг. 9 и 10. Крепление кронштейна 32 к приливам 7 аэратора 4 осуществляют или с помощью дополнительных фиксирующих элементов 35 (фиг.11), или за счет выступов 36 (фиг.12), выполненных за одно целое с кронштейном 32 в верхней его части. Профиль и размер фиксирующих элементов 35 (фиг. 11) или выступов 36 (фиг.12) кронштейна 32 соответствуют профилю и размеру отверстий 8 в приливах 7 аэратора 4.

На фиг. 13 представлен узел крепления аэратора 4 к воздухоразводящим трубам 3, конструкция которого аналогична конструкции узла, показанного на фиг. 9-12. Отличие заключается лишь в том, что кронштейн 32 имеет выступ 37 (фиг. 13) по прилегающей к воздухоразводящей трубе 3 поверхности, а в воздухоразводящей трубе 3 в месте крепления аэратора 4 выполнен паз 38, взаимодействующий с выступом 37 кронштейна 32, что предотвращает проворот кронштейна 32 и зажимного хомута 33 относительно трубы 3 в процессе эксплуатации. На фиг. 14 представлен узел крепления аэратора 4 к воздухоразводящим трубам 3, конструктивно отличающийся от узла крепления, описанного на фиг. 9-12, лишь тем, что крепление кронштейна 32 к воздухоразводящей трубе 3 осуществляют не с помощью зажимного хомута 33 (фиг.9, 10), а путем приварки кронштейна 32 к трубе 3.

На фиг. 15 представлен узел крепления аэратора 4 к воздухоразводящим трубам 3, состоящий из жестко скрепленного с приливами 7 аэратора 4 полимерного хомута 39, опоясывающего воздухоразводящую трубу 3 в месте крепления, и разжимного зубчатого клина 40, который вставляется в промежуток 41 между хомутом 39 и воздухоразводящей трубой 3 в нижней части, обеспечивая при этом необходимое притягивание аэратора 4 к воздухоразводящей трубе 3. Фиксация определяется зубчатой формой клина 40, исключающей нарушение целостности узла крепления.

На фиг. 16 изображены варианты закрепления патрубка 6 аэратора 4 в воздухоразводящих трубах 3. Крепление патрубка 6 в воздухоразводящих трубах 3 может осуществляться либо за счет резьбового соединения 42, для чего патрубок 6 имеет коническую резьбу 43, взаимодействующую с резьбой 44 отверстия 45 в воздухоразводящей трубе 3, в месте заворачивания патрубка 6, либо с помощью различных резиновых насадок 46, надеваемых на патрубок 6 аэратора 4 и скрепленных с воздухоразводящей трубой 3 в районе отверстия 45. В патрубке 6 также имеется отверстие 47 по центру для подачи воздуха.

Данная система аэрации сточных вод работает следующим образом.

Воздух из магистрального воздуховода по воздухоподающей трубе 1 (фиг.1) и распределительному коллектору 2 равномерно подается в воздухоразводящие трубы 3 и установленные на них аэраторы 4. Под воздействием сжатого воздуха, проходящего через отверстие 47 (фиг.16) патрубка 6 (фиг.2) корпуса 5 аэратора 4 (фиг.1) в загерметизированное пространство между опорной поверхностью 9 (фиг.2) корпуса 5 и мембраной 10, щели диспергирующей мембраны 10 открываются и воздух в виде пузырьков диаметром от 1 до 3 мм диспергируется в водно-иловую смесь, перемешивая ее и насыщая кислородом. При прекращении подачи воздуха щели мембраны 10 закрываются, предотвращая попадание воды в трубы 3 (фиг.1) и засорение аэрационных отверстий.

Данная система аэрации за счет нового конструктивного выполнения элементов системы позволяет существенно повысить производительность аэраторов при сохранении высокой эффективности переноса кислорода и, как следствие, значительно уменьшить количество элементов, объем монтажных работ и стоимость аэрационной системы в целом.

Простая и оригинальная конструкция кольцевого аэратора, обеспечивающая создание оптимальных условий растяжения резины и степени открытия отверстий в периферийной перфорированной зоне аэратора и исключение высокоскоростного водовоздушного ядра в центре, позволила обеспечить высокую эффективность переноса кислорода и повысить производительность аэратора с 4-6 нм³/ч до 15-25 нм³/ч. Причем эффективность переноса кислорода практически не зависит от способа исключения аэрации по центру на диаметре 80-220 мм, то есть резиновая мембрана может быть сплошной с неперфорированным центром, либо с центральным отверстием.

Результаты сравнительных испытаний аэраторов представлены в таблице.