СМЕСИТЕЛЬНОЕ УСТРОЙСТВО ДЛЯ ВОДООЧИСТНЫХ СООРУЖЕНИЙ С ОТКРЫТЫМ КАНАЛОМ И С ОБРАБОТКОЙ ВОДЫ УЛЬТРАФИОЛЕТОВЫМ ОБЛУЧЕНИЕМ
MIXER FOR WATER TREATMENT PLANTS WITH OPEN CHANNEL AND TREATMENT OF WATER USING ULTRAVIOLET RADIATION

Изобретение относится к смесительному устройству в соответствии с преамбулой п. 1 формулы изобретения и к водоочистному сооружению с обработкой воды ультрафиолетовым облучением в соответствии с преамбулой п. 8 формулы изобретения.
Давно известно, что ультрафиолетовое облучение оказывает бактерицидное действие и что естественное ультрафиолетовое солнечное облучение оказывает дезинфицирующее действие при достаточной интенсивности и продолжительности. Ультрафиолетовое облучение используют в больших и малых установках для дезинфекции воды и сточных вод. Можно провести различие между устройствами, в которых ультрафиолетовые излучатели расположены в закрытых каналах, и устройствами, в которых ультрафиолетовые излучатели расположены в открытых сверху каналах, известных как открытые каналы. Конструкцию второго типа, с открытыми каналами, в основном используют при очистке сточных вод. Очищаемые сточные воды направляют по открытому каналу в систему ультрафиолетовой очистки и подвергают воздействию ультрафиолетового облучения для уменьшения количества бактерий до такого уровня, чтобы очищаемые сточные воды могли, например, выпускаться в нормальные воды. Уровень дезинфекции может быть таким высоким, что очищенную воду можно выпускать в воду для купания.
Водоочистные сооружения обычно конструируют так, чтобы вода протекала от впуска через различные уровни очистки к выпуску исключительно под действием силы тяжести без использования насосов. По этой причине в системах ультрафиолетовой очистки, применительно к технологии очистки сточных вод, задачей является поддержание сопротивления потоку на максимально низком уровне для минимальных потерь давления при заданном расходе. Во время эксплуатации установки потеря давления этого типа выражается в виде разности высот между уровнем воды на впуске и уровнем воды на выпуске. Задача заключается в том, чтобы эта разница высот была минимально возможной.
В других случаях должно быть обеспечено качество дезинфекции с заданным уровнем эффективности, который выражается отношением между выполненной дезинфекцией и потребленной электроэнергией. Этот уровень эффективности должен быть оптимизирован по экономическим причинам. Поэтому ультрафиолетовые излучатели, которые в основном представляют собой продолговатые газоразрядные лампы, помещают в канал, предпочтительно, рядами поперек потока. Несколько рядов размещают друг за другом и смещают относительно друг друга так, чтобы излучатели одного ряда располагались по центру между излучателями расположенного перед ним ряда. Вода, протекающая между первыми излучателями, затем попадает в действие следующего излучателя, который расположен по центру зазора. Такое расположение образует различные пространства между излучателями в различных рядах и боковой стенкой соседнего канала. На участках с большим зазором между излучателем и стенкой канала доза излучения будет меньше, чем на других участках. Этот эффект должен компенсироваться так, чтобы при практической реализации каждая образующая общий поток струя получала достаточную и, по возможности, равную дозу ультрафиолетового облучения.
Известны различные решения в этой области. По существу, известные решения основаны на использовании расположенных на стенке канала сплошных элементов в виде балок различных сечений, которые уменьшают пространство между стенкой канала и соседним ультрафиолетовым излучателем, сужая тем самым имеющийся между ними зазор. Например, известен канал с ультрафиолетовыми излучателями, расположенными четырьмя рядами по четыре в каждом ряду, причем эти ряды расположены по потоку друг за другом, а поток проходит через них поперек их продольной оси. В открытом канале излучатели подвешены вертикально. Рядом с излучателем, наиболее удаленным от стенки, расположено ребро с треугольным поперечным сечением, сужающее зазор между стенкой и излучателем, через который свободно может протекать вода. В документе WO 2008055344 A1 раскрыты различные решения, в которых также используются ребра с треугольным поперечным сечением, которые, с одной стороны, сужают проходное сечение, а с другой стороны, отклоняют поток.
В документе ЕР 0893411 В1 описано устройство, в котором ряды ультрафиолетовых излучателей расположены друг за другом и смещены относительно друг друга, а на боковой стенке канала, где ультрафиолетовый излучатель, наиболее близкий к краю, расположен наиболее далеко от стенки канала, расположен L-образный профиль. L-образный профиль расположен на стенке непрерывно по всей длине соседнего излучателя. Он отклоняет поток воды на этом участке, по существу, полностью. Задача заключается в том, чтобы поток воды на краевом участке полностью отклонялся к излучателю, расположенному на расстоянии от стенки.
Известные устройства позволяют воздействовать на поток протекающей по каналу воды или сточной воды так, чтобы там, где излучатель находится на большем расстоянии от смежной стенки канала, струи потока также достигали области с высокой интенсивностью излучения. На практике это приводит к двум проблемам. С одной стороны, полное отклонение направления струи с помощью устройств, имеющих постоянное поперечное сечение по длине соседнего излучателя вдоль стенки канала, значительно сужает проходное сечение канала, увеличивая потерю давления между передней стороной канала и его задней стороной. С другой стороны, на участке, где расположены такие устройства, движение потока ускоряется, поэтому, хотя струи отклоняются в область с более высокой интенсивностью облучения, но промежуток времени, затраченный на прохождение через эту область, является более коротким. Таким образом, задача увеличения дозы ультрафиолетового излучения для указанной струи потока решается не оптимальным образом.
Задачей изобретения является создание устройства, воздействующего на поток в водоочистном сооружении с обработкой воды ультрафиолетовым облучением, которое позволит оптимизировать излучение, воздействующее на струи потока вдоль края в системах со смещенными относительно друг друга рядами ультрафиолетовых излучателей.
Другой задачей изобретения является разработка водоочистного сооружения с обработкой воды ультрафиолетовым облучением, в котором обеспечивается высокий уровень эффективности ультрафиолетовой дезинфекции при минимально возможной потере давления между передней стороной и задней стороной канала.
Эта задача решается с помощью устройства в соответствии с п. 1 формулы изобретения и с помощью сооружения в соответствии с п. 8 формулы изобретения. Поскольку смесительное устройство имеет множество выступов, которые во время эксплуатации входят в свободное поперечное сечение канала, и между выступами имеется расположенная поперек потока выемка, через которую может свободно протекать вода, а отношение площадей в направлении потока между выступами и выемками меньше или равно 1, то воздействующий на устройство поток может вступать в контакт со всеми сторонами выступов и, в частности, также протекать через выемки, так что эффективный уровень турбулентности и, следовательно, перераспределение частиц за выемками происходит без увеличения скорости потока до неприемлемой величины. При этом такое смесительное устройство вызывает лишь незначительное увеличение сопротивления потоку, которое является ничтожно малым во время эксплуатации и, в частности, не вызывает значительного падения давления между передней стороной и задней стороной канала.
Поскольку в водоочистном сооружении с обработкой воды ультрафиолетовым облучением согласно изобретению смесительное устройство с выступами и выемками расположено перед или непосредственно рядом с ультрафиолетовыми излучателями, которые смещены на некоторое расстояние от стенки канала относительно направления потока, и проходит, по существу, параллельно продольной оси ультрафиолетового излучателя, перемешивание струи в потоке происходит непосредственно рядом с соседним излучателем, причем это перемешивание перераспределяет болезнетворные бактерии, находящиеся в этих струях потока. Бактерии, которые переносятся потоком вблизи стенки канала, направляются ближе к ультрафиолетовым излучателям. Важно, что общая скорость потока почти не увеличивается и наблюдается только незначительная потеря давления. Уменьшенная скорость потока по сравнению с известными устройствами ведет к получению болезнетворными организмами большей дозы ультрафиолетового излучения, поскольку критическая доза ультрафиолетового излучения определяется интенсивностью и промежутком времени облучения. Промежуток времени облучения увеличивается с уменьшением скорости потока.
В частности, эта задача решается посредством смесительного устройства для водоочистного сооружения с открытым каналом, которое содержит основание в виде пластины или полосы, предназначенной для крепления к стенке канала так, чтобы в рабочем состоянии нижняя поверхность этого основания была обращена к стенке канала, а верхняя поверхность - в сторону от стенки канала. При этом устройство содержит множество выступов, отходящих от основания, наклоненных в сторону от нижней поверхности и проходящих над плоскостью, образованной верхней поверхностью, и множество выемок, при этом между двумя соседними выступами расположена одна выемка.
Предпочтительно выступы выполнены за одно целое с основанием, например изготовлены из одной заготовки из нержавеющей стали.
Предпочтительно выступы и выемки расположены друг за другом вдоль прямой линии. Такая конструкция является весьма простой в изготовлении, например она может быть получена посредством штамповки и гибки.
С точки зрения сопротивления потоку желательно, чтобы в выступающей части в направлении потока воды, подлежащей обработке, общая площадь выступов была меньше или равна общей площади выемок. В частности, все выступы могут иметь одинаковый размер, и площадь каждого выступа может быть меньше или равна площади соседней выемки.
Толщина выступов может быть равна толщине основания.
Очень надежное функционирование, а именно, надлежащее перемешивание при низких уровнях сопротивления потоку, обеспечивается в том случае, когда в каждом выступе, ограниченном боковыми и передней кромкой, длина боковой кромки составляет 2-45 мм, предпочтительно 20-30 мм и в частности 25 мм. Длина передней кромки составляет 2-100 мм, предпочтительно 25-50 мм, в частности 40 мм.
Задача также решается с помощью водоочистного сооружения с обработкой воды ультрафиолетовым облучением и с открытым сверху каналом, в котором расположено множество удлиненных трубчатых ультрафиолетовых излучателей, при этом канал содержит две боковые стенки и основание, а ультрафиолетовые трубки расположены параллельно боковым стенкам и не параллельно основанию, т.е. или вертикально, или под углом к направлению потока в канале. Кроме того, на боковой стенке параллельно излучателю расположено по меньшей мере одно смесительное устройство с множеством выступов так, что выступы входят в свободное поперечное сечение канала во время эксплуатации.
Предпочтительно, в направлении потока между каждыми двумя выступами имеется одна выемка, образующая проходное сечение, через которое может свободно протекать вода.
Наиболее эффективное перемешивание воды, протекающей вдоль края канала, с низкой потерей давления происходит в случае, если в направлении потока отношение площадей выступов к соответствующим площадям выемок меньше или равно 1.
Предпочтительно по меньшей мере одно смесительное устройство расположено по потоку перед или непосредственно рядом с соседними ультрафиолетовыми излучателями.
Изобретение поясняется чертежами.
На фиг. 1 показано смесительное устройство с прямоугольными выступами, вид в перспективе;
на фиг. 2 - водоочистное сооружение с открытым каналом и с обработкой воды ультрафиолетовым облучением, снабженное смесительными устройствами по фиг. 1;
на фиг. 3 - водоочистное сооружение, показанное на фиг. 2, с изображением струй потока, вид в горизонтальном разрезе.
Как показано на фиг. 1, смесительное устройство 1 согласно изобретению имеет основание 2 в виде удлиненной пластины и отходящие от нее выступы 3. Выступы 3 отделены друг друга выемками 4.
В частности, основание 2 выполнено в виде металлической полосы, имеющей верхнюю поверхность 5 и нижнюю поверхность 6, которую не видно на фиг. 1. В основании 2 выполнено шесть продолговатых отверстий 7, предназначенных для крепления смесительного устройства 1 к стенке канала водоочистного сооружения. Выступы 3 выполнены за одно целое с основанием 2 и наклонены вверх относительно плоскости верхней поверхности 5. Выступы 3 имеют боковые кромки 8 и переднюю кромку 9. Боковые кромки 8 параллельны между собой, а передняя кромка 9 образует, по существу, прямые углы с боковыми кромками 8, соединяя их. По существу, выступ 3 имеет форму прямоугольника.
Между выступами 3 расположены выемки 4, ограниченные боковыми кромками 8 выступов 3. Со стороны основания 2 выемка 4 ограничена нижней кромкой 10. По длине удлиненной части корпуса 2 выступы 3 и выемки 4 равномерно распределены, так что выступы 3 отходят от верхней поверхности 5 основания 2 в виде зубцов.
Смесительное устройство изготавливают из металлической полосы, ширина которой равна сумме ширины основания 2 и длины боковой кромки 8. Затем в этой металлической полосе вырезают выемки 4 для образования выступов 3. После этого полученные таким образом выступы 3 изгибают приблизительно под прямыми углами вверх от плоскости верхней поверхности 5, как показано на фиг. 1.
В области выемок 4 основание 2 является полностью плоским, т.е. никакой материал не отходит вверх за верхнюю поверхность 5 основания 2 между двумя соседними выступами 3. В соответствии с этим вариантом осуществления изобретения боковые кромки 8 ориентированы под прямыми углами к передней и нижней кромкам 9 и 10. Отношение площадей выступов 3 и выемок 4 определяется отношением длин передней кромки 9 и нижней кромки 10. Если длины передней кромки 9 и нижней кромки 10 равны, отношение площадей выступов 3 и выемок 4 составляет 1:1. Поскольку показанное на фиг. 1 смесительное устройство во время эксплуатации расположено нижней поверхностью 6 на стенке канала и через него проходит поток в направлении, указанном стрелкой 11, это отношение также определяет сопротивление потоку. Для того чтобы сопротивление потоку было бы как можно меньшим, целесообразно, если площади выступов 3 будут меньше или равны площадям выемок 4, т.е. при прямоугольных выступах 3 и выемках 4 длина передней кромки 9 меньше или равна длине нижней кромки 10.
Длина боковых кромок 8 определяет величину, на которую выступы 3 входят в поток воды, вызывая ее вихревое движение. Предпочтительно, чтобы длина боковых кромок 8 не превышала 45 мм и составляла 20-25 мм.
Возможны также другие конструкции смесительного устройства, которые отличаются от прямоугольной конструкции, показанной на фиг. 1. Выступы могут быть трапециевидными или треугольными, хотя эти варианты не показаны. В этом случае выемки между выступами принимают ответную форму. При этом важно, чтобы независимо от геометрической формы отношение площадей выступов и выемок было меньше или равно 1.
На фиг. 2 показано водоочистное сооружение с обработкой воды ультрафиолетовым излучением.
Устройство имеет открытый в верхнем направлении канал 15 с боковыми стенками 16 и основанием 17. В канале 15, через который во время эксплуатации протекает вода, расположены излучатели, содержащие ряд ультрафиолетовых излучателей 19 известной конструкции, например, в виде ртутных ультрафиолетовых излучателей низкого давления. На фиг. 2 показано, что вода протекает через устройство от задней стороны к передней в указанном стрелкой направлении 11 потока.
Для обеспечения высокой интенсивности облучения устройство содержит множество излучателей 19. В частности, показанное на фиг.2 устройство содержит 24 излучателя 19. Излучатели расположены рядами, в каждом из которых содержится шесть излучателей, ориентированных поперек направления 11 потока. Всего имеется четыре ряда по шесть излучателей, которые расположены друг за другом по направлению 11 потока. На фиг. 2 виден только последний по направлению потока четвертый ряд, причем из шести излучателей 19 этого последнего ряда видны только пять, поскольку крайний левый излучатель закрыт боковой стенкой 16.
Излучатель 19, показанный на фиг. 2 справа, находится на относительно большом расстоянии от соседней боковой стенки 16, и в этом пространстве расположено описанное выше со ссылкой на фиг. 1 смесительное устройство 1.
Смесительное устройство 1 прикреплено к внутренней стороне боковой стенки 16 параллельно продольной оси излучателя 19, при этом нижняя поверхность 6 прилегает к боковой стенке 16. Верхняя поверхность 5 направлена к излучателям 19. Выступы 3, расположенные перпендикулярно боковой стенке 16, также направлены к излучателям. Таким образом, выступы 3 выступают внутрь канала 15.
В показанном на фиг. 2 водоочистном сооружении каждый ультрафиолетовый излучатель 19 наклонен относительно направления потока. Смесительное устройство 1 прикреплено к боковой стенке 16 точно под таким же углом.
Более подробно конструкция водоочистного сооружения описана со ссылкой на фиг. 3, на которой показан горизонтальный продольный разрез по линии III-III на фиг. 2.
Канал 15 с боковыми стенками 16 показан как ограничитель потока воды, протекающей через устройство для ее обработки в направлении 11. По направлению 11 потока расположены четыре ряда ультрафиолетовых излучателей по шесть в каждом ряду. Первый по потоку ряд содержит шесть излучателей 21, второй ряд - шесть излучателей 22, третий ряд - шесть излучателей 23, и последний по потоку ряд содержит шесть излучателей 19, уже описанных выше со ссылкой на фиг. 2.
Излучатели 21 распределены по ширине канала 15 неравномерно. Предпочтительно, шесть излучателей 21 этого ряда размещены на одинаковом расстоянии друг от друга, но немного левее относительно направления 11 потока, т.е. на фиг. 3 они показаны смещенными вверх. В связи с этим излучатель 21, который расположен слева в направлении потока и показан верхним на фиг. 3, расположен ближе к боковой стенке 16, чем излучатель 21′, который расположен справа в направлении потока и показан внизу на фиг. 3. Соответственно, между излучателем 21′, который расположен справа в направлении потока, и боковой стенкой 16 существует зазор, в котором установлено смесительное устройство 1.
Второй ряд излучателей 22 сформирован аналогичным образом. Излучатели 22 распределены на одинаковом расстоянии друг от друга, однако они смещены вправо относительно направления потока, поэтому правый излучатель 22, показанный на фиг. 3 внизу, расположен ближе к боковой стенке 16 канала 15, чем излучатель 22′, который расположен слева в направлении потока и на фиг.3 показан вверху.
Соответственно, между излучателем 22′, показанным вверху на фиг. 3, и боковой стенкой 16 канала 15 существует зазор, в котором также установлено смесительное устройство 1.
Описанное смещение ряда с излучателями 21 в одну сторону и ряда с излучателями 22 в другую сторону позволяет получить такое взаимное расположение двух рядов, при котором излучатель 22 расположен по центру зазора между двумя передними по потоку излучателями 21. Таким образом, можно получить очень надежную конструкцию для осуществления дезинфекции. Частицы, которые проходят между излучателями 21, будут соударяться с излучателем 22 практически по центру. Если эти частицы получают относительно низкую дозу ультрафиолетового излучения, когда они проходят между излучателями 21, они неизбежно будут получать более высокую дозу излучения, когда они будут проходить следующий излучатель 22. За счет завихрения воды смесительным устройством 1 улучшается дезинфекция в зазоре между излучателем и боковой стенкой 16, поскольку рядом со стенкой не могут образоваться потоки, в которых частицы подвергаются воздействию ультрафиолетового облучения низкой интенсивности. Смесительные устройства также не вызывают никаких заметных отклонений потока воды от направления 11, поэтому в этой области отсутствуют какие-либо нежелательные ускорения струй потока, которые могли бы привести к уменьшению дозы ультрафиолетового излучения.
Расположение излучателей 23 и 19 соответствует расположению излучателей 21 и 22. Излучатели 23 смещены влево относительно направления потока, а излучатели 19 - вправо. В зазорах у боковых стенок 16 установлены два смесительных устройства 1, по одному смесительному устройству для каждого ряда излучателей.