КОЛЬЦЕВОЙ КАСКАДНЫЙ БУФЕРНЫЙ НАКОПИТЕЛЬ СИСТЕМЫ ОЧИСТКИ ПОТОКА ЖИДКОСТИ
ANNULAR CASCADE BUFFER COLLECTOR OF FLUID FLOW TREATMENT SYSTEM

Изобретение относится к устройствам для интенсификации работы очистных сооружений биологической очистки сточных вод и может быть использовано в коммунальном хозяйстве или на промышленных предприятиях с большим объемом очищаемых сточных вод.
Одной из основных задач буферных накопителей стоков в очистных сооружениях является максимальное сглаживание всплесков концентрации вредных выбросов, связанных с аварийным залповым сбросом неочищенных стоков [1]. Это необходимо для сохранения в активном состоянии биохимической среды фильтра, используемой для нейтрализации вредных химических веществ. Как правило, при залповом сбросе сточных вод наблюдается резкое повышение концентрации вредных химических веществ, поступающих в биохимический фильтр. Известно, что максимальная концентрация загрязняющей компоненты выброса наблюдается в начальный момент времени, а затем эта концентрация уменьшается во времени. Однако следует отметить, что даже кратковременное превышение концентрации вредных веществ может губительно сказаться на состоянии биохимического фильтра.
Устройства для очистки воды, предназначенные для очистки небольших объемов, не имеют буферного накопителя жидкости [2, 3]. В очистных сооружениях коммунальных хозяйств и промышленных предприятий имеющиеся системы очистки сточных вод имеют, как правило, одну накопительную емкость [4, 5]. Наиболее очевидным путем ликвидации всплесков концентрации вредных выбросов стоков, направляемых на очистку, является увеличение буферной емкости накопителя для увеличения объемов накопления неочищенных стоков. Однако экономическая эффективность такого решения будет находиться в весьма ограниченных пределах. Другим возможным методом увеличения объема буферного накопителя может быть объединение в единый каскад (комплекс, модуль) двух и более накопителей. В частности, в способе очистки нефтесодержащих сточных вод [6] в отстойниках происходит предварительное отделение нефти от взвешенных частиц. При этом два отстойника имеют выходные каналы в третий отстойник, выполняющий функцию сумматора потоков сточных вод.
Ожидается, что использование накопителей неочищенной жидкости каскадного типа будет способствовать максимальной стабилизации и усреднению концентрации вредных веществ на входе в биохимический фильтр. Однако ожидаемые преимущества не всегда могут быть реализованы вследствие возникновения временных задержек на входах сумматора-накопителя, обусловленных конечной скоростью массопереноса жидкости по стволу сумматора. В частности, если имеются примерно одинаковые средние скорости потока жидкости в стволе сумматора и между накопительными емкостями, то способность линейного каскадного накопителя неочищенной жидкости к сглаживанию относительных флуктуаций вредных концентраций вредных примесей будет практически такой же, как у систем очистки жидкости, имеющих один буферный накопитель. Следовательно, линейное расположение буферных накопителей в ряде случаев не позволяет добиться максимального сглаживания всплесков концентраций вредных веществ на входе в биохимический фильтр.
Из предшествующего уровня техники известны системы для очистки воды, в котором основной рабочий орган (фильтр) и вспомогательные элементы расположены в цилиндрическом корпусе [3, 7], т.е система очистки имеет радиальную (кольцевую) конструкцию.
Наиболее близкой по технической сущности к заявляемому устройству является компактная установка для очистки сточных вод [8, прототип], содержащая две изолированные коаксиально размещенные емкости и двухъярусный отстойник с кольцевым осадочным желобом, который функционально дополняет двухъярусный отстойник. Применение установки предочистки сточных вод позволяет снизить залповые нагрузки загрязняющих веществ на биореактор при неравномерном поступлении стоков в очистное сооружение.
Недостатками известной компактной установки для очистки сточных вод является отсутствие возможности формирования заданных переходных характеристик, определяющих изменение во времени объемной концентрации вредных веществ n(t) при импульсном входном воздействии, обусловленном залповым сбросом вредных веществ.
Технической задачей изобретения является улучшение эксплуатационных свойств очистного сооружения за счет формирования оптимальных переходных характеристик кольцевого каскадного буферного накопителя, определяющих качественное сглаживание или усреднение во времени изменений объемной концентрации вредных химических веществ n(t) в сточных водах для дальнейшей подачи их в биохимический фильтр.
Поставленная техническая задача достигается за счет того, что в известном устройстве для очистки жидкости, состоящем из буферного накопителя, сумматора потоков с аксиальной симметрией, выходом которого является биохимический фильтр, упомянутый выше буферный накопитель выполнен в виде последовательно соединенных между собой накопительных емкостей с одним входом и двумя выходами каждая, при этом в устройстве имеется один канал подачи потока неочищенной жидкости, соединенный с входом первой емкости, один выходной канал аварийного сброса, соединенный с выходом последней емкости, кроме этого все упомянутые накопительные емкости расположены симметрично на одинаковых расстояниях от оси симметрии сумматора потоков, каждый из входов которого с помощью трубопровода с регулируемой пропускной способностью соединен с одним из выходов соответствующей накопительной емкости, а другой выход каждой накопительной емкости, кроме последней, используется для последовательного соединения с входом другой емкости.
Сущность изобретения заключается в том, что при кольцевом расположении каскада емкостей с сумматором в центре подача жидкости на выход сумматора происходит непосредственно из области пространства, через которую проходит ось симметрии сумматора потоков. За счет этого устраняются нежелательные нерегулируемые неодинаковые временные задержки по входам сумматора потоков. Пропускные способности трубопроводов, соединяющих накопительные емкости и сумматор потоков, последовательно согласованы между собой таким образом, что на выходе сумматора происходит сглаживание или усреднение изменений во времени концентрации вредных веществ в заданном временном интервале при залповых сбросах сточных вод.
1
2
N
1
2
N-1
1
2
N
1
2
N
N
Кольцевой каскадный накопитель системы очистки потока жидкости (фиг.1) состоит из входного трубопровода 1, N накопительных емкостей 2, 2, … 2 с одним входом, двумя выходами и фиксированным объемом каждая, последовательно соединенных между собой с помощью N-1 промежуточных трубопроводов 3, 3, … 3, N-входового сумматора потоков 4, имеющего аксиальную симметрию относительно оси 5. Накопительные емкости неочищенных стоков 2, 2, … 2 расположены симметрично на одинаковых расстояниях от оси 5 и с помощью N трубопроводов 6, 6, … 6 с регулируемыми пропускными способностями соединены с входами сумматора потоков 4. Выход сумматора 4 с помощью трубопровода 7, вход которого расположен около оси симметрии 5, соединен с входом биохимического фильтра 9. С выхода 9 очищенные стоки поступают на выпускной трубопровод 10. Устройство также содержит соединенный с выходом последней накопительной емкости 2 выпускной трубопровод 11 для аварийного сброса неочищенных стоков.
1
1
1
1
1
1
2
2
2
2
3
1
N
N
Система очистки жидкости с кольцевым каскадным накопителем работает следующим образом. Входной поток неочищенной жидкости через входной трубопровод 1 поступает на вход накопительной емкости 2. Часть поступившего в емкость 2 потока с ее выхода через трубопровод 6 с заданной пропускной способностью поступает в сумматор потоков 4. Оставшаяся часть потока жидкости с выхода накопительной емкости 2 через промежуточный трубопровод 3 поступает на вход накопительной емкости 2. Далее, часть поступившего в емкость 2 потока через канал 6 поступает в сумматор потоков 4. Оставшаяся часть потока жидкости с выхода емкости 2 через промежуточный трубопровод 3 поступает на вход следующей накопительной емкости 2. Описанный процесс передачи потока жидкости повторяется по всей цепочке накопительных емкостей с 2 до 2 включительно. Если величина входного потока превышает производительность устройства, то оставшаяся часть потока с выхода накопительной емкости 2 поступает в выпускной трубопровод 11 для аварийного сброса неочищенных стоков. Применение накопительных емкостей с фиксированными объемами обеспечивает возможность работы устройства с одним нагнетающим насосом на входе устройства.
k
1
2
N-1
1
2
N
1
2
N
Передача потока жидкости между произвольными соседними k и k+1 накопительными емкостями происходит с некоторой фиксированной во времени задержкой τ, обусловленной конечной скоростью течения жидкости по соответствующему промежуточному трубопроводу 3. В связи с этим при наличии залповых сбросов загрязнителей последние поступают в сумматор потоков 4 не сразу, а последовательно с задержками во времени в промежуточных трубопроводах 3, 3, … 3. Кроме этого, дополнительные задержки τ, τ, … τ происходят при прохождении жидкости через промежуточные каналы 6, 6, … 6. За счет аксиальной симметрии расположения емкостей достигается равенство величин задержек
1
2
N
τ=τ=…=τ
В связи с этим достигается возможность точного задания и расчетов динамических характеристик сглаживания изменения во времени объемной концентрации n(t) вредных веществ.
1
2
N-1
1
2
N-1
1
2
N
1
2
N
Эквивалентная схема кольцевого каскадного накопителя системы очистки потока жидкости изображена на фиг.2. На этой схеме b, b, … b - соответственно пропускные способности промежуточных трубопроводов 3, 3, … 3, а a а, … a - соответственно пропускные способности промежуточных трубопроводов 6, 6, … 6.
1
2
N
1
2
N-1
1
2
N
Благодаря предлагаемой структурной схеме соединения накопительных емкостей изменение во времени концентрации n(t) вредных веществ на выходе сумматора-накопителя 4 будет изменяться по определенному математическому закону, вид которого с определенной долей приближения определяется соотношениями пропускных способностей промежуточных каналов 6 6, … 6 и трубопроводов 3, 3, … 3. В частности, пропускные способности промежуточных каналов 6, 6, … 6 могут быть выбраны таким образом, чтобы обеспечить минимальное изменение во времени или стабилизацию концентрации n(t) вредных веществ.
Применение разработанного способа снижения концентрации вредных веществ в сточных водах перед очисткой позволяет минимизировать диапазон изменения концентрации вредных веществ при аварийных залповых сбросах, предотвратить попадание в биохимический фильтр сточных вод, имеющих повышенную концентрацию вредных веществ независимо от скоростей потоков жидкости в стволе сумматора и в накопительных емкостях.
ИСТОЧНИКИ ИНФОРМАЦИИ
1. Бондарук A.M., Гоц С.С., Ямалетдинова К.Ш., Гимаев Р.Н. Математическое моделирование процессов управления балансами накопления жидкости в очистных сооружениях / Экология и промышленность России. - 2008. - № 2. - С.13-15.
2. Патент RU 2286198 с приоритетом от 15.04.05, кл. B01D 27/14, C02F 1/40 (2006.01) «Способ очистки оборотных и сточных вод и модульный кассетный очиститель для осуществления способа» / Булыжев Е.М., Булыжев Э.Е., Олешкевич В.В., Семенов В.В.
3. Патент RU 2069073 с приоритетом от 21.12.92, кл. 6 B01D 27/00 «Каскадный фильтр» / Алферов М.Я., Барсуков И.Б., Куликов Л.Б.
4. Патент SU 1481211 с приоритетом от 02.09.87, кл. 4 C02F 3/02 «Система биологической очистки сточных вод» / Нечаевский М.Л., Невзоров М.И.
5. Патент RU 2146657 с приоритетом от 04.12.96, кл. 7 C02F 3/00 «Способ достижения устойчивости технологического процесса очистки сточных вод в системе «аэротенк - вторичный отстойник» с одновременным уменьшением габаритов этой системы» / Бурыкин В.Ф., Бурыкина С.С.
6. Патент RU 2264993 с приоритетом от 27.04.04, кл. 7 C02F 9/12 «Способ очистки нефтесодержащих сточных вод» / Назаров В.Д., Русакович А.А., Вадулина Н.В.
7. Патент US 2004/0140267 с приоритетом от 28.07.03, кл. 7 C02F 1/42, B01D 15/00 «Multiple use water purification device» / Beryl B.S.
8. Патент RU 2057085 с приоритетом от 20.05.94, кл. 6 C02F 3/02 «Компактная установка для очистки сточных вод» / Соломеев В.П., Побегайло Ю.П., Круглова И.С., Побегайло А.П. (ПРОТОТИП)