ГРАВИТАЦИОННОЕ РАЗДЕЛИТЕЛЬНОЕ УСТРОЙСТВО ДЛЯ ОБРАБОТКИ ВОДЫ
GRAVITY SEPARATOR FOR WATER TREATMENT

Настоящее изобретение в общем имеет отношение к области разработки и изготовления установок для обработки воды, чтобы произвести ее очистку.
Более конкретно, настоящее изобретение имеет отношение к новому устройству для гравитационного разделения воды. Специалисты в данной области называют устройства такого рода "отстойниками" или "отстойными резервуарами".
Успешная работа установок для обработки определяется успешной гидравлической работой образующих их структур (конструкций). В частности, это особенно верно для осветлителей (отстойников), которые производят гравитационное разделение твердых частиц, присутствующих в подлежащей обработке воде.
Основные характеристики осветлителя определяются в первую очередь:
- его геометрической формой, которая обычно является круговой, квадратной или прямоугольной;
- расположением его средства для подвода подлежащей осветлению воды, которое обычно является центральным расположением или периферийным расположением;
- его внутренним отклонением потока;
- его системой сбора ила/ флокулята/ осажденных частиц, которая обычно представляет собой скребковую систему или систему всасывания;
- его системой отбора осветленной воды, которая обычно расположена в центре структуры или у ее периферии.
Эффективность указанных структур может быть оптимизирована за счет использования некоторых решений, таких как, например, использование наклонных пластин, предусмотренных в структуре, что позволяет улучшать характеристики осаждения и осветления.
Отстойники с круговым бассейном широко используют для гравитационного разделения воды, чтобы получить очищенную жидкую фазу и по существу твердую фазу, образованную взвешенными частицами, которые первоначально присутствовали в воде. Такие взвешенные частицы могут представлять собой твердые частицы, такие как, например, песок, и/или плавучую биологическую массу, когда операции осветления предшествовала операция биологической обработки воды.
Например, в патенте США 2961099 описан круговой осветлитель для отделения взвешенных частиц от жидкости, имеющий круговую стенку и основание, вертикальную круговую юбку, смещенную от указанного основания и от указанной стенки и образующую отверстие кольцевой камеры в нижней части для входа в бассейн, средство для выгрузки осветленной жидкой фазы, средство, образующее канал для подачи подлежащей обработке воды в бассейн, предусмотренный у его периметра и снабженный множеством отверстий в днище указанного канала, причем под указанными отверстиями предусмотрены горизонтально расположенные отклоняющие пластины и средство выгрузки декантированных частиц.
В осветлителе этого типа подлежащая обработке вода доходит до структуры по периферийному питающему каналу, проходит через предусмотренные в нем отверстия и соударяется с горизонтальными отклоняющими пластинами. Наличие вертикальной круговой юбки делает затем возможным вертикальное распределение воды. После прохождения указанной юбки вода возвращается к горизонтальному распределению. Таким образом, юбка делает возможным снижение до минимального значения коротких замыканий, во время которых вода, поступающая по питающему каналу, выходит через выпускной канал, не имея времени для отстаивания (осаждения).
Следовательно, вода при обработке в осветлителе такого типа имеет движение, которое может быть описано как "двумерное" движение в бассейне осветлителя, то есть по существу горизонтальное движение, а затем по существу вертикальное движение.
Тем не менее, недостатком осветлителя такого типа является придание воде, проходящей под юбкой, горизонтального движения, которое способно возмущать иловый слой, имеющийся у основания бассейна и образованный осажденным материалом, который еще не был выгружен при помощи предназначенного для этого средства выгрузки, что в некоторых случаях приводит к его переводу вновь во взвешенное состояние, что противоречит первичной задаче таких структур.
Кроме того, за счет "двумерного" движения воды наблюдается относительно неравномерное пространственное распределение взвешенного материала в структурах такого типа. Такое неравномерное распределение приводит к необходимости увеличения продолжительности обработки воды в таких устройствах и/или к необходимости чрезмерного увеличения их размеров.
Более того, в случае больших изменений скорости потока подлежащей обработке воды при входе в структуру в этом типе осветлителя изменяется эффективность, что является недостатком. В частности, путь (траектория), покрытый водой после ее прохождения под юбку, может значительно изменяться в зависимости от скорости потока, что может приводить к более или менее значительным коротким замыканиям и, следовательно, к снижению эффективности структуры.
В связи с изложенным, задачей настоящего изобретения является создание новой конструкции устройства для гравитационного разделения, позволяющей избежать повторного перехода во взвешенное состояние осажденного материала.
Другой задачей настоящего изобретения является также снижение до минимума коротких замыканий подлежащей обработке воды, то есть возврата воды в выпускное отверстие (сразу) после ее поступления в бассейн.
Другой задачей настоящего изобретения является также создание такого устройства, которое обеспечивает равномерное распределение подлежащей обработке воды и, следовательно, взвешенного материала, который она содержит, в бассейне.
Другой задачей настоящего изобретения является исключение добавления механического перемешивающего средства к устройству такого типа, чтобы получить равномерное распределение. В самом деле, добавление такого механического перемешивающего средства усложняет процесс изготовления таких структур и, в частности, повышает стоимость производства и затраты на техническое обслуживание и технический ремонт.
Еще одной задачей настоящего изобретения является создание усовершенствованного осветлителя, стоимость производства которого ниже чем для известных осветлителей. В частности, задачей настоящего изобретения является создание осветлителя, имеющего бассейн с главным образом плоским основанием, что позволяет обеспечивать более высокую скорость его прохода и меньший объем структуры по сравнению с известными осветлителями, однако при обеспечении такой же эффективности обработки.
Другой задачей настоящего изобретения является улучшение распределения времен обработки воды в структуре при снижении до минимума коротких замыканий и мертвых зон, так чтобы улучшить осаждение содержащихся в них частиц.
Другой задачей настоящего изобретения является улучшение осаждения содержащихся в воде частиц за счет тангенциальной фильтрации через иловый слой, имеющийся в бассейне.
Еще одной задачей настоящего изобретения является снижение вертикальной кинетической энергии воды, входящей в структуру, чтобы избежать повторного перехода во взвешенное состояние осажденного илового слоя, особенно в период высокой загрузки.
Эти различные задачи решены при помощи настоящего изобретения, в котором предлагается гравитационное разделительное устройство для обработки воды, позволяющее отделять взвешенные частицы от жидкой фазы, причем указанное устройство содержит круговой бассейн, по меньшей мере, один канал для подачи воды в указанный бассейн, предусмотренный у его периметра, множество отверстий, предусмотренных в днище указанного канала, средство, образующее отклоняющие пластины, предусмотренные под указанными отверстиями, средство, образующее юбку, предусмотренную на расстоянии от внутренней стенки указанного бассейна, средство для выгрузки указанной жидкой фазы и средство для выгрузки указанных разделенных частиц, отличающееся тем, что указанное средство, образующее юбку, имеет наклон в направлении внутренней части указанного бассейна на угол от 5 до 80° по отношению к вертикали.
Таким образом, устройство в соответствии с настоящим изобретением главным образом отличается от известных устройств тем, что юбка больше не имеет вертикального положения, а имеет наклон по отношению к вертикали.
Такой наклон юбки позволяет избежать возмущения илового слоя за счет воды, проходящей под ним, и повторного ввода во взвешенное состояние уже осажденного материала, который еще не был выгружен при помощи предназначенного для этого средства выгрузки.
Такой наклон юбки позволяет снизить до минимума появление коротких замыканий.
Такой наклон юбки позволяет также придать трехмерное движение потоку воды внутри структуры.
Указанный угол наклона юбки по отношению к вертикали преимущественно составляет от 30 до 60°.
В соответствии с предпочтительным признаком настоящего изобретения указанные отверстия, предусмотренные в днище питающего канала, имеют диаметр от 50 до 200 мм. Кроме того, указанные отверстия преимущественно имеют высоту (соответствующую толщине днища питающего канала) от 150 до 600 мм.
На практике, размер этих отверстий выбирают так, чтобы соотношение между скоростью воды в питающем канале и скоростью этой же воды в отверстиях, предусмотренных в днище питающего канала, создавало достаточную потерю напора. Следует иметь в виду, что потеря напора, вызванная специфическими размерами отверстий в соответствии с настоящим изобретением, не обязательно является постоянной. Такие специфические размеры позволяют разрушать горизонтальный поток воды в питающем канале и перемещать ее в направлении с главным образом вертикальным компонентом, что позволяет управлять направлением потока воды выше по течению от средства, образующего отклоняющие пластины. В частности, это является особенно полезным тогда, когда, на уровне точки входа воды в питающий канал, вода направлена в противоположных направлениях (что обычно имеет место в осветлителях большого объема).
Потеря напора, вызванная этими специфическими размерами отверстий, и тот факт, что они позволяют придать воде движение с вертикальным компонентом, позволяют получить равномерное распределение этой воды и, следовательно, равномерное распределение взвешенных частиц, которые содержатся в бассейне.
Указанные отверстия в канале для подачи подлежащей обработке воды преимущественно смещены друг от друга главным образом на постоянное расстояние, составляющее от 500 до 3000 мм.
Этот признак также является полезным для получения достаточной потери напора для содействия равномерному распределению воды в бассейне.
Несмотря на то что отверстия канала для подачи подлежащей обработке воды обычно могут иметь вертикальную ось, по меньшей мере, некоторые из этих отверстий, а преимущественно все отверстия, имеют ось, тангенциально наклоненную на угол β1 меньше, чем 45° по отношению к вертикали.
Этот признак позволяет создавать главным образом спиральный поток воды в ванне (бассейне), то есть позволяет придать указанной воде трехмерное вращательное движение в структуре.
Этот тип течения позволяет увеличить длину гидравлического перемещения воды в осветлителе и, следовательно, улучшить распределение "активных" продолжительностей обработки, в результате чего улучшается осаждение. Это также позволяет улучшить равномерное распределение подлежащей обработке воды в осветлителе. Наконец, такой трехмерный поток также позволяет улучшить тангенциальную фильтрацию ответвления потока через иловый слой и улучшить эффективность сгущения.
В соответствии с альтернативным вариантом настоящего изобретения, по меньшей мере, некоторые из указанных отверстий, а преимущественно все отверстия, также имеют ось, наклоненную радиально на угол β2 меньше, чем 45° по отношению к вертикали.
Такой признак позволяет усиливать радиальный компонент движения, приданного воде.
Средство, образующее отклоняющие пластины, предусмотренные под отверстиями, расположено на достаточном расстоянии от отверстий, чтобы не вызывать увеличение потери напора воды, но на достаточно малом расстоянии, чтобы снижать вертикальную кинетическую энергию воды, проходящей через эти отверстия. На практике отклоняющие пластины обычно установлены на расстоянии от 15 до 50 см от основания днища питающего канала.
В соответствии с первым особенно предпочтительным альтернативным вариантом осуществления настоящего изобретения указанное средство, образующее отклоняющие пластины, выполнено в виде направляющей потока уголкового типа. Такая конструкция направляющей потока, которая будет описана далее подробно со ссылкой на варианты настоящего изобретения, позволяет придать тангенциальный компонент скорости воды в бассейне и, следовательно, способствует ее вращательному движению.
В соответствии с другим особенно предпочтительным альтернативным вариантом осуществления настоящего изобретения указанное средство, образующее отклоняющие пластины, выполнено в виде направляющей потока типа открытой коробки.
Такая конструкция направляющей потока позволяет придать тангенциальный компонент скорости воды в бассейне и, следовательно, еще более способствует ее вращательному движению в бассейне.
В соответствии с альтернативным вариантом указанное средство, образующее отклоняющие пластины, содержит пластины, расположенные напротив указанных отверстий, причем, по меньшей мере, некоторые из указанных пластин, а преимущественно все пластины, преимущественно наклонены тангенциально на угол δ1 от 5 до 80° по отношению к горизонтали.
Этот наклон пластин, расположенных напротив указанных отверстий, способствует спиральному движению воды. Когда оси отверстий, предусмотренных в днище питающего канала, также имеют наклон, как уже было указано здесь выше, это спиральное движение будет еще более заметным.
В соответствии с альтернативным вариантом указанное средство, образующее отклоняющие пластины, содержит пластины, расположенные напротив указанных отверстий, причем, по меньшей мере, некоторые из указанных пластин, а преимущественно все указанные пластины, наклонены радиально на угол δ2 от 5 и 80° по отношению к горизонтали.
Такой признак позволяет еще больше усиливать радиальный компонент движения, приданного воде.
В соответствии с альтернативным вариантом настоящего изобретения указанное средство для выгрузки жидкой фазы образует периферийный (выпускной) канал, предусмотренный у периметра указанного бассейна, причем указанный канал имеет днище, общее с питающим каналом 6, причем ширины выпускного канала и питающего канала изменяются обратным образом по всему периметру указанного бассейна, так что ширина днища остается главным образом постоянной.
В соответствии с другим альтернативным вариантом указанное средство для выпуска воды предусмотрено в центре указанного бассейна.
Указанное средство, образующее юбку, в соответствии с настоящим изобретением преимущественно закреплено в канале для подачи подлежащей обработке воды и/или в средстве для выгрузки жидкой фазы.
Указанные ранее и другие характеристики изобретения будут более ясны из последующего детального описания двух его примеров, не имеющих ограничительного характера, и приведенного со ссылкой на сопроводительные чертежи.
На фиг.1 схематично показано поперечное сечение устройства для осветления в соответствии с настоящим изобретением.
На фиг.2 схематично показан вид сверху устройства, показанного на фиг.1.
На фиг.3 схематично показано трехмерное сечение периферийного участка устройства, показанного в круге А на фиг.1.
На фиг.4 схематично показано сечение плоскостью 2, показанной на фиг.3.
На фиг.5 схематично показано сечение радиальной плоскостью 1, показанной на
фиг.3.
На фиг.6 показаны результаты испытаний двух вариантов настоящего изобретения, показанных на фиг.1-6.
На фиг.7 схематично показан вид сверху второго варианта устройства в соответствии с настоящим изобретением.
На фиг.8 схематично показано трехмерное сечение участка второго варианта устройства в соответствии с настоящим изобретением.
На фиг.1 схематично показано поперечное сечение варианта гравитационного разделительного устройства для обработки воды в соответствии с настоящим изобретением.
Это устройство предназначено для осветления воды, содержащей взвешенные частицы, и оно позволяет разделять эти частицы от осветленной жидкой фазы.
На фиг.1 и 2 показано, что это устройство содержит большой круговой бассейн 1 (с диаметром более 30 метров), имеющий боковую стенку 1а и главным образом плоское основание 1b.
В верхней части этого бассейна 1, и у его периметра, предусмотрен питающий канал 2 для подачи подлежащей осветлению воды в бассейн 1, снабженный днищем 4. Подлежащая осветлению вода поступает в питающий канал по трубопроводу 2а и распределяется в нем в двух противоположных направлениях, показанных стрелками А и В.
Питающий канал 2 снабжен множеством отверстий 3, смещенных друг от друга на постоянное расстояние 1 метр и имеющих вертикальные оси со смещением 15 см от боковой стенки 1а. Эти отверстия 3 проходят насквозь через днище 4. Эти отверстия имеют высоту 200 мм и диаметр 75 мм.
Эти размеры позволяют подлежащей обработке воде, поступающей в питающий канал 2, претерпевать достаточную потерю напора, когда она проникает внутрь бассейна 1.
Устройство также содержит средство для выгрузки осветленной воды, содержащее канал 5, предусмотренный в верхней части бассейна у его периметра и использующий то же самое днище 4, что и канал 2 для подачи подлежащей обработке воды, от которого он отделен главным образом вертикальной стенкой 4а. Осветленная вода выпускается по трубопроводу 5а. Канал 2 также снабжен выпуском 5b, служащим для сбора плавающего материала (вспененного материала и пены).
Как это показано на фиг.2, ширины выпускного канала 5 и питающего канала 2 изменяются обратным образом (инверсно) по всему периметру бассейна 1, так что ширина днища 4 остается главным образом постоянной.
Устройство также содержит отклоняющие пластины, организованные в виде направляющих потока, предусмотренные под каждым из отверстий 3, как это описано далее более подробно.
В соответствии с настоящим изобретением показанное устройство также содержит юбку 7, предусмотренную на расстоянии от внутренней стенки 1а бассейна 1, изготовленную из нержавеющей стали.
В соответствии с этим вариантом указанная юбка 7 имеет наклон на угол около 30° по отношению к вертикали.
Наконец, показанное устройство обычно содержит средство для выгрузки разделенных частиц, которые осаждаются в основании бассейна 1. Это средство содержит собирающую трубу 8а, выполненную с возможностью вращения относительно центральной колонны 1с у основания бассейна, и канал 8b для выгрузки отстоя, собранного при помощи собирающей трубы, в бак для откачки (не показан).
Как это показано на фиг.3, направляющая потока предусмотрена под каждым отверстием 3. Каждая направляющая потока имеет форму уголка и образована пластиной 6а, расположенной напротив соответствующего отверстия 3, стенкой 6с, образованной частью боковой стенки 1а, и другой пластиной 6b, перпендикулярной к пластине 6а и к стенке 6с. Следует иметь в виду, что в других вариантах стенка 6с может быть заменена пластиной.
Как это показано на фиг.4, каждое отверстие имеет ось, наклоненную тангенциально на угол β1 по отношению к вертикали. В данном варианте этот угол β1 составляет около 10°, однако, в зависимости от конкретного варианта, он может достигать 45°.
Как это также показано на фиг.4, каждая пластина 6а также наклонена тангенциально на угол δ1 по отношению к горизонтали. В данном варианте этот угол δ1 составляет около 5°, однако, в зависимости от конкретного варианта, он может достигать 80°.
Как это показано на фиг.5, ось каждого отверстия также наклонена радиально на угол β2 по отношению к вертикали. В данном варианте этот угол β2 составляет около 10°, однако, в зависимости от конкретного варианта, он может достигать 45°.
Как это также показано на фиг.5, каждая пластина 6а также наклонена радиально на угол δ2 по отношению к горизонтали. В данном варианте этот угол δ2 составляет 5°, однако, в зависимости от конкретного варианта, он может достигать 80°.
Наклон юбки 7 позволяет избежать возмущения илового слоя, образованного осажденным материалом у основания бассейна, который еще не был всосан вращающейся трубой 8а.
Этот наклон также способствует однородному распределению воды в бассейне и, следовательно, однородному распределению при осаждении частиц, которые она содержит.
Этот наклон также позволяет свести к минимуму короткие замыкания, то есть возврат (поступление) воды в выпускной канал 5 ранее достижения ее осветления.
Тангенциальный и радиальный наклон отверстий 3, так же как и тангенциальный и радиальный наклон пластин 6а направляющих потока, позволяет придать спиральное вращательное движение воде, поступающей в бассейн. Такое трехмерное движение позволяет удлинить траекторию, проходимую водой в бассейне и, следовательно, повысить эффективность обработки в осветлителе. Эта архитектура также способствует равномерному распределению воды в бассейне. Для демонстрации трехмерного вращательного движения воды, достигаемого за счет настоящего изобретения, два описанных здесь выше варианта были испытаны с водой, содержащей видимые частицы. Контролировали изменение во времени траектории движения частиц в бассейне 1. Было проведено пять испытаний для каждого варианта. Полученные результаты показаны на фиг.6.
Как это показано на фиг.6, четко видно, что частицы имеют трехмерное движение в бассейне, с сильным тангенциальным компонентом, за счет конструкции направляющих потока и наклона отверстий, но также и с радиальным компонентом, за счет наклона юбки 7, что побуждает частицы занимать большую часть объема бассейна.
В соответствии со вторым вариантом настоящего изобретения, показанным на фиг.7, на которой аналогичные детали устройства имеют одинаковые позиционные обозначения с фиг.2, устройство имеет диаметр (например, 25 метров), который меньше диаметра устройства в соответствии с первым вариантом. В соответствии с этим вариантом вода распределяется в питающем канале только в одном направлении, показанном стрелкой А.
В соответствии с этим вариантом используют направляющие потока типа открытой коробки, как это показано на фиг.8. В соответствии с этим вариантом дополнительная пластина 6d расположена параллельно части 6b стенки. За счет использования таких направляющие потока движение воды, поступающей в бассейн, имеет более сильный тангенциальный компонент, чем в описанном здесь выше первом варианте.
Несмотря на то что были описаны предпочтительные варианты осуществления изобретения, совершенно ясно, что в него специалистами в данной области могут быть внесены изменения и дополнения, которые не выходят за рамки формулы изобретения.