Коагулирующая колонна
COAGULATING COLUMN

Изобретение относится к устройствам, предназначенным для реагентной обработки вод, и может быть использовано в качестве смесителя-хлопьеобразователя перед осадителями коагулированных хлопьев.
Известен вертикальный отстойник для физико-химической очистки вод, содержащий цилиндрический корпус, снабженный патрубками отвода осадка и осветленной воды, в полости которого расположена вихревая камера хлопьеобразования, выполненная в форме конуса, вершина которого ориентирована наружу и сообщена с узлом подачи вод, включающим эжектирующую насадку с соплом, при этом днище корпуса выполнено в форме конуса, ориентированного вершиной наружу (см. патент РФ № 2308314, МПК B01D 21/08, дата публикации 20.10.2007).
Данное техническое решение обладает следующими недостатками:
- конструкция устройства не позволяет полноценно контролировать и/или регулировать качество и скорость смешивания загрязненной жидкости с раствором химических реагентов до их поступления в вихревую камеру хлопьеобразования и как следствие - полноту протекания химической реакции хлопьеобразования в вихревой камере;
- отвод осадка из полости корпуса требует задействования дополнительных механизмов (например насоса), поскольку выход патрубка отвода осадка расположен в верхней части корпуса.
В качестве ближайшего аналога (прототипа) принята коагулирующая колонна, содержащая вертикально ориентированную смесительную камеру с размещенным внутри нее активатором, состоящим из крыльчаток и лопастных колец, над которым расположен выход узла подачи вод (см. патент РФ № 2302377, МПК C02F 1/52, дата публикации 10.07.2007).
Недостатками прототипа являются:
- необходимость подбора параметров лопастей крыльчаток и лопастных колец (количество, размеры, шаг и угол наклона) значительно увеличивает трудоемкость их изготовления;
- распределение активатора по высоте смесительной камеры приводит к столкновению струй жидкости с его жесткими элементами, что может препятствовать укрупнению коагулированных хлопьев и способствовать повышенному механическому износу указанных элементов.
Задачей, на решение которой направлено заявляемое изобретение, является разработка коагулирующей колонны с низкой трудоемкостью изготовления, обеспечивающей высокую эффективность коагуляции взвешенных частиц.
Технический результат, проявляющийся при решении поставленной задачи, выражается в следующем:
- повышение качества очищаемой воды за счет повышения эффективности процесса хлопьеобразования;
- интенсивное, контролируемое и поэтапное предварительное смешивание очищаемой воды с раздельно вводимыми химическими реагентами;
- сниженный расход химических реагентов;
- уменьшение трудоемкости изготовления устройства и его размеров.
Поставленная задача решается тем, что коагулирующая колонна, содержащая вертикально ориентированную смесительную камеру с размещенным внутри нее активатором, над которым расположен выход узла подачи очищаемой воды отличается тем, что содержит вертикально ориентированный корпус, внутренняя полость которого имеет поперечное сечение квадратной формы и соотношение ширины и высоты 1:3, при этом полость корпуса разделена на смесительную камеру большего объема и камеру водоотведения посредством ложной перегородки, установленной параллельно одной из стенок корпуса на расстоянии, равном 15% от ширины полости корпуса, а указанные камеры сообщены друг с другом выше и ниже ложной перегородки, боковые кромки которой жестко прикреплены к стенкам корпуса, кроме того, в качестве активатора используют плавающую загрузку в виде кубиков из пенополистирола с размером стороны 15 мм, общий объем которых составляет 1/3 от объема полости корпуса, причем плавающая загрузка ограничена сверху и снизу поперечными решетками с размером ячеек 7 мм, установленными в смесительной камере, кроме того, в камере водоотведения размещены датчики уровня и она снабжена двумя сообщенными друг с другом патрубками отвода коагулированной воды, верхний из которых расположен ниже верхней кромки ложной перегородки, а другой размещен в нижней части корпуса и снабжен затвором, кроме того, узел подачи очищаемой воды выполнен в виде трубопровода диаметром 6,5% от ширины полости корпуса, ориентированного параллельно корпусу, выход которого расположен в полости корпуса над верхней поперечной решеткой, при этом указанный трубопровод снабжен последовательно и снизу вверх размещенными патрубками напорной подачи морской воды, сульфата алюминия и щелочного реагента соответственно, расстояние между которыми составляет 40% от ширины полости корпуса.
Кроме того, днище корпуса выполнено с уклоном в сторону нижнего патрубка отвода коагулированной воды.
Сопоставительный анализ признаков заявляемого изобретения с признаками прототипа и аналогов свидетельствует о соответствии заявляемого решения критерию «новизна».
При этом отличительные признаки формулы изобретения обеспечивает решение следующих функциональных задач.
Вертикальная ориентация корпуса обусловлена движением потока жидкости сверху вниз, а наличие в нем полости позволяет организовать процесс коагуляции взвешенных частиц.
Выполнение полости корпуса с поперечным сечением квадратной формы обуславливает пониженную трудоемкость изготовления устройства.
Разделение полости корпуса на смесительную камеру и камеру водоотведения, сообщенные друг с другом выше и ниже ложной перегородки, боковые кромки которой жестко прикреплены к стенкам корпуса, в сочетании с датчиками уровня, размещенными в камере водоотведения, позволяют организовать очистку плавающей загрузки за счет опорожнения корпуса.
Применение плавающей загрузки в виде кубиков из пенополистирола позволяет повысить эффективность процесса хлопьеобразования за счет разделения общего потока жидкости, в состав которой входят смешанные друг с другом очищаемая вода и химические реагенты, на множество преимущественно ламинарных струй, а также уменьшить расход химических реагентов.
Наличие у камеры водоотведения пары сообщенных друг с другом патрубков отвода коагулированной воды, один из которых размещен ниже верхней кромки ложной перегородки, позволяет эффективно отводить коагулированную воду из верхней и нижней частей корпуса.
Размещение второго патрубка, снабженного затвором, в нижней части корпуса, а также выполнение днища корпуса с уклоном в сторону указанного патрубка позволяют быстро опорожнить корпус.
Ориентация трубопровода параллельно корпусу способствует напорному и линейному подводу жидкости, а расположение выхода трубопровода в полости корпуса над верхней поперечной решеткой позволяет погасить напор вводимой жидкости.
Наличие у трубопровода последовательно и снизу вверх размещенных патрубков напорной подачи морской воды, сульфата алюминия и щелочного реагента соответственно обеспечивает интенсивное, контролируемое и поэтапное предварительное смешивание очищаемой воды с раздельно вводимыми химическими реагентами.
Численные характеристики, касающиеся соотношения ширины и высоты полости корпуса, соотношения объемов смесительной камеры и камеры водоотведения, размера и общего объема плавающей загрузки, размера ячеек поперечных решеток, диаметра трубопровода подачи очищаемой воды и расстояния между его патрубками обеспечивают высокую эффективность коагуляции взвешенных частиц.
На фиг. 1 изображен продольный разрез коагулирующей колонны.
На фиг. 2 показан поперечный разрез коагулирующей колонны.
На чертежах показаны корпус 1, смесительная камера 2, камера 3 водоотведения, ложная перегородка 4, кубики 5 из пенополистирола, поперечные решетки 6, датчики 7 уровня, верхний 8 и нижний 9 патрубки отвода коагулированной воды, трубопровод 10 с затвором 11, пробоотборником 12, расходомером 13 и патрубками напорной подачи морской воды 14, сульфата алюминия 15 и щелочного реагента 16 соответственно, трубопровод 17 отвода коагулированной воды, затвор 18 нижнего патрубка 9 отвода коагулированной воды, блок управления 19.
Также на чертежах обозначены:
а
- ширина полости корпуса;
H
- высота полости корпуса;
b
- расстояние между ложной перегородкой и ближайшей к ней стенкой корпуса;
c
- расстояния между патрубками напорной подачи морской воды, сульфата алюминия и щелочного реагента;
d
- диаметр трубопровода подачи очищаемой воды.
a
H
Коагулирующая колонна содержит вертикально ориентированный корпус 1, внутренняя полость которого имеет поперечное сечение квадратной формы и соотношение ширины  и высоты  = 1:3, а днище выполнено с уклоном в сторону нижнего патрубка 9 отвода коагулированной воды.
b
a
Полость корпуса 1 разделена на смесительную камеру 2 большего объема и камеру 3 водоотведения посредством ложной перегородки 4, установленной параллельно одной из стенок корпуса 1 на расстоянии , равном 15% от ширины  полости корпуса 1.
При этом камеры 2 и 3 сообщены друг с другом выше и ниже ложной перегородки 4, боковые кромки которой жестко прикреплены к стенкам корпуса 1.
В смесительной камере 2 размещен активатор, в качестве которого используют плавающую загрузку в виде кубиков 5 из пенополистирола с размером стороны 15 мм, общий объем которых составляет 1/3 от объема полости корпуса 1, причем плавающая загрузка ограничена сверху и снизу поперечными решетками 6 с размером ячеек 7 мм.
В камере 3 водоотведения размещены датчики 7 уровня, и она снабжена двумя патрубками отвода коагулированной воды, сообщенными друг с другом с помощью трубопровода 17, верхний 8 из которых расположен ниже верхней кромки ложной перегородки 4, а нижний 9 размещен в нижней части корпуса 1 и снабжен затвором 18.
d
a
Узел подачи вод выполнен в виде трубопровода 10 диаметром  = 6,5% от ширины  полости корпуса 1, ориентированного параллельно корпусу 1, выход которого расположен в полости корпуса 1 над верхней поперечной решеткой 6.
c
a
Трубопровод 10 снабжен последовательно и снизу вверх размещенными патрубками напорной подачи морской воды 14, сульфата алюминия 15 и щелочного реагента 16 соответственно, расстояние  между которыми составляет 40% от ширины  полости корпуса 1.
Блок управления 19 по сигналу датчиков 7 уровня открывает и закрывает затвор 18 нижнего патрубка 9 отвода коагулированной воды.
Заявляемое устройство работает следующим образом.
Очищаемую воду с напором 12-15 м вводят в трубопровод 10, регулируя ее подачу с помощью затвора 11 по показаниям расходомера 13.
2
Когда очищаемая вода поднимается до патрубка 14, по нему подают морскую воду с противодавлением 1,2-1,5 кг/см, в результате чего происходит смешивание двух жидкостей на участке трубопровода 10 между патрубками 14 и 15.
2
Когда жидкость из очищаемой и морской воды достигает патрубка 15, через него вводят 10%-ный водный раствор сульфата алюминия с противодавлением 1,2-1,5 кг/см, в результате чего происходит смешивание трех жидкостей на участке трубопровода 10 между патрубками 15 и 16.
2
Когда жидкость, содержащая очищаемую и морскую воду, а также сульфат алюминия, доходит до патрубка 16, по нему подают щелочной реагент, в качестве которого используют 10%-ный водный раствор щелочи, с противодавлением 1,2-1,5 кг/см, в результате чего происходит смешивание четырех жидкостей на участке от патрубка 16 до выхода трубопровода 10.
Напорная подача очищаемой воды и химических реагентов позволяет организовать интенсивное смешивание без использования дополнительных механических устройств, а регулировать процесс смешивания можно за счет варьирования величин геометрических размеров и напора соответствующей жидкости.
Подготовленная жидкость, в состав которой входят четыре компонента, попадает в полость корпуса 1 и после гашения напора протекает через ячейки верхней поперечной решетки 6 смесительной камеры 2.
Далее общий поток жидкости при контактировании с кубиками 5 из пенополистирола разделяется на множество струй, в процессе перемешивания которых происходит образование коагулированных хлопьев, которые налипают на поверхность кубиков 5.
Коагулированная вода через ячейки нижней поперечной решетки 6 смесительной камеры 2 стекает к днищу корпуса 1, обходит нижнюю кромку ложной перегородки 4 и поступает в камеру 3 водоотведения.
В обычном режиме работы затвор 18 нижнего патрубка 9 отвода коагулированной воды закрыт, коагулированная вода поднимается в камере 3 водоотведения и выводится из корпуса 1 через верхний патрубок 8 отвода коагулированной воды.
Когда объем коагулированных хлопьев, наросший на решетках 6 и/или кубиках 5 из пенополистирола, препятствует эффективному смешиванию жидкости и/или ее прохождению через поперечные решетки 6, датчики 7 регистрируют превышение максимального уровня воды в камере 3 водоотведения и подают в блок управления 19 сигнал открыть затвор 18 нижнего патрубка 9 отвода коагулированной воды.
После открытия затвора 18 происходит резкое падение уровня жидкости в корпусе 1 и как следствие отрыв коагулированных хлопьев от поверхности кубиков 5, после чего загрязнения вместе с жидкостью выводят через нижний патрубок 9 отвода коагулированной воды.
Для аварийных ситуаций (отсутствие электроэнергии, выходе из строя датчиков 7 уровня или электрифицированного затвора 18 нижнего патрубка 9 отвода коагулированной воды) предусмотрен аварийный перелив из смесительной камеры 2 в камеру 3 водоотведения над верхней кромкой ложной перегородки 4 с дальнейшим выводом в верхний патрубок 8 отвода коагулированной воды.
В дальнейшем коагулированную воду из колонны возвращают в очистные сооружения перед первичными отстойниками, и в последних происходит совместное осаждение коагулированных хлопьев и первичного осадка.
3
Авторы разработали коагулирующую колонну производительностью 12 м/ч со следующими параметрами:
a
ширина  полости корпуса составляет 1 м;
уклон днища корпуса в сторону нижнего патрубка отвода коагулированной воды равен 17°;
трубопровод подачи очищаемой воды выполнен в виде трубы стальной по ГОСТ 10704-91 «Трубы стальные электросварные прямошовные. Сортамент»;
плавающая загрузка изготовлена из плиты пенополистирола, выпускаемой по ГОСТ 15588-86 «Плиты пенополистирольные. Технические условия»;
поперечные решетки выполнены в виде сеток нержавеющих №7 по ГОСТ 5017-74 «Нержавеющая тканая сетка».
Для подтверждения работоспособности заявляемого устройства была проведена серия испытаний в периодическом режиме, результаты первого теста, касающиеся загрязняющих веществ, приведены в таблице 1.
Для приготовления жидкости использовали:
4
4
500 мл возвратных сточных вод, содержащих аммоний NH, фосфаты PO и алюминий Al;
20 мл морской воды;
2
4
3
10 мл 10%-ного водного раствора сульфата алюминия Al(SO);
1 мл 10%-ного водного раствора гидроксида натрия NaOH - щелочного реагента.
Период прохождения трубопровода от начала контакта сточных вод с морской водой и до выхода узла подачи очищаемой воды длился 7 минут в отличие от классических камер хлопьеобразования, где время контакта и прохождение полной реакции в среднем составляет 15 минут.
Возвратная вода до проведения коагуляции была очень мутная. Коагулированная вода была прозрачной и имела pH = 6,8.
Таблица 1Результаты первого теста, касающиеся загрязняющих веществ
Загрязняющее вещество
Содержание до реагентной обработки, мг/л
Содержание после реагентной обработки, мг/л
Эффекточистки,%
NH<sub>4</sub>
62,82
3,21
98
PO<sub>4</sub>
29,81
0,17
99
Al
1,10
0,00
100
Учитывая вышесказанное можно сделать вывод, что реагентная обработка в заявляемом устройстве позволяет значительно снизить содержание аммония, фосфатов и алюминия в течение короткого периода времени.
Заявляемое изобретение может быть использовано для реагентной обработки разных типов вод:
- иловой воды (фугата);
- промышленных и бытовых сточных вод;
- вод из поверхностных и подземных источников;
- ливневых и талых вод;
- концентратов мембранной фильтрации.