СПОСОБ ДОЗИРОВАННОГО УДАЛЕНИЯ ЖИДКОСТИ И ВОЗДУШНО-КЛАПАННЫЙ ДОЗАТОР
METHOD FOR BATCHED REMOVAL OF LIQUID AND AIR-VALVE BATCHER

Изобретение относится к способам и устройствам для дозированного выведения жидкости из емкости при необходимости поддержания определенного устойчивого уровня жидкости, преимущественно к биологическим системам с самотечным сливом жидкости при очистке хозяйственно-бытовых сточных вод активным илом во взвешенном состоянии, а также может быть использовано в отстойниках установок для очистки сточных вод, в аэротенках, в системах аэрационного отсечения мусора канализационной насосной станции и в других установках с необходимостью дозированного слива для поддержания определенного уровня жидкости в системе или отсечения мусора.
Известны установка очистки сточных вод, включающая отстойник с системой отвода очищенной жидкости, отделенной перегородкой от отстойника с возможностью нижнего поступления жидкости в канал ее отвода и верхним перетоком в выпускной патрубок, и реализованный в ней способ отвода жидкости перетоком (см. патент на изобретение RU №2130901, C02F 3/08, оп. в 1999 г.). Известная установка оснащена системой отстоя и удаления илового осадка, а входная зона канала отвода очищенной жидкости расположена над насосом для удаления ила, что приводит к захватыванию иловых частиц в канал отвода очищенной жидкости. Это ухудшает качество очищенной воды. Кроме того, конструкция системы отвода жидкости в известной установке не влияет на производительность установки и на достижение безаварийного режима работы.
Известно устройство для биологической очистки бытовых стоков, содержащее отстойник, связанный переливным отверстием со сборным колодцем очищенной воды, при этом отверстие расположено в стенке между ними в ее верхней зоне (см. полезную модель RU №26722, A01K 63/04, оп. в 2002 г.). Это достаточно традиционное устройство для отвода очищенной воды не обеспечивает дозированный слив и нормативное качество очистки и допускает содержание различных примесей в отведенной жидкости. Оно перестает срабатывать при понижении уровня жидкости ниже переливного отверстия, но при избыточном количестве сточных вод не влияет на увеличение пропускной способности установки.
Известны порционный дозатор жидкости, содержащий корпус, воздушную трубку, мембрану, герметично сообщенную с корпусом крышкой, запорные органы подачи и выпуска жидкости с приводами и управляющее устройство, с дополнительным регулировочным стержнем с частично навитой на него цепочкой, датчиком положения мембраны и дополнительной воздушной трубкой, размещенной в мембране и соединенной с ней герметично, дополнительная воздушная трубка расположена концентрично на воздушной трубке внутри корпуса, и обе трубки соединены герметично, часть цепочки, навитой на регулировочном стержне, расположена на мембране, датчик положения мембраны сообщен линией связи с управляющим устройством, а последний - с приводами запорных органов, и реализованный в устройстве способ дозирования жидкости (см. патент RU на изобретение №2054631, G01F 13/00, оп. в 1996 году). Это сложные технические решения предназначены для высокоточного порционного дозирования жидкости и не могут быть использованы в конструкциях простых бытовых и промышленных устройств, работающих с большими неравномерными объемами жидкости.
Известен сифонный дозатор, содержащий подводящий трубопровод с регулировочным устройством, сообщенный с мерной емкостью, в которой размещен восходящий патрубок сифона, установленный на горизонтальной оси вращения двуплечий рычаг, на одном конце которого закреплен запорный орган для патрубка сифона, отличающийся тем, что в него введены закрепленная на конце нисходящего патрубка сифона воронка с наружным кронштейном, воздушный клапан, установленный в верхней точке горба сифона, и постоянный магнит, причем запорный орган размещен под нисходящим патрубком сифона в воронке, а постоянный магнит установлен на наружном кронштейне с возможностью вертикального перемещения и взаимодействия с другим плечом рычага, выполненным из ферромагнитного материала (см. патент RU на изобретение №2008621, G01F 13/00, оп. в 1994 году). Это устройство относится к приборостроению с высоким уровнем точности дозирования. Его сложную конструкцию нерационально использовать в простых устройствах с дозированным сливом жидкости.
Наиболее близким техническим решением к заявленному изобретению являются способ и устройство для очистки сточных вод, включающее вторичный отстойник, снабженный успокоителем поступающей частично очищенной воды, выходным фильтром, выходным патрубком чистой воды, аэратором-разбивателем биопленки, насосом-удалителем биопленки, выполненным в виде трубопровода J-образной формы (см. патент на изобретение RU №2305662, C02F 3/12, оп. в 2007 г.). Известные способ и устройство более универсальны, чем предыдущие технические решения, но эффективность дозирования жидкости в известном устройстве недостаточна для сложных условий неравномерного поступления сточных вод, а устройство имеет несколько усложненную конструкцию отвода очищенной воды.
Настоящее изобретение направлено на решение технической задачи улучшения способа дозированного слива жидкости и упрощения устройства для дозированного слива жидкости, уменьшения энергозатрат на регулирование уровня жидкости в системе с резким перепадом количества поступающей жидкости при достижении безаварийного режима и повышении надежности ее работы за счет формирования в системе слива динамического запирающего пузырька, выполняющего роль дозатора.
Решение поставленной технической задачи достигается тем, что в способе дозированного удаления жидкости, включающем подачу жидкости в емкость и выведение жидкости самотеком за пределы емкости, отбор и дозирование жидкости для выведения из емкости осуществляют в ее средней зоне, а выведение жидкости осуществляют в зоне предельного нижнего уровня жидкости, находящейся выше уровня отбора и дозирования жидкости, причем дозирование для выведения из емкости жидкости осуществляют посредством динамически формируемого под диафрагмой воздушного пузырькового клапана и мембраной поверхностного натяжения на разделе вода-воздух, а изменение скорости удаления жидкости из емкости осуществляют посредством регулирования подачи воздуха в зону формирования пузырькового клапана, причем в случае резкого повышения уровня жидкости в емкости и при превышении ее максимального рабочего уровня производят аварийный слив жидкости, при этом действием давления столба жидкости над зоной отбора перенаправляют пузырьковый поток в противоположную сторону и используют его как эрлифт для быстрого аварийного вывода жидкости. После подачи жидкости в емкость производят ее отстаивание и аэрацию поверхности жидкости в зоне дозирования с отталкиванием твердых частиц из этой зоны, причем для аэрации поверхности жидкости в зоне дозирования используют воздух, поступающий вверх от динамически формируемого воздушного пузырькового клапана, а также тем, что в воздушно-клапанном дозаторе, включающем емкость с переменным уровнем жидкости и выходным патрубком и расположенный в емкости трубопровод отвода жидкости, выполненный J-образной формы и снабженный форсункой подачи воздуха в трубопровод, при этом большее колено трубопровода отвода жидкости J-образной формы связано с выходным патрубком, а входное отверстие меньшего колена трубопровода J-образной формы расположено ниже днища выходного патрубка, причем форсунка подачи воздуха расположена в меньшем колене выше кромки нижнего изгиба трубопровода, при этом входное отверстие меньшего колена трубопровода J-образной формы снабжено внутренней диафрагмой. Трубопровод отвода жидкости J-образной формы снабжен дополнительными меньшими коленами, выполненными в виде нескольких трубок, связанных в нижней зоне трубопроводом. Дозатор снабжен дополнительной емкостью, а выходной патрубок большего колена вертикально расположен в дополнительной емкости. Диафрагма выполнена раздвижной или сменной.
Изобретение поясняется чертежами. На фиг.1 схематично изображен пример использования воздушно-клапанного дозатора в отстойнике установки для биологической очистки сточных вод при нормальном уровне сточных вод. На фиг.2 - то же при максимальном уровне сточных вод в установке. На фиг.3 - высокопроизводительное устройство для слива жидкости с воздушно-клапанным дозатором. На фиг.4 - уравнивающий аэротенк с воздушно-клапанным дозатором. На фиг.5 - система аэрационной отсечки мусора канализационной насосной станции. На фиг.6 - верхний конец входного отверстия воздушно-клапанного дозатора с диафрагмой. На фиг.7 - то же с диафрагмой переменного сечения.
1
1
2
2
Воздушно-клапанный дозатор может быть использован, например, в отстойнике биологической системы очистки сточных вод, либо уравнивающем аэротенке, либо в системах аэрационного отсечения мусора канализационной насосной станции, либо в любом другом резервуаре с переменным уровнем жидкости. Воздушно-клапанный дозатор включает емкость 1 с переменным уровнем жидкости. На фиг.1 изображен воздушно-клапанный дозатор, который может быть использован в системах очистки сточных вод, включающий емкость 1 с входным патрубком 2 и выходным патрубком 3. В емкости 1 расположен трубопровод 4 отвода жидкости, выполненный J-образной формы. Большее колено 5 трубопровода 4 связано с выходным патрубком 3. Меньшее колено 6 трубопровода 4 снабжено форсункой 7 подачи воздуха, связанной с компрессором 8. Входное отверстие 9 меньшего колена 6 трубопровода 4 расположено ниже днища 10 выходного патрубка 3 на высоте H. Высота H расположения входного отверстия 9 меньшего колена 6 обусловлена заданной производительностью системы и условиями стабильного формирования воздушно-пузырькового клапана. Форсунка 7 подачи воздуха расположена в меньшем колене 6 выше верхней кромки нижнего изгиба 11 трубопровода 4 на высоте H. Высота Н определяется расчетным путем исходя из высоты столба жидкости над входным отверстием емкости 1 и заданной производительности системы. Для повышения эффективности работы устройства для слива жидкости входное отверстие 9 меньшего колена 6 трубопровода 4 снабжено диафрагмой 12 кольцевого вида, которая может быть выполнена раздвижной в виде подвижных пластин 13 или сменной.
Компрессор 8 связан с блоком управления 14, который может быть соединен с регулятором 15 клапана 16 воздушного трубопровода 17 для подачи воздуха к форсунке 7. Блок управления 14 может быть оснащен аварийной сигнализацией 18 и связан с аварийным поплавковым датчиком 19.
Вместо одного меньшего колена 6 можно использовать несколько дополнительных меньших колен 6, выполненных в виде трубок 20, связанных в нижней зоне трубопроводом 4 (см. фиг.3). Такое выполнение устройства для слива жидкости с воздушно-клапанным дозатором используется для значительного увеличения производительности системы.
Использование воздушно-клапанного дозатора в уравнивающих аэротенках 21 с системой аэрации 22 (см. фиг.4) позволяет упростить конструкцию аэротенка 21 и повысить надежность его работы.
Воздушно-клапанный дозатор можно использовать в системах аэрационного отсечения мусора типа «Турбоскрин» (см. фиг.5), например в канализационно-насосной станции. В этом случае меньшее колено 6 трубопровода 4 установлено в емкости 1, а большее колено 5 с вертикально расположенным выходным патрубком 3 расположено в дополнительной емкости 23, снабженной насосной установкой 24.
1
2
Воздушно-клапанный дозатор работает следующим образом. Рассмотрим вариант, когда он расположен в отстойнике биологической системы очистки сточных вод, изображенном на фиг.1 и 2. Поскольку уровень сточных вод в емкости 1 все время изменяется, то условно принято считать нормальным рабочим уровнем Y над верхней зоной выходного патрубка 3, когда сточных вод достаточно, чтобы эффективно работало устройство для слива жидкости. При достижении жидкостью в емкости 1 уровня Y давление столба жидкости уменьшается до минимального и ее поступление во входное отверстие 9 меньшего колена 6 полностью прекращается до поступления следующей порции сточных вод. В данном случае такое расположение входного отверстия 9 меньшего колена 6 выполняет в основном роль отсекателя мусора и в меньшей степени регулятора производительности всей установки. Уровень выходного патрубка 3 регулирует остаточный уровень жидкости в емкости и предотвращает ситуацию, когда в установке останется так мало сточных вод, что это приведет к ухудшению или прекращению работы активного ила по переработке органических веществ. Т.е. выходное отверстие патрубка 3 большего колена 5 останавливает слив на том минимальном уровне, который нужен для сохранения жизнедеятельности активного ила или других технологических назначений.
На поверхности жидкости в емкости 1 может содержаться биопленка, состоящая из мельчайших частиц биофрагментов, попадание которых в трубопровод 4, предназначенный для вывода из емкости 1 очищенной воды, необходимо предотвратить. Поэтому посредством компрессора 8, связанного с блоком управления 14, подают воздух к форсунке 7, расположенной в меньшем колене 6 выше кромки нижнего изгиба 11 трубопровода 4. Диафрагма 12 кольцевого типа дозирует количество воздуха, проходящего вверх в емкость 1 через входное отверстие 9 меньшего колена 6. Воздушные пузырьки скапливаются у отверстия диафрагмы 12, сливаются, образуя самый большой пузырек 25 в верхней зоне. На рисунке 6 изображен момент попадания жидкости через диафрагму 12 из емкости 1 в трубопровод 4. Под силой давления столба жидкости над диафрагмой 12 часть очищенной воды обтекает находящийся вверху динамический запирающий воздушный пузырек 25, создающий запирающую мембрану поверхностного натяжения на границе вода-воздух со всех сторон, и выдавливает вверх пузырьковый ручеек. Этот элемент работает как дозатор, периодически выталкивая вверх небольшой пузырек воздуха и одновременно пропуская часть воды вниз. Достигая поверхности жидкости, пузырьки разбивают и аэрируют биопленку, расталкивая ее в разные стороны от входного отверстия 9 меньшего колена 6 и предотвращая ее попадание в поток очищенной воды.
3
1
1
1
Для систем очистки сточных вод характерны ситуации сброса чрезмерного количества сточных вод. В этом случае уровень жидкости в емкости 1 достигает значения Y, когда значительно превышен нормальный рабочий уровень Y вод, изображенный на фиг.2. Обычно в таких системах срабатывает аварийный поплавковый датчик 19, включающий систему аварийного сброса жидкости. Однако в данном устройстве можно обойтись без аварийной сигнализации, т.к. с увеличением столба жидкости над входным отверстием 9 выше нормального рабочего уровня Y срабатывает процесс выталкивания пузырьков воздуха от форсунки 7 в обратную сторону - на выход из трубопровода 4 к выходному патрубку 3, т.е. большее колено 5 трубопровода 4 начинает работать как эрлифт. Происходит быстрый сброс излишков жидкости из емкости 1, выравнивается общий уровень сточных вод в системе, а после достижения нормального рабочего уровня жидкости Y процесс выталкивания пузырьков через диафрагму 12 возобновляется. Рассчитав или отрегулировав отверстие в диафрагме 12 в зависимости от заданной производительности установки, можно достичь оптимальной продолжительности нахождения сточных вод в зоне биологической очистки. Причем чем меньше отверстие в диафрагме 12, тем ниже производительность системы дозирования, а с уменьшением расхода воздуха производительность увеличивается. Благодаря использованию воздушно-клапанного дозатора отстойник системы биологической очистки имеет самовыравнивающийся уровень сточных вод.
В установках высокой производительности, особенно таких, у которых бывают большие одномоментные сбросы сточных вод, целесообразно использовать несколько дополнительных меньших колен 6, выполненных в виде трубок 20, связанных в нижней зоне трубопроводом 4 (см. фиг.3). При таком выполнении воздушно-клапанного дозатора на дозированный проход жидкости через входные отверстия 9 работают одновременно все трубки 20. Они не только увеличивают количество пропускаемой очищенной жидкости, но и повышают равномерность разбивания и аэрации биопленки на поверхности жидкости в емкости 1.
В уравнивающих аэротенках 21 (см. фиг.4) с воздушно-клапанным дозатором система аэрации 22 обеспечивает эффект «кипения» сточных вод и способствует процессам «разбивания» органических фрагментов, разложения и окисления органических веществ, а воздушно-клапанный дозатор обеспечивает самовыравнивающийся уровень сточных вод, регулируя слив жидкости из аэротенка 21, упрощая его конструкцию и повышая надежность работы всей установки.
2
2
Воздушно-клапанный дозатор в канализационно-насосной станции (см. фиг.5) обеспечивает надежное отсечение плавающего мусора при максимальном дозировании количества жидкости в системе. Причем достигается это простым и надежным средством - использованием трубопровода 4 отвода жидкости J-образной формы, установленным таким образом, что меньшее колено 6 трубопровода 4 расположено в емкости 1, а большее колено 5 с вертикальным выходным патрубком 3 расположено в дополнительной емкости 23, снабженной насосной установкой 24. При достижении некоего критического уровня Y столба жидкости в емкости 1 слив через входное отверстие 9 прекращается, сохраняя оптимальное количество жидкости в емкости 1. Этим обеспечивается поддержание стабильного нижнего уровня Y сточных вод в устройстве до поступления новой порции сточных вод. При поступлении в емкость 1 новой порции жидкости ее уровень начинает подниматься. Пока уровень сточных вод не достигнет своего заданного значения, не будет работать воздушно-клапанный дозатор. Пузырьки воздуха от форсунки 7 отталкивают любые частички и биообразования, не пропуская их на выход из емкости 1 в дополнительную емкость 23. Аварийный сброс жидкости из емкости 1 в канализационно-насосной системе работает так же, как изображено на фиг.2. Это особенно актуально для сильных дождей, когда в систему канализации прорываются дождевые и ливневые воды.
2
3
2
Экспериментальные исследования воздушно-клапанного дозатора показали, что с увеличением расхода воздуха через форсунку 7 уменьшается производительность всей установки, а с увеличением отверстия 9 в диафрагме 12 увеличивается производительность установки. В таблице приведены результаты исследований для диафрагмы 12 с диаметром отверстия 9, равным 25 мм, и диаметром трубопровода 4, равным 110 мм. Примерный расход жидкости составил 1000 литров в час при изменении уровня от низшего Y до уровня Y, находящегося выше уровня Y на 50 см, а затем наступал аварийный слив.
Диаметр выходного отверстия воздушной форсунки, мм
Время перекачки одного кубометра воды
0,6
6 часов 40 мин
0,8
10 часов 26 мин
0,9
11 часов 27 мин
1,0
11 часов 59 мин
1,1
13 часов 40 мин
1,2
17 часов 22 мин
Устойчивые результаты эксперимента были получены при соотношении размеров сечения отверстия 9 в диафрагме 12 и сечения трубы меньшего колена 6 трубопровода 4 от 0,1 до 0,9. Таким образом, установлено, что производительность системы подлежит регулированию в широких диапазонах с сохранением основных достоинств воздушно-клапанного дозатора - простоты и устойчивости процесса дозирования жидкости в широком диапазоне изменяемого уровня жидкости в системе.
1
2
3
1
Способ дозированного удаления жидкости, реализованный в перечисленных устройствах с использованием воздушно-клапанного дозатора, включает подачу жидкости в емкость 1 через входной патрубок 2 и выведение жидкости самотеком за пределы емкости 1 через выходной патрубок 3. Дозирование жидкости для выведения из емкости 1 осуществляют в ее средней зоне на высоте H через диафрагму 12 входного отверстия 9 меньшего колена 6 трубопровода 4, расположенного ниже днища 10 выходного патрубка 3. Выведение жидкости через трубопровод 4 отвода жидкости, выполненный J-образной формы, осуществляют в зоне Y предельного нижнего уровня жидкости, находящейся выше уровня отбора и дозирования жидкости. Изменение скорости удаления жидкости из емкости 1 осуществляют посредством регулирования подачи воздуха в зону формирования пузырькового клапана - форсунку 7, расположенную в меньшем колене 6 выше кромки нижнего изгиба 11 трубопровода 4. В случае резкого повышения уровня жидкости до Y в емкости 1 и при превышении ее максимального рабочего уровня Y под действием давления столба жидкости над зоной отбора происходит аварийный слив жидкости, меняется направление воздушного потока от форсунки 7 на противоположное. Причем воздушный поток от форсунки 7 используют как эрлифт для вывода жидкости из емкости 1 через трубопровод 4. При использовании воздушно-клапанного дозатора в очистных сооружениях или в системах с загрязненной жидкостью после подачи жидкости в емкость 1 производят ее отстаивание и аэрацию поверхности жидкости в зоне дозирования с отталкиванием твердых частиц из этой зоны, причем для аэрации поверхности жидкости в зоне дозирования используют воздух, поступающий вверх от воздушного пузырькового клапана из форсунки 7.
Использование воздушно-клапанного дозатора во всех перечисленных системах обеспечивает упрощение их конструкции при уменьшении расхода энергии на обработку и повышении надежности ее работы. Устройство отличается простотой исполнения, экономичностью в работе и в обслуживании. Конструкция воздушно-клапанного дозатора позволяет всем перечисленным системам эффективно работать не только в нормальном, но и в аварийном режимах. Но для обеспечения дополнительной безопасности систему можно оснастить блоком управления 14 с аварийной сигнализацией 18 и аварийным поплавковым датчиком 19. В этом случае при наступлении аварийного режима в системе блок управления отключает поступление воздуха к форсунке 7, после чего происходит увеличение производительности сброса лишней жидкости через трубопровод 4 до оптимального уровня для дальнейшей работы системы. После этого блок управления 14 дает сигнал на подачу воздуха к форсунке 7 и устройство начинает работу в штатном режиме.
Таким образом, технический результат, достигаемый с использованием заявленного изобретения, заключается в улучшении способа дозированного слива жидкости и упрощении устройства для дозированного слива жидкости, уменьшении энергозатрат на регулирование уровня жидкости в системе с резким перепадом количества поступающей жидкости при достижении безаварийного режима и повышении надежности ее работы за счет формирования в системе слива динамического запирающего пузырька, выполняющего роль дозатора.