Устройство биологической очистки сточных вод

Предлагаемое техническое решение относится к устройствам непрерывного действия для очистки промышленных, хозяйственно-бытовых и сельскохозяйственных сточных вод и может найти применение на локальных системах очистки предприятий химической, пищевой и смежных отраслях промышленности, городских очистных сооружениях, в сельском хозяйстве.
Известна конструкция цилиндрического электрофлотационного аппарата с горизонтально расположенным дном и сетчатым катодом, близким по площади к дну аппарата, и вертикальным подвижным стержневым анодом, установленным ассиметрично с аппаратом над сетчатым катодом. Подвижный анод позволяет менять расстояние между электродами и тем самым регулировать плотность тока (Современное состояние и перспективы применения электролитической флотации веществ. Ч. 2 / А.А. Мамаков. - Кишинёв: «Штиинца», 1975. - С. 68-69).
К причинам, препятствующим достижению заданного технического результата, относится крайняя неравномерность распределения пузырьков электролитических газов по сечению аппарата, что приводит к необходимости увеличения времени пребывания обрабатываемой жидкости. Применение сетчатого катода приводит к осаждению на нем крупных хлопьев коагулируемых частиц, особенно на периферии, где электролиз с выделением пузырьков электролитических газов наименьший. Это требует периодической остановки аппарата и промывки сетки катода, увеличивающие время простоя в ремонте и, соответственно, снижающие производительность аппарата.
Известно устройство биологической очистки сточных вод, состоящее из резервуара с входным и выходным патрубками исходной и очищенной воды, электродной системы, установленной в нижней части резервуара, состоящей из анода и катода, выполненных в виде сетки из металлической проволоки, закрепленной на боковых стенках вертикально установленных пластин, при этом диаметр проволоки сетки анода в 2-5 раз больше диаметра проволоки сетки катода, и над анодом установлена решетка, на которой расположена насадка для прикрепления микроорганизмов (Патент на полезную модель РФ № 86945, опубл. 20.09.2009).
К причинам, препятствующим достижению заданного технического результата, относится неравномерность подачи газов электролиза в жидкость и не одинаковый ток пластин при цилиндрической форме резервуара, что приводит к неравномерности обработки жидкости газами электролиза и снижению производительности аппарата.
Наиболее близким техническим решением по совокупности признаков к заявляемому устройству и принятому за прототип, является устройство биологической очистки сточных вод, состоящее из резервуара с входным и выходным патрубками исходной и очищенной воды, электродной системы, установленной в нижней части резервуара и состоящей из вертикальных анодов и катодов, каждая пара которых имеет форму цилиндров и закреплена на боковых поверхностях разделяющего их кольца, выполненного из диэлектрического материала, при этом высота каждого цилиндра определяется в виде пропорции:
1
2
a1
a2
где  h, h - соответственно высота смежных цилиндрических анодов, имеющих радиусы r, r, м;
δ - кольцевой зазор между смежными анодом и катодом, м (Патент на полезную модель РФ № 129500, опубл. 27.06.2013).
К причинам, препятствующим достижению заданного технического результата, относятся утечки тока сверху и снизу между анодами и катодами, провоцирующие растворение анодов и, как следствие, уменьшающие срок службы их, увеличивающие время простоя в ремонте и, соответственно, снижающие производительность аппарата.
Техническим результатом предлагаемой полезной модели является повышение производительности аппарата.
Поставленный технический результат достигается тем, что устройство биологической очистки сточных вод, состоящее из резервуара с входным и выходным патрубками исходной и очищенной воды, электродной системы, установленной в нижней части резервуара и состоящей из вертикальных анодов и катодов, каждая пара которых имеет форму цилиндров и закреплена на боковых поверхностях разделяющего их кольца, выполненного из диэлектрического материала, при этом высота каждого цилиндра определяется в виде пропорции:
1
2
где  h, h - высота смежных цилиндрических анодов, м;
a1
a2
r, r - радиусы смежных цилиндрических анодов, м;
δ - кольцевой зазор между смежными анодом и катодом, м;
причем высота кольца сверху и снизу больше высоты анода и катода на величину Δh, равную кольцевому зазору:
Δh = δ.     (2)
Разделительное кольцо, выполненное из диэлектрического материала, высотой сверху и снизу больше высоты смежных анода и катода на размер δ, то есть соответствует формуле (2), предотвращает утечки тока от катода к аноду, а, соответственно, растворение торцов анода, увеличивает срок его службы, сокращает время простоев в ремонте и, соответственно, увеличивает производительность аппарата.
При величине Δh меньше величины δ снижается электрическое сопротивление и увеличивается ток от торца анода к катоду, и, соответственно, дополнительное растворение анода. Это уменьшает срок основной работы электродной системы, увеличивает время ремонта системы, в том числе, за счет замены и очистки электродов от отложений, связанных с продуктами электролиза и с растворением анодных платин, что снижает производительность аппарата.
На фиг. 1 показан общий вид устройства, на фиг. 2 - вид А на фиг. 1.
Устройство состоит из цилиндрического резервуара 1 с входным патрубком 2 исходной воды и выходным патрубком 3 очищенной воды, крышки 4 с патрубком 5 для отвода газов электролиза в систему вентиляции, днища 6 с патрубком 7 для отвода шлама, электродной системы, установленной в нижней части резервуара 1 и состоящей из вертикально установленных анодов 8 и катодов 9, выполненных в виде цилиндров и попарно закрепленных на разделяющих их кольцах 10, выполненных из диэлектрического материала, высотой сверху и снизу больше высоты смежных анода 8 и катода 9 на соответствующую выражению (2) величину Δh = δ, где Δh - разница высот между разделительным кольцом 10 и смежными анодом 8 и катодом 9 сверху и снизу, м; δ - кольцевой зазор между смежными анодом 8 и катодом 9, м.
Аноды 8 подключены к положительному полюсу 11 источника постоянного тока, а катоды 9 – к его отрицательному полюсу 12. Резервуар имеет заземление 13.
1
2
a1
a2
Зазоры между смежными анодами 8 и катодами 9 одинаковые и равны δ, а высота цилиндров hи h, радиусы r и r анодов 8 и зазор δ между смежными анодами 8 и катодами 9, определяются соотношением (1):
Устройство биологической очистки сточных вод работает следующим образом.
Подают потенциал на аноды 8 и катоды 9 от источника постоянного тока. По патрубку 2 в резервуар 1 подают очищаемую жидкость. В зазоре δ между смежными анодами 8 и катодами 9 идет ток через очищаемую воду как проводник II рода. На поверхности анодов 8 выделяются пузырьки кислорода, а на поверхности катодов 9 пузырьки водорода. За счет того, что разделяющие кольца 10,выполненные из диэлектрического материала, на которых попарно закреплены аноды 8 и катоды 9, при этом высота разделяющего кольца 10 сверху и снизу больше высоты смежных анода 8 и катода 9 на величину Δh равную величине кольцевого зазора δ, то есть соответствует формуле (2), то утечки тока от катода к аноду не происходит, а, соответственно, и торцы анода не растворяются. Пузырьки кислорода взаимодействуют с взвешенными частицами активного ила и микроорганизмов, находящимися в очищаемой воде, что приводит к биологическому окислению органики в очищаемой воде. Кроме того пузырьки водорода и кислорода, поднимаясь вверх, сталкиваясь с взвешенными частицами, выносят их при флотации в пену. Отработанная смесь газов электролиза отводится по патрубку 5 в систему вентиляции, крупные частицы, образующиеся в результате коагуляции, опускаются вниз на днище 6 резервуара 1 и по патрубку 7 отводятся в шламонакопитель. Очищенная вода отводится из резервуара 1 по патрубку 3.
Пример1 (конструкция устройства по прототипу).
a
пр
2
2
Согласно данным таблицы 1 прототипа (Патент на полезную модель РФ № 129500, опубл. 27.06.2013), имеем следующие значения параметров конструкции электрофлотатора: радиус цилиндрического корпуса аппарата R = 250 мм; зазор между смежными анодом и катодом δ = 10 мм; толщина пластин анода и катода, образующих цилиндры, ε = 5 мм; количество анодных торцов N = 14; средняя плотность тока j = 94А/м; предельно допускаемая плотность тока (когда аноды практически не растворяются) j = 100А/м.
a
2
Рассмотрим скорость растворения торцов анодных пластин в устройстве, принятом за прототип, когда расстояние между анодом и катодом равно толщине диэлектрического кольца, равного 5 мм. Эта толщина в 2 раза меньше, чем зазор между смежными анодом и катодом, равный δ = 10 мм. Соответственно плотность тока в торцах будет в 2 раза больше, то есть  j = 188А/м, и превысить предельное допускаемое значение в 1,88 раза. В этом случае верхняя часть - торцы анодов быстро растворяются, и продукты растворения попадают в раствор и на стенки анодов и катодов, увеличивая их электрическое сопротивление и снижая производительность по очищаемой жидкости.
Общая площадь поверхности всех торцов составит:
Общий ток в торцах анодов составит:
р
Для анодных пластин, выполненных из ферросилида, скорость растворения составляет ω = 0,5 кг/(А·год) (Основные материалы анодных заземлителей. Сравнительный анализ и область применения / Г.Н. Зорина, В.В. Першуков, Н.М. Католикова // Сфера. Нефть и газ. - 2017. - № 5 (61). - С. 70-72).
Тогда за год эксплуатации электрофлотатора растворение анодов составит:
Пример 2 (заявляемая конструкция устройства)
a
2
В предлагаемой конструкции электрофлотатора (при аналогичных прототипу значениях параметров) средняя плотность тока сверху и снизу между анодами и катодами меньше предельно допускаемой и составляет j = 94А/м из-за того, что высота диэлектрического кольца сверху и снизу, больше высоты смежных анода и катода на размер δ, то есть соответствует формуле (2).
Таким образом, при разности высот Δh колец и закрепленных на них анодов и катодов сверху и снизу, соответствующих условию (2), обеспечивается за счет увеличения срока службы анодов и сокращения времени простоев в ремонте, повышение производительности аппарата.