УСТРОЙСТВО ДЛЯ РЕГУЛИРОВАНИЯ РАСХОДА И ОЧИСТКИ СТОЧНЫХ ВОД
DEVICE FOR ADJUSTMENT OF FLOW AND TREATMENT OF WASTE WATER

Изобретение относится к канализации (водоотведению) и может применяться для регулирования (усреднения) расходов и очистки бытовых, производственных и дождевых сточных вод. Может быть использовано также в водоснабжении для регулирования расхода и очистки промывных вод, поступающих от осветлительных или обезжелезивающих фильтров. Наиболее предпочтительной областью использования является регулирование расхода и очистки дождевых сточных вод, отводимых с территории населенных пунктов и (или) промышленных предприятий, а также с дорог и мостов.
Известно устройство [1] для регулирования расхода и очистки сточных вод, имеющее название «Регулирующий резервуар» и содержащее разделенную на части емкость, подающий трубопровод, трубопровод опорожнения. В представленном устройстве каждая секция емкости снабжена отстойной камерой улавливания нерастворенных примесей, оборудованной трубопроводами для периодического взмучивания и удаления осадка (ила) в резервуар насосной станции.
К недостаткам устройства следует отнести высокую влажность удаляемого из отстойника осадка, обусловленную тем, что транспортировка осадка к приямку осуществляется путем взмучивания водой, а вода разбавляет этот осадок. Высокая влажность осадка является причиной низкого эффекта очистки от взвешенных веществ, т.к. разбавленный осадок не целесообразно направлять на дальнейшую переработку, поэтому его перекачивают в резервуар канализационной насосной станции, откуда он снова поступает в регулирующий резервуар, увеличивая концентрацию взвешенных веществ на входе в регулирующий резервуар и снижая тем самым общий эффект очистки от взвешенных веществ. К недостаткам относится также отсутствие возможности очистки воды от плавающих примесей.
Известен отстойник-усреднитель [2], предназначенный для приема, отстаивания и обработки промывных вод скорых фильтров с целью их повторного использования. Отстойник-усреднитель содержит корпус, разделенный вертикальными перегородками на емкости отстойную, регулирующую и сборную, подающие и отводящие трубопроводы и систему удаления осадка. У этого отстойника средняя часть перегородки между отстойной и регулирующей емкостями выполнена подвижной в сторону отстойной емкости. Она закреплена шарнирно на высоте максимального уровня воды. Над подвижной перегородкой расположены окна на отметке выше максимального уровня воды в отстойной емкости на величину, равную потерям напора в отверстиях перегородки для сбора воды.
При залповом поступлении воды в отстойную емкость вода переливается через окна из отстойной емкости в регулирующую емкость, а по окончании залпового сброса снова возвращается в отстойную емкость через подвижные перегородки. Система удаления осадка из отстойной и регулирующей емкости выполнена гидравлической напорной.
Приведенный отстойник-усреднитель характеризуется высокой влажностью отводимого из него осадка и низким эффектом очистки от взвешенных веществ, связанным с наличием гидравлической системы для удаления осадка. В нем также не возможна очистка воды от плавающих примесей.
Известен радиальный отстойник [3], содержащий цилиндрическую емкость, систему подачи очищаемой воды, систему отвода очищенной воды, средство удаления ила в виде фермы со скребками, и привод, причем средство удаления ила представляет собой подвижную ферму, соединенную со скребками, установленными с возможностью перемещения придонного ила в иловый приямок, сообщенный с илососом, при этом центр фермы совмещен с центром корпуса, а сама ферма установлена под уровнем воды. В этом отстойнике подвижная ферма представляет собой кольцевую опору, соединенную, по меньшей мере, четырьмя перемычками с центральной осью корпуса. У отстойника по внешнему периметру кольцевой опоры фермы прикреплена сплошная бегущая дорожка в форме кольца, ориентированная перпендикулярно относительно торца кольцевой опоры, кольцевая опора касается роликов, установленных в горизонтальной плоскости, перпендикулярно оси корпуса, при этом между бегущей дорожкой и стенкой корпуса расположен, фрикционный механизм, соединенный с приводом, расположенным над поверхностью воды.
В представленном устройстве удается обеспечить удаление из отстойника осадка с более низким содержанием воды, однако это достигается усложнением конструкции отстойника, обусловленным наличием 2 колец большого диаметра (близкого к диаметру отстойника). Учитывая, что конструкции отстойников обычно имеют значительные размеры (в Российской Федерации типовые конструкции отстойников имеют размеры 18, 24 и 30 м), наличие указанных колец является также причиной высокой материалоемкости (металлоемкости) конструкции.
У такого отстойника отсутствует возможность очистки воды в случае неравномерной ее подачи в отстойник. Отстойник может выполнять только функции удаления из воды взвешенных веществ и плавающих примесей, но не может одновременно с этим обеспечивать регулирование (усреднение) расхода.
Наиболее близким к заявленному изобретению является устройство в виде радиального отстойника [4], содержащего цилиндрическую емкость, систему подачи очищаемой воды, систему отвода очищенной воды, средство удаления ила в виде фермы со скребками, наделенной возможностью вращения в горизонтальной плоскости вокруг оси, совмещенной с осью цилиндрической емкости, при этом скребки установлены с возможностью перемещения придонного ила в иловый приямок, сообщенный с илососом, а ферма со скребками установлена под уровнем воды и оборудована соединенным с ней приводом фермы. Описанное устройство принято за прототип изобретения.
В этом устройстве ферма со скребками соединена с приводом посредством ведущего вертикального вала с прикрепленным к нему ведущим колесом, кинематически соединенным тяговой цепью с направляющими колесами, а система отвода очищенной воды выполнена в виде кольцевого лотка.
В устройстве удается снизить материалоемкость, однако его недостатком является невысокая надежность, обусловленная влиянием на работу средства удаления ила тепловых удлинений тяговой цепи при колебании температуры воды. При таких удлинениях тяговая цепь провисает и выходит из зацепления с колесами. Особенно велики удлинения при изготовлении тяговой цепи из пластмассы, для которой температурный коэффициент линейного расширения более чем в 10 раз выше, чем для стали.
В радиальных отстойниках большой высоты (более 4 м) дополнительное снижение надежности обусловлено наличием длинного ведущего вертикального вала, что приводит к его биению (чем длиннее вал, тем выше вероятность его биения).
Другим недостатком устройства является сложность его реализации, обусловленная уникальностью изготовления ведущего колеса и тяговой цепи. Указанные элементы могут изготавливаться только на специализированных предприятиях с высокой степенью оснащенности сложным оборудованием.
У приведенного радиального отстойника отсутствует возможность очистки воды в случае неравномерного ее поступления в радиальный отстойник, в т.ч. при залповых притоках. Отстойник может выполнять только функции удаления из воды взвешенных веществ, но не может одновременно с этим обеспечивать регулирование (усреднение) расхода. Он также не может обеспечить очистку воды от плавающих примесей.
Техническая задача, решаемая посредством настоящего изобретения, состоит в создании конструкции устройства, способного работать при переменной температуре воды и при любой высоте устройства. При этом устройство должно обеспечить очистку воды от оседающих и плавающих примесей с одновременным регулированием расхода.
Техническим результатом изобретения является повышение надежности работы устройства, упрощение конструкции и обеспечение возможности очистки воды от оседающих и плавающих примесей при неравномерном притоке.
Для решения указанной задачи предлагается устройство для регулирования расхода и очистки сточных вод, в котором ферма со скребками соединена с приводом фермы через систему горизонтальных и вертикальных блоков, барабан реверсивной лебедки и трос, намотаный хотя бы одним витком на барабан реверсивной лебедки и прикрепленный своими концами к периферийному концу фермы, при этом горизонтальные и вертикальные блоки прикреплены с помощью кронштейнов к стенке емкости с ее внутренней стороны, узел крепления троса к ферме выполнен со стороны троса, обращенной к стенке емкости, а зазор между нижней плоскостью горизонтального блока и верхом кронштейна меньше диаметра троса; внутри цилиндрической емкости расположена система сбора плавающих примесей в виде плавучего скиммера с прикрепленным к нему гибким трубопроводом отвода плавающих примесей, при этом система отвода очищенной воды также дооборудована гибким трубопроводом, один конец которого погружен под уровень воды и прикреплен к скиммеру. Погруженный под уровень воды конец гибкого трубопровода системы отвода очищенной воды дооборудован присоединенной к нему дополнительной трубой, сообщающей внутреннюю полость гибкого трубопровода с атмосферой вблизи его входного сечения, а глубина погружения входного сечения гибкого трубопровода соответствует расходу в системе отвода очищенной воды.
Устройство дополнительно содержит переливной трубопровод, входное сечение которого размещено ниже аварийного уровня воды в цилиндрической емкости на глубине, соответствующей расходу воды в переливном трубопроводе, а внутренняя полость переливного трубопровода сообщена с атмосферой вблизи его входного сечения. Предлагаемое устройство оборудовано подставкой под скиммер с высотой, превышающей высоту зоны накопления ила.
В процессе работы устройства вода поступает в цилиндрическую емкость через систему подачи очищаемой воды с расходом, превышающем расход через систему отвода очищенной воды, в результате чего уровень воды в цилиндрической емкости начинает повышаться. При подъеме уровня воды в емкости на высоту, достигающую конца гибкого трубопровода системы отвода очищенной воды, вода начинает отводиться из емкости с постоянным расходом, соответствующим глубине погружения входного сечения гибкого трубопровода. Одновременно с описанным движением воды через емкость протекают процессы осаждения взвеси на дно емкости и всплытия плавающих примесей, например, нефтепродуктов. Последние посредством скиммера отводятся из емкости, например, в нефтесборник. Из осевшей на дно отстойника взвеси формируется ил, который сгребается средством перемещения ила в виде фермы со скребками в иловый приямок, откуда илососом отводится за пределы емкости.
При включении привода фермы барабан лебедки приводится во вращение, в результате чего один конец троса начинает наматываться на барабан лебедки, а другой конец троса сматываться с барабана. Вращение барабана лебедки приводит к повороту фермы со скребками и перемещению придонного ила в иловой приямок, сообщенный с илососом. При движении троса узел его крепления к ферме проходит между блоком и поверхностью внутренней стенки емкости. При достижении края приямка барабан реверсивной лебедки выключается из работы, а затем включается для вращения в противоположную сторону (например, по сигналу от конечного выключателя). После такого переключения перемещение придонного ила в иловой приямок осуществляется к другой стороне приямка описанным выше образом, после чего цикл повторяется.
При поступлении в устройство объемов воды, превышающих расчетные значения (например, при редких дождях большой интенсивности), в работу включается переливной трубопровод. В случае переработки всего объема воды в отстойнике скиммер опускается на подставку и отвод воды из емкости прекращается до нового поступления в нее очищаемой воды.
Новым в заявленном изобретении является:
- соединение фермы со скребками с приводом фермы через систему горизонтальных и вертикальных блоков, барабан реверсивной лебедки и трос, намотанный хотя бы одним витком на барабан реверсивной лебедки и прикрепленный своими концами к периферийному концу фермы, при этом горизонтальные и вертикальные блоки прикреплены с помощью кронштейнов к стенке емкости с ее внутренней стороны, узел крепления троса к ферме выполнен со стороны троса, обращенной к стенке емкости, а зазор между нижней плоскостью горизонтального блока и верхом кронштейна меньше диаметра троса;
- дооборудование устройства системой сбора плавающих примесей, с прикрепленными к нему концом гибкого трубопровода отвода плавающих примесей и концом гибкого трубопровода системы отвода очищенной воды;
- размещение входного сечения трубопровода системы отвода очищенной воды на глубине, соответствующей расходу в системе отвода очищенной воды;
- дооборудование устройства переливным трубопроводом, с размещением его входного сечения на глубине, соответствующей расходу воды в переливном трубопроводе;
- сообщение внутренней полости трубопровода системы отвода очищенной и переливного трубопровода с атмосферой вблизи входного сечения;
- оборудование устройства подставкой под скиммер, равной высоте зоны накопления ила.
Использование указанных отличительных признаков в устройствах для регулирования расхода и очистки сточных вод с целью повышения надежности работы устройства, упрощения конструкции и обеспечения возможности очистки воды от оседающих и плавающих примесей при неравномерном притоке не выявлено из существующего уровня техники, что позволяет сделать вывод о соответствии заявляемого изобретения критерию «изобретательский уровень».
Соединение фермы со скребками с приводом фермы через систему горизонтальных и вертикальных блоков, барабан реверсивной лебедки и трос, намотанный хотя бы одним витком на барабан реверсивной лебедки и прикрепленный своими концами к периферийному концу фермы, обеспечивает повышение надежности работы устройства и приводит к упрощению его конструкции. Размещение узла крепления троса к ферме со стороны троса, обращенной к стенке емкости, обеспечивает беспрепятственное прохождение этого узла через зазор между стенкой емкости и блоком. Ограничение зазора между нижней плоскостью горизонтального блока и верхом кронштейна таким образом, чтобы он был меньше диаметра троса, позволяет дополнительно повысить надежность работы устройства, т.к. в этом случае возможное смещение троса относительно канавки блока не приводит к аварийной остановке устройства - при включении барабана лебедки трос натягивается и снова перемещается в канавку блока.
Здесь исключается влияние изменения температуры и увеличения высоты емкости на надежность работы устройства. Кроме этого расширяются возможности по увеличению усилия для обеспечения движения фермы, в том числе и в случаях сгребания уплотненного ила.
Оборудование емкости системой сбора плавающих примесей в виде плавучего скиммера с прикрепленными к нему концами гибкого трубопровода для отвода плавающих примесей и гибкого трубопровода системы отвода очищенной воды, последний из которых погружен под уровень воды, дает возможность исключить влияние переменного уровня на качество очистки воды и обеспечить саму эту очистку с одновременным регулированием расхода. Расход очищенной воды, отводимый из установки, остается неизменным на всем протяжении цикла «заполнение-опорожнение» и не зависит от притока очищаемой воды и уровня воды в емкости. Численной характеристикой качества регулирования может быть погрешность регулирования, представляющая собой отношение разницы между максимальным и минимальным значениями расхода в системе отвода очищенной воды к среднему значению этого расхода. В предлагаемом устройстве указанное отношение (величина погрешности регулирования) близка к 0.
Сообщение внутренней полости гибкого трубопровода системы отвода очищенной воды и внутренней полости переливного трубопровода с атмосферой вблизи их входных сечений дополнительно снижает погрешность регулирования, предотвращая образование воронки, и исключает поступление плавающих примесей в упомянутые трубопроводы.
Оборудование устройства подставкой под скиммер, высота которой превышает высоту зоны накопления ила, способствует повышению качества очистки, исключая попадание ила в систему отвода очищенной воды.
Заявляемое изобретение поясняется чертежом, где на фигуре 1 показана схема устройства, на фигуре 2 - чертеж крепления горизонтального блока к стенке емкости, а на фигуре 3 - план емкости.
Устройство для регулирования расхода и очистки сточных вод содержит цилиндрическую емкость 1, систему подачи очищаемой воды 2, систему отвода очищенной воды 3, средство перемещения ила в виде фермы со скребками 4, наделенной возможностью вращения в горизонтальной плоскости вокруг оси 5, совмещенной с осью цилиндрической емкости, при этом скребки (на чертеже не показаны) установлены с возможностью перемещения придонного ила в иловый приямок 6, сообщенный с илососом 7, а ферма со скребками установлена под уровнем воды (на чертеже не показан) и оборудована соединенным с ней приводом фермы 8. Ферма со скребками 4 соединена с приводом фермы 8 посредством системы горизонтальных 9 и вертикальных 10 блоков, барабана реверсивной лебедки 11 и троса 12, намотанного хотя бы одним витком на барабан реверсивной лебедки 11 и прикрепленного своими концами к периферийному концу фермы 4. Горизонтальные 9 и вертикальные 10 блоки прикреплены с помощью кронштейнов к стенке емкости с ее внутренней стороны, при этом узел крепления 21 фермы к тросу выполнен со стороны троса 12, обращенной к внутренней стенке емкости 1, а зазор между нижней плоскостью горизонтального блока 9 и верхом кронштейна 22 меньше диаметра троса.
Внутри цилиндрической емкости расположена система сбора плавающих примесей в виде плавучего скиммера 13 с прикрепленным к нему концом гибкого трубопровода отвода плавающих примесей 14, при этом система отвода очищенной воды 3 также дооборудована гибким трубопроводом 15, один конец 16 которого погружен под уровень воды и прикреплен к скиммеру 13. Погруженный под уровень воды конец 16 гибкого трубопровода 15 системы отвода очищенной воды дооборудован присоединенной к нему дополнительной трубой 17, сообщающей внутреннюю полость гибкого трубопровода 15 с атмосферой вблизи его конца 16.
Устройство дополнительно содержит переливной трубопровод 18, входное сечение 19 которого размещено ниже аварийного уровня воды в цилиндрической емкости. При этом внутренняя полость переливного трубопровода сообщена с атмосферой трубой 20.
Устройство содержит подставку 23 под скиммер 13, высота которой превышает высоту зоны накопления ила. Указанная подставка может быть установлена на дно емкости или прикреплена к скиммеру.
Работа устройства для регулирования расхода и очистки сточных вод осуществляется следующим образом. В цилиндрическую емкость 1 через систему подачи очищаемой воды 2 подают воду с расходом, превышающим расход через систему отвода очищенной воды 3, в результате чего уровень воды в цилиндрической емкости начинает повышаться. Одновременно с этим в емкости протекает процесс выпадения взвешенных веществ на дно емкости и перемещение плавающих примесей к поверхности воды. Из взвешенных веществ на дне емкости формируется ил, который сгребается средством перемещения ила в виде фермы со скребками 4. Ил сгребается при неполном повороте фермы со скребками 4 вокруг оси 5 в иловый приямок 6, откуда илососом 7 откачивается за пределы цилиндрической емкости 1.
Поворот фермы со скребками 4 вокруг оси 5 осуществляется при включении привода 8, который приводит во вращение барабан реверсивной лебедки 11, в результате чего один конец троса 12 начинает наматываться на барабан лебедки, а другой конец троса 12 сматываться с барабана, что приводит к упомянутому повороту фермы. Движение троса при этом направляется горизонтальными блоками 9 и вертикальными блоками 10. В процессе движения троса 12 узел крепления 21 проходит через зазор между горизонтальным блоком 9 и внутренней поверхностью стенки емкости 1.
При достижении фермой со скребками 4 края илового приямка 6 барабан реверсивной лебедки 11 переключается на вращение в противоположную сторону (например, по сигналу от конечного выключателя - на чертеже не показан). После такого переключения перемещение придонного ила осуществляется к другой стороне илового приямка 6 описанным выше способом, после чего цикл повторяется.
Сбор плавающих примесей с поверхности осуществляется известным образом посредством плавучего скиммера 13 через присоединенный к нему конец гибкого трубопровода 14.
При дальнейшем подъеме уровня воды в цилиндрической емкости на высоту, достигающую конца 16 гибкого трубопровода 15, вода начинает отводиться из емкости через систему отвода очищенной воды 3 с постоянным расходом, соответствующим глубине погружения конца 16 гибкого трубопровода под уровень воды в емкости. В процессе движения воды через входное сечение конца 16 гибкого трубопровода 15 давление на начальном его участке поддерживается равным атмосферному посредством трубы 17, что исключает возможность образования воронки и подсасывания плавающих примесей в систему отвода очищенной воды 3.
При поступлении в устройство объемов воды, превышающих расчетные значения (например, при редких дождях большой интенсивности), в работу включается переливной трубопровод 18, вода в который поступает через входное сечение 19 с глубины, определяемой расчетом по известному расходу при переливе. Для исключения возможности образования воронки и подсасывания плавающих примесей давление вблизи входного сечения 19 уравновешивается посредством трубы 20. Глубина погружения входного сечения конца 16 гибкого трубопровода 15 и входного сечения 19 переливного трубопровода 18 определяется по формуле, известной из гидравлики
где λ - коэффициент гидравлического сопротивления системы отвода очищенной воды 3 или переливного трубопровода 18;
L - длина трубопровода системы отвода очищенной воды 3 или переливного трубопровода 18;
d - диаметр трубопровода системы отвода очищенной воды 3 или переливного трубопровода 18;
Σξi - сумма коэффициентов, учитывающих местные гидравлические сопротивления в трубопроводах системы отвода очищенной воды 3 или в переливном трубопроводе 18;
g - ускорение свободного падения;
v - скорость движения воды в трубопроводе системы отвода очищенной воды 3 или в переливном трубопроводе 18.
Скорость движения воды в трубопроводе находится из формулы
2
v=4Q/πd,
где Q - расход в трубопроводе системы отвода очищенной воды 3 или в переливном трубопроводе 18.
В случае переработки всего объема воды в отстойнике скиммер 13 опускается на подставку 23, высота которой превышает высоту зоны накопления ила. На этом процесс переработки поступившего в устройство залпового притока завершается и устройство готово к приему и переработке новых объемов сточных вод. В случае поступления в емкость 1 небольшого расхода очищаемой воды, устройство работает описанным выше образом, при этом уровень воды и, соответственно, скиммер 13 в емкости 1 поднимаются на меньшую высоту, однако расход в системе отвода очищенной воды 3 остается неизменным.
Таким образом, в устройстве обеспечивается увеличение степени очистки воды от оседающих и плавающих примесей с одновременным регулированием расхода, при этом повышается надежность работы устройства и обеспечивается упрощение его конструкции.
Устройство для регулирования расхода и очистки сточных вод и ее работа не содержат элементов и операций, которые могут оказаться невыполнимыми при существующем уровне развития техники, что позволяет сделать вывод о соответствии заявляемого изобретения критерию «промышленная применимость».
Источники информации
1. Патент RU 2124480 C1, E03F 5/10, C02F 1/00, 10.01.99.
2. Патент RU 2131500 C1, C02F 1/00, 10.06.99.
3. Патент RU 2164437 C2, B01D 21/06, 27.03.2001.
4. Компания Finnchain [Электронный ресурс]: Продукция. Системы для радиальных отстойников. URL: http://www.fimchain.fi/sistemy-dlja-radialnyx-otstojnikov.htm (дата обращения 04.02.2014).