трубчатый аэрирующий элемент для мелкопузырчатой аэрации

Формула изобретения

Трубчатый аэрирующий элемент для мелкопузырчатой аэрации сточных или обедненных кислородом вод, содержащий каркас и диспергирующий слой, отличающийся тем, что весь элемент образован волокнами термопластичного полимера, сплавленными друг с другом в местах контактов за счет аккумулированного волокнами тепла, причем каркас - внутренний слой толщиной 4 мм, выполнен из волокон диаметром 400-500 мкм, уложенных с плотностью 0,38-0,42 г/см³ , а наружный диспергирующий слой изготовлен из волокон диаметром не более 50 мкм с плотностью укладки 0,54-0,57 г/см³ , причем толщина аэрирующего элемента может быть постоянной, максимальной по его длине и может уменьшаться за счет наружного диспергирующего слоя на 0,5 мм на длине 1 м, но не более чем на 40% от максимальной толщины этого слоя, при этом толщина диспергирующего слоя не может быть меньше 4 мм.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к технике аэрации жидкостей. Предлагаемый аэрирующий элемент может быть использован для насыщения кислородом сточных вод на объектах биологической очистки или обедненных кислородом вод. Растворимость кислорода в воде мала. Поэтому для насыщения ее кислородом необходимо большое количество воздуха, при этом должна быть обеспечена большая поверхность контакта между воздухом и аэрируемой водой. Известны пневматический, механический и пневмомеханический способы аэрации. При пневматическом способе сжатый воздух воздуходувкой подается через пористые плиты или трубы - аэрирующие элементы - в воду, которую необходимо насытить кислородом. Лучше всего процесс аэрации протекает при мелкопузырчатой аэрации. Чем мельче пузырьки воздуха, тем больше поверхность соприкосновения воздуха и воды и тем больше кислорода растворяется в воде, при одном и том же количестве продуваемого через аэратор воздуха.

Известны различные аэрирующие элементы, в том числе и для мелкопузырчатой аэрации.

Так, например, известен трубчатый аэратор /1/, содержащий жесткую трубу-опору с радиальными отверстиями, на которую натянут пленочный рукав с тонкими порами. Труба с рукавом закрыта на концах дискообразными крышками. Последние имеют центральные отверстия, к которым, по меньшей мере, с одной стороны присоединен трубопровод, по которому газ под давлением подается в трубу-опору. Газ проходит через отверстия трубы-опоры, распределяется между трубой-опорой и рукавом по всему объему и выходит через поры пленочного рукава в жидкость, образуя тончайшую дисперсию.

Известен диффузор /2/, содержащий пористую трубку и рубашку из гидрофобного пористого пластика, которая окружает трубу. Рубашка выполнена в виде многослойной обмотки из ленты, причем каждый виток расположен внахлестку на предыдущем.

Труба для аэрации воды /3/ представляет собой опорную перфорированную трубу, на которую одета имеющая тонкую перфорацию резиновая оболочка. Перфорация оболочки преимущественно представляет собой пропускающие сжатый воздух тонкие прорези. Равномерность распределения подводимого к концу рукава сжатого воздуха обеспечивает выполненная в виде спирального шланга, размещенная между опорной трубой и оболочкой перфорированная труба. Для того чтобы волнистость этой трубы не проступала через оболочку, трубу дополнительно обтягивают преимущественно рукавной тканью.

Известно устройство для аэрации жидкостей, например сточных вод /4/, представляющее собой цилиндрическую трубу, на которую в виде чулка насажена резиновая мембрана с отверстиями. В верхней части трубы имеется крышка с наклонными каналами, по которым газ подается в пространство между трубой и мембраной. В зоне крышки мембрана отверстий не имеет. При подаче газа мембрана отжимается от стенок трубы и газ выходит через отверстия в мембране в жидкость. При отсутствии подачи газа мембрана прижимается давлением жидкости к стенкам трубы, предохраняя ее от попадания жидкости внутрь трубы. На концах трубы мембрана крепится хомутом.

В заявке /5/ описан трубчатый аэратор, содержащий трубу с радиальными отверстиями и диспергирующее покрытие, отличающийся тем, что внутренний диаметр диспергирующего покрытия составляет 1,3-1,5 наружного диаметра трубы с радиальными отверстиями. Аэратор дополнительно содержит кольцевые вставки между трубой с радиальными отверстиями и диспергирующим покрытием. Расстояние между кольцевыми вставками составляет 7-23 наружных диаметров трубы с радиальными отверстиями. Суммарная площадь радиальных отверстий в трубе между кольцевыми вставками составляет 0,03-0,16 квадрата внутреннего диаметра диспергирующего покрытия.

В заявке /6/ описан способ и устройство для аэрирования сточных вод. Предложена конструкция аэрирующего элемента, выполняемая полностью из полимерных материалов. В плане элемент имеет вид вытянутого прямоугольника, он включает плоское основание, отличающееся повышенной прочностью, и расположенную над ним с некоторым зазором пористую мембрану. Мембрана обладает определенной эластичностью, по данным автора, это способствует уменьшению риска кольматации и обрастания мембраны биопленкой. Основание имеет в продольном направлении борта, к которым приваривается мембрана. Сообщается, что разработана также технология, в соответствии с которой перфорации на мембрану могут быть нанесены уже после ее соединения с основанием.

Известен способ и устройство для аэрирования сточных вод /7/, предназначенное для мелкого диспергирования воздуха в аэротенках. Оно отличается эластичностью и выполняется в виде ленты, имеющей плотную подложку, на которой с некоторым зазором располагается пористая диспергирующая мембрана. В центре подложки по оси проходит гребень, в котором запрессован шланг для подачи воздуха. На определенной дистанции в шланге имеются перфорации, через которые воздух проходит в пространство между подложкой и диспергирующей мембраной. В связи с эластичностью мембраны предусмотрена структурирующая сетка, которая ограничивает амплитуду ее вертикальных перемещений. Воздух к шлангам подается через вертикальные стояки.

Наиболее близким, из числа известных, по технической сущности и достигаемому результату является пневматический аэратор /8/. Аэратор содержит каркас в виде перфорированной трубы, установленную на ней высокопористую гильзу, наружный диспергирующий слой и промежуточный слой, расположенный между каркасом и гильзой, отличающийся тем, что отверстия трубы выполнены конической формы и расположены со смещением их в соседних рядах, равным половине шага между отверстиями, промежуточный слой выполнен в виде объемного полимерного жгута и установлен навивкой на каркасе в двух направлениях с перехлестом, высокопористая гильза выполнена пневмоэкструзией из волокнистого материала с пористостью 500-600 мкм, а диспергирующий слой выполнен пневмоэкструзией из материала с пористостью 30-80 мкм. Каркас выполнен с размещенными на его обеих сторонах муфтами, при этом одна муфта выполнена наружной, а другая с внутренней сопрягаемыми резьбами.

Практически все известные аэрирующие элементы имеют упрочняющий, опорный каркас (в качестве которого, чаще всего, используется перфорированная металлическая труба) и диспергатор. Кроме того, все они включают в свою конструкцию различные элементы для выравнивания подачи воздуха к диспергатору. Такая конструкция отличается сложностью и соответственно высокой ценой аэрирующих элементов. Изготовление таких аэрирующих элементов, как правило, многостадийный процесс. Кроме того, все известные аэрирующие элементы имеют один серьезный недостаток - воздухопроницаемость их неизменна по всей длине. В то время как при монтаже аэрационной системы на входе в аэротенк, а также на конечных участках распределительной системы, необходимо устанавливать аэрирующие элементы с наибольшей воздухопроницаемостью, так как на этих участках давление воздуха ниже. В идеальном случае, воздухопроницаемость в плети аэрирующих элементов должна постепенно увеличиваться (на входе) до максимальной и затем уменьшаться до минимальной (на выходе). При такой сборке аэрационной системы, выход пузырьков воздуха будет равномерным по всей длине плети аэрирующих элементов.

Цель изобретения - создание простых по конструкции аэрирующих элементов, с помощью которых можно достигнуть равномерного выхода пузырьков воздуха по всей длине плети аэрирующих элементов в аэротенке. А также максимально упростить процесс изготовления аэрирующих элементов.

Поставленная задача решается тем, что предлагаемый трубчатый аэрирующий элемент весь полностью изготовлен из сплавленных между собой в местах контактов волокон термопластичного полимера, например полиэтилена высокого давления. Причем внутренний слой аэрирующего элемента толщиной 4 мм - каркас, выполнен из грубых волокон диаметром 400-500 мкм, уложенных с плотностью 0,38-0,42 г/см³ . Наружный - диспергирующий слой изготовлен из тонких волокон диаметром до 50 мкм, уложенных с плотностью 0,54-0,57 г/см ³. Толщина аэрирующего элемента может быть одинаковой по всей длине (максимальной) и может уменьшаться за счет наружного диспергирующего слоя на 0,5 мм на длине 1 м, но не более чем на 40% толщины диспергирующего слоя. При этом минимальная толщина диспергирующего слоя не может быть меньше 4 мм, так как при меньшей толщине аэрирующий элемент работает неравномерно из-за низких потерь напора.

Внутренний грубоволокнистый слой - каркас служит не только каркасом, но и своеобразным ресивером, выравнивающим подачу воздуха к диспергирующему слою. Кроме того, он выполняет функцию фильтра - удерживает в своем объеме частицы загрязнений, содержащиеся в подаваемом в аэрирующий элемент воздухе, оберегает диспергирующий слой от засорения. Толщина внутреннего слоя 4 мм, при меньшей толщине слой не сможет выполнить свои функции в качестве каркаса, ресивера и фильтра. Так, при меньшей толщине, он не обладает достаточной жесткостью и прочностью, которые требуются для каркаса, не может задержать в своем объеме загрязнения (в большом количестве) как фильтр и не обеспечивает равномерной подачи воздуха к диспергирующему слою как ресивер. Большая толщина не нужна для той функции, которую этот слой выполняет и, более того - нецелесообразна с экономической точки зрения, так как ведет к утяжелению элемента и, следовательно, к его удорожанию. Плотность укладки волокон внутреннего слоя должна быть 0,38-0,42 г/см³. Большей она не должна быть, иначе, из-за высокого сопротивления потоку воздуха, этот слой не выполнит своей функции ресивера. Меньшей она также не должна быть, иначе слой не выполнит свои предназначения в качестве каркаса и фильтра. Диаметр волокон этого слоя 400-500 мкм, при более тонких волокнах аэрирующий элемент не выполняет своих задач как каркас и ресивер. Более грубые волокна не позволят слою выполнить свою функцию фильтра.

Наружный диспергирующий слой выполнен из тонких волокон не более 50 мкм, уложенных с плотностью 0,54-0,57 г/см³ . Если диспергирующий слой образован волокнами с плотностью укладки менее 0,54 г/см³, то размер пузырьков воздуха, выходящих из аэрирующего элемента увеличивается, следовательно, эффективность процесса аэрации при этом уменьшается. Плотность диспергирующего слоя выше 0,57 г/см³ приводит к увеличению сопротивления, создаваемого аэрирующим элементом потоку воздуха, что требует больших затрат энергии на продувку воздуха, что также ведет к снижению эффективности аэрации. Диаметр волокон диспергирующего слоя не должен превышать 50 мкм, иначе увеличивается диаметр выходящих из аэрирующего элемента пузырьков, что ведет к уменьшению эффективности аэрации.

Величина уменьшения толщины аэрирующего элемента - на 0,5 мм на длине 1 м (за счет уменьшения диспергирующего слоя) определена экспериментально. При этом уменьшение толщины диспергирующего слоя не должно быть более 40% его максимальной толщины. Иначе создается большая разница в потерях давления на самой толстой и самой тонкой частях диспергирующего слоя, что приводит к неравномерности выхода пузырьков по длине аэратора.

От правильности выбора устройства и эксплуатации аэраторов зависит надежность работы аэротенков. При монтаже аэрирующей системы необходимо учесть, что на входе в аэротенк, а также на конечных участках распределительной системы необходимо устанавливать аэрирующие элементы с наибольшей воздухопроницаемостью /9/. С этой целью на входе в аэротенк и на конечных его участках нужно устанавливать аэрирующие элементы с переменной толщиной, причем на входе - толщина аэрирующего элемента должна увеличиваться от минимальной до максимальной; на выходе - уменьшаться от максимальной до минимальной. Центральные участки плети образованы аэрирующими элементами, толщина которых одинаковая - максимальная, которая может находиться в пределах от 6 мм до 15 мм. При максимальной толщине диспергирующего слоя в центре плети аэрирующих элементов менее 6 мм уменьшение толщины аэрирующего элемента на конечных участках возможно на длине менее 4 м (т.к. минимальная толщина диспергирующего слоя не должна быть меньше 4 мм), что не всегда достаточно при строительстве очистных сооружений больших размеров. Толщина диспергирующего слоя более 15 мм не целесообразна с экономической точки зрения, так как ведет к увеличению стоимости аэрирующего элемента и увеличению затрат энергии на продувку через него воздуха.

Изготавливают предлагаемые аэрирующие элементы следующим образом. Исходное полимерное сырье (гранулированный полиэтилен первичный или вторичный, или смесь первичного и вторичного в различных соотношениях) загружается в приемное устройство генератора волокон и далее транспортируется через обогреваемые зоны генератора волокон к фильерной головке. В процессе транспортировки полимерное сырье разогревается до вязкотекучего состояния. Этот переход обусловлен как приложенным внешним температурным воздействием, так и высвобождением тепловой энергии за счет сил трения возникающих при транспорте полимера. На выходе из фильерной головки расплав полиэтилена подхватывается струей горячего воздуха, формируя газоволокнистый "факел". Волокна в "факеле", находясь в вязкотекучем состоянии, наслаиваются на установленную под углом 90° к оси "факела" формообразующую оправку, совершающую вращение и возвратно-поступательное перемещение. При этом на поверхности оправки происходит формирование волокнисто-пористого изделия цилиндрической формы за счет сплавления волокон в местах их контактов. После того как на поверхности оправки сформируется каркасный слой, начинается формирование диспергирующего слоя, причем волокна каркасного слоя сплавляются с волокнами диспергирующего слоя за счет аккумулированного ими тепла. После достижения диспергирующим слоем минимальной толщины (4 мм) происходит постепенное уменьшение длины аэрирующего элемента, на которую наносятся волокна, т.е. с каждым ходом возвратно-поступательного перемещения оправки "факел" все больше и больше не доходит до одного из ее концов. После того как аэрирующий элемент будет сформирован - его снимают с поверхности оправки.

Пример. Изготовлен аэрирующий элемент длиной 2 м, толщина его стенки на входе 12 мм, на выходе 11 мм. Толщина каркасного слоя - 4 мм, плотность укладки волокон в нем 0,40 г/см³, диаметр волокон 500 мкм. Наружный диспергирующий слой образован волокнами диаметром 40 мкм, плотность их укладки 0,56 г/см³. При погружении на 1 м и расходе воздуха 3,3 м³/ч эффективность аэрации такого элемента 4,5 кг кислорода /кВт ч, а окислительная способность 45 г кислорода /м³ ч, степень использования кислорода 5,5%.

Источники информации

1 Заявка 0210296 ЕПВ, кл. С 02 F 3/20, С 02 F 7/00, заявл. 01.08.85, опубл. 04.02.87.

2 Заявка 0226373 ЕПВ, кл. С 02 F 3/20, заявл. 01.12.86, опубл. 24.06.87.

3 Заявка 3226065 ФРГ, кл. С 02 F 3/20, заявл. 21.06.82, опубл. 02.12.83.

4 Заявка 3418548 ФРГ, кл. В 01 F 3/04, С 02 F 3/20, заявл. 18.05.84, опубл. 21.11.85.

5 Заявка 98101556/25 Россия, кл. С 02 F 3/20, заявл. 05.02.98, опубл. 20.01.99.

6 Заявка 19836291.9 Германия, кл. С 02 F 7/00, заявл. 11.08.98, опубл. 17.02.2000.

7 Заявка 19836290.0 Германия, кл. С 02 F 7/00, заявл. 11.08.98, опубл. 17.02.2000.

8 Патент 2071955 Россия, кл. С 02 F 3/20, заявл. 08.12.92, опубл. 20.01.97.

9 Г.С.Попкович, Б.Н.Репин. "Системы аэрации сточных вод", М. "Стройиздат", 1986.