Трубчатый аэрирующий элемент для мелкопузырчатой аэрации

(51)02 3/20 НАЦИОНАЛЬНЫЙ ЦЕНТР ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНОЙ СОБСТВЕННОСТИ ТРУБЧАТЫЙ АЭРИРУЮЩИЙ ЭЛЕМЕНТ ДЛЯ МЕЛКОПУЗЫРЧАТОЙ АЭРАЦИИ(71) Заявитель Республиканское унитарное предприятие Специальное конструкторско-технологическое бюро Металлополимер(72) Авторы Чернорубашкин Александр Иванович Гайдук Вера Филипповна Кудян Сергей Георгиевич Сиканевич Александр Васильевич Грищенко Виталий Виталиевич(73) Патентообладатель Республиканское унитарное предприятие Специальное конструкторско-технологическое бюро Металлополимер(57) 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, при этом каркас внутренний слой толщиной 4 мм - выполнен из волокон диаметром 400-500 мкм, уложенных с плотностью 0,38-0,42 г/см 3, а наружный диспергирующий слой толщиной не менее 4 мм изготовлен из волокон диаметром не более 50 мкм с плотностью укладки 0,54-0,57 г/см 3,причем толщина аэрирующего элемента является постоянной, максимальной по его длине,или уменьшается за счет наружного диспергирующего слоя на величину 0,5 мм на длине 1 м, но не более чем на 40 максимальной толщины наружного диспергирующего слоя. 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. 9245 1 2007.04.30 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 трубу от попадания внутрь ее жидкости. 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 предусмотре 2 9245 1 2007.04.30 на 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 - внутренней с 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 и в изготовлении аэрирующих элементов, с помощью которых можно достигнуть равномерного выхода пузырьков воздуха по всей длине плети аэрирующих элементов в аэротенке. Поставленная задача решается тем, что предлагаемый трубчатый аэрирующий элемент полностью изготовлен из сплавленных между собой в местах контактов волокон термопластичного полимера, например полиэтилена высокого давления. Причем внутренний слой аэрирующего элемента толщиной 4 мм выполнен из грубых волокон диаметром 400-500 мкм, уложенных с плотностью 0,38-0,42 г/см 3. Этот слой служит каркасом. Наружный слой - диспергирующий - изготовлен из тонких волокон диаметром до 50 мкм,уложенных с плотностью 0,54-0,57 г/см 3. Причем минимальная толщина диспергирующего слоя не может быть меньше 4 мм, так как при меньшей толщине аэрирующий элемент работает неравномерно из-за низких потерь напора. 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. Внутренний грубоволокнистый слой - каркас - служит также своеобразным ресивером, выравнивающим подачу воздуха к диспергирующему слою. Кроме того, этот слой выполняет функцию фильтра - задерживает частицы загрязнений, содержащиеся в подаваемом в аэрирующий элемент воздухе, и, таким образом, оберегает диспергирующий слой от засорения. Толщина внутреннего слоя - каркаса - 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 тре 3 9245 1 2007.04.30 буются 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. Толщина более 4 мм 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/см 3. 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 диаметром не более 50 мкм, уложенных с плотностью 0,54-0,57 г/см 3. Если диспергирующий слой образован волокнами с плотностью укладки менее 0,54 г/см 3, то размер пузырьков воздуха, выходящих из аэрирующего элемента, увеличивается, следовательно эффективность процесса аэрации при этом уменьшается. Плотность диспергирующего слоя выше 0,57 г/см 3 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. Толщина аэрирующего элемента является постоянной, максимальной по его длине,или уменьшается за счет наружного диспергирующего слоя на величину 0,5 мм на длине 1 м, но не более чем на 40 максимальной толщины наружного диспергирующего слоя. Величина уменьшения толщины аэрирующего элемента 0,5 мм на длине 1 м, определена экспериментально. Уменьшение толщины диспергирующего слоя не должно быть больше чем на 40 его максимальной толщины, иначе создается большая разница в потерях давления на самом толстом и самом тонком участках аэрирующего слоя, что приводит к неравномерности выхода пузырьков по длине плети аэраторов в аэротенке. 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 диспергирующего слоя которых одинаковая - максимальная, которая может находиться в диапазоне от 6 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 нецелесообразна 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 4 9245 1 2007.04.30 до вязко-текучего 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 вязко-текучем 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/см 3, диаметр волокон 500 мкм. Наружный диспергирующий слой образован волокнами диаметром 40 мкм, плотность их укладки 0,56 г/см 3. При погружении на 1 м и расходе воздуха 3,3 м 3/ч эффективность аэрации такого элемента 4,5 кг кислорода /кВт ч, а окислительная способность 45 г кислорода /м 3/ч, степень использования кислорода 5,5 . Источники информации 1. Заявка 0210296 ЕПВ, МПК С 02 3/20, С 02 7/00, заявл. 01.08.85, опубл. 04.02.87. 2. Заявка 0226373 ЕПВ, МПК С 02 3/20, заявл. 01.12.86, опубл. 24.06.87. 3. Заявка 3226065 ФРГ, МПК С 02 3/20, заявл. 21.06.82, опубл. 02.12.83. 4. Заявка 3418548 ФРГ, МПК В 01 3/04, С 02 3/20, заявл. 18.05.84, опубл. 21.11.85. 5. Заявка 98101556/25 Россия, МПК С 02 3/20, заявл. 05.02.98, опубл. 20.01.99. 6. Заявка 19836291.9 Германия, МПК С 02 7/00, заявл. 11.08.98, опубл. 17.02.2000. 7. Заявка 19836290.0 Германия, МПК С 02 7/00, заявл. 11.08.98, опубл. 17.02.2000. 8. Патент 2071955 Россия, МПК С 02 3/20, заявл. 08.12.92, опубл. 20.01.97. 9. Попкович Г.С., Репин Б.Н. Системы аэрации сточных вод. - М. Стройиздат, 1986. Национальный центр интеллектуальной собственности. 220034, г. Минск, ул. Козлова, 20. 5