CZ36511U1 - Sestava pro zahušťování kalu flotací - Google Patents

Description

Sestava pro zahušťování kalu flotací

Oblast techniky

Technické řešení se týká sestavy pro čištění odpadních nebo povrchových vod flotací rozpuštěným vzduchem za účelem zahuštění aktivovaného kalu.

Dosavadní stav techniky

Flotace rozpuštěným vzduchem je separační proces, který se uplatňuje zejména při čištění průmyslových odpadních vod, případně při úpravě povrchové vody na vodu pitnou.

Technologie je založena na rozpuštění vzduchu ve vodě při tlaku 4 až 6 bar, přičemž dekompresí vody v kontaktní zóně nádrže dojde k produkci mikrobublin o velikosti 10 až 100 μm. Množství rozpuštěného vzduchu je limitováno jednak rozpustností vzduchu ve vodě za daných podmínek (teplota, tlak), ale také konstrukčním typem tzv. recirkulačního čerpadla, které zajišťuje zapracování vzduchu do vody k jeho snazšímu rozpuštění.

Po produkci mikrobublin dochází k navázání mikrobublin na povrch částic přítomných ve vodě. Tato fáze je ovšem závislá na velikosti bublin, teplotě, hustotě bublin i částic. Samotná vazba mezi částicí a vzduchem je umožněna adhezními silami. Základem k navázání bublin na vločky je přitom rovnováha povrchového napětí, kdy by styčný úhel mezi bublinou a pevným povrchem měl být co největší (v rozmezí 0 až 180°). Po navázání mikrobublin na částice dochází díky výsledné nižší měrné hustotě ke vznosu vzniklých komplexů, které stoupají k hladině, kde tvoří flotační pěnu. Těžší komplexy naopak sedimentují u dna nádrže. Jak flotační pěna, tak sediment jsou z nádrže odstraňovány.

Jsou známé různé typy jednotek flotace rozpuštěným vzduchem, konstrukčně buď kruhové, nebo podélně protékané. Kruhové nádrže se aplikují buď na malé průtoky, kdy mají průměr do 3 metrů, anebo pak na velké průtoky s průměrem i přes 20 metrů. Kruhové flotační nádrže jsou specifické tím, že kontaktní zóna není přesně oddělena od zóny separační, kde dochází ke vznosu komplexů. Kvůli tomu kruhové nádrže obsahují prvky, které usměrňují tok nádrží tak, aby nedocházelo k ovlivnění účinnosti separace vstupujícím proudem vody. Podélně protékané nádrže jsou vždy obdélníkového půdorysu a vyznačují se jasným oddělením kontaktní a separační zóny. Do první části nádrže je přiváděna odpadní voda/suspenze spolu s recyklem, a v této části dochází k navázání bublin na částice. V další (a znatelně delší) separační zóně je pak tok vody uklidněn a vzniklé komplexy putují k hladině, nebo ke dnu nádrže.

Obě varianty jsou hojně používané, nicméně především při čištění odpadních vod nebo úpravě vody pitné. Pro aplikaci zahuštění aktivovaného kalu je však vyžadováno několik optimalizací. V prvé řadě je nutné snížit hydraulický výkon nádrže, protože zatížení nerozpuštěnými látkami (NL105) na plochu by při standardním zdržení 20 až 30 minut bylo dlouhodobě neudržitelné. Dále je nutné upravit systém recirkulace vody tak, aby nedocházelo k zanášení armatur a čerpadel vláknitým materiálem (zejm. vlasy), nebo k jejich mechanickému poškození (pískem obsaženým v jednotné kanalizaci). Vzhledem k množství nerozpuštěných látek v aktivovaném kalu je dále vhodné optimalizovat vnos vzduchu do recyklu, jehož množství je základním parametrem pro výslednou účinnost flotace. Pro malé kapacity zařízení je dalším kritickým bodem nepravidelné odpouštění sedimentu, které ovlivní hydraulické podmínky v celé nádrži, a může tak ohrozit kontinuální kvalitu výstupu.

- 1 CZ 36511 U1

Podstata technického řešení

Nevýhody dosavadního stavu techniky do značné míry eliminuje inovovaná sestava pro zahušťování kalu flotací, která obsahuje:

- flotační nádrž, která má vstup pro přívod aktivovaného kalu, výstup sedimentovaného kalu u dna a v horní oblasti výstup pro pěnu,

- pracovní potrubí, které je opatřené prvním tlakoměrem pro měření tlaku kapaliny v pracovním potrubí, pracovním průtokoměrem pro měření průtoku kapaliny v pracovním potrubí a prvním recirkulačním čerpadlem pro nucené vedení kapaliny pracovním potrubím, - dosazovací nádrž, která je fluidně propojená nebo propojitelná se vstupem pracovního potrubí, - saturátor pro sycení kapaliny vzduchem, do jehož vstupu je zaústěn výstup pracovního potrubí, - aerační potrubí, které je svým vstupem fluidně propojené s výstupem saturátoru a je zaústěné do flotační nádrže, přičemž aerační potrubí je opatřené druhým tlakoměrem pro měření tlaku v aeračním potrubí a regulačním ventilem pro regulaci průtoku aeračním potrubím.

Sestava přednostně obsahuje:

- přečerpávací nádrž, jejíž výstup je propojený se vstupem pracovního potrubí, a

- přečerpávací potrubí, které je opatřené přečerpávacím čerpadlem a uspořádané pro přečerpávání kapaliny z dosazovací nádrže do přečerpávací nádrže.

Rovněž je výhodné, když sestava obsahuje:

- aktivační nádrž pro aktivaci kalu, a

- přívodní potrubí, jehož vstup je uspořádaný v aktivační nádrži a výstup je zaústěný do vstupu pro přívod aktivovaného kalu do flotační nádrže a které je opatřené vstupním čerpadlem pro čerpání aktivovaného kalu do flotační nádrže a vstupním průtokoměrem pro měření průtoku přívodním potrubím.

Taková sestava přednostně obsahuje teplotní čidlo uspořádané v přívodním potrubí nebo v aktivační nádrži pro měření teploty aktivovaného kalu.

Sestava rovněž s výhodou obsahuje stírací lištu uspořádanou pohyblivě v horní oblasti flotační nádrže pro stírání pěny k výstupu pro pěnu.

Ve zvlášť výhodném provedení sestava obsahuje nádrž na pěnu a potrubí pro odvod pěny, jehož vstup je propojený s výstupem pro pěnu flotační nádrže a jehož výstup je zaústěný do nádrže na pěnu.

Sestava s výhodou obsahuje odváděcí potrubí, které má vstup v nádrži na pěnu a které je opatřené odváděcím čerpadlem pro nucený odvod pěny z nádrže na pěnu a odváděcím průtokoměrem pro měření odváděného množství pěny.

Pracovní potrubí se s výhodou mezi prvním tlakoměrem a saturátorem větví, přičemž v první větvi je uspořádáno první recirkulační čerpadlo a ve druhé větvi je uspořádáno druhé recirkulační čerpadlo.

Přednostně sestava obsahuje kalové potrubí, jehož vstup je propojený s výstupem sedimentovaného kalu z flotační nádrže a které je opatřené kalovým čerpadlem pro nucené vedení kalu kalovým potrubím a koncovým průtokoměrem pro měření množství odváděného kalu.

Výhodné provedení sestavy obsahuje teplotní čidlo uspořádané v pracovním potrubí pro měření teploty kapaliny vedené pracovním potrubím nebo v aeračním potrubí pro měření teploty kapaliny vedené aeračním potrubím.

- 2 CZ 36511 U1

S výhodou jsou regulační ventil a druhý tlakoměr navzájem signálově propojené pro řízení činnosti regulačního ventilu na základě hodnot naměřených druhým tlakoměrem.

V dalším výhodném provedení jsou regulační ventil a druhý tlakoměr signálově propojené s řídicí jednotkou pro řízení činnosti regulačního ventilu na základě hodnot naměřených druhým tlakoměrem.

Sestava podle tohoto technického řešení umožňuje:

- měření množství vody čerpané prvním a případně i druhým recirkulačním čerpadlem, - měření a regulaci množství přisávaného vzduchu, které je zapracováno do recyklu, - měření podtlaku na sání recirkulačních čerpadel

- saturátor s dobou zdržení > 1 min, který zabezpečuje rozpuštění vzduchu ve vodě,

- měření a regulaci tlaku na vstupu do flotační nádrže, kterým se provádí automatická regulace pro zajištění požadovaných podmínek pro tvorbu mikrobublin a současně i čištění armatury od případných nečistot,

- řízený odtah sedimentovaného kalu ze dna flotační nádrže s měřením průtoku, který je zajištěn například vřetenovým čerpadlem pro kontinuální odtah minimálního množství sedimentového kalu.

Objasnění výkresů

Technické řešení je dále podrobněji popsáno na základě příkladných provedení a výkresu, který znázorňuje technologické schéma výhodného provedení zařízení podle tohoto technického řešení.

Příklad uskutečnění technického řešení

Příkladné provedení sestavy, která je zobrazena na schématu, obsahuje aktivační nádrž 2 a flotační nádrž 1, které jsou navzájem fluidně propojeny pomocí přívodního potrubí 3, které je opatřeno jednak vstupním čerpadlem M1 pro nucené vedení aktivované kapaliny z aktivační nádrže 2 do flotační nádrže 1 a jednak vstupním průtokoměrem Q1 pro měření průtoku vedené kapaliny přívodním potrubím 3.

Vstupní čerpadlo M1 je přednostně vřetenové nebo šnekové čerpadlo. Vstupní průtokoměr Q1 je přednostně magneticko-indukční průtokoměr.

Vstupní průtokoměr Q1 je signálově propojen se vstupním čerpadlem M1 pro regulaci výkonu vstupního čerpadla M1 na základě naměřených hodnot změnou frekvence, resp. frekvenčním měničem, který je přednostně součástí vstupního čerpadla M1.

Přívodní potrubí 3 nebo aktivační nádrž 2 je opatřeno/a teplotním senzorem pro měření teploty aktivovaného kalu.

Sestava dále obsahuje dosazovací nádrž 4, ve které je uspořádáno přečerpávací čerpadlo M7, které je pomocí přečerpávacího potrubí 41 propojené s přečerpávací nádržkou 5.

Přečerpávací nádržka 5 je pracovním potrubím 42 fluidně propojena nebo propojitelná se saturátorem 6, přičemž pracovní potrubí 42 je opatřeno pracovním průtokoměrem Q2 a prvním tlakoměrem P1 pro měření tlaku v pracovním potrubí 42.

- 3 CZ 36511 U1

Ve znázorněném provedení se pracovní potrubí 42 větví, přičemž v každé z větví je uspořádáno recirkulační čerpadlo M8, M9, načež se pracovní potrubí 42 znovu spojuje, takže jsou recirkulační čerpadla M8, M9 zapojena paralelně.

Pracovní potrubí 42 je zaústěno do saturátoru 6, který je fluidně propojitelný s neznázorněným kompresorem pro sycení kapaliny vzduchem.

Výstup ze saturátoru 6 je aeračním potrubím 43 fluidně propojený s flotační nádrží 1, přičemž před vstupem do flotační nádrže 1 je aerační potrubí 43 opatřeno regulačním ventilem M10 a druhým tlakoměrem P2.

Přednostně jsou regulační ventil M10 a druhý tlakoměr P2 signálově propojeny pro řízení regulačního ventilu M10 na základě hodnot naměřených druhým tlakoměrem P2.

Aerační potrubí 43 může být opatřeno neznázorněným teplotním senzorem pro měření teploty kapaliny přiváděné do flotační nádrže 1. Alternativně lze teplotní senzor uspořádat v pracovním potrubí 42.

U dna flotační nádrže 1 je vstup kalového potrubí 9 určeného pro odvod sedimentovaného kalu z flotační nádrže 1.

Kalové potrubí 9 je opatřeno kalovým čerpadlem M12 a koncovým průtokoměrem Q3 pro měření průtoku v kalovém potrubí 9.

Kalové čerpadlo M12 je přednostně vřetenové nebo šnekové čerpadlo.

V horní oblasti flotační nádrže 1 je uspořádáno stírací zařízení M11 pohyblivě uspořádané pro stírání pěny z hladiny kapaliny a pro její navádění do potrubí 7 pro odvod pěny, jehož vstup je uspořádán v horní oblasti flotační nádrže 1.

Potrubí 7 pro odvod pěny je zaústěno do nádrže 8 na pěnu, ze které vede odváděcí potrubí 44, které je opatřeno odváděcím čerpadlem M13 a odváděcím průtokoměrem Q4. Odváděcí čerpadlo M13 je přednostně vřetenové nebo šnekové čerpadlo.

Ve střední oblasti flotační nádrže 1, v úrovni pod vstupem potrubí 7 pro odvod pěny, je uspořádán vstup odtokového potrubí 10 pro odvod kapaliny.

Odtokové potrubí 10 může být neznázorněným potrubím fluidně propojené s dosazovací nádrží 4. Dosazovací nádrž 4 nebo přečerpávací nádržka 5 může být opatřena neznázorněným koncovým potrubím pro odvod vyčištěné vody, která není použita pro saturaci a následné zavedení do flotační nádrže 1.

Ve výhodnějším provedení je do dosazovací nádrže 4 nebo do přečerpávací nádrže 5 zaústěn odtok z čistírny odpadních vod, zatímco odtokové potrubí 10 z flotační nádrže 1 je zaústěno do neznázorněné další jednotky pro čištění odpadních vod, nebo jinam.

Zařízení funguje následovně:

V aktivační nádrži 2 se známým způsobem aktivuje kal, který se pomocí vstupního čerpadla M1 vede přívodním potrubí 3 do flotační nádrže 1.

Z dosazovací nádrže 4 se vede vyčištěná voda do přečerpávací nádržky 5 a z ní je pomocí prvního recirkulačního čerpadla M8 a/nebo druhého recirkulačního čerpadla M9 vedena do saturátoru 6, ve kterém se za vysokého tlaku rozpouští vzduch ve vodě.

- 4 CZ 36511 U1

Pracovním průtokoměrem Q2 je měřeno množství dodávané vody a množství vzduchu dodávaného v saturátoru 6 je ručně regulováno podle aktuální hodnoty podtlaku zjištěného pomocí prvního tlakoměru P1. Výsledný tlak je automaticky elektropohonem regulován zvětšením nebo zmenšením otevření regulačního ventilu M10 na základě hodnoty měřené druhým tlakoměrem P2.

Dojde-li při provozu k zanesení regulačního ventilu M10, způsobí to nárůst tlaku. Následně dojde k automatickému prudkému zvětšení otevření regulačního ventilu M10, dokud se tlak zase neustálí na požadované hodnotě, načež se regulační ventil opět přivře tak, aby se zajistila požadovaná hodnota tlaku kapaliny vháněné do flotační nádrže 1. Tímto způsobem je zajištěno automatické čištění regulačního ventilu M10, které výrazně eliminuje riziko ucpání trasy.

Voda nasycená vzduchem je tedy za požadovaného tlaku přiváděna do flotační nádrže 1, a to do úrovně jedné desetiny až jedné poloviny její výšky nad jejím dnem.

Ve flotační nádrži 1 částice s větší měrnou hmotností klesají ke dnu, vstupují do kalového potrubí 9 a jsou druhým čerpadlem M12 kontinuálně odváděny k navazující likvidaci. Koncovým průtokoměrem Q3 se přitom měří odváděné množství kalu. Předchází se tak tlakovým rázům, které by byly patrné při diskontinuálním odkalování a mohly by způsobit kolísání rozhraní voda/flotační pěna a vyústit v únik vloček do odtokového potrubí 10.

Mikrobubliny se ve flotační nádrži 1 zachycují na částicích a tvoří tak komplexy s menší měrnou hmotností, které jsou unášeny na hladinu, kde se stávají součástí flotační pěny. Flotační pěna se z hladiny stíracím zařízením M11 navádí do potrubí 7 pro odvod pěny a dále do nádrže 8 na pěnu.

Z této nádrže 8 na pěnu se flotační pěna o výstupní sušině 4-5 % čerpá třetím čerpadlem M13 k navazující likvidaci. Množství produkované pěny je měřeno odváděcím průtokoměrem Q4.

Ve výše uvedeném provedení jsou některé komponenty signálově propojeny navzájem. V jiném provedení jsou čerpadla M1, M7, M8, M9, M12, M13, tlakoměry P1, P2, průtokoměry Q1, Q2, Q3, Q4, regulační ventil M10 a případně další komponenty signálově propojeny s neznázorněnou řídicí jednotkou, pomocí se které je řízena činnost čerpadel M1, M7, M8, M9, M12, M13 a regulačního ventilu M10 na základě hodnot zjištěných pomocí tlakoměrů P1, P2 a průtokoměrů Q1, Q2, Q3, Q4.

A v ještě dalších provedeních může být realizována kombinace obou výše uvedených provedení, přičemž některé komponenty jsou propojeny navzájem, případně řízeny ručně, a některé jsou propojeny s řídicí jednotkou a řízeny automaticky nebo volitelně automaticky, nebo ručně.

Ačkoli byla popsána zvlášť výhodná příkladná provedení, je zřejmé, že odborník z dané oblasti snadno nalezne další možné alternativy k těmto provedením. Proto rozsah ochrany není omezen na tato příkladná provedení, ale spíše je dán definicí přiložených nároků na ochranu.

Claims (12)

1. Sestava pro zahušťování kalu flotací, vyznačující se tím, že obsahuje:

flotační nádrž (1), která má vstup pro přívod aktivovaného kalu, výstup sedimentovaného kalu u dna a v horní oblasti výstup pro pěnu, pracovní potrubí (42), které je opatřené prvním tlakoměrem (P1) pro měření tlaku kapaliny v pracovním potrubí (42), pracovním průtokoměrem (Q2) pro měření průtoku kapaliny v pracovním potrubí (42) a prvním recirkulačním čerpadlem (M8) pro nucené vedení kapaliny pracovním potrubím (42), dosazovací nádrž (4), která je fluidně propojená nebo propojitelná se vstupem pracovního potrubí (42), saturátor (6) pro sycení kapaliny vzduchem, do jehož vstupu je zaústěn výstup pracovního potrubí (42), aerační potrubí (43), které je svým vstupem fluidně propojené s výstupem saturátoru (6) a je zaústěné do flotační nádrže (1), přičemž aerační potrubí (43) je opatřené druhým tlakoměrem (P2) pro měření tlaku v aeračním potrubí (43) a regulačním ventilem (M10) pro regulaci průtoku aeračním potrubím (43).

2. Sestava podle nároku 1, vyznačující se tím, že dále obsahuje přečerpávací nádrž (5), jejíž výstup je propojený se vstupem pracovního potrubí (42), a přečerpávací potrubí (41), které je opatřené přečerpávacím čerpadlem (M7) a uspořádané pro přečerpávání kapaliny z dosazovací nádrže (4) do přečerpávací nádrže (5).

3. Sestava podle nároku 1 nebo 2, vyznačující se tím, že dále obsahuje aktivační nádrž (2) pro aktivaci kalu, a přívodní potrubí (3), jehož vstup je uspořádaný v aktivační nádrži (2) a výstup je zaústěný do vstupu pro přívod aktivovaného kalu do flotační nádrže (1) a které je opatřené vstupním čerpadlem (M1) pro čerpání aktivovaného kalu do flotační nádrže (1) a vstupním průtokoměrem (Q1) pro měření průtoku přívodním potrubím (3).

4. Sestava podle nároku 3, vyznačující se tím, že dále obsahuje teplotní čidlo uspořádané v přívodním potrubí (3) nebo v aktivační nádrži (2) pro měření teploty aktivovaného kalu.

5. Sestava podle kteréhokoli z nároků 1 až 4, vyznačující se tím, že dále obsahuje stírací lištu (M11) uspořádanou pohyblivě v horní oblasti flotační nádrže (1) pro stírání pěny k výstupu pro pěnu.

- 6 CZ 36511 U1

6. Sestava podle kteréhokoli z nároků 1 až 5, vyznačující se tím, že dále obsahuje nádrž (8) na pěnu a potrubí (7) pro odvod pěny, jehož vstup je propojený s výstupem pro pěnu flotační nádrže (1) a jehož výstup je zaústěný do nádrže (8) na pěnu.

7. Sestava podle nároku 6, vyznačující se tím, že dále obsahuje odváděcí potrubí (44), které má vstup v nádrži (8) na pěnu a které je opatřené odváděcím čerpadlem (13) pro nucený odvod pěny z nádrže (8) na pěnu a odváděcím průtokoměrem (Q4) pro měření odváděného množství pěny.

8. Sestava podle kteréhokoli z nároků 1 až 7, vyznačující se tím, že pracovní potrubí (42) se mezi prvním tlakoměrem (P1) a saturátorem (6) větví, přičemž v první větvi je uspořádáno první recirkulační čerpadlo (M8) a ve druhé větvi je uspořádáno druhé recirkulační čerpadlo (M9).

9. Sestava podle kteréhokoli z nároků 1 až 8, vyznačující se tím, že dále obsahuje kalové potrubí (9), jehož vstup je propojený s výstupem sedimentovaného kalu z flotační nádrže (1) a které je opatřené kalovým čerpadlem (M12) pro nucené vedení kalu kalovým potrubím (9) a koncovým průtokoměrem (Q3) pro měření množství odváděného kalu.

10. Sestava podle kteréhokoli z nároků 1 až 9, vyznačující se tím, že dále obsahuje teplotní čidlo uspořádané v pracovním potrubí (42) pro měření teploty kapaliny vedené pracovním potrubím (42) nebo v aeračním potrubí (43) pro měření teploty kapaliny vedené aeračním potrubím (43).

11. Sestava podle kteréhokoli z nároků 1 až 10, vyznačující se tím, že regulační ventil (M10) a druhý tlakoměr (P2) jsou navzájem signálově propojené pro řízení činnosti regulačního ventilu (M10) na základě hodnot naměřených druhým tlakoměrem (P2).

12. Sestava podle kteréhokoli z nároků 1 až 10, vyznačující se tím, že regulační ventil (M10) a druhý tlakoměr (P2) jsou signálově propojené s řídicí jednotkou pro řízení činnosti regulačního ventilu (M10) na základě hodnot naměřených druhým tlakoměrem (P2).