Система очистки воды и подачи питательной смеси в почву для капельного орошения

 

Изобретение используется в сельском хозяйстве и сельскохозяйственном машиностроении, в частности в системах капельного орошения для адресной подачи воды и питательных растворов в зону расположения корней растений на орошаемом массиве. Система включает гидравлически соединенные водоисточник, насосную станцию, емкость для подготовки питательного раствора, фильтр, манометры, запорную арматуру, магистральный трубопровод, сеть распределительных и поливных трубопроводов и капельницы. Фильтр воды выполнен трехступенчатым. Первая ступень предусмотрена для удаления минерального сора, растительных примесей и взвесей и выполнена в виде высоконапорного гидроциклона. Он снабжен установленным в его полости самоочищающимся сетчатым экраном, осадочной камерой для сбора продуктов загрязнения и вентилем для их выпуска. Вторая ступень тонкой очистки представлена в виде заполненной фильтрационным материалом горизонтально установленной герметичной емкости со смонтированными в ней над фильтрационным материалом верхней трубой для подвода воды из высоконапорного гидроциклона. Третья ступень тонкой очистки воды предусматривает изъятие взвесей из очищаемой воды тканым сетчатым фильтром, охватывающим поверхности щелевых дренажных труб. Изобретение позволяет упростить конструкцию, повысить степень унификации, качество очистки воды и производительность. 1 з.п. ф-лы, 4 ил.

Изобретение относится к сельскому хозяйству и сельскохозяйственному машиностроению, в частности к системам капельного орошения для направленной подачи воды и питательных растворив в зону расположения корней каждого орошаемого растения на весь период вегетации.

Известна система капельного орошения для защищенного грунта, включающая источник воды, насос, подкормщик растений минеральными удобрениями, фильтр с манометрами, магистральный, распределительный и поливные трубопроводы, соединительные детали, задвижки, клапаны дистанционного управления, капельницы и направляющие трубки (cм. рекламный проспект ВДНХ СССР: Система капельного орошения для защищенного грунта (конструкция ВНИИ водполимер). Елгава (б. Латвийская ССР). -1987. -С. 4/Составители: Р.Т. Балоде, Я.А. Карклис, А.Б. Солодовник, З.П. Зепс).

К недостаткам данной системы относится то, что в фильтр подаются растворенные удобрения до очистки самой воды, усугубляя этим процессы кольматации фильтрационного материала.

Известна также система капельного орошения, включающая водоисточник, бассейн-отстойник, насосную станцию и оросительную сеть с капельницами, в которой, с целью повышения надежности работы и снижения эксплуатационных затрат, система снабжена линейно-протяженными трубчатыми фильтрами, уложенными в грунте вдоль берега водоисточника и заглубленными под уровень грунтовых вод, при этом трубчатые фильтры сообщены с бассейном-отстойником, который выполнен закрытым (SU, авторское свидетельство 1551285, А1, М.кл.⁵ А 01 G 25/02. Система капельного орошения/Н.А. Куделя, А.В. Шевченко и М.И. Ромащенко (СССР). -Заявка 4443850/30-15. Заявлено 06.05.1988. Опубл. 23.03.1990. Бюл. 11//0ткрытия. Изобретения.-1990.- 11).

К недостаткам данной системы капельного орошения относятся большие материальные и трудовые затраты, связанные со строительством бассейна-отстойника и укладкой трубчатых фильтров под уровень грунтовых вод. Кольматацию фильтров не удается удалить противотоком воды.

Известен отстойник для очистки сточных вод, содержащий корпус с патрубками для ввода исходной жидкости и вывода разделенных фаз, ряды наклонных полок с гофрами и желоба для отвода фракции, в котором, с целью повышения качества очистки, желоба расположены рядами по всей высоте аппарата вдоль его продольной оси между рядами наклонных полок и имеют уклон к патрубкам вывода фаз, причем желоба одного ряда установлены днищем вниз, а соседнего с ним ряда установлены днищем вверх, при этом направление гофр совпадает с направлением их наклона (SU, авторское свидетельство 895929, М.кл.³ С 02 F 1/40. Отстойник для очистки сточных вод/В.Н. Красновекин, Ф.И. Мутин, М.Б. Глейзер и др. (СССР). -Заявка 2449243/23-26. Заявлено 03.02.1977. Опубл. 07.08.1982. Бюл. 1//Открытия. Изобретения.-1982.- 1).

К недостаткам описанного отстойника применительно к решаемой проблеме относится низкая эффективность удаления наносов с полок гофрами.

Известен также фильтр для очистки воды, содержащий цилиндрический сетчатый корпус, установленный в нем коаксиально цилиндр, слой крупнозернистой плавающей загрузки, расположенный в кольцевом пространстве между корпусом и цилиндром, и слой мелкозернистой загрузки, в котором, с целью повышения качества очистки воды от нефти, слой мелкозернистой загрузки расположен внутри цилиндра, последний выполнен из волокнистого нетканого фильтрующего материала, при этом отношение толщины крупнозернистого слоя к внутреннему радиусу цилиндра составляет 2:1 (SU, авторское свидетельство 1594149, А1, М. кл.⁵ С 02 F 1/40, В 01 D 24/00. Фильтр для очистки воды/М.В. Петренко и О.В. Вопилова (СССР).-Заявка 4359753/23-26. Заявлено 07.01.1988. Опубл. 23.09.1990. Бюл. 35//Открытия. Изобретения.-1990.- 35).

К недостаткам данного фильтра относятся ограниченные функциональные возможности, низкая техническая и эксплуатационная надежность крупнозернистой плавающей загрузки и мелкодисперсной загрузки внутри нетканого фильтрующего материала. При заполнении пор материала загрузок последние должны быть утилизированы методом сжигания или захоронения.

Известен напорный гидроциклон, содержащий корпус, сливную камеру, воздушную трубку, подающий трубопровод, шламовую камеру, трубопровод для удаления шлама и трубопровод осветленной воды (см. книгу Скирдов И.В., Пономарев В.Г. Очистка сточных вод в гидроциклонах/М.:Стройиздат,-1975.-176с.-С.34, рис. 1.19).

К недостаткам напорного гидроциклона относятся низкое качество очистки воды и возможность захвата шлама из шламовой камеры и нижней части корпуса гидроциклона.

Известна также система подготовки воды для капельного орошения, в которой цилиндрические корпуса фильтров, заполненные фильтрационным материалом, установлены вертикально и посредством водоподводящей и водоотводящей сети гидравлически соединены в блоки очистки воды (см. рекламный проспект EURODRJP JRPIGATION SYSTEMS рис.01).

Увеличение производительности достигнуто количеством фильтров (до 11 штук), гидравлически параллельно соединенных в систему капельного орошения.

Наиболее близким аналогом к заявленному объекту по функциональному назначению и количеству общих существенных отличительных признаков относится система подготовки воды и подачи питательной смеси в почву, содержащая емкость для подготовки питательного раствора, фильтр, питательный наполнитель, входной патрубок воды, согласно формулы полезной модели последняя содержит разбрызгиватель, дополнительно система содержит накопительный резервуар, по периметру герметично соединенный с емкостью для питательного раствора, имеющий переходной патрубок, соединяющий емкость с резервуаром, откуда вода самотеком поступает в резервуар, а в нижней части резервуара размещен аэратор, соединенный с входным патрубком воздуха (кислорода), при этом выходной патрубок подготовленной воды размещен ниже уровня воды в резервуаре, который не превышает уровня установки переходного патрубка из емкости для подготовки питательного раствора (RU, свидетельство на полезную модель 22399 U1, МПК⁷ А 01 G 27/00. Система подготовки воды и подачи питательной смеси в почву /И.А. Галкин (RU).-Заявка 2001129552/20. Заявлено 31.10.2001.Опубл. 10.04.2002//Изобретения. Полезные модели.-2002.- 10.-С.244).

К недостаткам данной системы, принятой нами в качестве наиближайшего аналога, относятся малая производительность из-за вертикального размещения фильтра и отсутствия возможности удаления кольматажа из полости системы без ее полной разборки, низкое качество очистки воды, неоправданное усложнение конструкции и отсутствие полной технологичности для серийного производства (тиражирования).

Сущность изобретения заключается в следующем.

Задача, на решение которой направлено заявляемое изобретение, - расширение функциональных возможностей системы подготовки воды и подачи питательной смеси в почву при капельном орошении.

Технический результат - упрощение конструкции, повышение степени унификации, качества очистки воды и производительности.

Указанный технический результат достигается тем, что в известной системе очистки воды и подачи питательной смеси в почву для капельного орошения, включающей гидравлически соединенные водоисточник, насосную станцию, емкость для подготовки питательного раствора, фильтр, манометры, запорную арматуру, магистральный трубопровод, сеть распределительных и поливных трубопроводов и капельницы, согласно изобретению фильтр очистки воды выполнен трехступенчатым: первая ступень предусмотрена для удаления минерального сора, растительных примесей и взвесей и выполнена в виде высоконапорного гидроциклона, снабженного концентрично установленным в его полости самоочищающимся сетчатым экраном, осадочной камерой для сбора продуктов загрязнения и вентилем для их выпуска; вторая ступень тонкой очистки представлена в виде заполненной фильтрационным материалом горизонтально установленной герметичной емкости со смонтированными в ней над фильтрационным материалом верхней щелевой трубой для подвода воды из высоконапорного гидроциклона; третья ступень тонкой очистки воды предусмотрена для изъятия взвесей из очищаемой воды тканым сетчатым фильтром, охватывающим поверхности щелевых дренажных труб, смонтированных в донной части емкости, а емкость для подготовки питательного раствора гидравлически параллельно соединена в сеть между высоконапорным гидроциклоном щелевой трубой для подачи воды в емкость с фильтрационным материалом посредством четырехходового крана и вентиля, при этом упомянутые насосная станция, высоконапорный гидроциклон, дренажные щелевые трубы третьей ступени очистки и магистральный трубопровод для подачи очищенной воды в капельницы гидравлически связаны посредством последовательно соединенных трехходовых кранов; фильтрационный материал второй ступени очистки представлен в виде доломитового щебня с размерами зерна 5-20 мм слоем 200-400 мм, уложенного над слоем кварцевого песка с размерами зерен 1-5 мм толщиной 300-600 мм.

Изобретение поясняется чертежами.

На фиг. 1 представлена гидравлическая схема фрагмента системы очистки воды и подачи питательной смеси в почву для капельного орошения в режиме работы "очистка воды".

На фиг. 2 - то же, в режиме работы "удаление продуктов загрязнения и кольматажа".

На фиг. 3 - то же, в режиме работы "подача питательной смеси очищенной водой".

На фиг.4 - то же, в режиме работы "транзитная подача неочищенной воды по магистральному трубопроводу".

Сведения, подтверждающие возможность реализации заявленного технического решения, заключаются в следующем.

Система очистки воды и подачи питательной смеси в почву для капельного орошения включает гидравлически соединенные водоисточник, насосную станцию, емкость 1 для подготовки питательного раствора, фильтр 2, манометры 3, 4 и 5, запорную арматуру, магистральный трубопровод 6, сеть распределительных и поливных трубопроводов и капельницы. Фильтр 2 в системе смонтирован между напорным трубопроводом 7 насосной станции и магистральным трубопроводам 6.

Фильтр 2 очистки воды выполнен трехступенчатым. Первая ступень очистки предусмотрена для удаления минерального сора, растительных примесей и взвесей и выполнена в виде высоконапорного гидроциклона 8. Гидроциклон 8 снабжен концентрично установленным в его полости самоочищающимся сетчатым экраном 9, осадочной камерой 10 для сбора продуктов загрязнения и вентилем 11 для их выпуска.

Вторая ступень очистки воды представлена в виде заполненной фильтрационным материалом 12 горизонтально установленной герметичной емкости 13 со смонтированными в ней над фильтрационным материалом верхней щелевой трубой 14 для подвода воды из высоконапорного гидроциклона 8. Фильтрационный материал 12 второй ступени очистки представлен в виде доломитового щебня с размерами зерна 5-20 мм слоем 200-400 мм. Щебень уложен над слоем в донной части емкости 13 кварцевого песка с размерами зерен 1-5 мм толщиной 300-600 мм.

Третья ступень тонкой очистки воды предусмотрена для изъятия взвесей из очищаемой воды тканым сетчатым фильтрам 15. Сетчатые фильтры 15 схватывают поверхности щелевых дренажных труб 16, смонтированных в донной части емкости 13. Дренажные трубы 16 взаимно соединены коллектором.

Емкость 1 для подготовки питательного раствора гидравлически параллельно соединена в сеть между высоконапорным гидроциклоном 8 и щелевой трубой 14 для подачи воды в емкость 13 с фильтрационным материалом 12 посредством четырехходового крана 17 и вентиля 18. Корпус четырехходового крана 17 рукавами 19 и 20 соединен с верхней и нижней частями емкости 1 для создания маточного раствора питательной смеси.

Упомянутые насосная станция, высоконапорный гидроциклон 8, дренажные щелевые трубы 16 третьей ступени очистки воды и магистральный трубопровод для подачи очищенной воды в капельницы гидравлически связаны посредством последовательно соединенных трехходовых кранов 21 и 22. В корпусах трехходовых кранов 21, 22 и четырехходового крана 17 размещены коронки 23, 24 и 25. На выступающих частях коронок 23, 24 и 25 выполнены "Т"- или "X"-образные указатели их положений в кранах 17, 21 и 22.

Манометр 3 смонтирован в ниппеле напорного трубопровода 7.

Манометр 4 размещен в ниппеле отвода 26, соединяющего вентиль 18 с верхней щелевой трубой 14 емкости 13.

Манометр 5 установлен на начальном участке магистрального трубопровода 6.

Корпуса трехходовых кранов 21 и 22 сгонами 27 и 28 соединены взаимно с коллектором щелевых дренажных труб 16.

Система очистки воды и подачи питательной смеси в почву для капельного орошения работает следующим образом.

Рабату описанной системы рассмотрим на следующих режимах: очистка воды; удаление продуктов загрязнения и кольматажа; подача питательной смеси очищенной водой; транзитная подача неочищенной воды по магистральному трубопроводу.

Вода из открытого водоема насосной станцией по напорному трубопроводу 7 поступает в полость трехходового крана 21. При положении коронки 23, указанном на фиг.1, неочищенная вода под давлением, контролируемым манометром 3, поступает в полость высоконапорного гидроциклона 8. При тангенциальной подаче воды в полость гидроциклона на каждую ее молекулу и грубодиспергированные примеси действуют в основном три силы: центробежные, отбрасывающие тяжелые частицы к периферии потока; силы сопротивления движущегося потока; гравитационные силы. Силами инерции можно пренебречь. При относительно высоких скоростях вращения жидкости в гидроциклонах центробежные силы значительно превосходят силы тяжести, соответственно возрастает и скорость движения частиц в центробежном поле. За счет указанных силовых полей грубодиспергированные смеси по внутренней стенке гидроциклона перемещаются в направлении осадочной камеры 10. Сетчатый экран 9, установленный в полости гидроциклона 8, исключает попадание взвесей в зону выхода очищенной воды из первой ступени системы очистки воды фильтра 2. При полностью открытом вентиле 18 и положении коронки 25 в корпусе четырехходового крана 17, представленном на фиг. 1, вода под напором через отвод 26 направляется в полость щелевой трубы 14 емкости 13.

Через щели трубы 14 вода из высоконапорного гидроциклона 8 поступает в полость герметичной емкости 13. При установившемся истечении вода под давлением пронизывает слои фильтрационного материала 12.

В пустотах между зернами доломитого щебня задерживаются примеси размерами 80-150 мкм. После этого вода пронизывает слой кварцевого песка с размерами зерен 1-5 мм. В слое песка задерживаются взвеси с размерами частичек 40-80 мкм. Окончательную очистку воды в емкости 13 осуществляют сетчатые фильтры 15 на поверхностях дренажных труб 16. С коллектора дренажных труб 16 через сгон 27 очищенная вода поступает в корпус трехходового крана 22. При положении коронки 24, указанном на фиг.1, очищенная вода из магистрального трубопровода 6 направляется в сеть распределительных и поливных трубопроводов с капельницами. Капельницы с заданными расходами направляют очищенную воду в корнеобитаемый слой почвы. О нормальной работе фильтра 2 судят по величинам перепадов давлений воды, фиксируемых манометрами 3, 4 и 5.

При длительной работе фильтра 2 в материале 12 накапливаются взвеси в пустотах кварцевого песка и доломитого щебня, т.е. происходит кольматация фильтрационного материала и накопление продуктов загрязнения в осадочной камере 10.

Оператор, обслуживающий систему, коронки 23 и 24 трехходовых кранов 21 и 22 переводит в положения, представленные на фиг.2. Положения вентиля 18 и коронки 25 четырехходового крана 17 остаются такими же, что и изображенные на схеме фиг.1.

При работающей насосной станции оператор плавно открывает вентиль 11 осадочной камеры. Пульпа из осадочной камеры 10 с продуктами загрязнения по дополнительному трубопроводу направляется на участок для полива напуском (полив виноградника, сада и др. декоративных насаждений). Одновременно с этим вода из напорного трубопровода поступает сначала в корпус трехходового крана 21, далее по сгону 28 в полость корпуса трехходового крана 22 и по сгону 27 в коллектор дренажных труб 16. Под давлением воды из каждого тканого сетчатого фильтра 15 на поверхности труб 16 вымываются в обратном направлении наносы и взвеси. Проникая через поры слоя песка и слоя щебня, потоками воды увлекаются взвеси более крупных размеров и через щели трубы 14 сбрасываются в отвод 26, а от него - в полость гидроциклона 8. Этим потоком с поверхности сетчатого экрана 9 удаляются продукты загрязнения и через осадочную камеру 10 и вентиль 11 выводятся за пределы фильтра 2. По разнице в показаниях манометров 4 и 3 оператор судит о степени удаления кольматажа из емкости 13 фильтра 2.

Для подкормки растений в емкость 1 засыпают быстрорастворимые микроэлементы и/или минеральные удобрения. Крышкой плотно закрывают полость емкости 1. Далее оператор коронку 25 четырехходового крана 17 переводит в положение, представленное на фиг.3. При уменьшении живого сечения в корпусе вентиля 18 оператор по рукаву 19 часть воды подает в донную часть емкости 1. При тангенциальной подаче воды в емкости 1 создается вихревой поток. Микроэлементы и удобрения растворяются в потоке воды. Таким образом в емкости 1 создается маточный раствор. Последний по рукаву 20 вводится в корпус 17 четырехходового крана 17, а из него - в отвод 26. Шлам и другие взвеси улавливаются фильтрационным материалом 12 в емкости 1.

Поток воды из напорного трубопровода 7 при положении коронки 23 трехходового крана 21, изображенного на фиг.3, поступает сначала в высоконапорный гидроциклон 8, а далее в емкость 13 фильтра 2. Очищенная вода фильтрационным материалом 12 и сетчатыми ткаными фильтрами 15 направляется по сгону 27 в корпус трехходового крана 22, а его коронкой - в магистральный трубопровод. Капельницами поливных трубопроводов вместе с очищенной водой к корням растений подводятся необходимые элементы питания.

В ранневесенний или в осенний периоды проводят влагозарядковые поливы. Для этих целей из водоисточника насосной станцией воду по напорному трубопроводу 7 через трехходовой кран 21, сгон 28 и трехходовой кран 22 подают транзитом под давлением в магистральный трубопровод 6. Положения коронок 23 и 24 в трехходовых кранах 21 и 22 представлены на фиг.4. При указанных положениях коронок 23 и 24 высоконапорный гидроциклон 8 и емкость 13 фильтра 2 закрыты.

Трехходовые краны 23 и 24 и четырехходовый кран 17 совместно с вентилями 11 и 18 упрощают процесс управления фильтром для тонкой очистки при капельном орошении.

Формула изобретения

1. Система очистки воды и подачи питательной смеси в почву для капельного орошения, включающая гидравлически соединенные водоисточник, насосную станцию, емкость для подготовки питательного раствора, фильтр, манометры, запорную арматуру, магистральный трубопровод, сеть распределительных и поливных трубопроводов и капельницы, отличающаяся тем, что фильтр очистки воды выполнен трехступенчатым: первая ступень предусмотрена для удаления минерального сора, растительных примесей и взвесей и выполнена в виде высоконапорного гидроциклона, снабженного концентрично установленным в его полости самоочищающимся сетчатым экраном, осадочной камерой для сбора продуктов загрязнения и вентилем для их выпуска, вторая ступень тонкой очистки представлена в виде заполненной фильтрационным материалом горизонтально установленной герметичной емкости со смонтированными в ней над фильтрационным материалом верхней щелевой трубой для подвода воды из высоконапорного гидроциклона, третья ступень тонкой очистки воды предусмотрена для изъятия взвесей из очищаемой воды тканым сетчатым фильтром, охватывающим поверхности щелевых дренажных труб, смонтированных в донной части емкости, а емкость для подготовки питательного раствора гидравлически параллельно соединена в сеть между высоконапорным гидроциклоном и щелевой трубой для подачи воды в емкость с фильтрационным материалом посредством четырехходового крана и вентиля, при этом упомянутые насосная станция, высоконапорный гидроциклон, дренажные щелевые трубы третьей ступени очистки и магистральный трубопровод для подачи очищенной воды в капельницы гидравлически связаны посредством последовательно соединенных трехходовых кранов.

2. Система по п.1, отличающаяся тем, что фильтрационный материал второй ступени очистки представлен в виде доломитового щебня с размерами зерна 5-20 мм слоем 200-400 мм, уложенного над слоем кварцевого песка с размерами зерен 1-5 мм толщиной 300-600 мм.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4