Строительство и архитектура /7. Водоснабжение и канализация

Д.т.н. Дзюбо В.В., Алферова Л.И.

Томский государственный архитектурно-строительный университет, Россия

Радиальное фильтрование в технологиях водоподготовки

Переменная скорость фильтрования в фильтрах радиального типа – от максимальной на входе до минимальной на выходе, а также возможность направленного формирования пористости фильтрующего материала позволяет увеличить грязеемкость фильтрующей загрузки и производительность по сравнению с традиционно применяемыми фильтрами.

Анализ результатов исследований фильтровальных сооружений различных типов, а также проведенные технологические исследования работы обычных вертикальных и радиальных напорных фильтров при очистке подземных вод показали, что в одинаковых условиях и при одинаковом достигаемом качестве очистки радиальные фильтры позволяют без ущерба для производительности в 1,6–2,4 раза уменьшить требуемый объем фильтрующего материала (в зависимости от исходного качества очищаемых подземных вод) за счет более эффективного использования грязеемкости фильтрующей загрузки, работающей в режиме нестационарных скоростей фильтрования.

При очистке подземных вод фильтрованием от растворенных форм железа и марганца существенными факторами, определяющими эффективность процесса, являются площадь контакта обрабатываемой воды с фильтрующей средой (материалом) и время контакта, которое зависит от скорости фильтрования. Площадь контакта зависит от гранулометрических характеристик фильтрующего материала [1], а скорость фильтрования является одним из технологических параметров работы фильтров, может задаваться и быть постоянной для каждого конкретного случая (качества исходной воды), либо может искусственно изменяться в процессе эксплуатации фильтров [3].

Анализ технологических параметров, рекомендуемых [4] для очистки подземных вод фильтрованием, позволяет говорить о том, что указанный нормативный документ достаточно формально учитывает приведенные выше факторы, влияющие на эффективность фильтрования подземных вод. Согласно [4] при очистке подземных вод по разным технологическим схемам формальную скорость фильтрования рекомендуется принимать в пределах 5–12 м/ч, рабочую высоту слоя фильтрующего материала – 0,7–2,0 м, а крупность зерен фильтрующего материала – 0,5–2,0 мм, при этом рекомендуемые параметры конкретно не связаны с качеством очищаемых подземных вод.

Установлено [5], что увеличение скорости фильтрования при всех прочих постоянных параметрах фильтрования приводит к снижению эффективности процесса, а снижение скорости фильтрования позволяет достигнуть требуемого эффекта, например, при меньшей против рекомендуемой [4] рабочей высоте слоя фильтрующей загрузки или при большей ее крупности, что позволяет снизить гидравлическое сопротивление загрузочного материала.

Технологические исследования работы фильтров при различных сочетаниях указанных выше параметров позволили сделать вывод о том, что при фильтровании подземных вод важное значение имеет время контакта воды с материалом загрузки, которое зависит от принятой скорости фильтрования, высоты рабочего слоя и крупности загрузки.

В пределах рекомендуемого [4] интервала формальных скоростей фильтрования время движения фильтруемой воды в фильтре составляет 4–15 мин. Учитывая, что истинная скорость движения воды в межзерновом пространстве загрузочного материала существенно отличается от формальной [2], т.е. и приняв во внимание, что пористость распространенных [6] фильтрующих материалов составляет 40–60%, фактическое время контакта воды с материалом загрузки лежит в пределах 1,6–9 мин при =12 и 6 м/ч, соответственно. Сопоставление полученных данных говорит о том, что истинное время контакта воды с материалом загрузки фильтра в 1,7–2,5 раза меньше расчетной продолжительности движения воды в фильтре, причем, эта разница тем больше, чем меньше межзерновая пористость фильтрующего материала.

В практических условиях принятые без должного обоснования (формально) и не соответствующие друг другу такие важные технологические параметры для фильтров как скорость фильтрования, высота слоя фильтрующего материала и его гранулометрические характеристики, а также некорректный учет (либо его отсутствие) качества очищаемой воды приводят к тому, что фильтровальные сооружения не обеспечивают требуемого качества получаемого фильтрата в казалось бы безобидных (достаточно простых) ситуациях.

Анализ технологических схем работы радиальных фильтров [2] показывает, что их конструкции позволяют исключить, либо свести к минимуму подобную ситуацию. Достигается это за счет падения скорости фильтрования, а значит – увеличения продолжительности контакта воды с загрузкой фильтра по мере ее движения по направлению фильтрования.

В соответствии с технологическими схемами радиальных фильтров, приведенными в [2], на рис. 1 приведена принципиальная конструктивная схема базового радиального фильтра с загрузкой из гранулированного (зернистого) материала, межзерновая пористость которого одинакова во всем объеме загрузки.

Рис. 1. Конструктивная схема радиального напорного фильтра

1 – корпус фильтра; 2, 3 – узлы подачи исходной и отвода очищенной воды, подачи и отвода промывной воды; 4 – центральный распределительный канал фильтра; 5 – фильтрующий материал; 6 – опорожнение, сброс первого фильтрата

В центральной части фильтра расположен распределительный канал, из которого подаваемая в фильтр вода равномерно распределяется по высоте загрузочного материала. Отфильтрованная вода из периферийной части фильтра собирается и отводится через сборно-распределительный коллектор. Из нижней части отводится первый фильтрат после промывки фильтра, а также осуществляется его опорожнение.

В отличие от обычных вертикальных фильтров, в которых формальная скорость фильтрования неизменна по высоте слоя загрузки, радиальные фильтры (базовая конструкция – фильтрование от центра к периферии) характеризуются падением скорости фильтрования в направлении фильтрования при постоянстве расхода фильтруемой воды. Изменение по величине скорости фильтрования в радиальном направлении позволяет устанавливать рабочую «высоту» фильтрования в зависимости от качества исходной воды в пределах 0,5–1,2 м без ущерба для качества очищенной воды. Достигается это за счет того, что снижение скорости фильтрования в радиальном направлении приводит к увеличению продолжительности пребывания фильтруемой воды в толще материала и, как следствие, продолжительности контакта обрабатываемой воды в фильтре с каталитической пленкой на поверхности фильтрующего материала.

Анализ работы радиальных фильтров показывает еще одну технологическую их особенность – увеличение времени контакта потока воды с материалом загрузки в радиальном направлении при падении скорости фильтрования и постоянстве фильтруемого расхода .

Радиальные фильтры с легкими фильтрующими материалами (с плотностью меньше плотности воды) позволяют формировать пористость загрузки в направлении фильтрования в соответствии со скоростью движения потока воды. Различные сочетания пористости фильтрующего материала, формальной скорости и направления фильтрования, обеспеченные конструктивными особенностями радиальных фильтров позволяют использовать их в технологических схемах очистки подземных вод с широким диапазоном изменения величин показателей качественного состава. Кроме того, направленное уменьшение межзерновой пористости фильтрующего материала в направлении фильтрования за счет поджатия позволяет полнее использовать грязеемкость материала, поскольку заполнение его выделяемыми нерастворимыми формами загрязнений подземных вод (в основном железа) начинается со слоев с минимальной пористостью и постепенно фронт заполнения перемещается к входным слоям фильтрующего материала в фильтре. Фильтроцикл заканчивается, когда наблюдается проскок (вынос) задержанных загрязнений вследствие чрезмерного накопления их гидратированных форм в периферийных слоях фильтрующего материала.

На рис. 2 приведена принципиальная конструктивная схема радиального фильтра с синтетическим фильтрующим материалом, пористость которого можно изменять (формировать) в направлении фильтрования потока воды благодаря конструктивным особенностям фильтра.

Рис. 2. Радиальный напорный фильтр с принудительным поджимом фильтрующего материала

1 – подача воды на очистку; 2 – отвод очищенной воды; 3 – подача воды на промывку; 4 – отвод промывной воды; 5 – подача воздуха; 6 – опорожнение, сброс первого фильтрата; 7 – фильтрующий материал; 8 – подвижные прижимные обечайки; А, В, С – варианты расположения сборно-распределительных коллекторов

Конструкция напорного фильтра позволяет обеспечивать требуемую степень поджатия фильтрующего материала по радиусу фильтра с фиксированно-установленным углом поджатия. При сжатии материала в фильтре обеспечивается разная степень его поджатия по радиусу (от центра к периферии), что достигается заранее установленным углом конусности поджимающих обечаек (перегородок). При сжатии обечаек между собой (двухстороннее поджатие) пористость материала изменяется от максимальной в центральной части корпуса фильтра до минимальной на периферии. Аналогично распределяются скорости фильтрования воды – от максимальной в центральной части фильтра, куда подводится вода на фильтрование до минимальной на периферии. Иными словами, в слоях фильтрующего материала с наибольшей пористостью поток фильтруемой воды имеет наибольшую скорость, а по мере снижения пористости материала снижается и скорость фильтруемого потока воды. Данное обстоятельство позволяет максимально использовать грязеемкость фильтрующего материала и увеличить продолжительность фильтроцикла по сравнению с традиционно известными и применяемыми для очистки подземных вод конструкциями фильтровальных сооружений.

Во время промывки поджатие фильтрующего материала снимается и он находится в свободном состоянии, что способствует более качественной его отмывке. Промывная вода движется в сторону противоположную фильтрованию в слое материала, находящегося в свободном состоянии. Отмываемые от материла загрязнения с потоком промывной воды отводятся за пределы фильтра. По окончании процесса промывки фильтрующего материала фильтр переводится в режим нормального фильтрования, при этом первые порции очищенной воды (фильтрата), одновременно со сжатием материала сбрасываются из фильтра.

Для интенсификации процесса водяной промывки фильтрующего материала в нижнюю часть фильтра подводится воздух и распределяется в толще фильтрующего материала через сопла, установленные на кольцевом коллекторе.

На рис. 3 приведены принципиальные конструктивные схемы радиальных фильтров с механической (а) и гидравлической (б) системами уплотнения (поджима) синтетической фильтрующей загрузки (материала).

Рис. 3. Конструктивные схемы механической (а) и гидравлической (б)

систем поджатия фильтрующего материала

1 – подача воды на очистку; 2 – отвод очищенной воды; 3 – подача воды на промывку; 4 – отвод промывной воды; 5 – фильтрующий материал; 6 – сборно-распределительный коллектор; 7 – сильфон; 8 – резьбовой шток подвижных обечаек; 9 – гибкая перегородка; 10 – гидравлическая камера; 11 – к системе гидравлического управления подвижными обечайками

На рис. 4 приведены конструктивные схемы радиальных фильтров отличающихся направлением фильтрования очищаемой воды, при этом в зависимости от формы установленных прижимных обечаек [1] можно по-разному изменять (регулировать) пористость фильтрующего материала.

Исходная вода, подлежащая очистке, подается через узел А внутрь корпуса фильтра, а именно, внутрь центрального перфорированного канала (а). Через его перфорацию вода равномерно распределяется по высоте слоя фильтрующего материала, расположенного внутри подвижных обечаек. Проходя слой фильтрующего материала по радиусу от центра его к периферии, вода подвергается очистке. Поток очищенной воды выходит из обечаек в их периферийной части через перфорированную цилиндрическую часть и через узлы В, С отводится из фильтра. Обечайки установлены с возможностью перемещения в вертикальном направлении относительно друг друга и корпуса фильтра. При необходимости обечайки можно перемещать навстречу друг другу или наоборот, что приводит к сжатию синтетического фильтрующего материала и уменьшению его межзерновой пористости или наоборот.

Рис. 4. Конструктивные схемы радиальных фильтров с движением потока воды от центра к периферии (а) и от периферии к центру (б)

А, В, С – узлы подвода, сбора и отвода воды; D – система гидравлического управления

Поскольку обечайки имеют конические части, обеспечивается неравномерное (переменное) сжатие материала по радиусу фильтра в направлении фильтрования воды: максимальная пористость в центральной части фильтра вблизи перфорированного канала, минимальная – на периферии, вблизи перфорированной цилиндрической части обечаек. Степень сжатия фильтрующего материала может изменяться степенью поджатия обечаек в зависимости от качества очищаемой воды. В режиме промывки для регенерации фильтрующего материала от задержанных примесей поджатие материала обечайками ослабляется или снимается вовсе, для чего они раздвигаются и фильтрующий материал (например, пенополистирол), восстанавливая свою форму, переходит в свободное состояние. Промывка фильтрующего материала может осуществляться прямым или обратным током воды (с интенсивностью, соответствующей материалу загрузки). При «обратной» промывке через узлы В и С подается вода на промывку, которая перемещается в слое материала в фильтре в сторону противоположную фильтрованию воды. Поскольку фильтрующий материал находится в свободном состоянии загрязнения достаточно легко отмываются от гранул материала и вместе с промывной водой через центральный канал и узел А отводятся из фильтра. По окончании процесса промывки фильтрующего материала подача воды на промывку прекращается, через узел А подается вода на фильтрование, при этом первые порции очищенной воды (фильтрата), одновременно со сжатием материала обечайками сбрасываются из фильтра, а затем фильтр переводится в режим нормального фильтрования. По варианту (б), в отличии от варианта (а) вода на фильтрование подается через кольцевые коллекторы (узлы В и С) в периферийную часть фильтра, а фильтрат отводится через центральный перфорированный канал и узел А. Промывка фильтрующего материала осуществляется аналогично варианту (а).

Литература:

1. Дзюбо В.В., Алферова Л.И. Формирование переменной пористости синтетических фильтрующих материалов в технологиях очистки воды // Сантехника. – 2006. – № 3. – С. 12–17.

2. Дзюбо В.В. Радиальные фильтры обезжелезивания подземных вод. Инженерные и технологические решения // Сантехника. – 2006. – № 4. – С. 12–15.

3. Ярошевская Н.В. и др. Очистка воды фильтрованием с нестационарным изменением скорости // Химия и технология воды. – 1989. – № 3. – С. 251 – 253.

4. СНиП 2.04.02 – 84^*. Водоснабжение. Наружные сети и сооружения / Госстрой России. – М.: ГУП ЦПП, 1997. – 128 с.

5. Дзюбо В.В., Алферова Л.И. Технологические характеристики дробленого альбитофира в процессе очистки подземных вод фильтрованием // Питьевая вода. – 2006. – № 3. – С. 12–18.

6. Аюкаев Р.И., Мельцер В.З. Производство и применение фильтрующих материалов для очистки воды: Справ. пособие. – Л.: Стройиздат, 1985. – 120 с.