Технологии очистки воды

Формирование переменной пористости синтетических фильтрующих материалов в технологиях очистки воды

Л. И. Алферова, инженер

В. В. Дзюбо, канд. техн. наук, Томский государственный архитектурно-строительный университет

Фильтрующий материал, как технологическая структура, характеризуется рядом параметров, так или иначе влияющих на эффективность процесса очистки подземных вод, изменяя или задавая которые можно влиять на качество получаемой очищенной воды в зависимости от ее исходного качества [1].

Одной из особенностей твердых зернистых материалов является то, что необходимая пористость фильтрующего слоя может быть достигнута отсевом материала определенной крупности, а направленное изменение пористости по высоте фильтрующего слоя в направлении фильтрования воды, что является достаточно часто используемым приемом, достигается укладкой материала слоями различной крупности, при этом материалы и крупность фракций слоев должны быть тщательно подобраны. Опыт эксплуатации многослойных фильтров показывает, что они требуют устройства качественной дренажной системы, тщательной и достаточно квалифицированной эксплуатации, особенно в режимах промывки, для того чтобы слои не нарушались и не перемешивались со временем.

Для небольших станций и, тем более, для небольших установок водоподготовки целесообразнее устраивать фильтры небольшой (требуемой) высоты в зависимости от исходного качества воды в 1–3 ступени, каждая из которых представляет собой однослойный фильтр, загруженный однородным материалом определенной крупности, а в совокупности они представляют собой один многослойный фильтр, расчлененный на секции по высоте. Такой подход наиболее оправдан в случаях, когда очистке подвергаются подземные воды, содержащие загрязнения в органоминеральной форме. Гранулы загрузки в процессе эксплуатации фильтров покрываются рыхлой желеобразной пленкой и накапливают чрезмерное количество трудноотмываемых нерастворимых соединений, при этом требуются интенсивные методы промывки фильтрующего материала. Опыт эксплуатации станций очистки подземных вод в Западно-Сибирском регионе показывает, что материал фильтров зачастую «спекается» в крупные конгломераты, которые не разрушаются при промывке, и с течением времени эффективность работы фильтров падает [2]. Избежать этого можно применением гидродинамической кратковременно-импульсной промывки, параметры которой значительно превышают рекомендуемые для многослойных фильтров, но, тем не менее, позволяют достичь экономии воды при промывке [3], либо применением электроразрядных технологий для восстановления работоспособности фильтрующей загрузки [4]. В случаях, когда исходное качество подземных вод требует интенсивной промывки фильтрующего материала, в процессе которой он переходит во взвешенное состояние и активно перемещается, применение многослойных фильтров является проблематичным.

На небольших водоочистных станциях и установках с однослойными по структуре и крупности материала фильтрами – гидродинамическая промывка, – а на крупных (более 200 тыс. м³/сут, г. Томск) – технология электроимпульсной обработки фильтрующей загрузки – показали достаточную эффективность и зарекомендовали себя с положительной стороны.

Принципиально иначе можно формировать межзерновую пористость мягких гранулированных однородных материалов, например, таких как пенополистирол или объемных пористых материалов – пенополиуретанов. Пористость материала формируется направленно поджатием слоя определенной высоты, при этом межзерновая пористость его будет зависеть от степени поджатия. Под степенью поджатия следует понимать отношение высоты (толщины) слоя материала в свободном состоянии W к его высоте (толщине) в обжатом W_сж, т. е.:

(1)

Пенополистирол – синтетический гранулированный материал получил применение и для очистки природных вод фильтрованием. Находясь в фильтре в плавающем состоянии, он способен самоклассифицироваться по высоте слоя по крупности [5].

Такая способность материала обеспечивает разную межзерновую пористость слоя загрузки фильтра по высоте, что при определенных технологических параметрах работы фильтров позволяет повысить грязеемкость или увеличить фильтроцикл их работы. Пенополиуретаны нашли достаточно широкое распространение для фильтрования технологических жидкостей или, например, для фильтрования нефтепродуктов в процессе их механической очистки [6].

Пенополиуретан и гранулированный вспененный полистирол – легкие и достаточно мягкие синтетические материалы, которые способны деформироваться при внешних нагрузках и восстанавливать свою форму при снятии нагрузки. Данное обстоятельство можно использовать для искусственного (направленного) формирования пористости изначально однородного (по пористости) слоя пенополиуретана или гранулированного пенополистирола при фильтровании через него потока воды. Под направленным формированием пористости слоя материала следует понимать создание заданной переменной пористости по высоте или толщине однородного по крупности или пористости исходного слоя материала в направлении фильтрования потока очищаемой воды с целью увеличения грязеемкости или фильтроцикла.

Межзерновая пористость слоя гранулированного пенополистирола, как и пористость любого зернистого материала, зависит от крупности и неоднородности фракций материала, а также формы его зерна. Отличительной особенностью этого материала является то, что форма гранул его приближена к правильному шару, поэтому коэффициент формы зерна, являющийся одним из важных параметров, характеризующих фильтрующий материал, немногим больше 1, что характерно для немногих зернистых материалов, форма зерен которых близка к правильной [5, 7].

Конструктивно поджатие синтетического деформируемого фильтрующего материала можно осуществлять разными способами в зависимости от конструкции фильтра.

В напорных вертикальных фильтрах однородный по крупности гранулированный пенополистирол или однородный по пористости пенополиуретан, уложенные в свободном состоянии, можно поджимать послойно (2–4 слоя) в зависимости от общей высоты слоя материала. Для создания разнопористых слоев материала (уменьшение пористости в сторону движения очищаемой воды) степень поджатия отдельных слоев увеличивается в направлении движения потока воды.

Рисунок 1. Принципиальная схема радиального фильтра (линейное двухстороннее поджатие) 1 – центральный канал; 2 – загрузка из гранулированного пенополистирола; 3 – конические прижимные пластины

В напорных радиальных фильтрах (рис. 1) при фильтровании от центра к периферии фильтра (фильтры небольшой производительности водоочистных установок и станций) поджатие синтетического фильтрующего материала можно осуществлять с помощью прижимных конических пластин различной конфигурации. Степень поджатия материала можно изменять, например, углом конусности пластин или степенью кривизны боковой поверхности пластин в зависимости от требуемой пористости материала, которую необходимо обеспечить по радиусу фильтра в направлении фильтрования воды (рис. 2).

Рисунок 2. Вариантные решения поджатия фильтрующего материала 1 – центральный канал фильтра; 2 – прижимная пластина

В радиальных фильтрах помимо возможности направленного формирования пористости по ходу движения потока очищаемой воды создается возможность фильтрования с переменной формальной скоростью ¹⁾ – от максимальной u^ф_max в начальных слоях фильтрующего материала с максимальной (начальной) пористостью n₀ до минимальной u^ф_min на периферии фильтра с минимальной пористостью nmin материала, что позволяет максимально использовать емкость фильтрующей загрузки (материала).

Несмотря на высокие скорости фильтрования на входе, в радиальных фильтрах наблюдается интенсивное падение скорости в радиальном направлении, что позволяет получать фильтрат надлежащего качества и полнее использовать грязеемкостьзагрузки.

На рис. 3 приведены зависимости изменения степени сжатия (1) и пористости гранулированного пенополистирола по радиусу фильтра в направлении фильтрования воды в зависимости от угла конусности прижимных пластин (угла поджатия материала) в радиальных фильтрах с коническими прижимными пластинами.

Рисунок 3. Изменение площади сечения и скорости фильтрования по радиусу фильтра

Степень сжатия материала в произвольном сечении фильтра, от которого зависит пористость материала, согласно схемам (рис. 2) и уравнению (1), можно представить в виде:

(2)

Величину DW_(r) можно определить по уравнениям:

вариант 1: DW_(r)= 2(r - rВ)tgb; (3)

вариант 2: DW_(r))= 0,9(r - r_B)+0,0008(r - r_B)²; (4)

вариант 3: DW_(r)= 0,1(r - r_B)+0,0007(r - r_B)². (5)

Тогда распределение (изменение) пористости по радиусу фильтра в зависимости от формы прижимных пластин (угла поджатия материала) можно представить в виде выражения:

вариант 1: (6)

вариант 2: (7)

вариант 3: (8)

где n₀ – начальная пористость материала;

W – толщина свободно уложенного материала в фильтре;

r – текущее значение радиуса фильтра для произвольного сечения А–А;

r_В – внутренний радиус фильтра;

b – угол поджатия материала.

Зная исходную пористость синтетического фильтрующего материала, загружаемого в фильтр и основные конструктивные размеры радиального фильтра: рабочую высоту центрального канала фильтра или толщину свободно уложенного материала в фильтре W, внутренний радиус (радиус центрального канала) r_B, радиус фильтра R = H_B + r_B, где H_B – «высота» фильтрования слоя материала по радиусу фильтра, уравнение (2) позволяет определить требуемый угол конусности прижимных пластин для создания заданной переменной пористости слоя материала в направлении фильтрования воды.

На стадии регенерации (промывки) фильтрующего материала поджатие его уменьшается или снимается вообще, при этом он переходит в свободное состояние, восстанавливая свою форму и достаточно легко отмывается от задержанных загрязнений. Интенсифицировать отмывку материала можно используя технологию гидродинамической импульсной промывки [3].

Гидродинамическая кратковременно-импульсная водяная промывка фильтров обезжелезивания подземных вод позволяет повысить эффективность их регенерации, при этом достигается экономия промывной воды в сравнении с обычной водяной промывкой и сокращается продолжительность промывки.

Для радиальных фильтров, при фильтровании в направлении от центра к периферии, изменение формальной скорости фильтрования по радиусу фильтра можно записать в виде:

(9)

где r_К = R = H_ф+r_В;

f_К = 2pR•[W - 2tgb(R – r_В)] – площадь выходного (периферийного) сечения фильтра (для варианта 1).

f_Н = 2pr_ВW – площадь боковой поверхности центрального канала фильтра;

Площадь произвольного поперечного сечения радиального фильтра на удалении r от центра фильтра в зависимости от угла поджатия материала можно определить по уравнению (для варианта 1):

(10)

Формальную скорость фильтрования в любом произвольном сечении радиального фильтра с коническими прижимными пластинами (вариант 1) можно определить по выражению, полученному после решения и преобразования уравнения (9):

(11)

Полученное уравнение позволяет оценить нестационарность скорости фильтрования, рассчитав ее для любого произвольного сечения по радиусу фильтра в зависимости от конструктивных параметров фильтра и угла поджатия гранулированного пенополистирола или, с другой стороны, при заданной производительности радиального фильтра в пределах рекомендуемого интерваласкоростей от u_ф^max до u_ф^min определить требуемый угол поджатия материала и, в конечном итоге, – основные конструктивные размеры радиального фильтра.

Нестационарное изменение скорости фильтрования в радиальном направлении позволяет устанавливать рабочую «высоту» фильтрования H_ф 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.

Одновременно с этим направленное уменьшение 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 (нижние слои обычных фильтров или периферийные – радиальных фильтров), а затем фронт заполнения фильтрующего материала постепенно перемещается к входным его слоям в фильтре. Процесс (фильтроцикл) заканчивается, когда наблюдается проскок или вынос загрязнений вследствие чрезмерного накопления гидратированных форм загрязнений в нижних или периферийных слоях фильтрующего материала. На основании натурных испытаний работы фильтров с синтетическими фильтрующими материалами исследованы и установлены основные конструктивные параметры радиальных фильтров:

– рабочая «высота» фильтрования слоя материала;

– степень поджатия в зависимости от формы, линейных параметров прижимных пластин, исходной и требуемой пористости материала;

– оптимальные скорости фильтрования подземных вод в зависимости от их исходного качества (по количеству и формам загрязнений).

На рис. 4 приведены принципиальные схемы радиальных фильтров с нелинейным двухсторонним направленным формированием пористости пенополиуретана (ППУ) с помощью конических вогнутых и выпуклых прижимных пластин.

Рисунок 4. Основные конструктивные параметры напорных радиальных фильтров 1 – центральный канал; 2 – синтетический пористый материал (ППУ); 3 – прижимные пластины; 4 – ограничительные сетки

В зависимости от требуемой пористости материала, которую необходимо создать в направлении фильтрования потока воды, задается кривизна прижимных пластин, при этом степень сжатия и получаемая при этом пористость материала установлена на основании предварительно проведенных тестовых испытаний деформации материала.

Параметры напорных радиальных фильтров

Параметр Величина Диаметр фильтра, D, мм 1050–2100 Диаметр центрального канала, dв, мм 50–100 Высота слоя материала, W, мм 300–800 Угол поджатия, град 5–20 Hф, мм 500–1000 uфmax, м/ч 35–55 uфmin, м/ч 6–10

Сравнительные результаты изменения пористости материла по радиусу фильтра в зависимости от формы прижимных пластин (при всех равных прочих условиях) приведены на рис. 5. Полученные результаты позволяют подобрать требуемую форму (угол наклона, форму и степень кривизны) прижимных пластин для обеспечения заданной пористости материала в зависимости от его исходной (в свободном состоянии) пористости и конструктивных параметров фильтра.

Рисунок 5. Формирование пористости материала по радиусу фильтра прижимными пластинами n0 = 0,55; Hф = 500 мм; W = 800 мм; rв = 50 мм; b = 15°

На основании полученных результатов разработаны вариантные решения радиальных фильтров с синтетическими фильтрующими материалами – пенополиуретаном и гранулированным пенополистиролом, в которых требуемое сжатие материала осуществляется либо механически, либо посредством гидравлической системы сжатия (подробнее – в следующих публикациях).

Разработанные конструкции фильтров позволяют обеспечивать требуемую степень поджатия фильтрующего материала по радиусу фильтра с фиксированным (заранее заданным и установленным) или регулируемым углом поджатия в зависимости от крупности и пористости загружаемого в фильтр материала. В таблице приведены конструктивные параметры разработанных конструкций радиальных фильтров. Для интенсификации процесса промывки фильтрующего материала (водяной или гидродинамической импульсной водяной) в нижней части фильтров устанавливается кольцевой коллектор с соплами, через который подводится и распределяется воздух в толще фильтрующего материала. Во время промывки поджатие фильтрующего материала снимается и он находится в свободном состоянии, что способствует более качественной его отмывке от задержанных загрязнений.

Выводы

Радиальные фильтры с направленным формированием переменной пористости синтетических фильтрующих материалов, используемые в технологиях очистки природных (подземных) вод, работают в режиме нестационарных скоростей и позволяют уменьшить рабочую высоту фильтрующего слоя без ущерба качеству получаемого фильтрата.

 

1) Формальная скорость фильтрования воды в фильтре: u_ф= q_E /F, м/ч, где q_E – расход фильтруемой воды, м³/ч; F – площадь поперечного сечения фильтра, м².

Литература

1. Дзюбо В. В., Алферова Л. И. Технологические характеристики дробленого альбитофира, используемого в процессах очистки подземных вод фильтрованием // Сантехника. 2006. № 2.

2. Артеменок Н. Д. Очистка подземных вод нефтегазоносных регионов Западной Сибири для целей хозяйственно-питьевого водоснабжения: Дисс. … д-ра техн. наук. СПб, 1992.

3. Дзюбо В. В., Алферова Л. И. Кратковременно-импульсная промывка фильтров – путь повышения экономической эффективности работы станций обезжелезивания подземных вод // Сантехника. 2004. № 6.

4. Андрейченко А. А., Черкашин В. И., Гончаров О. Ю., Яворовский Н. А. Электроразрядные технологии в системах водоснабжения хозяйственно-питьевого назначения // Основные водохозяйственные проблемы и пути их решения:Сборник материалов научно-практической конференции «К 100-летию Томского водопровода». Томск, 2005.

5. Журба М. Г. Пенополистирольные фильтры. М., 1992.

6. Витюгин В. М., Удлер Э. И., Кадочникова М. В. Объемные фильтры с переменной пористостью // Журнал прикладной химии. 1989. № 4.

7. Аюкаев Р. И., Мельцер В. З. Производство и применение фильтрующих материалов для очистки воды: Справочное пособие. Л., 1985.