Фильтрование природных вод в режиме неравномерных скоростей Текст научной статьи по специальности «Механика и машиностроение»

ВОДОСНАБЖЕНИЕ, КАНАЛИЗАЦИЯ, СТРОИТЕЛЬНЫЕ СИСТЕМЫ ОХРАНЫ ВОДНЫХ РЕСУРСОВ

УДК 628.162.82

В. В. ДЗЮБО, канд. техн. наук, доцент,

Л.И. АЛФЕРОВА, аспирант,

ТГАСУ, Томск

ФИЛЬТРОВАНИЕ ПРИРОДНЫХ ВОД В РЕЖИМЕ НЕРАВНОМЕРНЫХ СКОРОСТЕЙ

В статье приведены результаты исследований технологии фильтрования природных вод в режиме переменных скоростей и показано, что фильтрование в режиме изменяющихся скоростей - от максимальных на входе до минимальных на выходе - позволяет перераспределить массу задерживаемых примесей в толще фильтрующего слоя и увеличить продолжительность его защитного действия без ущерба для качества получаемого фильтрата.

Фильтрующий зернистый материал как технологическая структура характеризуется рядом параметров, влияющих как на эффективность процесса очистки природных (подземных) вод, так и на эксплуатационные показатели работы фильтра (например, продолжительность фильтроцикла, от которого зависит частота, продолжительность и интенсивность промывки материала), направленно изменяя которые можно добиться наиболее эффективной работы фильтров.

При фильтровании природных вод с постоянной скоростью гидродинамическое воздействие потока фильтруемой воды усиливается по мере накопления отложений и в результате роста скорости движения жидкости в меж-зерновом пространстве загрузки. Задержание примесей прекращается, когда слой загрузки достигает состояния предельного насыщения, т.е. когда устанавливается динамическое равновесие между количеством задержанных и вынесенных потоком примесей. Предельная насыщенность определяет емкость загрузки по удаляемым примесям. В работе [1] показано, что одним из путей повышения грязеемкости зернистых фильтров по удаляемым примесям при очистке воды поверхностных источников является фильтрование с убывающей скоростью. Емкость зернистой загрузки фильтров в режиме такого фильтрования зависит не от средней скорости фильтрования в течение всего периода работы фильтра между промывками, а от минимальной скорости, при которой завершается работа фильтра, т.е. происходит исчерпание защитного

© В.В. Дзюбо, Л.И. Алферова, 2007

действия загрузки или располагаемого напора. Чем меньше эта минимальная скорость, тем больше грязеемкость фильтра. Установлено, что без реконструкции фильтровальных сооружений только за счет фильтрования с убывающей скоростью их среднюю суточную производительность можно увеличить на 25-50 % при повышении скорости фильтрования в начале каждого фильт-роцикла.

В работах [2, 3] было показано, что переменная скорость фильтрования в фильтрах радиального типа - от максимальной на входе до минимальной на выходе, а также возможность направленного формирования пористости фильтрующего материала позволяют в совокупности увеличить грязеемкость фильтрующей загрузки и производительность по сравнению с фильтрами, работающими с постоянной скоростью фильтрования.

Задачей данной работы являлось моделирование изменения скорости фильтрования по высоте фильтрующей загрузки в направлении движения потока очищаемой воды, изучение характера изменения грязеемкости слоев фильтрующей загрузки в зависимости от скорости фильтрования и характеристик фильтрующего материала, сопоставление грязеемкостей фильтров с постоянной и переменной (убывающей) скоростью фильтрования и получение аналитического выражения, позволяющего рассчитать величину грязеемкости загрузки в зависимости от качества очищаемой воды и параметров фильтрования в фильтрах, работающих с непрерывно-уменьшающейся скоростью, что является характерной конструктивной особенностью радиальных фильтров [2].

Проверка теоретических предпосылок проводилась на моделях фильтров, работающих в технологической схеме очистки подземных вод с предварительной дегазацией-аэрацией Fe-содержащих подземных вод. Эффективность работы фильтров (а также отдельных слоев) и их грязеемкость оценивались по количеству задерживаемого железа (Fe064).

На рис. 1 приведены технологические схемы моделей фильтров, согласно которым полная высота слоя фильтрующей загрузки Нз делилась на n отдельных частей высотой Ah каждая с объемом фильтрующего материала AW, т.е. один фильтр представлял собой совокупность (max 5) отдельно ра-

5

ботающих фильтров (слоев) с общей высотой слоя загрузки Н з = ^ Ah и объ-

n=1

5

емом W = ^ AW . Фильтры загружались фракционированным (отсеянным)

n=1

дробленым альбитофиром [3].

Технологические схемы моделей фильтров характеризовались следующими параметрами:

а) фильтрование с постоянной скоростью:

fi = Л = /з = /л = /5; Яв = const; и = const; Ah = const;

5

AW = AW2 = AW3 = AW4 = AW5; W = ^AW .

n=1

б) фильтрование с непрерывно-убывающей скоростью:

/1 < f2 < /з' < /4 < /5 ; Яв = const; ц > u2 > U3 > и > U5; Ah = const;

5

AW < AW2 < AW3 < AW4 < AW5; W = ^AW,

n=\

где /... f5, f /'- площадь сечения модельных фильтров; дв - расход фильтруемой воды; и - скорость фильтрования; Ah - высота слоя загрузки; W,AWv..AW5 - объем фильтрующей загрузки.

а)

M=const

б)

>

M=const

Рис. 1. Технологические схемы моделей фильтров с постоянной (а) и переменной (б) скоростью фильтрования и при постоянных (а) и переменных (б) соотношениях (о/АШ) и (дв/ АШ)

В качестве примера режимов фильтрования с неравномерной (переменной) скоростью могут служить радиальные фильтры [2] и горизонтальные фильтры круглого сечения (рис. 2).

Характер изменения скорости фильтрования в радиальных и горизонтальных фильтрах круглого сечения приведен на рис. 3.

Анализ рис. 3 показывает, что радиальные фильтры работают в режиме непрерывного падения скорости фильтрования (при фильтровании от центра к периферии фильтра) по «высоте» слоя загрузки, что является результатом постоянного приращения площади сечения фильтра в направлении фильтрования потока воды, а это объясняется конструктивной особенностью радиальных фильтров. В отличие от радиальных фильтров, в горизонтальных фильтрах круглого сечения фильтрование осуществляется в режиме «снижение-увеличение» скорости фильтрования, при этом скорость фильтрования дости-

гает своего минимума в диаметральной части корпуса фильтра, после чего начинает увеличиваться, достигая своего максимума на выходе. Соотношение начальной скорости фильтрования ивх и скорости на выходе ивых из слоя

фильтрующей загрузки может быть разным: ивх = ивых ; ивх > ивых ; ивх < ивых

и зависит от конструктивных особенностей фильтра, в частности, от соотношения объемов надфильтровой зоны и зоны, занятой дренажной (выпускной) системой.

А

Рис. 2. Принципиальная схема фильтрования в радиальных (а) и горизонтальных (б) фильтрах круглого сечения

В конструкциях радиальных фильтров (рис. 2, а) при заданной высоте загрузки фильтра О и постоянстве подаваемого расхода воды скорость фильтрования и является функцией площади поперечного сечения фильтра в направлении фильтрования, а ее величину для любого произвольного сечения (А-А) фильтра можно определить исходя из уравнения

им = &/2пг -О . (1)

Под грязеемкостью фильтров обычно принято понимать количество задержанных загрязнений за определенный период времени, при этом за период времени принимается продолжительность защитного действия загрузки либо к моменту «проскока» загрязнений (т.е. период времени до момента начала ухудшения качества фильтрата сверх нормативного), либо к моменту исчерпания располагаемого напора. В отдельных случаях используется понятие удельной грязеемкости, т.е. грязеемкость, отнесенная к объему фильтрующего материала либо к площади фильтрования, что позволяет оценивать и сравнивать фильтрующие материалы или производительность фильтров.

Для фильтров, работающих с постоянной скоростью фильтрования, в общем виде грязеемкость загрузки к моменту исчерпания ее защитного действия можно определить как:

£' = (Со - СвЬК )?в - 'ф . (2)

«Высота» слоя загрузки (по направлению фильтрования)

Рис. 3. Динамика изменения скорости фильтрования в радиальных (а) и горизонтальных (б) фильтрах круглого сечения

С другой стороны, грязеемкость, отнесенную к единице площади фильтра, работающего с постоянной скоростью фильтрования, можно определить как

Г = (Со -СвЬК)и-'ф, (3)

где С0 и Свых - концентрации удаляемых примесей в воде, поступающей в зернистый слой, и в фильтрате; и - постоянная скорость фильтрования; 'ф -

продолжительность фильтрования к моменту исчерпания защитного действия загрузки.

Опыт работы фильтровальных сооружений при очистке природных вод различного качества показывает, что продолжительность защитного действия фильтрующей загрузки 'ф при постоянном расходе ^в и неизменном качестве

(по Со ) очищаемой воды зависит от требуемого качества получаемого фильтрата (по Свых ) и для одной и той же фильтрующей загрузки будет неодинаковой в зависимости от требуемой или заданной величины Свых . Это означает,

что уравнение (2) позволяет определить грязеемкость слоя загрузки определенного объема в зависимости от продолжительности фильтрования и заданной (требуемой) для слоя величины Свых при разных скоростях фильтрования, которые зависят от соотношения расхода очищаемой воды ^в и площади фильтрования / .

Анализируя уравнение (3), можно утверждать, что при известных (или заданных) величинах Со и Свых грязеемкость загрузки или ее слоя зависит от скорости фильтрования, которая, в свою очередь, влияет на продолжитель-

ность защитного действия загрузки, т.е., чем больше скорость фильтрования, тем меньше период защитного действия загрузки. Уменьшение скорости фильтрования снижает гидродинамический напор в толще фильтрующей загрузки, в результате чего увеличивается продолжительность ее защитного действия.

Применительно к фильтрам обезжелезивания подземных вод продолжительность защитного действия загрузки оценивается по качеству получаемого фильтрата либо по приросту потерь напора до исчерпания располагаемого напора (для открытых фильтров). При напорном фильтровании подземных вод преобладающим фактором является качество получаемого фильтрата, при ухудшении которого ниже установленных норм принято считать, что грязе-емкость фильтра исчерпана и его необходимо выводить на регенерацию (промывку). Продолжительность защитного действия фильтрующей загрузки при очистке подземных вод зависит как от качества последних, так и от параметров работы фильтра и характеристик фильтрующей загрузки в том числе.

Грязеемкость фильтров обезжелезивания подземных вод, выраженную через количество задержанного железа (по Реобщ), г, и отнесенную к единице объема Ж, м3, фильтрующей загрузки к моменту исчерпания ее защитного действия, можно выразить как

МС - Свых ) Чв • 'ф/Ж = ( Со - Свых )и / • 'ф// • Нз =(Со - Свых )и'ф/Яз . (4)

Поскольку, как указывалось выше, весь объем фильтрующей загрузки фильтра можно представить как сумму элементарных объемов слоев загрузки

П

по ее высоте, т.е. Ж = ^ АЖ, а величина (Со - Свых ) формально представляет

п=1

собой количество выделенных (задержанных) загрязнений объемом фильтрующей загрузки, справедливо будет говорить о том, что грязеемкость всего объема загрузки фильтра представляет собой сумму грязеемкостей п - элементарных объемов слоев загрузки, которую для фильтров, работающих с постоянной скоростью фильтрования (рис. 1, а) в соответствии с (4), можно выразить как

^пост =Е (Со - Свых )Яв • 'ф/АЖ =[(Со - Свых-1) Яв • 'ф/АЖ] +

п=1 (5)

+ [(С -Свых.^Яв • 'ф/АЖ] +... + [(Сп -Свых^Чв • 'ф/АЖ].

Согласно схеме (рис. 1, а), когда / = /2 =... = /п и АН = ооп81 , выражение (5) в соответствии с (4) можно записать

^пост = £ (Со - Свых)и • 'ф /АН = [(Со - Свых-1 )и 'ф/АН] +

п=1 (6)

+ [(С1 -С^^'ф/ АН ] + ... + [(Сп-С^^'ф/ АН ],

где C0, C1, С2,.Сп И Свых, CвЫх-1, Свых-2,.Свых-п - K0HЦеHтуаЦиЯ выделяемых примесей (Беобщ) на входе и на выходе из элементарного слоя загрузки объемом АЖ и высотой АН .

Аналогично, но для фильтров, работающих с переменной (убывающей) скоростью и ' фильтрования (рис. 1, б) в соответствии с (4), грязеемкость можно выразить как

^перем =1 (Со - СвЬК ) Яв • tф/AW =[(С0 - С^-Х • ijAWi ] +

n= (7)

+ [(Ci -Свых_2)Яв • tjAW2] +... + [(Си -СвьК.п)q • tjAW„].

Согласно схеме (рис. 1, б), когда f1 ' < f2'<... < f'n, AW1 <AW2 <... <AWn, а Ah = const, выражение (7) в соответствии с (4) можно записать

^перем =! (Со - Свых ) «'• tjAh =[(Со - С^) U1 • tjAh ] +

n=1 (8)

+ [(С1 - Свых-2)и2 • tф/Ah ]+ ... + [(Сп - Свых-n) Un • tф/Ah ] ,

где u1, u2...un - скорость фильтрования в отдельных слоях фильтрующей загрузки, причем и1 > и2 > ... > un.

В работе [3] приведена установленная на основании обобщения и обработки результатов проведенных исследований очистки подземных вод фильтрованием в различных территориальных районах Западно-Сибирского региона зависимость для определения требуемой высоты слоя фильтрующего материала (альбитофира) при условии достижения нормативного качества обезжелезивания подземных вод (Беобщ < 0,3 мг/л). Полученная зависимость имеет вид:

(-Г -иф,84 С1’65 •U0,84

H \ ) ф = С0 иф (9)

з а0Д2 • pH°,95 • T1,04 а°,12 • pH°,95 • T^04 ’

F 2+

где Сисех = С0 - содержание железа в исходной воде, мг/л; а = 6а(1 - n0)/d3 -параметр, учитывающий гранулометрические характеристики фильтрующего материала; а - коэффициент формы зерен материала; d3 - эквивалентный диаметр зерна материала, мм; n0 - пористость плотно лежащей загрузки (для альбитофира значения а в зависимости от крупности фракций приведены в таблице); T - температура обрабатываемой воды, °С.

Для учета требуемого качества очищенной воды при оценке работы фильтрующего слоя и загрузки в целом в уравнение (9) введен параметр Свых , который позволяет рассчитать требуемую высоту фильтрующего слоя в зависимости от качества исходной, очищенной воды (по Свых) и параметров фильтрования.

В окончательном виде уравнение для расчета требуемой высоты слоя загрузки с учетом характеристик применяемого фильтрующего материала приобретает вид

Н з =

/ С у,87 /

• pH°’92 • Т1

(10)

Характеристика альбитофира

Анализ полученных уравнений (9) и (10) показал, что уменьшение крупности фракций материала (йэ) позволяет увеличивать скорость фильтрования при сохранении качества очищенной воды за счет увеличения удельной площади контакта обезжелезиваемой

Крупность фракций, , мм (неодн * 1,2) Пористость п0 а, м2/м3

0,5 0,20 14800

1,0 0,25 7930

1,5 0,35 4480

2,0 0,42 2590

2,5 0,46 1930

3,0 0,50 1650

3,5 0,53 1490

воды с зернами материала загрузки. С другой стороны, для определенной крупности фракций фильтрующего материала увеличение формальной скорости фильтрования требует увеличения высоты слоя фильтрующего материала для сохранения требуемого качества получаемого фильтрата.

Благодаря увеличению удельной поверхности зерен фильтрующего материала при уменьшении его крупности увеличивается производительность фильтров, несмотря на то, что при этом увеличивается сопротивление загрузки и потери напора на ней. Увеличение площади контакта обрабатываемой воды с зернами загрузки увеличивает массообменные характеристики фильтров. Сравнение режимов работы фильтров с материалом различной крупности позволило установить, что при одинаковом качестве (по наиболее значимым

показателям, например, ) очищаемой исходной воды и равной формаль-

ной скорости фильтрования требуемая высота слоя материала тем больше, чем больше крупность зерен материала. Полученные результаты показали, что увеличение высоты слоя материала практически пропорционально уменьшению удельной поверхности его зерен и зависит от крупности ( ёэ) фракций материала (рис. 4).

Продолжительность защитного действия фильтрующей загрузки фильтров при обезжелезивании подземных вод зависит от качества очищаемой воды, от технологических параметров фильтрования, а также от соотношения принятых параметров фильтрования характеристикам фильтрующего материала.

Из выражений (5) - (8) видно, что одним из основных параметров при расчете грязеемкости фильтров является продолжительность защитного действия загрузки tф.

Распределение задержанных загрязнений в толще фильтрующей загрузки при очистке подземных вод в значительной степени зависит от скорости фильтрования, которая для большинства применяемых в практике водоподго-товки конструкций фильтров является величиной постоянной при постоянном расходе очищаемой воды, от гранулометрической характеристики фильтрую-

щего материала и соответствия ее принятой скорости фильтрования. Для повышения грязеемкости фильтрующей загрузки на практике чаще всего используется послойная укладка фильтрующего материала различной крупности и фильтрование воды в направлении уменьшения его крупности. Такой прием не всегда оправдан на практике, поскольку не всегда обеспечивается тщательная эксплуатация таких фильтров, и послойно уложенная загрузка со временем перемешивается, в результате чего грязеемкость фильтров понижается, увеличивается частота их промывки и, соответственно, снижаются экономические показатели их работы.

&

2

а

н

л

ч

я

■&

И

Рис. 4. Требуемая высота фильтрующего слоя (Нз) при скорости фильтрования (и) и крупности (о?э) зерен материала (Свых < 0,3 мг/л)

Для большинства применяемых в практике водоподготовки фильтров распределение задержанных загрязнений в толще загрузки происходит под воздействием гидродинамического напора очищаемого потока воды, который нарастает по мере загрязнения и роста сопротивления загрузки. Опыт эксплуатации фильтров с однородными загрузками и постоянной скоростью фильтрования показывает, что слой фильтрующего материла не исчерпывает полностью своей грязеемкости, поскольку первые по ходу движения воды слои загрязняются значительно быстрее, чем последующие (нижние - при фильтровании сверху вниз), и когда сопротивление (потери располагаемого напора) загрузки в целом возрастает до предельно допустимых величин (состояние динамического равновесия), требуется ее регенерация.

Для корректной оценки и сопоставления грязеемкостей фильтров с постоянной и переменной скоростью фильтрования по уравнениям (5), (6) и (7), (8) сравнение работы модельных фильтров по приведенным схемам (рис. 1) проводилось при одинаковом качестве очищаемой воды и одинаковых характеристиках фильтрующего материала (альбитофира).

Проведенные исследования показали, что при фильтровании подземных вод с постоянной скоростью, содержащих 1,2-8,6 мг/л железа, и при условии получения фильтрата требуемого качества продолжительность защитного действия загрузки (продолжительность работы фильтра между промывками) фильтров с йэ = 0,8-2,2 мм составляет 50-18 ч при скорости фильтрования 8-14 м/ч.

При фильтровании подземных вод аналогичного качества с переменной скоростью фильтрования от 25 м/ч на входе до 5 м/ч на выходе продолжительность защитного действия загрузки составляла 68-28 ч.

Изучение степени очистки подземных вод отдельными слоями (рис. 1) фильтрующей загрузки при фильтровании с постоянной и переменной (уменьшающейся) скоростью позволило установить, что при фильтровании с постоянной скоростью основная масса загрязнений задерживается в первых по ходу движения воды слоях загрузки и значительно уменьшается к последним слоям. При этом к моменту исчерпания защитного действия загрузки (к моменту проскока загрязнений с фильтратом) расчетная масса задержанных загрязнений в последних слоях не превышает 10-15 % от общей их массы, что позволяет говорить о том, что последние (нижние) слои не исчерпывают полностью своей грязеемкости. Напротив, при очистке подземных вод в режиме переменных скоростей количество загрязнений в слоях загрузки нарастает от первых слоев к последним, а снижение скорости фильтрования от первых слоев к последним и, как следствие, снижение гидродинамического напора в толще загрузки по направлению фильтрования позволяет увеличить продолжительность защитного действия загрузки в целом.

В радиальных напорных фильтрах обезжелезивания подземных вод [2] характер изменения скорости фильтрования по направлению движения потока воды в толще фильтрующей загрузки определяется конструктивными особенностями фильтров и зависит от их геометрических размеров.

В зависимости от качества очищаемой воды геометрические размеры радиальных фильтров должны обеспечивать соответствие скорости фильтрования гранулометрическим характеристикам загрузки. В режиме фильтрования от центра к периферии (рис. 2) скорость потока воды непрерывно уменьшается при постоянстве расхода очищаемой воды, при этом снижается гидродинамический напор потока воды в межзерновом пространстве загрузки, а количество задерживаемых загрязнений (в основном, в виде Ре(ОН)3 - нерастворимой гидроокиси железа) на поверхности зерен и в межзерновом пространстве нарастает по мере падения скорости фильтрования. Наблюдаемое распределение количества задержанных загрязнений в слоях загрузки радиальных фильтров (рис. 1, б) определенным образом соответствует падению скорости фильтрования - от минимального количества загрязнений в начальных слоях загрузки, где скорость и гидродинамический напор максимальны, до максимального количества их в периферийных слоях фильтрующей загрузки, где скорость фильтрования минимальна. При достижении состояния динамического равновесия, когда гидратированные загрязнения перестают удерживаться в толще загрузки и выносятся с фильтратом под воздействием гидродинамического напора фильтруемой воды, грязеемкость загрузки исчер-

пывается и требуется ее регенерация. Финальная грязеемкость зернистой загрузки радиальных фильтров в режиме такого фильтрования (от центра к периферии) зависит не от скорости воды на входе, не от средней скорости фильтрования в течение всего периода работы фильтра между промывками, а от той минимальной скорости потока на выходе, при которой наблюдается вынос загрязнений и завершается работа фильтра.

Процесс накопления загрязнений в толще фильтрующей загрузки будет настолько эффективнее (по количеству задержанных загрязнений на единицу объема загрузки), насколько оптимально:

- соотношение между принятой скоростью фильтрования воды и характером изменения ее по направлению фильтрования в зависимости от качества очищаемых подземных вод;

- соответствие между скоростью фильтрования и характеристикой фильтрующего материала.

Сравнение работы фильтров с постоянной и убывающей скоростью фильтрования по продолжительности защитного действия загрузки равного объема при очистке подземных вод одинакового качества и при одинаковом достигаемом качестве очистки показало, что технология фильтрования подземных вод в режиме непрерывно уменьшающейся скорости фильтрования позволяет увеличить грязеемкость фильтрующей загрузки без ущерба для качества получаемого фильтрата.

Выводы

Очистка подземных вод фильтрованием с непрерывно уменьшающейся скоростью позволяет увеличить грязеемкость фильтрующей загрузки за счет увеличения продолжительности ее защитного действия и перераспределения массы задержанных загрязнений в толще загрузки.

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК

1. Очистка воды фильтрованием с нестационарным изменением скорости / Н.В. Ярошев-ская [и др.] // Химия и технология воды. - 1989. - № 3. - С. 251-253.

2. Дзюбо, В.В. Радиальные фильтры обезжелезивания подземных вод. Инженерные и технологические решения / В.В. Дзюбо // Сантехника. - 2006. - № 4. - С. 16-19.

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

L.I. ALFEROVA, V.V. DZJUBO

FILTERING OF NATURAL WATERS IN THE MODE OF NON-UNIFORM SPEEDS

The results of researches of technology of natural waters filtering in a mode of variable speeds are given in the paper. It is shown, that filtering in a mode of varied speeds - from maximal on an input up to minimal on an output allows to redistribute weight of detained impurity in thickness of filtering layer and to increase duration of its protective action without damage to quality of a received filtrate.