IV Международная студенческая научная конференция Студенческий научный форум - 2012

Фильтрование воды в технологических схемах очистных станций - самый распространенный прием, при этом фильтры с зернистой загрузкой являются основным элементом, позволяющим обеспечивать требуемое качество очищенной воды, поскольку именно эти сооружения обеспечивают максимальную степень очистки по сравнению с другими сооружениями в технологической схеме.

Одной из важнейших инженерных задач, связанных с проектированием и конструированием фильтровальных сооружений, является уменьшение их габаритов без ущерба для достигаемого эффекта очистки воды и производительности. Уменьшение высоты слоя фильтрующего материала позволяет снизить потери напора на фильтрах, их габариты и, в конечном итоге, стоимость подобных сооружений.

Фильтрующий зернистый материал как технологическая структура характеризуется рядом параметров, влияющих как на эффективность процесса очистки природных 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 меж­зерновом 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. 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 действия загрузки или располагаемого напора. Чем меньше эта минимальная скорость, тем больше грязеемкость фильтра.

Задачей данной работы является разработка методики 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.

Для проведения данного эксперимента были сконструированы две установки, каждая из которых имитирует процесс фильтрования с соответствующим скоростным режимом.

На рис. 1 приведена технологическая схема моделей фильтров, согласно которой полная высота слоя фильтрующей загрузки H, делилась на n=5 отдельных частей высотой Δh = 300 мм каждая с объемом фильтрующего материала ΔW=480 дм³, т.е. исследуемый фильтр представляет собой совокупность пяти отдельно работающих фильтров (слоев) H=ΣΔh=1500 мм и объемом W=ΣΔW=2400 дм³. В качестве фильтрующего материала используется песок крупностью 0,7-1мм.

Технологические схемы моделей фильтров характеризуются следующими параметрами:

Фильтрование с постоянной скоростью	Фильтрование с непрерывно-убывающей скоростью
f1 = f2 = f3 = f4 = f5	f1´ < f2´ < f3´ < f4´ < f5´
Q = const	Q = const
v = const	v1´ > v2´ > v3´ > v4´ > v5´
Δh = const	Δh = const
ΔW1 = ΔW2 = ΔW3 = ΔW4 = ΔW5	ΔW1 < ΔW2 < ΔW3 < ΔW4 < ΔW5
W = ΣΔW	W = ΣΔW

где  f₁...f₅, f₁´...f₅´ - площадь сечения модельных фильтров;

      Q - расход фильтруемой воды;

      v - скорость фильтрования;

      Δh - высота слоя загрузки;

      W, ΔW₁... ΔW₅ - объем фильтрующей загрузки.

Лабораторная установка №1 представляет собой модель скорого фильтра, состоящую из пяти отдельных пластиковых цилиндров с одинаковым диаметром 45 мм и высотой 600 мм каждый. Цилиндры расположены согласно высотной схеме, обеспечивающей самотечное движение воды из одного фильтра в последующий. Фильтры соединены между собой гибким шлангом. Каждый фильтр оснащен двумя пьезометрами, обеспечивающим возможность контроля потерь напора в фильтрах по уровням воды над и под слоем загрузки.

Бак с водой, содержащей взвесь в пределах 40 мг/л, расположен выше уровня первой колонки фильтровальной установки и представляет собой пластиковый резервуар цилиндрической формы с основанием в виде конуса объемом W=20 л. В нижней части бака установлен гибкий шланг диаметром d=10 мм, по которому загрязненная вода с помощью насоса - дозатора поступает в верхнюю часть первой колонки фильтра.  Высота слоя воды над слоем фильтрующей загрузки в колонках должна быть не менее десяти сантиметров.

В процессе фильтрования вода проходит фильтрующий и поддерживающий слои первой колонки, затем по гибкому шлангу  поступает в верхний отдел второй колонки и далее аналогичным образом проходит все колонки. Расчетная скорость фильтрования - 6 м/час. Допустимая максимальная потеря напоров в фильтрующей загрузке - 150 мм.

Фильтровальная колонка в разрезе представлена на рис. 2.

Лабораторная установка №2 подобна установке №1. Принципиальная разница между ними заключается в том, что установка №2 состоит из колонок, различных по диаметру. Так, первая колонка имеет наименьшую  площадь поперечного сечения, что обеспечивает максимальную скорость фильтрования в начальной стадии процесса  (40 м/ч) при постоянном расходе сточной воды. Диаметр каждой следующей колонки больше, чем диаметр предыдущей. Таким образом обеспечивается постепенное нелинейное уменьшение скорости в направлении фильтрования и в завершающей стадии процесс фильтрования идет с минимальной скоростью v₅´ =3 м/ч, что способствует более полному использованию ресурса фильтрующей загрузки фильтра и, как следствие, увеличению фильтроцикла.

Фильтроцикл считается законченным, если потеря напора в фильтре превышает максимально допустимую. Регенерация фильтрующей загрузки осуществляется путем извлечения песчаной загрузки из каждой колонки фильтра и промывки ее чистой водопроводной водой. Отрегенерированная загрузка распределяется обратно по колонкам фильтра и начинается следующий цикл фильтрования.

На выходе из фильтра после каждой ступени ежечасно отбираются пробы воды для определения ее качества по взвешенным веществам и эффективности работы установки, ведется контроль за потерями напора в каждом фильтре и продолжительностью фильтроцикла.

Определение содержания взвешенных веществ осуществляется гравиметрическим методом.

В результате выполнения научно-исследовательской работы:

• была предложена и разработана методика моделирования процесса фильтрования с убывающей скоростью;
• выполнен расчет лабораторной установки, состоящей из двух параллельно работающих технологических линий, имитирующих работу фильтра с постоянной и уменьшающейся скоростью фильтрации;
• лабораторная установка позволяет оценить по технологическим и экономическим параметрам эффективность того или иного фильтра;
• на основании выполненных расчетов установка сконструирована, приведена в действие и начаты исследования по программе эксперимента.

Код для цитирования: Скопировать