Дослідження умов водоповітряної промивки плаваючого фільтруючого шару водоочисних фільтрів

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Дослідження умов водоповітряної промивки плаваючого фільтруючого шару водоочисних фільтрів

Гіроль А.М., асистент, Гіроль А.М.

Наведено результати експериментальних і теоретичних досліджень процесу водоповітряної промивки фільтрів з плаваючим фільтруючим шаром, визначені раціональні значення параметрів промивки.

The results of experimental and theoretic researches of air-water rinse of filters with floating filter bed are shown; the rational values of rinse parameters are determined in the article.

Зернисті фільтри в технології очистки води набули значного поширення [4,5,6]. Ці споруди успішно працюють як в схемах очистки природної води для питних чи виробничих цілей, так і в схемах доочистки або очистки стічних вод [4,7,8]. Оцінюючи ефективність тієї чи іншої конструкції зернистих фільтрів, переважно звертають увагу на ефективність очистки води, яку вони забезпечують. При цьому процес відновлення працездатності фільтруючого шару, який невід'ємно присутній в технологічному режимі експлуатації фільтрів, перебуває на другому плані. Між тим, процес промивки зернистих фільтрів за своїм впливом на ефективність їх роботи є визначальним. Недостатня ефективність промивки фільтра, який забезпечує навіть високу якість очистки води або нераціональні значення параметрів процесу промивки спроможні звести на нівець можливість застосування цієї, в цілому надто ефективної споруди, в технологічній схемі очистки води.

При визначені умов промивки зернистого шару, особливого значення набуває швидкість руху потоку промивної води (інтенсивність промивки) та тривалість промивки, оскільки ці параметри визначальним чином впливають на ефективність промивки та витрати води на проведення цього процесу.

З метою скорочення витрат води на промивку, в практиці експлуатації фільтрів, значного поширення набула водоповітряна промивка [1,3]. Особливість такої промивки полягає в сумісній чи послідовній подачі в нижню затоплену частину фільтруючого шару промивної води і стисненого повітря. Витрати промивної води за цих умов значно скорочуються в порівнянні з її витратами при проведенні промивки водою. Швидкість руху потоку промивної води значно менша від критичної швидкості, за якої зернистий шар спроможний перейти в розширений стан. Рухливість зерен фільтруючого шару забезпечується інтенсивним рухом через нього потоку повітря. Незначний рух промивної води зумовлює переміщення відмитих дисперсних часток по висоті фільтруючого шару.

Наведене вище значною мірою стосується фільтрів, засипка яких виконана з матеріалів, питома маса зерен яких перевищує густину води (с_зерен > с_води).

Поряд з фільтрами, засипка яких виконана з кварцового піску, в практиці очистки води набули поширення фільтри з плаваючим фільтруючим шаром. Питома маса гранул фільтруючого завантаження таких фільтрів менше густини води (с_гранул< с_води). Виходячи з властивостей гранул фільтруючого шару таких фільтрів їх промивка проводиться в низхідному потоці води. Швидкість руху води перевищує критичну швидкість переходу фільтруючого шару в розширений стан. Величина відносного розширення шару під час його промивки сягає е=15…50% [2,4]. Для досягнення згаданої величини відносного розширення шару (е), швидкість руху (v) потоку промивної води або інтенсивність промивки q залежить від діаметра гранул і питомої їх маси [6]. Для фільтруючого шару з параметрами гранул, що використовуються в практиці очистки води (0,8…4 мм) Параметри фільтруючого шару залежить від умов роботи фільтра, фізико-хімічних властивостей води і дисперсних часток., параметр v змінюється в межах 10…60 мм/с або q=10…60 л/(с·м²). Більше значення відноситься до більших розмірів гранул Об'єм промивної води для промивки фільтрів зберігається в надфільтровому просторі. Висота надфільтрового простору, значною мірою залежить від необхідного об'єму промивної води, при тривалості промивки в t_пр~180с може сягати 1,8…10,8 м.

В основу методики проведення досліджень покладено гіпотезу можливості здійснення водоповітряної промивки плаваючого завантаження шляхом подачі в нижню частину фільтруючого шару стисненого повітря та одночасного проведення краплинного зрошування поверхні фільтруючого шару по усій площі фільтра. Для вивчення зазначеної гіпотези в основу експерименту покладено відомі математичні розрахунки процесу розширення (псевдозрідження) зернистого шару в потоці повітря. Експериментальні дослідження проведені на лабораторній і пілотній установках фільтра з плаваючим фільтруючим шаром. В якості досліджуваних взірців було відібрано три проби зернистого шару з еквівалентним діаметром d₁=1,76; d₂=2,18; d₃=2,63 мм. Величина параметра е визначалась як співвідношення приросту товщини розширеного зернистого шару до початкової його товщини (е=?x/x_o). Досліди проведено з сухим і мокрим зернистим шаром полістиролу.

Напіввиробнича установка фільтра має вигляд паралелепіпеда з відкритою верхньою кришкою. Установка виготовлена та змонтована, на базі цеху ХПВ підприємства ВАТ «Рівнеазот». Висота установки 4 м, розміри в плані 1Ч1 м (рис. 1). В верхній частині установки розташовано надфільтровий простір висотою 1,5 м. Для рівномірного розподілу повітря під фільтруючим шаром розташовано систему із 5_ти повітропроводів, виконаних у вигляді труб діаметром 2,5 см, з отворами по їх довжині діаметром 0,5 см. Згадані повітропроводи обмотано сіткою з квадратними вічками розміром 1 мм. Експериментальну установку для відведення промивної і профільтрованої води обладнано системою гідрозатворів. Промивна вода з установки відводиться в колектор промивної води фільтрувальної станції, профільтрована - в колектор профільтрованої води.

водоповітряний промивка фільтр

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Рис.1. Напіввиробнича установка фільтра з плаваючим фільтруючим шаром, обладнана системою водоповітряної промивки.

1 - трубопровід подачі вихідної води; 2 - корпус установки; 3 - щит п'єзометрів; 4 - сифон відводу промивної води; 5 - сифон відводу профільтрованої води; 6 - гребінка розподілу повітря; 7 - трубка зриву вакууму; 8 - повітропровід.

Для контролю за втратами напору товщі фільтруючого шару в одній зі стінок установки змонтовано п'єзометричні трубки поєднані з відбірниками проб завантаження. Вихідна вода подавалась в верхню частину корпуса фільтра. Розподіл вихідної води по площі фільтра забезпечувався розташованою в верхній частині корпусу фільтра розподільчою системою із перфорованих труб. Для контролю витрат води на подавальному трубопроводі встановлено турбінний водомір.

На установку вода подавалась з виробничого прояснювача з завислим шаром. Якість води за завислими частками була нестабільною і коливалась в межах 2,2… 8 (в окремих випадках до 12) мг/л.

В процесі експерименту проводився контроль за ефективністю очистки води - контроль за вмістом завислих часток в вихідній і профільтрованій воді. Одночасно контролювалися опосередковано через покази водоміру швидкість фільтрування, покази п'єзометрів. Заміри проводилися через кожні 4 години. Завершення фільтроциклу визначали погіршенням якості профільтрованої води, вміст завислих часток в профільтрованій воді не повинен перевищувати 2 мг/л. По завершенню фільтроциклу фільтр виводили в режим промивки. Промивка проводилася при низькому рівні води в корпусі фільтра при одночасній подачі промивної води з інтенсивністю ~ 0...45 л/(с•м²) і подачі стисненого повітря з інтенсивністю ~ 0…16 л/(с•м²). Тривалість промивки визначалась досягненням зниження концентрації завислих речовин в промивній воді до величин, близьких за якістю до якості вихідної води ~ 12…8мг/л. Контроль якості промивної води здійснювався через кожні 30…60 секунд. Відбір проб здійснювався через пробовідбірник, розташований в бічній стінці установки на висоті 0,7 м від нижньої межі фільтруючого шару.

Для контролю залишкових забруднень в товщі фільтруючого шару після промивки проводився відбір проб гранул через пробовідбірники (об'єм проби ~20 мл), змонтовані в бічній стінці корпусу установки. Відібрані проби відмивалися в дистильовані воді, після чого визначалась маса відмитих забруднень. Віднесення визначеної маси забруднень до об'єму відібраної проби вважалась за величину залишкових забруднень. Показником ефективності промивки приймалось співвідношення маси домішок, визначених за кривою їх виносу отриманою на основі аналізу проб, відібраних під час промивки фільтра (G_п, кг/м³) до маси домішок затриманих в фільтруючому шарі під час роботи фільтра в режимі фільтрування (G_з, кг/м³), тобто Е=G_п/G_з

В основу задач досліджень покладено: встановлення раціональних значень v_в і v (q) за яких досягатиметься найповніший винос затриманих в товщі фільтра дисперсних часток з потоком промивної води в період його промивки.

Розширення фільтруючого шару з сухих спінених гранул полістиролу підкоряється загальним закономірностям процесу розширення (псевдозрідження) зернистих середовищ при інтенсивному русі висхідного потоку повітря через їхню товщу. Проте, на відміну від процесу розширення зернистого шару зі спінених гранул полістиролу при низхідному напрямку руху потоку води, початок розширення шару при висхідному русі повітря спостерігається практично для усіх досліджуваних проб зернистого матеріалу, при швидкості руху повітря більшому (в 10…80 раз) від швидкості руху води. Подальші зростання інтенсивності руху повітря супроводжуються зростанням параметра е>0. Так, уже за швидкості руху повітря в 600 мм/с або 600 л/(с•м²) величина відносного розширення зернистого шару сягає е=0,5 тобто 50% (рис.3.). Варто відзначити нестабільність взаємозв'язку граничної швидкості руху повітря і початку розширення зернистого шару.

Швидкість руху повітря, що визначає початок розширення зернистого шару, обчислена за виразом О.Тодеса для широкого діапазону значень критерію Архімеда сухих гранул сягає 0,2...0,25 м/с. При чому, розрахункові значення перебувають в певній відповідності з даними експерименту для сухих гранул. Експериментальні значення аналогічних параметрів для мокрих гранул суттєво відрізняються від розрахункових і сягають 0,3…0,35 м/с. Очевидно, така інтенсивність руху повітря при регенерації плаваючого зернистого шару вимагає значних розмірів технологічного обладнання та енергетичних витрат і не може бути прийнятною в якості альтернативного способу промивки фільтра.

Рис.2. Графіки залежності величини відносного розширення сухого шару зі спінених гранул полістиролу від інтенсивності руху повітря по площі фільтра (за виразом О.Тодеса Вираз О.Тодеса для визначення поруватості зернистого шару

е=[(18·Re+0,36·Re²)/Ar]^0,21)

При подачі повітря над поверхнею води в товщу плаваючого зернистого шару при швидкості його руху ~1,2·v_кр спостерігається формування по висоті шару повітряних розривів, або повітряних каналів. Формування повітряних каналів супроводжується нестабільністю величини відносного розширення, зменшується величина відносного розширення шару. Повітря рухається по повітряних каналах практично не впливаючи на розширення шару (рис.4.).

Рис. 3. Графік залежності необхідної інтенсивності руху повітря при початку розширення сухого і мокрого зернистого шару полістиролу від величини критерію Архімеда для його гранул

Інтенсивність подачі повітря залишається високою, перемішування гранул шару є надто повільним. За таких умов, інтенсивність виносу дисперсних часток з товщі фільтруючого шару надто низька. Тільки за певної інтенсивності зрошування поверхні фільтра промивною водою і певної інтенсивності руху повітря спостерігається доволі інтенсивне винесення дисперсних домішок с потоком промивної води.

Зростанню інтенсивності перемішування зернистого шару, навіть при відносно невисокій інтенсивності руху повітря (10…15 л/(с•м²)), сприяє розташована під нижньою межею плаваючого шару система розподілу повітря.

Повітря, що потрапляє під рівень води, спричиняє інтенсивне перемішування верхніх шарів води, які в свою чергу змушують перемішуватися весь зернистий шар. За цих умов навіть неінтенсивне зрошування поверхні фільтра сприяє транспортуванню відмитих дисперсних часток за межі корпусу фільтра. Постійне змішування гранул зернистого шару з об'ємом води фільтра сприяє ефективності його відмивки.

Проведення промивки при інтенсивному русі повітря і відсутності зрошування фільтруючого шару водою практично зводить нанівець його відмивку. Інтенсивна подача повітря в нижню частину шару супроводжується перемішуванням з водою тільки цієї частини шару. Проте, через відсутність низхідного потоку води, винос відмитих забруднень не відбувається. Тільки частики, які мають відносно велику гідравлічну крупність, осідають на дно фільтра, сприяючи його замуленню. В верхній частині шару, розташованій над рівнем води потоки повітря формують повітряні канали, через які повітря вільно проходить в надфільтровий простір. Ця частина шару під час такої промивки перебуває в нерухомому стані і затримані домішки не виносяться з нього.

За малої інтенсивності руху промивної води і потоку повітря відбувається незначне перемішування фільтруючого шару. Процес відмивки гранул шару відбувається повільно. Відмиті домішки також повільно виносяться.

Криві динаміки виносу домішок з потоком промивної води мають ряд характерних точок. На початковому етапі промивки якість промивної води, що відводиться з фільтра майже не відрізняється від якості води, що перебувала в підфільтровому просторі при роботі фільтра в режимі фільтрування. Проте з часом концентрація домішок в промивній воді (С) наростає і через деякий час (ф =h_пф./v) l_пф.- відстань між нижньою збірною системою фільтра і нижньою межею фільтруючого шару що перебуває в режимі промивки, м; v - швидкість руху потоку промивної води. досягає свого максимуму (рис.6.).

Після досягнення максимального значення параметра С спостерігається з дещо нижчою, ніж на першому етапі, інтенсивністю процес його зниження. Цей період перевищує перший період майже в 4 рази, а загальна тривалість промивки сягає t_o?5^.ф.

Достатня ефективність промивки фільтруючого шару (d=2,63 мм) досягається за водяної промивки при інтенсивності руху промивної води 50 л/(с·м²), та величині відносного розширення - е=35%. За менших значень інтенсивності потоку промивної води ефективність промивки суттєво зменшується. Подача повітря з інтенсивністю навіть 4 л/(с·м²) дозволяє знизити інтенсивність водяної промивки майже в тричі.

Зі зростанням інтенсивності подачі повітря до 12 л/(с·м²) інтенсивність подачі води вдається скоротити до 3..5 л/(с·м²).

Варто звернути увагу на те, що зі зменшенням інтенсивності подачі промивної води, тривалість промивки суттєво зростає. Так, при водяній промивці з інтенсивністю 50 л/(с·м²), тривалість промивки сягає t?200 с, необхідний для промивки об'єм води складає ~10 м³/м². В той час, як при водоповітряній промивці з q_n=5 л/(с·м²) і q_в=12 л/(с·м²) величина параметра t сягає 700…800 с, а необхідний для промивки об'єм води ~3…4 м³/м² (рис.5, 6).

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Рис.4. Графіки зміни якості промивної води в залежності від параметрів водоповітряної промивки фільтра для фільтроциклів №1ч10

Рис.5. Результати експериментальних досліджень і розрахункові графіки залежності ефективності відмивки фільтруючого шару (d=0,00263 м) від інтенсивності подачі промивної води (q_в) і повітря (q_n)

Для досягнення необхідної ефективності виносу домішок з фільтруючого шару в період його промивки при малих значеннях q_в надто відчутна навіть незначна його зміна. Так, при q_п=12 л/(с·м²) і q_в=2 л/(с·м²) величина ефективності промивки складає тільки Е=10%, тоді як при q_п=12 л/(с·м²) і q_в=5 л/(с·м²) величина параметра Е сягає 98%. Є очевидним, що раціональне значення параметра q_в знаходиться між наведеними значеннями, тобто 2 л/(с·м²) <q_в<5 л/(с·м²).

З врахуванням наведеного слідує, що визначення раціональних значень параметрів промивки варто проводити керуючись даними проведених досліджень та враховуючи техніко-економічні показники роботи фільтра в цілому.

Висновки: 1. При проведенні псевдозрідження сухого плаваючого фільтруючого шару з діаметром гранул 2,63 мм інтенсивність подачі повітря в нижню частину шару перевищує нормативні значення в 20 раз і сягає 250 л/(с·м²).

2. Для розширення мокрого зернистого шару інтенсивність подачі повітря перевищує 10..50% аналогічний показник характерний для сухого шару.

3. При висхідному русі потоку повітря через сухий чи мокрий зернистий шар зі швидкістю понад 1,2·v_кр в його товщі формуються повітряні канали, що призводить до перевитрат повітря і зменшення відносного розширення фільтруючого шару.

4. Перемішування усього об'єму зернистого шару досягається при розташуванні системи повітропроводів в нижній частині шару під рівнем води. При чому в фільтрі підтримується рівень води, за якого верхня межа шару не перебуває в контакті з верхньою збірно-розподільчою системою.

5. Необхідна ефективність відмивки фільтруючого шару (d_екв=2,63 мм) досягається при водоповітряній промивці, за якої інтенсивність подачі води складає ~2…4 л/(с?м²), а інтенсивність подачі повітря - 10…15 л/(с?м²). За таких параметрів тривалість промивки сягає 10…15 хв, витрати води - ~3 м³.

Література

1. СНиП 2.04.02.-84 Водоснабжение. Наружные сети и сооружения. Госстрой СССР.- М.: Стройиздат, 1985.-135 с. 2. Пособие по проектированию сооружений для очистки и подготовки воды (к СНиП 2.04.02-84. «Водоснабжение. Наружные сети и сооружения»)/НИИ КВОВ АКХ им.К.Д.Памфилова.М.:ЦИТП Госстроя СССР, 1989.-128 с. 3. Николадзе Г.И., Сомов М.А., Водоснабжение: Учебн. пособие для вузов.-М.: Стройиздат, 1995 г. 688 с. 4. Журба М.Г. Пенополистирольные фильтры.М.: Стройиздат, 1992.-176 с. 5. Мягкий Д.Д. Исследование процессов глубокой очистки отработавших вод станов горячей прокатки в фильтрах с пенополистирольной загрузкой. Автореф. дис. канд. технич. наук. М.: ВНИИ ВОДГЕО, 1978.-24 с. 6. Минц Д.М., Шуберт С.А. Фильтры АКХ и расчет промывки скорых фильтров. М.: МКХ СССР, 1951.-180 с. 7. Kowal A.L., Swiderska-Broz M. Oczyszczanie wody.-Wyd. 4. Wydawnictwo Naukowe PWN. Warszawa-Wroclaw, 2000, 614. 8. Kowal A.L., Maжkiewicz J., Њwiderska-Brуї M., Podstawy projektowe systemуw oczyszczania wуd, Wyd. PWr, Wrocіaw 1986.

Размещено на Allbest.ru