Радиальные фильтры обезжелезивания подземных вод

Инженерные и технологические решения

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.

В работе [1] было показано, что пористость любых фильтрующих материалов, в том числе и синтетических «мягких» материалов, в направлении фильтрования потока воды можно искусственно формировать различными способами. Пористость синтетических материалов направленно формируется поджатием слоя определенной высоты, при этом окончательная пористость его будет зависеть от степени поджатия s = W/W_сж.

Зависимость, связывающая основные параметры процесса фильтрования воды через зернистые материалы может быть представлена в следующем виде:

(1)

где Dp/h – потеря напора, м, на единицу толщины зернистого слоя;

j(Re) = Y – коэффициент сопротивления;

Re = r_Вu_Иl/m – число Рейнольдса;

u_n– истинная средняя скорость потока в толще слоя, см/с;

 l – характерный линейный параметр – гидравлический радиус зернистого слоя, см;

m – динамическая вязкость, Па•с.

Гидравлический радиус зернистого слоя l = n₀a^-1,

где   a – суммарная поверхность зерен в единице объема загрузки, м²/м³.

Из уравнения (1) видно, что суммарные потери напора в фильтре будут тем больше, чем больше толщина слоя материла, через который осуществляется фильтрование, при этом пористость фильтрующего материала n₀ оказывает существенное влияние на величину гидравлических потерь в фильтре.

Одной из 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.

Истинная скорость фильтрования воды в толще фильтрующей загрузки гранулированного материала отличается от формально принятой [1] и определяемой по площади сечения фильтра. Экспериментально замерить истинную скорость достаточно сложно, однако ее можно рассчитать, зная характеристики фильтрующего материала.

На рис. 1 приведена принципиальная схема произвольного элементарного слоя зернистого материала в толще загрузки, исходя из которой можно рассчитать истинную скорость фильтрования воды. В качестве основных характеристик фильтрующего материала приняты: d_Э – эквивалентный диаметр зерен материала; n₀ – пористость плотно лежащей загрузки; a – коэффициент формы зерен; W – объем фильтрующей загрузки.

Рисунок 1. Расчетная схема произвольно возможного элементарного слоя зернистого материала в фильтре а–в – некоторые варианты возможного расположения зерен в плане в слое Dh = dЭ; г – произвольное расположение зерен в плане в слое Dh = 2dЭ

Исходя из приведенной схемы произвольного расположения зерен фильтрующего материала для произвольно взятого элементарного слоя толщиной Dh = d_Э, общая площадь сечения свободного для потока фильтруемой воды зависит от пористости слоя материала в фильтре и будет составлять f = SDf₁ или f = W₁/Dh = W₁/d_Э= Fd_Эn₀/d_Э = Fn₀, где W₁ – объем элементарного слоя материла в фильтре площадью F, т. е. f = Fn₀.

Тогда истинная скорость потока воды, исходя из пористости элементарного слоя зернистого материала, будет равна u_И = q_В/Fn₀.

Соотношения расчетных истинной и формальной (принятой) скоростей фильтрования воды в зависимости от пористости материала приведены в таблице.

Из уравнения (1) видно, что потери напора на единицу высоты фильтрующего слоя будут тем больше, чем меньше размер зерен загрузки и ее пористость.

С другой стороны, уменьшение размера зерен позволяет увеличить суммарную удельную поверхность a, м²/м³, фильтрующего материала, что является

существенным фактором при очистке подземных вод, когда важную роль играет контакт обрабатываемой воды с каталитической пленкой, образующейся на зернах загрузки. Увеличение площади соприкосновения обрабатываемой воды с зернами загрузки увеличивает массообменные характеристики фильтров.

Радиальные фильтры как технологические сооружения для очистки воды, имеют две важные особенности, которые позволяют осуществлять:

– фильтрование потока очищаемой воды в направлении либо от центра к периферии фильтра, либо наоборот;

– фильтрование воды с переменной формальной скоростью по радиусу фильтра:

а) от максимальной u_ф^min в начальных слоях фильтрующего материала до минимальной u_ф^min в конечных слоях (при фильтровании от центра к периферии);

б) от минимальной в начальных слоях до максимальной – в конечных (при фильтровании от периферии фильтра к его центру).

Радиальные фильтры с направленным формированием пористости синтетических «мягких» материалов в направлении фильтрования воды (по радиусу фильтра) позволяют обеспечивать фильтрование воды с переменной скоростью в слое материала с пористостью от максимальной начальной n₀ до минимальной конечной либо наоборот. Конструкции фильтров позволяют обеспечивать различные сочетания направления фильтрования, скорости фильтрования и пористости фильтрующего материала, что позволяет максимально использовать грязеемкость фильтрующей загрузки (материала) в зависимости от качества подземных вод, подлежащих очистке. На рис. 2 приведены принципиальные технологические схемы разработанных радиальных фильтров, реализующие взаимосвязь вышеуказанных параметров, при этом показаны схемы радиальных напорных фильтров с двухсторонним линейным поджатием фильтрующего материала.

Базовая (стандартная) схема радиального фильтра (рис. 2а) предусматривает фильтрование воды через загрузку толщиной W с постоянной (неизменяемой) пористостью материала n₀ и с переменной убывающей скоростью u_ф^уб потока воды по радиусу фильтра от r_В до R. Изменение скорости фильтрования воды в пределах рекомендуемого интервала, установленного для радиальных фильтров при очистке подземных железосодержащих вод [1] по данной схеме пропорционально изменению площади сечения фильтра в направлении фильтрования, которая изменяется от fвх = 2prВW в центральном (впускном) канале фильтра до конечной (выходной) величины f_вх = 2pRW, где W = const – толщина слоя фильтрующего материала по радиусу фильтра, принимаемая в зависимости от требуемой производительности и количества фильтров. Площадь фильтрования потока воды в произвольном сечении (А–А) фильтра можно определить как f_(r) = 2prW.

Рисунок 2 (подробнее)   Принципиальные технологические схемы радиальных фильтров а, б – фильтрование от центра к периферии; в – фильтрование от периферии к центру; б, в – с направленным регулированием пористости материала по направлению фильтрования

Радиальные фильтры с фильтрованием от центра к периферии и направленным формированием пористости материала по радиусу путем двухстороннего линейного поджатия слоя материала толщиной W (рис. 2б) характеризуются изменением площади фильтрования по радиусу фильтра от минимальной в центральном впускном канале f_вх = 2pr_ВW до максимальной на выходе. Площадь сечения фильтра для произвольного значения радиуса фильтра r в зависимости от угла b двустороннего поджатия материала может быть представлена в виде:

В радиальных фильтрах с направленным формированием пористости материала двухсторонним линейным его поджатием (рис. 2в) фильтрование потока воды  осуществляется от периферии фильтра к его центру в направлении убывающей пористости материала, при этом характерным является максимальная входная площадь сечения для фильтруемого потока воды f_вх = 2pRW, максимальная пористость фильтрующего материала и минимальная скорость фильтрования на входе. Изменение площади сечения фильтра для данной технологической схемы радиального фильтра в направлении фильтрования потока воды можно записать в следующем виде:

Следует отметить, что поджатие фильтрующего материала может быть и односторонним в зависимости от конструкции фильтра и требуемой степени сжатия слоя материала для достижения  необ-ходимой его пористости. Сравнительная характеристика итоговой пористости материала в зависимости от способа поджатия приведена на рис. 3.

Рисунок 3. Пористость фильтрующего материала при одно- и двухстороннем поджатии

На рис. 4 приведены установленные зависимости изменения степени сжатия и пористости гранулированного пенополистирола (d_Э = 3,5 мм) по радиусу в направлении фильтрования воды в радиальных фильтрах (рис. 2б) с коническими прижимными пластинами в зависимости от угла конусности прижимных пластин (угла поджатия материала).

Рисунок 4 (подробнее)   Изменение степени сжатия и межзерновой пористости по радиусу фильтра

Характер изменения пористости фильтрующего материала в радиальных фильтрах зависит от конфигурации и геометрических параметров прижимных обечаек, направления и величины поджатия. С учетом результатов, изложенных в [1], в обобщенном виде распределение (изменение) пористости «мягких» фильтрующих материалов по радиусу радиальных фильтров можно представить в виде выражения:

где n₀ – начальная пористость материала;

s – необходимая степень поджатия материала по радиусу фильтра для достижения требуемой его пористости, рассчитывается и зависит от исходной пористости материала, формы геометрических параметров прижимных обечаек.

В зависимости от типа и вида фильтрующих материалов и конструктивного оформления радиальных фильтров поджатие фильтрующей загрузки технически можно осуществлять разными способами (подробнее – в следующих публикациях), при этом поджатие материала и перевод его в свободное состояние согласуются с режимами нормального фильтрования и регенерации загрузки.

Анализ результатов исследований фильтровальных сооружений различных типов [2, 3], а также проведенные технологические исследования работы обычных вертикальных и радиальных (рис. 2а) напорных фильтров [4, 5] 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.

Литература

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

2. Журба М. Г. Очистка воды на зернистых фильтрах. Львов, 1980.

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

4. Дзюбо В. В., Алферова Л. И., Черкашин В. И. Водоочистные системы для индивидуального дома // Сельское строительство. 1998. № 1.

5. Дзюбо В. В., Алферова Л. И. Индивидуальные установки по очистке подземных вод для жилого дома // Коммунальное хозяйство. 1997. № 12.