Tour
World Guide
Tranzito
Driver

Эффективные дренажные системы фильтров (Водоснабжение и Санитарная Техника )

ВСТ. Водоснабжение и Санитарная Техника – Москва – Houstechnik. – 2005. - № 9. – с. 25 – 29

Зубко А.Л., к.т.н., главный технолог НПФ “Экотон”

Совершенствование аппаратов, систем, сооружений и отдельных узлов технологического оборудования, предназначенных для подготовки воды питьевого качества и доочистки биологически очищенных сточных вод населенных пунктов и промышленных предприятий, является одним из главных направлений в создании эффективных систем водоснабжения и водоотведения. Для очистки воды от механических примесей, умягчения и обессоливания воды чаще всего используют фильтры различных конструкций.

Надежность работы фильтров и получение очищенной воды нормативногокачества тесно связаны с материалом фильтрующей загрузки и технологией регенерации, которая обеспечивает полноту отмывки загрузки от загрязнений.

Выполненный анализ показал, что одной из основных причин, препятствующих стабильной работе фильтров, является несовершенство дренажно-распределительных систем (ДРС). Установлено, что ДРС из рядовых марок стали приводит к коррозионному разрушению, применение щелевых труб из нержавеющих сталей и полиэтилена не исключает забивания механическими примесями и вынос мелких фракций фильтрующей загрузки (например, песка), полимербетон подвержен коррозионному разрушению и зарастанию солевыми (карбонатными) отложениями.

Принято считать, что дренажи большого сопротивления позволяют обеспечить равномерное распределение промывной воды по длине распределителя. Однако, на практике это не так. Многие ученые, начиная с Делири (США) и Н.Г. Малишевского, указывали на неравномерность распределения промывной воды. Это связано с тем, что не удается обеспечить равные интенсивности промывки и постоянство пьезометрических напоров по всей площади фильтров. Кроме того, использование при расчетах ДРС фильтров табличных значений коэффициентов расхода приводит к значительным ошибкам.

Перед специалистами научно-производственной фирмы “Экотон” стояла задача создания дренажной системы, свободной от этих недостатков. Для ее решения в аккредитованной испытательной лаборатории НПФ “Экотон” проведены гидравлические испытания различных типов распределителей: перфорированные полиэтиленовые трубы, полимербетонные плиты, трубофильтры “Экотон” различных конструкций. Все эксперименты проводили на промышленных образцах.

Конструктивно трубофильтр “Экотон” представляет собой трубчатое изделие, в котором перфорированный несущий каркас меньшего диаметра размещен внутри волокнисто-пористой трубы с образованием воздушного зазора между ними (ЭФТ/В).

В результате исследований определены и сопоставлены расходно-напорные характеристики дренажных элементов различных конструкций, коэффициенты расхода m:  максимальные значения m = 0,82 - 0,87 характерны для ДРС из полимербетона, для трубофильтров с защитным слоем и воздушной прослойкой m = 0,72 - 0,81, для трубофильтров с защитным слоем без воздушной прослойки m = 0,48 - 0,75, для перфорированных трубчатых дренажей m = 0,49 - 0,73. При этом потери напора составляют соответственно 4,0 - 4,5 м, 4,1 - 5,0 м, 5,8 - 7,4 м, 7,1 - 8,4 м.

Выполненные исследования позволили определить, что наиболее перспективной конструкцией трубофильтра является трубофильтр, состоящий из перфорированной полиэтиленовой трубы (каркаса) и фильтрующего слоя полиэтилена с воздушным зазором (рис.1).

 

Рис.2. Трубчатый дренажный элемент "Экотон" типа ЭВТ/В

1-муфта с внутренней резьбой; 2-муфта с наружной резьбой; 3-перфорированная труба; 4-фильтрующий слой; 5-воздушный зазор; 6-отверстия для пропуска фильтрующей жидкости; 7-отверстие для штифта; 8-ребра жесткости; 9-сварной шов; 10-резьбовое соединение

В процессе выполнения исследований сопоставлен опыт эксплуатации дренажных систем различных конструкций, установленных в зернистых фильтрах, предназначенных для очистки природных вод до питьевого качества, а также очистки и доочистки городских и промышленных сточных вод. Выявлены их достоинства и недостатки, определены основные параметры работы. Изучена работа 50 станций очистки воды для питьевых целей, 8 установок для доочистки городских и промышленных сточных вод, 10 станций обезжелезивания воды. Эти станции оборудованы зернистыми фильтрами с дренажно -распределительными системами различных конструкций.

Технология производства изделий ЭФ разработана в 1995 г. научно - производственной фирмой (НПФ) “Экотон” при участии автора. Производство указанных изделий осуществляется путем аэродинамического напыления расплава полимера на стандартную полимерную трубу  или формообразователь заданного диаметра. Наслаиваемые волокна, сплавляясь между собой в местах соприкосновения, образуют при остывании волокнисто - пористый трубчатый элемент изделия с внутренним диаметром, равным наружному диаметру формообразователя. Толщина напыленного слоя регулируется временем его формирования. Плотность задается технологическими параметрами процесса. НПФ “Экотон” разработаны технологический регламент на производство и технические условия на элементы фильтрующие серии ЭФ (ТУ 7774-002-41901146-96). В настоящее время конструкции ДРС марки ЭФТВ внедрены на многих водоочистных станциях и работают в совокупности практически с любыми типами фильтрующей загрузки.

Многолетний опыт эксплуатации станций водоподготовки убедительно показал, что независимо от типа фильтровальных сооружений (скорые фильтры или контактные осветлители) на эффективность их работы наибольшее влияние оказывают следующие факторы: равномерность промывки сооружений по площади; выбор оптимальной фильтрующей загрузки.

В настоящее время на станциях водоподготовки широко используются скорые фильтры с однослойной и двуслойной загрузкой. СНиП 2.04.02-84 регламентирует технологические параметры загрузок и их использование в фильтрах. Расчетные скорости фильтрования в указанных пределах принимаются в зависимости от качества воды в источнике водоснабжения, технологии ее обработки перед фильтрованием и других местных условий. При очистке воды для хозяйственно-питьевых нужд принимаются  значения скоростей фильтрования в пределах 8 - 10 м/ч.

Хотя однослойные скорые фильтры с крупностью загрузки 0,8 – 2 мм СНиП рекомендует применять только для производственного водоснабжения, как показала практика, при применении загрузки из кварцевого песка вышеуказанной крупности высотой слоя более 1,4 м получаемый фильтрат полностью соответствует питьевым нормам.

Приэксплуатации двухслойных фильтров в системах очистки воды скорости фильтрования на них  принимаются на 10 - 15 % больше.

В настоящее время в качестве загрузки скорых фильтров на станциях водоподготовки наиболее широко используется кварцевый песок. Как правило, российские потребители используют песок из месторождения "Горы хрустальной" г. Екатеринбург (ТУ 571726-002-45588031-01), украинские - "Донбассводоремонт" г. Донецк (ТУ У 14.2-00010240-535-2001).

Однако, из-за особенностей минералогического состава и метода дробления материал месторождения “Гора Хрустальная” в процессе водоочистки при рН воды ниже 7 подвержен химическому и механическому разрушению, приводящему к измельчению зерен и их последующему выносу при промывке загрузки в фильтровальных сооружениях. При этом процесс разрушения протекает тем интенсивнее, чем ниже величина рН воды, контактирующей с загрузкой, и может достигать до 20%.

Как показывает практика, существенное влияние на качественную работу фильтра, помимо равномерности промывки, оказывает также смещение гравийных слоев фильтрующей загрузки. (Классическая схема использования перфорированной трубы в качестве ДРС с поддерживающими гравийными слоями).

Процесс смещения подстилающих слоев гравия, который приводит, с одной стороны, к попа­данию песка в трубы распределительной системы, а с другой, сокращает продолжительность фильтроцикла и ухудшает качество очищенной воды, является наиболее болезненной пробле­мой, возникающей при эксплуатации фильтровальных сооружений.

Смещение гравийных слоев обусловлено законами гидродинамики и присуще всем фильтровальным сооружениям с промывкой восходящим потоком воды. Одним из важнейших условий их нормальной работы является обеспечение равномерного распределения воды по площади загрузки на протяжении всего периода промывки.

Гидродинамическая неустойчивость заиленной фильтрующей загрузки в процессе промывки обусловлена ее неравнопрочностью по площади сооружения. Последнее обстоятельство вызывает и неравномерную деформацию слоя загрузки в процессе ее расширения в восходящем потоке воды.

В момент местного прорыва загрузки происходит перераспределение потоков воды по площади, причем основная их часть устремляется в место прорыва (пониженного сопротивления). Перераспределение потоков промывной воды сопровождается циркуляцией фильтрующего материала. Мелкие зерна загрузки, находящиеся в верхней ее части, отбрасываются в зону пониженных скоростей, а крупные гранулы, находящиеся в нижней части загрузки, перемещаются из зоны пониженных скоростей в зону прорыва.

Для предотвращения смещения гравийных слоев в фильтровальных сооружениях рекомендуется использовать только распределительные системы большого сопротивления, общая площадь отверстий в распределительных трубах которых составляет 0,2-0,5 % площади фильтрации. Данная рекомендация вошла во все соответствующие нормативные документы, в том числе и действующий СНиП.

Вместе с тем, опыт эксплуатации фильтровальных сооружений убедительно показал, что даже наличие распределительных систем большого сопротивления не исключает смещения гравийных слоев. Более того, установлено, что большое сопротивление в распределительных трубах не обеспечивает равномерное поступление воды в них из напорного канала. В результате, во время промывки восходящим потоком воды загрузка над первыми по ходу воды трубами либо не расширяется, либо расширяется незначительно.

Поэтому в настоящее время все большее количество станций переводится на использование безгравийных распределительных систем.

Опыт использования водо-воздушной промывки показал, что она полностью исключает возможность смещения гравийных слоев, в результате чего повышается надежность и стабильность работы фильтровальных сооружений.

Однако не всегда имеется возможность использования водо-воздушной промывки. В этом случае можно создать ее подобие. Это достигается двумя способами:

1.При эксплуатации ДРС "Экотон" перекрывать воздухосбросные стояки и весь воздух, скопившийся в подводящих трубопроводах, направлять через ДРС в фильтрующую загрузку. В этом случае в начальный период промывки возникает барботаж, что существенно облегчает отделение загрязнений от гранул песка.

2.Сущность второго метода промывки заключается в следующем. Фильтроцикл заканчивается путем понижения уровня воды в фильтре на 40-50 см ниже поверхности загрузки (ниже наиболее насыщенного загрязнениями ее верхнего слоя). При этом происходит насыщение слоя загрузки над уровнем воды атмосферным воздухом. Затем осуществляют промывку загрузки восходящим потоком воды. Вода идеально равномерно вытесняет из верхнего слоя загрузки воздух, одновременно взрыхляя и отделяя от зерен загрузки загрязнения . Такой режим промывки обеспечивает гидродинамическую устойчивость загрузки, исключает возможность смещения гравийных слоев. Одновременно достигается высокая степень удаления загрязнений не только из слоя загрузки, но и с ее поверхности. В настоящее время этот режим используется на скорых фильтрах рада водоочистных станций.

В настоящее время все чаще используются в качестве фильтрующих загрузок антрацит и керамзит.

Как фильтрующий материал, антрацит используется давно. Его фильтрующие, абсорбционные и адсорбционные свойства описаны и его традиционно рекомендуют к применению в системах водоочистки.

Внешний вид антрацита - крошка черно - асфальтового цвета с металлическим блеском и зернами кубической или близкой к ней формы. Исходным материалом для получения антрацитового фильтранта является кусковой антрацит.

Скорые двухслойные фильтры, когда в качестве верхнего слоя употребляют антрацитовую крошку, а нижнего кварцевый песок, используется в практике очистки воды при необходимости увеличения грязеемкости фильтрующего материала.

По данным исследований НИИ ВОДГЭО, при одинаковых диаметрах зерен и близких коэффициентах неоднородности объемная масса антрацита в 2 раза меньше, а пористость больше, чем у кварцевого песка. Грязеемкость антрацитового фильтра превышает грязеемкость песчаного в 3 раза, а интенсивность промывки при 50 % расширении в 2 раза меньше, чем на песчаном, минимальная продолжительность фильтроцикла 48 часов. Скорость фильтрования допускается 12 м/ч и выше в зависимости от высоты слоя и качества очищаемой воды. Производительность по сравнению с песчаными фильтрантами увеличивается на 50 - 80%. Механический износ антрацитовой загрузки около 3% в год. При промывке фильтров в течение года с промывной водой выносится до 8 % от объема фильтрующей загрузки. Поэтому фильтры догружают через 1 - 2 года после ввода их в эксплуатацию на 8 - 10% от объема первоначальной загрузки.

Согласно данным производителей, наличие в двухслойном фильтре верхнего слоя антрацитовой крошки препятствуют образованию на поверхности загрузки плотной пленки. При таком расположении фильтрующих слоев значительно больший объем порового пространства всей загрузки используется для задержания загрязнений из осветленной воды, вследствие чего грязеемкость двухслойного фильтра в 2 - 2,5 раза выше грязеемкости обычного фильтра.

Однако, уже есть случаи, когда в виде промышленного эксперимента скорый фильтр был загружен только антрацитовым углем (Межгорский гидроузел г. Симферополь).

В фильтр полезной площадью 120 м2, оборудованный ДРС «Экотон» в 2003 году был загружена антрацитовая крошка, изготовленная фирмой «Промэнергосервис» из Донецкого угля марки А (ТУ 13401114.004-2000). крупностью зерен 0,8-1,6 мм, высота загрузки 1,2 м.

Фильтр в течение года находился под наблюдением специалистов НПФ «Экотон» и института НИИ ВОДГЕО (г.Харьков). Наблюдения за работой фильтра позволили сделать следующие выводы:

1.Антрацитовый фильтрант может быть применен самостоятельно для очистки природных вод с мутностью от 5 мг/дм3 до 150 мг/дм. При мутности выше 150 мг/дм3 применяется либо двухслойная загрузка, либо предварительная реагентная обработка воды методом коагулирования.

2.Для испытуемого филыранта скорость фильтрования может приниматься в 1,5-2,0 раза выше, чем для кварцевого  песка в зависимости  от высоты слоя и  качества очищаемой воды. Рекомендуемая в литературе скорость фильтрования для однослойных кварцевых фильтров (5,0-6,0 м/ч) является минимальной при использовании в качестве загрузки антрацитового фильтрата.  Оптимальная скорость фильтрования для конкретных условий Межгорного гидроузла в течение фильтроцикла составляет 13,5-г5,0 м/ч.

3.В связи с тем, что грязеемкость у антрацита в 3 раза выше, чем загрузки из кварцевого песка, длительность фильтроцикла при использовании антрацита составляет 24-72 часа, в то время как для фильтров с песчаной загрузкой 5-20 часов. Для исследуемого фильтра рекомендуемая длительность фильтроцикла составляет 70±4 часа В экстремальных случаях (при повышенной мутности в паводковый период и периоды летнего "цветения" воды) длительность фильтроцикла следует уменьшать до величины, обеспечивающей нормативную степень мутности в фильтрате.

4.Интенсивность промывки в течение первых 1-2 мин. составляет 11-12 л/(с.м2), а в последующие 5-6 мин. — 6-8 л/(с.м"). Общая продолжительность промывки 6-8 мин.

5.Стабильный показатель мутности очищенной воды в течение исследуемого периода составил 0,5-0,75 мг/л (в пересчете на нефелометрические единицы — 0,86...1,29 НОМ), что соответствует нормативам СанПиН "Вода питьевая" от 15.04.97 № 136/1940 до 1,5 НОМ (1 НОМ -0,58 мг/дм3)

6.Окупаемость затрат на использование в качестве загрузки антрацитового фильтранта составляет 14 месяцев, а прибыль за счет  снижения себестоимости  очищенной воды в последующие годы составит 106920грн.

Согласно СНиП приприменении загрузок из дробленого керамзита и антрацита водовоздушная промывка не допускается.

Хотелосьбы обратить особое внимание на тот факт, что вне зависимости от материала загрузки, эксплуатация, получая на выходе фильтрант требуемого качества, зачастую невнимательно относится к уровнюзагрузки в фильтре.

Исследования показали, что при скорости 10 м/ч работает верхний слой загрузки толщиной 0,7 – 1 м. Однако этой высоты недостаточно, чтобы качественно отмыть загрузку. Согласно СНиП верхний урівень загрузки в расширенном состоянии должен находиться на 300 мм. ниже уровня переливной кромки лотка. При этом энергии промывной воды достаточно, чтобы вынести из загрузки наиболее тяжелые глинисте частицы. Если же уровеньзагрузки в фильтре недостаточен, постепенно происходит накапливание тяжелых слипшихся частиц в слое загрузки, что приводит к постепенному заиливанию фильтрующего материала. Особенно часто это наблюдается при переходе с дренажа с поддерживающими гравийными слоями на безгравийную.

 Выводы

Дренажные системы фильтров из трубчатых элементов “Экотон” обладают высокими эксплуатационными качествами: не требуются поддерживающие слои, обеспечивают равномерный сбор фильтрата и распределение промывной воды, характеризуются стойкостью к коррозионным воздействиям, имеют сравнительно низкое гидравлическое сопротивление, имеют стойкость к гидравлическим ударам, обладают простотой монтажа и демонтажа элементов распределительной системы, позволяют проводить профилактические и ремонтные работы без полной выгрузки фильтрующих материалов, обеспечивают длительный срок эксплуатации без замены. ДРС «Экотон» эффективно работают практически с любыми видами загрузки.

Окупаемость ДРС “Экотон” за счет экономии электроэнергии и промывной воды составляет, в зависимости от местных условий, от 6 месяцев до 1 года.

Производимые НПФ “Экотон” фильтрующие элементы для ДРС фильтров конкурентноспособны и соответствуют международному стандарту качества ISO 9001 (сертификат системы качества № UA 2.003.065).

 

 

Гости Online

Сейчас 40 гостей и один зарегистрированный пользователь на сайте