Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1. Анализ существующих малогабаритных установок для очистки природных вод 9
1.1. Отечественные малогабаритные водоочистные установки 9
1.2. Зарубежные водоочистные установки 20
1.3. Опыт применения патронных фильтров для обезжелезивания воды 30
1.4. Выводы и задачи исследований 34
ГЛАВА 2. Теоретические основы процесса фильтрования через твердые фильтрующие перегородки 37
2.1. Общие сведения о разделении суспензий фильтрованием Щ с образованием осадка 37
2.2. Удельное сопротивление осадка и влияние концентрации суспензии на процесс фильтрования 44
2.3. Закономерности фильтрования с образованием слоя осадка на патронных фильтрах в зависимости от способа подачи воды 53
ГЛАВА 3. Экспериментальные исследования обезжелезивания воды на патронных фильтрах 59
3.1. Обоснование выбора методики проведения эксперимента 59
3.2. Описание экспериментальной установки 63
3.3. Результаты экспериментальных исследований
3.3.1. Обезжелезивание подземных вод 67
3.3.2. Исследования работы патронных фильтров при доочистке водопроводной воды
3.4. Математическое моделирование работы патронных фильтров при обезжелезивании подземных вод 80
3.4.1. “Зарядка” фильтров и эффективность обезжелезивания 80
3.4.2. Продолжительность фильтроцикла и перепад давления 85
3.5. Регенерация фильтров 88
ГЛАВА 4. Методика расчета патронных фильтров для обезжелезивания воды и экономическое обоснование их использования для водоснабжения коттеджей, фермерских хозяйств и индивидуальных зданий 97
4.1. Методика расчета патронных фильтров для обезжелезивания воды 97
4.2. Технико-экономическое сравнение вариантов 115
Основные выводы 123
Список используемых источников 125
- Зарубежные водоочистные установки
- Выводы и задачи исследований
- Удельное сопротивление осадка и влияние концентрации суспензии на процесс фильтрования
- Математическое моделирование работы патронных фильтров при обезжелезивании подземных вод
Введение к работе
Актуальность темы. В настоящее время большинство источников централизованного водоснабжения загрязнено промышленными и бытовыми сточными водами, смывами с территорий городов и сельскохозяйственных угодий, а также атмосферными осадками, вобравшими в себя различные вредные примеси из неочищенных газовых выбросов. Уровень зафязнения водоисточников в последние годы увеличивается, и оно постепенно распространяется не только на поверхностные, но и на подземные воды.
Глубокий экономический кризис, охвативший Россию и другие страны, не позволяет провести комплекс мероприятий по охране окружающей среды от загрязнений.
Многие водоочистные станции перегружены, недостаточно обеспечены реагентами и не справляются с растущими нагрузками, а водопроводная сеть почти повсеместно повреждена внутренней и внешней коррозией и обрастаниями, что приводит к вторичному загрязнению воды на пути от станции во-доподготовки к потребителям.
Всвязи с этим возникает необходимость доочистки воды, подаваемой населению, на локальных, децентрализованных водоочистных установках, т.е. с помощью поквартирных аппаратов, либо установок средней производительности, обслуживающих группу зданий.
Постоянный рост индивидуального строительства и фермерских хозяйств использующих как правило подземные воды, в которых возможны повышенные концентрации железа приводит к необходимости применения малогабаритных установок для очистки железосодержащих вод.
В основу существующих в настоящее время малогабаритных водоочистных установок положены сорбционные и ионообменные процессы водо-
подготовки. В последнее время на потребительском рынке появились мембранные (обратный осмос) и титановые фильтры.
Эти установки позволяют получить высокий эффект извлечения из воды целого спектра загрязнений (от органики до ионов тяжелых металлов).
Недостатком таких водоочистных установок является ограниченность их ресурса, по истечении которого заменяется либо фильтрующий элемент, либо весь аппараг, что приводит к удорожанию приобретения и эксплуатации вышеуказанных фильтров. При наличии в обрабатываемой воде ионов железа срок эксплуатации таких фильтров снижается из-за кольматации фильтрующего элемента солями железа.
В свете этого актуальным является применение для обезжелезивания воды малогабаритных установок длительного срока эксплуатации.
Целью работа является разработка технологии очистки железосодержащих вод малогабаритными водоочистными установками с твердыми фильтрующими основами.
Для достижения указанной цели были поставлены и решены следующие задачи!
Рассмотреть возможность повышения надежности работы патронных фильтров при их периодическом использовании.
Смонтировать экспериментальный стенд и провести исследования, позволяющие установить зависимости эффекта обезжелезивания и прироста давления от скорости фильтрования и конструктивных размеров патронов.
Выявить математические модели процесса обезжелезивания воды патронными фильтрами и установить зависимости периода " зарядки " фильтрующего элемента и продолжительности фильтроцикла от качества исходной воды, технологических параметров фильтрования и конструктивных свойств фильтрующего элемента.
Разработать методику расчета патронных фильтров при очистке железосодержащих вод для водоснабжения коттеджей, фермерских хозяйств и
s индивидуальных зданий с выявлением области их применения в зависимости от качества исходной воды.
Провести экспериментальные исследования условий регенерации керамических патронов, позволяющей значительно увеличить продолжительность их эксплуатации .
Обосновать целесообразность применения патронных фильтров как малогабаритных водоочистных установок для очистки железосодержащих вод.
Научная новизна работы состоит в следующем:
Предложен новый подход к фильтрованию на патронных фильтрах при подаче исходной суспензии внутрь патрона.
Теоретически выявлены закономерности фильтрования с образованием слоя осадка на фильтрующей перегородке в зависимости от режима подачи воды.
Доказана технологическая целесообразность применения патронных фильтров для обезжелезивания воды в качестве малогабаритных водоочистных установок с подачей исходной воды внутрь патрона.
о Разработана математическая модель, описывающая зависимость эффекта обезжелезивания и перепада давления от качества исходной воды, скорости фильтрования и конструктивных размеров фильтрующих аппаратов.
На защиту выносятся:
результаты теоретических и экспериментальных исследований технологии очистки железосодержащих подземных вод на патронных фильтрах.
аналитические зависимости и технологические параметры, необходимые для расчета патронных фильтров.
методика расчета патронных фильтров для обезжелезивания железосодержащих вод при водоснабжении коттеджей, фермерских хозяйств и индивидуальных зданий.
Практическая значимость диссертации заключается в следующем:
Разработана методика инженерного расчета патронных фильтров для очистки железосодержащих вод, на основании которой выявлена область их применения в зависимости от качества исходной воды, скорости фильтрования и конструктивных размеров патронов.
Даны практические рекомендации по регенерации керамических патронов.
Получен акт о внедрении водоочистных установок малой производительности для водоснабжения коттеджей, фермерских хозяйств и индивидуальных зданий ООО ПТП "Факел" г.АпрелевкаМосковской области.
Апробация работы.
Основные положения диссертации докладывались и обсуждались на научно-технических конференциях профессорско-преподавательского состава Воронежской Государственной архитектурно-строительной академии (1994 - 1999г.г.), на юбилейной научной конференции студентов ВГАСА г. Воронеж (1995г.), на Международной научной конференции "Студент и прогресс строительной индустрии" г. Москва (1991г.), на научных семинарах АО "НИИКВОВ"г. Москва (1995,1996г.).
Публикации,
Результаты исследований опубликованы в 6 научных работах, получен акт о внедрении.
Структура и объем работы.
Зарубежные водоочистные установки
В настоящее время в разных городах РФ ряд заводов, НПО, совместных и малых предприятий выпускают большое число различных водоочистных установок ( индивидуальных, бытовых и групповых ) [9,67,68].
Индивидуальные водоочистные установки ( ВУ ) или установки пер сонального пользования обычно представляют собой небольшую пластмас совую трубку с фильтрующими элементами, заполненными сорбентами и обеззараживающим веществом, в качестве которого чаще всего применяют соединения йода. Иногда используют ВУ в виде кружки с встроенным смен ным патроном. Эти ВУ достаточно надежно задерживают вредные примеси и микроорганизмы в пределах установленного ресурса и могут применяться как для доочистки водопроводной воды, так и для очистки и обеззараживания сырой воды из источника.
Индивидуальный портативный автономный водоочиститель “Родник” (гЛермь) представляет собой трубку диаметром 16мм и длинной 220мм с входным, промежуточным и выходным фильтрами, содержит активный уголь и йодсодержащую анионообменную смолу. Фильтр может использо ваться для очистки воды из источника и доочистки водопроводной воды от к механических и растворенных примесей, микроорганизмов, включая вирусы. Производительность такого фильтра 0,03 - 0,1дм3/мин, ресурс 25дм3. По исчерпании ресурса водоочиститель заменяется новым.
Индивидуальные ВУ типа “Биофильтр”, также представляющие собой ф трубку или кружку с встроенным сменным патроном из активного угля или йодсодержащей анионообменной смолы, рекомендуются фирмой - изготовителем АО МЕТТЕМ для удаления механических загрязнений, ионов тяжелых металлов, хлора и его соединений, фенолов, сероводорода, сульфатов, нитратов, микроорганизмов. Производительность фильтра, выполненного в виде трубки, 0,1 -0,15дм3/мин при ресурсе 100дм3. “Биофильтр” в виде кружки со сменным патроном имеет производи-тельность 0,15 - 0,3дмл/мин. работа этого фильтра ограничивается ресурсом 200-600дм3.
Следует отметить, что при том широком спектре удаляемых загрязнений фирма - изготовитель не предоставляет никаких данных по качеству исходной воды и эффективности ее очистки. Бытовые ВУ (поквартирные) в основном имеют производительность в % пределах 0,2-2,0 дм3 / мин. Конструктивно большинство из них выполнены в виде цилиндров с крышками и гибким шлангом для присоединения к водоразборному крану. Внутри цилиндра находятся сменные фильтрующие патроны, заполненные активным углем или иным сорбентом, зачастую ионообменными смолами. В целях обеззараживания фильтруемой воды и предотвращения развития микрофлоры в фильтрующих материалах используют смолы, модифицированные соединениями йода, или применяют серебрение угля.
УМО “Сорбент” (г. Пермь) выпускает бытовые устройства типа “ Родник “ (рис. 1.1) в различных модификациях. “Родник - ЗМ” заполнен активи-рованным углем, обработанным серебром, предназначен для доочистки водопроводной воды. « “Родник - 7” отличается от “Родника - ЗМ” наличием двух последова % тельно соединенных сменных патронов с посеребренным углем. Эти фильт ры удаляют из водопроводной воды привкусы и запахи.
Фильтры “Родник - 5” и “Родник - 8” характеризуются наличием ка-тионообменного фильтровального волокна или смолы в дополнение к активному посеребренному углю и потому кроме органических веществ, обуслов-ливающих привкусы и запахи, согласно рекомендациям изготовителя моіуг удалять и ионы тяжелых металлов при доочистке водопроводной воды.
Производительность фильтров типа “Родник” 1,5 - 2дм3/мин., ресурс 5000дм3. При наличии в воде ионов тяжелых металлов, в частности железа, срок службы таких фильтров резко сокращается всвязи с повышением гидравлического сопротивления, вызванного кольматацией фильтрующего материала соединениями железа. Бытовой фильтр “Роса” аналогичен “Роднику“, предназначен для тон кой доочистки питьевой водопроводной воды. Фильтрующий наполнитель обладает бактерицидным действием, понижает жесткость воды, улучшает ее органолептические свойства, удаляет привкусы и запахи, ионы тяжелых металлов и токсичных органических соединений. Фильтр состоит из пяти минеральных сорбентов, размеры его 220х330 90мм, масса 4кг. Производи-тельность фильтра 1,5 дм3./мин. при продолжительности фильтроцикла, обеспечивающей очистку 6 м3. воды. Для регенерации фильтров можно использовать раствор поваренной соли и соду. Однако, как показала практика, полностью восстановить сорбционную емкость сорбента регенерацией не удается и по исчерпании ресурса осуществляют замену сорбентов или всего фильтра.
Фирма - изготовитель “Эста” предлагает для доочистки водопроводной воды от ионов тяжелых металлов, микроорганизмов, привкусов и запахов бытовой фильтр “Водолей”, представляющий собой цилиндрический сосуд,
Срок эксплуатации зависит от качества очищаемой воды. При высокой концентрации тяжелых металлов микропоры сорбента кольматируются и поглощающая емкость его по отношению к привкусам и запахам резко падает.
НПО “Неорганика” (г. Электросталь) выпускает фильтр “Турист-2М” , предназначенный для полного обеззараживания воды с применением йода. Фильтр эффективно очищает воду от механических загрязнений, соединений железа, фенолов, радионуклидов, устраняет привкус и запах. Выполнен в виде полимерного мешка и рассчитан на единовременную очистку 300 дм3 воды.
Фильтр “Комби Люкс” , разработанный АО “ПЕКом Эколоджи” (г. Москва), удаляет из воды примеси фенолов, диоксинов, нефтепродуктов, пестицидов, нитратов, некоторых соединений тяжелых металлов. Производи тельность фильтра до 1 дм3/мин. Г Малое предприятие “Аквапор” (г. Санкт-Петербург) разработало быто вой фильтр “Аквапор-А1” для доочистки водопроводной воды от ионов тяжелых металлов, органических веществ, микроорганизмов, привкусов и запахов. Фильтр представляет собой цилиндр диаметром 50мм и длиной 300мм, заполненный активным углем и ионообменными смолами. С помощью гибкого шланга фильтр присоединяется к водопроводному крану. Про-изводительность фильтра от 0,5 до 2 дмл/мин., ресурс фильтра 2000 дмл.
Таким образом, бытовые ВУ в основном предназначены для доочистки водопроводной воды, качество которой не удовлетворяет потребителя. Поскольку потребитель судит о качестве воды по органолептическим показателям, то большинство бытовых установок рассчитано на улучшение именно этих показателей. Вместе с тем, многие ВУ, использующие различные сорбенты, претендуют на удаление широкого спектра химических соединений, включая соли тяжелых металлов, хлорированные углеводороды и т. д. , что, очевидно, далеко не всегда полностью оправдано, так как испытание уста новок как правило ведется на удаление загрязнений, смоделированных в ла бораторных условиях. Полученные таким образом результаты нельзя распро странять на весь спектр химических соединений, встречающийся в природ ных водах. В практике эксплуатации фильтра “Родник”, заполненного только активным углем, например, было замечено, что задержанная сорбентом мик V рофлора накапливается, размножается и через некоторое время начинает поступать в фильтрат. Поэтому в последних модификациях фильтра “Родник” осуществляется посеребрение активированного угля.
Выводы и задачи исследований
Анализ результатов большого числа работ как советских [18,40,75], так и зарубежных [14,21-23,26] исследователей в области изучения закономерно сти процесса фильтрования с образованием слоя осадка позволяет утвер ждать, что этот процесс отличается чрезвычайной сложностью, обусловлен ной воздействием большого числа разнородных факторов. По своей природе эти факторы можно разделить на макро- и микрофакторы [40] .Макрофакторы (перепад давления, вязкость жидкой фазы, концентрация суспензии) подда Ф ются непосредственному измерению, микрофакторы (структура осадка, по ристость, поверхностные явления, степень коагуляции и т.д.) не могут быть с достаточной достоверностью определены и математически описаны.
При расчете промышленных фильтров обычно используют уравнение, устанавливающее зависимость между макрофакторами, а для учета влияния микрофакторов вводятся постоянные, определяемые экспериментально (удельное сопротивление осадка, сопротивление фильтровальной перегородки).
Современная теория промышленного фильтрования с образованием осадка располагает целым рядом уравнений, предназначенных для техноло гического расчета промышленных фильтров. Для правильного выбора суще ствующего расчетного уравнения необходимо четкое определение вида и ре жима рабочего процесса в каждом отдельном случае. Вид фильтрования определяется соотношением [40]: dq KRh (21) где: R - общее сопротивление фильтрующей перегородки и слоя; q- объем фильтрата; Ъ - показатель степени, зависящий от вида фильтрования следующим образом: 1) с полным закупориванием пор Ь = 2; 2) с постепенным закупориванием пор Ь-3/2; 3) промежуточного вида Ь = 1 ; 4) с образованием осадка Ь = 0;
К - коэффициент пропорциональности. Уравнение (2.1) показывает, что интенсивность возрастания общего сопротивления по мере увеличения количества фильтрата пропорциональна этому сопротивлению, в определенной степени зависящему от режима фильтрования.
Фильтрование с постепенным закупориванием пор (глубинное фильт рование) сопровождается выделением частиц суспензии внутри капилляров перегородки. Очевидно, что производительность фильтра в этом случае су щественно зависит от объема пор, в которых осаждаются частицы. Среди ви дов закупорочного фильтрования наиболее распространенным является фильтрование с постепенным закупориванием пор, названное Германсом и Бреде [22] “стандартным”. В этом случае при фильтровании, частицы твер дой фазы проникают внутрь фильтровальной перегородки и откладываются там равномерно по длине капилляров с постепенным уменьшением их радиу са. Применяя закон Пуазейля для потоков внутри пор, для стандартного за купорочного фильтрования можно получить уравнение: 2гк: ()
Уравнение (2.2) является основным уравнением фильтрования с постепенным закупориванием пор. В координатах т - т/q оно представляет собой прямую и может служить для определения “постоянных” К и Унач. С другой стороны “постоянная”Охарактеризует соотношение следующих величин: К = - (2.3) Tdr N где: х0 - отношение объема осадка к объему фильтрата; t / - длина капилляров; гк - радиус капилляров; N- число капилляров на единице поверхности фильтрования; Т.е. величина К может характеризовать задерживающую способность перегородки, если сравнивать фильтрование различных суспензий с использованием одной и той же перегородки.
X. Востерс [14,15], исследуя общие законы фильтрования вискозы на двух различных перегородках из хлопчатобумажных тканей для одного и того же раствора, получил в одном случае постепенное закупоривание пор, а в другом - полное. В результате, он пришел к выводу, что процесс фильтрования следует рассматривать, как непрерывную эволюцию одного закона в другой. В свете этого взгляда получено общее уравнение закупорочного фильтрования: 2КхСй"--5т =--- (2.4) q V # где: V- скорость фильтрования по истечении времени т; Ki - константа; С0 - концентрация частиц суспензии; Vo - начальная скорость фильтрования; т - показатель степени, характеризующий количество частиц, осевших в капиллярах перегородки. Сравнивая (2.4) и (2.2), можно отметить, что уравнение Востерса отличается от уравнения Германса коэффициентом при т, обратная величина этого коэффициента названа Востерсом коэффициентом засорения и обозначена Fv:
Исследования закупорочного фильтрования на жестких керамических у перегородках [62] показали хорошее соответствие с уравнением Германса. Однако, опыты проводились для вискозы, являющейся неньютоновской жидкостью, обладающей структурной вязкостью. Сведения об исследовании закупорочного фильтрования для ньютоновских жидкостей весьма ограничены. Из (2.3) и (2.5) видно, что величины К и Fv характеризуют зависимость процесса закупорочного фильтрования от структуры перегородки и концен трации суспензии, не отражая его зависимость от давления фильтрования и температуры (вязкости) суспензии. Тем не менее, влияние двух последних факторов установлено [15,40,53]. Более того, установлена четкая обратно 4 пропорциональная зависимость самой константы К от давления фильтрова ния [15,40].
Процесс фильтрования с образованием осадка изучался многими авто рами [21,40,49-51,85-87]. Известны многочисленные формулы, характери зующие процесс фильтрования с образованием осадка: Рута, Кармана, Шузо та, Рута-Кармана, Козени-Кармана и т.д. Следует отметить, что все эти формулы имеют константы фильтрования, определяемые экспериментально.
Основным и наиболее распространенным уравнением, описывающим общие закономерности фильтрования с образованием осадка, является уравнение Рута-Кармана. В дифференциальной форме уравнение записывается в виде: v -f !.- Е. " dx М чХ+Кфп) (2 6) где V- скорость фильтрования, м/с ; W1- объем фильтрата полученного за время т с единицы повер хности, м3/м2; ? т - время фильтрования, с; АР - перепад давлений при фильтровании, кПа; \х - динамическая вязкость фильтрата, кПа-с; qm - масса твердой фазы, отлагающейся при получении единицы объема фильтрата, кг/м3, гср- среднее удельное сопротивление осадка для всей толщины слоя, м/кг; Дф.и - сопротивление фильтрующей перегородки, м 1. Интегрируя уравнение (2.6) при начальных условиях W = 0 при т = 0, можно получить зависимость между объемом фильтрата и продолжительно-. стью для различных режимов фильтрования.
Удельное сопротивление осадка и влияние концентрации суспензии на процесс фильтрования
Процесс обезжелезивания подземных вод на патронных фильтрах состоит из двух этапов: зарядка фильтра и рабочее фильтрование. В свою очередь процесс зарядки фильтров проходит в две стадии. На первой стадии осуществляется закупоривание пор патрона; на второй - обра зование сжимаемого осадка из гидроокиси железа на поверхности патрона. Окончанием процесса зарядки является образование слоя осадка гидроокиси железа такой толщины, которая позволяет снижать концентрацию железа в обрабатываемой воде до требуемой эффективности. Согласно [40] возможны четыре вида фильтрования через перегородки, характеризующиеся различными закономерностями: 1) фильтрование с закупориванием каждой поры одной твердой частицей; 2) фильтрование с постепенным закупориванием одной поры многими твердыми частицами; 3) фильтрование промежуточного вида; 4) фильтрование с образованием осадка.
Первый вид или фильтрование с полным закупориванием пор в практических условиях встречается редко и проявляется недостаточно четко. Поэтому чаще рассматриваются три следующих вида фильтрования. На вид фильтрования существенное влияние оказывают скорость фильтрования, скорость осаждения и концентрация твердых частиц суспен » зии. Скорость осаждения твердых частиц в суспензии под действием силы тяжести зависит от размера частиц и вязкости жидкой фазы; причем эта ско- рость тем меньше, чем меньше размер частиц и чем значительнее вязкость жидкойфазы/
Анализ условий, при которых осуществляется тот или иной вид процесса фильтрования, показал, что решающее значение имеет отношение Я скорости фильтрования Уф к скорости осаждения У твердых частиц в сус-пензии под действием силы тяжести:
П-Уф/Voc При Я 1000 осуществляется фильтрование с постепенным закупориванием пор. Причем, чем больше скорость фильтрования Уф, а следовательно и Я и перепад давления, тем быстрей и глубже происходит закупоривание пор фильтрующей перегородки, что по-видимому и наблюдалось при обезжеле-зивании подземных вод г. Боровичи. рис 3.1. Образование сводиков над входами в поры«
При 10 Я 1000 происходит фильтрование промежуточного вида. Влияние скорости осаждения и концентрации загрязнений на вид процесса " фильтрования согласно [40] объясняется накоплением твердых частиц на го-ризонтальной фильтровальной перегородке вокруг входов в "ее поры. На рис.3.1 схематично показано"движение жидкости, содержащей взвешенные твердые частицы, над фильтровальной перегородкой и в ее порах.
Из рисунка видно, что непосредственно у поверхности фильтровальной перегородки, на участках между ее порами, образуются “застойные” зоны, в которых создаются условия, благоприятствующие осаждению твердых частиц на поверхности перегородки. После накопления в этих зонах достаточного количества твердых частиц они начинают перемещаться под влиянием проходящих поблизости струй жидкости по направлению к входам в поры. В результате этого возникают условия для образования сводиков над входами в поры. Чем больше скорость осаждения твердых частиц Voc по сравнению со скоростью фильтрования ф, тем благоприятнее условия для образования сводиков. Увеличение концентрации твердых частиц в суспензии также спо собствует накоплению частиц в “застойных” зонах с последующим образова нием сводиков. Таким образом, при уменьшении скорости осаждения твер дых частиц и их концентрации создаются благоприятные условия для фильт рования с постепенным закупориванием пор, а по мере увеличения скорости осаждения твердых частиц и повышения их концентрации в суспензии соз даются все более благоприятные условия для фильтрования с образованием осадка.
При Ж 100 процесс фильтрования с образованием осадка преобладает над всеми другими видами фильтрования.
На основании этого можно считать возможным переход от фильтрова ния с закупориванием пор к фильтрованию с образованием осадка, если сус пензию, содержащую медленно осаждающиеся твердые частицы в неболь шой концентрации, перед фильтрованием в течение некоторого времени вы держать над перегородкой. Это время должно быть достаточным для накоп ления в зонах между порами твердых частиц, осаждающихся под действием силы тяжести. Это возможно только в том случае, когда направление дейст вия силы тяжести и движения фильтрата совпадают. Кроме того, результаты прежних исследований показали, что при снижении скорости или давления на патронном фильтре слой осадка отслаивается от фильтрующей перегород ки и это приводит к ухудшению эффекта работы патронных фильтров [66,75, 100]. Учитывая вышесказанные обстоятельства и то, что водопотребление коттеджей и фермерских хозяйств периодическое, при проведении экспериментов в данной работе была осуществлена подача исследуемой воды внутрь патрона.
Так как зависимость удельного сопротивления осадка, образующегося при фильтровании железосодержащих подземных вод, от давления и концентрации загрязнений, достаточно полно представлена предыдущими исследо-ваниями[34,40,75,100,101], основное внимание данной работы направлено на изучение технологических параметров работы патронных фильтров. Сущность обезжелезивания воды по рассматриваемому методу заклю чается в том, что железо Fe2+ после окисления переходит в осаждающееся железо Fe3+, которое в виде гидроокиси намывается на фильтрующую по верхность. При этом вначале решающую роль играет различие в зарядах ке рамического патрона, хлопьев гидроокиси железа и ионов железа Fe2+.
Нарастающий на патроне слой гидроокиси железа служит контактным материалом для новых постоянно намываемых агрегатов, при этом происходят как физические, так и химические процессы. Физические процессы, как было указано выше, зависят от соотношения скоростей УфиУоси концентрации загрязнений фильтруемой суспензии.
Химические процессы основаны на способности воды, содержащей двухвалентное железо и растворенный кислород, при фильтровании выделять железо на фильтрующей поверхности, образуя каталитическую пленку из ионов и оксидов двух- и трехвалентного железа. Эта пленка активно интенсифицирует процесс окисления и выделения железа из воды. Обезжелезивание воды при фильтровании через поверхность, покрытую пленкой, является гетерогенным автокаталитическим процессом, в ре 63 зультате чего обеспечивается непрерывное обновление пленки как катализатора непосредственно при работе фильтра.
Для проведения исследований были использованы керамические патроны Люберецкого завода, имеющие форму стакана с кольцевым бортиком в верхней части, отличающиеся друг от друга габаритными размерами, а также размерами пор. На рис. 3.2 представлен общий вид патронов, а в табл. 3.1 даны их основные габаритные размеры.
Экспериментальный патронный фильтр состоял из патрона 1, помещенного в металлический корпус 2. На дне корпуса были наварены поддерживающие стойки 3, которые вместе с бортиком обеспечивали водокольце-вое пространство между патроном и корпусом фильтра. Корпус закрывался фланцами 4 с помощью болтов 5. Герметичность обеспечивалась резиновыми прокладками 6. Фильтры были снабжены патрубками подачи и отвода воды 7, 8, манометрами 9, позволяющими замерять перепад давлений по обе стороны фильтрующей перегородки, а также запорно-регулирующими вентилями 10.
Математическое моделирование работы патронных фильтров при обезжелезивании подземных вод
Решая совместно 4.8 и 4.9, задавшись размером пор патрона d= 60мкм, можно найти д = 0,02м = 20мм, а є = 0,0006. Сравнивая полученные значения с размерами контрольного фильтра Ф5 (табл.3.7), получим хорошую сходимость результатов. Константы а, Ь, экспериментального фильтра Ф5 (табл.3.4) также близки к расчетным. Пример 2. Исходные данные: Концентрация железа в исходной воде Сисх = 2,8мг/дмо, концентрация железа в фильтрате С = 0,3м//дм3, располагаемый перепад давления АР = 40кПа, предполагаемая скорость фильтрования Уф = 0,6м/ч=1,67 10Vc, Для установки предлагаются фильтры с керамическими патронами пористостью є = 0,02, размером пор d = 100 ± 2мкм, толщиной стенки патрона 5=11мм=15-10 3м.
Требуется определить продолжительность “зарядки” фильтра t3 и продолжительность его работы їф до достижения предельно располагаемого перепада давления. Используя 4.5, находим значение х 4-210 1510 =7186 1,67-10"4-100-КГ6 По выражениям 4.3 и 4.4 определяем а = 0,359, Ъ = 5,68 10 1/с. 101 Продолжительность “зарядки” находим из 4.1 при С/Сисх = 0,3/2,8 Ф = 0,107. = t _-1пС/Сисх-а Г3 = 345330с = 96ч. Подставляя в 4.6 все известные значения, найдем АР0 = 4229Па, а из 4.7 = 3,24-10"2Па/с. Продолжительность фильтроцикла можно найти из 4.2 ЛР-ЛР0 ,л, t = - = 307ч Ф ь» Производительность такого фильтра зависит от его габаритных разме ров, т. е. от внутреннего диаметра патрона Dj и высоты патрона Hj. При - D!=40MM, Н!=220ММ И общей поверхности фильтрования S=2,89-10"2M2 (Ф2 табл. 3.1) производительность фильтра будет равна 1,73дм3/ч. Для повышения производительности фильтра необходимо увеличить фильтрующую поверхность, т. е. внутренний диаметр Di или высоту патрона Нь
Сделаем проверку работы выше указанного фильтра для обезжелезива-ния подземных вод со значительной концентрацией железа Сисх = 6мг/дм3 при скорости фильтрования Уф = 0,6м/ч и концентрации железа в фильтрате С = 0,3мг/дм3.
При прежних значениях а = 0,341 и Ъ = 5,47-10 при С/Сисх = 0,3/6 =0,05 и -In С/Сисх = 2,996 получим: Сопротивление фильтрующей перегородки АР о = 4229Па, Ър = 2401,6710"4-6(1 - е0 341) = 6,81-10 2Па/с. Из выражения 4.2 находим t p = 145ч. В этом примере продолжительность “зарядки” фильтрующего элемента t3 приближается к продолжительности фильтроцикла іф.
Ниже приведены значения продолжительности “зарядки” t3 и продолжительности фильтроцикла їф для патронных керамических фильтров с размером пор d = 100, 80 и 60мкм, при толщине стенки патронов = 10, 15 и 20мм, вычисленные с использованием формул 4.1 - 4.7 для обезжелезивания воды с исходной концентрацией железа Сисх от 0,5 до 7мг/дмо при скорости фильтрования Уф от 0,3 до 2,5м/ч (табл. 4.1 - 4.9). Продолжительность фильтроцикла посчитана исходя из располагаемого перепада давлений Р=40кПа.
Анализируя приведенные таблицы, убеждаемся, что для фильтра с известным размером пор продолжительность “зарядки” изменяется прямо пропорционально скорости фильтрования и концентрации железа в исходной воде и обратно пропорционально толщине стенки фильтрующего патрона.
Однако самым важным, самым определяющим фактором в продолжительности “зарядки” фильтров является выведенный в математическом моделировании параметр % - отношение величины адгезионной поверхности, на которую налипают частицы железа, к объему воды, поступающей на эту поверхность в единицу времени. Чем больше , тем меньше продолжительность “зарядки” фильтра независимо от конструктивных размеров патрона. Характер зависимости продолжительности “зарядки” от х представлен на рис.4.1, (по табл.4.1-4.9).
Продолжительность фильтроцикла определяется располагаемым перепадом давления, сопротивлением фильтрующего патрона и сопротивлением осадка гидроокиси железа образующегося на стенках патрона.
Сопротивление фильтрующей перегородки (патрона) в значительной степени зависит от толщины стенки патрона и скорости фильтрования. Со гласно табл.4.4 и 4.6 увеличение толщины фильтрующей перегородки с 10 до 20мм приводит к такому возрастанию ее сопротивления уже при скорости 0,6м/ч (АРо = 46390Па), что для проведения процесса фильтрования на этом фильтре при скорости 0,6м/ч требуется перепад давления больше 40кПа.
Пользуясь табл.4.1 - 4.9, можно построить зависимости продолжительности “зарядки” t3 и продолжительности фильтроцикла їф от концентрации железа в исходной воде Сисх при различных скоростях фильтрования. Для примера на рис.4.2 представлены такие зависимости для патрона с размером пор d = ЮОмкм, толщиной стенок патрона 5 = 15мм при крайних расчетных скоростях фильтрования 0,6 и 2,5м/ч (табл.4.2) и концентрации железа в исходной воде от 0,5 до 7мг/дм3. На рисунке имеются две точки пе ресечения кривых t3 и ф. Точка пересечения Т1 показывает, что при концен трации железа в исходной воде Сисх = 6,3мг/дм3 продолжительность “зарядки” t3 равна продолжительности фильтроцикла їф. При большей кон центрации железа в исходной воде на этом фильтре при скорости фильтрования 0,6м/ч и перепаде давления 40кПа в течение всего фильтроцикла получить фильтрат с концентрацией железа С = 0,Змг/дм3 не удастся. Применение вышеуказанного фильтра при скорости фильтрования Уф = 0,6м/ч целесообразно для обезжелезивания воды с исходной концентрацией железа Сисх до 4мг/дмл, когда продолжительность “зарядки” фильтра и продолжительность его эффективной работы (при С = 0,Змг/дм3) практически одинаковы. Причем, чем меньше концентрация железа в исходной воде, тем больше продолжительность эффективной работы фильтра (рис.4.2). Точка пересечения Т2 означает, что данный фильтр при скорости фильтрования 2.5м/ч можно использовать только для обезжелезивания воды с исходной концентрацией железа Сисх 1,5мг/дм3. Лучше использовать такой д фильтр для доочистки водопроводной воды при Сисх 1мг/дмл.