CC BY
43
ВОДОСНАБЖЕНИЕ, КАНАЛИЗАЦИЯ, СТРОИТЕЛЬНЫЕ СИСТЕМЫ ОХРАНЫ ВОДНЫХ РЕСУРСОВ
УДК 628.162.82
ДЗЮБО ВЛАДИМИР ВАСИЛЬЕВИЧ, докт. техн. наук, профессор, dzv1956@mail. т
АЛФЕРОВА ЛАРИСА ИВАНОВНА, ст. преподаватель, alflar@mail т
Томский государственный архитектурно-строительный университет, 634003, г. Томск, пл. Соляная, 2
ТЕХНОЛОГИЧЕСКОЕ И КОНСТРУКТИВНОЕ ОФОРМЛЕНИЕ РАДИАЛЬНОГО ФИЛЬТРОВАНИЯ ПРИРОДНЫХ ВОД
Напорные фильтры водоочистных установок, реализующие технологию фильтрования воды в радиальном направлении, работают в режиме неравномерных скоростей очищаемого потока и характеризуются возможностью искусственного формирования пористости синтетических фильтрующих материалов в направлении фильтрования. Актуально, что технологически радиальные фильтры позволяют реализовать различные варианты: направления фильтрования, скорости фильтрования и пористости фильтрующего материала. Достигается это конструктивным оформлением фильтровальных сооружений и позволяет максимально использовать грязеемкость фильтрующей загрузки в процессе очистки природных вод.
Ключевые слова: радиальное фильтрование; неравномерная скорость фильтрования; напорный радиальный фильтр; фильтрующий материал; грязеем-кость фильтрующего материала; конструкция радиального фильтра.
VLADIMIR V. DZYUBO, DS^ Professor, dzv1956@mail. ru
LARISA I. ALFEROVA, Senior Teacher, alflar@mail ru
Tomsk State University of Architecture and Building, 2, Solyanaya Sq., 634003, Tomsk, Russia
© В.В. Дзюбо, Л.И. Алферова, 2013
DESIGN OF RADIAL FILTER
AND TECHNOLOGY OF NATURAL WATER FILTRATION
Pressure filters of water treatment facilities using radial filtration technology operate in the mode of irregular rates of a stream purified, and are characterized by a possible artificial formation of porosity in synthetic filtering materials. Actually, radial filters allow implementing various options, namely: directions of filtration, filtration rate, and porosity of filtering material. It is achieved by filtering facilities design which allows maximum use of filter dirt holding capacity during natural water purification.
Key words: radial filtration; irregular filtration rate; pressure radial filter; filtering material; filter dirt holding capacity; radial filter design.
Фильтрование воды в технологических схемах обработки природных вод для производственных и питьевых нужд - самый распространенный прием, при этом фильтры с зернистой загрузкой являются основным элементом [1, 2], позволяющим обеспечивать необходимое качество очищенной воды в соответствии с требованиями [3], и именно они обеспечивают максимальную степень очистки природных вод по сравнению с другими сооружениями при относительно невысоких экономических затратах.
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 существенно отличается от формально принимаемой для расчета необходимой площади сечения фильтровальных сооружений согласно строительным нормам [1]. Экспериментально измерить истинную скорость достаточно сложно, однако ее можно рассчитать, зная характеристики фильтрующего материала. В качестве основных характеристик фильтрующего материала приняты: d3 - эквивалентный диаметр зерен материала; n0 -пористость плотно лежащей загрузки; а - коэффициент формы зерен; W -объем фильтрующей загрузки.
Для произвольно взятого элементарного слоя фильтрующей загрузки толщиной Ah = d3 общая площадь сечения, свободного для потока фильтруемой воды, зависит от пористости этого слоя материала в фильтре и будет составлять
f = ZA/1 или f = WjAh = Wjd3 = F • dэ • n„/ dэ = F •
где W - объем элементарного слоя материала в фильтре площадью F, т. е. f = F • n0. Тогда истинная скорость потока воды исходя из пористости элементарного слоя зернистого материала будет равна
Ч = Чв/(F• no) .
Соотношения расчетных (истинной скорости фильтрования ии, м/ч, и формальной (принимаемой в расчетах) ии, м/ч) скоростей фильтрования воды в зависимости от пористости материала приведены в табл. 1.
Уменьшение размера зерен позволяет увеличить суммарную удельную площадь поверхности фильтрующего материала, м2/м3, что является существенным фактором при очистке природных вод, когда важную роль играет контакт обрабатываемой воды с поверхностью зерен загрузки [4] или, например, каталитической пленкой, образующейся на зернах загрузки при очистке подземных вод [5, 6].
Таблица 1
по и>ф = 10 м/ч
ии, м/ч ии/ иф
0,15 66,7 6,67
0,25 40,0 4,0
0,4 25,0 2,5
0,5 20,0 2,0
0,6 16,7 1,67
Увеличение площади соприкосновения обрабатываемой воды с зернами загрузки увеличивает массообменные характеристики фильтрующего материала фильтров.
Радиальные фильтры [7] 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 и^3* в начальных слоях фильтрующего материала до минимальной и™ 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).
Использование в фильтровальных сооружениях твердых гранулированных фильтрующих материалов, как правило, вносит технологические ограничения и снижает возможность направленного формирования пористости материала в направлении фильтрования потока воды. Послойная укладка фильтрующего материала разной крупности, как правило, нарушается в процессе эксплуатации фильтров, слои перемешиваются, и ожидаемый эффект (по качеству получаемой воды, по грязеемкости загрузки) не достигается.
В работе [8] было показано, что пористость «мягких» фильтрующих материалов, в т. ч. и синтетических «мягких» материалов, в направлении фильтрования потока воды можно искусственно формировать различными способами. Пористость таких фильтрующих материалов направленно формируется поджатием слоя определенной высоты, при этом окончательная пористость его будет зависеть от степени поджатия ст = О/Осж , где О - толщина слоя материала в свободном (не сжатом) состоянии; О сж - то же в сжатом состоянии.
Суммарные потери напора в фильтре тем больше, чем больше толщина (высота) слоя материала, через который осуществляется фильтрование, при этом пористость фильтрующего материала оказывает существенное влияние
на величину гидравлических потерь в фильтре. Потери напора на единицу высоты фильтрующего слоя будут тем больше, чем меньше размер зерен загрузки и ее пористость.
Радиальные фильтры с направленным формированием пористости «мягких» материалов в направлении фильтрования воды (по радиусу фильтра) позволяют обеспечивать фильтрование воды с переменной (убывающей или возрастающей) скоростью движения воды в слое материала с пористостью от максимальной начальной n0 до минимальной конечной n0, либо наоборот.
Конструктивное оформление фильтров позволяет обеспечивать различные сочетания технологических параметров работы фильтров - направления фильтрования, скорости фильтрования и пористости фильтрующего материала, что позволяет максимально использовать грязеемкость фильтрующей загрузки (материала) в зависимости от качества очищаемых природных вод.
На рис. 1 приведены принципиальные схемы, показывающие взаимосвязь вышеуказанных технологических параметров работы радиальных фильтров, при этом приведены технологические схемы радиальных напорных фильтров с двухсторонним линейным поджатием фильтрующего материала.
Базовая (стандартная) технологическая схема радиального фильтра (рис. 1, а) предусматривает фильтрование воды через загрузку толщиной О с постоянной (неизменяемой) пористостью материала n0 и с переменной убывающей скоростью ифб потока воды по радиусу фильтра от гв до R . Изменение скорости фильтрования воды для радиальных фильтров по данной схеме пропорционально изменению площади сечения фильтра в направлении фильтрования, которая изменяется от /вх = 2%rB •О в центральном (впускном) канале фильтра до конечной (выходной) величины /вых = 2kR •О, где О = 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 /) = 2жт • О .
Радиальные фильтры с фильтрованием от центра к периферии и с направленным формированием пористости материала по радиусу путем двухстороннего линейного поджатия слоя материала толщиной О (рис. 1, б) характеризуются изменением площади фильтрования по радиусу фильтра от минимальной в центральном впускном канале /вх = 2%гв •О до максимальной на выходе. Площадь сечения фильтра для произвольного значения радиуса фильтра r в зависимости от угла р двустороннего поджатия материала может быть определена по уравнению
4)= 2nr[О-2tgP(r-rB)] . (1)
Формальную скорость фильтрования в любом произвольном сечении радиального фильтра с коническими прижимными пластинами (вариант б) можно определить по уравнению
Л')
2 яг [О- 2tgP( г - гв)]
(2)
Рис. 1. Принципиальные технологические схемы радиальных фильтров (стрелками показаны направления фильтрования):
а, б - фильтрование от центра к периферии; в - фильтрование от периферии к центру; б, в - с направленным регулированием пористости материала по направлению фильтрования
9
в
Приведенное уравнение (2) позволяет оценить изменение скорости фильтрования, рассчитав ее для любого произвольного сечения по радиусу фильтра в зависимости от конструктивных параметров фильтра и угла поджатия фильтрующего материала, или, с другой стороны, при заданной производительности радиального фильтра в пределах рекомендуемого интервала скоростей от до um™ определить требуемый угол поджатия материала
и в конечном итоге рассчитать основные конструктивные размеры радиального фильтра.
Следует отметить, что поджатие фильтрующего материала может быть и односторонним в зависимости от конструкции фильтра и требуемой степени сжатия слоя материала для достижения необходимой его пористости.
Характер изменения пористости фильтрующего материала в радиальных фильтрах зависит от конфигурации и геометрических параметров прижимных обечаек, направления и величины поджатия.
В обобщенном виде распределение (изменение) пористости «мягких» фильтрующих материалов по радиусу радиальных фильтров можно представить в виде выражения
dn , ч
- = 1 -0 -n0)СТ(0, (3)
где n0 - начальная пористость материала; с - 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 ниже), при этом поджатие материала и перевод его в свободное состояние согласуются с режимами нормального фильтрования и регенерации загрузки.
Анализ работы фильтровальных сооружений различных типов [2, 5, 9], а также проведенные технологические исследования работы обычных вертикальных и радиальных напорных фильтров [10, 11] 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.
Например, при очистке подземных вод фильтрованием от растворенных форм железа и марганца существенными факторами, определяющими эффективность процесса, являются площадь контакта обрабатываемой воды с фильтрующей средой (материалом) и время контакта, которое зависит от скорости фильтрования. Площадь контакта зависит от гранулометрических характеристик фильтрующего материала, а скорость фильтрования является одним из технологических параметров работы фильтров, может задаваться и быть по-
стоянной для каждого конкретного случая (качества исходной воды) либо может искусственно изменяться в процессе эксплуатации фильтров.
Анализ технологических параметров, рекомендуемых строительными нормами [1] для очистки подземных вод фильтрованием, позволяет говорить о том, что указанный нормативный документ достаточно формально учитывает приведенные выше факторы, влияющие на эффективность фильтрования подземных вод. Например, при очистке подземных вод по разным технологическим схемам формальную скорость фильтрования рекомендуется принимать в пределах 5-12 м/ч, рабочую высоту слоя фильтрующего материала -0,7-2,0 м, а крупность зерен фильтрующего материала - 0,5-2,0 мм, при этом рекомендуемые параметры напрямую не связаны с качеством очищаемых подземных вод.
Установлено [11], что увеличение скорости фильтрования при всех прочих постоянных параметрах фильтрования приводит к снижению эффективности процесса, а снижение скорости фильтрования позволяет достичь требуемого эффекта, например, при меньшей против рекомендуемой [1] рабочей высоте слоя фильтрующей загрузки или при большей ее крупности, что позволяет снизить гидравлическое сопротивление загрузочного материала.
Технологические исследования работы фильтров при различных сочетаниях указанных выше параметров позволили сделать вывод, что при фильтровании подземных вод значение имеет время контакта воды с материалом загрузки, которое зависит от принятой скорости фильтрования, высоты рабочего слоя и крупности загрузки.
В табл. 2 приведены данные расчетного времени движения воды в фильтре (по формальной [1] скорости фильтрования) и расчетного времени контакта обрабатываемой воды с загрузочным материалом фильтра (по расчетной истинной скорости фильтрования), полученные на основе рекомендуемых [1] параметров и характеристик фильтрующих материалов [4].
Таблица 2
Продолжительность движения воды
иф, в фильтре, tф мин, при Н загр, м
м/ч 0,8 1,0 1,2 1,5
6 8 10 12 15
8 6 7,5 9 11,25
10 4,8 6 7,2 9
12 4 5 6 7,5
В соответствии с характером изменения формальной скорости фильтрования по радиусу радиального фильтра (2) изменяется и продолжительность (время) контакта воды с фильтрующей загрузкой.
Анализ данных табл. 2 показывает еще одну технологическую особенность радиальных фильтров - увеличение времени контакта потока воды с материалом загрузки в радиальном направлении при падении скорости фильтрования и при постоянстве фильтруемого расхода воды qв.
Из данных табл. 2 видно, что в пределах рекомендуемого интервала формальных скоростей фильтрования время движения фильтруемой воды в фильтре составляет 4-15 мин. Учитывая, что истинная скорость движения воды в межзерновом пространстве загрузочного материала существенно отличается от формальной, согласно СНиП [1], т. е. ии = qв/(F • п0) = «ф/п0,
и приняв во внимание, что пористость распространенных [9] фильтрующих материалов составляет 40-60 %, фактическое время контакта воды с материалом загрузки лежит в пределах 1,6-9 мин при иф = 12 и 6 м/ч соответственно. Сопоставление полученных данных говорит о том, что истинное время контакта воды с материалом загрузки фильтра в 1,7-2,5 раза меньше расчетной продолжительности движения воды в фильтре, причем эта разница тем больше, чем меньше межзерновая пористость фильтрующего материала.
В практических условиях принятые без должного обоснования (формально) и не соответствующие друг другу такие важные технологические параметры для фильтров, как скорость фильтрования, высота слоя фильтрующего материала и его гранулометрические характеристики, а также некорректный учет (либо его отсутствие) качества очищаемой воды приводят к тому, что фильтровальные сооружения не обеспечивают требуемого качества получаемого фильтрата при работе в обычном режиме.
Анализ технологических схем работы радиальных фильтров показывает, что их конструкции позволяют исключить либо свести к минимуму подобную ситуацию. Достигается это за счет падения скорости фильтрования, а значит - увеличения продолжительности контакта воды с загрузкой фильтра по мере ее движения по направлению фильтрования.
В соответствии с технологическими схемами (рис. 1) радиальных фильтров на рис. 2 приведено принципиальное конструктивное оформление базового радиального фильтра с загрузкой из гранулированного (зернистого) материала, межзерновая пористость которого одинакова во всем объеме загрузки [12].
В центральной части фильтра расположен распределительный канал, из которого подаваемая в фильтр вода равномерно распределяется по высоте загрузочного материала. Отфильтрованная вода из периферийной части фильтра собирается и отводится через сборно-распределительный коллектор. Из нижней части отводится первый фильтрат после промывки фильтра, а также осуществляется его опорожнение.
В отличие от обычных вертикальных фильтров, в которых формальная скорость фильтрования неизменна по высоте слоя загрузки, радиальные фильтры (базовая конструкция - фильтрование от центра к периферии) характеризуются падением скорости фильтрования в направлении фильтрования при постоянстве расхода фильтруемой воды. Неравномерность скорости фильтрования в радиальном направлении позволяет устанавливать рабочую «высоту» фильтрования Нф в зависимости от качества исходной воды в пре-
делах 0,5-1,2 м без ущерба для качества очищенной воды. Достигается это за счет того, что снижение скорости фильтрования в радиальном направлении приводит к увеличению продолжительности пребывания фильтруемой воды в толще материала и, как следствие, продолжительности контакта обрабатываемой воды в фильтре с каталитической пленкой на поверхности фильтрующего материала.
V б
Рис. 2. Принципиальное конструктивное оформление радиального напорного фильтра: 1 - корпус фильтра; 2, 3 - узлы подачи исходной и отвода очищенной воды, подачи и отвода промывной воды; 4 - центральный распределительный канал фильтра; 5 - фильтрующий материал; б - опорожнение, сброс первого фильтрата
Принципиально иначе можно формировать межзерновую пористость мягких гранулированных однородных материалов, например таких, как пено-полистирол, или объемных пористых материалов - пенополиуретанов, широко используемых в практике фильтрования [9]. Пористость материала формируется направленно, поджатием слоя определенной высоты, при этом итоговая пористость его будет зависеть от степени поджатия.
Пенополистирол - синтетический гранулированный материал - получил применение и для очистки природных вод фильтрованием, который, находясь в фильтре в плавающем состоянии, способен самоклассифицироваться по высоте слоя по крупности. Такая способность материала обеспечивает разную межзерновую пористость слоя загрузки фильтра по высоте, что при определенных технологических параметрах работы фильтров позволяет повысить грязеемкость или увеличить фильтроцикл их работы.
Пенополиуретаны нашли достаточно широкое распространение для фильтрования технологических жидкостей или, например, для фильтрования нефтепродуктов в процессе их механической очистки.
Пенополиуретан и гранулированный вспененный полистирол - легкие и достаточно мягкие синтетические материалы, которые способны деформироваться при внешних нагрузках и восстанавливать свою форму при снятии нагрузки. Данное обстоятельство можно использовать для искусственного (направленного) формирования пористости изначально однородного (по пористости) слоя пенополиуретана или гранулированного пенополистирола при фильтровании через него потока воды. Под направленным формированием пористости слоя материала следует понимать создание заданной переменной пористости по высоте или толщине однородного по крупности или пористости исходного слоя материала в направлении фильтрования потока очищаемой воды с целью увеличения грязеемкости или фильтроцикла.
Межзерновая пористость слоя гранулированного пенополистирола, как и пористость любого зернистого материала, зависит от крупности и неоднородности фракций материала, а также формы его зерна. Отличительной особенностью этого материала является то, что форма гранул его практически приближена к форме правильного шара, поэтому коэффициент формы зерна, являющийся одним из важных параметров, характеризующих фильтрующий материал, немногим больше 1, что характерно для немногих зернистых материалов, форма зерен которых близка к правильной.
Радиальные фильтры с легкими фильтрующими материалами (с плотностью меньше плотности воды) позволяют формировать пористость загрузки в направлении фильтрования в соответствии со скоростью движения потока воды. Различные сочетания пористости фильтрующего материала, формальной скорости и направления фильтрования, обеспеченные конструктивными особенностями радиальных фильтров, позволяют использовать их в технологических схемах очистки природных вод с широким диапазоном изменения величин показателей качественного состава. Кроме того, направленное изменение (уменьшение) межзерновой пористости фильтрующего материала в направлении фильтрования за счет поджатия позволяет полнее использовать грязеем-кость материала, поскольку заполнение его выделяемыми нерастворимыми формами загрязнений очищаемых природных вод начинается со слоев с максимальной пористостью в сторону слоев с минимальной пористостью, при этом постепенно фронт заполнения фильтрующего материала перемещается к его выходным слоям в фильтре. Фильтроцикл заканчивается, когда наблюдается проскок (вынос) задерживаемых загрязнений вследствие чрезмерного накопления и выноса из периферийных слоев фильтрующего материала.
На рис. 3 приведено принципиальное конструктивное оформление радиального фильтра с синтетическим фильтрующим материалом, пористость которого можно изменять (формировать) в направлении фильтрования потока воды благодаря конструктивным особенностям фильтра [12, 13].
Рис. 3. Конструктивное оформление радиального напорного фильтра с принудительным поджимом фильтрующего материала:
1 - подача воды на очистку; 2 - отвод очищенной воды; 3 - подача воды на промывку; 4 - отвод промывной воды; 5 - подача воздуха; 6 - опорожнение, сброс первого фильтрата; 7 - фильтрующий материал; 8 - подвижные прижимные обечайки; А, В, С - варианты расположения сборно-распределительных коллекторов
Конструктивное решение напорного фильтра позволяет обеспечивать требуемую степень поджатия фильтрующего материала по радиусу фильтра с фиксированно установленным углом поджатия. При сжатии материала в фильтре обеспечивается разная степень его поджатия по радиусу (от центра к периферии), что достигается заранее установленным углом конусности поджимающих обечаек (перегородок). При сжатии обечаек между собой (двухстороннее поджатие) пористость материала изменяется от максимальной в центральной части корпуса фильтра до минимальной на периферии. Аналогично распределяются скорости фильтрования воды - от максимальной в центральной части фильтра, куда подводится вода на фильтрование, до минимальной на периферии. Иными словами, в слоях фильтрующего материала с наибольшей пористостью поток фильтруемой воды имеет наибольшую скорость, а по мере снижения пористости материала снижается и скорость фильтруемого потока воды. Данное обстоятельство позволяет максимально ис-
пользовать грязеемкость фильтрующего материала и увеличить продолжительность фильтроцикла по сравнению с традиционно известными и применяемыми для очистки подземных вод конструкциями фильтровальных сооружений.
Во время промывки поджатие фильтрующего материала снимается, и он находится в свободном состоянии, что способствует более качественной его отмывке. Промывная вода движется в сторону, противоположную фильтрованию в слое материала, находящегося в свободном состоянии. Загрязнения, отмываемые от загрузочного материала, с потоком промывной воды отводятся за пределы фильтра. По окончании процесса промывки фильтрующего материала фильтр переводится в режим нормального фильтрования, при этом первые порции очищенной воды (фильтрата) одновременно со сжатием материала сбрасываются из фильтра.
Для интенсификации процесса водяной промывки фильтрующего материала в нижнюю часть фильтра подводится воздух и распределяется в толще фильтрующего материала через сопла, установленные на кольцевом коллекторе.
На рис. 4 приведены принципиальные конструктивные схемы радиальных фильтров с механической (а) и гидравлической (б) системами уплотнения (поджима) синтетической фильтрующей загрузки (материала).
Рис. 4. Конструктивное оформление напорных фильтров с механической (а) и гидравлической (б) системами поджатия фильтрующего материала:
1 - подача воды на очистку; 2 - отвод очищенной воды; 3 - подача воды на промывку; 4 - отвод промывной воды; 5 - фильтрующий материал; 6 - сборно-распределительный коллектор; 7 - сильфон; 8 - резьбовой шток подвижных обечаек; 9 - гибкая перегородка; 10 - гидравлическая камера; 11 - отвод к системе гидравлического управления подвижными обечайками
На рис. 5 приведены конструктивные схемы радиальных фильтров, отличающихся направлением фильтрования очищаемой воды, в которых при этом в зависимости от формы установленных прижимных обечаек можно по-разному регулировать пористость фильтрующего материала.
Рис. 5. Конструктивное оформление радиальных напорных фильтров с движением потока воды от центра к периферии (а) и от периферии к центру (б): А, В, С - узлы подвода, сбора и отвода воды; D - система гидравлического управления
Конструктивно поджатие синтетического деформируемого фильтрующего материала можно осуществлять разными способами в зависимости от технологии фильтрования, конструкции фильтра и геометрии прижимных пластин (рис. 6).
\и,
Вариант 1 1
А 2
р
Вариант 2
ЛОо А 2
1
асж
Фильтрование
|/ тах
Фильтрование
А
Вариант 3
1 * 1
1
V тах
вх
ЛО„
\
Фильтрование —; А
1
а
а
а
г
г
а
а
Рис. 6. Вариантные решения поджатия фильтрующего материала: 1 - центральный канал фильтра; 2 - прижимная пластина
В напорных вертикальных фильтрах однородный по крупности гранулированный пенополистирол или однородный по пористости пенополиуретан, уложенные в свободном состоянии, можно поджимать послойно (2-4 слоя) в зависимости от общей высоты слоя материала. Для создания разнопористых слоев материала (уменьшение пористости в сторону движения очищаемой воды) степень поджатия отдельных слоев увеличивается в направлении движения потока воды. Несмотря на высокие скорости фильтрования на входе, в радиальных фильтрах наблюдается интенсивное падение скорости в радиальном направлении, что позволяет получать фильтрат надлежащего качества и полнее использовать грязеемкость загрузки.
Учитывая, что степень сжатия фильтрующего материала в произвольном сечении по радиусу фильтра можно представить в виде
О О
с =-=-, (4)
о О-2да,
сж (г)
величину ДО(г ) можно определить по уравнениям:
вариант 1: ДО(г} = 2 (r - r) tgP ; (5)
вариант 2: ДО(г) = 0,9(r - гв) + 0,0008(r - гв)2; (6)
вариант 3: ДО(г)= 0,1 (r - гв )- 0,0007 (r - гв )2. (7)
Тогда распределение (изменение) пористости по радиусу фильтра в зависимости от формы прижимных пластин (угла поджатия материала) можно представить в виде выражений:
вариант 1: — = 1 -(1 - n0)-—--; (8)
dr v 0)О-2(r -гв)tgP
вариант 2: — = 1 -(1 - n0)-0-- ; (9)
dr О- 0,9 ( r - гв ) + 0,0008 ( r - гв )
вариант 3:dn = 1 -(1 - n0)------—, (10)
dr О-0,1(r - r ) + 0,0007 (r - гв )
где n0 - начальная пористость материала; гв - внутренний радиус фильтра;
P - угол поджатия материала; Q - толщина свободно уложенного материала в фильтре; r - текущее значение радиуса фильтра для произвольного сечения А-А (см. рис. 1).
Выводы
Приведенные выше конструктивные варианты оформления технологий радиального фильтрования позволяют обеспечивать различные сочетания технологических параметров работы фильтров при очистке природных вод -направления фильтрования, скорости фильтрования и пористости фильтрующего материала, что позволяет максимально использовать грязеемкость фильтрующей загрузки (материала) в зависимости от качества очищаемых природных вод.
Библиографический список
1. СНиП 2.04.02-84. Водоснабжение. Наружные сети и сооружения / Госстрой России. -М. : ГУП ЦПП, 1997. - 128 с.
2. Журба, М.Г. Очистка воды на зернистых фильтрах / М.Г. Журба. - Львов : Изд-во Львовского университета, 1980. - 199 с.
3. СанПиН 2.1.4.1074-01. Питьевая вода. Гигиенические требования к качеству воды централизованных систем питьевого водоснабжения. Контроль качества. санитарно-эпидемиологические правила и нормативы. - М. : Федеральный центр госсанэпидем-надзора Минздрава России, 2002. - 103 с.
4. Аюкаев, Р.И. Производство и применение фильтрующих материалов для очистки воды: справ. пособие / Р.И. Аюкаев, В.З. Мельцер. - Л. : Стройиздат, 1985. - 120 с.
5. Дзюбо, В.В. Способы очистки и кондиционирования подземных вод для целей питьевого водоснабжения / В.В. Дзюбо, Л.И. Алферова // Вестник ТГАСУ. - 2005. - № 1. - С. 143-163.
6. Дзюбо, В.В. Технологические характеристики дробленого альбитофира в процессе очистки подземных вод фильтрованием / В.В. Дзюбо, Л.И. Алферова // Питьевая вода. -2006. - № 3. - С. 12-18.
7. Дзюбо, В.В. Фильтрование природных вод в режиме неравномерных скоростей / В.В. Дзюбо, Л.И. Алферова // Вестник ТГАСУ. - 2007. - № 2. - С. 180-190.
8. Дзюбо, В.В. Формирование переменной пористости синтетических фильтрующих материалов в технологиях очистки воды / В.В. Дзюбо, Л.И. Алферова // Сантехника. -
2006. - № 3. - С. 12-17.
9. Журба, М.Г. Пенополистирольные фильтры / М.Г. Журба. - М. : Стройиздат, 1992. - 240 с.
10. Дзюбо, В.В. Моделирование и исследование работы фильтров с нестационарной скоростью фильтрования / В.В. Дзюбо, Л.И. Алферова // Вода: Технология и Экология. -
2007. - № 2. - С. 22-32.
11. Дзюбо, В.В. К вопросу определения основных расчетных параметров фильтров очистки подземных вод / В.В. Дзюбо // Питьевая вода. - 2007. - № 4. - С. 7-11.
12. Пат. Российская Федерация № 2310496, МПК7 В0Ш 24/10. Напорный фильтр / В.В. Дзюбо, Л.И. Алферова; опубл. 2007, Бюл. № 32.
13. Пат. на полезную модель Российская Федерация № 70149, МПК7 В0Ш 24/10. Напорный фильтр / В.В. Дзюбо, Л.И. Алферова, М.Э. Бутовский; опубл. 2008, Бюл. № 2.
References
1. SNiP 2.04.02-84. Vodosnabzheniye. Naruzhnyye seti i sooruzheniya [Water-supply and outdoor networks and structures]. Gosstroy Rossii. Moscow : GUP TsPP, 1997. 128 p.
2. Zhurba, M.G. Ochistka vody na zernistykh filtrakh [Water purification using granular filters]. Lvov : Izd-vo Lvovskogo universiteta [Lviv University Publishing House], 1980. 199 p. (rus)
3. SanRaN2.1.4.1074-01. Pityevaya voda. Gigiyenicheskiye trebovaniya k kachestvu vody tsen-tralizovannykh sistem pityevogo vodosnabzheniya. Kontrol kachestva. Sanitarno-epidemiologicheskiye pravila i normativy [Drinking water. Hygienic requirements for quality of water of the centralized systems of drinking water supply. Quality control. Health and hygiene rules and standards]. Moscow : Federalnyy tsentr gossanepidemnadzora Minzdrava Ros-sii [Federal Centre for State Sanitary & Epidemiological Surveillance Agency of the Russian Ministry of Health], 2002. 103 p.
4. Ayukayev, R.I., Meltser, V.Z. Proizvodstvo i primeneniye filtruyushchikh materialov dlya ochistki vody: sprav. posobiye [Production and use of filtering materials for water purification]. Leningrad : Stroyizdat, 1985. 120 p. (rus)
5. Dzyubo, V.V., Alferova, L.I. Sposoby ochistki i konditsionirovaniya podzemnykh vod dlya tse-ley pityevogo vodosnabzheniya [Ways of cleaning and conditioning of underground waters for drinking water supply]. Vestnik of Tomsk State University of Architecture and Building. 2005. No. 1. P. 143-163. (rus)
6. Dzyubo, V.V., Alferova, L.I. Tekhnologicheskiye kharakteristiki droblenogo albitofira v protsesse ochistki podzemnykh vod filtrovaniyem [Processing characteristics for shredded
albitophyre during water filtration]. Pityevaya voda [Drinking water]. 2006. No. 3. P. 12-18. (rus)
7. Dzyubo, V. V., Alferova, L.I. Filtrovaniye prirodnykh vod v rezhime neravnomernykh skorostey [Natural waters under irregular filtration rate]. Vestnik of Tomsk University of Architecture and Building. 2007. No. 2. P. 180-190. (rus)
8. Dzyubo, V.V., Alferova, L.I. Formirovaniye peremennoy poristosti sinteticheskikh filtruyush-chikh materialov v tekhnologiyakh ochistki vody [Formation of variable porosity of synthetic filter materials used in water purification]. Santekhnika. 2006. No. 3. P. 12-17. (rus)
9. Zhurba, M.G. Penopolistirolnyye filtry [Polystyrene foam filters]. Moscow : Stroyizdat, 1992. 240 p. (rus)
10. Dzyubo, V.V., Alferova, L.I. Modelirovaniye i issledovaniye raboty filtrov s nestatsionarnoy skorostyu filtrovaniya [Modeling and research of filter operation with unsteady filtration rate]. Voda: Tekhnologiya i Ekologiya. 2007. No. 2. P. 22-32. (rus)
11. Dzyubo, V.V. K voprosu opredeleniya osnovnykh raschetnykh parametrov filtrov ochistki pod-zemnykh vod [Towards determination of principle design parameters of ground water purification filters]. Pityevaya voda. 2007. No. 4. P. 7-11. (rus)
12. Pat. Rus. Fed. N 2310496, MPK7 B01D 24/10. Napornyy filtr [Pressure filter]. Dzyubo, V.V., Alferova, L.I.; publ. 2007, Bul. No. 32.
13. UMP Rus. Fed. N 70149, MPK7 B01D 24/10. Napornyy filtr [Pressure filter]. Dzyubo, V.V., Alferova, L.I. Butovskiy, M.E.; publ. 2008, Bul. No. 2.
