CC BY
40
ВОДОСНАБЖЕНИЕ, КАНАЛИЗАЦИЯ, СТРОИТЕЛЬНЫЕ СИСТЕМЫ ОХРАНЫ ВОДНЫХ РЕСУРСОВ
УДК 628.162.82
ДЗЮБО ВЛАДИМИР ВАСИЛЬЕВИЧ, докт. техн. наук, профессор, dzv1956@mail. ru
АЛФЕРОВА ЛАРИСА ИВАНОВНА, ст. преподаватель, alflar@Mail. ru
Томский государственный архитектурно-строительный университет, 634003, г. Томск, пл. Соляная, 2
ОЦЕНКА ГРЯЗЕЕМКОСТИ ЗАГРУЗКИ
РАДИАЛЬНЫХ ФИЛЬТРОВ
ПРИ ОБРАБОТКЕ ПОДЗЕМНЫХ ВОД
Одной из основных технологических характеристик фильтровальных сооружений является грязеемкость, величина которой определяет их эксплуатационные качества. Приведены уравнения для расчета грязеемкости фильтров очистки подземных вод, работающих с постоянной и переменной скоростью фильтрования. Показано, что при проектировании фильтров для очистки подземных вод конкретного качества важным является корректный расчет и назначение основных параметров их работы, а также расчет грязеемкости, которая определяет необходимую частоту их регенерации (промывки).
Ключевые слова: фильтрование; подземные воды; фильтрующий материал; грязеемкость; радиальное фильтрование; убывающая скорость фильтрования; фильтроцикл.
VLADIMIR V. DZYUBO, DSc, Professor, dzv1956@mail. ru
LARISA I. ALFEROVA, Assistant Professor, alflar@mail ru
Tomsk State University of Architecture and Building, 2, Solyanaya Sq., 634003, Tomsk, Russia
ASSESSMENT OF CONTAMINANT CAPACITY OF RADIAL FILTERS IN UNDERWATER PROCESSING
One of the main properties of filtering facilities is a contaminant capacity which provides their functional performance. The paper presents contaminant capacity equations for underwater filtering with constant and variable flow rates. It is shown that in order to purify underwater of
© В.В. Дзюбо, Л.И. Алферова, 2013
the specific quality, it is important to provide a proper design of filtering facilities and their operating parameters accounting for contaminant capacity which defines the required regeneration rate.
Keywords: filtering, underwater, filtering material; contaminant capacity; radial filtering; decreasing filtration; filter run.
Выводы авторов работ [1-3] свидетельствуют о том, что характеристики (гранулометрические) фильтрующего материала, применяемого для очистки воды необходимого качества, должны определенным образом соответствовать назначаемым параметрам работы фильтров для достижения оптимальных условий их работы (требуемое качество получаемой воды, максимально возможная грязеемкость, минимальные эксплуатационные затраты). Например, при очистке подземных вод увеличение скорости фильтрования или содержания примесей в обрабатываемой воде требует увеличения высоты слоя фильтрующего материала для достижения требуемого [4] качества получаемой воды, а, с другой стороны, увеличение крупности применяемого фильтрующего материала требует либо снижения скорости фильтрования, либо увеличения высоты слоя материала [5].
На основании обработки результатов исследований, проведенных в различных районах Западной Сибири, получены основные расчетные уравнения [6, 7] для определения высоты слоя фильтрующего материала в зависимости от его гранулометрического состава и качества очищаемой воды. При этом получены уравнения для фильтров, работающих с постоянной скоростью фильтрования, и для фильтров, работающих с непрерывно-уменьшающейся скоростью фильтрования (радиальное [8] фильтрование).
Для фильтров, работающих с постоянной скоростью фильтрования, требуемое соответствие между качеством обрабатываемой воды, технологическими параметрами работы фильтров и характеристиками фильтрующего материала учтено в уравнении для расчета требуемой высоты слоя Hзп , м, фильтрующего материала
(сFe2+Î,œ -и1,12 C!.« „1,12
= 1сисх ) иф = Co -иф (1)
з а0'11 - pH0,92 - TU02 a0'11 - pH0,92 - Tu°2 , ()
где Ссх = C0 - содержание железа в исходной воде, мг/л; „ф - скорость фильтрования, м/ч; а = 6a(1-n0)/d3 - параметр, учитывающий гранулометрические характеристики фильтрующего материала; a - коэффициент формы зерен материала; d3 - эквивалентный диаметр зерна материала, мм; n0 - пористость плотно лежащей загрузки; pH - величина pH исходной воды; T - температура обрабатываемой воды, °С.
Сравнение расчетных данных по уравнению (1) и результатов экспериментальных исследований, полученных в различных районах ЗападноСибирского региона, позволили авторам прийти к выводу, что при очистке
железо-марганецсодержащих подземных вод введенный параметр Сисх = C0 для расчета высоты слоя загрузки является гарантирующим удаление марган-
ца (Мп2+) до требуемого норматива в пределах его наиболее распространенного содержания в подземных водах региона в интервале 0,1-0,5 мг/л [9].
Для радиальных фильтров, работающих с непрерывно снижающейся скоростью фильтрования, аналогичное (1) по назначению уравнение имеет вид
1 33 Г ""11,14
н _ Ср, 1_иф (вх)/иф (вых) _| (2)
Н з (г) _ О^0- а0'14 рН0,9з Т:'04 ' где Н з (г) - «высота» слоя загрузки по радиусу фильтра, м; Оф(вх), иф(вых) - скорость фильтрования на входе и выходе, м/ч; О - толщина слоя загрузки в фильтре, м [10].
В практике водоочистки принято продолжительность защитного действия фильтрующей загрузки оценивать по качеству получаемого фильтрата либо по приросту потерь напора до исчерпания располагаемого напора (для открытых фильтров). Однако при напорном фильтровании подземных вод преобладающим фактором является качество получаемого фильтрата. При ухудшении качества принято считать, что грязеемкость фильтра исчерпана и его необходимо выводить на регенерацию (промывку). Продолжительность защитного действия фильтрующей загрузки при очистке подземных вод зависит как от качества последних, так и от параметров работы фильтра и характеристик фильтрующей загрузки.
Для режимов фильтрования подземных вод с постоянной и непрерывно снижающейся скоростью (радиальное фильтрование) фильтрования получены [6, 7] и апробированы уравнения для расчета продолжительности защитного
действия фильтрующей загрузки, ^ (з), ¿ф^, сут, которые могут использоваться для расчета грязеемкости фильтров.
Уравнения имеют вид:
- для режима фильтрования с постоянной скоростью
( с Уиб 1,12 • 103 Нп )1,86
t п
'ф (з)
С
вых J
а0Л2 •и!;24
рН0,12 Т°,и, (3)
где С0, Свых - содержание железа в исходной и в очищенной воде, мг/л;
- для радиального фильтрования с непрерывно снижающейся скоростью
( с V0,98 126102 Н 1,94
с 1,26 10 Нз (г) -рН014 •Т012. (4)
V _
С
вых / а0-11
Преимущества технологии радиального фильтрования при обработке подземных вод, вариантное технологическое и конструктивное его оформление подробно приведены в работах [8, 10, 11]. Задачей данной работы являлось выполнение анализа уравнений для расчета продолжительности защитного действия фильтрующей загрузки в радиальных фильтрах (4), оценка гря-зеемкости радиальных фильтров и ее сопоставление с грязеемкостью обычных фильтров при очистке подземных вод. Кроме того, оценивалась сте-
пень влияния различных технологических параметров фильтрующей загрузки при радиальном фильтровании на величину ее грязеемкости в зависимости от качества очищаемых подземных вод.
В первую очередь был выполнен расчетный анализ уравнения (4) на предмет его упрощения для инженерных расчетов при проектировании и конструировании фильтровальных сооружений и выявления возможной величины ошибки вследствие упрощения.
Упрощенное уравнение имеет вид
1 О^» 1 С\2 7т!,94
,уб Свых 1,26 ' 10 Н з(г) „тт0,14 Т0,12
'з --;-:-^016рН •1 . (5)
с,
0
а
0:11
0
'и /
ф(в
"*ф(вых)
Расчеты показали, что упрощенное уравнение (5) дает не более 0,5%-е отклонение по конечному результату в сравнении с уравнением (4). По мнению авторов, такое отклонение является вполне удовлетворительным для инженерных расчетов конструктивных параметров и эксплуатационных характеристик фильтров, предназначенных для очистки подземных вод.
При изучении работы различных фильтрующих материалов с разными гранулометрическими характеристиками при разных скоростях фильтрования воды, было отмечено, что слой материала не всегда работает полной высотой, а в отдельных случаях принятая высота слоя не всегда позволяла достигать требуемого качества очищенной воды при определенной крупности фракций материала. Иными словами, при определенных соотношениях скорости фильтрования (фильтрование «сверху вниз») и крупности фракций материала, соответствующих нормам [4], качество воды достигалось на разной глубине материала, что подтверждалось анализом отбираемых проб воды по высоте слоя фильтрующего материала в фильтре [12].
Проведенные исследования позволили прийти к выводу, что высота слоя фильтрующего материала с определенными гранулометрическими характеристиками является доминирующим параметром, который необходимо корректно учитывать при конструировании фильтровальных сооружений.
Подробные результаты экспериментальных исследований данного параметра фильтровальных сооружений, предназначенных для очистки подземных вод, были изложены авторами в работе [13].
Анализ полученных уравнений (3) - (5) говорит о том, что параметр Н з(г )для фильтровальных сооружений при очистке подземных вод является
доминирующим по сравнению с остальными параметрами, входящими в расчетные уравнения. Для обычных фильтров, работающих с постоянной скоростью фильтрования, вторым условием по степени влияния на конечный результат является скорость фильтрования (3).
Для радиальных фильтров параметр Нз(г) также является доминирующим по сравнению с другими параметрами, учтенными при расчете эксплуатационного параметра - продолжительности защитного действия фильтрующей загрузки 'зуб. От величины 'зуб напрямую зависит параметр, определяю-
щий не только эксплуатационные качества фильтровальных сооружений, но и экономические - грязеемкость фильтра [7]. Отличительным в расчетах радиальных фильтров является параметр, учитывающий соотношение скоростей
фильтрования
и
Ф(вх)/
Л
х).
, который по степени влияния на конечный ре-
зультат следует за параметром Нз(г}и требует корректного назначения при
проектировании и конструировании фильтров.
На рисунке приведен пример зависимости продолжительности защитного действия загрузки от назначаемого параметра Нз(г) при очистке подземных вод, характеризующихся содержанием железа 3 мг/л; рН = 6,0; Т = 6,5 °С до нормативного качества на радиальных фильтрах, загруженных альбитофи-ром с крупностью фракции 1,5 мм с переменной скоростью фильтрования от 25 м/ч на входе до 5 м/ч на выходе.
н
>>
«
н
о
«
о £
+ расчетные данные О экспериментальные данные
0,4 0,6
«Высота» слоя загрузки по радиусу, м
Зависимость гу6 от параметра Н
з( г)
Анализ приведенной графической зависимости, а также ранее полученных результатов исследований [13], во-первых, свидетельствует о доминирующей роли на конечный результат конструктивного параметра радиальных фильтров Нз(г), входящего в уточненное расчетное уравнение (5), при определении их грязеемкости для конкретного качества очищаемых подземных вод. Кроме того, данный параметр, с учетом относящегося к нему параметра а, входящего в уравнения (1) - (5) и характеризующего гранулометрический состав фильтрующего материала, является гарантирующим качество получа-
емой воды в соответствии с нормами [4]. Помимо этого, данная зависимость для приведенного выше качества очищаемых подземных вод позволяет ориентировочно оценить период защитного действия фильтрующей загрузки из альбитофира в зависимости от назначаемого параметра Нз(г).
В радиальных напорных фильтрах при обезжелезивании подземных вод динамика изменения скорости фильтрования по направлению движения потока воды в толще фильтрующей загрузки заложена и определяется конструктивными особенностями фильтров [7], причем характер динамики и интенсивность изменения скорости фильтрования зависят от конструктивных и геометрических размеров фильтра и могут быть заложены изначально в зависимости от качества очищаемой воды, характеристик фильтрующего материала и требуемого соответствия скорости фильтрования гранулометрическим характеристикам загрузки.
В работе [7] авторы показали, что процесс накопления примесей в толще фильтрующей загрузки радиальных фильтров будет настолько эффективнее (по количеству задержанных примесей на единицу объема загрузки), насколько оптимально:
- соотношение между принятой скоростью фильтрования воды и динамикой ее изменения по направлению фильтрования в зависимости от качества очищаемых подземных вод;
- соответствие между скоростью фильтрования и характеристикой фильтрующего материала.
В радиальных фильтрах распределение задержанных примесей противоположно динамике изменения скорости фильтрования - от минимального количества в начальных слоях загрузки, где скорость и гидродинамический напор максимальны, до максимального количества в периферийных слоях фильтрующей загрузки, где скорость фильтрования минимальна. При достижении состояния динамического равновесия, когда гидратированные примеси, выделенные из очищаемой воды, не удерживаются в толще фильтрующей загрузки под воздействием гидродинамического напора фильтруемой воды и выносятся с фильтратом, грязеемкость загрузки исчерпывается и требуется ее регенерация. Финальная грязеемкость загрузки радиальных фильтров в режиме такого фильтрования зависит не от скорости воды на входе, не от средней скорости фильтрования в течение всего периода работы фильтра между промывками, а от той минимальной скорости потока на выходе, при которой наблюдается вынос примесей и завершается работа фильтра. Характер изменения скорости фильтрования по направлению движения потока воды в толще фильтрующей загрузки определяется конструктивными особенностями фильтров и зависит от их геометрических размеров [10, 11].
Результаты сравнения расчетной грязеемкости фильтров с использованием уравнений (3) - (6) показали, что в радиальных фильтрах, работающих с непрерывно снижающейся скоростью фильтрования, при одинаковом качестве очищаемых подземных вод, одинаковых гранулометрических характеристиках фильтрующего материала и одинаковом его объеме финальная грязе-
емкость загрузки в 1,2-1,4 раза выше, чем в фильтрах, работающих с постоянной скоростью фильтрования [7].
Выводы
1. При расчете и проектировании фильтров радиального типа для конкретного качества очищаемых подземных вод следует корректно назначать их основной конструктивный параметр - высоту слоя фильтрующего материала, гарантирующего качество получаемой воды и определяющего эксплуатационные и экономические показатели фильтров.
2. В радиальных фильтрах при одинаковом качестве очищаемых подземных вод, одинаковых гранулометрических характеристиках фильтрующего материала и одинаковом его объеме грязеемкость загрузки в 1,2-1,4 раза выше, чем в фильтрах, работающих с постоянной скоростью фильтрования.
Библиографический список
1. Журба, М.Г. Очистка воды на зернистых фильтрах / М.Г. Журба. - Львов : Изд-во Львовского университета, 1980. - 200 с.
2. Аюкаев, Р.И. Интенсификация работы водоочистных фильтров и совершенствование метода их расчета / Р.И. Аюкаев. - Петрозаводск : ПГУ, 1985. - 136 с.
3. Ярошевская, Н.В. Очистка воды фильтрованием с нестационарным изменением скорости / Н.В. Ярошевская, Л.А. Кульский // Химия и технология воды. - 1989. - № 3. -С. 251-253.
4. 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.
5. Дзюбо, В.В. Подготовка подземных вод для питьевого водоснабжения малых населенных пунктов Западно-Сибирского региона : автореф. дис. ... д-ра техн. наук. - СПб. -2007. - 37 с.
6. Дзюбо, В.В. Исследование необходимой высоты и продолжительности защитного действия загрузки фильтров обезжелезивания подземных вод / В.В. Дзюбо, Л.И. Алферова // Водоочистка. - 2007. - № 8. - С. 5-8.
7. Дзюбо, В.В. Расчет и сравнение грязеемкости загрузки фильтров, работающих в режиме постоянных и переменных скоростей / В.В. Дзюбо // Вестник гражданских инженеров. -2009. - № 4 (21). - С. 68-72.
8. Дзюбо, В.В. Технологическое и конструктивное оформление радиального фильтрования природных вод / В.В. Дзюбо, Л.И. Алферова // Вестник ТГАСУ. - 2013. - № 3. - С. 329-344.
9. Дзюбо, В.В. Фильтрование природных вод в режиме неравномерных скоростей / В.В. Дзюбо, Л.И. Алферова // Вестник ТГАСУ. - 2007. - № 2. - С. 180-190.
10. Дзюбо, В.В. Радиальные фильтры обезжелезивания подземных вод. Инженерные и технологические решения / В.В. Дзюбо // Сантехника. - 2006. - № 4. - С. 16-19.
11. Дзюбо, В.В. Радиальные фильтры обезжелезивания подземных вод. Конструктивные решения / В.В. Дзюбо // Сантехника. - 2006. - № 5. - С. 6-10.
12. Дзюбо, В.В. Роль массообменных характеристик фильтрующих материалов в процессе очистки подземных вод / В.В. Дзюбо, Л.И. Алферова // Энергосбережение и водоподго-товка. - 2006. - № 5. - С. 21-24.
13. Дзюбо, В.В. К вопросу определения высоты и грязеемкости загрузки фильтров обезжелезивания подземных вод / В.В. Дзюбо // Сантехника. - 2007. - № 4. - С. 4-7.
References
1. Zhurba, M.G. Ochistka vody na zemistykh fil'trakh [Water purification on granular filters]. L'vov: Lviv University Publ., 1980. 200 p. (rus)
2. Ayukaev, R.I. Intensifikatsiya raboty vodoochistnykh fil'trov i sovershenstvovanie metoda ikh rascheta [Intensification of water filtering and design improvement]. Petrozavodsk: Petrozavodsk State University, 1985. 136 p. (rus)
3. Yaroshevskaya, N.V., Kul'skii, L.A. Ochistka vody fil'trovaniem s nestatsionarnym izmeneniem skorosti [Water purification by filtering with non-stationary rate change]. J. Water Chemistry and Technology. 1989. No. 3. Pp. 251-253. (rus)
4. SanRaN2.1.4.1074-01. 'Pit'evaya voda. Gigienicheskie trebovaniya k kachestvu vody tsentral-izovannykh sistem pit'evogo vodosnabzheniya. Kontrol' kachestva. Sanitarno-epidemiologicheskie pravila i normativy' [Drinking water. Hygienic requirements for water quality of centralized systems of drinking water supply. Quality control. Sanitary and epidemiologic rules and standards]. Moscow: Federal'nyi tsentr gossanepidemnadzora Minzdrava Ros-sii. 2002. 103 p. (rus)
5. Dzyubo, V.V. Podgotovka podzemnykh vod dlya pit'evogo vodosnabzheniya malykh nase-lennykh punktov Zapadno-Sibirskogo regiona [Underground water treatment for drinking water supply of small settlements in West Siberian region]. St.-Petersburg, 2007. 37 p. (rus)
6. Dzyubo, V.V., Alferova, L.I. Issledovanie neobkhodimoi vysoty i prodolzhitel'nosti zashchit-nogo deistviya zagruzki fil'trov obezzhelezivaniya podzemnykh vod [A study of the required height and protective duration of filtering material for underwater deironing]. Vodoochistka. 2007. No. 8. Pp. 5-8. (rus)
7. Dzyubo, V. V. Raschet i sravnenie gryazeemkosti zagruzki fil'trov, rabotayushchikh v rezhime postoyannykh i peremennykh skorostei [Calculation and comparison of contaminant capacity of loading of the filters working in a mode of constants and variable speeds]. Vestnik Gra-zhdanskikh Ingenerov. 2009. No. 4 (21). Pp. 68-72. (rus)
8. Dzyubo, V.V., Alferova, L.I. Tekhnologicheskoe i konstruktivnoe oformlenie radial'nogo fil'trovaniya prirodnykh vod [Design and Technology of Natural Water Radial Filtration]. Vestnik of Tomsk State University of Architecture And Building. Tomsk; TSUAB. 2013. No. 3. Pp. 329-344. (rus)
9. Dzyubo, V. V., Alferova, L.I. Fil'trovanie prirodnykh vod v rezhime neravnomernykh skorostei [Filtering of natural waters in a mode of irregular velocity]. Vestnik of Tomsk State University of Architecture And Building. Tomsk; TSUAB. 2007. No. 2. Pp. 180-190. (rus)
10. Dzyubo, V.V. Radial'nye fil'try obezzhelezivaniya podzemnykh vod. Inzhenernye i tekhnolog-icheskie resheniya [Radial filters for deferrization of underground waters. Engineering and technological decisions]. Santekhnika. 2006. No. 4. Pp. 16-19. (rus)
11. Dzyubo, V. V. Radial'nye fil'try obezzhelezivaniya podzemnykh vod. Konstruktivnye resheniya [Radial filters for deferrization of underground waters. Constructive decisions]. Santekhnika [Bathroom equipment]. 2006. No. 5. Pp. 6-10. (rus)
12. Dzyubo, V. V., Alferova, L.I. Rol' massoobmennykh kharakteristik fil'truyushchikh materialov v protsesse ochistki podzemnykh vod [Role of mass-exchanged characteristics of filtering materials in the course of underwater purification]. Energosberezhenie i vodopodgotovka. 2006. No. 5. Pp. 21-24. (rus)
13. Dzyubo, V.V. K voprosu opredeleniya vysoty i gryazeemkosti zagruzki fil'trov obezzhelezivaniya podzemnykh vod [Towards a determination of height and contaminant capacity of loading of filters for undergrwater deferrization]. Santekhnika. 2007. No. 4. Pp. 4-7. (rus)
