Повышение эффективности процесса регенерации загрузки

 

Проблема современной регенерации зернистой загрузки фильтров - одна из наиболее старых в водоснабжении. Плохая регенерация может свести на нет преимущества от применения самых эффективных фильтрующих материалов и реагентов.

Наиболее распространенный и простой прием регенерации зернистого слоя - промывка обратным током воды. Однако он не всегда достаточно эффективен, требует больших удельных расходов воды (до 6-7 м3 на 1 м2 площади). При водяной промывке происходит гидравлическая сортировка загрузки, из-за чего наиболее мелкие зерна оказываются в первых по фильтрационному потоку слоях, что приводит к быстрой их кольматации, неполному использованию грязеемкости фильтра, сокращению длительности рабочего цикла и полезной производительности сооружений.

Водяную промывку можно улучшить путем повышения интенсивности подачи промывной воды. Однако, это потребует увеличения мощности насосного оборудования, размеров подающих и отводящих коммуникаций, объема сооружений повторного использования промывной воды и обработки осадка, что во многих случаях нецелесообразно.

П.А.Грабовским сформулированы принципы интенсификации процесса регенерации, основанные на повышении относительных локальных скоростей воды и зерен при возможно меньшей пористости. На их основе удалось не только объяснить высокую эффективность таких известных способов регенерации как водовоздушный, поверхностный, пульсирующий, фонтанирующий, но и создать ряд новых, из которых наиболее перспективными являются промывка с низкой частотой пульсаций и чередующаяся

При устройстве поверхностной промывки требуется дополнительная распределительная система, располагаемая над фильтрующей загрузкой. Широкого применения в осветлительных фильтрах этот способ не получил.

Водовоздушная промывка, более сложная в конструктивном оформлении и в эксплуатации, обладает значительно большей эффективностью, чем водяная. Как известно, существуют раздельная и совместная водовоздушные промывки. СНиП 2.04.02-84 рекомендует трехэтапную промывку с интенсивностью продувки 15-20 л/(с.м2) и изменением интенсивности подачи воды с 3-4 до 6 л/(с.м2) на последних двух этапах. Исследования ОИСИ показали возможность снижения интенсивности продувки до 10 л/(с.м2) и проведение двухэтапной промывки с постоянной интенсивностью подачи воды, величина которой должна быть не менее критической для крупных (d80) зерен загрузки, обеспечивающей полное вытеснение воздуха из загрузки.

Пульсирующая промывка

Отмывка загрязнений обусловлена касательными напряжениями на поверхности зерен загрузки и их столкновениями. Следовательно, наилучшим образом промывка происходила бы во взвешенном слое при высоких скоростях и низкой пористости. Однако, эти два требования противоречивы, т.к. с увеличением расхода промывной воды повышается пористость взвешенного слоя.

В начале промывки интенсивность подачи воды достигает максимума, после чего остается почти постоянной до конца промывки. Загрузка же, расширяясь, движется медленнее промывной воды до достижения состояния равновесия. Пористость слоя при этом выше пористости неподвижного слоя, но меньше, чем в полностью расширенном состоянии. Пока загрузка не достигла полного расширения, интенсивность ее отмывки выше, чем после завершения этого процесса.

Таким образом, при периодическом изменении интенсивности промывки загрузка большую часть времени не будет полностью расширена. Это свидетельствует о возможности интенсификации промывки за счет пульсации потока промывной воды. Фирмой «Дегремон» в 1956 г. запатентован способ пульсирующей промывки и конструкция фильтра для его реализации (рис.5.28). В фильтре в сплошную дренажную плиту 4 заделаны колпачки 3 с длинными трубками-хвостовиками. Фильтр имеет большое междудонное пространство 1. При промывке вода поступает в нижнюю часть поддона через трубу 2, одновременно в верхнюю часть из воздуховода 6 через регулятор 8 поступает сжатый воздух. Расход воды, поступающей во время промывки по трубе 2 невелик – он меньше того, который мог бы вызвать расширение песка. В верхнем положении поплавка 5 регулятор открыт, в нижнем закрыт. При нижнем положении поплавка открывается выход воздуха по трубе 7 и междудонное пространство соединяется с атмосферой.

. Когда поддон наполняется, поплавок всплывает и в верхнюю часть поддона поступает воздух, под давлением которого вода вытесняется через хвостовики в загрузку фильтра. При этом обеспечивается очень сильное, кратковременное взрыхление песка. Уровень воды в междудонном пространстве падает, поплавок, достигнув нижнего положения, закрывает подачу воздуха и открывает соединение поддона с атмосферой. Давление при этом резко уменьшается и промывная вода, не успевшая уйти через отводные устройства, вытекает через колпачки вниз. После этого промывная вода снова начинает поступать по трубе 2, и цикл повторяется.

 

 
 

 

Рис.5.28 Фрагмент фильтра с пульсирующей промывкой фирмы «Дегремон»: 1 –подон фильтра; 2 – трубопровод подачи промывной воды; 3 –дренажный колпачок; 4 – дренажная плита; 5 – поплавок регулятора; 6 – трубопровод подачи сжатого воздуха; 7 – воздушная трубка; 8 - регулятор.

 

Более простым решением является создание пульсаций промывного потока до поступления воды в фильтр. Для создания пульсаций может быть применен дисковый поворотный дроссель, разработанный НИКТИ ГХ МЖКХ УССР. (рис.5.29)

Изменение интенсивности промывки будет идти по ступенчатому графику.(рис.5.30)

Режим промывки задается пятью параметрами:

максимальной и минимальной интенсивностями Vмакс и Vмин и продолжительностями tмакси tмин , а также числом циклов n.

Изменения подачи воды могут не отразиться на работе фильтра, поскольку система «промывной трубопровод – дренаж - загрузка» гасит колебания давлений. Поэтому целесообразно применение низкочастотных пульсаций. ОИСИ на основании проведенных исследований разработаны рекомендации по определению режима пульсируюшей промывки: параметры промывки зависят от материала, пористости и гранулометрии фильтрующего материала. Установлено, что возможен переход на пульсирующую промывку без существенных капитальных вложений в схемах с подачей промывной воды от башни, при этом достигается лучший эффект промывки ( при 4-5 циклах изменения подачи промывной воды эффект промывки на 10-50% выше обычного ).

Кратковременная подача повышенного расхода воды обеспечивает ее движение сквозь малорасширенный слой загрузки и, как следствие, высокие «истинные» скорости воды в поровом объеме, интенсивное взаимодействие зерен. На этапе подачи малого расхода воды загрузка оседает, пористость слоя снижается, зерна и вода двигаются противотоком, относительные скорости из-за этого растут.

Чередующаяся промывка. При промывке с переменной по площади фильтра интенсивностью подачи промывной воды зоны повышенного и пониженного расходов чередуются. В зонах повышенных скоростей зерна загрузки движутся вверх и, достигнув поверхности слоя, опускаются в зонах пониженных скоростей. Образуются замкнутые контуры, перемешивающие загрузку, что существенно меняет картину ее гидравлической сортировки.

 
 

Рис.5.29 Схема реализации пульсирующей промывки: 1 – башня промывной воды; 2 – поворотный дисковый затвор; 3 – командоаппарат; 4 – фильтр.

 

 
 

 

Рис. 5.30 График изменения интенсивности подачи воды при пульсирующей промывке.

 

Высокие скорости в зонах повышенных интенсивностей способствуют отрыву загрязнений; в зонах пониженных интенсивностей вода и загрузка движутся противотоком, что увеличивает относительные скорости. При таком режиме промывке средняя пористость взвешенного зернистого слоя ниже той, что имеет место при традиционной промывке.

Чередующаяся промывка (рис.5.31) успешно реализуется в фильтрах с безгравийным дренажом за счет создания зон с различным гидравлическим сопротивлением. Высокая ее эффективность подтверждена опытом производственной эксплуатации 35 фильтров общей площадью 2,6 тыс.м2 на 9 очистных станциях: обеспечивается эффективная промывка загрузки, повышается ее грязеемкость, полезная производительность фильтра увеличивается на 10-30%.

 

 
 

 

Рис. 5.31 Схема чередующейся промывки

 

В ОГАСА разработана математическая модель процесса регенерации загрузки с чередующейся интенсивностью подачи воды. Ее использование в технологических расчетах обеспечивает выбор режима промывки, оптимизацию ее параметров. Методика опробована на Одесском водопроводе и доказала свою эффективность: на блоке фильтров производительностью 100 тыс.м3/сут расход промывной воды уменьшился примерно на 30%.

При чередующейся промывке уменьшается гидравлическая сортировка загрузки, увеличивается грязеемкость, удлиняется фильтроцикл и сокращается расход промывной воды. При этом достигается высокая эффективность отмывки загрузки.

Недостатки:

1) возможность применения только на фильтрах с однослойной загрузкой и безгравийным дренажом;

2) некоторое увеличение перед фильтром напора промывной воды.

 

5.5.7. Совершенствование конструкций элементов фильтра

 

 

Наиболее распространенная дренажная система - трубчатая с поддерживающимися слоями гравия - обладает невысокой надежностью, большой металлоемкостью, трудоемкостью монтажа и эксплуатации.

В настоящее время получают распространение безгравийные пористые дренажи. Известны конструкции пористых дренажей ОГАСА из пористого полимербетона, трубчатые дренажи фирм «Экополимер», «Экотон» из пластмассовых перфорированных труб, покрытых пористым материалом из синтетических волокон или стекла.

 
 

Отвод промывной воды системой горизонтально расположенных желобов не обеспечивает равномерный отвод загрязненной воды за пределы фильтра и не гарантирует отсутствие уноса загрузки. На смену желобам приходит низкий отвод промывной воды с пескоулавливающим желобом и системы пористого отвода в виде наклонной стенки или пористых труб.

 

 

Рис. 5.32 Лотковый полимербетонный дренаж: 1 – дно фильтра; 2 – бетонные стенки; 3 – полимербетонная плита; 4 – заделка стыка полимербетоном.

 

 
 

 

 

Рис.5.33 Дырчатый полимербетонный дренаж:

1 – дно фильтра; 2 – ж/б опоры; 3 - анкер; 4 – заделка стыка цементом; 5 – поддон фильтра; 6 – ж/б дырчатая плита; 7 – полимербетон.

 

 
 

 

Рис.5.34 Патрубковый полимербетонный дренаж Рис.5.35 Дренаж «сэндвич»

 
 

 

Рис.5.36 Пористая дренажная труба: 1 - стандартная труба (металл, пластмасса); 2 – калиброванное отверстие; 3 – пористая оболочка из полимербетона, синтетического волокна, стекловолокна.

 

 
 

Рис. 5.37 Отвод промывной воды пористой наклонной стенкой: 1 – фильтрующая загрузка; 2 - отбойная стенка; 3 – полимербетонная пористая стенка; 4 – канал фильтра.

 

 
 

 

 

Рис.5.38 Отвод промывной воды пористыми желобами или трубами.

 

Рис. 5.37* Устройство пористой стенки для отвода промывной воды в действующем фильтре


 

 
 

Рис. 5,37** Водовоздушная промывка с отводом промывной воды пористой стенкой, г.Николаев