Сучасні підходи до фільтрування води і фільтрувальних споруд

Размещено на http://www.Allbest.Ru/

Размещено на http://www.Allbest.Ru/

Размещено на http://www.Allbest.Ru/

Національний університет водного господарства та природокористування

Сучасні підходи до фільтрування води і фільтрувальних споруд

Анотація

Проведений аналіз існуючих математичних моделей процесу фільтрування та очистки води в зернистих засипках, встановлені деякі їх невідповідності практичним результатам. На основі проведених досліджень запропоновані нові математичні залежності для процесу фільтрування та нові фільтрувальні споруди.

The analysis of exiting mathematical models of filtration process and water cleaning in grain filings is conducted. Some of their conformities with practical results are found. On the basis of conducted investigations new mathematical dependencies for the process of filtration and new filtration constructions are proposed.

В основу побудови математичної моделі процесу фільтрування в однорідній засипці покладені:

Рівняння Айзена, яке в першому наближенні дає уяву про зміну концентрації

dC / dL = k C,

де C - концентрація зависі у воді;

L - довжина шляху просування води до будь - якого перерізу;

k - коефіцієнт фільтрації.

Рівняння Дарсі по закону ламінарної фільтрації

V = k I ,

де V - швидкість фільтрування, яка розрахована як відношення витрат води до площі перерізу перпендикулярного потоку;

I - гідравлічний похил, який показує перепад тиску на відстані L.

Рівняння матеріального балансу також достатнє відносне, так як не вся засипка в однаковій мірі затримує завись. Розрахунковою схемою можна вважати схему фільтрування через важку засипку знизу вгору і достатньо однорідну.

Якщо розглядати фільтр площею S, а масу осаду, який накопичується в одиниці об'єму фільтра с на протязі часу dt рівняння матеріального балансу має вигляд S V C dt = S V (C - dC) + S dL dс,

Відповідно воно приводиться до виду

,

Більш загальна математична модель знезалізнення води розроблена Олійником О.Я. та Кисельовим С.К. Модель має два взаємопов'язаних блоки: гідродинамічний (фільтраційний) і динаміки утворення сполук заліза в пористому середовищі. Модель враховує взаємодію гідравлічних і фізико-хімічних процесів при фільтруванні - зміну гідравлічних властивостей середовища, нестаціонарність процесу знезалізнення, різні моделі кінетики масообміну і реакцій (гомогенної і гетерогенної) окислення, особливості впливу каталітичних і автокаталітичних властивостей сформованого середовища тощо.

Рівняння можуть дати можливість визначити якість фільтрату та трудомісткість фільтра, залежність для розрахунку втрат напору. Проте це дуже складно зробити так як коефіцієнт фільтрації постійно зменшується і, в свою чергу, залежить від кольматації засипки, якості фільтрату та втрат напору. Тобто від конкретних умов фільтрування.

Різні автори по різному трактували умови вирішення цієї задачі і при цьому розглядаючи достатньо ідеальні умови, коли вся товщина засипки в однаковій мірі затримує завись. Проте все ж таки у нас більше прийняті теоретичні положення Мінца Д.М. Відповідно до теорії фільтрування малоконцентрованих суспензій, що розроблена Д.М. Мінцем, процес фільтрування на швидких фільтрах має фізико-хімічну природу, а ефект прояснення води передбачає налипання завислих часток до зерен піску і до раніше налиплих часток під дією молекулярних сил тяжіння Ван-дер-Ваальса. Дрібні часточки (завись) наближаються до поверхні великих часточок (зерна засипки) завдяки броуновському рухові, перемішуванню, спрямованому рухові дрібних часток щодо великих. Осад, що утворився, має неміцну структуру. Під дією гідродинамічної сили, що виникає при русі води через засипку, деяка частина раніше налиплих часток відривається від зерен і у вигляді дрібних пластівців переноситься в наступні шари засипки, де знову затримується. При цьому інтенсивність затримки суспензії кожним елементарним шаром засипки упродовж визначеного часу зменшується.

Необхідно відзначити, що закордонні дослідники - К. Айвес, К. Лерк, В. Марцкле бачать зменшення інтенсивності затримки суспензії кожним елементарним шаром засипки в зміні геометричної структури пористого середовища (питомої поверхні порових каналів, пористості). Виведені ними математичні залежності описують процес фільтрування від зміни геометричної структури пористого середовища, дають результати, що відрізняються один від одного і від залежностей Д.М. Мінца.

Ю.М. Шехтман вказує, що на характер кольматації зернистої засипки впливають сольовий склад води, наявність гідратних оболонок навколо зерна і часточок, форма укладання зерен. При тетраедному укладанні поруватість засипки вважається меншою, а, отже, і менша її брудомісткість.

Вирішення рівняння матеріального балансу дається деякими авторами по різному:

Шехтман

,

де t - тривалість фільтрування,

N, B - емпіричні коефіцієнти;

Айвес

,

де К - емпіричний коефіцієнт;

Литвисицин

,

фільтрування очистка вода зернистий засипка

де m - пористість завантаження,

m - питомий обсяг осаду,

a - емпіричний коефіцієнт;

Оводова Н.В.

,

де ₁, ₁ - емпіричні коефіцієнти;

Олійником О.Я.

L=,

де L - товщина шару фільтруючої засипки, м,

V - швидкість фільтрування, м/год;

K - коефіцієнт, який враховує вплив каталітичних властивостей фільтруючої засипки на ефективність затримання домішок із води, год^-1, в залежності від типу засипки він може приймати значення від 50 до 8 год^-1;

[Fe]₀ - концентрація заліза у вихідній воді, мг/л;

[Fe] - концентрація заліза в фільтраті, мг/л.

Проте ніде не йдеться про різні умови фільтрування і, відповідно, різний процес. Так відомі поняття повільне, швидке та надшвидке фільтрування. При повільному фільтрування забруднення затримуються на поверхні засипки, а при надшвидкому в усій товщі, але ефект очистки спостерігається незначний. Тобто повинні бути певні обмеження за швидкістю фільтрування.

Для практичного розрахунку фільтрів надані Мінцем Д.М. залежності мають вигляд, який враховує і діаметр зерен засипки і який забезпечує той чи інший ефект очистки та неоднорідність засипки по висоті

t₃=,

t_н =,

де K'' та X_o' - константи, які залежать від C/C_o ,

b - параметр, який характеризує інтенсивність налипання,

b/a - параметр, який характеризує швидкість проникнення пластівців в товщу засипки,

x - товщина засипки,

d -діаметр зерен,

V - швидкість фільтрування,

H_o - початкові втрати напору,

H_пр - кінцеві втрати напору,

F(A) - функція граничної насиченості порового простору,

- коефіцієнт, який враховує напрямок фільтрування та неоднородність засипки

= (d_ек / d₂₀)²,

де d_ек і d₂₀ - відповідно еквівалентний діаметр та середній першого шару засипки, який складає 20% від загальної товщини.

Задачею наших досліджень було узагальнити результати досліджень попередніх авторів і доповнити їх результатами наших та інших дослідників даних.

На основі досліджень встановлено, що при розгляді прояснювальних фільтрів та фільтрів для знезалізнення води слід розглядати моделі в діапазоні швидкості від 4 до 10 м/год. При швидкості менше 4м/год при фільтруванні знизу вверх може утворюватись шар завислого осаду, а при швидкості фільтрування більше 10м/год вже найчастіше спостерігається перехідний або турбулентний режим фільтрування і, як правило, спостерігається погіршення якості фільтрату.

За даними Кульського Л.А. (рис. 1) забруднення по різному проникають в шар неоднорідної засипки. При дуже неоднорідні засипці (ми проводили дослідження на вітчизняному Сокирницькому цеоліті з коефіцієнтом неоднорідності біля 2,5) забруднення затримуються практично у верхніх дрібнозернистих шарах.

Як і раніше досліджений багатьма авторами подрібнений керамзит, цеоліт має високий коефіцієнт форми зерна (до двох). Проте так само досить швидко стирається і вже через рік експлуатації у виробничих фільтрах він стає практично такий самий, як і у кварцового піску. Тому вести мову про високий ефект очистки подрібненими матеріалами можна тільки на начальному етапі їх роботи у фільтрах.

Рис. 1. Залежність глибини проникнення забруднень в товщу засипки від швидкості фільтрування

Зміну тисків в неоднорідній засипці і накопичення забруднень по її висоті наводить і фірма Дегремон (рис. 2).

За нашими даними при обранні якихось конкретних практичних меж, в яких працює на практиці фільтр, в оптимальному режимі параметри фільтрування і засипки повинні відповідати рівнянню

Рис. 2. Розподіл тисків при фільтруванні зверху до низу в неоднорідній засипці 1- в чистому піску; 2 - в забрудненому піску при втратах напору 2 м

Показники ступенів можна знайти досить просто за методом обраних точок, шляхом заміни одного з параметрів, постійних інших і практичного визначення тривалості захисної дії.

Багаторічні дослідження пінополістирольних фільтрів в лабораторії водопостачання та у виробничих умовах показали їх високу ефективність, яка може конкурувати із фільтрами з різними важкими засипками. При цьому споруди є більш простими і компактними, прості в експлуатації, відпадає необхідність у промивних насосах та місткостях. Останнім часом в західному регіоні України ми широко впроваджуємо металеві башти колони з пінополістирольним фільтром для знезалізнення води. Технологічні випробування цих споруд засвідчили можливість знезалізнення води з концентрацією заліза до 5мг/л до концентрації меншою за 0,1мг/л. При цьому невеликі капітальні вкладення та відключення башти на декілька діб дозволяють реконструювати існуючі башти.

Висновки

1. В усіх запропонованих моделях процесу фільтрування слід визначатись з діапазоном дії фільтрувальної споруди, а також вводити такі показники як коефіцієнт неоднорідності засипки і, відповідно напрямку фільтрування, та розмір зерен, які так само значно впливають на процес фільтрування.

2. В технології очистки води пропонується більш широко використовувати фільтри з плаваючою пінополістирольною засипкою.

Бібліографія

1. Орлов В.О. Водоочисні фільтри із зернистою засипкою. -Рівне: НУВГП, 2005.- 163с.

2. Орлов В.О., Шевчук Б.И. Интенсификация работы водоочистных сооружений. - К.: Будивельник, 1987. -127c.

3. Орлов В.О. та інші. Знезалізнення підземних вод для питних цілей. - Рівне: НУВГП, 2004. -155 c.

4. Минц Д.М. Теоретические основы технологии очистки воды. - М.: Стройиздат, 1964. -155с.

5. Кульский Л.А., Строкач П.П. Технология очистки природных вод. - К.: Вища школа, 1986.- 352 c.

6. Технические записки по проблемам воді: Пер. с англ./ К. Барак и др. Под. ред. Т.А.Карюхиной, И.Н.Чубановой.- М.: Стройиздат, 1983. - 607 с.

7. Мартенсен В.Н., Аюкаев Р.И. и др. Дробленый керамзит - новый фильтрующий материал для водоочисных фильтров. - Куйбышев: КуИСИ, 1976. -168 с.

8. Олейник А.Я., Семенко Г.И. Математическое моделирование процесса удаления железа из природных вод фильтрованием // Химия и технология воды. -т.19, -№5, - 1997. - С. 451-457.

Размещено на allbest.ru