САМОПРОМЫВАЮЩИЙСЯ РАДИАЛЬНЫЙ ФИЛЬТР Российский патент 1999 года по МПК B01D36/04 B01D24/46 C02F1/64 

Изобретение относится к водоснабжению, в частности к очистке природных вод от специфических загрязнителей, в том числе растворенных солей железа.

Известен медленный фильтр О. М. Айрапетова (Клячко В. А., Апельцин Н. Э. Подготовка воды для промышленного и городского водоснабжения. - М.: Стройиздат, 1962, стр. 282-289, рис. VII- 8), содержащий два отделения-емкости, выполненные в грунте и расположенные параллельно каналу, разделенному водоподъемной плотиной, оснащенному подводящими каналами и системой шандоров для обеспечения гидравлической регенерации. Фильтр имеет фильтрующую загрузку и дренажную систему, сообщенную с резервуаром чистой воды.

Недостатками известного устройства являются низкие эксплуатационные качества, связанные, в частности с большими габаритными размерами, сложностью конструкции и эксплуатации, а также с низкой эффективностью системы регенерации загрузки из-за сложности обеспечения равномерного смыва загрязнений с поверхности загрузки и невозможностью регенерации кольматируемого ее слоя.

Известен медленный фильтр (Патент СССР N 1771470, МКИ С 02 F 1/64, В 01 D 24/46, 1993), состоящий из резервуара-отстойника, цилиндрических блоков с помещенной в них зернистой фильтрующей загрузкой и включающих каркас с закрепленной на нем сеткой, герметичные днище и крышку, центральную трубу с сетчатой водоприемной поверхностью. Резервуар-отстойник содержит также коллекторы, объединенные трубопроводом отвода фильтрата, на которых установлены перфорированные стояки, причем их основание снабжено уплотнителем и опирается на несущие ригели. В нижней части резервуар-отстойник имеет камеру накопления осадка, а над ним размещено аэрационное устройство.

Недостатком данного технического решения являются низкие эксплуатационные качества, обусловленные сложностью конструкции и регенерации фильтрующей загрузки при эксплуатации.

Наиболее близким к изобретению по технической сущности и достигаемому техническому эффекту является устройство для обезжелезивания подземных вод (Патент РФ N 2080157, МКИ В 01 D 36/04, В 01 D 24/46; C 02 F 1/64, 1997), содержащее резервуар-отстойник, расположенные в нем сетчатые цилиндры, имеющие герметичные крышку и днище, размещенную в цилиндрах эластичную пористую загрузку между перфорированными коническими перегородками и коническими диафрагмами. Конические диафрагмы закреплены на перфорированных штоках, установленных на оси цилиндров с возможностью вертикального возвратно-поступательного перемещения, равномерно расположенные по высоте цилиндрического блока конические перфорированные перегородки закреплены неподвижно. Устройство оснащено также средствами подачи и аэрирования исходной воды, и коллекторами для отвода фильтрата.

Недостатком известного технического решения являются низкие эксплуатационные качества, обусловленные необходимостью обеспечения постоянного контроля за режимом его работы, необходимостью оснащения дополнительным оборудованием для проведения регенерации, в частности подъемными механизмами для нагружения подвижного штока, необходимостью проведения определенного набора операций, связанных с регенерацией загрузки, что в целом усложняет эксплуатацию устройства.

Задача изобретения - обеспечить автоматическую регенерацию фильтрующего материала по мере его кольматирования загрязнениями и соответствующего повышения уровня воды в резервуаре-отстойнике, что позволит улучшить эксплуатационные качества фильтра, в частности упростит обслуживание и соответственно снизит затраты на эксплуатацию, позволит также предотвратить "проскок" загрязнений в фильтрат при резком ухудшении качества обрабатываемой жидкости или при изменении других условий работы фильтра, так как отпадает необходимость постоянного контроля за его режимом, следовательно, надежность работы фильтра повышается и исключается необходимость оснащения его дополнительным оборудованием.

Указанная задача решается следующим образом. В известном устройстве, содержащем резервуар-отстойник, расположенный в нем цилиндр с сетчатой водоприемной поверхностью, имеющий герметичные крышку и днище, эластичную пористую фильтрующую загрузку, размещенную в цилиндре между перфорированными перегородками и коническими диафрагмами, закрепленными на перфорированном штоке, установленном по оси цилиндра с возможностью вертикального возвратно-поступательного перемещения, а также оснащенном средствами подачи и аэрирования исходной воды и отвода фильтрата, цилиндр с сетчатой водоприемной поверхностью размещен в подвижном стакане, имеющем поплавковое устройство и водопропускные отверстия, размещенные на уровне выше крышки цилиндра, а перфорированный шток оборудован балластной емкостью, имеющей поплавковый клапан, установленной над крышкой цилиндра, подпружиненным фиксатором, соединенным гибкой связью с емкостью, заполняемой по трубопроводу, верхний конец которого расположен выше уровня переливной кромки балластной емкости и распределительным устройством, выполненным в виде опрокидывающейся емкости, установленным под днищем резервуара-отстойника, совмещенным с нижним торцом перфорированного штока и обеспечивающем отвод фильтрата, осадка и промывной воды.

Отличительными от прототипа признаками изобретения являются:
- цилиндр с сетчатой водоприемной поверхностью размещен в подвижном стакане;
- подвижный стакан имеет поплавковое устройство и водопропускные отверстия, размещенные на уровне выше крышки цилиндра;
- перфорированный шток оборудован балластной емкостью, имеющей поплавковый клапан, установленной над крышкой цилиндра;
- перфорированный шток оборудован подпружиненным фиксатором, соединенным гибкой связью с емкостью, заполняемой по трубопроводу, верхний конец которого расположен выше уровня переливной кромки балластной емкости:
- перфорированный шток оборудован распределительным устройством, выполненным в виде опрокидывающейся емкости, установленным под днищем резервуара-отстойника и совмещенным с нижним торцом перфорированного штока, обеспечивающим отвод фильтрата, осадка и промывной воды.

Цилиндр с сетчатой водоприемной поверхностью размещен в подвижном стакане, что обеспечивает прерывание поступления воды из резервуара-отстойника в щелевой зазор между днищем и перфорированным штоком при регенерации фильтрующего материала и последующее наполнение очищаемой жидкостью резервуара-отстойника.

Подвижный стакан имеет поплавковое устройство, обеспечивающее при заполнении резервуара-отстойника обрабатываемой жидкостью до уровня, соответствующего отметкам расположения поплавкового устройства, всплывание стакана - перемещение его вверх после регенерации фильтрующего материала и, тем самым, выведения фильтра на рабочий режим. Водопропускные отверстия в стенке стакана, расположенные на уровне выше крышки цилиндра обеспечивают заполнение водой верхней части стакана на протяжении рабочего периода фильтра и опорожнение ее и балластной емкости при регенерации фильтрующего материала.

Перфорированный шток оборудован балластной емкостью, что обеспечивает перемещение перфорированного штока вниз при заполнении балластной емкости водой и отжим эластичной пористой загрузки. Балластная емкость установлена над крышкой цилиндра с таким расчетом, чтобы верхняя ее кромка располагалась на уровне максимально допустимого наполнения резервуара-отстойника, что обеспечивает вывод фильтра на регенерацию только в момент достижения предельных потерь напора в фильтрующем материале. Балластная емкость имеет поплавковый клапан, который обеспечивает сброс воды из балластной емкости и плавучесть ее в опорожненном состоянии.

Перфорированный шток оборудован подпружиненным фиксатором, соединенным гибкой связью с емкостью, заполняемой по трубопроводу, верхний конец которого расположен выше уровня переливной кромки балластной емкости, что обеспечивает удержание штока в верхнем положении на протяжении всего рабочего периода фильтра и возможность перемещения штока вниз при достижении максимального рабочего уровня воды в резервуаре.

Перфорированный шток оборудован распределительным устройством, установленным под днищем резервуара и совмещенным с нижним торцом перфорированного штока, что позволяет производить переключение поступающей из штока воды за счет вертикального перемещения штока.

Распределительное устройство, обеспечивающее отвод фильтрата, осадка и промывной воды, выполнено в виде опрокидывающейся емкости, что позволяет производить сброс осадка и промывной воды в соответствующий трубопровод при движении перфорированного штока вниз и отводить фильтрат в резервуар чистой воды при возврате штока в исходное положение, при котором емкость распределительного устройства, самопроизвольно опрокидываясь, за счет противовеса переключает подачу на трубопровод чистой воды.

Таким образом, обеспечивается причинно-следственная связь совокупности отличительных признаков заявляемого изобретения и достигаемого технического результата: автоматической регенерации фильтрующего материала по мере его кольматирования загрязнениями.

Пример промышленной применимости изобретения.

На чертежах изображен предлагаемый самопромывающийся радиальный фильтр (поперечный разрез) в рабочем режиме (фиг. 1) и в режиме регенерации фильтрующей загрузки (фиг. 2).

Самопромывающийся радиальный фильтр включает резервуар-отстойник 1, в котором в подвижном стакане 2, оснащенном поплавковым устройством 3, размещен цилиндрический блок с герметичными крышкой 4 и днищем 5, и сетчатой водоприемной поверхностью 6, закрепленной на стержневом каркасе цилиндра (условно не показан) с помещенной в нем эластичной пористой фильтрующей загрузкой 7, например из пенополиуретана, уложенной между неподвижными перфорированными коническими перегородками 8, закрепленными на стержневом каркасе цилиндра, разделяющими цилиндр на секции, и подвижными коническими диафрагмами 9, закрепленными на полом перфорированном штоке 10, концентрически расположенном с возможностью ограниченного вертикального возвратно-поступательного перемещения в цилиндрическом блоке. На верхнем торце перфорированного штока 10 над крышкой цилиндра 4 закреплена балластная емкость 11, оборудованная поплавковым клапаном 12, переливная кромка которой расположена на отметке максимально допустимого уровня воды в резервуаре-отстойнике 1, а нижний конец перфорированного штока 10 под днищем резервуара-отстойника 1 совмещен с распределительным устройством 13, выполненным в виде опрокидывающейся емкости с противовесом 14, сообщающейся со сборными лотками и трубопроводами отвода фильтрата 15 и промывной воды 16. Коническая зона накопления осадка 17, резервуара-отстойника 1 имеет щелевой зазор 18 вблизи подвижного штока 10, на котором закреплен также клапан 19 для выпуска осадка. В верхней части резервуар-отстойник 1 имеет кольцевую водоприемную камеру 20, в которую после аэрации подается исходная обрабатываемая жидкость, а выше уровня переливной кромки балластной емкости 11 к резервуару-отстойнику 1 подведен трубопровод 21, обеспечивающий заполнение емкости 23, соединенной гибкой связью с подпружиненным фиксатором 22.

Самопромывающийся радиальный фильтр работает следующим образом.

Обрабатываемая жидкость, например, вода, содержащая растворенные соли железа, из подземного источника водоснабжения с помощью водоподъемного оборудования, установленного в скважинах, подается в приемную камеру 20 резервуара-отстойника 1 с обеспечением предварительного аэрирования за счет, например, свободного излива с высоты не менее 0,5 м. В дальнейшем при достаточно длительном пребывании обогащенной кислородом воды в резервуаре-отстойнике 1 происходит окисление части растворенных соединений железа с образованием гидроокиси, которая, осаждаясь, накапливается в камере накопления осадка 17. Частично очищенная за счет отстаивания вода через зазор, образованный нижней кромкой стакана 2 и днищем резервуара-отстойника 1 поступает к сетчатой водоприемной поверхности 6 цилиндрического блока, жестко закрепленного несущими вертикальными стержнями (условно не показаны) на днище резервуара-отстойника 1. Вода, проходя через сетку 6, поступает в фильтрующую загрузку 7 из эластичного пористого материала, например, открытоячеистого пенополиуретана, размещенную между неподвижно закрепленными на стержневом каркасе цилиндра перфорированными коническими перегородками 8, разделяющими цилиндр на секции, и подвижными коническими диафрагмами 9, жестко закрепленными на полом перфорированном штоке 10. В фильтрующей загрузке 7 образуется радиальный фильтрационный поток, направленный к полому перфорированному штоку 10, по которому очищенная от примесей вода поступает к распределительному устройству 13. Наличие водонепроницаемых крышки 4 и днища 5 цилиндрического блока обеспечивает равномерное поступление воды в них только через боковую поверхность фильтрующей загрузки 7, огражденную сеткой 6, закрепленной на жестком стержневом каркасе цилиндра. После образования каталитической пленки в порах фильтрующей загрузки 7 в начальный период эксплуатации фильтра, способствующей ускорению процесса выделения растворенных соединений железа из очищаемой воды, фильтр обеспечивает полную очистку и вода, отводимая по полому штоку 10, поступает через распределительное устройство 13 и трубопровод 15 в резервуар чистой воды. Соединения железа, выделяемые из обрабатываемой воды, постепенно накапливаются в порах фильтрующей загрузки 7 и, в соответствии с интенсивностью этого процесса, увеличиваются потери напора в ней. При скорости фильтрования 0,2...0,5 м/ч более 90% соединений железа, выделяемых из обрабатываемой воды, задерживается в фильтрующей загрузке 7 на расстоянии 0,15 м от сетки 6. В связи с этим диаметр цилиндрического блока выбирается в зависимости от содержания железа в исходной воде и эффекта отстаивания ее в свободном объеме - в резервуаре-отстойнике 1. Например, при концентрации железа в исходной воде до 10 мг/л и при отстаивании ее в свободном объеме до 4...5 ч содержание железа снижается на 30...45%, и при дальнейшем фильтровании через слой пенополиуретана толщиной 0,5 м содержание железа в фильтрате не превышает допустимого предела 0,3 мг/л. В этом случае диаметр цилиндрического блока следует принимать не менее 1,1 м с учетом диаметра полого перфорированного штока 10 (0,1 м). Если скорость фильтрования в непосредственной близости от сетки 6 составляет 0,4 м/ч, то на расстоянии 0,1 м она возрастает до 0,44 м/ч, а на входе в перфорированный шток 10 скорость фильтрования увеличивается до 4,4 м/ч. По мере фильтрования очищаемой воды в порах фильтрующей загрузки 7 накапливаются соединения железа, уменьшая объем пор и, следовательно, увеличивая фильтрационное сопротивление загрузки 7 и потери напора в ней. При малых скоростях фильтрации в поверхностном слое загрузки 7 образуется биопленка, в которой развиваются железобактерии, способствующие повышению интенсивности процесса окисления солей железа, в том числе и трудноокисляемых железоорганических комплексов, переводя их в нерастворенное состояние. Интенсивность роста потерь напора в материале фильтрующей загрузки 7 зависит, в частности от содержания железа в исходной воде, грязеемкости загрузки 7 и от сжимаемости под действием гидростатического напора. По мере накопления загрязнений в фильтрующей загрузке 7 повышается уровень воды в резервуаре-отстойнике 1 и соответственно повышается градиент напора, что вызывает некоторое ее сжатие, которое также как и накопление загрязнений в порах определяет увеличение фильтрационного сопротивления. В связи с этим предельно допустимые потери напора в фильтрующей загрузке 6 следует ограничивать и в данном случае они не должны превышать 0,7. ..1,0 м, что обеспечивает незначительное влияние сжатия эластичной загрузки 6 из открытоячеистого пенополиуретана. На основании этого полная высота резервуара-отстойника 1 с учетом обычной высоты "запаса" - 0,3 м - не должна превышать конструктивную высоту цилиндрического блока более чем на 1,3 м или предельно допустимое наполнение резервуара-отстойника 1 должно быть не более чем на 1,0 м выше отметки расположения крышки 4 цилиндра.

На верхнем торце полого перфорированного штока 10 установлена балластная емкость 11, переливная кромка которой расположена на уровне, соответствующем максимально допустимому наполнению резервуара-отстойника 1. В процессе очистки воды и накопления загрязнений в загрузке 7 постепенно повышается уровень воды в резервуаре-отстойнике 1 и после достижения предельно допустимого наполнения происходит заполнение балластной емкости 11, в этот момент поплавковый клапан 12 удерживается в закрытом состоянии и по трубопроводу 21 одновременно происходит заполнение емкости 23, которая под действием увеличивающейся массы перемещается вниз, при этом подпружиненный фиксатор 22 освобождает перфорированный шток 10, который под воздействием заполненной водой балластной емкости 11 перемещается вниз, нижним торцом опрокидывая емкость распределительного устройства 13, которая обеспечивает слив промывной воды и осадка в сборный лоток, соединенный с трубопроводом 16. При достижении крайнего нижнего положения емкость 23 опорожняется за счет, например, воздействия на него упора, закрепленного на сборном лотке трубопровода 16, который обеспечивает поворот днища емкости 23 с образованием щели. После опорожнения емкость 23 возвращается в верхнее положение за счет воздействия подпружиненного фиксатора.

При перемещении штока 10 вниз совместно с ним перемещаются и подвижные конические диафрагмы 9, обеспечивая отжим загрязнений из фильтрующей загрузки 7, которые через перфорацию неподвижных перегородок 8 попадают на ниже расположенные диафрагмы 9, по поверхности которых поступают в полый перфорированный шток 10 и сбрасываются через опрокидывающуюся емкость распределительного устройства 13 в трубопровод 16. Одновременно при перемещении штока 10 вниз открывается пробковый клапан 19 и в образующийся при этом зазор 18 сбрасывается осадок из зоны накопления осадка 17, который также попадает через распределительное устройство 13 в трубопровод 16. При открытом щелевом зазоре 18 вода из резервуара-отстойника 1 сбрасывается и в момент, когда уровень в резервуаре 1 становится ниже поплавкового клапана 12, сбрасывается вода из балластной емкости 11 через водопропускные отверстия в стенке стакана 2 и при понижении уровня до низа поплавкового устройства 3 стакан 2 опускается вниз до смыкания его нижней кромки с днищем резервуара 1 и дальнейший сброс воды из него прекращается. При этом уровень воды в резервуаре 1 постепенно повышается и при повышении его до отметки дна опорожненной балластной емкости 11 закрывается поплавковый клапан 12, обеспечивая ее всплывание, за счет чего полый шток 10 перемещается вверх, закрывая щелевой зазор 18 клапаном 19. Прекращается сброс промывной воды и осадка, подпружиненный фиксатор 22 входит в зацеп со штоком 10, фиксируя его в крайнем верхнем положении, а емкость распределительного устройства 13 под действием противовеса 14 переключает подачу воды, поступающей из штока 10 на трубопровод 15. Одновременно при повышении уровня воды в резервуаре 1 за счет поплавкового устройства 3 обеспечивается всплывание стакана 2, очищаемая вода вновь поступает к водоприемной поверхности 6, и процесс очистки возобновляется.

Изобретение предназначено для обеспечения автоматической регенерации фильтрующего материала. Фильтр содержит резервуар-отстойник, расположенный в нем подвижный стакан, оснащенный поплавковым устройством, в котором помещен цилиндр с сетчатой водоприемной поверхностью, имеющий герметичные крышу и днище, эластичную пористую фильтрующую загрузку, размещенную между неподвижно установленными в цилиндре перфорированными перегородками и коническими диафрагмами, закрепленными на перфорированном штоке, установленном по оси цилиндра с возможностью вертикального возвратно-поступательного перемещения, оборудованном балластной емкостью, имеющей поплавковый клапан, расположенной над крышкой цилиндра, подпружиненным фиксатором, соединенным гибкой связью с емкостью, заполняемой по трубопроводу, верхний конец которого расположен выше уровня переливной кромки балластной емкости, а в нижней части перфорированный шток совмещен с распределительным устройством, выполненным в виде опрокидывающейся емкости с противовесом. Конструкция фильтра позволяет упростить обслуживание, повысить надежность его работы, а возможность развития железобактерий в поверхностном слое фильтрующего материала при малых скоростях фильтрования обеспечивает эффективную очистку воды при наличии в ней трудноокисляемых железоорганических комплексов. 2 ил.

Самопромывающийся радиальный фильтр, содержащий резервуар-отстойник, расположенный в нем цилиндр с сетчатой водоприемной поверхностью, имеющий герметичные крышку и днище, эластичную пористую фильтрующую загрузку, размещенную в цилиндре между неподвижно установленными в цилиндре перфорированными перегородками и коническими диафрагмами, закрепленными на перфорированном штоке, установленном по оси цилиндра с возможностью вертикального возвратно-поступательного перемещения, и средства подачи, аэрирования исходной воды и отвода фильтрата, отличающийся тем, что цилиндр с сетчатой водоприемной поверхностью размещен в подвижном стакане, оснащенном поплавковым устройством и водопропускными отверстиями, размещенными на уровне выше крышки цилиндра, а перфорированный шток оборудован балластной емкостью, имеющей поплавковый клапан, установленной над крышкой цилиндра, подпружиненным фиксатором, соединенным гибкой связью с емкостью, заполняемой по трубопроводу, верхний конец которого расположен выше переливной кромки балластной емкости, а также распределительным устройством, выполненным в виде опрокидывающейся емкости, установленным под днищем резервуара-отстойника и совмещенным с нижним торцом перфорированного штока, обеспечивающим отвод фильтрата, осадка и промывной воды.