УСТАНОВКА ДЛЯ ОЧИСТКИ ВОДЫ И СПОСОБ ЕЕ РЕГЕНЕРАЦИИ Российский патент 2001 года по МПК B01D24/46 B01D101/00 

Изобретение относится к водному хозяйству, а точнее к способам регенерации фильтров установок для очистки воды, и может быть использовано при обработке подземных и хозяйственных вод.

Проблемы очистки загрязненной воды становятся все более значимыми в современной неблагополучной экологической обстановке.

Как известно, процесс очистки воды состоит из следующих этапов: окисление, коагуляция и фильтрация. В процессе окисления происходит превращение растворимых в воде химических соединений в нерастворимые окислы, соли и т.д. При коагуляции происходит укрупнение полупленных и имеющихся в воде соединений в коллоидные частицы. По мере перемещения по фильтру коллоидные частицы оседают на фильтроэлементах, фильтр засоряется, его гидравлическое сопротивление увеличивается, а уровень фильтрата в нем начинает снижаться, грязеемкость уменьшается и наконец достигает такого порога, когда очистка воды уже невозможна и возникает необходимость регенерации фильтра.

Известен способ, в котором регенерацию плавающей загрузки фильтра производят путем ее расширения в нисходящем потоке осветленной воды [Журба М.Г. и Гироль Н. Н. Расчет и конструирование фильтров с плавающей загрузкой. Экспресс-информация, серия 3, вып. 5, ЦБНТИ, Минводхоза СССР, М., 1976, с. 3].

Основным недостатком этого способа является невысокая эффективность в случаях очистки фильтров плавающей загрузки, использующихся для очистки высокомутных вод или при обезжелезивании воды, так как даже поток большой мощности не может разрушить образовавшиеся коллоидные пленки. Кроме того, в этих установках для очистки воды предусмотрена раздельная промывка фильтров плавающей и зернистой загрузки, что приводит к большому расходу воды.

Известны способы, в которых производят регенерацию фильтров плавающей загрузки путем ее вращения механической мешалкой относительно оси фильтра в нисходящем потоке вод [Гамер П. Очистка воды для промышленных предприятий. М. , 1968, с. 327; авт. свид. N 891115, кл. B 01 D 24/46, заяв. 05.05.80, опубл. 23.12.81, бюл. N 47].

Основным недостатком этих способов является также большой расход воды из-за раздельной регенерации фильтров, а также и то, что в процессе вращения частицы плавающей загрузки могут разрушаться при соударении с элементами механической мешалки.

Известен способ регенерации фильтров установки для обезжелезивания при накоплении загрязнений (соединения железа, взвешенные вещества), сопровождающемся увеличением гидравлического сопротивления и возможным ухудшением качества очистки воды, разработанный предприятием "Фонд ПРОГРЕСС" [Установка для обезжелезивания воды (УОВЖ-02). Техническое описание и инструкция по эксплуатации, ТОО "Фонд ПРОГРЕСС", М., 1999].

Сущность этого способа заключается в том, что регенерацию фильтров проводят в два этапа; на первом этапе в фильтре с плавающей загрузкой, производят промывку ее нисходящим потоком исходной воды, которую после очистки направляют восходящим потоком в фильтр с песчаной и плавающей загрузкой восходящим потоком только чистой (обезжелезенной) водой.

Для реализации способа используется установка, содержащая два корпуса с фильтрами плавающей и песчаной загрузки и емкость с чистой водой, соединенные между собой трубопроводами и коммутирующими устройствами, регулирующими открытие соответствующих трубопроводов. Над входным отверстием корпуса плавающей загрузки установлены инжектор воды и эжектор воздуха.

Основным недостатком этого способа является низкая экономичность и некачественная регенерация плавающей загрузки, так как требуется мощный инжектированный поток исходной воды для промывки плавающей загрузки в 2-8 раз больший, чем для очистки воды.

Но и поток такой мощности не гарантирует отрыв от фильтроэлементов плавающей загрузки осевших на них коллоидных частиц и проталкивание их через дренажную трубу в фильтр песчаной загрузки.

Опыт эксплуатации такой установки показал, что реализовать потенциально высокую ее грязеемкость практически невозможно, так как в толще плавучей загрузки образуются области с повышенными сцепными свойствами коллоидной пленки, которую нисходящий или восходящий промывные потоки обходят по каналам, пробиваемым ими в слоях с менее плотной пленкой.

В результате грязеемкость фильтра падает и, в конце концов, регенерация фильтра становится невозможной, а значит невозможным становится и функционирование самого фильтра.

Грязеемкость плавающей загрузки не восстанавливается после регенерации таким способом в полной мере. Кроме того, для регенерации фильтра песчаной загрузки используется вода, подаваемая из емкости с чистой водой специальной установкой.

Способ неэффективен, так как в процессе регенерации используется поток воды с расходом, превышающим в несколько раз номинальный расход воды при фильтровании. Кроме того, увеличение мощности инжектированного потока может привести к вымыванию песчаной загрузки.

Задачей настоящего изобретения является повышение эффективности работы установки путем улучшения качества ее регенерации, увеличение грязеемкости фильтра плавающей загрузки и повышения срока жизни фильтров обеих загрузок.

Поставленная задача решается тем, что если в известной установке, содержащей два корпуса, один из которых заполнен плавающей загрузкой, а другой - песчаной загрузкой, и дренажные трубы, соединяющие выходное отверстие корпуса с плавающей загрузкой с входным отверстием корпуса с песчаной загрузкой, над входным отверстием фильтра с плавающей загрузкой установлен инжектор, а на боковой поверхности корпуса фильтра с песчаной загрузкой выполнены два выходных отверстия, которые соединены через коммутирующие устройства, одно - с емкостью для чистой воды, другое - с канализацией, плавающая загрузка поделена, как минимум на три части, в корпусе на высоте верха каждой части плавающей загрузки выполнены отверстия, в которые вставлены перфорированные трубы, соединенные через коммутирующие устройства с магистралью подачи исходной воды.

Для разрыва электрических связей в коллоидной пленке на поверхности корпуса с плавающей загрузкой установлен источник электромагнитного излучения.

Поставленная задача может быть решена, если в известном способе регенерации фильтров для очистки воды, включающем промывку фильтров плавающей и песчаной загрузок инжектированным потоком воды, одновременно с инжектированным потоком производят промывку плавающей загрузки импульсными потоками, подаваемыми с противоположных сторон корпуса фильтра, в противоположных направлениях, при этом импульсную промывку производят по частям, начиная с верхнего уровня самого нижнего из участков, на которые делят полость корпуса фильтра, затем включают импульсные потоки на верхних уровнях следующих вышерасположенных слоев по направлению к выходному отверстию, после завершения промывки импульсными потоками их отключают и далее инжектированным потоком, обеспечивающим фильтрацию, вытесняют в фильтр с песчаной загрузкой грязную воду, которую далее направляют в канализацию.

Для того, чтобы разрушить электрические связи в коллоидной пленке, одновременно с импульсными потоками воздействуют на плавающую загрузку электромагнитным излучением, что обеспечивает более качественную ее регенерацию.

Более качественную регенерацию можно получить, если послойную промывку плавающей загрузки производят импульсными потоками, мощность которых в 2-3 раза больше мощности инжектированного потока.

При регенерации не очень загрязненных фильтров промывку импульсными потоками производят отдельно по слоям, отключая импульсный поток предыдущий нижнего слоя.

Заявляемое решение отличается от прототипа тем, что промывку плавающей загрузки производят, начиная с верхнего уровня наиболее близкого к выходу слоя фильтрата импульсными потоками воды, подаваемыми с противоположных сторон корпуса фильтра в противоположных направлениях, постепенно включая импульсные потоки, направляемые с более высоких слоев, поднимаясь к входному отверстию плавающей загрузкой.

Установка отличается тем, что в корпусе фильтра плавающей загрузки на высоте верха каждой части, на которые поделена плавающая загрузка, выполнены отверстия, в которые вставлены перфорированные трубы, соединенные через коммутирующие устройства с магистралью подачи исходной воды, при этом выходное устройство корпуса с плавающей загрузкой соединено с входным отверстием корпуса с песчаной загрузкой.

Таким образом, сравнительный анализ с прототипом показал, что заявляемое решение соответствует критерию изобретению "новизна".

Сущность изобретения заключается в следующем.

Как показали эксперименты, коллоидные пленки наибольшей плотности образуются в нижней части фильтра, наиболее крупные частицы сосредоточены в его средней части, а ближе к входному отверстию оседают на фильтроэлементах плавающей загрузки более мелкие частицы.

Поэтому, чтобы вывести из фильтра осевшие на загрузке частицы, необходимо открыть выход для фильтрата с коллоидными частицами из верхних слоев плавающей загрузки. Это значит, что нужно разрушить механические связи в коллоидных пленках, обволакивающих фильтроэлементы и заполняющих промежутки между ними.

Поэтому предлагается начинать регенерацию фильтра с плавающей загрузкой со слоя, наиболее близкого к выходному отверстию фильтра. Так как механические связи в коллоидных пленках довольно прочные, то разрушить их можно подачей струй воды с локальным повышенным давлением. Для этого одновременно с нисходящим инжектированным потоком с верхнего уровня слоя плавающей загрузки наиболее близкого к выходному отверстию фильтра направляют импульсные потоки, подаваемые с противоположных сторон корпуса фильтра в противоположных направлениях.

В перемещаемой импульсными потоками части плавающей загрузки под действием повышенного локального давления струй воды разрушается коллоидная пленка и инжектированным нисходящим потоком выносится в щелевой фильтр. Таким образом, выход для крупных и мелких частиц с более высоких слоев открыт. После этого включают потоки на следующем слое плавающей загрузки, после его очистки включают следующий и так далее до самого высокого слоя. После очистки всех слоев импульсные потоки можно отключить и продолжить промывку только нисходящим инжектированным потоком воды, мощность которого не превышает мощность потока при очистке. Через дренажную трубу вода из плавающей загрузки поступает в песчаную загрузку и восходящим потоком очищает ее от осевших на элементах загрязнений.

Таким образом, в процессе регенерации не используется чистая вода, вращение загрузки импульсными потоками разрушает коллоидные пленки и частицы, а то, что промывку импульсными потоками производят, начиная с нижних слоев загрузки, позволяет освободить промежутки между фильтроэлементами в нижней части плавающей загрузки, позволяет предупредить образования затора на выходном отверстии.

Сущность изобретения поясняется чертежами, где на фиг. 1 представлена схема установки для осуществления способа, а на фиг. 2 - схема процессов, происходящих во время работы установки.

Установка содержит корпусы 1 и 2, в которых размещены соответственно фильтры плавающей загрузки 3 и песчаной - 4, установленный перед входным отверстием фильтра плавающей загрузки инжектор 5, включение которого регулируется коммутирующими устройствами 6. На наружной поверхности корпуса 1 установлена катушка электромагнита 7 (фиг. 2). Выходное отверстие корпуса фильтра плавающей загрузки соединено дренажными трубами 8 с входным отверстием корпуса 2 фильтра с песчаной загрузкой. Плавающая загрузка поделена на три части, на высоте верха каждой части в боковых стенках корпуса 1 выполнены отверстия, в которых установлены перфорированные трубы 9, 10, 11 (фиг. 2), соединенные коммутирующими устройствами 12 с магистралью подачи воды. Выходное отверстие корпуса 2 с песчаной загрузкой соединено с коммутирующим устройством 13, регулирующим его переключение на канализацию при регенерации или на емкость с чистой водой при фильтрации. Спиральными стрелками показано направление вращающегося потока при послойной промывке фильтра, а дугообразными - направление силовых линий электромагнитного поля, создаваемого катушкой электромагнита 7, установленной на корпусе.

Работает установка следующим образом.

В установленное таймером время режим очистки воды отключается, и установка переводится на режим регенерации.

Через инжектор 5 исходная вода поступает в фильтр 1 с плавающей загрузкой 3, одновременно через одно из коммутирующих устройств 12 подается импульсный поток исходной воды в перфорированные трубы 11, установленные на верхнем уровне самого нижнего слоя плавающей загрузки. Импульсные потоки подаются с противоположных сторон корпуса 1 фильтра с плавающей загрузкой. Подача воды производится волнообразно так, что создаются чередующиеся области повышенного давления и разряжения.

Через некоторое время включают импульсные потоки в следующем более высоком слое по трубам 10, через некоторое время следующий и так до самого верхнего слоя. Промежутки времени, через которые включают импульсные потоки на следующих слоях, установлены экспериментально. Продолжительность этих интервалов зависит от степени загрязнения и объема фильтра.

Если фильтры загрязнены очень сильно, например при выбросах железосодержащей грязи, чтобы не увеличивать поток воды, можно использовать для разрушения коллоидных пленок электромагнитное излучение, которое создают источником 7, например катушкой электромагнита, установленной на поверхности корпуса 1.

Обеспечить достаточную регенерацию фильтра можно, как было установлено экспериментами, если суммарная мощность импульсных потоков будет в 2-3 раза больше инжектированного потока.

После завершения регенерации плавающей загрузки импульсными потоками, они отключаются, а инжектированный поток переводится в режим замены промывной воды, оставшейся после смывки частиц грязи в фильтроэлементах на чистую воду.

Инжектированный нисходящий поток, направляемый в фильтр с плавающей загрузкой вытесняет из него грязный концентрат в корпус 2 с песчаной загрузкой 4.

Этот поток, пройдя через дренажные трубы 8 в песчаную загрузку, становится восходящим потоком, взвешивает частицы песчаной загрузки и далее смывает осевшие на фильтроэлементах частицы грязи.

Продолжительность замены оставшегося концентрата грязи промывной водой на чистую воду в обоих фильтрах определяется известным образом, исходя из выражения
T = V_b/Q,
где T - время, необходимое для замены грязной воды (концентрата грязи) в обоих фильтрах на чистую воду;
V_b - объем фильтра в литрах (л), так как обычно объем обоих фильтров наполовину занят вытесняемой водой.

Q - фиксированная производительность фильтра в литрах за 1 с (л/с).

Этого потока достаточно, чтобы регенерировать песчаную загрузку полностью. Из фильтра с песчаной загрузкой грязная вода направляется через коммутирующее устройство в канализацию.

При небольшом загрязнении фильтров можно импульсные потоки включать постепенно, отключая предыдущие. Это позволит уменьшить расход воды.

Пример конкретного использования.

Способ был реализован в установке для обезжелезивания и дегазации воды, которая содержит фильтр с плавающей загрузкой, в качестве которой использованы гранулы вспененного полистирола диаметром 2-8 мм, и фильтр с песчаной загрузкой.

Фильтр с плавающей загрузкой высотой 100 см и диаметром 150 см размещен в корпусе высотой 160 см. Фильтр разделен по вертикали на четыре части. На верхнем уровне каждой части в отверстиях на противоположных сторонах корпуса установлены трубки, диаметр которых 22 мм, с отверстиями - форсункам. Входы в трубки и в инжектор соединены с магистралью подачи воды коммутирующими устройствами в виде электромагнитных клапанов, управляемых реле времени.

Слой с песчаной загрузкой 90 см размещен на гравийной подложке 20 см в корпусе диаметром 22 см. На высоте 140 см в корпусе фильтра песчаной загрузки выполнено отверстие для выхода чистой воды, закрытое электромагнитным клапаном, управляемым реле времени. На уровне песчаной загрузки выполнено переливное отверстие диаметром 50 мм с выходом в канализацию.

Производительность этой установки при содержании железа 5-8 мл/л 200-300 л/час.

Продолжительность промывки очищаемой водой 30 мин, из них 10 мин взрыхляющая промывка импульсными потоками, производительностью 600 л/час и далее 20 мин - отмывка исходной водой в темпе фильтрации (расход 200 л/час).

Общий объем промывной воды 130 л.

Интервал промывки при содержании железа 5-8 м²/л через 1,5-2 м³ очищенной воды.

По сравнению с прототипом расход воды в два-три раза меньше, так как при таком же уровне загрязнения в известном способе на промывку расходуется 150-160 л воды, из них уже очищенной 120-130 л, и интервал промывки его через 0,5-1 м³.

Изобретение относится к водному хозяйству, а точнее к способам регенерации фильтров установок для очистки воды, и может быть использовано при обработке подземных и хозяйственных вод. Через инжектор 5 исходная вода поступает в фильтр 1 с плавающей загрузкой 3, одновременно через одно из коммутирующих устройств 12 подается импульсный поток исходной воды в перфорированные трубы 11, установленные на верхнем уровне самого нижнего слоя плавающей загрузки. Импульсные потоки подаются с противоположных сторон корпуса 1 фильтра с плавающей загрузкой. Подача воды производится волнообразно так, что создаются чередующиеся области повышенного давления и разряжения. Через некоторое время включают импульсные потоки в следующем более высоком слое по трубам 10, через некоторое время - следующий и так до самого верхнего слоя. Промежутки времени, через которые включают импульсные потоки на следующих слоях, установлены экспериментально. Продолжительность этих интервалов зависит от степени загрязнения, объема фильтра. Достигается повышение эффективности работы установки в результате повышения качества ее регенерации. 2 с. и 4 з.п. ф-лы, 2 ил.

1. Установка для очистки воды, содержащая два корпуса, один из которых заполнен плавающей загрузкой, а другой - песчаной загрузкой, над входным отверстием фильтра с плавающей загрузкой установлен инжектор, а на боковой поверхности корпуса фильтра с песчаной загрузкой выполнены два выходных отверстия, которые соединены через коммутирующее устройство, одно - с емкостью для чистой воды, а другое - с канализацией, отличающаяся тем, что плавающая загрузка поделена как минимум на три части, в корпусе на высоте верха каждой части плавающей загрузки выполнены отверстия, в которых установлены перфорированные трубки, соединенные через коммутирующие устройства с магистралью подачи воды. 2. Установка для осуществления способа по п.1, отличающаяся тем, что на поверхности корпуса с плавающей загрузкой установлен электромагнитный излучатель. 3. Способ регенерации установки для очистки воды, содержащей фильтры с плавающей и песчаной загрузками путем подачи инжектированного потока исходной воды в загрузку, отличающийся тем, что одновременно с инжектированным потоком производят промывку плавающей загрузки импульсными потоками, подаваемыми с противоположных сторон корпуса фильтра, в противоположных направлениях, при этом импульсную промывку производят по частям, начиная с верхнего уровня самого нижнего из участков, на которые делят полость корпуса фильтра, затем включают импульсные потоки на верхних уровнях, следующих выше расположенных слоев по направлению к выходному отверстию, после завершения промывки импульсными потоками их отключают и далее водой, вытесненной из фильтра с плавающей загрузкой, промывают фильтр с песчаной загрузкой и далее направляют грязную воду в канализацию. 4. Способ по п.3, отличающийся тем, что одновременно с импульсными потоками воздействуют на плавающую загрузку электромагнитным излучением. 5. Способ по пп.3 и 4, отличающийся тем, что послойную промывку плавающей загрузки производят импульсными потоками, мощность которых в 2-3 раза больше мощности инжектированного потока. 6. Способ по пп.3 и 4, отличающийся тем, что промывку импульсными потоками производят отдельно по слоям, отключая импульсный поток предыдущего нижнего слоя.