Загрузка фильтра водоподготовительной установки Российский патент 2021 года по МПК B01D39/02 B01J20/02 

Изобретение относится к области водоподготовки, а именно, к очистке воды от загрязнений в схеме водоподготовительных установок электростанций, промышленных и отопительных котельных и других промышленных предприятий, а также при подготовке питьевой воды, кроме того, к очистке парового конденсата, к очистке сточных вод различного состава, и может быть использовано в качестве фильтрующей загрузки в любых механических осветлительных фильтрах для снижения количества взвешенных веществ.

Материалы, используемые в качестве фильтрующей загрузки в механических осветлительных фильтрах для снижения количества взвешенных веществ, в основном известны.

К ним относятся такие материалы, как антрацит (или гидроантрацит), кварцевый песок, керамзит и другие механически и химически стойкие материалы. Фильтрующие материалы обладают различными физико-химическими свойствами, что позволяет их использовать в фильтрах в качестве фильтрующей загрузки не только индивидуально, но и в составе композиции двух-, трех- и многослойных мультимедийных загрузках одного фильтра.

Такая мультимедийная загрузка фильтрующего материала позволяет увеличить грязеемкость фильтра (количество задержанных веществ в кг за рабочий цикл на 1 м3 фильтрующего материала), повысить скорость фильтрования воды через фильтр, улучшить качество фильтрата.

Кроме того, многослойную фильтрующую загрузку в механическом фильтре можно выполнять из материалов различного размера, уложенных с убывающей сверху вниз крупностью таким образом, чтобы в верхней ее части крупность частиц была наибольшей и легкой, а снизу мелкой и тяжелой. При этом пористость и, следовательно, грязеемкость верхнего слоя значительно увеличивается, что способствует увеличению продолжительности фильтроцикла.

Например, известен фильтрующий материал для водоподготовительных фильтров по авторскому свидетельству СССР №267581, кл. B01D 39/02, 1970 г., в качестве которого предлагают использовать вместо кварцевого песка известный строительный материал керамзит. Это повышает качество фильтрата и производительность фильтров, так как керамзит обладает большей пористостью, удельной поверхностью и коэффициентом фильтрации.

Недостатками данного фильтрующего материала являются его малая эффективность, недостаточная грязеемкость, а отсюда и невысокая степень очистки.

Известен фильтрующий материал для водоподготовительных фильтров по авторскому свидетельству СССР №639576, кл. В01D 39/02, 1978 г., в качестве которого предлагают использовать горелые породы. Дробленые горелые породы используются как заполнители бетонов, растворов и как материалы для дорожного строительства.

Однако, по своим физико-химическим свойствам и составу горелые породы близки к фильтрующим материалам, таким как кварцевый песок или керамзит. Фильтрующий материал из горелых пород обладает высокой механической прочностью, хорошей проницаемостью и высокой эффективностью, что позволяет увеличить в 1,5-2 раза производительность существующих насосно-фильтровальных станций, а при строительстве новых станций снизить в 1,5-2 раза объем капиталовложений.

Благодаря оптимальной геометрической структуре, развитой поверхности и высокой сорбционной способности фильтрующий материал из горелых пород является универсальным. Он успешно применяется для очистки питьевой и промышленной воды с пониженным количеством реагентов или вовсе без реагентов. Применение горелых пород в качестве фильтрующего материала позволило решить проблему очистки промышленных сточных вод, высококонцентрированных по осадку, например, шахтных вод, шламовых вод углеобогащения и др.

Однако, данный фильтрующий материал не позволяет в достаточной степени эффективно очищать промывную воду, имеет малую скорость фильтрования, которая недостаточна для современных высокотехнологичных станций водоподготовки, имеет высокую мутность фильтрата на выходе из фильтра.

Известна загрузка контактного фильтра для очистки природных вод по патенту Российской Федерации №2238787, кл. B01D 39/02, 2004 г. принятая заявителем за прототип. Она содержит слой кварцевого песка, кроме которого загрузка дополнительно включает в качестве верхнего слоя фильтрующий сорбирующий материал - опоки дробленые модифицированные марки ОДМ-2Ф с крупностью зерен 2,3-3,5 мм, в качестве среднего слоя - антрацит дробленый с крупностью зерен 1,5-2,3 мм, а нижний слой кварцевого песка используют с крупностью зерен 0,7-1.5 мм при равном соотношении компонентов.

Данная загрузка обладает более высокой грязеемкостью, чем подобные аналоги, вследствие чего увеличивается продолжительность фильтроцикла, что в свою очередь способствует экономии чистой воды и электроэнергии, необходимых для промывки загрузки.

Кроме того, при использовании в составе загрузки материала - опоки дробленые модифицированные марки ОДМ-2Ф, обладающего более высокими адсорбционными свойствами, чем песок и антрацит, отмечается более глубокий эффект очистки воды по следующим показателям: жесткость, кальций, натрий, хлориды, сульфаты, сухой остаток, нефтепродукты.

Однако, данная композиция не позволяет достаточно быстро очищать и имеет довольно большой расход промывной воды и недостаточную степень очистки.

Технической проблемой фильтрующих композиций фильтров, в том числе водоподготовительных, является влияние ее на производительность фильтра, продолжительность фильтроцикла, расход промывной воды, способность очистки воды от мелкодисперсных примесей.

Поставленная проблема решается тем, что в отличие от аналогов и прототипа, в предлагаемом решении загрузка фильтра водоподготовительной установки, содержащая слой кварцевого песка и слой антрацита, дополнительно включает в качестве нижнего фильтрующего слоя гранатовый песок фракции размером 0,4-0,6 мм и плотностью 2,8 -4,2 г/см³, причем верхний слой загрузки составляет антрацит, а кварцевый песок составляет средний слой загрузки, при этом антрацит используют фракции размером 0,8-1,6 мм плотностью 1,4-1,45 г/см³, а кварцевый песок используют фракции размером 0,5-1,2 мм и плотностью 2,0-2,7 г/см³.

Кроме того, соотношение слоев в загрузке фильтра, по крайней мере, составляет: верхний слой 50-55%, средний слой 30-35% и нижний слой 5-15%.

Технический результат от использования предлагаемого решения, благодаря применению измельченного гранатового песка, заключается в увеличении производительности фильтра и продолжительности фильтроцикла, в уменьшении расхода промывной воды при лучшем качестве фильтрата.

На чертеже схематично представлена многослойная загрузка в механическом осветлительном фильтре «ФОМЗ» (фильтр осветлительный с мультимедийной загрузкой) водоподготовительной установки.

Фильтрующая загрузка представляет собой вертикальную трехслойную засыпку: нижний фильтрующий слой 1, средний фильтрующий слой 2 и верхний фильтрующий слой 3. В объеме фильтра в нижней его части под нижним фильтрующем слоем 1 размещен подстилочный слой 4, а также оставлено свободное пространство 5, это 30-50% от общего объема фильтра для расширения фильтрующего материала при взрыхлении или обратной промывке.

Использовать гранатовый песок в качестве фильтрующего слоя необходимо совместно с подстилочным слоем 4, который выполняют, например, из гравия с толщиной слоя 15-20 см, для предотвращения истирания фильтрующих элементов нижнего распределительного устройства фильтра.

Такая трехслойная мультимедийная загрузка фильтрующего материала позволяет увеличить грязеемкость фильтра (количество задержанных веществ в кг за рабочий цикл на 1 м фильтрующего материала), повысить скорость фильтрования воды через фильтр, улучшить качество фильтрата по количеству взвешенных веществ в воде. Фильтры с мультимедийной загрузкой могут быть использованы в технологических схемах очистки воды, где предъявляются высокие требования к качеству воды по содержанию взвешенных веществ. Например, перед установками обратного осмоса или установками ионного обмена, работающих по противоточной технологии очистки и обессоливания воды.

А также предлагаемая трехслойная фильтрующая загрузка выполнена из материалов различного размера, уложенных с убывающей сверху вниз крупностью таким образом, чтобы в верхней ее части крупность частиц была наибольшей. При этом пористость и, следовательно, грязеемкость верхнего слоя значительно увеличивается, что способствует увеличению продолжительности фильтроцикла.

Кроме того, механический осветлительный фильтр водоподготовительной установки загружают послойно материалами, не только отличающимися размерами, а именно, крупностью, но и плотностью сверху вниз. А именно, верхний слой выполняют из материала большей крупности и меньшей плотности - легкий материал, а нижний слой выполняют из материала меньшей крупности и большей плотности - тяжелый материал.

Поэтому, с целью достижения поставленного технического результата, в качестве нижнего тяжелого слоя фильтрующей загрузки предложен измельченный гранатовый песок фракции размером 0,4-0,6 мм и плотностью 2,8-4,2 г/см³.

При этом верхний легкий слой фильтрующей загрузки составляет антрацит фракции размером 0,8-1,6 мм и плотностью 1,4-1,45 г/см³, который гораздо легче и крупнее измельченной фракции гранатового песка. А кварцевый песок, входящий в состав фильтрующей загрузки, составляет средний слой загрузки. Его используют размером 0,5-1,2 мм и плотностью 2,0-2,7 г/см³.

Существенная разность плотности гранул фильтрующих материалов также позволяет создать загрузки в фильтрах с убывающей по ходу движения обрабатываемой воды крупностью. Важно отметить то, что, благодаря применению фильтрующего материала загрузки фильтров разной объемной массы и увеличения пористости верхних слоев, удается добиться равномерности работы всей толщи загрузки.

Причем соотношение слоев в трехслойной загрузке фильтра составляет, например: верхний слой около 50-55% всей загрузки с легким материалом, средний слой около 30-35% с материалом со средней плотностью и нижний слой около 5-15% с материалом с высокой плотностью.

Очистка воды в механическом осветлительном фильтре с многослойной загрузкой водоподготовительной установки происходит следующим образом.

Коагулированную в осветлителях воду для дальнейшей доочистки подают на механические фильтры с направленностью потока очищаемой воды сверху вниз.

Сначала осуществляют фильтрацию воды и ее осветление (очистка от взвешенных веществ). По достижении на фильтре перепада давления очищаемой воды до 0,1 Мпа или по увеличению содержания взвешенных веществ в фильтрате, или по достижению определенного количества осветленной воды за фильтроцикл, фильтр отключают. А затем переключают его на регенерацию, то есть на промывку и удаление задержанных в нем веществ. Промывку осуществляют обратным потоком воды «снизу вверх». Интенсивный поток промывной воды поднимает вверх фильтрующий материал загрузки слой за слоем, разрыхляет его, переводя во взвешенное состояние. Фильтрующий материал каждого слоя перемещается в потоке воды, сталкиваясь между собой и очищаясь от прилипших взвесей. Такая интенсивная промывка обеспечивает вымывание осадков, взвесей и примесей из фильтрующего материала, но не вынос самого фильтрующего материала.

После обратной промывки, осуществляемой обратным потоком воды «снизу вверх», фильтрующий материал за счет разности в плотности распределяется по высоте фильтра с сохранением первоначальной послойной загрузки, осаждается под действием гравитационных сил, восстанавливая тем самым фильтрующие свойства фильтра. Первым укладывается на подстилочный слой 4 нижний слой 1 из гранатового песка, как более тяжелый и более мелкий, затем - средний слой 2 из кварцевого песка укладывается на нижний слой 1, и последним укладывается верхний слой 3 из антрацита, как более легкий и более крупный, на средний 2 и нижний 1 слои.

Поэтому, для предотвращения смешения слоев фильтрующего материала разной крупности при обратной взрыхляющей промывке, материал в каждом из слоев должен быть разнородным, подходящим по насыпной массе, плотности и другим техническим характеристикам для той или иной установки фильтрации воды.

Для повышения эффективности, экономичности процесса механической фильтрации в качестве нижнего слоя мультимедийной загрузки заявитель предложил использовать измельченный гранатовый песок фракции с размером 0,4-0,6 мм и плотностью 2,8-4,2 г/см³. Он обладает рядом преимуществ. Так, в результате обратной промывки его частицы с высоким удельным весом и малым размером распределяются в нижней части фильтрующей загрузки и образуют так называемую зону тонкой очистки, позволяющей очищать воду от мелкодисперсных примесей. В то время как более крупные частицы другого фильтрующего материала (антрацит, песок) располагаются в верхних слоях загрузки. За счет чего достигают наиболее полного удаления взвешенных механических частиц различного размера.

Гранатовый песок - это химически неактивный, неметаллический природный минерал, который не загрязняет окружающую среду и рабочие условия труда. Гранатовый песок является крайне жестким (см. таблицу ниже) и тяжелым материалом. Твердость гранатового песка связана с его кристаллическим строением, которая обеспечивает высокое сопротивление к разрушению. Благодаря этой способности гранатовый песок является фактически устойчивым к износу в течение всего срока использования.

Гранатовый песок по фильтрующим свойствам очень близок кварцевому песку, но несколько превосходит его в механической прочности к истиранию, химической стойкости и пористости слоя. Применение его в многослойных фильтрах в комбинации с другими материалами, повышает производительность, грязеемкость и степень очистки.

В таблице приведены сравнительные данные по качественным характеристикам.

В случае промышленного применения предлагаемой загрузки в механических фильтрах водоподготовительных установок рекомендуют следующее соотношение слоев: при трехслойной загрузке верхний слой около 50-55% - легкий материал, средний слой около 30-35% - материал со средней плотностью, нижний слой около 5-15% - материал с высокой плотностью.

Использование предлагаемого технического решения позволило увеличить производительность фильтра и продолжительность фильтроцикла, уменьшить расход промывной воды при лучшем качестве фильтрата.

А именно, применение измельченного гранатового песка позволило увеличить производительность фильтров и продолжительность фильтроцикла, уменьшить расход промывной воды при лучшем качестве фильтрата.

Скорость фильтрования на фильтрах, загруженных гранатовым песком на 30-50% выше, чем у других фильтрующих загрузок, что позволяет соответственно увеличить производительность фильтрующей установки.

Применение гранатового песка позволяет снизить дозу применяемого коагулянта на осветлителях, что позволяет экономить реагенты.

Продолжительность фильтроцикла при использовании гранатового песка выше на 15-30%, что снижает расход промывочных вод.

В целом предлагаемая фильтрующая загрузка в фильтре «ФОМЗ» обладает следующими преимуществами:

• высокой скоростью потока при фильтрации;

• возможностью использования в составе комбинированных загрузок для мультимедийных фильтров;

• имеет длительный срок службы материала за счет высокой прочности частиц;

• повышает степень очистки воды от мелкодисперсных примесей;

• имеет повышенную грязеемкость.

Изобретение относится к области водоподготовки, а именно к очистке воды от загрязнений в схеме водоподготовительных установок электростанций, промышленных и отопительных котельных и других промышленных предприятий, а также при подготовке питьевой воды, кроме того, к очистке парового конденсата, к очистке сточных вод различного состава, и может быть использовано в качестве фильтрующей загрузки в любых механических осветлительных фильтрах для снижения количества взвешенных веществ. Загрузка фильтра водоподготовительной установки содержит слой кварцевого песка и слой антрацита и дополнительно включает в качестве нижнего фильтрующего слоя гранатовый песок фракции размером 0,4-0,6 мм и плотностью 2,8-4,2 г/см³. Верхний слой загрузки составляет антрацит, а кварцевый песок составляет средний слой загрузки. Антрацит используют фракции размером 0,8-1,6 мм плотностью 1,4-1,45 г/см³, а кварцевый песок используют фракции размером 0,5-1,2 мм и плотностью 2,0-2,7 г/см³. Соотношение слоев в загрузке фильтра, по крайней мере, составляет: верхний слой 50-55%, средний слой 30-35% и нижний слой 5-15%. Технический результат: увеличение производительности фильтра и продолжительности фильтроцикла, уменьшение расхода промывной воды при лучшем качестве фильтрата. 1 з.п. ф-лы, 1 ил., 1 табл.

1. Загрузка фильтра водоподготовительной установки, содержащая слой кварцевого песка и слой антрацита, отличающаяся тем, что загрузка дополнительно включает в качестве нижнего фильтрующего слоя гранатовый песок фракции размером 0,4-0,6 мм и плотностью 2,8-4,2 г/см³, причем верхний слой загрузки составляет антрацит, а кварцевый песок составляет средний слой загрузки, при этом антрацит используют фракции размером 0,8-1,6 мм плотностью 1,4-1,45 г/см³, а кварцевый песок используют фракции размером 0,5-1,2 мм и плотностью 2,0-2,7 г/см³.

2. Загрузка по п. 1, отличающаяся тем, что соотношение слоев в загрузке фильтра, по крайней мере, составляет: верхний слой 50-55%, средний слой 30-35% и нижний слой 5-15%.