Исследование фильтрующей загрузки в ходе эксплуатации
В ходе работы рассмотрены основные фильтрующие материалы, применяемые на очистных сооружениях. Выявлены основные факторы, оказывающие наибольшее влияние на изменение фильтрующего материала. Установлена зависимость износа загрузочного материала различных объемных весов от времени эксплуатации на основе загрузки ОДМ-2Ф.
Ключевые слова: фильтрующие материалы, очистные сооружения, загрузочный материал, загрузка ОДМ-2Ф.
Для эффективного применения фильтров для очистки воды существует большое разнообразие фильтроматериалов. Они различаются своим составом в зависимости от сферы производства. Фильтрующие материалы для очистки воды, которые находятся внутри фильтра, как правило, изготавливаются из специальных волокон, таких, например, как химволокно, стекловолокно и полиуретан.
Прежде всего, высококачественные фильтрующие материалы необходимы для очистки воды. Применение в этих целях активированного (древесного) угля, кварца, песка, а также соединений марганца уже применяется человечеством с давних пор.
Основным фильтрующим материалом для улучшения состава и свойств воды является активированный уголь. Его главная задача - процесс удаления из воды различных загрязнений и органических красителей. Активированный (древесный) уголь применятся также как фильтрующий материал для биологической и механической и очистки воды. Активированный (древесный) уголь, особенно современный, обладает важным качеством - высокой степенью сопротивления к истиранию и механическому воздействию. Срок службы древесного угля в таком устройстве, как фильтр-умягчитель для воды, измеряется только адсорбционной емкостью. После истощения активированного угля его удаляют.
Фильтрующие материалы для воды применяются для промышленных комплексов, для пищевой промышленности и во многих других сферах производства. Активированный уголь применяют в этих отраслях наиболее часто. Также применяются изделия из керамики. Они выполняют роль фильтрующего материала для жесткой и грубой фильтрации воды. Керамические изделия действуют как биологическая и механическая фильтрующая среда, обычно применяемая для осветления воды и удаления окисленного железа из нее.
Фильтрующие материалы для фильтров, как правило, применяют преимущественно для того, чтобы удалить из воды большое содержание железа, другими словами, используют системы очистки воды от железа. Подобные фильтры позволяют устранить огромное количество загрязнений и вредных канцерогенов. Для того чтобы удалить марганец, алюминий или большое содержание железа, просто необходимы высокоэффективные очищающие материалы.
Фильтрующая загрузка - это, по сути, и есть основной рабочий элемент фильтров для очистки воды.
Фильтрующая загрузка или фильтрующие материалы для очистки воды имеют первостатейное значение для нормальной работы системы очистки воды для дома. Для правильного выбора фильтрующего материала необходимо знать качественный и полный анализ исходной воды, которую планируется очищать с помощью фильтров для воды. Необходимо знать или, по крайней мере, знать приблизительно концентрации вредных веществ, ряд факторов, которые влияют на физику взаимодействия материалов загрузки исходной воды и канцерогенов в ней, для того чтобы выбрать правильно фильтр для очистки воды.
Основополагающим для правильного выбора фильтра для очистки воды является стоимость фильтрующего материала и соблюдение определенных технических требований, таких как механическая прочность; надлежащий фракционный состав загрузки; химическая стойкость материалов и предельная (максимальная) степень однородности размеров ее зерен по отношению к фильтруемой воде. Существенно влияет на работу фильтра степень однородности зерен фильтрующей загрузки, ее фракционный состав.
Применение крупных фильтрующих материалов для очистки воды напрямую ведет к снижению качества непосредственно очищаемой воды. А применение более мелкого фильтрующего материала вызовет увеличение числа регенераций. В последнем случае это грозит перерасходом промывной воды и ее удорожанием за счет повышения эксплуатационной стоимости.
Механическая прочность - еще один важный показатель качества фильтрующего материала. Если происходит стирание или измельчение материала, то произойдет повышение гидравлического сопротивления верхних его слоев и дальнейший выброс измельченных зерен, когда будет происходить очистка воды для дома. Нужно знать, что при этом будет теряться дорогостоящий фильтрующий материал.
Стоит также отметить, что механическую прочность фильтрующих материалов оценивают по двум показателям - истираемости и измельчаемости.
Исследование механической прочности проводилось сравнительным анализом новой загрузки и уже отработанной в течение восьми лет, как загрузочного материала фильтровальной установки.
Отработанный материал был загружен и фильтр в 2007 году и проработал в качестве основной загрузки примерно восемь лет. По проведенному сравнительному анализу было замечено, что процент измельчаемости и истираемости ОДМ-2Ф не превышает нормативно допускаемый износ фильтрующих материалов.
Анализ данных показывает, что прочность ОДМ-2Ф удовлетворяет требованиям к фильтрующим материалам.
С увеличением времени эксплуатации не происходит скол острых граней зерна, так как зерна ОДМ-2Ф имеют шарообразную форму. Более глубоких изменений не наблюдается.
Это указывает также на достаточную прочность материала и подтверждается данными о проценте износа материала.
Анализ данных показывает, что с увеличение объемного веса фильтрующей загрузки марки ОДМ-2Ф суммарный процент износа уменьшается. Кроме того, с увеличением продолжительности эксплуатации уменьшается суммарный процент износа и темп износа материала.
Анализ данных показывает, что прочность фильтрующей загрузки марки ОДМ-2Ф удовлетворяет требованиям к фильтрующим материалам.
Объемный вес фильтрующей загрузки марки ОДМ-2Ф определялся после высушивания до постоянного веса. В таблице 1 приведены результаты нового, неиспользованного материала и уже отработанного на протяжении восьми лет.
Таблица 1. Результат определения объемных весов
Рис. 1. Объемный вес нового и отработанного загрузочного материала
Из таблицы 1 и рис. 1 видно, что прямая, построенная по значениям объемного веса нового материала, располагается ниже прямой, построенной по данным уже отработанного материала.
Исходя из приведенных нами исследований по определению объемных весов нового, неиспользованного загрузочного материала и эксплуатированного в течение восьми лет в качестве фильтрующий загрузки, видно, что объемный вес в процессе эксплуатации будет увеличиваться в процентном соотношении около 5%.
Основные фильтрующие материалы минерального происхождения, применяющиеся в настоящее время, - кварцевый песок, антрацит, шунгизит, аглопорит, керамзит. Наиболее полно исследован в качестве зернистой загрузки фильтров керамзит различных марок, менее обстоятельно - аглопорит и шунгизит. В ряде исследовательских работ при параллельных испытаниях керамзита и шунгизита, керамзита и аглопорита доказана близость их технологических показателей.
Керамзит является местным материалом практически для любого индустриально развитого района страны.
Сорбент ОДМ-2Ф - гранулированный фильтрующий материал терракотового цвета (светло-оранжевого), изготовленный из природного сырья. Сырьем для фильтрующей загрузки марки ОДМ-2Ф служат опоки. Опоки - легкая тонкопористая плотная кремнистая порода, состоящая в своей массе из окременелых опаловых створок диатомовых водорослей и их обломов.
Загрузка предназначена для использования в качестве фильтровально-сорбционного материала при подготовке питьевой воды из поверхностных и подземных источников водоснабжения в скорых безнапорных и напорных фильтрах водоочистных сооружений взамен традиционно применяемых тяжелых загрузок: кварца, кварцевого песка, дробленых гранитов, гранодиаритов и т. д.
По механической прочности материал ОДМ-2Ф превосходит все наиболее известные отечественные фильтрующие материалы. Обладая сорбционной способностью, он успешно применяется для удаления из воды растворенного железа и марганца. Размер макропор - от 10-3 мм.
Один грамм ОДМ-2Ф имеет развитую удельную поверхность - около120 м2 . Стандартные фракции ОДМ-2Ф: 0,8-2,0 мм; 2,0-5,0 мм; 5,0-10,0 мм; 10,0-40,0 мм.
Практика применения ОДМ-2Ф показывает, что оптимальные параметры по качеству фильтрата и эксплуатационным характеристикам работы фильтра достигаются при размере зерен 0,8-2,0 мм.
ОДМ-2Ф рассеивался на четыре фракции по крупности: 3,0-2,5; 2,5-2,0; 2,0-1,5; 1,5-1,2 мм.
Важное значение для технологической оценки фильтрующих материалов имеют такие физико-механические свойства, как объемный и удельный вес, механическая прочность, пористость. Ниже сообщаются результаты исследований этих свойств фильтрующей загрузки марки ОДМ-2Ф различных объемных весов.
Нами были проведены замеры различных физических свойств материла для определения и дальнейшего сравнения фильтрующего материала, прошедшего эксплуатацию в течение восьми лет, и нового, не подвергавшегося никакому воздействию.
В таблице 2 представлены физические характеристики и химический состав фильтрующей загрузки марки ОДМ-2Ф.
Таблица 2. Физические характеристики и химический состав
При выборе фильтрующей загрузки предпочтение следует отдавать материалам, имеющим развитую удельную поверхность зерен и большую межзерновую пористость.
Этим требованиям в наибольшей степени отвечают зернистые материалы, получаемые дроблением плотных, или, лучше, пористых кусковых материалов.
Увеличение межзерновой пористости и удельной поверхности обеспечивает увеличение грязеемкости загрузки и, как следствие, возможность повышения скорости фильтрации или увеличения длительности фильтроцикла.
При наличии нескольких видов фильтрующих материалов видов загрузки для вновь построенных или действующих очистных сооружений производится на основе технико-экономических расчетов. Должны приниматься во внимание такие факторы, как возможность повышения производительности действующих фильтровальных сооружений, сокращение расхода воды на собственные нужды сооружений, затраты на транспортировку фильтрующего материала, его долговечность.
Перед засыпкой фильтрующей загрузки в фильтры необходимо не только провести технические исследования прочностных характеристик материала, но и изучить технологические фильтрационные параметры.
При выборе фильтрующего материала предусматривается проверка его на химическую стойкость в щелочной, кислой и нейтральной средах по приросту сухого остатка, окисляемости и по содержанию кремнекислоты.
Последовательность работ по выбору материала можно представить четырьмя этапами:
1. Исследования на механическую прочность и химическую стойкость.
2. Определение стойкости, коэффициента формирования зерна.
3. Санитарно-гигиеническая оценка.
4. Технические исследования по реагентной обработке, определению фильтроцикла, режим регенерации фильтра.
Установлено, что на изменение свойств влияет множество различных факторов. Чтобы установить влияние каждого фактора, требуется очень много времени. Поэтому нами определены факторы, оказывающие наибольшее влияние на изменение свойств загрузочного материала. К ним относятся: эквивалентный диаметр, крупность зерен загрузки, время эксплуатации, интенсивность подачи воды.
В ходе эксплуатации обрабатываются большие объемы воды. В связи с этим стремятся использовать фильтровальные устройства и сооружения, для работы которых не требуются большие давления, то есть фильтры с крупнозернистой загрузкой, в которых происходит накопление осадка в толще фильтрующей среды. При осуществлении такого вида фильтрования с постоянной скоростью в течение определенного времени фильтрующая загрузка способна осветлять воду до определенного уровня.
Осветление воды фильтрованием - основной рабочий процесс фильтров и контактных осветлителей. Изменение гидравлического сопротивления фильтрующей загрузки - сопутствующий процесс. Оба процесса в одинаковой мере должны учитываться при проектировании и эксплуатации фильтров.
Существует несколько теорий процесса очистки малоконцентрированных суспензий фильтрованием, разработанных отечественными и зарубежными исследователями. Все исследователи едины во мнении, что снижение задерживающей способности фильтрующей загрузки с течением времени связано с накоплением осадка в порах загрузки. Однако при объяснении механизма влияния накапливающегося осадка на изменение задерживающей способности слоев загрузки мнения специалистов расходятся.
Одна группа исследователей видит причину уменьшения задерживающей способности зернистой загрузки в изменении геометрической структуры пористой среды. Другая группа, не отрицая определенного влияния геометрической структуры, считает, что основная причина заключается в изменении динамических условий фильтрования, в первую очередь, зависит от прочностных свойств накапливающегося в толще загрузки осадка.
С помощью технологического анализа процесса фильтрования, разработанного на основе теории, можно определять параметры процесса для воды данного конкретного качества и использовать их для расчета загрузки фильтровальных сооружений.
В основе теории лежат следующие физические представления, разработанные в результате экспериментальных исследований. Извлечение взвешенных частиц из воды и их закрепление на зернах фильтрующей загрузки происходит под действием сил прилипания. Образующийся в загрузке осадок (особенно при предварительном коагулировании воды, когда частицы взвесисильно гидратированы) имеет весьма непрочную структуру. Под влиянием гидродинамических сил, возникающих при движении воды, эта структура разрушается, и некоторая часть ранее прилипших частиц отрывается от зерен загрузки в виде мелких хлопьев и проносится в последующие слои загрузки, где вновь задерживается.
Литература:
1. Журба М.Г. Очистка воды на зернистых фильтрах. Львов: Вица школа, 1980, 220 с.
2. Мартенсен В.Н. Дробленый керамзит - новый фильтрующий материал для водоочистных фильтров. Куйбышев: КИСИ. 1976. 168 с.
3. Петросян Г.Г. Фильтрующие элементы для очистки вод на базе туфов Армении //Материалы междунар. научн. практич. конференции «Строительство 2012», Ростов-на-Дону: РГСУ. 2012.
4. Турянский И.П., Сапрыкин Д.В. Исследование эффективности очистки питьевой воды // Материалы междунар. научн. практ. конференции «Строительство 2008». Ростов-на-Дону: РГСУ. 2008.
5. Аюкаев. Р.И., Мельцер В.З. Производство и применение фильтрующих материалов для очистки воды. Ленинград: Стройиздат. 1985. 117 с.
6. Блянкман Л.М., Пономарев В.Г., Смирнова Н.Л. Очистка фильтрующих материалов М.: Энергоатомиздат. 1992. 144с.
7. Архитектурная среда российской провинции: взгляд извне и изнутри. Устойчивое развитие провинциальной среды: сборник статей по материалам международных конференций. Самара: СГАСУ. 2013 214 с.
8. Традиции и инновации в строительстве и архитектуре. Строительные технологии: сб. статей [по материалам 72-й Всерос. науч. техн. конференции] / Самар. гос. архитектур.строит. унт (СГАСУ); [под ред. М.И.Бальзаникова, К.С. Галицкова, А.К. Стрелкова]. Науч. электрон. изд. комбинир. распростр Самара. 2015. 519 с.
9. Традиции и инновации в строительстве и архитектуре: материалы 70-й Всерос. науч.техн. конференции по итогам НИР 2012 года./ СГАСУ, Самар. обл. Дом науки и техники, Самар. отделение об-ва инженеров стр-ва; члены ред. сов.: Н.Г. Чумаченко, Е.В. Пенина, Е.А. Белякова. Самара. 2013, 1017 с.
10. Петров Е.Г. Исследования характеристик фильтрующих материалов и расчет многослойных загрузок водоочистных фильтров: Автореф. дис. канд. техн. наук. 1969.
11. Стрелков А.К., Атанов Н.А., Быкова П.Г. Выбор фильтрующих материалов для водопроводных очистных сооружений // Водоснабжение и санитарная техника. 2006. №9. Ч.2.
12. Грязов Р.Г., Шишмакова С.Ю., Никифоров А.Ф. Оценка фильтрующих материалов // Водоснабжение и санитарная техника. 2016. №12.
13. Адлер Ю.П., Е.В. Маркова, Ю.В. Грановский «Планирование эксперимента при поиске оптимальных условий». Изд. «Наука», М., 1976.
Investigation of the filter load during operation
In the course of the work, the main filtering materials used in the treatment facilities are considered. The main factors that have the greatest impact on the change of the filter material are identified. The dependence of the wear of the loading material of different volume scales on the operating time based on the loading of ODM-2F is established.
Keywords: filtering materials, treatment facilities, loading material, loading of ODM-2F.
Gridneva Marina Alexandrovna, candidate of technical Sciences, associate Professor;
Agafonova Yulia Dmitrievna, master's student;
Gaynulova Jamila Vladimirovna, master's student;
Dremina Eleonora Viktorovna, senior lecturer.
Department of water supply and sanitation, Samara state technical University, Architecture and construction Academy. 443001, Russia, Samara, ul. Molodogvardeyskaya, d. 194. E-mail: Адрес электронной почты защищен от спам-ботов. Для просмотра адреса в вашем браузере должен быть включен Javascript.
Журнал «Вода Magazine, №6 (130), 2018 г.
