автореферат диссертации по строительству, 05.23.16, диссертация на тему:Режимы осаждения промытой кварцевой загрузки в водоочистных фильтрах систем орошения и сельскохозяйственного водоснабжения

рг в ой

2 5 НОЯ ®

На правах рукописи

ЯКУБОВ ВИКТОР ВАДИМОВИЧ

РЕЖИМЫ ОСАДДЕНИЯ ПРОМЫТОЙ КВАРЦЕВОЙ ЗАГРУЗКИ В ВОДООЧИСТНЫХ ФИЛЬТРАХ СИСТЕМ ОРОШЕНИЯ

И СЕЛЬСКОХОЗЯЙСТВЕННОГО ВОДОСНАБЖЕНИЯ

Специальность 05.23.16 - гидравлика и инженерная гидрология

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Москва 1996

Работа выполнена на кафедре сельскохозяйственного

водоснабжения Волгоградской вяйотвенной академии.

государственной сельскохо-

ВауопА руганкип»

ввв кафедрой с.-х. водоснабжения ВГСХА кандидат технических наук, доцент В. А. М«имо доктор технических наук, профессор МГУТ1 В. И. Аташя ; кандидат технических наук II. А. водима АО "Волгоградпроект"

Защита состоится " 19 " декабря " 1996г. в 10 часов на васедании диссертационного совета по присужден» ученой степени кандидата технических наук К 020.96.02 при Всероссийском научно-исследовательском институте гидротехники и мелиорации им.А.Н.Костикова по адресу : 127560, Москва, ул. В.Академическая, 44, ВНИИГ1М

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ВНИИПМ.

Автореферат разослан "_" ноября 1996г.

Ученый секретарь диссертационного совета, кандидат технических наук

С.В.Эибммо

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Амту&жностъ теми

Интенсификация сельскохозяйственного производства (фермерского ховяйства), значительный рост потребления питьевой водой надлежащего качества населением сельских мест Волгоградской области, а также обострение проблемы охраны окружающей среды требуют дальнейших исследований в разработке наиболее эффективных способов очистки воды на малогабаритных водоочистных фильтрах с использованием природной фильтрующей загрузки (для данного региона - кварцевый песок). Для обеспечения сельскохозяйственного водопотребления, а также вовмож-ности использования чистой воды для внутрипочвенного (капельного) орошения в ближайшие годы предстоит построить значительное количество небольших водоочистных сооружений использующих воды открытых источников.

В связи с этим одной из первоочередных проблем водоочистки является необходимость усовершенствования существующих и разработка новых эффективных методов управления очистными свойствами фильтрующей пористо-зернистой загрузки фильтров.

Изучение осаждения кварцевой и других эагруаок фильтров нисходящего и восходящего фильтрования имеет актуальное значение для повышения эффективности процессов водоочистки.

Цш» и задачи исследований

Основная цель исследований состоит в изучении возможности увеличения производительности кварцевых фильтров путем управления осаждением неоднородной фильтрующей эагрузки в завершении водяной промывки.

Исходя из поставленной цели требовалось решить следующие задачи: совдать лабораторную установку, позволяющую управлять процессом осаждения верен расширенной загрузки в завершении ее промывки;

выявить в пробных режимах влияние осаждения зерен мелкозернистой загрузки на фильтрационные характеристики фильтрующих слоев;

исследовать 7 режимов осаждения загрузки на промышленном образце водоочистного фильтра и выявить из них наиболее эффективные;

исследовать закономерность распределения зерен разной фракций по высоте осевшей загрузки при различном ее осаждении;

определить единый критерий, характеризующий однородность ре-

жима осаждения расширенной еагруаки равной крупности при промывке;

установить | рависимсють продолжительности ооаждения расширенной аагрувки от эквивалентного диаметра и режима осаждения ;

получить эмпирически« уравнения Л » Г(Ь), устанавливающие влияние продолжительности осаждения расширенной аагрувки (эквивалентных диаметров 0,414 мм и 1,61 м<) в вавероеиии промывки на изменение крупности входных фильтрующих слоев;

исследовать общую закономерность влияния режима осаждения на степень перемешивания аагрувки равного гранулометрического оостава;

установить влияние наиболее показательных режимов осаждения еагруаки на продолжительность фильтрования маломутной коагулированной воды;

привести технино-енономкческуп оценку применения режимов осаждения аагрувки на водоочистных фильтрах.

Научшя иювша работы

В настоящей работе впервые рассматривается идея управления гря-зевмиостью еагруаки гидравлическим методом, заклвчаоцаяся в обеспечении различных режимов промахи вагруэки, особенно в ее вавероеиии. В результате можно добиться идеальной раскладки верен - о максимальным числом точек соприкосновения и получить воамодность регулировать грязеёмкость вагрувки при одном и том же ее гранулометрическом составе, ваданньсх скорости фильтрования к крупности взвешенных чаотиц в исходной воде.

Пришивши цшшмл» работы

Внедрение эффективных режимов ооаждения промытой кварцевой аагрувки в водоочиотных фильтрах поаваляет увеличить продолжительность межпромывочного периода работы фильтра на 1602 и сократить расход воды на собственные нужды от 5 до 16Х в год.

Высокое качество осветленной воды может быть рекомендовано не только для хозяйственно-питьевых целей, но и для сиотем подпочвенного капельного орошения, где испольвуется вода, дисперсность которой менее 10 мкм.

Рееультаты исследований покаааш, что вавершать промывку верен аагрувки целесообразно для фильтров нисходящего фильтрования нисходящим потоком воды, для фильтров восходящего фильтрования восходящим потоком или самопроизвольным осаждением при мгновенном прекращении подачи промывной воды.

Апробация работы н публикации

Основные результаты исследований были доложены на 49-й науч но-производственной конференции ТИИИМСХ, научно-теоретической конференции секции "Водоснабжение и канализация" Ташкентского политехнического института им. Беруни в 1990 г. , на научных конференциях ВСХИ, ВГСХА в 1908 - 1995 и опубликованы в 6 печатных работах одна, ив которых в журнале "Доклады Российской академии сельскохозяйственных наук", N3, 1996 г.

Структура и объем работы

Диссертационная работа состоит из введения, 5 глав, общих выводов, списка использованной литературы. Объем диссертационной работы 138 страниц машинописного текста, 56 рисунков, 18 таблиц и 30 страниц приложений. Перечень испольаованной литературы состоит из 155 наименований работ отечественных и зарубежных авторов.

Содеркакме работы

Исследования проводились в лаборатории кафедры сельскохозяйственного водоснабжения Волгоградской государственной сельскохозяйственной академии и на ваводе металлоконструкций г.Волжского на промышленном образце водоочистного фильтра.

Во введении обоснована актуальность темы и дана общая характеристика работы.

В первой главе дан аналитический обзор техники и способов промывки скорых фильтров с кварцевой загрузкой. Теоретическое обоснование процесса промывки загрузки и реализация различных способов промывки в значительной степени разработано и представлено в работах

A.А.Абрамова, Р.И.Аюкаева, М.Н.Азрова, К.Айвеса, И.И.Гельперина, П.А.Грабовского, В.А.Клячко, И.Е.Коренева, В.П.Криштула, Л. А. Куль-ского, А.Е.Кулишенко, го.Г.М.Ларкиной, Д.М.Минца, Н.Г.Новикова,

B.С.Оводова, В.Д. Плешакова, Д.Ричардсона, О.М.Тодеса, В.Т.Турчино-вича, В.Ф.Тюрева, А.Б.ШандыСы, С.А.Шуберта, В.В.Якобсона и других.

Анализ существую^« способов промывки позволил определить, что при водяной, водовоздушной, пульсирующей, в фонтанирующем слое и с чередующей интенсивность*) в завершении промывки происходит классификация верен по глубине фильтрующего слоя.

Процесс водиной промывки скорых фильтров можно условно разделить на следующие стадии:

1. Расширение слоя.

о

2. Отрыв загрязнений от поверхности зерен загрузки.

3. Удаление оторванных загрязнений с потоком промывной воды.

4. Осаждение слоя в первоначальное состояние.

Одним ив явлений, сопутствующих промывке во взвешенном слое, является гидравлическая сортировка верен затруаки, которая происходит не только в однослойных, но и многослойных фильтрах (главным образом в верхних его слоях). В процессе промывки в псевдоожижекном слое одновременно происходит сортировка и перемешивание частиц кварцевого песка. Так, при пористости взвешенного слоя до ш»0,65 преобладает оортировка частиц, при т в 0,65-0,8 - перемешивание, а при т >0,8 снова сортировка. Следует отметить, что сортировка частиц происходит не только во время промывки, но и во время осаждения после прекращения подачи промывного потока (4-я стадия водяной промывки). Эта "остаточная" сортировка может оказаться более существенной, чем во время промывки, поскольку здесь значительно уменьшены факторы, способствующие перемешиванию. Из анализа большинства рассмотренных работ видны следующие недостатки:

техноло1 ическое решение промывок не обеспечивает управление осаждением зерен в период его завершения, а направлено только на качественную отмывку верен загрузки от загрязнений, расширяя фильтрующим слои, перемешивая в расширенном состоянии, отрывая и удаляя загрязнения от поверхности зерен;

для всех указанных способов промывок характерна остаточная гидравлическая сортировка зерен по высоте загрузки, так как завершение промывки протекает в спонтанных условиях;

остаточная гидравлическая сортировка зерен загрузки способствует возникновению пленочной фильтрации, вследствие чего происходит быстрое заиливание верхнего фильтрующего слоя, сокращение фильтро-цикла и увеличение удельного расхода воды на промывку;

низкий коэффициент использования осветлительной возможности всей толщи пористой зернистой среды;

самая распространенная водяная промывка по остаточной сортировке зерен, выраженной через коэффициент перемешивания, обладает худшими показателями в сравнении с другими;

наиболее энергоемкими промывками являются водовоадушная, пульсирующая и в фонтанирующем слое, так как для их реализации требуются компрессоры, пульсаторы, особые конструкции дренажа и распределительной системы;

существующие зависимости не дают полного представления о распределении крупности частиц после осаждения их в плотное состояние, по глубине фильтрующего стоя, а также отсутствуют какие-либо исследования механизма влияния различных способов осаждения на распределение транзитных пор по глубине слоя.

Наложенное и определило цели и вадачи исследования.

Вторая глава посвящена краткой характеристике применяемых фильтрующих вагру^ок и обоснованию выбора кварцевого песка как объекта исследований.

Представлена обзорно-ооредненная характеристика загруеок в сравнении с кварцевой. Наиболее глубокий анализ по обоснованию выбора фильтрующего материала для фильтра выполнен по керамзиту, аглопо-риту и кварцевому песку.

Основным рабочим элементом фильтровальных сооружений является фильтрующая аагрувка, поэтому правильный ев выбор имеет первостепенное Iзначение для нормальной работы фильтра. При выборе фильтрующего материала исходят из его стоимости и возможности получения в районе строительства данного фильтровального комплекса при условии соответствия выбранного материала техническим требованиям. К числу втих требований относятся : необходимый фракционный состав загрузки, надлежащая степень однородности размеров ей зёрен, механическая прочность, химическая отойкость збреи по отношению к фильтруемой воде.

Фракционный состав фильтрующей загрузки и степень однородности размеров ев зёрен в сильной степени влияют на правильную работу фильтра. Как отмечалось в работах равных авторов, отклонение от заданного фракционного состава загрузки и еб однородности может нарушить нормальную работу фильтра и даже вывести его ив строя. Применение фильтрующего материала боже« крупного, чем ато предусмотрено в СНиПе, приводит к снижению качества осветления воды, а более мелкого - к уменьшению фкльтроцикла, перерасходу промывной воды и как следствие , к удорожанию эксплуатационной стоимости очистки воды.

Использование неоднородных фильтрующих материалов ухудшает качество его прошвки. При прошвке водой, снизу вверх, начинается вынос верхних (мелких) фракций раньше, чем придёт в движение основная масса збрен загрувки. Так как промывка фильтров должна производиться без выноса Из них фильтрующего материала, приходится снижать интенсивность промывки, при атом значительная часть фильтрующего слоя

очищается недостаточно. В результате начнется прогрессирующее загрязнение фильтрующего слоя, нарушающее нормальную работу фильтра, что приведёт к необходимости замены загрузки или ей химической очистки. Кроме ухудшения условий промывки фильтра, применение весьма неоднородного по крупности материала вызывает ухудшение условий фильтрования. Вследствие гидравлической сортировки песка при промывке (особенно в стадии осаждения песка) наиболее мелкие его фракции оказываются сконцентрированными у поверхности фильтрующего слоя. В верхней части фильтра образуется фильтрующий слой с очень мелкими порами и содержащиеся в воде взвешенные вещества, не проникая в них, образуют на поверхности фильтрующего слоя плотную плёнку. Нарастание сопротивления фильтрующего слоя в этом случае происходит весьма интенсивно, и межпромывочный период работы фильтра сокращается.

Основой выбора данного материала послужили, во-первых, его традиционное использование на водоочистных фильтрах, во-вторых, в сравнении с другими загруаками, применяя гидравлическую раскладку зерен по глубине фильтрующего слоя, можно уменьшить неоднородность аагруз-ки по глубине и тем самым увеличить ее осветлительную возможность с большей отдачей, в-третьих, это самый экологически чистый материал, в-четвертых, механическая прочность кварцевого песка значительно превышает прочность сравниваемых фильтрующих материалов керамзита и аглопорита.

В составе взвешенных веществ, к примеру воды рек Волга и Дон, преобладают адсорбционные глинистые минералы ( монтмориллонит, гидрослюда, каолинит и кварц). Электрокинетический потенциал взвеси колеблется от -25 до -40 мВ согласно работам И.С.Бабаева.С.М.Чудновс-кого. Вей это говорит,что взвешенные вещества рек Волга и Дона характеризуются малой агрегативной устойчивостью и высокой микроагре-гативностью и они могут быть удалены из воды при беэреагентном фильтровании через самый распространённый в природе фильтрующий материал - кварцевый песок .

Как известно из работ П.А.Грабовского и А.Е.Кулишенко, интенсификация процессов фильтрования в последние годы развивалась в основном в направлениях применения фильтрующих материалов с развитой удельной поверхностью и высокой пористостью (керамзит, аглопорит). При этом во время промывки не всегда удается отмыть такой фильтрующий материал, что впоследствии приводит к увеличению начальных по-

терь напора и прогрессирующему росту остаточных загрязнений от филъ-троцикла к фшштроциклу. Эти остаточные загрязнения могут виачителъ-но сказаться на качестве фильтрата, его бактериальной вагрязненнос-ти. Наибольший эффект промывки может быть получен у фильтрующего материала только с окатанно-гладкой поверхностью с минимальной удерживающей способностью взвешенных веществ. Таким фильтрующим материалом является кварцевый песок.

В третьей главе приводятся описания схем гидравлической установки и автоматического водоочистного фильтра проявленного ивготов-ленкя, а также дается методика проведения экспериментов.

Методика исследований преследовала цель раскрыть количественную и качественную атороны механизма оортировки збрен кварцевой загрузки по глубине фильтрующего слоя при различном осаждении и его влияние на последующий технологический процесс фильтрования.

Ввиду сложности математического описания режимов осаждения автор использовал гидравлические и технологические исследования, выполненные в лаборатории и на действующей водоочистной установке.

Исследования проводились на загрузках о эквивалентными диаметрами: d»K* а 0,2Б мм (dmin-O.l'AUM. с^пахшО.бЗмм). dBK* - 0,414 мм (dmin«0.25MM. cWu^I.OOmm), d8raiwl ,10 мм (dm,n«0,70 мм, cWx-Z.OOuu), d8KB - 1.51 мм (dmin-O.eSSKM, cWix-S.SOmm) и соответственно коэффициентами неоднородности Кн ■ 2,36; 1,93; 1,56; 1,76.

В загрузку добавлялись "индикаторы" - мелкие (крупные) фракции кварцевого песка в количестве fX от общего объема загрузки, присутствие которых позволяло с большей наглядностью оценить влияние завершения промыв toi на распределение их по высоте фильтрующего слоя.

Крупность индикаторов назначалась с учетом исключающего возможность вымывания их во время промывки в следующих интервалах: Для daKa«0,26мм diouuocaroDCmln) » 0.1.. .0,14мм, d(max) - 1 мм; daxajO,414мм ¿Индикатор(>nln) « 0,14. .0.25k«, d(max) а 1 ш; da*»-1,10мм йИщикатор(Win) в 0,50. .О.бЗкН, d(max) « 3 мм; ddKB-l,51мм dH^gutaTODcmln) - 0,5.. ,0,63мм, d(max) - 3 мы.

| В первой серии опытов определяли фильтрационные характеристики (коэффициент фильтрации, пористость, диаметр транзитных пор) аповв мелкозернистой загрузки daKB-0,25 мм, Кц»2,35 вьюотой 1 м при трех (пробных) режимах осаждения здрен (нисходящим потоком воды, в восходящем потоке и спонтанном осаждении).

Опыты выполнялись на гидравлической установке. Песок предварительно отмывался от мельчайших частиц и мусора при 40£-ном расширении в течение 20 минут. Промывка осуществлялась при помощи насоса, а расширение слоя задавалось пробковым краном на той же трубе. Фильтрационные параметры в слоях определялись фильтрованием чистой воды с постоянной скоростью 2 м/ч, подаваемой сниэу вверх, вначения потерь напора в слоях снимали по б спирально-расположенным на стеклянном корпусе фильтра, пьевометрам .

Во 2 серии опытов выявляли иэ 7 режимов осаждения наиболее эффективные по укрупнению верен входного слоя. Эксперименты выполнялись на производственном образце фильтра с кварцевой загрузкой <3»ю>-1,1 мм (с!щ1п~0,7 мм, ¿щах-г.О мм) высотой 1 метр, но с расширенными диапазонами регулирования процесса осаждения псевдоожиженный массы песка. В фильтрующую загрузку добавлялись мелкие d-0.5-0.63 мм и крупные 3 мм индикаторы (2X от общей массы).

Промывали загрузку в течение 4 минут при расширении 30-322, а завершение промывки осуществляли запорно-регулирующей арматурой. Для гранулометрического анализа после каждого режима осаждения из пробоотборников (10 шт.), а также с поверхности слоя вдоль радиуса отбирались пробы песка по 200-500 г. После ситового анализа пробы возвращали в фильтр череа специальный люк .

Выявленные наиболее лучшие режимы осаждения еагрувки более тщательно отрабатывались на установке малой производительности с загрузками эквивалентных диаметров 0,25, 0,414, 1,00, 1,51мм.

Особый интерес представляло влияние различных режимов завершения промывки с присутствующими индикаторами на продолжительность нисходящего фильтрования и гряееёмкость фильтрующего слоя. Ввиду большого объема работы эти эксперименты выполнялись на гидравлической установке для одной вагрувки с с]экв«1,00 мм (<3пип»0.63 мм, с!тах«1.5 мм, Кн=1,7). Предварительно воду, замутненную илом (каолин) до мутности 0,022 кг/м3 и обработанную коагулянтом (оптимальная доза А12(504)з 18НгО в пределах 35 мг/л при температуре воды 18,5 °С), фильтровали сверху вниз череа загрузку при постоянной скорости 5 м/ч. Фильтрование продолжали до мутности фильтрата неудовлетворительного качества более 1,5 мг/л согласно ГОСТ 2874-82 "Вода питьевая". Отбор проб песка производился по верхнему слою непосредственно перед промывкой фильтрующей загрузки. Потери напора в слоях фик-

сировали по пьезометрам, задержанные загрязнения в пробе и обработка экспериментальных данных выполнялись по стандартной методике.

В четвертой главе приводятся результаты исследований.

Регулярные промывки загрузки (1..2 раза в сутки),как известно, обеспечивает их механическое разрушение и тем сашы усиливают неоднородность фильтрующего олоя. Мелкие же частицы, не вымывалвся ив загрузки, окалываются в верхних фильтрующих слоях я последующий технологический процесс фильтрования воды сопровождается о увеличением темпа прироста потерь напора. Мелкая фракция частиц будет вымываться иа неоднородной вагрузки (уноситься о промывным потоком ив фильтра) во время промывки только в том случае, когда истинная восходяцая скорость ув-у/т потока о учетом пористости вавеоеиного олоя (т) будет больше гидравлрческой крупности частиц соответствующего диаметра.

Теория подобия движения воды черев слой загрузки, вввеиенной в восходящем потоке, Д.М.Минца и С.А.Шуберта, а также гидравлическая крупность частиц позволили получить эмпирические зависимости вышва-емости частиц (песка) иа расширенного слоя для рааличных эквивалентных загрузок.

Применяя регрессионный анализ по методу наименьших квадратов на ЭВМ, были получены линейные эмпирические зависимости вида с!х -

Ьо + Ь^ака при различном расширении олоя.

Для е - 10Х с!, - 0.01Э635 0,241295-с1,кв ;

е - 20Х dв - 6.804711 Ю-3 + 0,291839-с1эк» ; е - 301 ёв - 2,080292-10-3 + 0,ЗЭ6181-с1экв ; е - 40Х ¿в - -7,470906 Ю-3 + 0,389027• ба*» ; е - 60Х ¿в - -1,369205-10-2 + 0,433871-с1акв . где с1в - диаметр вшываешх частиц, мы ; е - расширение слоя в процентах ;

с!акв - эквивалентный диаметр вагрузки, т.

Диаметры выжваемых частиц иа расширенного слоя для различных эквивалентных вагрувок при 1воды ■ 10° представлены в таблице 1.

Иа таблицы видно, что для вагрузки с с)8кп ■ 1 ш ю время промывки при расширении слоя 40Х вымываются частицы крупностью 0,36 мм, а более крупные остаются в кипящем слое. На основании этих исследований принимались размеры "индикаторов".

Таблица 1

Степень ОЬт, рентные диаметры загрузки, мм

расширении 0,25 0,414 1,00 1,50

е, 7. диаметры вымываемых частиц (1в , мм

ооооо 1 «смл-чча 1 0,083 0,091 0,100 0,105 0,108 0,110 0,120 0,130 0.146 0,160 0,241 0,206 0,315 0,360 0,400 0,385 0,456 0,521' 0,590 0,650

Исследования фильтрационных характеристик мелкозернистой заг рузки <18к» ~ 0,25 мм показали, что наибольшее изменение пористост 251 (по верхнему и нижнему слою) наблюдается в загрузке осажденной в условиях мгновенного прекращения подачи промывной воды и в восхо дящем потоке убывающей интенсивности, а наименьшее - 15Х в затруак принудительно осажденной нисходящим потоком воды. Гидравлически сортировка частиц уменьшается и приобретает однородность при наи меньшем изменении пористости фильтрующего слоя. При осаждении заг рузки в условиях мгновенного прекращения подачи промывной ьоди (рс-жим 1) в верхнем 15-сантиметровом слое диаметр транзитной поры ста новится меньше, чем для осаждения с принудительным оттоком вниз (ре жим 2), в 1,15 раз и в 1,1 раз для осаждения в восходящем поток убывающей интенсивности (режим 3). Укрупнение верхнего слоя по режи му 2 можно предположительно объяснить тем, что во время осаждени: расширенной вагрузки ревкий нисходящий отток воды значительно быст рее увлекает малоинерционные (мелкие) частицы, чем крупные, и те; самым способствует затягиванию их в нижерасположенные слои. Тако' перемещение мелких частиц 'происходит одновременно по всей высот< расширенного г\лоя. свидетельством чего является уменьшение диаметр, транзитной пори нижнего слоя в сравнении с режимом 1. Осаждение же 1 восходящем потеке убывающей интенсивности (режим 3) наоборот, спо собствует более равномерному вымыванию мелких частиц через расширен ную массу загрузки с последующей их концентрацией в верхних слоях.

Пористость фильтрующих слоев определяли через зависимость коэф фициента фильтрации по Д.М.Минцу и К«,,полученный экспериментальны» путем, приведенной к температуре 10° С

<1г.т3

К® . 5,35'~5---5 , /1/

где d - эквивалентный диаметр, см;

т - пористость слоя загрузки; а - коэффициент формы верна, принимаем

равным 1,2, близкий к окатанным пескам; - динамический коэффициент вязкости, г/см с Следует отметить, что определение пористости по уравнению /1/ носит несколько приближенный характер, так как в этом выражении диаметр частиц принимался как эквивалентный. В реальных же условиях происходит гидравлическая сортировка по высоте фильтрующего слоя со своими значениями эквивалентного диаметра каждого слоя.

Результаты исследований позволили определить зависимость диаметра поры от пористости слоя (коэффициент парной корреляции уравнения й-0,9959)

<1П ■ -35,24146 + 201,0563-то, /2/

где то - пористость в соответствующем слое эагруаки (в долях),

с1п - диаметр транзитной поры, в мк. Для количественной оценки влияния режимов осаждения загрузки в завершение промывки на распределение частиц (разной фракции) по глубине фильтрующего олоя были проведены серии эюзпериментов на производственном водоочистном фильтре. Детальный анализ процесса осаждения позволил сгруппировать представленные семь режимов в основные три режима.

РЕЖММЦ ОСАЖДЕНИЯ ЗАГРУЗКИ

НИСХОДЯЩИМ потоком воды Режим 1 - Осаждение загрувки в течение 9сек.

Режим 4 - Малой интенсивности,осаждение загрувки в течение 30 сек. Режим 7 - Осаждение происходило после избыточного расширения загрувки с частичным выносом мелких фракций в канализацию.

в восходящем потоке воды Режим 6 - Осаждение загрувки в течение 13сек. : ! Режим 2 - Осавдение загрувки в течение 25сек.

в пульсирующем восходящем потоке воды Режим 3 - Осаждение загрузки в течение 60 сек. Пульсация цикличностью 5 сек.

и

Режим 5 - Осаждение загрузки в течение 60 сек. Пульсация цикличностью 10 сек.

Общим критерием надежности полученных результатов являлся баланс масс по фракциям (рис.1).

БАЛАНС МАСС

ЗАГРУЗКА ФИЛЬТРА

Слой 1 (Ь-5см)

Слой 2 (Ь-10см)

Слой 3 (Ь-20см)

Слой 4 (Ь-30см)

Слой 5 (1т-40см)

Слой 6 (Ъ-бОсм)

Слой 7 (И-60см)

Слой 8 (И-70см)

Слой 9 (И-вОсм)

Слой 10(Ь-90см)

Ри Р12 Р13 Р14 Р15 РИ Р1

Р21 Р22 Р23 Р24 Р25 Р26 Р2

Р31 Р32 РЗЗ Р34 Р35 Рзв Рэ

Р41 Р42 Р4Э Р44 Р45 Р46 Р4

Р51 Р52 РЗЗ Р54 Р55 Р56 Р5

Р61 Р62 РбЗ Р64 Р65 Р66 Рб

Р71 Р72 Р73 Р74 Р75 Р76 Р7

Р81 Р82 Р83 Р64 Р85 Р86 Р8

Р01 Р92 Р93 Р94 Р95 Р96 Ро

Р11 Р102 Рюэ РЮ4 Р105 РН Рю

п 12 С3 ТА Е5 Еб м

Рис. 1. Матрица баланса масс фракций вектора столбца

где Р1...Р10 ~ вес пробы песка в слоях фильтрующей загрузки;

...Еб - весовые суммы своих фракций по высоте слоя;

М я £(РОяЕ(Е]) - баланс гранулометрического анализа;

1 - номер строки, определяющий уровень слоя по глубине;

í - номер столбца,характеризующий крупность частиц в каждом уровне слоя;

р1^ - весовое значение фракции в каждой ячейке матрицы.

В основу баланса положен принцип постоянства массы каждой фракции по всей глубине фильтрующего слоя, т.е исключалась возможность выноса частиц во время промывки, а следовательно, послойный отбор проб при гранулометрическом анализе должен давать свои постоянные или наиболее близкие значения масс для каждой фракции при различных режимах осаждения загрузки, т.е.

ПОТОКОМ *

££мгновониов~П5с оттоком~ЗД»осходяам< током • Относительная погрешность каждой фракции по высоте слоя после статистической обрЫотки имеют следующие аначения : 8 - 2,151 (для Е1-фракция 3 мм); 8 - 2.93Х (для Ее-фрвкцкя 2,5 км); в - 1,271 (для ЕЗ-фракция 2 мм); б -0,4371 (для £4-фракция 1,0 ш); 8 - 2.15Х (для Е5 - О.вЗ ш); 9 - 0,БЗХ (для ББ-фракция 0.5 ш). Обработка ревультатов послойной выборки грунта усредненной 5-кратной повторноети для каждого режима осаждения проивводилась вычислением средневзвешенного диаметра по каждому слою. Средневввевен-ный диаметр - средний диаметр вавешенкых оотатков соответствующих сит определялся для каждого слоя по формуле /3/

Р11<1з+Р12С12.5+Р1Э<12+Р14<11+Р15С1о.вЗ+Р1в<1о.5 ЕСРи«1!)

с!ср к - « - , /3/

Е Р1 U3i

I

где Рц - весовое значение 3-й фракции в 1-ом алое ; с!^ - размер соответствующего оита; Р( - вес всего образца в слое.

Диаметр транзитных пор (по входному Б-сантиметровому слою) для различных режимов осаждения вагрувки определялся по формуле /4/, где диаметр частицы с1ч принимали черев средневзвешенный диаметр

<}п » 0.154 ¿ч /4/

Основными показателями эффективности режима осаждения вагрувки являлись степень укрупнении среднего диаметра частиц верхнего фильтрующего' слоя. Степень' укрупнения диаметра частиц входного фильтрующего слоя оценивалась относительны* аффектом укрупнения диаметра, определяемый, (X), ив выражения /5/

асЛ<1сР»ОСХОЛ

^Восход

100 , /Б/

где (1СрМ - средний диаметр верхнего слоя для осаждения вагруоки в завершение промывки по Ы-му режиму; ¿ср000*0®, - минимальное значение среднего диаметра верхнего слоя

для загрузки осажденной в восходящей потоке воды. Оценку степени неоднородности вагрувки * при различных режимах осаждения загрузки определяли по формуле /б/

Г d3KB-]2 h20-Lo ф „--=- /6,

1 йго -I h'l-го

где Lo - начальная высота слоя;

1_20 - толщина слоя вагрувки, равная 207. полной высоты аагрузь h - потери напора в загрузке;

hgo ~ потери напора в верхнем 207. ном слое загрузки; d2o - средний диаметр зёрен первого по ходу воды слоя загрузи толщиной равной ZOX полной высоты загрузки. Относительный эффект укрупнения диаметра и степень неоднорол ности по режимам осаждения загрузки для dÖKB-l,l мм и Кн - 1,56 кме ют следующие значения:

Режимы Эффект Степень

осаждения укрупнения неоднородности

Режим 7 - Э - 37,87* 1,283 Осаждение загрузки

Режим 1 - Э - 31.13Х 1,445 нисходящим потоком воды

Режим 4 - Э - 22.23Z 1,643

Режим 3 Э - 17.64Z 1,739 Осаждение загрузки

Режим 6 - Э - 13.63Х 1,667 в восходящем и пульсирующем

Режим 5 - Э - 9.47Х 1,602 потоке воды

Режим 2 - Э - 0,0 7. 1,009

Анализ режимов осаждения показывает :

режим аавершения промывки 7 - это пробный экспериментальны вариант, при котором происходило резкое увеличение давления в бак запаса чистой воды, сопровождавшееся мощным промывным потоком с вы носом частиц загрузки иа фильтра (этот вариант из анализа исключал ся);

в режиме 2 (см.рис.2) закономерно прослеживается гидравличес кая сортировка частиц с неравномерным их укрупнением в нижерасполо женные слои и формированием на поверхности фильтрующего слоя загруз ки мелкозернистой фракции;

наиболее идеальная раскладка зерен по слоям, присущая толь к. режиму ^характеризует высокую степень усреднения гранулометрические кривых неоднородной загрузки по высоте (см. рис. 3);

полученные кривые послойного гранулометрического состава пр| различных режимах осаждения расширенной загрузки позволяют выделит] два важных ключевых момента: ускоренное осаждение зерен |пк:ходящш потоком воды укрупняет верхний слой, а замедление осаждении восходя щим потоком воды только нижний слой.

lOO

90

^<50 0«

У 60

50

> чо 2 зо 20 <0 о

I

/ f

Á

/ /

¿V У/л

/ Л г /Ж

/. у4 Ч-Ю.

j //

и / *

ASO

1.00

tío

2,00

2.SO

ÍOO

Рио. 2. Зерновые составы проб загрузки,взятой поолойно

после осаждения, по режиму 2 о различной глубины: i 1-е поверхности; 2-е Ь-10 ом; 3 - O h-20 ом; 4-е h-ЭО см; Б - о Ь-40см.....10 - о h-90 см.

%

too 90 АО

1 70

3 60 щ

Í5Q

К

о

5 Зо

8 20 %

о

1,2, Л

3.45

г 4 зыо

т

0.50

ÍOO

i,50

2.00

2.50

3,00

Рис. 3. Зерновые составы проб аагрувки.вэятой послойно

после осаждения, по режиму 1 о различной глубины: 1-е поверхности; 2-0 hrlO см; 3 - о h-20 см; 4-е h-ЗО см; 6 - с ь-40см.....10 - о h-90 СМ.

ш

Как показали пробные опыты, на время осаждения частиц загрузки оказывают влияние режимы осаждения и условия их проведения. Например, режим осаждения в восходящем потоке можно выполнять с различной длительностью по времени, а рржим осаждения нисходящим потоком воды - при разных соотношениях диаметра фильтровальной колонны к диаметру отводящего патрубка. Кроме того, на условия стесненного осаждения, как известно, оказывают влияние вязкость воды и степень расширенного слоя (пористость взвешенного слоя).

Поэтому для исследоппний был введен единый критерий, характеризующий однородность режим/v осаждения загрузок разной крупности.

Критерием однородности режима осаждения был обозначен параметр Кос. который определяли из выражения

t-oc'daKa

Кос ■----• /

е

где t0c время осаждения (при различных режимах) расширенной загрузки в плотное состояние, сек; dSKB - эквивалентный диаметр верен песка, мм; е - расширения песка, Z .

Режим осаждения нисходящим потоком исследовался на модели установки при различных соотношениях К^ « D/d ( диаметра фильтровальной колонны D к диаметру отводящего патрубка d) и соответственно принимался в исследованиях равным К^ - 6; 0; 12; 24.

Продолжительность осаждения загрузок различных эквивалентных диаметров между собой имеют хорошую корреляционную связь и описываются следующими уравнениями (после сплайн-аппроксимации на ЭВМ ):

г 0,605314 -I

tur • 0,113928-ехр - при коэф.регрессии R-0,993

1 datai J

г 0,557102 1

t0T » 0,059063-exp —:- при коэф.регрессии R-0,931

1 d3KB J

г 0,558575 -,

tB * 0,199058-exp - при коэф.регрессии R-0,991

1 dat<B ->

где tMr,t0T.tB - время осаждения вагрузки при мгновенном прекращении подачи промывной воды, принудительным нисходящим потоком вод! и в условиях встречного восходящего потока воды аатухающей интенсивности.

В результате исследований были получены эмпирические зависимости d-f(t), устанавливающие влияние продолжительности осаждения загрузки о эквивалентным диаметром 1,51 мм в завершение промывки на изменение средневзвешенного диаметра по верхнему (1-саитиметровому) и нижнему (90-сантиметровому) слоям.

exp(0,982t)

По верхнему слою

По нижнему слою

d - 0,6359 ♦

tl.0B 1

+ la (t0-02)

r -t0'39 i

0.67 + 0,36-t1-22-exp -

1- 0,73 -1

где с1 - средневзвешенный диаметр частиц кварцевого песка, мы; I - продолжительность отстаивания загрузки, сек. Значения критерия Кос в экспериментах приведены в таблице 2.

Таблица 2

dsKB • мм Кос

Режимы осаждения

С оттоком Спонтанное В восходящем потоке

0,250 0,414 1,100 1,510 0,310 0,750 1,075 0,351 0,600 0,910 0,330 — 0,920 0,352 0,805 1,250

Режим осаждения загрузки в зависимости от времени ее отстаивания количественно меняет распределение частиц по крупности в каждом слое. Обработку экспериментальных данных выполняли в координатах (У-Кос) (см рис 4):

<Ю " 9 г^8к» I2

у •> - , <?о * --/в/

| 1 ?о - 1 1 <Но 1

где »о _ неоднородность идеально отсортированной загрузки

(определяют по результатам гранулометрического анализа) с1ю ~ диаметр зерен, соответствующих 101 калибру загрузки,мм Комплекс у в меньшей степени, чем 9 зависит от максимальной неоднородности » и поэтому является более объективной характеристикой. Кроме того величина у ивмеияется в пределах от О до 1: действительно если перемешивание отсутствует, то * • ?о и у « О, а при

полном перемешивании » » 1 и у ■ 1. Это создает определенные преимущества при сравнении различных загрузок о разными «о» а также при обработке результатов экспериментов.

о,в

0,7 0.6 0,5 о, 4

\ \

л -V»- ч, 151« ч

N \ \

¿уел 1.1* 1 1

% 1«V

с/*га" / 0,25н * х

N

\ос

0.5 ОЧ 0,5 о,6 0,7 ав ав -».О 1,1 1,2

Рис. Зависимость у « Г (Кос) степени перемешивания от критерия однородности режима осаждения

Для всех эквивалентных диаметров фильтрующей загрузки степень перемешивания у уменьшается о переходом режима ооаждения с нисходящего потока Кос-0,31-0,352 через промежуточный режим спонтанного осаждения Кос-0.6-0,8,и завершается осаждением в восходящем потоке Кос-0.01-1,26 (см рис.4).

Как показали исследования, режимы осаждения загрузки (нисходящим потоком воды, в восходящем потоке, самопроизвольное, в импульсном цикле и т.д.) в завершение промывки позволяют эффективно управлять раскладкой зерен, оообенно верхнего входного фильтрующего сдоя (О...0,2 м) и тем оаьым регулировать его крупнооть. Авалю пробного фильтрования воды черев загрузку, осажденную наиболее показательными режимами, показывает, что на продолжительность вацктного действия загрузки влияет перераспределение верен по крупности в толща фильтрующего слоя, при атом изменяется прирост потери капора в слоях и динамика накопления осадка. Так, при осаждении неоднородной вагрузки принудительным нисходящим потоком воды укрупняется верхний входной фильтрующий сдой за счет перемещения более мелких чаотиц (менее инерционных) в глубину осаждающегося сдоя. При фильтровании воды черва такую загрузку происходит вашдамлекие верхнего £0-сантиметрового слоя, ко с меньшим темпом прироста потери капора и после его насыще-

ния менее прочный осадок перемещается в нижераснолиженный <:л>"'й,оЛи гащенный (во время (л\члл''ния) мелкими чл:тиц;1ми. В улчино выделен ном втором 20-сантим •;-люм слое (по движению поди) присутствующие мелкие частицы, конт. «руя с более крупными, обрг^ухп- компактную укладку верен с максимальном количеством тпч'-к их > чц'ию >• ■(« чнм'ий. что улучшает адсорбционные свойства. П оледуюпдех слонх нпЛлида'-т^я такая же картина, но в меньшей степени, так как зависит от ги'рионл чального проникновения мелких фракций в глубину слоя но пр^мя завер шения промывки. Таким образом обеспечивается увеличение грнзеомкости фильтрующих слоев скорого однослойного фильтра и продолжительность защитного действия самой загрузки.

Обработка экспериментальных данных была произведена по методике, предложенной Д.М.Минцем, но с учетом упрощений, внесенных В.З.Мель-цером. Результаты исследований приводятся п таблице 3,4 .

Таблица 3

Режим Коэф.пере -осаждения меягивакия

Спонтанное 1,58 Отток «<1-12 1,31 Отток | 1,21

0,125 0,125 0.125

10

0,126 0.118 0,115

ь/ь

м/ч

0,19?

0,13? 0.079

*0 м

0, 22П

О. 1УС

о ,з?2

п

(опит.)

0,009

О. («7 0,0411

Режим ч а/Ь, м/ч Г(Д) Л

осаждения опит расчет м 1 опыт расчет м/ч

Спонтанное 7.5 11,1 11,40 о.о т 0,047 И. 34 0, г, Г)

Отток К^=,12 8,0 8,26 13,13 0,067 0,005 13,22 0, 04

Отток На.6 14 14,05 6,98 0,030 0,030 1Н.92 0,71

В вавершении каждого опыта определяли грязеомкость в^рхнто 5-ти сантиметрового фильтрующего слои и всей загрупки по слоям (про изводили выемку слоя, отмучивали, просушивали и взвешивали), .

Таблица 4

Глубина Режимы осаждения загрузки Г?/Г1

слоя, в стоячей воде нисходящим потоком

м Гг Г2

0,05 0,228 0,080 0,3.'./

0,20 0,137 0.5ПЗ 4. с:-.

0,40 0.031 0,1 п. 3,71

0,60 0,021 0,063, :;, П1)

0,80 0,017 0,03!. 2.03

1,00 0,014 0,026 1

Е 0,45 Е 0,85

Уменьшение грязеёмкооти верхнего фильтрующего слоя кварцевой загрузки осажденной нисходящим потоком воды объясняется тем, что во время фильтрования воды взвесь в меньшей степени задерживается в укрупненном верхним сдое, а транспортируется в глубину аагрузки. При этом соотношение грязеемкостей Г2/Г1 составляет 0,38 , а прирост потери напора (верхнего слоя) уменьшился в 4,7 pasa.

Как показывают результаты исследований, при фильтровании воды (мутности 12 мг/л, скорости фильтрования б и/ч) черев кварцевую фильтрующую загрузку (deKa -1 мм о присутствующими мелкими индикаторами до 51 от объема загруаки), ооажденную нисходящим потоком воды, грязеемкость всей еагрувки увеличилась в 1,88 раз по сравнению с загрузкой, осажденной в стоячей воде.

Технико-экономический расчет годовой экономии воды на водоочистном фильтре показал:

Технологический процеоо фильтрования воды сверху вниз, на кварцевой загрузке осажденной шюадищ потоком воды в заве роение промывки по сравнению с традиционным фильтрованием на скором фильтре той же загруаки, опоитаюю nowmwrtl, позволяет экономить в сутки 1 промывку.

При производительности установки 77015 м3/ГОд экономия воды эа год составляет 3285 мэ, прибавка чиотой воды - 4077 м3, т.е. получаем экономию воды (дополнительной чиотой воды) за год 6.2ÖZ.

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ

1. Широко применяемые в нштоящее время в сиотемах водоснабжении и орошения водоочистные фильтры о кварцевой загрузкой имеют недостаток, заключающийся в насыщенности входных слоев пеока мелкой фракцией в результате его промывки, что препятствует аффективной работе фильтрующей вагрувки и значительно снижает производительность фильтров. Поэтому устранение этого недостатка является актуахьиш.

2. Укрупнение входных сдоев верен фильтрующей вагрувки достигнуто гидравлическим методом управления продолжительностью осаждения ве^ен.

3. Из многих исследованных условий осаждения наиболее аффективными по влиянию на крупность эерен входных слоев оказались следующие

ускорение осаждения няоходяцнм погонам воды; замедление осаадеюи восходящим потопом воды; самопроизвольное осаждение после мгновенного прекращения подучи промывной воды.

4. Эноперммевтажьншя аооледоввнкяых уставоывна вавкоимооть продопитедьнооти осаждения кмрцевого песка от вквмвавентного диаметра его верен и условий осаждения.

Получены соответствующие вмлирические формулы для песка о эквивалентным диаметром верен 0,414 м* и 1,51 ш.

5. Ускорение осаждения ниоходяяим потоком воды верен deK»-0,4l4 1,51 tai, применяемого в фильтрах ниоходищего фильтрования, вывивает укрупнение верхнего входного З-оанфшетрового слое в 1,15 рае для dBK,- 1,1 мм и 1,2 pasa для dSK»-l,51 ьм отиооительно самопроизвольного осаждения.

6. Замедление осаждения восходящим потопом воды верен dBKB -0,414 мы, применяемого в фкльтрах восходящего фильтрования вывивает укрупнение нижнего входного слоя в 1,15 рав относительно самопроизвольного осаждения. ,

7. Экспертентахьно устаяовлево, что ускорение ооажденжя ваг. рувкм нмсходящм погоном воды увеличивает продолжхтелввоотв помвно-

го фильтрована« в 1,86 рав. Теоретически докаааио, что а тот коэффициент может достигать в качений з м более в вависшости от кшршы фильтрующего 'слоя, следовательно, прибыль по чистой воде мажет достигать Б-15Х.

8. В настоящее время метод ускорения ооажденхя фильтрующей нагрузки иопольвувтоа во внедряема в производство автоматических водоочистных фильтрах по патенту Ю.А.Мцмою К 2033841 (Р®)

9. Рекомендуется испольвовать метод уоиореняого ооажденхя ваг-рувкм нисходящим потогам воды ва водоочистных фильтрах нисходящего фильтрования, а метод вамвдмвж ооаждвния вагрувкя вооходящш потоком воды ва фильтрах восходящего фильтрования.

Роялти июни диоовршри onyfl—imnini в ицуящ работах:

1. Динамика, регулирование я математическое моделирование гря-вебмкости фильтров автоматов оствм водоснабжения //Об. науч. тр. Т. LXXXIY, /Волгоградски* СХИ. Волгоград, 1884. С. 29-40 (оовмеотво с Ю.А.Ицэшаэ, В.Т.ДаевшО.

2. Методика определения гидравлического сопротивления тракте формирования отложений в фильтрующих материалах // 00. науч. тр. Режим оровенкя опоообы я техника полива сельскохозяйственных культур м их совершенствование. Волгоград, 1086., С. 124-127.

3. Результаты исследований фильтра регулируемой гряаебмпооти /Сб. науч.тр. Прогрессивные технологии ороаения сельскохозяйственных культур. .Волгоград. ,1089, ВСХИ С. 144-149.

4. Влияние промывки фильтра регулируемой грявеАмкооти на процесс фильтрования // Об.науч. тр. Водооберегапде технологии оросительных мелиораций . Волгоград, ВСХИ, 1093. С. 181-164.

5. Раскладка зёрен загрузки водоочистных фильтров в результате различных режимов промывки // Тезисы докладов 1 межвузовской научно-практической конференции молодых ученых Волгоградской области. Волгоград, ВСХ*. 1004. С.74-82 (совместно о О.С.Гапоново* и др.).

I 6. Управление осаждением поевдоопиенвоД массы песка в шднооти /Доклады Роооельхоаакадемии. 1006. КЗ. С. 42-43. (оовмеотво о Ю.А.Ивенко).

Формат 60*80. 1/16. Уч.-ивд. л. 1. Тир. 100.