Высокоэффективный и надежный фильтр для очистки воды

Предложено новое конструктивное решение фильтра, который применим при очистке воды для нужд населения и промышленного водоснабжения, но может быть использован и для очистки от грубо- и мелкодисперсных взвесей различных жидкостей, например, для осветления вин и соков в пищевой промышленности.

Напорные фильтры, используемые в промышленном водоснабжении для удаления осадков, обычно имеют цилиндрическую форму корпуса с выпуклыми (эллиптическими) верхней и нижней частями [1]. Они представляют собой закрытые резервуары, изготовленные из стали толщиной до 10 мм и рассчитанные на рабочее давление до 588 кПа. Эти фильтры имеют дренажную систему в виде горизонтально расположенной трубчатой магистрали с ответвлениями, снабженными фарфоровыми и пластмассовыми дренажными колпачками или щелями. В фильтрах имеется фильтрующий слой (песок или другая зернистая загрузка), задерживающий частицы осадка, устройства для сбора фильтрата и отвода промывной воды, арматура для подвода и отвода фильтруемой воды, а также устройства для подачи промывной воды и воздуха. Основным недостатком таких фильтров является сложность их конструкции (как при изготовлении, так и при использовании) и большая металлоемкость. Как правило, эти фильтры не могут в достаточной степени очистить воду (особенно в Западно-Сибирском регионе), где главным загрязнителем подземных вод является железо. Это связано с неравномерным распределением очищаемой воды между зернами загрузки, проскоком частиц мелкодисперсного оксидно-гидроксидного осадка, а также с плохой работой дренажно-распределительной системы, не обеспечивающей интенсивную промывку (регенерацию) загрузки.

Анализ научно-технической информации показывает, что для улучшения конструкции фильтров предпринимаются такие усовершенствования, как особое выполнение дренажных колпачков и их взаимное расположение, а также изогнутая форма промежуточного днища. Действие пристеночного эффекта в периферийной и центральной зонах фильтра снижается за счет использования центральной трубы с воронкой [2,3]. Разработаны фильтры с корпусом, разделенным горизонтальными перегородками на камеры, заполненные зернистой загрузкой, сложной системой распределения исходной и сбора промывной жидкости [4].

Повышение эффективности очистки воды, как правило, достигается путем усовершенствования системы промывки (регенерации) фильтров: изменяют конструкцию фильтра или условия и режим его работы [4-6]. Однако зачастую это сопряжено с усложнением конструкции фильтров, что снижает их надежность и увеличивает металлоемкость. Недостатком известных фильтров является также унос зерен фильтрующего материала, что приводит к необходимости периодически останавливать фильтр для досыпки загрузки и восстановления нормативной высоты фильтрующего слоя и делает их неэкономичными.

Авторами была поставлена задача создать простой по конструкции, экономичный, обладающий низкой материалоемкостью, но одновременно надежный высокоэффективный фильтр. Этим условиям удовлетворяет фильтр, показанный на рисунке.

Фильтр работает следующим образом. Предварительно обработанная окислителем (воздухом, озоном и т.п.) очищаемая вода насосом (не показан) подается на фильтрацию через обратный клапан (не показан). Вода поступает по патрубку 8 в верхнюю сборно-распределительную систему, включающую перфорированные трубы 4. Сборно-распределительная система представляет собой несколько (от 3 до 6) вертикальных труб с равномерно расположенными отверстиями, которые находятся в ограниченном стенками конуса пространстве. Назначение этой системы - диспергирование потока входящей воды в горизонтальной плоскости с целью создания равномерной подачи воды на зернистую загрузку. Конус является отражающей поверхностью при движении воды. Вылетающие из отверстий в трубах струи воды ударяются о стенки конуса и разбиваются на еще более мелкие. Это позволяет создать равномерную нагрузку на всю площадь фильтра, что способствует повышению эффективности фильтрования.

Вода освобождается от твердых частиц загрязнителей, проходя через зернистую фильтрующую загрузку 5, представляющую сыпучий материал, например, альбитофир с крупностью зерен от 0,63 до 2,00 мм. Высота слоя загрузки составляет 1,5-1,8 м. Загрузка закреплена между двумя сетчатыми перегородками 6. Материалом для сетки является нержавеющая сталь, размер ячейки - 0,3 мм. Сетка служит не только для удерживания зерен загрузки, и препятствует их выносу, но и способствует равномерному распределению потока воды по всей поверхности зерен загрузки при фильтрации и при регенерации. Перфорированные трубы 4 сборно-распределительной системы служат не только для диспергирования воды, но и осуществляют поддержку сетчатых перегородок с загрузкой, играя роль опор.

Нижняя сборно-распределительная система является полным аналогом верхней. Их функции при очистке воды и промывке фильтрующей загрузки от накопившегося осадка противоположны. В режиме фильтрации поток очищаемой воды поступает через патрубок 8, и движется сверху вниз, а в режиме промывки (регенерации) - через патрубок 9 и движется снизу вверх. Трубы 4 крышки 2 играют распределительную роль при работе в режиме фильтрации и служат для сбора промывной воды при регенерации фильтра. Трубы 4 днища 3 играют распределительную роль при работе в режиме регенерации и служат для сбора очищенной воды (фильтрата) при фильтровании.

После прохождения слоя фильтрующей загрузки очищенная вода через нижний патрубок 9 и нормально открытый гидроклапан (не показан) поступает в накопитель чистой воды (не показан), из которого отводится потребителю. Очищенная вода из накопителя расходуется также на промывку при регенерации загрузки.

При промывке фильтра включается насос (не показан), с помощью которого промывная вода подается в корпус фильтра по патрубку 9. При движении воды снизу вверх из загрузки 5 вымываются накопившиеся частицы загрязнителей. Образующаяся взвесь отводится из фильтра по трубе в канализацию.

Для повышения механической прочности корпуса фильтра, а также для исключения пристеночного эффекта, часто возникающего в других конструкциях фильтров в результате стремления жидкости выбрать наиболее легкий путь при движении через плотные слои зернистого материала, в рассматриваемом фильтре внутри цилиндрической части корпуса выполнены бандажные кольца.

Фильтр успешно прошел необходимые производственные испытания. В настоящее время более 10 таких фильтров работают в составе водоочистных станций "Надежда" на ряде объектов, в том числе в г. Томске (предприятия "Сибэлектромотор", "Сибкабель", "Карьероуправление", "Хладокомбинат") и в Томском районе (оздоровительные комплексы "Здоровье", "Прометей", "Энергетик"). В таблице представлены результаты, позволяющие сопоставить химические показатели качества воды до и после очистки. Вода аэрировалась, обрабатывалась озоном и фильтровалась на описанном выше фильтре, заполненном кварцевым песком и его заменителем - альбитофиром. Химико-аналитические исследования показывают, что достигнута высокая степень очистки воды от таких загрязнителей, как железо, марганец, органические вещества, существенно снижается мутность воды, наблюдается полное обесцвечивание.