Результат интеллектуальной деятельности: ВОДООЧИСТНАЯ СТАНЦИЯ НА БАЗЕ ТЕХНОЛОГИИ ДЕЛЬТА-ФИЛЬТРОВАНИЯ

Изобретение относится к области водоснабжения, а также экологии и химпрома, может использоваться в системах улучшения качества воды и других жидкостей в ресурсосберегающих режимах, например при реагентном и безреагентном осветлении, обесцвечивании, обезжелезивании и комплексной очистке, стабилизационной обработке воды для защиты металлических труб от коррозии и образования коррозионных отложений.

Известна водоочистная станция на базе технологии дельта-фильтрования, включающая фильтр с зернистой загрузкой, под которой размещены обратный фильтр и водораспределительная система, трубы исходной воды и отвода фильтрата, трубу промывной воды и трубу структуризации (структурирования) загрузки с запорным клапаном, бак для воды, засасываемой в него из загрузки в процессе структурирования нисходящим потоком под действием вакуума (RU 2183492 С1 7, B01D 24/46, 20.06.02). Структурированная загрузка при скоростях фильтрования в среднем 4,5 м/ч (до 8,5 м/ч) осветляет воду в безреагентном режиме так же глубоко, как при тех же затратах энергии в реагентном режиме гравитационно осажденная загрузка (Ю.А. Ищенко. Системы водоснабжения, экология: патентованные решения коренных проблем водоочистки. Изд. ВГСХА, 1995, с. 20-23-46, рис. 8; с. 7, рис. 1), и на ~40% обесцвечивает воду от коллоидных наночастиц крупностью 1-100 нм и микрочастиц пористыми наноструктурами, сформированными микро- и наночастицами примесей вокруг точек контакта зерен загрузки; в реагентном режиме затраты меньше: энергии - в 3 раза, воды на промывку загрузки - в 2 раза.

Суть технологии дельта-фильтрования состоит «в упорядочении раскладки окатанных зерен песчаной загрузки в завершении промывки фильтра, придании этим фактом главенствующей роли в фильтровальном извлечении примесных микро- и наночастиц из воды … особой форме пор вокруг точек взаимного контакта зерен песка и частиц в образующейся среде нанопористых отложений, где микро- и наночастицы фиксируются приумноженными силами адгезии и аутогезии» (ж-л «Водоснабжение и канализация», 2009, №6, с. 90); а упорядочение раскладки зерен ведется структурированием загрузки путем «принудительного ускорения осаждения псевдоожиженной массы песка интенсивным нисходящим потоком воды, в результате которого фракции оказываются распределенными в толще песка в инвертированной или близко к ней последовательности» (монография Ю.А. Ищенко. Явление и технология дельта-фильтрования природных и сточных вод. ВГСХА, 1997, с. 209, верхний абзац; рис. 56: сверху - крупные, слой а; ниже - помельче, слой б).

Технический недостаток известной станции: для осуществления промывки зернистой загрузки фильтратом требуется оснащение станции баком фильтрата, располагаемым выше фильтра, что требует высокого здания для его размещения или водонапорной башни. В других случаях высотного расположения бака требуется промывной насос между баком и фильтром. Все это усложняет станцию. Кроме того, для минимизации коррозии металлических труб водоводов и разводящей сети требуются химические анализы и вычисления для корректировки доз реагентов, нет наглядности коррозии, не автоматизирован процесс усиления структурирования загрузки путем полного перекрытия трубы промывной воды для исключения подсасывания ее в бак в ходе структурирования, фильтрат не защищен от срывающихся с зернистой загрузки частиц и от остаточных в воде флокулянта и коагулянта, а также их примесей.

Наиболее близким к заявляемому изобретению по технической сущности и решаемой задаче является водоочистная станция на базе технологии дельта-фильтрования, включающая напорный фильтр с зернистой загрузкой, под которой размещены обратный фильтр и водораспределительная система, вантузом, камерой реакций, центральной трубой с воронкой и запорным клапаном, трубу исходной воды с узлом ввода химреагентов и соосным с центральной трубой соплом, бак фильтрата с водообменным отверстием, воздухообменной трубкой с вентилем, водоотводом с затвором, средства контроля качества фильтрата (RU 2033841 С1 6 B01D 24/48, 30.04.95).

Технический недостаток прототипа: расположенный над фильтром бак фильтрата как запаса промывной воды делает станцию значительной высоты (около 5 м и более), нужны несущие опоры для бака фильтрата, сложность обвязки станции трубами, наличие водоотвода в виде гидравлического затвора с баком чистой воды и переливным порогом, что в целом усложняет станцию и делает ее дорогой по капитальным вложениям; недостаточная эффективность использования исходной воды в период промывки загрузки (лишь предупреждает заиливание канализации); кроме того, станция недостаточно компактна и обладает существенными потерями напора (энергии) на водообменном отверстии между фильтром и баком фильтрата, для минимизации коррозии металлических труб водоводов и разводящей сети требуются химические анализы и вычисления на их основе для корректировки доз реагентов, нет наглядности коррозии, не автоматизирован процесс усиления структурирования загрузки путем полного перекрытия воздухообменной трубки для исключения поступления воздуха в бак фильтрата в ходе структурирования, фильтрат не защищен от срывающихся с зернистой загрузки частиц и от остаточных в воде флокулянта и коагулянта, а также их примесей.

Техническая задача: уменьшение высоты, снижение массы и упрощение станции, обеспечение возможности размещения бака фильтрата в широком диапазоне высот относительно основания фильтра, в том числе ниже него, снижение капитальных вложений, повышение эффективности использования исходной воды в период промывки зернистой загрузки; кроме того, повышение компактности станции и уменьшение потерь напора на водообменном отверстии, обеспечение наглядного сравнения коррозии металлических труб фильтратом, исходной и эталонной водой, упрощение изготовления образцов трубного металла, автоматизация корректировки работы узла ввода химреагентов, автоматизация процесса усиления структурирования загрузки, повышение качества фильтрата.

Согласно изобретению в водоочистной станции на базе технологии дельта-фильтрования, включающей напорный фильтр с зернистой загрузкой, под которой размещены обратный фильтр и водораспределительная система, вантузом, камерой реакций, центральной трубой с воронкой и запорным клапаном, трубу исходной воды с узлом ввода химреагентов и соосным с центральной трубой соплом, бак фильтрата с водообменным отверстием, воздухообменной трубкой с вентилем, водоотводом с затвором, средства контроля качества фильтрата, вантуз снабжен нормально закрытым обратным клапаном, воздухообменная трубка содержит вантуз, затвор выполнен в виде обратного клапана, сопло трубы исходной воды заглублено в центральную трубу.

Предпочтительно напорный фильтр размещен в баке фильтрата, водообменное отверстие выполнено в виде кольцевого окна.

Для широко распространенных естественных и технологических условий, вызывающих повышенную коррозионность воды:

станция содержит в составе средств контроля качества фильтрата стенд сравнения коррозии образцов трубного металла фильтратом, исходной и эталонной водой, включающего компьютер, сканер и чашки Петри с образцами трубного металла, залитых фильтратом, исходной и эталонной водой для периодической регистрации в ультрафиолетовом свете сканера и демонстрации на экране компьютера, в т.ч. в анимационном представлении, динамичного облака веществ коррозии вокруг образцов трубного металла;

образцы трубной стали выполнены в виде одинаковых по габаритам стержней из проволоки или гвоздей соответствующей марки стали, предварительно выдержанных в травильном растворе до полного снятия с их поверхностей металлического антикоррозионного слоя;

станция содержит контроллер с линией управления узлом ввода химреагентов по сигналам со стенда, связанного пробоподающими трактами с источниками фильтрата, исходной и эталонной воды на станции.

Кроме того, станция содержит на воздухообменной трубке нормально открытый клапан с приводом и таймером продолжительности закрытого состояния, датчик начала структурирования фильтрующей загрузки с сигнальной линией к приводу; бак фильтрата оснащен над водообменным отверстием гофрированным микропористым фильтром; гофрированный микропористый фильтр выполнен из нерастворимого электропроводного материала и является электродом, образующим в баке фильтрата в паре с донным электродом и внешним источником тока цепь электрофореза.

На фиг. 1 показана водоочистная станция на базе технологии дельта-фильтрования, общий вид.

Водоочистная станция на базе технологии дельта-фильтрования содержит напорный фильтр с зернистой загрузкой 1, обратным фильтром 2 (например, известными гравийным, колпачковым, щелевым, из пористых плит), водораспределительной системой 3, вантузом 4, камерой реакций 5, центральной трубой 6 с воронкой 7 и запорным клапаном 8, который может быть автоматическим, например неравноплечим с уплотнителем 9 и фиксатором 10, или управляемым оператором.

Станция содержит также трубу подачи исходной воды 11 с размещенным на ней узлом ввода химреагентов 12 и соплом 13, заглубленным в центральную трубу 6; бак фильтрата 14 с водоотводом 15, водообменным отверстием 16 и воздухообменной трубкой 17 с вентилем 21; средства контроля качества фильтрата 22; водоотвод 15 содержит затвор в виде обратного клапана 18, вантуз 4 снабжен нормально закрытым обратным клапаном 19, воздухообменная трубка 17 снабжена вантузом 20.

На фиг. 2 показано предпочтительное компактное размещение напорного фильтра 1 станции в баке фильтрата 14. При этом водообменное отверстие 16 выполнено в виде кольцевого окна.

В составе средств контроля качества фильтрата 22 содержится стенд 23 сравнения коррозии образцов трубного металла, включающий компьютер, сканер и на его предметном стекле чашки Петри 25, 26 и 27 с образцами трубного металла 24, залитых фильтратом, исходной и эталонной водой для периодической регистрации в ультрафиолетовом свете сканера и демонстрации на экране компьютера, в том числе в анимационном представлении, динамичного облака веществ коррозии вокруг образцов 24; стенд 23 связан пробоподающими трактами 28, 29 и 30 с источниками фильтрата - баком фильтрата 14, исходной воды - трубой исходной воды 11, эталонной воды, например дистиллированной, - сосудом 31; контроллер 32 связан линией управления 33 с узлом ввода химреагентов 12 и стендом 23.

Поскольку для водоводов и разводящих сетей применяют металлические трубы из стали и чугуна с приблизительно одинаковыми коррозионными свойствами, причем чугун несколько более коррозионно устойчив, то в запас исследований коррозии принята в качестве трубного металла сталь, которая применяется также для изготовления проволоки и гвоздей. Это обстоятельство позволяет упростить изготовление из них образцов 24.

Кроме того, станция содержит на воздухообменной трубке 17 нормально открытый клапан 34 с приводом и таймером продолжительности закрытого состояния, датчик начала структурирования 35 фильтрующей загрузки 1 с сигнальной линией 36 к клапану 34; бак фильтрата 14 оснащен над водообменным отверстием 16 гофрированным микропористым фильтром 37, обладающим благодаря гофрам повышенной площадью и, следовательно, пониженным гидравлическим сопротивлением для прямого и обратного потоков воды, а также донным электродом 38; содержит источник тока 39.

В исходном положении зернистая загрузка 1 размещена в плотном состоянии на обратном фильтре 2, препятствующем просыпанию зерен загрузки 1 в водораспределительную систему 3. Запорный клапан 8 находится в горизонтальном закрытом положении и зафиксирован фиксатором 10. Вентиль 21 на воздухообменной трубке 17 прецизионно отрегулирован на впуск в бак 14 через вантуз 20 воздуха с расходом, равным промывному расходу воды в конце промывки фильтрующей загрузки 1, обеспечивающего расширение загрузки 1 для ее «кипения» в псевдоожиженном состоянии. Обратные клапаны 18 и 19 находятся в нормально закрытом состоянии. Полости элементов 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 11, 12, 13, 14, 15, 17, 20 заполнены воздухом; чашки Петри 25, 26 и 27 с образцами трубного металла 24 сухие. Узел ввода химреагентов 12 выключен.

Водоочистная станция на базе технологии дельта-фильтрования работает в одном подготовительном периоде и трех далее последовательно повторяющихся основных периодах:

- подготовительный период: он заключается в подаче на станцию исходной воды по трубе 11 с пониженной скоростью фильтрования для получения первоначального фильтрата, заполнении им бака 14 на весь объем, необходимый на последующую первую промывку зернистой загрузки 1;

- период промывки загрузки 1 и формирования вакуума в баке 14;

- период структурирования загрузки 1 засосом воды из нее в бак 14;

- период фильтрования до полного заполнения фильтратом бака 14 с отводом его далее через водоотвод 15 и обратный клапан 18 в систему водоснабжения. Этот период связан с предварительным изготовлением образцов трубного металла 24 и сопровождается наглядным сравнением на стенде 23 их коррозии фильтратом, исходной и эталонной водой, а также автоматической корректировкой работы узла ввода химреагентов 12.

В подготовительном периоде исходная вода подается с небольшим расходом по трубе 11 через узел ввода химреагентов 12 и сопло 13 в трубу 6 с выходом через воронку 7 в камеру реакций 5. Узел ввода химреагентов 12 включают в работу по необходимости, в зависимости от вида загрязнений и их концентрации в исходной воде. Проходя в порах зернистой загрузки 1 вниз, вода очищается в ней, и фильтрат поступает через обратный фильтр 2 в водораспределительную систему 3, откуда отводится под напором через водоотводящее отверстие 16 в бак 14. При этом воздух вытесняется из бака 14 по воздухообменной трубке 17 через вантуз 20 и вентиль 21 в атмосферу. После заполнения фильтратом бака 14 станция готова для работы в трех далее повторяющихся последовательно основных периодах.

Начинают период промывки загрузки выключением узла ввода химреагентов 12 для экономии. Открывают запорный клапан 8. Сразу же увеличивают расход воды в трубе 11, следовательно, и в сопле 13 до величины не менее расчетного эксплуатационного расхода фильтрования, который всегда будет наблюдаться при чистой зернистой загрузке 1. Под действием напора воды в баке 14 относительно открытого запорного клапана 8 промывная вода устремляется по элементам 14, 16, 3, 2, 1, 5, 7, 6 и 8 в канализацию. При этом фильтрующая загрузка 1 подвергается давлению воды снизу, и она разрыхляется. В тот же момент мощная нисходящая струя воды из сопла 13 увлекает воду вниз по центральной трубе 6, так как в зазоре между ней и подающей трубой 11 возникает, по принципу действия эжектора, пониженное давление, благодаря чему интенсивно эжектируется вода из камеры 5 в трубу 6. Давление в камере 5 падает настолько, что загрузка переходит в псевдоожиженное состояние, «кипит». Зерна отмываются от грязи, которая далее сбрасывается с потоком промывной воды в канализацию через открытый запорный клапан 8.

Начальные высокие уровни воды в баке 14 совместно с эжекцией обеспечивают максимально допустимое против уноса зерен загрузки 1 ее расширение. Такое расширение задается постоянной минимальной степенью открытия вентиля 21 для воздуха, замещающего в баке 14 отсасываемую воду. При этом клапан 19 исходно закрыт, пропускная способность вентиля 21 для воздуха меньше пропускной способности элементов 14, 16, 3, 2, 1, 5, 7, 6 и 8. Поэтому в баке 14 воздух разрежается все менее интенсивно, расход отсоса воды из него снижается. Вследствие этого к завершению промывки расширение загрузки несколько уменьшается, Но воздух в баке 14 продолжает разрежаться до определенной величины вакуума. Наступает момент возникновения критического вакуума в баке 14, нарушающего устойчивость эжекции воды в зазоре между трубами 6 и 11. По наступлении этого момента через запорный клапан 8 и центральную трубу 6 в зазор эжекции воды прорывается снизу воздух. Он врывается в камеру 5, давление в ней резко возрастает до близкого к атмосферному, и этим моментом завершается период промывки зернистой загрузки 1.

Период структурирования зернистой загрузки 1 с засасыванием воды из нее баком 14 наступает автоматически под действием критического вакуума в баке 14. Перевод станции в этот режим может осуществить и оператор, принудительно закрыв, например вручную, запорный клапан 8. В результате в псевдоожиженной загрузке 1 моментально возникает мощный обратный, нисходящий ток воды. Он увлекает зерна загрузки в быстрое принудительное осаждение, при котором мелкие зерна интенсивно засасываются водой вниз среди крупных зерен большей инерционности. Осажденная таким способом загрузка оказывается принудительно гидравлически структурированной с увеличивающейся крупностью зерен (пор) в верхнем направлении.

Задавая глубину вакуума в баке 14 величиной открытия вентиля 21, можно программировать интенсивность осаждения мелких фракций загрузки относительно более крупных и, следовательно, управлять степенью автоматического структурирования зернистой загрузки 1. Чем больше самых крупных зерен окажется у поверхности загрузки, тем выше эффект структурирования. Наибольшего эффекта можно достичь при полном закрытии вентиля 21 с момента начала структурирования до его завершения.

В период фильтрования, при включенном или выключенном узле подачи химреагентов 12, станция переходит в результате автоматического, или оператором, закрытия запорного клапана 8. Автоматически он закрывается под действием фиксатора 10 и вертикальной струи воды из сопла 13 после прорыва воздуха в центральную трубу 6 снизу через запорный клапан 8. Исходная вода (с реагентами или без них) перемешивается в трубе 6, поднимается в воронку 7 и заполняет камеру реакций 5. При этом воздух из нее вытесняется водой в атмосферу через вантуз 4 и открывшийся под давлением воздуха клапан 19. После заполнения камеры 5 закрывается вантуз 4 его внутренним поплавковым клапаном, обратный клапан 19 возвращается в нормально закрытое состояние. Если запорный клапан 8 был закрыт оператором, то сначала принудительно осаждается загрузка 1 изменившим направление вниз потоком воды, и затем она, уже в плотном состоянии, вовлекается в напорный режим фильтрования. Вода фильтруется вниз из камеры 5 через структурированную зернистую загрузку 1, поступает через обратный фильтр 2 в распределительную систему 3 и под напором через отверстие 16, бак 14 и обратный клапан 18 в систему водоснабжения.

Напор воды в баке 14 создается в результате полного вытеснения воздуха из него по воздухообменной трубке 17 через вантуз 20 и постоянно открытый вентиль 21, а также последующего закрытия вантуза 20 всплывшим в нем поплавковым клапаном. В процессе фильтрования в зернистой загрузке 1 накапливаются отложения, гидравлическое сопротивление ее растет (по мере загрязнения загрузки расход воды через нее уменьшается до заданного момента перевода станции запорным клапаном 8 на промывку), напор воды в камере реакций 5 увеличивается. При определенном заданном максимуме давления в камере 5, а следовательно, и в трубе 6, под действием этого давления открывается запорный клапан 8 или его открывает оператор, и станция переходит на промывку зернистой загрузки 1 обратным током воды, засасываемой в камеру 5 из бака 14 эжекцией в трубе 6, как изложено выше.

Далее описанные периоды промывки, структурирования и фильтрования последовательно повторяются автоматически или задаются оператором с помощью запорного клапана 8 до остановки станции на профилактику.

Взаимодействие элементов станции согласно предпочтительному виду на фиг. 2 ничем не отличается от станции на фиг. 1. Но она компактна и обладает ничтожными потерями напора на кольцевом водообменном окне 16 ввиду заданной значительной его площади в сравнении с отверстием 16 на фиг. 1.

Наглядное сравнение коррозии образцов трубного металла фильтратом, исходной и эталонной водой ведется на стенде 23, включающем компьютер, сканер и чашки Петри 25, 26 и 27 с образцами 24, залитых фильтратом в чашке 27, исходной водой в чашке 26 и эталонной в чашке 25, путем периодической регистрации в ультрафиолетовом свете сканера и демонстрации на экране компьютера, в т.ч. в анимационном представлении, динамичного облака веществ коррозии вокруг образцов трубного металла 24.

Образцы трубной стали 24 изготовляются просто - без токарного оборудования, например ручными ножницами по металлу, и обработкой травлением в водных растворах кислот, хлорного железа.

Контроллер 32 с линией управления 33 и связь стенда 23 пробоподающими трактами 28, 29 и 30 с источниками фильтрата, исходной и эталонной воды на станции обеспечивают автоматическую корректировку работы узла ввода химреагентов 12 по сигналам со стенда 23.

Нормально открытый клапан 34 с приводом и таймером продолжительности закрытого состояния этого клапана на воздухообменной трубке 17, датчик 35 начала структурирования фильтрующей загрузки с сигнальной линией 36 к клапану 34 автоматически переводят станцию в режим максимального структурирования зернистой загрузки 1.

Гофрированный микропористый фильтр 37 в баке фильтрата 14 очищает фильтрат от частиц, срывающихся с фильтрующей загрузки 1. Они задерживаются нижней поверхностью гофрированного микропористого фильтра 37. А при движении воды в баке 14 в обратном направлении, вниз, гофрированный микропористый фильтр 37 промывается, а грязь выносится водой через «кипящую» загрузку 1 и запорный клапан 8 в канализацию.

Гофрированный микропористый фильтр 37, выполненный из нерастворимого электропроводного материала, являясь электродом и образуя в баке фильтрата 14 совместно с донным электродом 38 и источником тока 39 цепь электрофореза, снижает в фильтрате содержание флокулянта и коагулянта, а также их примесей, усиливает сцепление веществ с ним.

Таким образом, благодаря тому, что в водоочистной станции на базе технологии дельта-фильтрования воздушное отверстие вантуза 4 снабжено нормально закрытым обратным клапаном 19, воздухообменная трубка 17 с вентилем 21 содержит вантуз 20, водоотвод 15 снабжен обратным клапаном 18, сопло 13 трубы исходной воды 11 заглублено в центральную трубу 6, уменьшена в ~2 раза высота станции до значения высоты напорного фильтра (до 2,5-3 м), снижена ее масса в 3-4 раза вследствие исключения несущих опор или использования фильтра 1 в качестве несущей опоры для бака фильтрата 14, упрощения обвязки трубами и исключения необходимости бака чистой воды с переливным порогом; обеспечена возможность размещения бака фильтрата 14 в широком диапазоне высот относительно основания фильтра 1, в том числе под ним, снижены капитальные вложения на станцию в 3-4 раза, повышена эффективность использования исходной воды в периоде промывки фильтра.

Благодаря размещению напорного фильтра с загрузкой 1 в баке фильтрата 14 повышена компактность станции, и за счет этого еще более снижены капитальные вложения на нее, а выполнение водообменного отверстия 16 в виде кольцевого окна уменьшило потери энергии на нем.

Обеспечение стендом 23 наглядного сравнения коррозии образцов трубного металла 24 фильтратом, исходной и эталонной водой исключило химические анализы воды и вычисления для корректировки доз реагентов.

Выполнение образцов трубной стали 24 в виде одинаковых по габаритам стержней из проволоки или гвоздей соответствующей марки стали с обработкой в травильном растворе упростило их изготовление.

Оснащение станции контроллером 32 с линией управления 33 по сигналам со стенда 23, связанного пробоподающими трактами 28, 29 и 30 с источниками фильтрата, исходной и эталонной воды, автоматизировало корректировку работы узла ввода химреагентов 12.

Кроме того, благодаря автоматизации перекрытия трубки 17 с помощью датчика 35, линии 36 и клапана 34 с приводом и таймером, прекращающих на заданную продолжительность поступление воздуха в бак фильтрата 14, автоматизирован процесс усиления структурирования зернистой загрузки 1. Например, по кварцевому песку с dэкв=1,1 мм при скорости фильтрования v=5 м/ч согласно фиг. 3 кривых послойного грансостава имеем: на поверхности загрузки крупный песок «а» с dcp вместо мелкого «a1» с dcp.1, на глубине 10 см крупный «б» вместо мелкого «б1», на глубине 90 см мелкий «в» вместо крупного «в1»; на графике потерь напора H=f(t) при реагентном фильтровании видны: на структурированной загрузке 1 трехкратно меньшие энергозатраты (Н2/Н1=3) после фильтрования в течение t=7 ч, чем на гравитационно осажденной 2, возможность продолжения фильтрования до 16 ч и более - до предельных потерь напора на загрузке 1,5-10 м и выше.

Оснащение бака фильтрата 14 гофрированным микропористым фильтром 37 повысило качество фильтрата от срывающихся с зернистой загрузки 1 частиц, а выполнение его из нерастворимого электропроводного материала и в качестве электрода, образующего в баке 14 в паре с донным электродом 38 и внешним источником тока 39 цепь электрофореза, снижает в фильтрате концентрации остаточных флокулянтов и коагулянтов, в частности [C₃H₅NO]п, [C₇H₁₁N₃·ClH]п, Al₂(SO₄)₃·18H₂O, а также их примесей вплоть до полного перехвата гофрированным микропористым фильтром. Полярность электродов и напряжение на них подбираются опытным путем.