Способ регенерации сыпучего фильтрующего материала

 

Изобретение относится к способам регенерации сыпучего фильтрующего материала фильтров для очистки жидких флюидов. Способ регенерации включает размещение в объеме фильтрующего материала акустических излучателей с шагом 0,5 - 2,0 м на глубине не менее 0,01 м. Регенерацию осуществляют путем пропускания через фильтрующий материал промывного флюида и одновременного воздействия ультразвукового поля с частотой колебаний 10 - 50 кГц и величине сдвига фаз ультразвуковых волн между излучателями 0 - 0,5 длины волны. Способ позволяет очищать фильтрующий материал в больших объемах (50 м³ и более) с высокой степенью очистки 97 - 100% в зависимости от вида загрязнений, а также значительно сократить расходы промывного флюида. 2 ил.

Изобретение относится к области регенерации сыпучего фильтрующего материала, предназначенного для очистки жидких флюидов, например, при скорой и напорной очистке питьевой воды, промышленных стоков от твердых, минеральных, ряда био- и фитогенных, а также химических примесей.

В процессе работы фильтра, т. е. фильтрации через насыпной материал фильтра неоднородного флюида (суспензии, аэрозоли и др.), поверхностью зерен и межзерновым пустотным пространством (порами и перовыми каналами) производится задержание и сорбция вышеперечисленных примесей или очистка от них пропускаемого через материал флюида. С течением времени, которое определяется степенью загрязнения флюидов, фильтрационная способность материала фильтров снижается, что влечет проведение следующих операций: либо замены фильтрующего материала/элемента (сменные, бытовые фильтры), либо его регенерация (промышленные фильтры), а в последующем и его замены.

Известен способ регенерации сыпучего фильтрующего материала, заключающийся в его промывке чистыми флюидами того же состава, что и очищающийся, либо с добавками к нему химических реагентов (Николазде Г.И, Сомов М.А. Водоснабжение, М., Стройиздат, 1995 г., 688 с. и др.).

Недостатком этих способов регенерации насыпных материалов фильтров являются значительные экологические проблемы, большие материальные, энергетические и трудовые затраты при одновременно их малой эффективности.

Наиболее близким к предлагаемому способу по технической сущности и достигаемому результату является способ регенерации сыпучего фильтрующего материала, предназначенного для очистки природных и сточных вод, под воздействием ультразвуковых волн, создаваемых акустическим излучателем, расположенным в объеме фильтрующего материала при одновременном пропускании через загрузку промывной воды (авт. свид. СССР N 1366178, кл. В 01 D 24/46, 24.02.1986 г.).

Недостаток прототипа заключается в том, что известный способ предназначен для очистки только малых объемов фильтрующего материала (не более 0,5 м³), так как при больших мощностях (более 2 Вт/см²) излучения происходит экранирование акустических волн излучателя пузырьками кавитации.

Задачей настоящего изобретения является разработка способа, позволяющего очищать сыпучий фильтрующий материал в больших объемах (50 м³ и более) за счет создания регулируемого поля интерференции акустических волн.

Поставленная задача решается предлагаемым способом регенерации сыпучего фильтрующего материала, предназначенного для очистки жидких флюидов от загрязнений, путем воздействия ультразвуковым полем, создаваемым акустическим излучателем при одновременном пропускании через материал промывного флюида, в котором согласно изобретению в объеме фильтрующего материала дополнительно размещают n-1 акустических излучателей с шагом 0,5 - 2,0 м, глубиной погружения не менее 0,01 м, причем регенерацию ведут с частотой ультразвуковых колебаний 10-50 кГц и величине сдвига фаз ультразвуковых волн между излучателями 0-0,5 длины волны.

На фиг. 1, 2 показано схематическое изображение акустической установки для обработки фильтрующего материала, предназначенного для очистки жидкого флюида, например воды, где 1 - генератор ультразвуковых колебаний, включающий блок сдвига фаз (на чертеже не обозначен), 2 - акустические излучатели, 3 - крепежные штанги, 4 - крепежные балки, 5 - соединительные электропровода, 6 - фильтрующий материал, 7 - жидкий флюид, 8 - дренажная система фильтра.

Движение промывного флюида через фильтрующий материал показано на фиг.2 стрелками в направление снизу вверх (противоток по отношению к очищаемому флюиду).

В используемой установке для осуществления способа каждый акустический излучатель 2 крепится к полой вертикальной штанге 3 и снабжен прочным корпусом и приспособлением для погружения его в сыпучую среду на заранее выбранную глубину (не менее 0,01 м).

Глубину погружения каждого излучателя и расстояние между ними (шаг 0,5-2,0 м) выбирают из представлений о той интерференционной картине, которую необходимо создать для оптимальной очистки фильтрующего материала. Питающие провода от излучателя проходят во внутренней полости штанги 3. Последние крепятся к поперечным балкам 4, которые располагаются поперек бассейна фильтра и по которым идут токонесущие шины. К шинам через герметичный разъем подсоединяются провода 5 от излучателей. На балках в зависимости от ширины бассейна находится n-1 акустических излучателей, например, два и более. Поперечная балка 4 с размещенными на ней излучателями является отдельным элементом общей конструкции ультразвуковой установки. Таких элементов в зависимости от размеров бассейна фильтра набирается столько, сколько нужно для обработки ультразвуковым полем всего объема насыпного материала фильтра.

Питающие провода от элементов конструкции подсоединяются к коллектору, который располагается на одной тележке с генератором ультразвуковых колебаний, включающий и блок сдвига фаз. Путем сочетания последовательного и параллельного соединения элементов конструкции создают оптимальную нагрузку на выход генератора и задают оптимальную нагрузку на выход генератора и задают при необходимости сдвиг фаз ультразвуковых волн между излучателями (0 - 0,5 длины ультразвуковой волны).

Способ осуществляют следующим образом.

После оценки степени загрязнения фильтрующего материала по фильтрационным и санитарно-эпидемиологическим нормам и получения данных о том, что он стал непригоден для проведения очистки флюида от посторонних примесей, насыпной фильтрующий материал облучают ультразвуковым полем. В качестве фильтрующего материала обычно используют зерна природных и синтетических соединений, таких как кварц, гранодиорит, уголь (антрацит, активированный), цеолит (клиноптилолит), керамзит, аглопорит и другие, размером до 2 мм.

Перед включением ультразвуковой аппаратуры через насыпной фильтрующий материал создают фильтрацию промывного флюида интенсивностью не менее 1 л·м²/с. После этого производится включение ультразвуковой установки с n-1 излучателями, создающей в насыпном материале фильтра упругие колебания молекул флюида и зерен фильтрующей загрузки частотой от 10 до 50 кГц, интенсивностью до 5 Вт/см² при сдвиге фаз ультразвуковых волн между излучателями на 0-0,5 длины волны.

Энергия упругих колебаний, передаваемых от источника ультразвуковых волн через жидкий флюид к зернам фильтрующего материала фильтра, производит диспергацию инородных насыпному материалу частиц (минеральных, био- и фитогенных); срыв с поверхности зерен инородных частиц, пленок коагулянтов, флокулянтов и других за счет развития на возбужденных зернах насыпного материала тангенцианальных напряжений, а также дегазацию и изменение pH и Eh жидкой фазы, в связи с чем в ней происходит ряд акустико-химических процессов и, в частности, растворение минеральных веществ в фильтрующимся флюиде.

Время работы ультразвуковой установки определяется составом и свойствами насыпного материала фильтра, загрязняющей его фазы и ее концентрацией.

Пример 1 - контрольный. Тип фильтра воды - скорый, двухслойный (верхний слой объемом 30 м³ - дробленый антрацит, нижний слой объемом 72 м³ - кварцевый песок), площадь фильтрующей поверхности 60 м².

а) По окончании фильтроцикла, когда потеря напора в фильтрующей загрузке достигает предельно допустимой величины из-за ее загрязнения частицами глинистых минералов (гидрослюда, каолинит и др.), фитоклетками и другими, зернистый материал фильтрующей загрузки промывают в течение 10 мин чистой водой путем ее подачи снизу вверх с интенсивностью 15 л·м²/с (техническая промывка), для чего потребовалось 540 м³ чистой воды. При этом фильтрующий материал был очищен на 85-90% (оценку степени загрязнения материала проводят по количеству фито- и биоклеток в пробе фильтрующего материала объемом 100 см² - N, шт. согласно Внутреннему нормативу МГП "Мосводоканал", введенного в производственные работы в 1950 г.) и он перешел из разряда - грязный с N более 500 тыс. шт. в разряд с допустимым уровнем загрязнения с N = 50 · 500 тыс. шт.

б) В случае, если при подготовке воды с целью интенсификации ее очистки используются коагулянты типа сернокислого алюминия или сернокислого железа, продуктами взаимодействия которых с фильтруемой водой являются гидроокиси этих металлов хлопьевидной морфологии и обладающие высокими сорбционными свойствами и плотностью 2,4-3,9 г/см³, то вымыть их из верхнего слоя фильтрующей загрузки с помощью технической промывки, описанной в пункте "а", не представляется возможным. В связи с этим, производят увеличение времени промывки до 15-20 мин и повышение интенсивности подачи промывной воды до 18 л·м²/с. При этом, для перевода фильтрующего материала из разряда - грязный в разряд с допустимым уровнем загрязнения, т.е. его очистки на 80-85%, затрачивают от 950 до 1300 м³ чистой воды.

Пример 2. Тип фильтра и характер загрязнения такие же, что и в пункте "а" примера 1. По окончании фильтроцикла в верхнем слое фильтрующей загрузки на глубине 0,01 м от ее поверхности размещают 8 излучателей акустических волн с шагом 2 м. После этого при включенной акустической установке через фильтрующую загрузку в течение 20 мин пропускают промывную воду с интенсивностью 5 л·м²/с. Все излучатели работают в одной фазе с частотой ультразвуковых колебаний 20 кГц и интенсивностью 1 Вт/см². По истечении 20 мин окончательную промывку фильтрующей загрузки проводят в течение 5 мин с интенсивностью подачи воды 12 л·м²/с. Суммарная затрата чистой промывной воды на регенерацию фильтрующего материала составляет 250 м³, что на 53% меньше, чем при традиционной технической промывке (пункт "а" примера 1), но при этом зернистый материал фильтрующей загрузки очищают на 97-100% и он переходит из разряда - грязный в разряд - чистый с N менее 50 тыс. шт.

Пример 3. Тип фильтра и характер загрязнения такие же, что и в пункте "б" примера 1. По окончании фильтроцикла в верхнем слое фильтрующей загрузки размещают 8 излучателей акустических волн с шагом 2 м, из которых 4 излучателя располагают на глубине 0,01 м, а 4 других (через 1) - на глубине 0,5 м. После этого при включенной акустической установке через устройство сдвига фаз фильтрующую загрузку в течение 20 мин промывают чистой водой с интенсивность 7 л·м²/с. Излучатели ультразвуковых волн через 1 работают со сдвигом фаз на 1/4 длины волны, частота колебаний составляет 50 кГц, а интенсивность - 2 Вт/см². По истечении 20 мин окончательную промывку фильтрующей загрузки проводят в течение 7 мин с интенсивностью подачи воды 18 л·м²/с. Суммарная затрата промывной воды на регенерацию фильтрующего материала составляет 428 м³, что на 56% меньше, чем при технической промывке примера 1 пункт "б", но при этом зернистый материал фильтрующей загрузки очищают от продуктов загрязнения и коагуляции в частности на 97- 99% и он переходит из разряда - грязный в разряд - чистый.

Таким образом, предлагаемый способ позволяет очищать сыпучий фильтрующий материал, предназначенный для очистки жидкого флюида, особенно воды, в фильтрах, имеющих большой объем, с высокой степенью очистки 97 - 100% (в зависимости от вида загрязнений), а также значительно уменьшить объемы промывочного флюида, что ведет к сокращению материальных, энергетических и трудовых затрат.

Формула изобретения

Способ регенерации сыпучего фильтрующего материала, предназначенного для очистки жидких флюидов от загрязнений, путем воздействия ультразвуковым полем, создаваемым акустическим излучателем при одновременном пропускании через материал промывного флюида, отличающийся тем, что в объеме фильтрующего материала дополнительно размещают n-1 акустических излучателей с шагом 0,5 - 2,0 м, глубиной погружения не менее 0,01 м, причем регенерацию ведут с частотой колебаний 10 - 50 кГц и величине сдвига фаз ультразвуковых волн между излучателями 0 - 0,5 длины волны.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2