Разработка методики расчета комбифильтра

Введение. По итогам 2022 года на загрязненные сточные воды в России приходилось в среднем 33,4 % от общего объема водоотведения¹. Одна из причин данной проблемы — недостаточно эффективная очистка. На промышленных объектах применяют не только одно- или двухступенчатые системы, но и комплексные решения, обеспечивающие несколько этапов очистки. Они состоят из таких компонентов, как грабельные решетки, обратноосмотические мембраны и выпарные установки. Несмотря на разнообразие и сложность этих систем, они не всегда применимы и продуктивны. Препятствием для их эффективного использования могут быть:

• дороговизна оборудования;
• устаревшие сооружения;
• ухудшение качества сточных вод.

Ниже перечислены основные методы интенсификации работы очистных сооружений. Речь идет о вариантах перемешивания коагулянта с водой:

• регулируемом механическом [1];
• с добавлением воздуха и концентрированного коагулянта [2];
• за счет кавитационных резонансных эффектов [3];
• с помощью струйных [4] или камерных смесителей [5].

Однако у этих технических решений есть свои недостатки. Во-первых, нужны дополнительные площади для размещения такого оборудования, как флокулятор или камера хлопьеобразования. Во-вторых, зоны образования агрегатов и их удаления на фильтрах находятся на определенном расстоянии друг от друга. В-третьих, при разделении процесса хлопьеобразования и фильтрации хлопья разбиваются в соединяющих трубопроводах.

Для решения проблемы нужны такие комплексы очистки воды, которые интегрируют несколько процессов в одном корпусе. Это позволит усовершенствовать существующие системы очистки и при этом сэкономить производственные площади. Подчеркнем, что речь идет о модернизации уже имеющегося оборудования. Для реализации этой задачи целесообразно использовать комбинированные фильтры.

Цель работы — создать научно обоснованную методику расчета, которая позволит повторить положительный результат использования комбифильтра для других фильтров.

Методы и материалы. Авторы предлагают полезную модель комбифильтра [6]. Это песчаный фильтр, в корпус которого встроена камера перемешивания коагулянта. Ранее целесообразность такого подхода доказали авторы представленной статьи [7]. Комбинированные установки и системы подходят для одновременного решения нескольких проблем. Так, например, биоуголь можно использовать для удаления микропластика [8]. Гибридная система мембранной дистилляции способна давать очищенную воду и электроэнергию [9]. Обратный осмос может работать от концентрированного солнечного газового двигателя [10].

По мнению авторов, предлагаемая полезная модель комбифильтра (рис. 1) — это эффективное решение для интенсификации фильтрования на действующих производствах. Схема представленного комбифильтра несколько отличается от исходного [6]. Разница обусловлена особенностями конструкции, выявленными в результате компьютерного моделирования [7]. Благодаря этим обнаруженным свойствам удалось повысить эффективность работы камеры.

Через патрубки 1 и 2 в чашу интенсивного перемешивания поступают вода и коагулянт соответственно. Коагулянт перемешивается в первой камере под напором исходной воды благодаря перемешивающей загрузке. После обработки коагулянтом вода направляется через нижний перелив в чашу успокаивания, а затем — через верхний перелив в корпус фильтра.

Коагулянт способствует нейтрализации заряда коллоидных частиц [11] и образованию труднорастворимых соединений [12]. Процесс коагуляции включает два этапа [13], для каждого из которых в камере перемешивания предусмотрены определенные зоны.

В камере перемешивания проходит первый этап — перекинетический. Благодаря специальной загрузке внутри камеры реагенты равномерно и быстро распределяются, достигается высокий градиент скорости потока. Контактная коагуляция еще больше увеличит эффективность реагентной обработки.

Между камерами перемешивания и хлопьеобразования расположен нижний перелив. Он выполняет ключевую функцию защиты от выноса перемешивающей загрузки дальше в чашу и в сам фильтр, а также способствует снижению турбулентности потока.

При интенсивности перемешивания не более G = 50–60 C⁻¹ [14] в камерах создаются оптимальные условия для образования хлопьев.

Второй этап процесса коагуляции — ортокинетический. Он проходит в камере успокаивания, сопровождается укрупнением коллоидных частиц от 1 мкм [15] и реализует функционал камеры хлопьеобразования.

Исходная вода вместе со сформировавшимися хлопьями поступает в корпус фильтра через верхний перелив. Конусная вставка в нижней части корпуса нужна для исключения завихрений, которые разрушают хлопья.

При разработке методики расчета авторы обобщили литературные данные, провели лабораторные испытания и выполнили математическое моделирование. Результаты лабораторных исследований, подтверждающие эффективность предлагаемого решения, приведены в [7]. Для критериальной оценки процессов выбрали критерий Кэмпа, который оценивает энергию, затрачиваемую на перемешивание. Анализ литературы позволил выяснить, как эффективность промывки зависит от ее интенсивности и степени расширения загрузки. К тому же из публикаций известно значение градиента для псевдоожиженного слоя.

Результаты исследования

1. Интенсивность смешивания псевдоожиженного слоя. В качестве критерия эффективности работы используется интенсивность смешивания псевдоожиженного слоя. Ориентируясь на этот показатель, можно задействовать камеру перемешивания с фильтрами различных типоразмеров и обеспечить полученный ранее результат [7]. Согласно[16], интенсивность смешивания реагента с водой характеризуется критерием Кэмпа:

(1)

где t — время пребывания в камере перемешивания, с; G — градиент скорости, 1/с.

Время пребывания в камере перемешивания:

(2)

где V — объем чаши перемешивания, м³; Q — расход исходной воды, м³/c.

Градиент скорости:

(3)

где Δp — перепад давления в камере перемешивания, Па; μ — динамическая вязкость воды, Па∙с; t — время перемешивания, с.

Согласно [17], перепад давления для псевдоожиженного слоя определяется по формуле:

(4)

где m_ч — масса всех частиц, кг; g — ускорение свободного падения, м/с²; S — площадь поперечного сечения чаши перемешивания, м².

Объединив (1)–(4), получим уравнение критерия Кэмпа:

(5)

С помощью формулы (5) для лабораторного стенда [7] рассчитали критерий Кэмпа. Его приняли равным 100 ед.

2. Методика расчета камеры перемешивания. Далее приводится методика расчета камеры перемешивания и необходимые исходные данные для расчета.

Исходные данные:

• критерий Кэмпа, Э;
• максимальный расход очищаемой воды, Q, м³/ч;
• динамическая вязкость воды, μ, Па∙с;
• насыпная плотность частиц кг;
• ускорение свободного падения, g, м/с²;
• диаметр фильтра, d_ф, м;
• высота от загрузки до корпуса, H, м;
• интенсивность обратной промывки, ИОП₁, л/(с∙м²);
• объем расширения загрузки при обратной промывке, V_расш1, м³.

Преобразовав формулу (5), можно получить систему уравнений (6), с помощью которой определяются габариты перемешивающей камеры.

(6)

Здесь d_ч.п. — диаметр чаши перемешивания, м; Н_ч — высота чаш перемешивания и чаши успокаивания, м.

Скорость течения в чаше успокаивания должна быть равна скорости течения в корпусе фильтра. Для определения диаметра чаши успокаивания (всей камеры в целом) воспользуемся формулой:

(7)

где d_ч.у. — диаметр чаши успокаивания, м.

Проверим, помещается ли камера в корпус фильтра. Для этого учтем:

• высоту конусной вставки Н_конус (1/4 от диаметра камеры);
• запас расстояния от конуса до загрузки с минимальной высотой 1/16 от диаметра камеры.

(8)

Проверим правильность выбора размеров камеры:

(9)

Если условия (8) или (9) не выполняются, то необходимо вернуться к (6) и скорректировать габариты перемешивающей чаши.

Рассчитаем объем, который занимает камера перемешивания:

(10)

Определим условие обеспечения необходимого расширения загрузки:

(11)

Если условие не выполняется, то эффективность обратной промывки будет хуже. Для решения этой проблемы нужно определить, за счет чего будет поддерживаться эффективность промывок.

1. За счет увеличения интенсивности промывки находим новую интенсивность обратной промывки ИОП₂ [18]:

(12)

2. За счет уменьшения высоты загрузки находим значение высоты от корпуса до загрузки H_новая, которая обеспечит нужный объем для расширения загрузки:

(13)

Рассчитаем, на сколько нужно уменьшить высоту загрузки:

(14)

3. Для вычислений, связанных с изменением интенсивности и объема загрузки, используем формулы (12) и (13) с учетом необходимых условий. Например, исходя из возможностей конкретных очистных сооружений, по (13) задаем допустимую величину снижения высоты загрузки, подставляем ее в (12) и рассчитывая нужную интенсивность промывки.

Определим объемы чаш перемешивания V_ч.п. и успокаивания V_ч.у.:

(15)

(16)

Вычислим необходимый объем перемешивающей загрузки V_загр:

(17)

Рассчитаем время нахождения воды в чашах перемешивания и успокаивания:

(18)

(19)

Обсуждение и заключение. Итоги научных изысканий, описанных в статье, позволяют говорить о целесообразности использования предложенной методики расчета комбифильтра. Этот подход, во-первых, базируется на хорошо известных и достоверных данных из литературных источников. Во-вторых, в пользу практической применимости аппарата моделирования говорит его сравнительная простота — 19 довольно лаконичных формул. Выполнив эту работу, авторы подтвердили ранее полученные результаты. Важно было еще раз показать, что смоделированная камера перемешивания улучшает процесс фильтрования и повышает активность коагуляции. Поэтому в качестве критерия эффективности работы используется интенсивность смешивания псевдоожиженного слоя. Методика расчета камеры перемешивания позволяет определить ее габариты и обеспечить необходимую эффективность обратной промывки. Решение подходит для вертикальных осветлительных фильтров всех типов и размеров. Следовательно, методику можно применить на любом производстве, где используется такое оборудование.