Контактная реагентная очистка воды фильтрами из волокнисто-пористого полиэтилена
Приведены результаты экспериментальных исследований контактного реагентного осветления малоконцентрированной тонкодисперсной суспензии фильтрами из волокнисто-пористого полиэтилена (ВПП). Показано, что фильтры из ВПП могут очищать воду не хуже, чем фильтры из песка и пенополистирола (ППС). При этом...
Saved in:
| Date: | 2007 |
|---|---|
| Main Authors: | , , |
| Format: | Article |
| Language: | Russian |
| Published: |
Інститут гідромеханіки НАН України
2007
|
| Online Access: | https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/4690 |
| Tags: |
Add Tag
No Tags, Be the first to tag this record!
|
| Journal Title: | Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| Cite this: | Контактная реагентная очистка воды фильтрами из волокнисто-пористого полиэтилена / Н.Г. Бугай, А.И. Кривоног, В.В. Кривоног // Прикладна гідромеханіка. — 2007. — Т. 9, № 1. — С. 8-22. — Бібліогр.: 7 назв. — рос. |
Institution
Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine| id |
nasplib_isofts_kiev_ua-123456789-4690 |
|---|---|
| record_format |
dspace |
| spelling |
Бугай, Н.Г. Кривоног, А.И. Кривоног, В.В. 2009-12-18T12:53:09Z 2009-12-18T12:53:09Z 2007 Контактная реагентная очистка воды фильтрами из волокнисто-пористого полиэтилена / Н.Г. Бугай, А.И. Кривоног, В.В. Кривоног // Прикладна гідромеханіка. — 2007. — Т. 9, № 1. — С. 8-22. — Бібліогр.: 7 назв. — рос. 1561-9087 https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/4690 628.16.067 Приведены результаты экспериментальных исследований контактного реагентного осветления малоконцентрированной тонкодисперсной суспензии фильтрами из волокнисто-пористого полиэтилена (ВПП). Показано, что фильтры из ВПП могут очищать воду не хуже, чем фильтры из песка и пенополистирола (ППС). При этом грязеемкость и продолжительность фильтроцикла для фильтров из ВПП больше. Получены расчетные формулы и графики для расчета фильтров. Приведены примеры расчета фильтра. При контактной реагентной очистке и обезжелезивании воды определены действительная пористость фильтра в процессе его заиления, степень заполнения пор осадком, концентрация осадка в порах, плотность осадка. Разработан способ регенерации фильтра без нарушения его структуры. Наведенi результати експериментальних дослiджень контактного реагентного освiтлення малоконцентрованої тонкодисперсної суспензiї фiльтрами з волокнисто-пористого полiетилену (ВПП). Показано, що фiльтри з ВПП можуть очищати воду не гiрше, нiж фiльтри з пiску i пiнополiстиролу (ППС). При цьому грязьоємнiсть i тривалiсть фiльтроциклу для фiльтрiв з ВПП бiльше. Отримано розрахунковi залежностi й графiки для розрахунку фiльтра. Наведенi приклади розрахунку фiльтра. При контактнiй реагентнiй очистцi i знезалiзнюваннi води знайденi дiйсна пористiсть фiльтра в процесi його замулення, ступiнь заповнення пор осадом, концентрацiя осаду в порах, щiльнiсть осаду. Розроблено спосiб регенерацiї фiльтра без порушення його структури. The outcomes of experimental researches of contact reagentive defecation of small-concentrated fine-dispersion of suspension by filters from fibrous-porous polyethylene (FPP) are presented. Is rotined, that the filters from FPP can clean water not worse, than filters from sand and frothpolystyrene (FPS). Thus mud--capacitance and duration of filter-cycle for filters from FPP more. The calculated formulas and graphs for calculation of filters are received. The examples of calculation of the filter are presented). At contact reagentive to clearing and dechalybeate of water are defined true porosity of the filter during it silting, degree of fullness of pores by a sediment, concentration of settling in pores, density a settling. The method of regeneration of the filter without disturbance of it's structure is designed. ru Інститут гідромеханіки НАН України Контактная реагентная очистка воды фильтрами из волокнисто-пористого полиэтилена Reagent contacting cleaning reagentive of water by filters from fibrous-porous polyethylene Article published earlier |
| institution |
Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| collection |
DSpace DC |
| title |
Контактная реагентная очистка воды фильтрами из волокнисто-пористого полиэтилена |
| spellingShingle |
Контактная реагентная очистка воды фильтрами из волокнисто-пористого полиэтилена Бугай, Н.Г. Кривоног, А.И. Кривоног, В.В. |
| title_short |
Контактная реагентная очистка воды фильтрами из волокнисто-пористого полиэтилена |
| title_full |
Контактная реагентная очистка воды фильтрами из волокнисто-пористого полиэтилена |
| title_fullStr |
Контактная реагентная очистка воды фильтрами из волокнисто-пористого полиэтилена |
| title_full_unstemmed |
Контактная реагентная очистка воды фильтрами из волокнисто-пористого полиэтилена |
| title_sort |
контактная реагентная очистка воды фильтрами из волокнисто-пористого полиэтилена |
| author |
Бугай, Н.Г. Кривоног, А.И. Кривоног, В.В. |
| author_facet |
Бугай, Н.Г. Кривоног, А.И. Кривоног, В.В. |
| publishDate |
2007 |
| language |
Russian |
| publisher |
Інститут гідромеханіки НАН України |
| format |
Article |
| title_alt |
Reagent contacting cleaning reagentive of water by filters from fibrous-porous polyethylene |
| description |
Приведены результаты экспериментальных исследований контактного реагентного осветления малоконцентрированной тонкодисперсной суспензии фильтрами из волокнисто-пористого полиэтилена (ВПП). Показано, что фильтры из ВПП могут очищать воду не хуже, чем фильтры из песка и пенополистирола (ППС). При этом грязеемкость и продолжительность фильтроцикла для фильтров из ВПП больше. Получены расчетные формулы и графики для расчета фильтров. Приведены примеры расчета фильтра. При контактной реагентной очистке и обезжелезивании воды определены действительная пористость фильтра в процессе его заиления, степень заполнения пор осадком, концентрация осадка в порах, плотность осадка. Разработан способ регенерации фильтра без нарушения его структуры.
Наведенi результати експериментальних дослiджень контактного реагентного освiтлення малоконцентрованої тонкодисперсної суспензiї фiльтрами з волокнисто-пористого полiетилену (ВПП). Показано, що фiльтри з ВПП можуть очищати воду не гiрше, нiж фiльтри з пiску i пiнополiстиролу (ППС). При цьому грязьоємнiсть i тривалiсть фiльтроциклу для фiльтрiв з ВПП бiльше. Отримано розрахунковi залежностi й графiки для розрахунку фiльтра. Наведенi приклади розрахунку фiльтра. При контактнiй реагентнiй очистцi i знезалiзнюваннi води знайденi дiйсна пористiсть фiльтра в процесi його замулення, ступiнь заповнення пор осадом, концентрацiя осаду в порах, щiльнiсть осаду. Розроблено спосiб регенерацiї фiльтра без порушення його структури.
The outcomes of experimental researches of contact reagentive defecation of small-concentrated fine-dispersion of suspension by filters from fibrous-porous polyethylene (FPP) are presented. Is rotined, that the filters from FPP can clean water not worse, than filters from sand and frothpolystyrene (FPS). Thus mud--capacitance and duration of filter-cycle for filters from FPP more. The calculated formulas and graphs for calculation of filters are received. The examples of calculation of the filter are presented). At contact reagentive to clearing and dechalybeate of water are defined true porosity of the filter during it silting, degree of fullness of pores by a sediment, concentration of settling in pores, density a settling. The method of regeneration of the filter without disturbance of it's structure is designed.
|
| issn |
1561-9087 |
| url |
https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/4690 |
| citation_txt |
Контактная реагентная очистка воды фильтрами из волокнисто-пористого полиэтилена / Н.Г. Бугай, А.И. Кривоног, В.В. Кривоног // Прикладна гідромеханіка. — 2007. — Т. 9, № 1. — С. 8-22. — Бібліогр.: 7 назв. — рос. |
| work_keys_str_mv |
AT bugaing kontaktnaâreagentnaâočistkavodyfilʹtramiizvoloknistoporistogopoliétilena AT krivonogai kontaktnaâreagentnaâočistkavodyfilʹtramiizvoloknistoporistogopoliétilena AT krivonogvv kontaktnaâreagentnaâočistkavodyfilʹtramiizvoloknistoporistogopoliétilena AT bugaing reagentcontactingcleaningreagentiveofwaterbyfiltersfromfibrousporouspolyethylene AT krivonogai reagentcontactingcleaningreagentiveofwaterbyfiltersfromfibrousporouspolyethylene AT krivonogvv reagentcontactingcleaningreagentiveofwaterbyfiltersfromfibrousporouspolyethylene |
| first_indexed |
2025-11-24T15:57:37Z |
| last_indexed |
2025-11-24T15:57:37Z |
| _version_ |
1850849668922081280 |
| fulltext |
ISSN 1561 -9087 Прикладна гiдромеханiка. 2007. Том 9, N 1. С. 8 – 22
УДК 628.16.067
КОНТАКТНАЯ РЕАГЕНТНАЯ ОЧИСТКА ВОДЫ
ФИЛЬТРАМИ
ИЗ ВОЛОКНИСТО–ПОРИСТОГО ПОЛИЭТИЛЕНА
Н. Г. Б УГ А Й, А. И. К РИ В ОН О Г, В. В. К РИ В ОН О Г
Институт гидромеханики НАН Украины, Киев
Получено 20.09.2006
Приведены результаты экспериментальных исследований контактного реагентного осветления малоконцентрирован-
ной тонкодисперсной суспензии фильтрами из волокнисто–пористого полиэтилена (ВПП). Показано, что фильтры
из ВПП могут очищать воду не хуже, чем фильтры из песка и пенополистирола (ППС). При этом грязеемкость и
продолжительность фильтроцикла для фильтров из ВПП больше. Получены расчетные формулы и графики для
расчета фильтров. Приведены примеры расчета фильтра. При контактной реагентной очистке и обезжелезивании
воды определены действительная пористость фильтра в процессе его заиления, степень заполнения пор осадком,
концентрация осадка в порах, плотность осадка. Разработан способ регенерации фильтра без нарушения его струк-
туры.
Наведенi результати експериментальних дослiджень контактного реагентного освiтлення малоконцентрованої тон-
кодисперсної суспензiї фiльтрами з волокнисто–пористого полiетилену (ВПП). Показано, що фiльтри з ВПП можуть
очищати воду не гiрше, нiж фiльтри з пiску i пiнополiстиролу (ППС). При цьому грязьоємнiсть i тривалiсть фiльтро-
циклу для фiльтрiв з ВПП бiльше. Отримано розрахунковi залежностi й графiки для розрахунку фiльтра. Наведенi
приклади розрахунку фiльтра. При контактнiй реагентнiй очистцi i знезалiзнюваннi води знайденi дiйсна пористiсть
фiльтра в процесi його замулення, ступiнь заповнення пор осадом, концентрацiя осаду в порах, щiльнiсть осаду.
Розроблено спосiб регенерацiї фiльтра без порушення його структури.
The outcomes of experimental researches of contact reagentive defecation of small-concentrated fine-dispersion of suspensi-
on by filters from fibrous–porous polyethylene (FPP) are presented. Is rotined, that the filters from FPP can clean water
not worse, than filters from sand and frothpolystyrene (FPS). Thus mud–capacitance and duration of filter-cycle for filters
from FPP more. The calculated formulas and graphs for calculation of filters are received. The examples of calculation
of the filter are presented). At contact reagentive to clearing and dechalybeate of water are defined true porosity of the
filter during it silting, degree of fullness of pores by a sediment, concentration of settling in pores, density a settling. The
method of regeneration of the filter without disturbance of it’s structure is designed.
ВВЕДЕНИЕ
Проведенные нами ранее исследования безре-
агентной очистки воды и обезжелезивания грунто-
вых вод фильтрами из волокнисто–пористого по-
лиэтилена (ВПП) показали, что очистка воды до
ПДК (предельной допустимой концентрации) во-
зможна не хуже, чем фильтрами из песка или пе-
нополистирола (ППС). При этом продолжитель-
ность фильтроцикла и грязеемкость при исполь-
зовании ВПП больше.
Известно, что эффективным способом повыше-
ния работоспособности песчано–гравийных филь-
тров при очистке воды является использование ре-
агентной очистки. Для фильтров из ВПП, кото-
рые предполагается применять для очистки во-
ды на специальных аппаратах для локального во-
доснабжения, наиболее целесообразным оказыва-
ется применение контактной реагентной очистки.
Выполненные исследования показали, что исполь-
зование реагентов существенно повышает степень
очистки фильтрами из ВПП и позволяет, при про-
чих равных условиях, повысить скорость филь-
трования.
Актуальность проведенных исследований опре-
деляется тем, что на основе фильтров из ВПП
можно создать простые и эффективные аппараты
очистки воды для индивидуальных потребителей
или небольших населенных пунктов.
1. КИНЕТИКА И ГИДРОДИНАМИКА
ОСВЕТЛЕНИЯ. ОБЩИЕ ПОЛОЖЕНИЯ
Результаты исследования безреагентной очис-
тки воды, замутненной механическими частица-
ми диаметром не более 10 мкм при концентра-
ции менее 600 мг/л, показали, что очистка воды
до 2÷3 мг/л фильтром из ВПП толщиной 30 см
возможна не хуже, чем фильтрами из песка или
пенополистирола [1].
При контактной реагентной очистке процесс
очистки суспензии ускоряется за счет образования
хлопьев в порах фильтра. Как будет показано ни-
же, параметры, определяющие кинетику и гидро-
динамику фильтрования при реагентной очистке,
количественно существенно отличаются от тако-
8 c© Н. Г. Бугай, А. И. Кривоног, В. В. Кривоног, 2007
ISSN 1561 -9087 Прикладна гiдромеханiка. 2007. Том 9, N 1. С. 8 – 22
вых при безреагентной очистке.
Рассмотрим фильтр из ВПП диаметром D, то-
лщиной δ, диаметром элементарных волокон dэ.в,
плотностью фильтра γ и материала волокон γв.
Скорость фильтрования V = const, начальная кон-
центрация механических частиц в воде Co и с уче-
том реагента Co.p = Co + Cp, где Cp – концентра-
ция реагента. Концентрация при выходе из филь-
тра Cф, Cо.р - Cф = ∆C.
При испытании фильтра обычно получают зави-
симость Cф = f(t). За время ∆t концентрация су-
спензии изменится на ∆C, а масса осадка в филь-
тре – на ∆M :
∆M =
πD2
4
V ∆t ∆C. (1)
Тогда коэффициент массового заиления филь-
тра σw, отнесенный к единице объема пор фильтра
за единицу времени, будет
σw =
4∆M
πD2n δ ∆t
=
V ∆C
δn
(2)
и
σ′′
w =
σwδn
Co.p V
=
∆C
Co.p
, (3)
где σ′′
w – приведенный коэффициент заиления.
Если массовое заиление фильтра отнести к еди-
нице объема фильтра, то получим
σw =
V ∆C
δ
(4)
и
σ′′
w =
σwδ
Co.pV
=
∆C
Co.p
. (5)
Так как ∆C/∆Co.p – степень очистки суспен-
зии, то коэффициент σ′′
w имеет двоякий физиче-
ский смысл: по отношению к поровому пространс-
тву фильтра – приведенный коэффициент заиле-
ния пор фильтра (3) или фильтра (5), а по отно-
шению к суспензии – степень очистки суспензии.
При фильтровании суспензии при V = const для
определенного фильтра ВПП (dэ.в, δ и n – посто-
янные величины) фильтроцикл можно разделить
на три периода по t: период “зарядки” фильтра
0 ÷ t1, когда ∆C возрастает от 0 до некоторого
значения; период t1 ÷ t2, когда ∆C ≈ const; пе-
риод t > t2, когда ∆C быстро убывает, а Cф воз-
растает и фильтр фактически теряет способность
осветлять суспензию.
Если в зависимости (1) разделить ∆M на объем
пор фильтра (πD2/4)δn, то получим ∆G – изме-
нение удельного заиления пор фильтра за время
∆t:
∆G =
V ∆C
δn
∆t
и, учитывая выражение (2), получим
∆G = σw ∆t.
Для периода работы фильтра t1 ÷ t2, когда
∆C ≈ const, ∆G = Gкр.2 − Gкр.1, ∆t = t2 − t1, где
индексы 1 и 2 обозначают начало и конец периода,
можно записать
Gкр.2 − Gкр.1 =
V ∆C
δn
(t2 − t1). (6)
Обозначив δ/V = to и t/to = T , где T – безра-
змерное время, получим
Gкр.2 − Gкр.1 =
∆C
n
(T2 − T1). (7)
Разделив левую и правую части соотношения
(7) на Co.p, получим в безразмерных величинах
G′ =
Gкр.2 − Gкр.1
Co.p
=
∆C
Co.pn
(T2 − T1) (8)
и
G′n =
∆C
Co.p
(T2 − T1),
где G′ – приведенное удельное заиление единицы
объема пор фильтра; G′n – приведенное удельное
заиление единицы объема фильтра.
В отношении безразмерного времени T следу-
ет отметить [1], что T можно интерпретировать
как отношение объема профильтровавшейся су-
спензии за время t к объему фильтра. Физически
это правильно, так как заиление фильтра опреде-
ляет не время, а объем осветленной суспензии.
При накоплении осадка в фильтре пористость
заиленного фильтра nз уменьшается, а гидравли-
ческое сопротивление возрастает. Если известно
nз, то можно определить объем заиленного по-
рового пространства фильтра Wф.з, среднюю ско-
рость суспензии в порах u, концентрацию твердых
частиц в осадке Coc, плотность осадка γoc, сте-
пень заиления пор осадком ρ по следующим фор-
мулам [1]:
Wф.з =
πD2
4
δ(n − nз),
u =
V
nа.з
,
Н. Г. Бугай, А. И. Кривоног, В. В. Кривоног 9
ISSN 1561 -9087 Прикладна гiдромеханiка. 2007. Том 9, N 1. С. 8 – 22
Coc = ∆G
n
n− nз
,
ρ =
n − nз
n
,
γoc = γв +
Coc
γm
(γm − γв), (9)
где nа.з – активная пористость фильтра; γв и γm –
плотность воды и твердых частиц суспензии соо-
тветственно. Значение γm необходимо определять
с учетом плотности механических частиц суспен-
зии, реагента в твердом веществе и их соотноше-
ния в Co.p.
Гидравлическое сопротивление заиленного
фильтра при V ≤ 60 м/час можно определять по
формуле
V = Kф.з
H
δ
,
где Kф.з – коэффициент фильтрации заиленного
фильтра; H – напор на фильтре в м вод.ст.
Определение H в период t1 ÷ t2 является целью
гидравлического расчета фильтра и зависит от
Kф.з. При этом, учитывая неодинаковое послой-
ное заиление фильтра, под Kф.з следует понимать
его среднее значение для фильтра толщиной δ.
2. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВА-
НИЯ КИНЕТИКИ ОСВЕТЛЕНИЯ ПРИ КОН-
ТАКТНОЙ РЕАГЕНТНОЙ ОЧИСТКЕ
2.1. Экспериментальная установка и методика
исследований
Экспериментальная установка (см. рис. 1) состоит
из бака для суспензии или промывной воды 1, обо-
рудованного мешалкой 2, емкости 3 для реаген-
та с дозирующим устройством, пьезометрического
щита 4, трубопровода промывной воды 5, трубо-
провода 6 для подачи суспензии в напорный ба-
чок, напорного бачка постоянного уровня 7, возду-
хоотделителя (регулятора скорости) 8, перелив-
ного трубопровода 9, фильтрационного прибора
10, выполненного из оргстекла в виде цилиндра
с внутренним диаметром 140 мм и высотой рабо-
чей части 600 мм. Фильтрационный прибор в сво-
ем составе имеет устройство для интенсификации
промывки фильтрующей загрузки 11, распредели-
тельных систем 12, выравнивающих поток воды
Рис. 1. Схема экспериментальной установки
во время промывки, опорную сетку 13, фильтрую-
щую загрузку 14, пьезометры 15, пробоотборники
16, прижимное устройство 17. Вода во время про-
мывки сбрасывается в канализацию по трубопро-
воду 18. Все трубопроводы оборудованы вентиля-
ми 19, позволяющими регулировать расход воды
через них.
Установка в режиме осветления работает следу-
ющим образом: суспензия определенной мутности
из бака 1 по трубопроводу 6 подается в напорный
бачок 7. Из напорного бачка суспензия попадает
в воздухоотделитель (регулятор скорости) 8, ко-
торый позволяет поддерживать постоянную в те-
чение всего опыта скорость фильтрования. Расход
суспензии из напорного бачка регулируется венти-
лем. Из регулятора скорости суспензия подается
на фильтрующую загрузку и осветляется.
Установка работает как контактный осветли-
тель, с подачей исходной воды и коагулянта в
подфильтровое пространство. Ввод коагулянта в
исходную воду осуществлялся непосредственно пе-
ред фильтром. При таком методе коагуляция про-
текает во много раз быстрее, а доза коагулян-
та меньше, чем при коагулировании в свободном
объеме, так как для контактной коагуляции необ-
ходимо лишь снизить агрегативную устойчивость
взвешенных веществ, обеспечивая их прилипание
10 Н. Г. Бугай, А. И. Кривоног, В. В. Кривоног
ISSN 1561 -9087 Прикладна гiдромеханiка. 2007. Том 9, N 1. С. 8 – 22
к поверхности. В качестве коагулянта использо-
вался Al2(SO4)3, из соли которого приготовлялся
0.5÷1.0 % раствор. Определение оптимальной до-
зы коагулянта при контактном осветлении выпол-
няли по методике, изложенной в [4].
Иcходную воду получали путем замутнения гли-
нистыми частицами водопроводной воды с pH,
равной 5.8÷6.2, и щелочностью 2.3 мг-экв/л. Ха-
рактеристика мехсостава замутнителя приведена
на рис. 2.
Рис. 2. Характеристика мехсостава глины,
используемой как замутнитель
В процессе опыта через определенные промежу-
тки времени из пробоотборников 16 отбирали про-
бы суспензии и с помощью фотометра ЛМФ-72М.I
определяли их мутность. Пробоотборники распо-
ложены равномерно по толщине загрузки через
10 см. Одновременно с отбором проб с помощью
пьезометров 15, расположенных в тех же сечени-
ях, что и пробоотборники, фиксировались значе-
ния напоров.
Опыты продолжались до нарушения “автомо-
дельности”, на которое указывало заметное увели-
чение мутности фильтрата.
После этого подача суспензии прекращалась и
проводилась промывка. При этом чистая вода
из бака 1 по трубопроводу 5 подавалась в над-
фильтровое пространство перед распределитель-
ным устройством 12 и, пройдя загрузку, сбрасыва-
лась в канализацию по трубопроводу 18. Для ин-
тенсификации промывки наряду с подачей про-
мывной воды использовали специальное устрой-
ство 11.
2.2. Результаты экспериментов
Опыты по контактной реагентной очистке были
проведены с фильтрами из ВПП. Для некоторых
опытов параллельно выполнялись опыты с филь-
трами из ППС. В качестве реагента использовал-
ся сернокислый алюминий. При обработке резуль-
татов опытов определяли T, G, G′, σw, σ′′
w, Kф и
строили зависимости G− t, σ′′
w − t, Kф − t и H − t.
Совместный анализ первых двух зависимостей
позволяет определить t1 и t2, Gкр.1 и Gкр.2 и соо-
тветствующие им значения T1 и T2.
В табл. 1 приведены результаты обработки
опытов.
2.3. Анализ результатов опытов
Эффективность работы фильтров из
ВПП оценивалась путем сравнения работы
фильтров из ВПП и ППС в одинаковых условиях.
Для этого в опытах N 1 и N 2 фильтрование
производилось одновременно на двух приборах,
в одном из которых был использован фильтр из
ВПП, а в другом – из ППС.
Из табл. 1 видно, что в опыте N 1 при V =
= 5 м/час и Co.p = 135 мг/л степень очистки σ′′
w =
= 0.97 для фильтра из ВПП и в опыте N 1′ σ′′
w =
= 0.92 для фильтра из ППС. В опыте N 2 при
V = 3 м/час и Co.p = 135 мг/л σ′′
w = 0.985 для
фильтра из ВПП и в опыте N 2′ σ′′
w = 0.84 для
фильтра из ППС. Такая же тенденция была по-
лучена нами и при безреагентной очистке [1]. Па-
раметр Gкр.2n определяет грязеемкость фильтра в
конце фильтроцикла. Сравнение фильтров по это-
му параметру показывает, что в опыте N 1 для
фильтра из ВПП Gкр.2n = 12 мг/см3 и в опыте
N 1′ для фильтра из ППС Gкр.2n = 2.5 мг/см3.
В опыте N 2 для фильтра из ВПП Gкр.2n =
= 17.7 мг/см3 и в опыте N 2′ для фильтра из ППС
Gкр.2n = 10.8 мг/см3. Кроме того, продолжитель-
ность фильтроцикла для фильтра из ВПП больше,
чем для фильтра из ППС.
Таким образом, эффективность работы филь-
тров из ВПП несколько лучше, чем фильтров из
ППС, которые применяются сейчас для очистки
воды [5].
При анализе графиков σ′′
w − t и G− t в одних
опытах довольно точно, а в некоторых опытах
с небольшим допущением можно выделить три
обычных в таких случаях периода: период “заряд-
ки” фильтра 0 ÷ t1; период t1 ÷ t2, когда σ′′
w ≈
const, зависимость G − t линейная (“автомодель-
ный режим”) и период t > t2, когда σ′′
w быстро
уменьшается, а линейность G − t нарушается.
Н. Г. Бугай, А. И. Кривоног, В. В. Кривоног 11
ISSN 1561 -9087 Прикладна гiдромеханiка. 2007. Том 9, N 1. С. 8 – 22
Табл 1. Сводная таблица результатов опытов
NN Co, Co.p, V , δ, σ′′
w T ∗ Gкр.1, Gкр.2, t1, t2, T1 T2
опытов мг/л мг/л м/час см при t2 мг/см3 мг/см3 час час
ВПП, dэ.в = 125 мкм, n = 0.77, Cp = 30 мг/л
1 105 135 5 30 0.97 16.6 0.5 15 0.5 5.7 8.3 95
ППС, d = 0.4 ÷ 2 мм, n = 0.36, Cp = 30 мг/л
1′ 105 135 5 30 0.92 16.6 0.1 7 0.1 1.5 1.7 25
ВПП, dэ.в = 125 мкм, n = 0.77, Cp = 30 мг/л
2 105 135 3 30 0.985 10 0.5 21 0.3 13 3 130
ППС, d = 0.4 ÷ 2 мм, n = 0.36, Cp = 30 мг/л
2′ 105 135 3 30 0.84 10 0.5 30 0.5 10 5 100
ВПП, dэ.в = 140 мкм, n = 0.77, Cp = 30 мг/л
4 105 135 5 30 0.98 16.6 0.5 7.6 0.3 3 5 50
10 0.95 50 0.3 1.5 0.1 0.35 5 17.5
5 110 140 5 20 0.975 25 1 9 0.3 2 7.5 50
30 0.98 16.6 0.5 5.5 0.3 2 5 33
ВПП, dэ.в = 100 мкм, n = 0.77, Cp = 30 мг/л
6 100 130 5 30 0.97 16.6 0.5 4 0.2 1.5 3.3 25
7 105 135 5 20 0.97 25 0.5 5 0.3 1.5 7.5 38
−′′− −′′− −′′− 30 0.97 16.6 0.5 6 0.3 2.5 5 42
10 0.84 50 0.5 2 0.1 0.4 5 20
8 105 135 5 20 0.96 25 0.3 3 0.1 0.3 2.5 20
30 0.98 16.6 0.5 5 0.3 2 5 33
10 0.96 30 0.1 4 0.1 1 3 30
9 110 140 3 20 0.97 15 0.1 7 0.1 2.7 1.5 40
30 0.98 10 0.5 10 0.3 6 3 60
10 0.97 30 0.5 7 0.3 1.6 9 48
10 115 145 3 20 0.98 15 0.5 10 0.3 4 4.5 60
30 0.98 10 0.5 13 0.3 7.5 3 75
10 0.96 76 0.5 2.5 0.1 0.5 7.6 38
11 105 135 7.6 20 0.97 38 0.5 5.8 0.2 1 7.6 38
30 0.98 25 0.5 6.2 0.3 1.5 7.6 38
10 0.95 79 0.5 1.5 0.1 0.25 7.9 19
12 105 135 7.9 20 0.98 39.6 0.5 5.2 0.2 0.9 7.9 35
30 0.98 26.4 0.5 6.2 0.3 1.5 7.9 39
ВПП, dэ.в = 125 мкм, n = 0.77, Cp = 40 мг/л
10 0.96 50 0.5 3.7 0.1 0.5 5 25
13 178 218 5 20 0.98 25 0.5 5.2 0.1 1 5 25
30 0.98 16.7 0.5 9.0 0.1 2.25 5 37.5
10 0.91 78.6 0.1 0.8 - 0.08 - 6.3
14 196 236 7.86 20 0.96 39.3 0.1 3.0 0.1 0.3 3.9 11.8
30 0.975 26.2 0.1 5.7 0.1 0.87 2.6 22.8
10 0.96 30 0.5 5 0.05 0.75 1.5 22.6
15 170 210 3 20 0.98 15 0.5 8.8 0.05 2.25 1.5 33.8
30 0.99 10 0.5 13.5 0.05 5.00 1.5 50.0
ВПП, dэ.в = 125 мкм, n = 0.77, Cp = 20 мг/л
10 0.91 80 0.5 2.5 0.05 0.5 5 40
16 60 80 8 20 0.98 40 0.5 5 0.05 1.4 5 56
30 0.98 26.7 0.5 5.4 0.05 2.75 5 74
10 0.97 30 0.5 14.5 0.5 5.0 15 150
17 60 80 3 20 0.97 15 0.4 19 0.5 12.5 7.5 187
30 0.98 10 0.3 23 0.5 22.5 5 225
12 Н. Г. Бугай, А. И. Кривоног, В. В. Кривоног
ISSN 1561 -9087 Прикладна гiдромеханiка. 2007. Том 9, N 1. С. 8 – 22
Табл 2. Cводная таблица результатов опытов (продолжение)
NN Co, Co.p, V , δ, σ′′
w T ∗ Gкр.1, Gкр.2, t1, t2, T1 T2
опытов мг/л мг/л м/час см при t2 мг/см3 мг/см3 час час
ВПП, dэ.в = 125 мкм, n = 0.77, Cp = 20 мг/л
10 0.94 50 0.5 12.0 0.25 2.5 12.0 125
18 60 80 5 20 0.975 25 0.5 13.5 0.25 5.5 6.2 137
30 0.98 16.7 0.5 19.5 0.25 11.5 4.1 192
10 0.85 80 0.3 7.5 0.1 1.4 8 112
19 59 79 8 20 0.95 40 0.3 9 0.2 2.4 8 96
30 0.97 26.7 1.0 13 0.4 5.0 11 133
10 0.94 50 0.15 6 0.1 1.5 5.0 75
20 55 75 5 20 0.99 25 0.12 9.5 0.1 4.0 2.5 100
30 0.99 16.7 0.10 14.5 0.1 9.0 1.7 150
Период “зарядки” фильтра очень часто коро-
ткий, а накопление осадка в фильтре Gкр.1 незна-
чительное.
Второй период обнаруживается во всех опытах.
Для этого периода при t1 � t2 и Gкр.1 � Gкр.2,
учитывая выражения (6) и (8), получим
t2 =
Gкр.2δn
σ′′
wCo.pV
, T2 =
G′
кр.2n
σ′′
w
. (10)
Эти формулы практически точно отражают ре-
зультаты экспериментов.
Анализ графиков Kф−t и Kф−G показал, что
в каждом опыте существует зависимость Kф − t.
При этом при увеличении толщины фильтра по
ходу движения суспензии Kф возрастает.
На рис. 3 приведены экспериментальные зависи-
мости Kф− G при Co.p = 80, 135 и 223 мг/л. Видно,
что в каждом случае Kф зависит также от V . При
больших значениях V больше Kф при одном и том
же значении G. Это говорит о том, что структура
осадка в порах разная.
Обобщить полученные результаты пока не уда-
лось. Поэтому графики (см. рис. 3) можно исполь-
зовать только для фильтра ВПП (dэ.в = 125 мг/л
и n = 0.77).
Интересно сравнение зависимостей Kф − G (см.
рис. 4) для фильтра из ВПП при контактной
реагентной и безреагентной очистке. Видно, что
при контактной реагентной очистке при одном и
том же значении G коэффициент фильтрации Kф
меньше. Это говорит о том, что при контактной
реагентной очистке плотность осадка в порах и
пористость заиленного фильтра меньше, чем при
безреагентной при одних и тех же G.
Распределение осадка и коэффициента
фильтрации по глубине фильтра качествен-
но не отличаются от подобных графиков при без-
реагентной очистке: большая часть осадка задер-
живается в первом по ходу движения суспензии
слое толщиной 10 см. В некоторых опытах к концу
“автомодельного режима” основная часть осадка
задерживается в первом и втором слоях толщиной
20 см.
Коэффициент фильтрации по глубине филь-
тра возрастает и к концу “автомодельного режи-
ма” изменяется практически по линейному зако-
ну. Численное значение коэффициента фильтра-
ции при контактной реагентной очистке значи-
тельно меньше, чем при безреагентной очистке.
Изменение σ′′
w по глубине фильтра , где
σ′′
w = ∆C/C, C – концентрация суспензии перед
слоем, ∆C – уменьшение концентрации суспензии
в слое, показано на экспериментальных графиках
σ′′
w − t для отдельных слоев фильтра по направле-
нию движения суспензии (см. рис. 5 и 6).
Анализируя эти графики, отметим следующее.
Так же, как и при безреагентной очистке, при кон-
тактной реагентной очистке слои фильтра вклю-
чаются в работу последовательно по направле-
нию движения суспензии. К моменту выхода всего
фильтра на “автомодельный режим” наибольшая
степень очистки наблюдается в первом слое то-
лщиной 10 см. В остальных нижележащих слоях
степень очистки значительно меньше. Но “автомо-
дельный режим” в первом слое быстро нарушается
и в работу включается второй и третий слой. При
этом максимальная степень очистки во всех сло-
ях примерно одинаковая. Но время существова-
ния “автомодельности” разное. В этом смысле слои
равнонагружены. Высокая степень очистки всего
фильтра регулируется автоматически и по вели-
чине все время остается несколько больше, чем в
отдельных слоях.
Зависимости H − t. В большинстве опытов
процесс фильтрования по времени доводился до
нарушения “автомодельного режима”. В некото-
Н. Г. Бугай, А. И. Кривоног, В. В. Кривоног 13
ISSN 1561 -9087 Прикладна гiдромеханiка. 2007. Том 9, N 1. С. 8 – 22
Рис. 3. Экспериментальные зависимости Kф − G при
контактной реагентной очистке фильтром из ВПП,
dэ.в = 125 мкм, n = 0.77, δ = 10, 20 и 30 см:
а – Co.p = 80 мг/л, б – Co.p = 135 мг/л, в – Co.p = 223 мг/л
рых опытах (N 5 и N 10) фильтрование производи-
лось после нарушения “автомодельности” с целью
определения параметров фильтрования при пре-
дельном заилении фильтра. Анализ этих опытов
показал, что Kф и H стремятся к постоянному
значению, а σ′′
w → 0. В “автомодельном режиме”
во всех опытах зависимость изменения H линей-
ная. При этом на оси ординат отсекается отрезок,
соответствующий начальному напору при филь-
тровании чистой воды через чистый фильтр. Так
как Kф чистого фильтра из ВПП при dэ.в = 100÷
140 мкм незначительный, начальный напор при V
= 3 ÷ 8 м/час и δ = 10÷30 см не превышает 2÷3 см
вод.ст. При практических расчетах начальный на-
пор можно не учитывать.
Рис. 4. Сравнение зависимостей Kф − G при
контактной реагентной (кривые 1, 2, 3) и
безреагентной (кривые 4, 5, 6) очистке фильтром из
ВПП, dэ.в = 125 мкм, n = 0.77:
1 – Co.p = 80 мг/л, V = 3 м/час, 2 – Co.p = 135 мг/л,
V = 3 м/час, 3 – Co.p = 223 мг/л, V = 3 м/час,
4 – Co.p = 105 мг/л, V = 3 м/час, 5 – Co.p = 106 мг/л,
V = 1.5 м/час, 6 – Co.p = 195 мг/л, V = 3 м/час
Рис. 5. Экспериментальные зависимости σ′′
w
− t для
отдельных слоев фильтра из ВПП толщиной 10 см:
а – Опыт N 20 Co.p = 75 мг/л, V = 5 м/час,
б – Опыт N 17 Co.p = 80 мг/л, V = 3 м/час
14 Н. Г. Бугай, А. И. Кривоног, В. В. Кривоног
ISSN 1561 -9087 Прикладна гiдромеханiка. 2007. Том 9, N 1. С. 8 – 22
Рис. 6. Экспериментальные зависимости σ′′
w
− t для
отдельных слоев фильтра из ВПП толщиной 10 см:
а – Опыт N 5 Co.p = 140 мг/л, V = 5 м/час,
б – Опыт N 9 Co.p = 140 мг/л, V = 3 м/час
в – Опыт N 13 Co.p = 218 мг/л, V = 5 м/час,
в – Опыт N 15 Co.p = 210 мг/л, V = 3 м/час
3. СРАВНЕНИЕ КИНЕТИКИ ОСВЕТЛЕНИЯ
ПРИ БЕЗРЕАГЕНТНОЙ И КОНТАКТНОЙ
РЕАГЕНТНОЙ ОЧИСТКЕ
Выше мы отмечали некоторые отличия кине-
тики фильтрования суспензии через фильтр из
ВПП при контактной реагентной и безреагентной
очистке. Но наиболее ярко это отличие обнару-
живается при построении совмещенного графика
σ′′
w − T ∗, где σ′′
w – степень очистки в “автомо-
дельном режиме”, T ∗ = (1 · V )/δ. На рис. 7 приве-
дены результаты экспериментов. Видно, что при
одних и тех же значениях T ∗ степень очистки су-
спензии при контактной реагентной очистке зна-
чительно больше, чем при безреагентной. Кроме
того, при контактной реагентной очистке степень
очистки σ′′
w при использовании фильтра из ППС
несколько ниже, чем при использовании фильтра
из ВПП. Такая же тенденция существует при без-
реагентной очистке.
Рис. 7. Экспериментальные зависимости σ′′
w
− T∗ при
фильтровании суспензии через фильтр из ВПП,
песка и ППС:
1 – безреагентная очистка
• – ВПП dэ.в = 100÷125 мкм, 4 – песок dэкв = 0.45 мм,
+ – ППС d = 0.4 ÷ 2 мм;
2 – контактная реагентная очистка
� – ВПП dэ.в = 100÷140 мкм, ◦ – ППС d = 0.4 ÷ 2 мм
Графики рис. 7 можно использовать при пред-
варительных расчетах фильтра. Например, если
Co = 100 мг/л и Cp = 35 мг/л, то получим Co.p =
= 135 мг/л. При ПДК 3 мг/л допустимая степень
очистки должна быть
[σ′′
w] ≥
Co.p − ПДК
Co.p
=
135− 3
135
= 0.975. (11)
Из рис. 7 видно, что при контактной реагентной
очистке значение T ∗ должно быть не более 15. При
безреагентной очистке при T ∗ = 15 степень очис-
тки составляет не более 0.33. Это означает, что для
получения воды необходимого качества при безре-
Н. Г. Бугай, А. И. Кривоног, В. В. Кривоног 15
ISSN 1561 -9087 Прикладна гiдромеханiка. 2007. Том 9, N 1. С. 8 – 22
агентной очистке необходимо значительно увели-
чить толщину фильтра или уменьшить скорость
фильтрования.
4. ОПРЕДЕЛЕНИЕ Gкр.2
На рис. 8 приведены экспериментальные зависи-
мости Gкр.2−T ∗ для проведенных опытов. Видно,
Рис. 8. Экспериментальные зависимости Gкр.2 − T∗
для фильтра из ВПП, dэ.в = 125 мкм, n = 0.77:
а – при Co.p = 130 ÷ 140 мг/л, б – при Co.p = 210 ÷ 236 мг/л,
в – при Co.p = 75 ÷ 80 мг/л, г – совмещенный график
что во всех случаях между Gкр.2 и T ∗ имеет ме-
сто определенная закономерность: с увеличением
T ∗ значение Gкр.2 уменьшается. Несмотря на ра-
зброс опытных точек, считаем возможным выде-
лить кривые средних значений, которые приве-
дены на рис. 8, г. Видно, что при Co.p = 130÷
÷ 236 мг/л зависимости совпадают, но при Co.p =
= 75÷80 мг/л при одних и тех же значениях T ∗
величина Gкр.2 больше и может быть описана кри-
вой 3.
5. ПРИМЕРЫ ПРОГНОЗНЫХ РАСЧЕТОВ
ФИЛЬТРОВ ИЗ ВПП
Рассмотрим фильтры из ВПП, dэ.в = 125 мкм,
n = 0.77. Расчеты выполним при: Co = 50, 75,
100, 150 и 200 мг/л; V = 3, 5 и 8 м/час; δ = 30
и 50 см. Количество реагента (сернокислого алю-
миния) находим по методике, изложенной в [4].
Целью расчета является определение продолжи-
тельности фильтроцикла, напора на фильтре и
грязеемкости фильтра. Так как “зарядка” филь-
тра при контактной реагентной очистке происхо-
дит очень быстро и t1 � t2, в качестве продол-
жительности фильтроцикла принимаем время t2,
которое определяем по формуле (10).
В этой формуле σ′′
w – степень очистки для за-
данных параметров фильтрования (δ, V , T ∗). Зна-
чение σ′′
w для каждого расчетного случая опреде-
ляем по рис. 7, а значение Gкp.2 – по рис. 8, г в
зависимости от T ∗ = (1 · V )/δ. Допустимое значе-
ние [σ′′
w] вычисляем по формуле (11), где Co.p =
= Co + Cp, ПДК = 3 мг/л.
По значению [σ′′
w] по графику на рис. 7 находим
допустимое значение [T ∗]. Условием нормальной
работы фильтра является σ′′
w ≥ [σ′′
w] и T ∗ ≤ [T ∗].
В качестве грязеемкости можно использовать заи-
ление единицы объема фильтра, равное Gкp.2n, а
при учете толщины фильтра δ – заиление единицы
площади поверхности фильтра δGкp.2n.
Напор на фильтре в конце фильтроцикла опре-
деляем по формуле
H =
V δ
Kф
,
где Kф находим по графикам (см. рис. 3) при G =
= Gкp.2. Результаты расчетов приведены в табл. 3.
Такие расчеты необходимо рассматривать как
прогнозные. Окончательное решение о режиме
фильтрования необходимо принимать после тесто-
вых испытаний на объекте.
6. РЕГЕНЕРАЦИЯ ФИЛЬТРОВ ИЗ ВПП
Регенерацию фильтра из ВПП проводили после
окончания опыта поршневым пульсатором, встро-
енным в верхнюю крышку корпуса фильтра (см.
рис. 1), с помощью которого создавали пульса-
16 Н. Г. Бугай, А. И. Кривоног, В. В. Кривоног
ISSN 1561 -9087 Прикладна гiдромеханiка. 2007. Том 9, N 1. С. 8 – 22
Табл 3. Результаты расчетов фильтров из ВПП
V, Co, Cp, Co.p, [σ′′
w] σ′′
w [T ∗] T ∗ Gкр.2, t2, Gкр.2n, δGкр.2n, Kф, H ,см
м
час
мг
л
мг
л
мг
л
мг
см3 час мг
см3
мг
см2
см
с в.ст.
δ = 30 см
3 0.985 10.0 24 26.9 18.5 555 0.045 55
5 50 20 70 0.96 0.980 60 16.6 18 12.3 13.9 417 0.070 60
8 0.975 26.7 12 5.1 9.3 280 0.180 37
3 0.985 10.0 16 12.5 12.3 370 0.085 29
5 75 25 100 0.97 0.980 43 16.6 13 6.1 10.0 300 0.130 32
8 0.975 26.7 8 2.4 6.2 186 0.210 31
3 0.985 10.0 13 7.8 10.0 300 0.122 21
5 100 30 130 0.975 0.980 30 16.6 8 2.9 6.2 186 0.190 22
8 0.975 26.7 5.5 1.3 4.2 126 0.250 28
3 0.985 10.0 13 5.5 10.0 300 0.125 20
5 150 35 185 0.98 0.980 15 16.6 8.7 3.7 6.7 201 0.210 20
8 0.975 26.7 5.7 0.9 4.4 132 0.330 20
3 0.985 10.0 13 4.3 10.0 300 0.130 19
5 200 40 240 0.985 0.980 8 16.6 9.5 1.9 7.3 219 0.240 17
8 0.975 26.7 6 0.6 4.6 138 0.420 16
δ = 50 см
3 0.985 6 25 46.5 19.3 965 0.040 104
5 50 20 70 0.96 0.980 60 10 23 25.8 18.7 935 0.055 124
8 0.975 16 18 12.7 13.9 695 0.140 80
3 0.985 6 20.5 26.8 15.8 790 0.07 60
5 75 25 100 0.97 0.980 43 10 18 14.2 13.9 695 0.09 40
8 0.975 16 13 6.4 10.0 500 0.17 65
3 0.985 6 16 16 12.3 615 0.098 43
5 100 30 130 0.975 0.980 30 10 13 7.9 10.0 500 0.125 55
8 0.975 16 8.5 3.3 6.5 325 0.200 55
3 0.985 6 15.5 11 12 600 0.10 42
5 150 35 185 0.98 0.980 15 10 13.0 5.5 10 500 0.15 46
8 0.975 16 9.2 2.5 7.1 355 0.25 44
3 0.985 6 15 8.2 11.6 580 0.10 42
5 200 40 240 0.985 0.980 8 10 13 4.3 10.0 500 0.18 39
8 0.975 16 10 2.1 7.7 385 0.30 37
ционную составляющую скорости потока, направ-
ленного сверху вниз. Скорость потока воды при
регенерации была в 20 ÷ 30 раз больше скорости
фильтрования. На установившийся фильтрацион-
ный поток накладывали пульсацию скорости с ча-
стотой no = 1 Гц. После прекращения выноса за-
грязнений из загрузки регенерацию прекращали и
определяли Kф.
Оценка степени регенерации фильтра основыва-
лась на экспериментальной зависимости Kф − G,
которая была получена при исследовании кинети-
ки фильтрования в каждом опыте. В табл. 4 при-
ведены результаты определения параметров за-
грузки после регенерации, а на рис. 9 – графики
Kф − G для опытов при скорости фильтрования
Табл 4. Результаты определения параметров загрузки
после регенерации
Kчист., Kф, Gн, Gocm,
м/сут м/сут мг/см3 мг/см3
1175 1106 24.72 0.31
1247 1218 25.24 0.10
3.0 и 5.0 м/ч при исходной мутности 135 мг/л.
Определив Kф, по графику Kф − G находили
остаточное удельное заиление пор фильтра Gocm.
Зная удельное заиление в начале регенерации
Gн, равное G в конце опыта на кинетику, опреде-
ляли степень регенерации фильтра σрег.:
Н. Г. Бугай, А. И. Кривоног, В. В. Кривоног 17
ISSN 1561 -9087 Прикладна гiдромеханiка. 2007. Том 9, N 1. С. 8 – 22
Рис. 9. Экспериментальные зависимости Kф − G для
фильтра из ВПП dэ.в = 125 мкм, n = 0.77
σрег. =
Gн − Gocm
Gн
· 100%.
Так, степень регенерации фильтра в одном
опыте составила 98.7 %, а во втором – 99.6 %. Это
говорит о том, что из загрузки при регенерации
вымываются практически все загрязнения и их по-
степенного накопления происходить не будет.
7. ОПРЕДЕЛЕНИЕ ДЕЙСТВИТЕЛЬНЫХ
ЗНАЧЕНИЙ ПОРИСТОСТИ
И ПЛОТНОСТИ ОСАДКА В ПОРАХ ЗАИ-
ЛЕННОГО ФИЛЬТРА ПРИ КОНТАКТНОЙ
РЕАГЕНТНОЙ ОЧИСТКЕ
При исследовании безреагентной очистки су-
спензии фильтрами из ВПП [1] получена экспери-
ментальная зависимость Kф − nз, где nз – пори-
стость заиленного фильтра, которая приведена на
рис. 10. Так как при безреагентной и контактной
Рис. 10. Экспериментальная зависимость Kф − nз
для фильтра из ВПП при безреагентной очистке
малоконцентрированной суспензии
реагентной очистке характеристики (Co, Co.p, V и
δ) фильтра были близкими, принимаем, что за-
висимость Kф − nз при контактной реагентной
очистке будет такой же, как и при безреагентной.
Тогда, при Co.p = 135 мг/л и V = 5 м/час, учи-
тывая зависимости Kф − G (см. рис. 3), можно
построить зависимость G− nз для контактной ре-
агентной очистки (рис. 11). Так как G = Coc ρ и
ρ = (n − nз)/n, зная G и nз, определяем Coc и ρ и
строим зависимость Coc − ρ (см. рис. 12). Резуль-
таты расчетов приведены в табл. 5.
Рис. 11. Экспериментальные зависимости G = f(nз)
для фильтра из ВПП (dэ.в = 125 мкм, n = 0.77,
δ = 10 ÷ 30 мм):
1 – при контактной реагентной очистке Co.p = 135 мг/л,
V = 5 м/час;
2 – при безреагентной очистке Co = 135 мг/л, V = 5 м/час
Рис. 12. Экспериментальная зависимость Coc = f(ρ)
для фильтра из ВПП (dэ.в = 125 мкм, n = 0.77,
δ = 10 ÷ 30 мм):
1 – при контактной реагентной очистке Co.p = 135 мг/л,
V = 5 м/час;
2 – при безреагентной очистке Co = 135 мг/л, V = 5 м/час
Из рис. 12 видно, что при контактной реаген-
тной очистке концентрация твердых частиц осад-
ка в поровом пространстве фильтра Coc значи-
тельно меньше, чем при безреагентной очистке, но
по абсолютному значению Coc � Co.p. В нашем
случае при Co.p = 135 мг/л отношение Coc/Co.p =
18 Н. Г. Бугай, А. И. Кривоног, В. В. Кривоног
ISSN 1561 -9087 Прикладна гiдромеханiка. 2007. Том 9, N 1. С. 8 – 22
Табл 5. Определение Coc при контактной реагентной и безреагентной очистках
Kф, nз G, ρ Coc, Coc, G, Coc,
см/с мг/см3 г/см3 мг/л мг/см3 мг/л
контактная реагентная очистка безреагентная очистка
0.6 0.60 1.0 0.220 0.0045 4500 14.5 66000
0.5 0.55 1.5 0.285 0.0052 5200 16.0 56000
0.4 0.48 2.5 0.377 0.0066 6600 20.0 53000
0.3 0.39 3.7 0.492 0.0076 7600 25.0 51000
0.2 0.28 7.5 0.635 0.0118 11800 36.0 57000
0.15 0.24 11.0 0.688 0.0160 16000 43.0 63000
0.10 0.19 16.7 0.755 0.0220 22000 52.0 69000
0.07 0.165 23.0 0.785 0.0300 30000
0.069 0.155 26.0 0.800 0.0330 33000
= 33÷244. Таким образом, при контактной реаген-
тной очистке осадок в порах представляет собой
структуру, основной составляющей которой явля-
ется вода. Плотность такого осадка можно вычи-
слить по формуле (15), где γm необходимо опреде-
лять с учетом плотности частиц суспензии, плот-
ности реагента в твердом состоянии и их соотно-
шения в Co.p. Например, при плотности минераль-
ных частиц 2.6 г/см3, γp = 2 г/см3 при Cp =
= 35 мг/л и Co = 100 мг/л γm ≈ 2.45 г/см3 и
γв = 1 г/см3, получим
γoc = γв +
Coc
γm
(γm − γв) = 1 + 0.59Coc.
Для проведенных опытов при контактной ре-
агентной очистке Coc = 0.0045÷ 0.033 г/см3, γoc =
= 1.003÷ 1.019 г/см3.
8. ОБЕЗЖЕЛЕЗИВАНИЕ ВОДЫ
ФИЛЬТРОМ ИЗ ВОЛОКНИСТО–
ПОРИСТОГО ПОЛИЭТИЛЕНА
Выполненные нами ранее экспериментальные
исследования по обезжелезиванию подземной во-
ды методом упрощенной безнапорной аэрации [7]
показали, что фильтрами из ВПП возможна очис-
тка воды до ПДК.
Результаты этих опытов обработаны по методи-
ке, изложенной выше, и приведены в табл. 6.
8.1. Анализ результатов опытов
Эффективность работы фильтров из ВПП оце-
ниваем, сравнивая работу фильтров из ВПП и
ППС, которые работают в одинаковых условиях.
Из табл. 6 видно, что по степени очистки σ′′
w и
Gкр.2n фильтры из ВПП работают несколько лу-
чше, чем из ППС.
Общим недостатком фильтров из ВПП и ППС
при обезжелезивании воды является большой пе-
риод “зарядки” фильтра, который часто сопоста-
вим с периодом их полезной работы (t2 − t1),
когда σ′′
w имеет максимальное значение. При пра-
ктическом использовании фильтров это потребует
установки большего количества аппаратов для бе-
спрерывного получения чистой воды в необходи-
мых объемах.
Фильтр из ВПП при dэ.в = 500 мкм практически
не работает в режиме, когда σ′′
w ≈ const, и не мо-
жет быть использован при обезжелезивании воды
при V = 9.8 м/час. При V < 9.8 м/час необходимо
провести дополнительные исследования.
Сравнение работы фильтров при обезжелезива-
нии воды с работой при контактной реагентной
или безреагентной очистке приведено на рис. 13.
Из графиков σ′′
w − T ∗ следует, что для филь-
тра из ВПП при контактной реагентной (реагент
Al2(SO4)3) очистке (кривая 2) и при обезжелези-
вании (реагент O2) воды (кривая 3) зависимости
σ′′
w −T ∗ при T ∗ < 5 практически совпадают, а при
T ∗ > 5 различие увеличивается, но незначитель-
но. Для фильтров из ППС степень очистки σ′′
w для
одних и тех же значений T ∗ при обезжелезивании
заметно меньше.
Полученные зависимости можно использовать
при прогнозных расчетах. Например, при обезже-
лезивании фильтром из ВПП при Co = 10 мг/л
и ПДК 0.3 мг/л допустимая степень очистки [σ′′
w]
должна быть не менее
[σ
′′
w] ≥
Co − ПДК
Co
=
10 − 0.3
10
= 0.97.
Такая степень очистки может быть при [T ∗] =
= 10. Так как T ∗ = (1 · V )/δ, допустимое значение
[T ∗] = 10 может быть при следующих значениях V
и δ: при V = 3 м/час и δ = 30 см, при V = 5 м/час
Н. Г. Бугай, А. И. Кривоног, В. В. Кривоног 19
ISSN 1561 -9087 Прикладна гiдромеханiка. 2007. Том 9, N 1. С. 8 – 22
Табл 6. Сводная таблица результатов опытов при обезжелезивании воды
NN Фильтр Co, V , δ, σ′′
w T ∗ t1, t2, Gкр.1, Gкр.2, Gкр.2n,
опытов мг/л м/час см час час мг/см3 мг/см3 мг/см3
ВПП,
1 dэ.в = 120 мкм, 3.8 4.9 30 0.95 16.3 28 46 1.4 2.7 2.1
n = 0.79
ППС,
1′ d = 0.5 ÷ 3 мм, 3.8 4.9 28 0.88 17.5 26 41 2.6 4.2 1.5
n = 0.36
ВПП,
2 dэ.в = 120 мкм, 3.5 4.8 30 0.97 16.0 23 53 1.6 3.0 2.4
n = 0.79
ППС,
2′ d = 0.5 ÷ 3 мм, 3.5 4.8 27 0.87 17.8 26 47 2.8 4.9 1.8
n = 0.36
ВПП,
3 dэ.в = 120 мкм, 6.2 9.4 29 0.96 33.4 8 22 1.7 4.2 3.3
n = 0.78
ППС,
3′ d = 0.5 ÷ 3 мм, 6.2 9.4 31 0.90 30.3 16 28 3.3 7.0 2.5
n = 0.36
ВПП,
4 dэ.в = 500 мкм, 8.0 9.8 30 0.85 32.7 37 44 6.0 7.5 5.8
n = 0.77
Рис. 13. Экспериментальные зависимости σ′′
w
− T∗
для фильтра из ВПП, dэ.в = 120 мкм, и из ППС
d = 0.5 ÷ 3 мм:
1 – фильтр из ВПП при безреагентной очистке, 2 – фильтр из
ВПП при контактной реагентной очистке, 3 – фильтр из ВПП
при обезжелезивании, 4 – фильтр из ППС при
обезжелезивании (◦)
и δ = 50 см, при V = 7.5 м/час и δ = 75 см.
Зависимости Kф − G при обезжелезивании и
при контактной реагентной очистке приведены на
рис. 14. Видно, что при одном и том же значении
Kф при обезжелезивании G значительно меньше.
Это говорит о том, что структура осадка в порах
Рис. 14. Экспериментальные зависимости Kф − G для
фильтра из ВПП:
1 – при контактной реагентной очистке,
2 – при обезжелезивании
фильтра при обезжелезивании иная.
8.2. О действительной пористости и плотности
осадка в порах при обезжелезивании
Принимая, что коэффициент фильтрации заилен-
ного фильтра определяется только пористостью
nз и не зависит от способа заиления фильтра, и
используя зависимость Kф−nз (см. рис. 10), мож-
но построить зависимость G− nз при обезжелези-
20 Н. Г. Бугай, А. И. Кривоног, В. В. Кривоног
ISSN 1561 -9087 Прикладна гiдромеханiка. 2007. Том 9, N 1. С. 8 – 22
вании и определить ρ, Coc и плотность осадка в
порах γобж .
Плотность осадка в порах фильтра определя-
лась по формуле
γобж = γв +
Coc
γm
(γm − γв),
где γm = 5.1 г/см3 (для Fe2O3), γв = 1 г/см3.
В табл. 7 приведены результаты вычислений, по
которым построены зависимости G − nз (рис. 15),
Coc−ρ (рис. 16), γобж−ρ (рис. 17). Видно, что Coc
Табл 7. Определение Coc и γобж при обезжелезивании
Kф, nз G, ρ Coc, γобж ,
см/с мг/см3 мг/л г/см3
0.60 0.60 0.5 0.22 2270 1.0018
0.50 0.55 0.6 0.28 2110 1.0017
0.40 0.48 0.7 0.38 1860 1.0015
0.30 0.39 0.9 0.49 1820 1.0015
0.20 0.28 1.1 0.64 1890 1.0015
0.15 0.24 1.3 0.69 1890 1.0015
0.10 0.19 1.7 0.76 2250 1.0018
0.07 0.17 2.2 0.78 2800 1.0023
0.06 0.16 2.4 0.80 3000 1.0024
0.05 0.15 2.7 0.80 3360 1.0027
0.04 0.13 3.2 0.83 3860 1.0031
0.03 0.12 3.7 0.85 4300 1.0035
Рис. 15. Экспериментальные зависимости G − nз при
обезжелезивании
Рис. 16. Экспериментальные зависимости Coc − ρ при
обезжелезивании
Рис. 17. Экспериментальные зависимости γобж − ρ
при обезжелезивании
в порах значительно больше, чем начальная кон-
центрация соединений железа Co, которая была в
опытах. В опытах Co = 3.5 ÷ 8 мг/л и отношение
Coc/Co = 230÷ 1220.
Плотность осадка в порах γобж =1.0085 ÷
÷ 1.0035 мг/см3. Так же, как при безреагентной и
реагентной очистке, при обезжелезивании основ-
ную часть осадка составляет вода.
ВЫВОДЫ
В результате проведенных экспериментальных
исследований контактной реагентной очис-
тки малоконцентрированной тонкодисперсной
(d ≤10 мкм) суспензии фильтрами из волокнисто-
пористого полиэтилена (dэ.в = 100 ÷ 140 мкм,
n = 0.77, Co = 55 ÷ 200 мг/л, V = 3 ÷ 8 м/час)
получены следующие результаты.
1. Установка работала как контактный осветли-
тель при фильтровании снизу вверх. Ввод коагу-
лянта в виде раствора соли серно–кислого алюми-
ния проводился непосредственно перед фильтром.
При таком методе коагуляция происходит полнее
и быстрее, чем коагуляция в свободном объеме.
2. Получены экспериментальные зависимости
степени очистки σ′′
w от параметра T ∗ фильтров
из ВПП и ППС. Определено, что эффективность
работы фильтров из ВПП несколько лучше, чем
фильтров из ППС. Сравнение безреагентной и
контактной реагентной очистки показало, что при
контактной реагентной очистке при всех прочих
равных условиях степень очистки значительно
выше.
3. Получены экспериментальные зависимости
Gкр.2−T ∗, которые позволяют при известных зна-
чениях δ, n, σ′′
w, V и Co.p определить t2 по зависи-
мости, приведенной выше. Получены зависимости
Kф − G, которые могут быть использованы при
определении напора на фильтре H в конце филь-
троцикла t2 при G = Gкр.2. Приведены примеры
Н. Г. Бугай, А. И. Кривоног, В. В. Кривоног 21
ISSN 1561 -9087 Прикладна гiдромеханiка. 2007. Том 9, N 1. С. 8 – 22
расчета.
4. Степень очистки отдельными слоями филь-
тра изменяется так, что слои включаются в работу
последовательно. К моменту выхода всего филь-
тра на “автомодельный режим” наибольшая сте-
пень очистки наблюдается в первом слое толщи-
ной 10 см. В остальных слоях степень очистки
меньше. Но “автомодельный режим” в первом слое
быстро нарушается, и в работу включаются вто-
рой и третий слои. При этом максимальная сте-
пень очистки во всех слоях примерно одинаковая,
но время существования “автомодельного режи-
ма” разное. В этом смысле слои равнонагружены.
Высокая степень очистки всего фильтра регули-
руется автоматически.
5. Напор на фильтре H в “автомодельном режи-
ме” изменяется по линейному закону, возрастая от
начального напора, соответствующего напору при
фильтровании воды через чистый фильтр, до на-
пора при t2.
При предельном заилении фильтра Kф и H
стремятся к постоянному значению, а σ′′
w → 0.
6. Получены экспериментальные зависимости
G − nз и Coc − ρ. По сравнению с безреаген-
тной очисткой при контактной реагентной очис-
тке при одинаковых значениях nз и ρ значения
G и Coc меньше, что говорит о различной плот-
ности осадка. Для проведенных опытов γoc =
= 1.003 ÷ 1.019 г/см3, и в то же время Coc/Co.p =
= 33 ÷ 244.
7. Экспериментально показано, что регенерация
фильтра без нарушения его структуры возможна.
При этом на промывочный поток сверху вниз со
скоростью Vпр = (20 ÷ 30)V необходимо накла-
дывать пульсацию давления с частотой 1 ÷ 2 Гц
такой величины, чтобы в фильтре возникала зна-
копеременная пульсирующая фильтрация. Расчет
такого устройства приведен в [1]. При таком ме-
тоде регенерации степень очистки фильтра может
достигать 99 % .
8. Обработка результатов опытов по обезжеле-
зиванию воды фильтрами из ВПП и ППС, выпол-
ненных нами ранее [3], с использованием методики
[1] показали следующее.
При использовании метода безнапорной аэрации
и очистке фильтрами из ВПП и ППС при содер-
жании в воде общего железа Co = 3.5÷ 8 мг/л,
V = 5÷ 8 м/час, δ = 30 см, dэ.в = 120 мкм возмо-
жна очистка до ПДК = 0.3 мг/л.
Общим недостатком фильтров из ВПП и ППС
при обезжелезивании воды является большой пе-
риод “зарядки” фильтра, который сопоставим с пе-
риодом его полезной работы. При практическом
использовании таких фильтров потребуется уста-
новка большего количества аппаратов для беспе-
ребойного получения чистой воды в необходимых
объемах.
Сопоставление зависимостей σ′′
w − T ∗ при обе-
зжелезивании и при контактной реагентной очис-
тке показывает, что при T ∗ < 5 зависимости сов-
падают, а при T ∗ > 5 различие увеличивается, но
незначительно. Таким образом, обезжелезивание с
предварительной аэрацией воды является реаген-
тной очисткой, где в качестве реагента используе-
тся кислород воздуха.
Зависимости Kф − G при обезжелезивании и
контактной реагентной очистке значительно отли-
чаются: при обезжелезивании при одном и том
же значении G коэффициент фильтрации значи-
тельно меньше. Это говорит о том, что струк-
тура осадка в порах различная. Действительно,
при “автомодельном режиме” Coc ≈ 2000 мг/л
и γобж ≈ 1.0015 г/см3. При этом Coc/Co =
= 230 ÷ 1220.
9. Разработанная нами методика исследования
кинетики фильтрования применима при безре-
агентной, контактной реагентной очистках и при
обезжелезивании воды. Полученные расчетные
формулы и экспериментальные графики позво-
ляют провести прогнозные расчеты фильтров из
ВПП при проектировании аппаратов локально-
го водоснабжения для отдельных потребителей
и небольших населенных пунктов. При этом во
всех случаях необходимо осуществлять тестовые
испытания фильтров на конкретной воде, которая
подлежит очистке, с целью введения необходимых
поправок при отработке режима фильтрования.
1. Бугай Н. Г., Кривоног А. И., Кривоног В. В.
Безреагентная очистка воды фильтрами из
волокнисто-пористого полиэтилена // Прикладна
гiдромеханiка.– 2004.– 6(78), N 2.– С. 27-43.
2. Минц Д. М. Теоретические основы очистки воды.–
М.: Изд-во лит-ры по строительству, 1964.– 156 с.
3. Пивовар Н. Г., Бугай Н. Г., Фридрихсон В. Л.,
Кривоног А. И., Кривоног В. В. Дренаж с во-
локнистыми фильтрами для защиты территорий
от подтопления.– К.: Ин-т гидромеханики НАН
Украины, 2000.– 332 с.
4. Контактные осветлители для очистки воды / Под
ред. Минца Д.М.– М.: Изд-во Мин-ва коммун. хоз-
ва, 1955.– 212 с.
5. Орлов В. О., Кравченко В. С. Пiнополiстирольнi
фiльтри в технологiчних схемах водопiдготовки.–
Рiвне: РДТУ, 1999.– 143 с.
6. Николадзе Г. И. Обезжелезивание природных и обо-
ротных вод.– М.: Стройиздат, 1978.– 160 с.
7. Кривоног О. I. Знезалiзнення пiдземних вод фiль-
трами з завантаженням з волокнисто-пористого по-
лiетилену // Мелiорацiя i водне господарство.–
2000.– Вип. 87.– С. 200-207.
22 Н. Г. Бугай, А. И. Кривоног, В. В. Кривоног
|