Методика формирования фильтра оптимальной конструкции для повышения качества оборотных вод при разработке месторождений полезных ископаемых

УДК 504.20.1

Герасимов Виктор Михайлович Victor Gerasimov

Свалова Кристина Витальевна Kristina Svalova

Г#1

V

методика формирования фильтра оптимальной конструкции для повышения качества оборотных вод при разработке месторождений полезных ископаемых

technique of the filter optimal design formation to improve the quality of circulating water in the development of mineral deposits

Рассмотрены общие закономерности процесса фильтрования: с образованием осадка, с полным и постепенным закупориванием пор и промежуточный вид. Выявлены наиболее эффективные фильтровальные материалы с точки зрения их задерживающей и пропускной способности, это геосинтетические нетканые материалы, изготовленные иглопробивным способом и термоскреплением и фильтровальная ткань. Сформированы оптимальные комбинации фильтровальных материалов и обосновано рациональное количество кассет в фильтре, исходя из значений содержания твердых взвесей после очистки в пробах жидкости. Определены виды фильтрования и обобщающие уравнения для каждой кассеты на основании найденного размера пор материала и размера твердых частиц. Доказано, что в каждой кассете будет наблюдаться две стадии фильтрования. Установлено, что для иглопробивных полотен на первой стадии характерно либо полное закупоривание одной поры одной твердой частицей, либо постепенное закупоривание одной поры многими твердыми частицами. В термоскрепленных материалах отмечено преобладание промежуточного вида фильтрования. Процесс с образованием осадка зафиксирован при использовании фильтровальных тканей, а также во всех кассетах во второй стадии процесса. Разработаны методики расчета закономерностей фильтрования применительно к рассматриваемым фильтровальным материалам:

The article discusses the general laws of filtration process: to form a precipitate, with full and gradual clogging of pores and intermediate view. The most effective filter media in terms of retention and bandwidth are geosynthetic nonwovens, made by needle-punched and thermal bonding process, and filter cloth. The optimum combinations of filter materials are made and rational and reasonable numbers of cassettes in the filter due to the values of suspended solids content in the samples after the cleaning liquid are proved. The kinds of filtering and synthesis equations for each tape are found on the basis of the pore size of the material and size of the solid particles. It is proved that in each cassette there will be a two-stage filtration. It is found that for needled webs in the first step or the full blockage are characterized either by one single pore solid particle or gradual clogging of one pore by many solid particles. In thermal materials the predominance of the intermediate form of filtration was noted. The process of forming a precipitate was recorded using a filter cloth, and also in all the cassettes at the second process stage. The method of calculation is applied to the laws of filtration of filter materials such as geosynthetic polymer medium, which allows to calculate the main characteristics of filter walls, such as limiting amount of filter, speed and time of filtering. The re-calculation of squares filtering partitions taking into account the normal filtration time is performed. The optimum design of the filter cassette and its method of formation for the purpose of

геосинтетическим полимерным средам, позволяющие просчитывать основные характеристики фильтрующих перегородок, такие как предельный объем фильтрата, скорость и время фильтрования. Сделан пересчет площадей фильтровальных перегородок с учетом нормального времени фильтрования. оптимальная конструкция кассетного фильтра и методика его формирования с целью промышленного применения для очистки технологических вод горных предприятий от твердых взвесей

industrial applications for purification of process water from mining companies suspended solids is suggested

Ключевые слова: закономерности процесса фильтрования, геосинтетические материалы, кассетный фильтр, методика формирования

Key words: filtering process regularities, geosynthet-ics materials, cartridge filter, method offormation

В горнодобывающей и перерабатывающей промышленности большинство технологий, связанных с разработкой месторождений, не обходится без потребления значительных объемов воды. Для этого используются как открытые природные водотоки, так и подземные воды. Создание новых перспективных технологий, которые обеспечивают сохранение природных ресурсов и их рациональное использование, в особенности чистой воды, является важным параметром для эффективной разработки месторождений полезных ископаемых.

В частности, к таким технологиям можно отнести создание фильтров на основе геосинтетических нетканых материалов. Разработка методики формирования таких устройств на основании экспериментальных исследований позволит создавать фильтры оптимальной конструкции, обеспечивающие очистку технологических вод от твердой фазы до норм предельно-допустимой концентрации.

В общем виде фильтрованием называют процесс разделения неоднородных систем или суспензий при помощи пористых перегородок, которые задерживают одни фазы этих систем и пропускают другие [6,7,10]. В данной статье рассмотрим случай, когда в качестве суспензий выступают сточные и оборотные воды горных предприятий, в качестве пористых перегородок — геосинтетические материалы, состоящие из смеси полипропиленовых волокон.

По результатам экспериментальных исследований выявлена наиболее эффективная комбинация данных материалов относительно их задерживающей и пропускной способности [2,8,9]. Эффективная комбинация состоит из четырех материалов, а именно:

1) геосинтетического иглопробивного материала объемной плотностью 150 кг/м3, марки И-800, толщиной 8 мм ;

2) геосинтетического иглопробивного материала объемной плотностью 180 кг/м3, марки И-900, толщиной 9 мм;

3) геосинтетического термоскреплен-ного материала поверхностной плотностью 400 г/м2, марки Т-400, толщиной 3 мм;

4) геосинтетической фильтровальной ткани марки PL-70 с размером пор 500 х 10-2 мкм, толщиной 1 мм.

Все закономерности фильтрования (рис. 1) условно можно разделить на два вида:

1) фильтрование с образованием осадка;

2) фильтрование с закупориванием пор, которое в свою очередь характеризуется различными закономерностями:

— фильтрование с закупориванием каждой поры одной твердой частицей;

— фильтрование с постепенным закупориванием одной поры многими твердыми частицами;

— фильтрование промежуточного вида.

Рис. 1. Закономерности процесса фильтрования

Твердые частицы, увлекаемые потоком жидкости к фильтровальной перегородке, попадают в различные условия. Наиболее простой случай, когда твердая частица задерживается на поверхности фильтровальной перегородки и не проникает в пору вследствие того, что размер последней в начальном сечении меньше размера твердой частицы. Такой тип фильтрования характерен для фильтровальной ткани [1].

Если размер твердой частицы меньше размера поры в самом узком ее сечении, то частица может пройти через фильтровальную перегородку вместе с фильтратом. Однако она может задержаться внутри перегородки в результате адсорбции или механического торможения на стенках поры. Такая застрявшая частица уменьшает эффективное сечение поры, и вероятность

задерживания в ней последующих твердых частиц увеличивается [3]. Это второй случай закономерности фильтрования, характерный для иглопробивного материала И-900.

Третий случай — когда отдельная твердая частица полностью закупоривает пору и делает ее непроходимой для других частиц. Характерен для иглопробивного материала И-800 [4].

И, наконец, четвертый случай, когда происходит одновременно и образование осадка из частиц, размер которых меньше размера пор и проникание частиц в поры, размер которых меньше размера пор. Характерен для термоупрочненного материала Т-400 [5].

Основные уравнения всех видов фильтрования представлены в табл. 1.

Виды фильтрования и основные уравнения

Таблица 1

Параметры Вид фильтрования

С полным закупориванием пор С постепенным закупориванием пор Фильтрование промежуточного вида С образованием осадка

1 кассета 2 кассета 3 кассета 4 кассета

Материал И-800 И-900 Т-400 PL-70

Основное уравнение dQ 2 dQ 3

Размерность [К1] = сек"1 [К2] = м"1 [К3] = м"1 |Д4] = сек  м-2

Интенсивность возрастания общего сопротивления R по мере увеличения количества фильтрата Q уменьшается при переходе от фильтрования с полным закупориванием пор к фильтрованию с постепенным закупориванием пор, затем к фильтрованию промежуточного вида, и наконец, — к фильтрованию с образованием осадка.

Общее сопротивление состоит из сопротивления чистой фильтровальной перегородки и дополнительного сопротивления. При фильтровании с полным закупориванием пор это дополнительное сопротивление обусловлено твердыми частицами, закупорившими поры; при фильтровании с постепенным закупориванием пор — твердыми частицами, задержавшимися в порах; при промежуточном фильтровании — частицами, задержавшимися на поверхности и в порах; при фильтровании с образованием осадка — частицами, задержавшимися на поверхности фильтровальной перегородки.

Постоянная K характеризует интенсивность уменьшения скорости фильтрования по мере увеличения количества фильтрата.

Рассмотрев закономерности фильтрования, можно сделать вывод, что фильтрование с образованием осадка является более предпочтительным, так как повышает срок службы фильтровальных устройств.

Однако на практике ввиду применения различных материалов в кассетах предполагаемого фильтра для очистки загрязненных вод и широкого диапазона размера дисперсных частиц в сточных водах в одной кассете будет сочетание нескольких видов фильтрования.

В табл. 2 наглядно представлена картина закономерностей фильтрования, происходящая в кассетном фильтре, которую подтверждают экспериментальные исследования, проводимые авторами [2, 8, 9].

Таблица 2

Закономерности фильтрования в кассетном фильтре

Характеристики Фильтровальные материалы

И-800 И-900 Т-400 PL-70

Размер пор, мкм 75-80 50-55 15-20 5

Размер частиц, мкм 74 20-25 10-15 <10

1 стадия Полное закупоривание пор Постепенное закупоривание пор Промежуточное фильтрование: одновременно и образование осадка, и постепенное закупоривание пор Образование осадка

2 стадия Образование осадка Образование осадка

Для каждой фильтровальной кассеты по разработанным авторами методикам [3,4] рассчитывались основные характеристики: предельный объем фильтрата, скорость и время фильтрования, а также коэффициент задерживающей способности. Формулы 1...4 показывают основные дифференциальные уравнения для каждого вида фильтрования в следующей последовательности: фильтрование с полным закупориванием пор ^ с постепенным закупориванием пор ^ промежуточное фильтрование ^ с образованием осадка

к,

Кп

1 V2 Кач-КЛ)2

dR

dQ2 V

нач

(1-0.5 К^2У

¿й 1п (-4

ип _ ^ ш ^ _ У^нач^ в ^

dQ3~ 3 ~ Q3

.Ё1 = К = "нач/"~1

^нач <2л

= К7-Я3/2.

нач ^

где ?1,2,з,4 — объем фильтрата, м3;

Я — сопротивление фильтровальной перегородки, 1/м;

V — скорость фильтрования, м/с; инач — скорость фильтрования в начальный момент времени, м/с;

Полученные результаты представлены в табл. 3.

Таблица 3

Результаты расчета основных характеристик фильтровальных кассет

Фильтровальный материал Объем фильтрата Q, м3 Скорость фильтрования и, м/с Время фильтрования Т,с Коэффициент задерживающей способности К з

И-800 1,017 45 97881 0,77

И-900 1,00285 27,5 117207,5 0,79

Т-400 1,0014 9,6 164001 0,81

PL-70 1,00 4,5 220409 0,86

Графики, изображенные на рис. 2...4, ных характеристик фильтровальных кас-наглядно показывают зависимости основ- сет.

— скорость фильтрования, м/с

— время фильтрования, ч

— полиномиальная

— полиномиальная

Кассеты фильтра

Рис. 2. График изменения скорости и времени фильтрования по мере прохождения суспензии в фильтре

0,72

0,985

1 кассета 2 кассета 3 кассета 4 кассета

1 кассета

2 кассета 3 кассета 4 кассета

Рис. 3. График изменения объема успензии по мере его через фильтр

Рис. 4. График изменения коэффициента прохождения задерживающей способности по мере прохождения суспензии через фильтр

-r0-Q2+]

2ЛР

-к'П T-FJ

где гн , гк — радиус начального и конечного

В случае расположения рассматриваемых материалов в кассетах необходимо тя = учитывать, что для эффективной работы проектируемого фильтровального устройства время фильтрования должно быть оди- капилляра соответственно, м; наковым на всех стадиях. АР - разность давлений, Н/м2;

Поэтому дальнейший расчет сводился к пересчету площадей фильтровальных перегородок по формулам 5.7, за исключением первой.

+

W^o'To-Q2 +

rg-nT-F/ .

2АР

Т? -

8Ио

AP-n0-F-r£ К3

+

2АР

П о — пористость материала; пт — пористость твердой фазы; 10 - длина капилляра, м; М- — вязкость фильтрата, Нс/м2; F - площадь фильтровальной перегородки, м2;

х0 • г0 - отношение объема осадка к объему фильтрата.

Полученные результаты представлены в табл. 4.

Таблица 4

Пересчет площадей фильтровальных перегородок при т= const

Материал Площадь фильтра, м2 Радиус фильтровальной перегородки, см

И-800 0,00636 4,5

И-900 0,0087873 5,3

Т-400 0,0163132 7,2

PL-70 0,0248719 8,9

По результатам теоретических расче- кассетного фильтра, изображенная на тов построена оптимальная конструкция рис. 5:

1 кассета: иглопробивной материал И - 800 И = 4,5 см

2 кассета: иглопробивной материал И - 900 И = 5,3 см

3 кассета: термоскрепленный материал Т - 400 И = 7,2 см

4 кассета: фильтровальная ткань PL - 70 И = 8,9 см

Рис. 5. Конструкция кассетного фильтра

Таким образом, в рамках данной те- - подбор филкгр°вальных матери-

матики проведены следующие эксперимен- алов, исходя из экспериментально най-тальные и теоретические исследования: денного коэффициента задерживающей

способности и коэффициента скорости фильтрации;

— формирование эффективных комбинаций на основании ранее выделенных материалов, выявление из них наиболее лучших;

— определение количества фильтровальных кассет, исходя из значений содержания твердых взвесей после фильтрования в пробах жидкости;

— определение размера пор материалов, размера поверхностных твердых частиц (микроскопическое исследование);

— определение вида фильтрования на основе размера пор, размера частиц и

характеристик фильтровального материала;

— разработка методики расчета кассет для разных видов фильтрования;

— расчет основных характеристик кассет: объема фильтрата, скорости и времени фильтрования;

— пересчет площадей фильтра после определения оптимального времени фильтрования;

— выбор оптимальной конструкции фильтра.

На основании проведенных исследований разработана методика формирования фильтра оптимальной конструкции (рис. 6).

МЕТОДИКА ФОРМИРОВАНИЯ ФИЛЬТРА ОПТИМАЛЬНОЙ КОНСТРУКЦИИ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЙ ПОДБОР ОИЛЬТРОВАЛЬНЫХ МАТЕРИАЛОО

I

ФОРМИРОВАНИЕ ЭФФЕКТИВНЫХ ФИЛЬТРОВАЛЬНЫХ КОМБИНАЦИЙ

I

ОПРЕДЕЛЕНИЕ КОЛИЧЕСТВА ФИЛЬТРОВАЛЬНЫХ КАССЕТ

I

ОПРЕДЕЛЕНИЕ РАЗМЕРА ПОР МАТЕРИАЛА И РАЗМЕРА ТВЕРДЫХ ЧАСТИЦ

1 КАССЕТА 2 КАССЕТА 3 КАССЕТА | 4 КАССЕТА

И-800 И-900 Т-400 Р 1.-70

i 1

РАЗМЕР ПОР ! РАЗМЕР ЧАСТИЦ 1

25150 14/15

т г

и г

ш

и

Г

ВИД ФИЛЬТРОВАНИЯ

i_ _

и п.

о

и

п

1) Полное 1) Постепенное

эашюеиаанме пор закупори ээние пор

2) Образование осадка

2) Образование осадка

Промежуточный вид

фильтрован и я

x /

ОПРЕДЕЛЕНИЕ ОСНОВНЫХ ХАРАКТЕРИСТИК ВРЕМЕНИ ОБЪЕМА И СКОРОСТИ ФИЛЬТРОВАНИЯ

i

ОПРЕДЕЛЕНИЕ ОПТИМАЛЬНОГО ВРЕМЕНИ ФИЛЬТРОВАНИЯ

ПЕРЕСЧЕТ ПЛОЩАДЕЙ ФИЛЬТРА *

ВЫБОР ОПТИМАЛЬНОЙ КОНСТРУКЦИИ ФИЛЬТРА

Рис. 6. Методика формирования кассетного фильтра оптимальной конструкции

Таким образом, представленная методика формирования фильтра механической очистки сточных и оборотных вод позволяет создавать фильтры оптимальной конструкции, обеспечивающие осветление вод

от твердой фазы до норм предельно-допустимой концентрации взвешенных частиц. При этом снижается и доводится до норм ПДК количество тяжелых металлов и токсичных веществ.

Литература-

1. Герасимов В.М. Влияние нагружения и деформации материалов на интенсивность фильтрации дренажей в искусственных сооружениях горного природопользования // Вестник ЧитГУ. 2011. № 12(79). С. 88-93.

2. Герасимов В.М. Волокнистые полимерные материалы в геотехнологии. Чита.: ЧитГУ, 2010. № 1. 207 с.

3. Герасимов В.М. Классификация контактных взаимодействий волокнистых полимерных материалов с горными породами // Кулагинские чтения: сб. докл. XI Междунар. науч.-практ. конф. Чита, 2011. С. 30-33.

4. Герасимов В.М. Механический способ очистки сточных и оборотных вод волокнистыми полимерными материалами // Вестник Забайкальского центра РАЕН. 2009. С. 30-33

5. Герасимов В.М. Применение волокнистых полимерных материалов в фильтровании оборотных и сточных вод на горных предприятиях// Вестник ЗабГУ. 2012. № 4(83). С. 9-13

6. Леонтьев Е.В. Основы теории фильтрации. М.: МГУ, 2009. 88 с.

7. Костромин М.В. Технология очистки сточных вод дражных разработок // Вестник ЗабГУ. 2012. № 8. С. 16-21

8. Свалова К.В. Экспериментальные исследования задерживающей способности твердой фазы при механической очистке сточных вод фильтрованием с применением волокнистых полимерных материалов// Горно-информационный аналитический бюллетень.2013. № 6. С.391-396.

9. Свалова К.В. Эффективность очистки промышленных стоков горных предприятий на фильтровальных устройствах с использованием волокнистых материалов //Горно-информационный аналитический бюллетень.2013. № 10. С.395-398.

10. Ширяева Е.В. Процессы фильтрования суспензий и обезвоживания осадков на промышленных вакуум-фильтровальных установках непрерывного действия: дисс. ... канд. тех. наук: 05.17.08. М.: МГУИЭ, 2011. 119 с.

_References

1. Gerasimov V.M. Vestn. Chit. gos. univ. (Chita State University Journal), 2011, no. 12. P. 88-93.

2. Gerasimov V.M. Voloknistye polimernye ma-terialy v geotehnologii (Fibrous polymeric materials in geotechnology). Chita, 2010. 207 p.

3. Gerasimov V.M. Kulaginskie chteniya: trudy mezhdunarod. konf. (Kulagin readings: collected articles of the international scientific conf.). Chita, 2011. P.30-33

4. Gerasimov V.M. Vestn. Zabaikalskogo tsentra RAEN (Bulletin of the Transbaikal center of Russian Academy of Natural Sciences), 2009, no. 1. P. 30-33

5. Gerasimov V.M. Vestn. Zab. gos. univ. (Transbaikal State University Journal), 2012. no. 4. P. 9-13

6. Leontiev E.V. Osnovy teorii filtratsii. (Fundamentals of filtration theory) Moscow, 2009. 88 p.

7. Kostromin M.V. Vest. Zab. gos. univ. (Transbaikal State University Journal), 2012. no. 8. P. 16-21

8. Svalova K.V. Gorno-informatsionny anal-itichesky byulleten (Mining Information and Analytical Bulletin), 2013. no. 6. P.391-396.

9. Svalova K.V. Gorno-informatsionny anal-itichesky byulleten (Mining Information and Analytical Bulletin), 2013. no. 10. P.395-398.

10. Shiryaeva E.V. Protsessy filtrovaniya sus-penziy i obezvozhivaniya osadkov na promyshlennyh vakuum-filtrovalnyh ustanovkah nepreryvnogo deyst-viya (Processes of filtering slurries and sludge dewater-ing in industrial vacuum filter systems) Moscow, 2011. 119 p.

Коротко об авторах_

Герасимов В.М., д-р техн. наук, профессор, зав. каф. «Сопротивление материалов и механика», Забайкальский государственный университет, г. Чита, РФ Раб. тел.: 41-72-57

Научные интересы: механика волокнистых полимерных сред, геотехнология, геоэкология

_Briefly about the authors

V. Gerasimov, doctor of technical sciences, professor, head of the Resistance of Materials and Mechanics department, Transbaikal State University, Chita, Russia

Scientific interests: mechanics of fibrous polymeric materials, geotechnology, geoecology

Свалова К.В., аспирант, ст. преподаватель, Забайкальский государственный университет, г. Чита, РФ kristi24091990s@yandex.ru

Научные интересы: фильтрующие материалы, механическая очистка загрязненных вод, закономерности процесса фильтрования

K. Svalova, postgraduate, senior teacher, Transbaikal State University, Chita, Russia

Scientific interests: filtering materials, mechanical cleaning of contaminated water, laws of filtration process