Исследования процессов промывки фильтров в составе очистных сооружений поверхностного стока

4/2010 М1 ВЕСТНИК

ИССЛЕДОВАНИЯ ПРОЦЕССОВ ПРОМЫВКИ ФИЛЬТРОВ В СОСТАВЕ ОЧИСТНЫХ СООРУЖЕНИЙ ПОВЕРХНОСТНОГО

СТОКА

THE RESEARCHES OF FILTER WASHING PROCEDURES FOR STORM WATER TREATMENT TECHNIQUES

Ж.М. Говорова*, О.Б. Говоров**, Е.Г. Черников*

*МГСУ, **ОАО «МосводоканалНИИпроект»

В статье представлены результаты экспериментальных исследований процессов промывки фильтров с плавающей загрузкой, использующихся в схемах очистки городского поверхностного стока. Предложены оптимальные режимы промывки для фильтров различных конструкций.

The article presents the results of experimental investigations of backwash procedure of floating bed filters used in storm water treatment techniques. The efficient back washing modes for various filter types are proposed.

Загрязнение поверхностного стока, поступающего на очистные сооружения с селитебных территорий, зависит от климатических условий региона, санитарного состояния бассейнов водосбора и сети дождевой канализации, степени его разбавления и смешения с грунтовыми, дренажными и поливомоечными сточными водами, а также от степени влияния технологических производств промышленных предприятий, прилегающих или размещенных на водосборной площади.

Основными ингредиентами, загрязняющими дождевой сток, являются взвешенные вещества, нефтепродукты, ХПК, соединения азотной группы, хлориды и др. Динамика изменения концентраций взвешенных веществ и нефтепродуктов коррелирует в большинстве случаев с интенсивностью выпадения осадков, характерной для одного из наиболее часто встречающихся типов дождя [4, 3].

В северных регионах и средней полосе России качество поверхностных вод во многом формируется под воздействием таяния снега, что характерно для теплой зимы и ранней весны, особенно в условиях резких колебаний температур воздуха. Причем при залповых сбросах в аккумулирующие резервуары-отстойники талых вод после снегоплавильных пунктов и их безреагентного отстаивания в воде, поступающей на фильтры, увеличивается солесодержание (из-за применения антиледовых реагентов), ХПК (табл. 1), а также возрастает количество высокоустойчивых коллоидных частиц, плохо поддающихся задержанию впоследствии на зернистых фильтрах.

Очистные сооружения поверхностных сточных вод, реализующие основные технологические схемы [2] и обеспечивающие степень очистки до нормативных требований [5], как правило, включают:

механическое удаление крупных предметов, мусора и листьев на решетках или вращающихся ситах;

выделение песка в вертикальных песколовках;

осаждение грубодисперсной взвеси в центробежном поле на гидроциклонах;

отстаивание воды в аккумулирующих резервуарах-отстойниках, оборудованных системами донных перепусков, равномерного распределения и сбора обрабатываемой воды, удаления осадка из конусных днищ, специальными устройствами для сбора всплывших нефтепродуктов с поверхности воды;

обработку воды растворами коагулянта (полиоксихлорид алюминия) и флоку-лянта («Праестол») с целью удаления коллоидной тонкодисперсной взвеси, характеризующейся высокой устойчивостью, и растворенных нефтепродуктов;

контактное фильтрование воды через инертную и сорбционную загрузки на напорных и безнапорных контактных фильтрах (КФПЗ-1, КФПЗ-1Н), фильтрах с гидроавтоматической промывкой (АФПЗ-4М) и осветлительно-сорбционных фильтрах (КФПЗ (ОС)) с плавающей пенополистирольной загрузкой;

глубокую очистку воды на картриджных фильтрах с углеродволокнистой тканью I и II ступени.

Таблица 1

Качество поверхностных сточных вод (2003-2010 гг.)_

№ Показатель Значение

п/п ливневые воды талые воды

1. РН 5,8 - 6,1 6,6 - 7,1

2. Взвешенные вещества, мг/л 8,8 - 244 24 - 164

3. Нефтепродукты, мг/л 0,6 - 5,8 1,1 - 1,9

4. Хлориды, мг/л н/о 312,2 - 584,9

5. Сухой остаток, мг/л н/о 554 - 1280

6. Азот аммонийный, мг/л 0,5 - 1,6 0,2 - 1,4

7. ХПК, мг/л 48 - 69 115,9 - 148,1

8. Железо общее, мг/л 1,1 - 1,4 0,3 - 0,5

Примечание: н/о - не определялось

От эффективности процесса промывки плавающего фильтрующего слоя зависит эффективность эксплуатации осветлительного фильтра в целом. Неравномерность сбора и распределения промывной воды по площади фильтра может вызывать локальное расширение загрузки и вынос гранул пенополистирола с промывной водой за пределы фильтра. Чрезмерное расширение зернистого слоя в процессе промывки вызывает необходимость увеличения строительной высоты корпуса фильтра и капитальных вложений.

Промывка фильтров с плавающей загрузкой осуществляется нисходящим потоком промывной воды из надфильтрового пространства корпуса фильтра. При малых скоростях движения воды гранулы загрузки находятся в неподвижном состоянии. Напор воды, проходящей через поры зернистой среды, частично теряется на преодоление сил трения, возникающих на границе вода - поверхность гранул. При падении гидродинамического давления до величины, равной массе загрузки в воде расширяется фильтрующий слой, увеличивается его пористость, гранулы переходят из плотного состояния в состояние беспорядочного движения в определенном объеме.

Результаты исследований процесса промывки промышленных фильтров АФПЗ-4 исходной водой, полученные на начальном этапе их эксплуатации, показали, что при обеспечении требуемой интенсивности 9 = 12-15 л/с'м2 для гранул с <3 < 2 мм основная масса загрязнений, задержанных в режиме реагентного фильтрования, удалялась из слоя загрузки в течение первых 40-50 секунд. Причем, эффективность отмывки за-

грузки от хлопьев скоагулированнои взвеси возрастала при дополнительной подаче на ее заключительном этапе очищенной воды из промежуточного резервуара.

а)

б)

эо - X 1

\

1 / \ ч \

/ \

/ , \ 1

/ \ 5 \\

—

0 0 2 Продолжит 3 4 ель »ость промывки, мин 5

¿л А

1 \ ч \

\ \ \ ч.

ч .1 1 — г --

г з 4 а

Пс пл а пж ит е гс ьн  ст ь промывки, мин

Рис. 1. Эффективность промывки промышленных фильтров ФПЗ (1, 2) и модельного КФПЗ-1 (3) по взвешенным веществам (а) и нефтепродуктам (б) при q = 10-12 л/с м2

1 - ФПЗ-1: а = 2-4 мм, Ь = 1,6 м, ВВ0 = 73-144 мг/л, НП0 = 5-5,4 мг/л;

2 - ФПЗ-4: а = 2-4 мм, Ь = 1,6 м, ВВ0 = 73-144 мг/л, НП0 = 5-5,4 мг/л;

3 - КФПЗ-1: а = 1-2,5 мм, Ь = 1,2 м, ВВ0 = 15-81 мг/л, НП0 = 1,2-44 мг/л

Анализ кривых кинетики выноса взвешенных веществ и нефтепродуктов во времени (рис. 1) для фильтров ФПЗ-1 и ФПЗ-4, работавших в безреагентном режиме (кривые 1 и 2), и модельного КФПЗ-1, работавшего в реагентном режиме (кривая 3) показал, что при промывке загрузки промышленных фильтров, состоящей из крупных гранул ^ = 2-4 мм) с интенсивностью 10-12 л/с'м2 по сравнению с мелкогранульной загрузкой модельного фильтра (кривая 3) загрязнения выносятся медленнее. Даже при = 7 минут в промывной воде оставалось достаточно большое количество взвеси (50150 мг/л) и нефтепродуктов (0,6-1,5 мг/л).

При безреагентном фильтровании сточных вод, содержащих растворенные нефтепродукты и взвешенные вещества, при недостаточно эффективной промывке загруз-

ки в процессе эксплуатации наблюдается прогрессирующая кольматация и замасливание верхнего наддренажного гравийного (или щебеночного) слоя. Следствием этого является интенсивный рост начальных потерь напора в фильтрующем слое, сокращение продолжительности фильтроцикла и снижение эффективности работы фильтровальных сооружений в целом.

При накоплении в загрузке взвешенных веществ и эмульгированных нефтепродуктов, особенно это относится к фильтрам большой грязеемкости с неоднородной крупногранульной загрузкой типа ФПЗ-4, требования к соблюдению необходимых условий промывки загрузки ужесточаются.

Недостаточная интенсивность промывки (9 = 20-25 л/см2) такого фильтра приводит к накоплению остаточных загрязнений в слоях крупных гранул пенополистирола. Как показывают опыты при диаметре гранул < = 2-4 мм с плотностью р < 60-80 кг/м3 относительное расширение слоя (30-40%) может быть достигнуто лишь при 9 = 35 -40 л/см2. Однако, проведение промывки с такой интенсивностью, постоянной в течение всей ее продолжительности, приводит к существенному перерасходу (примерно в 2,5-3 раза) требуемых объемов промывной воды и увеличению диаметров труб нижней сборно-распределительной системы фильтров.

Исходя из этого, в качестве альтернативных способов промывки загрузки фильтров ФПЗ-1 и ФПЗ-4 для дальнейшего исследования были выбраны следующие: для фильтров ФПЗ-1 - импульсная промывка нисходящим потоком очищенной воды, накопленной в надфильтровом пространстве; для фильтров ФЗП-4 - водовоздушная промывка с восходящим потоком воздуха и очищенной воды из бака очищенной воды [1].

Импульсная промывка загрузки ФПЗ-1 в нисходящем потоке воды предусматривает кратковременную подачу промывной воды с интенсивностью 35-40 л/см2 в течение первых 30-60 секунд, а затем - ее снижение до 7-10 л/см2 в течение последующих 3-4 минут. Благодаря такому технологическому приему удалось достичь перемешивания гранул с < > 2 мм. Выносимые из крупногранульных слоев загрязнения далее удовлетворительно транспортируются через расширенные слои более мелких гранул в течение последующих 3-4 минут промывки всей загрузки и выносятся за пределы корпуса фильтра.

При фильтровании ливневой воды сверху вниз на фильтрах ФПЗ-4 накопление основной массы загрязнений происходит в верхних крупногранульных слоях загрузки. Поэтому вымывать задержанные загрязнения из них и транспортировать нисходящим потоком промывной воды через весь слой загрузки из более мелких гранул неэффективно и неэкономично, тем более, если в процессе нисходящего движения воды будет происходить одновременно противоточное движение воздуха, необходимого для интенсификации процессов отрыва прилипших загрязнений.

Поэтому для фильтра типа ФПЗ-4 был предложен режим восходящей водовоз-душной промывки. Одинаковый вектор движения двухфазного потока позволяет удалить в первую очередь наибольшее количество загрязнений из верхнего слоя загрузки, а затем эффективно транспортировать загрязнения, выносимые из нижележащих слоев загрузки.

Однако, при таком режиме в межпоровом пространстве фильтрующего слоя в процессе промывки может накапливаться воздух, препятствующий в дальнейшем, после окончания промывки, эффективному проведению фильтроциклов. Поэтому, после окончания промывки рекомендуется в течение 1-2-х минут дополнительно подавать очищенную воду в направлении сверху вниз с расширением нижних слоев загрузки до 20-25%.

Исследования проводились на опытной установке, смонтированной в фильтровальном зале действующих очистных сооружений (рис. 2), подключенной к напорному трубопроводу, подающему воду из последней секции аккумулирующего резервуара-отстойника на фильтры АФПЗ-4М.

Рис. 2. Общий вид и фрагменты опытной установки: 1 - модельный фильтр; 2 - доска пьезометров; 3 - фильтрующая загрузка из гранул пенополистирола; 4 - компрессор; 5 - счетчик расхода воздуха; 6 - трубопровод подачи воды; 7 - система подачи и распределения воздуха

Процессы безреагентного фильтрования сточной предварительно отстоенной воды осуществлялись по двум схемам: снизу вверх (ФПЗ-1) и сверху вниз (ФПЗ-4). Продолжительность фильтрования составляла от 10 до 14 ч. При осуществлении водяной и импульсной промывки использовалась очищенная вода из надфильтрового пространства модельного фильтра, а при водовоздушной промывке - очищенная вода из РЧВ.

Основной задачей этой серии опытов являлось изучение эффективности отмывки заработанной в течение фильтроцикла загрузки. Критериями оценки такой эффективности является степень вымывания загрязнений, определяемая по выносу взвешенных веществ и нефтепродуктов с промывной водой на протяжении всей промывки. При этом в качестве основной характеристики степени загрязнения различных слоев загрузки в течение одного фильтроцикла является ее грязеемкость, определяемая как:

О • Т • (С - С ) 3

Г = ф ^ вх-^,г/м3

где Q - расход воды, м3/ч; Тф - продолжительность фильтрования, ч; Сех, Сеь1Х - концентрация взвеси в воде на входе и выходе из установки, г/м3; - объем загрузки, м3.

Результаты экспериментальных исследований, в течение которых изменялся режим накопления и распределения образующего осадка и нефтепродуктов в межпоро-вом пространстве загрузок фильтров ФПЗ-1 и ФПЗ-4 приведены на рис. 3, 4.

При разных режимах промывки наблюдалась и разная кинетика выноса загрязнений из загрузки фильтра ФПЗ-4. При импульсной промывке загрузки с начальной интенсивностью до 39,5 л/с м2 в течение первых ~ 20 с, а затем со снижением интенсивности до 9,1 л/с м2 с ее продолжительностью до 5 минут, был получен лучший результат (рис. 3). Практически при таком режиме уже в течение 1 - 2 минут с момента нача-

ла промывки выносилась основная масса задержанных загрязнений. Последующая за этим дополнительная промывка в течение 2 минут позволяла вымывать оставшиеся остаточные загрязнения.

0 1 2 3 4 5

Продолжительность промывки, мин

б)

Пэодогашегьностъ гроиывки, мин

Рис. 3. Кинетика выноса взвешенных веществ (а) и нефтепродуктов (б) при импульсной промывке модельного фильтра ФПЗ-4 исходная вода: Свв = 35 мг/л, Снп = 2,63 мг/л; загрузка: ^ = 1-1,5 мм, 11 = 5 см; ё2 = 1,5-3 мм, 12 = 65 см; ё3 = 4-8 мм, 13 = 10 см; процесс фильтрования: ^ф = 10 м/ч, 1ф = 14 ч, ДЪф = 7 см, Гвв = 4,14 кг/м3, Гнп = 0,073 кг/м3; процесс промывки: qBOд. = 39,5 л/с м2 (19 с); qBOд. = 9,1 л/с м2 (5 мин) - импульсная; qBOд. = 27,9 л/см2 (2 мин); ЬПр = 0,32 м - дополнительная

а)

б)

50

5 45

(П 40

Ё Зй

сс

Я 30

й»

& 25

X

а 20

и

10

X

3 5

0

2 3 4

Продолжительность промывки, шн

С

Оюи - 4 п/мин; Чвод = 3,5 Ле и'

Ов«1= 5л/мии, ЯвоД = 4.Вл/с»

1

Рис. 4. Кинетика выноса взвешенных веществ (а) и нефтепродуктов (б) при водовоздушной промывке модельного фильтра ФПЗ-4 исходная вода: Свв = 40-91 мг/л, Снп = 0,74-5,7 мг/л, Тв = 8-90С, рН = 5,8-6,9; загрузка: ^ = 1-1,5 мм, 1[ = 5 см; ё2 = 1,5-3 мм, 12 = 65 см; ё3 = 4-8 мм, 13 = 10 см; процесс фильтрования: ^ф = 10 м/ч, 1ф = 11 ч, ДЪф = 3 см, Гвв = 8,29 кг/м3, Гнп = 0,011 кг/м3; процесс промывки: рвозд = 4-5 л/мин, qBOд. = 3,5-4,8 л/с.м2, = 0,8-1,1 м

Менее эффективной оказалась комбинированная водовоздушная промывка загрузки фильтров ФПЗ-4 при восходящем потоке воды и воздуха (рис. 4). Хотя, как и в первой серии опытов, основное количество задержанных в течение фильтроцикла загрязнений и нефтепродуктов выносится в первые 2-3 минуты, однако остаточных загрязнений в загрузке после промывки с общей продолжительностью до 6 минут оставалось еще достаточно значительное количество. Дальнейшее увеличение расхода воздуха до 5 л/мин и подачи воды с интенсивностью до 14,3 л/с м2 заметного эффекта

динамики отмывки загрузки не показало. Такая картина наблюдалась как для взвешенных веществ, так и для нефтепродуктов.

Эта серия опытов позволила сделать вывод о предпочтении использования импульсной промывки неоднородной загрузки и в промышленных фильтрах ФПЗ-4. Отказ от пригрузки слоем щебня верхних решеток и переход на дренажные колпачки из нержавеющей стали также позволит повысить эффективность отмывки загрузки.

Полученные результаты исследований реализованы при реконструкции очистных сооружений ливневого и талого стока (рис. 5) р-на Кожухово (г. Москва). В перспективе планируется перейти на импульсную промывку фильтров ФПЗ-4 и КФПЗ-1 и на других работающих станциях.

Рис. 5. Станция очистки поверхностных ливневых и талых сточных вод производительностью 4,0 тыс.м3/сут (р-н Кожухово, г. Москва).

Литература

1. Журба М.Г. Пенополистирольные фильтры. М., Стройиздат, 1991.

2. Журба М.Г., Говорова Ж.М. Технологические и конструктивные решения в области очистки поверхностного стока с применением осветлительно-сорбционных фильтров. / Сб. научных трудов. Проекты развития инфраструктуры города. Вып. 6. Экологические аспекты инженерной инфраструктуры. М., Издательство Прима-Пресс-М, 2006. с. 105-112.

3. Кичигин В.И., Быкова П.Г. Исследование физико-химических характеристик поверхностного стока населенных пунктов // Водоснабжение и сан. техника. 2002, № 11, с. 28-32.

4. Рекомендации по расчету систем сбора, отведения и очистки поверхностного стока с селитебных территорий, площадок предприятий и определению условий выпуска его в водные объекты. М., ВНИИ ВОДГЕО, 2006.

5. СанПиН 2.1.5.980-00. Гигиенические требования к охране поверхностных вод. М., 2000.

Ключевые слова: водовоздушная промывка; импульсная промывка; ливневые, дождевые, талые воды; очистка сточных вод; поверхностный сток; фильтры с плавающей загрузкой

Статья представлена Редакционным советом «Вестник МГСУ»