УСТРОЙСТВО ДЛЯ ФИЛЬТРОВАНИЯ ЖИДКОСТЕЙ
FLUID FILTRATION DEVICE

Изобретение относится к области экологии, конкретно к устройствам для промышленной очистки загрязненных жидкостей, содержащих нефтемаслопродукты, взвешенные вещества, ионы тяжелых металлов, органические вещества и другие загрязнения, и может быть использовано в процессах глубокой очистки (доочистки) сточных вод различного происхождения (поверхностно-ливневых, производственных) в нефтяной, химической, машиностроительной и других отраслях промышленности.
Известно устройство - фильтр для очистки жидкостей от нефтепродуктов (патент РФ №2225742, МПК В01D 24/10, В01D 24/14), содержащее корпус с крышкой и коническим днищем, объем корпуса фильтра разделен перфорированными решетками на пять камер различной высоты, при этом на сетчатых или перфорированных кассетах верхней, средней и нижней рабочих камер размещена фильтрующая загрузка, а две промежуточные камеры свободны от загрузки.
К недостаткам данного устройства, препятствующим получению технического результата заявляемого изобретения, следует отнести: невысокую скорость фильтрации жидкости в связи с существенным гидравлическим сопротивлением толстых слоев многоступенчатой фильтрующей загрузки прохождению очищаемой жидкости; сложность конструкции и необходимость подбора и тщательного регулирования высоты рабочих камер фильтра в зависимости от вида загрязнений и их концентрации в стоке.
Известно устройство - трубчатый элемент фильтровально-сорбционного типа (Свидетельство на полезную модель РФ №29859, МПК В01D 27/02, В01D 29/48), которое содержит внутренний плетеный дренажный каркас и внешнюю плетеную сетку, между которыми по направлению движения жидкости от внешнего каркаса к внутреннему расположены сначала нетканый пористый материал из переплетенных ультратонких волокон, а затем - сорбционный материал в виде последовательно намотанных и разделенных дренажными прокладками слоев ткани. При этом в целях получения высоких показателей очистки жидкости заложен конструктивный принцип: наращивание количества слоев нетканого пористого материала (с разной тонкостью фильтрации) в толщине фильтрующей зоны устройства.
Существенным недостатком такого устройства, препятствующим получению технического результата заявляемого изобретения, является технологическая сложность формирования каждого слоя нетканого материала с определенным градиентом фильтрации и плавным повышением тонкости (градиента) фильтрации в направлении движения жидкости через множественные фильтрующие слои устройства.
Наиболее близким по технической сущности и достигаемому техническому результату является патент РФ №2082481, МПК В01D/27/00 - фильтр для очистки жидкости, содержащий корпус с патрубками для подачи очищаемой воды и отвода фильтрата, размещенные в корпусе вертикальные фильтрующие элементы и перегородку в ее верхней части, при этом каждый фильтрующий элемент выполнен из стержней, расположенных в углах равностороннего пятиугольника и обтянутых послойно активированной тканью снаружи стержневого каркаса. Стержни с активированной тканью размещены в микрофильтрующем пористом цилиндре, и каждый вертикальный фильтрующий элемент заглушен в нижней части и закреплен в верхней части на перегородке.
Существенные недостатки данного устройства:
Невысокая скорость фильтрации и, следовательно, низкая производительность по причине высокого сопротивления многослойной фильтрующей части фильтра на пути потока очищаемой жидкости.
Поскольку объем устройства герметизирован, то наличие определенного избыточного давления не исключает проникновение сравнительно крупных частиц взвешенных веществ в тело фильтрующего пористого цилиндра, что приводит к преждевременному засорению пор и, следовательно, снижению скорости фильтрации через цилиндр. Такое явление негативно сказывается и на процессе фильтрования воды через сорбционную часть каждого фильтрующего элемента в объеме устройства, т.к. изменяются установленные технологическим процессом гидравлические характеристики движущегося потока воды.
Необходимость регенерации фильтрующего материала по мере его загрязнения в процессе очистки жидкости.
Цель изобретения - достижение высокой эффективности очистки сточных вод от маслонефтепродуктов и взвешенных веществ с обеспечением качественных нормативных показателей очистки, позволяющих осуществлять отвод очищенной жидкости в водные объекты рыбохозяйственного водопользования.
Поставленная цель достигается тем, что в устройстве для фильтрования жидкостей, содержащем корпус, имеющем подвод очищаемой жидкости и отвод фильтрата, перегородку с отверстиями в его верхней части и фильтрующие элементы, обтянутые фильтрующими материалами, корпус выполнен в виде жесткого каркаса, изготовленного из нескольких вертикально размещенных U-образных плоских стальных петель, установленных симметрично относительно оси устройства на диске-перегородке в верхней части, вытянутых по длине устройства и скрепленных между собой несколькими кольцами большего и меньшего диаметров, закрепленными в горизонтальной плоскости на нескольких уровнях по высоте устройства и проходящими внутри и снаружи каждой U-образной петли, единственный фильтрующий элемент устройства представлен в виде цельного чехла, одеваемого на жесткий каркас и закрепляемого в верхней части устройства под диском-перегородкой и в средней (по высоте) части от смещения, чехол содержит внешний и внутренний сорбционно-фильтрующие слои материалов, а толщина материала внутреннего сорбционно-фильтрующего слоя соотносится с толщиной наружного сорбционно-фильтрующего слоя, как 1:13.
На фиг.1 представлен общий вид устройства в аксонометрии, на фиг.2 - общий вид каркаса устройства.
Устройство состоит из жесткого каркаса, содержащего несколько U-образных петель 1, выполненных из стального прутка и закрепленных на диске-перегородке 2, имеющем отверстия 3, расположенные симметрично относительно оси устройства и предназначенные для отвода фильтрата. U-образные петли скреплены между собой несколькими кольцами большего 4 и меньшего 5 диаметров. Кольца закреплены на U-образных петлях в горизонтальной плоскости на нескольких уровнях по высоте петель. Жесткий каркас обтянут чехлом 6, содержащим два слоя сорбционно-фильтрующих материалов 7 и 8. В качестве сорбционных фильтрующих материалов могут быть применены, например, нетканый материал-сорбент "Мегасорб" (первая ступень глубокой очистки) и углеродный волокнистый материал УГВМ-ЛК (вторая ступень глубокой доочистки).
Устройство работает следующим образом: сточная вода, предварительно обработанная в тонкослойном отстойнике и коалесцентном сепараторе, поступает в виде горизонтально текущего потока к наружной поверхности сорбционно-фильтрующего устройства, проходит через слои материалов 7 и 8, поднимается вверх внутри конструкции с последующим отводом через отверстия 3 в водоем. Протекая через наружный сорбционно-фильтрующий слой материала (первая ступень глубокой очистки) вода освобождается от мелкодисперсных взвешенных веществ и большей части растворимых маслонефтепродуктов (концентрация последних не должна превышать 0,3 мг/л), а после глубокой доочистки на второй ступени, т.е. на углеродном волокнистом материале (внутренний фильтрующий слой) концентрация растворимых маслонефтепродуктов не должна превышать 0,05 мг/л.
Создание оригинальной конструкции жесткого каркаса устройства, выполненного в виде нескольких вертикально размещенных U-образных плоских стальных петель, установленных симметрично относительно оси устройства на диске-перегородке в верхней части устройства, вытянутых по длине и скрепленных между собой несколькими кольцами большего и меньшего диаметров в цельную конструкцию, закрепленными в горизонтальной плоскости на нескольких уровнях по высоте устройства и проходящими внутри и снаружи каждой U-образной петли, в совокупности с разработкой фильтрующего элемента устройства-чехла, одеваемого на жесткий каркас и закрепляемого под диском-перегородкой и в средней (по высоте) части устройства от смещения, состоящего из внешнего и внутреннего сорбционно-фильтрующих слоев фильтрующих материалов, позволило при установке фильтрующего чехла на небольшой по размерам жесткий каркас сформировать сорбционно-фильтрующую среду со значительной удельной поверхностью и объемом на пути протекающего водного потока в процессе его фильтрования.
Наличие указанного выше позитивного фактора (значительная по размерам поверхностно-объемная сорбционно-фильтрующая среда, сформированная на небольшом по размерам каркасе) при сохранении заданной скорости фильтрования жидкости позволило получить на практике технический результат изобретения, при условии обеспечения оптимального соотношения толщин материала внутреннего сорбционно-фильтрующего слоя и материала внешнего сорбционно-фильтрующего слоя, как 1:13, т.е. толщина наружного слоя принята в пределах от 13 до 40 мм, а толщина внутреннего слоя - от 1 до 3 мм.
Проведенные исследования показали, что увеличение толщины наружного слоя более 40 мм приводит к существенному снижению скорости фильтрования жидкости в устройстве, что экономически невыгодно, а уменьшение толщины до значений менее 13 мм приводит к явлению проскока тонкодисперсных взвесей через наружный фильтрующий слой, что отрицательно влияет на работу внутреннего сорбционно-фильтрующего слоя по причине его преждевременного загрязнения. Увеличение толщины внутреннего сорбционно-фильтрующего слоя более 3 мм неоправданно, поскольку при этом также снижается скорость фильтрации, а уменьшение толщины менее 1 мм не позволяет достигнуть цели изобретения, так как снижаются качественные показатели по улавливаемым маслонефтепродуктам.
Анализ отличительных признаков изобретения по критерию "существенные отличия" показал нижеследующее:
1. Конструкторское решение, связанное с созданием оригинального жесткого каркаса фильтрующего устройства небольших размеров, выполненного в виде нескольких U-образных плоских петель, установленных симметрично относительно оси устройства на диске-перегородке, вытянутых по длине устройства и скрепленных между собой в единый жесткий каркас несколькими кольцами большего и меньшего диаметров, закрепленными в горизонтальной плоскости на нескольких уровнях по высоте и проходящих внутри и снаружи каждой U-образной петли, является существенным отличительным признаком, поскольку позволило сформировать на незначительном по размерам жестком каркасе единственный фильтрующий элемент устройства (вместо нескольких фильтрующих элементов в прототипе) в виде цельного чехла, собранного из сорбционно-фильтрующих материалов, отличающегося такими значительными удельной площадью поверхности и удельным объемом, которые превосходят, как оказалось, данные параметры прототипа минимум в два раза. Такой неожиданный результат обеспечил наличие существенно увеличенного объема сорбционно-фильтрующей среды на входе в фильтрующий элемент, внутри него и на выходе из последнего, что положительно отразилось на качестве очистки сточной воды. Указанный выше отличительный признак, обеспечивающий достижение технического результата в совокупности с другими отличительными признаками, из патентной и технической литературы неизвестен, что позволяет считать его новым и существенным.
2. Создание сорбционно-фильтрующего цельного чехла устройства, состоящего из внешнего и внутреннего сорбционно-фильтрующих слоев материалов, когда толщина материала внутреннего слоя соотносится с толщиной материала внешнего слоя, как 1:13, позволило осуществить качественный процесс глубокой доочистки сточной жидкости в оптимальных условиях фильтрования, а в совокупности с существенно увеличенной активной удельной поверхностно-объемной средой чехла - обеспечить достижение технического результата изобретения. Указанное выше соотношение толщин сорбционно-фильтрующих материалов, как отличительный признак, из патентной и технической литературы неизвестен, что позволяет считать его существенным.
Кроме того, оказалось достаточным иметь в устройстве только два сорбционно-фильтрующих слоя в одном фильтрующем элементе (по сравнению с использованием многослойных фильтрующих элементов в конструкции фильтра прототипа), обеспечивающих, как показали исследования, достижение технического результата в совокупности с существенными отличительными признаками, указанными в п.п.1 и 2.
В таблице представлены результаты приемочных испытаний заявляемого устройства для фильтрования сточной воды, подвергнутой предварительной очистке на тонкослойном отстойнике и коалесцентном сепараторе в составе установки "Векса-2М" (ТУ 485912-001-98116734-2007 "Установки очистки ливневых, талых и производственных сточных вод: ВЕКСА, ВЕКСА-М. Технические условия"), предназначенной для очистки ливневых, талых и поливомоечных сточных вод, отводимых с территорий промышленных предприятий и селитебных территорий, а также очистки производственных стоков предприятий в системах оборотного водоснабжения. Целью испытаний являлось определение показателей качества очищенной сточной воды, прошедшей глубокую доочистку в заявляемом устройстве.
Результаты приемочных испытаний заявляемого устройства при очистке ливневого стока предприятия
Виды загрязнений
Концентрация загрязнений перед входом в устройство, мг/л
Остаточная концентрация загрязнений на выходе из устройства, мг/л
Допустимая остаточная концентрация загрязнений по ТУ 485912-001-98216734-2007, мг/л
Взвешенные вещества
не более 7
2,6-2,9
<=3,0
Нефтепродукты
2-5
0,04-0,05
не более 0,05
БПК5
До 15
0,9-1,35
не более 2,0
Полученные результаты говорят о высокой степени доочистки стока от основных видов загрязнений в заявляемом устройстве.
Таким образом, создание сорбционно-фильтрующего устройства, отличающегося от прототипа значительной удельной площадью фильтрующей поверхности и удельным фильтрующим объемом в совокупности с наличием оптимального соотношения толщин наружного и внутреннего сорбционно-фильтрующих слоев цельного чехла, обеспечило на практике достижение заявляемого технического результата.
Заявляемое изобретение позволяет получить следующие дополнительные преимущества:
- высокую скорость процесса фильтрации при незначительных параметрах устройства;
- экономию сорбционно-фильтрующих материалов в связи с наличием одного фильтрующего элемента двухслойной конструкции;
- отпадает необходимость регенерации фильтрующей части, поскольку последняя является съемной и используется в течение не менее 0,5 года;
- устройство позволяет регулировать степень качества показателей очищаемой воды на выходе в зависимости от требований к качеству со стороны потребителя продукции, поскольку реализуется практическая возможность использования различного соотношения толщин сорбционно-фильтрующих слоев в допустимых пределах, оговоренных изобретением.