Кассетный фильтр

Полезная модель относится к конструкциям медленных фильтров и может быть использована для доочистки сточных вод от биогенных элементов.
Известна конструкция медленного песчаного фильтра [см. патент РФ № 2225244, МПК В01D 24/12, В01D 24/46, дата публикации 10.03.2004].
Медленный песчаный фильтр включает контейнер, имеющий верхнюю часть и нижнюю часть, водовпускное средство, расположенное в верхней части контейнера и соединенное с источником воды, фильтрующий материал, которым заполнена по меньшей мере нижняя часть контейнера и верхняя поверхность которого расположена ниже водовпускного средства, биологический слой, расположенный на верхней поверхности фильтрующего материала, водовыпускное средство, расположенное в нижней части контейнера ниже верхней поверхности фильтрующего материала, устройство поддержания уровня воды, расположенное в верхней части контейнера, с помощью которого осуществлено поддержание уровня воды в верхней части контейнера так, что слой воды над биологическим слоем является достаточно толстым для недопущения существенного взбалтывания биологического слоя, расположенного на верхней поверхности фильтрующего слоя, и в то же время достаточно тонким для диффузионного проникновения в него кислорода из пространства над водой и достижения этим кислородом биологического слоя, чем обеспечено поддержание биологического слоя в живом состоянии даже в отсутствие поступления воды от водовпускного средства, рассеивающую решетку над уровнем воды, чистящий механизм, механизм обслуживания.
Недостатком технического решения является низкая эффективность доочистки сточных вод - в зоне формирования взвешенного слоя осадка образуется биопленка, из-за чего уменьшается фильтроцикл, таким образом условия развития непатогенной микрофлоры, способной обеспечить деструкцию растворенных биогенных элементов, нельзя назвать оптимальными. Как следствие неоправданно производится более загрязненный сброс загрязняющих веществ и микроорганизмов в водный объект, что приводит к ухудшению экологической ситуации, кроме того, не предусмотрен аварийный сброс воды и осадка.
В качестве ближайшего аналога принят кассетный фильтр, содержащий корпус со съемными фильтрующими кассетами, установленными параллельно друг другу с возможностью их вертикального возвратно-поступательного перемещения, при этом верхний участок каждой кассеты снабжен герметично связанной с ним водонепроницаемой перегородкой, причем нижняя и боковые кромки кассеты и боковые кромки водонепроницаемой перегородки герметично контактируют с соответствующими поверхностями корпуса, кроме того, в качестве фильтрующей загрузки использованы гранулы вспененного дробленого пенополистирола с крупностью зерен 2-3 мм, причем пары соседних фильтрующих кассет образуют фильтрующие узлы кассетного фильтра, при этом средство подвода воды на очистку выполнено в виде подводящих патрубков, размещенных у верхней кромки корпуса между фильтрующими узлами, при этом каждый подводящий патрубок сообщен с подводящим коллектором через запорно-регулирующую арматуру, а средство отвода очищенной воды выполнено в виде перфорированных отводящих трубопроводов, размещенных у дна корпуса в зазорах между парами кассет, образующих фильтрующие узлы, при этом все перфорированные отводящие трубопроводы сообщены с отводящими патрубками, размещенными у нижней кромки корпуса, при этом каждый отводящий патрубок сообщен с отводящим коллектором через запорно-регулирующую арматуру [см. патент РФ № 168631, МПК B01D 24/04, дата публикации 13.02.2017].
Недостатками ближайшего аналога являются ограниченная область применения на промышленных предприятиях, кроме того, он не предназначен для доочистки сточных вод от биогенных элементов.
Задача, на решение которой направлена заявленная полезная модель, заключается в улучшении эксплуатационных характеристик фильтра и расширении области применения за счет возможности очистки сточных вод не только от нефтепродуктов, но и других загрязняющих веществ (аммоний, фосфаты, БПК, нитраты, нитриты и т.д.).
Технический результат, достигаемый при решении поставленной задачи, выражается в глубокой очистке сточных вод от сложно обрабатываемых, нерастворимых соединений биогенных элементов, обусловленной следующими факторами:
- на поверхности фильтрующей загрузки из сетчатого полипропиленового волокна иммобилизируется непатогенная, анаэробная биологическая масса, которая сорбирует нерастворенные и коллоидные загрязнения;
- пористость сетчатого полипропиленового волокна составляет не менее 80%, что должно определять повышенную грязеемкость и продолжительность фильтроцикла;
- время созревания непатогенной микрофлоры минимально - не превышает 2-х суток и проводится путем создания искусственного ценоза с использованием непатогенных, эффективных штаммов микроорганизмов;
- биопленка нарастает внутри кассеты с полипропиленовым волокном, за счет высокой пористости и грязеемкости которого обеспечивается увеличение фильтроцикла;
- съемные фильтрующие кассеты не нуждаются в регенерации в течение года;
- регенерация кассет происходит за пределами устройства, а процесс замены занимает не более 2-х минут.
Поставленная задача решается тем, что кассетный фильтр для очистки сточных вод от биогенных элементов, содержащий корпус со съемными фильтрующими кассетами, установленными параллельно друг другу с возможностью их вертикального возвратно-поступательного перемещения, при этом верхний участок каждой кассеты снабжен герметично связанной с ним водонепроницаемой перегородкой, причем нижняя и боковые кромки кассеты и боковые кромки водонепроницаемой перегородки герметично контактируют с соответствующими поверхностями корпуса, кроме того, в качестве фильтрующей загрузки использованы гранулы вспененного дробленого пенополистирола с крупностью зерен 2-3 мм, причем пары соседних фильтрующих кассет образуют фильтрующие узлы кассетного фильтра, при этом средство подвода воды на очистку выполнено в виде подводящих патрубков, размещенных у верхней кромки корпуса между фильтрующими узлами, при этом каждый подводящий патрубок сообщен с подводящим коллектором через запорно-регулирующую арматуру, а средство отвода очищенной воды выполнено в виде перфорированных отводящих трубопроводов, размещенных у дна корпуса в зазорах между парами кассет, образующих фильтрующие узлы, при этом все перфорированные отводящие трубопроводы сообщены с отводящими патрубками, размещенными у нижней кромки корпуса, при этом каждый отводящий патрубок сообщен с отводящим коллектором через запорно-регулирующую арматуру, отличается тем, что фильтр дополнительно содержит кассеты, в качестве фильтрующей загрузки которых используют параллельные вертикальные слои полипропиленового волокна с размером ячеек 3-5 мм и в объеме которых содержится биопрепарат деструктор в эффективном количестве, причем кассеты установлены парами, каждая из которых содержит прилегающие друг к другу кассету с пенополистиролом и кассету с полипропиленовым волокном, кроме того, две соседние пары кассет, поверхности с пенополистиролом которых обращены навстречу друг другу, образуют фильтрующие узлы кассетного фильтра.
Кроме того, кассетный фильтр дополнительно снабжен средством отвода осадка, выполненным в виде перфорированных отводящих трубопроводов, размещенных у дна корпуса между фильтрующими узлами, при этом все перфорированные отводящие трубопроводы сообщены с отводящими патрубками, размещенными у нижней кромки корпуса, при этом каждый отводящий патрубок сообщен с отводящим коллектором через запорно-регулирующую арматуру.
Сопоставительный анализ признаков заявленного решения с признаками прототипа и аналогов свидетельствует о соответствии заявленного решения критерию «новизна».
Признаки отличительной части формулы полезной модели обеспечивают решение комплекса функциональных задач.
Признаки «фильтр дополнительно содержит кассеты, в качестве фильтрующей загрузки которых используют параллельные вертикальные слои полипропиленового волокна с размером ячеек 3-5 мм» описывают тип фильтрующей загрузки, обеспечивающей повышенную грязеемкость и продолжительность фильтроцикла.
Признаки «фильтр дополнительно содержит кассеты, в объеме которых содержится биопрепарат деструктор в эффективном количестве» способствуют интенсификации иммобилизации непатогенных, анаэробных микроорганизмов, которые сорбируют нерастворенные и коллоидные загрязнения.
Признаки «кассеты установлены парами, каждая из которых содержит прилегающие друг к другу кассету с пенополистиролом и кассету с полипропиленовым волокном» обеспечивают совместную работу кассет (каждую из которых можно установить и извлечь отдельно) с разной фильтрующей загрузкой.
Признаки «две соседние пары кассет, поверхности с пенополистиролом которых обращены навстречу друг другу, образуют фильтрующие узлы кассетного фильтра» задают направление движения при фильтрации и обеспечивают адсорбацию воды в кассетах с гранулами вспененного дробленого пенополистирола после ее очистки от биогенных элементов в кассетах с полипропиленовым волокном.
Признаки зависимого пункта формулы позволяют удалять воду и осадок из отдельных отсеков с очищаемой водой, в т.ч. при аварийном сбросе или для регенерации отдельных кассет без отключения всего устройства.
На фиг. 1 схематически показан вертикальный разрез кассетного фильтра для очистки сточных вод от биогенных элементов;
на фиг. 2 - график зависимости концентрации аммония и фосфатов в воде от скорости их биохимического окисления;
на фиг. 3 - эффективность деструкции аммония и фосфатов.
На чертежах показаны корпус 1, съемные фильтрующие кассеты 2 и 3 с фильтрующими загрузками 4 и 5 соответственно, водонепроницаемые перегородки 6, подводящие патрубки 7, подводящий коллектор 8, отводящий трубопровод 9 очищенной воды, отводящий коллектор 10 очищенной воды, отводящий трубопровод 11 осадка.
Корпус 1 содержит съемные фильтрующие кассеты 2 и 3, направляющие для их установки и извлечения (на чертежах не показаны), а также снабжен средством подвода воды на очистку, средством отвода очищенной воды и средством отвода осадка.
В кассетах 2 в качестве фильтрующей загрузки 4 использованы гранулы вспененного дробленого пенополистирола с крупностью зерен 2-3 мм, а в кассетах 3 в качестве фильтрующей загрузки 5 использованы параллельные вертикальные слои полипропиленового волокна с размером ячеек 3-5 мм, при этом верхний участок каждой кассеты 2 и 3 снабжен герметично связанной с ним водонепроницаемой перегородкой 6 с кольцом (на чертежах не обозначено), которое предназначено для обеспечения регенерации фильтрующей загрузки 4 и 5 вне устройства.
Средство подвода воды на очистку выполнено в виде подводящих патрубков 7, размещенных у верхней кромки корпуса 1 между фильтрующими узлами, при этом каждый подводящий патрубок 7 сообщен с подводящим коллектором 8 через запорно-регулирующую арматуру.
Средство отвода очищенной воды выполнено в виде перфорированных отводящих трубопроводов 9, размещенных у дна корпуса 1 в зазорах между парами кассет 2 и 3, образующих фильтрующие узлы, при этом все перфорированные отводящие трубопроводы 9 сообщены с отводящими патрубками (на чертеже не показаны), размещенными у нижней кромки корпуса 1, при этом каждый отводящий патрубок сообщен с отводящим коллектором 10 через запорно-регулирующую арматуру.
Средство отвода осадка выполнено в виде перфорированных отводящих трубопроводов 11, размещенных у дна корпуса 1 между фильтрующими узлами, при этом все перфорированные отводящие трубопроводы 11 сообщены с отводящими патрубками (на чертеже не показаны), размещенными у нижней кромки корпуса 1, при этом каждый отводящий патрубок сообщен с отводящим коллектором (на чертеже не показан) через запорно-регулирующую арматуру
В корпусе 1 съемные фильтрующие кассеты установлены парами, каждая из которых содержит прилегающие друг к другу кассету 2 и 3 с фильтрующими загрузками 4 и 5 соответственно, причем две соседние пары кассет 2 и 3, поверхности с фильтрующей загрузкой 4 которых обращены навстречу друг другу, образуют фильтрующие узлы кассетного фильтра.
Кроме того, кассеты 2 и 3 установлены в корпусе 1 параллельно друг другу, с возможностью их вертикального возвратно-поступательного перемещения, причем нижняя и боковые кромки кассет 2 и 3 и боковые кромки водонепроницаемых перегородок 6 герметично контактируют с соответствующими поверхностями корпуса 1.
Заявляемое устройство работает следующим образом.
Предварительно в объем кассет 3 вводят в эффективном количестве (которое определяется по известным методикам) биопрепарат деструктор (который можно приготовить самостоятельно или купить готовый состав).
В отсеки корпуса 1, расположенные между фильтрующими узлами, по подводящему коллектору 8 через подводящие патрубки 7 подают сточные воды после вторичных отстойников при закрытых отводящих патрубках 10.
Заполняют корпус 1 до уровня выше крышек кассет 2 и 3, затем открывают отводящие патрубки 10 и устанавливают расход жидкости, обеспечивающий скорость фильтрации 0,1-0,3 м/ч.
За счет установившегося градиента напоров очищаемая вода проходит через фильтрующую загрузку 5 кассет 3.
При малых скоростях фильтрации на поверхности фильтрующей загрузки 5 иммобилизируется непатогенная, анаэробная биологическая масса в виде биопленки с микрофлорой, обеспечивающей элиминирование сложных молекул остаточных биогенных элементов за счет выделяемых энзимов. Органическая часть загрязнений усваивается микроорганизмами, а минерализованная часть задерживается в фильтрующей загрузке 5.
Далее вода проходит через фильтрующую загрузку 4 кассет 2, где адсорбируется посредством пенополистирола, который обладает сорбционными свойствами за счет своей пористости.
Очищенная вода выходит с противоположной стороны кассет 2, поступает в фильтрующие узлы и отводится через перфорированный отводящий трубопровод 9, отводящие патрубки и отводящий коллектор 10.
Осадок из отсеков корпуса 1, расположенных между фильтрующими узлами, при необходимости отводится через перфорированный отводящий трубопровод 11, отводящие патрубки и отводящий коллектор.
Регенерация кассет 2, 3 осуществляется высушиванием с последующим просеиванием. Замена кассет 2, 3 осуществляется поочередно при предельно допустимой кольматации загрузки. Об этом свидетельствует положение уровня воды в вертикальном стояке ниже отметки крышки.
При замене кассеты 2, 3 с закольматированной загрузкой на резервную отключается только сборный коллектор, на котором установлен заменяемый блок, без отключения всего устройства.
Стоит отметить, что при «сухой» регенерации фильтрующей загрузки 4, 5 за счет ее подсушивания и просеивания накопившихся загрязнений, из состава системы доочистки исключаются емкости хранения промывной воды, насосные станции промывки фильтров и перекачки промывных вод.
Авторы разработали кассетный фильтр со следующими характеристиками:
3
1). объем пары кассет с разной фильтрующей загрузкой - 50 м;
3
2). производительность (суточный объем фильтрата) каждой пары кассет с разной фильтрующей загрузкой - не менее 2-4 тыс. м/сутки;
3). скорость фильтрации - 0,1-0,3 м/ч;
4). фильтрующая загрузка:
3
- гранулы вспененного дробленого пенополистирола с крупностью зерен 2-3 мм и насыпным весом 17-22 кг/м, высота фильтрующей загрузки 0,3-0,5 м;
- параллельные вертикальные слои полипропиленового волокна с размером ячеек 3-5 мм, высота фильтрующей загрузки 0,25-0,3 м;
5). биопрепарат деструктор - готовая смесь эффективных микроорганизмов [см. патент РФ № 2347808, МПК C12N 1/20 A01N 63/00, дата публикации 27.02.2009].
На паре кассет с разной фильтрующей загрузкой были отработаны технологические параметры биохимической деструкции ионов аммония и фосфора в сточной воде после вторичных отстойников.
Концентрацию ионов аммония и фосфатов определяли по методикам, рекомендуемым в специальной литературе: аммоний - с реактивом Несслера, фосфаты - со смешанным реактивом. Эксперименты по биологической очистке водной среды от аммония и фосфатов проводили со свободноплавающей микрофлорой.
Моделировали стационарные процессы биохимической деструкции с дополнительной подачей загрязняющего вещества в течение эксперимента. Первичные результаты эксперимента представляли собой точки в координатах «концентрация-время». Все точки усреднялись по трем-четырем значениям.
Форма кривой допускает различное статистическое описание. Зависимость, представленная ниже, достаточно сложна для аналитического представления. Поэтому для анализа данных принимается удельная скорость окисления, которая определяется как количество загрязняющего вещества, подвергаемого деструкции биомассой, в единицу времени, для любых пар значений концентрации и времени:
(1)
0
где μ - начальная концентрация биомассы;
i
i
i
Δρ=ρ+1, где ρ - приращение концентрации количества загрязняющего вещества;
i
i
i
Δt=t+1, где t - приращение времени;
i
V - удельная скорость окисления.
i
ί
Значения V следует понимать как средние значения удельной скорости окисления на интервале Δρ и соотносить их со средними значениями концентрации количества загрязняющего вещества на этом же интервале. Статистическая значимость кривых вида «удельная скорость-концентрация» показала функциональную зависимость с максимумом [см. Розробка макрокінетичної моделі процесу біологічної очистки газоповітряних сумішей / Г. Ю. Бахарєва [и др.] // ScienceRise. 2015. Т. 2, № 2 (7). С. 12-15]. Феноменологические модели выводятся из параметризации экспериментальных данных, а не извлекаются из теорий с объяснением механизма наблюдаемых явлений.
В данном случае очевидны следующие явления:
1. контакт аммония и фосфатов с биопрепаратом деструктором, без которого невозможен биохимический процесс;
2. угнетающее действие внешней среды на способность биопрепарата к деструкции, определяемое концентрациями аммония и фосфатов в сточной воде.
Влияние первого явления, как и в биохимической кинетике, может быть оценено степенной зависимостью от концентрации. Содержанием второго явления является распределение удельной скорости окисления с увеличением концентрации биопрепарата деструктора. Коэффициент, учитывающий эту зависимость, равен единице при нулевой концентрации загрязняющих веществ, и стремится к нулю при увеличении концентрации загрязняющих веществ. При масштабном коэффициенте, получим зависимость вида:
(2)
где a, b, c - эмпирические коэффициенты;
ρ
V - зависимость удельной скорости окисления от концентрации загрязняющего вещества, мл/ч.;
3
ρ - концентрация загрязняющего вещества, г/м;
е - константа = 2,718.
При этом нахождение эмпирических коэффициентов не вызывает затруднений. Прологарифмировав выражение (2) и произведя замену переменных, получим линейное уравнение множественной регрессии, определение коэффициентов которого возможно с помощью анализа данных, функция регрессия в EXCEL.
Полученная зависимость (2) является необходимой, но не достаточной для практических расчетов стационарного процесса биохимической деструкции [см. Разработка универсальной модели кинетики стационарного процесса биоочистки с субстратным ингибированием/ А.Ю. Бахарева [и др.] //Восточно-европейский журнал передовых технологий. 2016. № 2/10 (80) С. 19-26].
В предельном переходе из (1), при Δt→0, получим уравнение, описывающее процесс биохимической очистки в дифференциальной форме:
(3)
где Δρ - приращение концентрации загрязняющего вещества;
Δt - приращение времени;
V - удельная скорость окисления.
Уравнение (3) описывает кинетику процесса деструкции, где его решением, при удельной скорости, будет зависимость концентрации загрязнения от времени.
Кинетическая математическая модель биохимической деструкции представляет систему двух функций, которые показывают взаимозависимость концентрации загрязняющего вещества, времени протекания процесса деструкции, удельной скорости деструкции загрязняющего вещества и начальной концентрации биомассы, полученных на основе взаимодействия этих же параметров в дифференциальной форме:
(4)
где f - первообразная функция.
Вид зависимости для V адекватно описывает экспериментальную модель. Полученные данные уравнения регрессии для биохимической деструкции от аммония и фосфатов статистически достоверны по F - критерию и коэффициенту детерминации.
Результаты статистической обработки представлены на фиг. 2 и в табл. 1.