установка для моделирования процесса очистки воды

Формула изобретения

1. Установка для моделирования очистки воды, содержащая фильтровальные колонны с датчиками-пробоотборниками и патрубками для подвода и отвода воды, отличающаяся тем, что фильтровальные колонны размещены в жесткой установочной раме с опорным основанием и возможностью поворота вокруг оси, параллельной основанию, имеет механизм поворота и средства фиксации в вертикальном положении, причем фильтровальная колонна имеет коробчатую форму, расширяющуюся в верхней части так, что в указанной верхней части образуются сливные камеры, при этом две боковые стенки снабжены бортами и выполнены за одно целое с задней стенкой со средней частью, изготовленной из оптически прозрачного материала, а датчики-пробоотборники установлены на передней стенке, которая выполнена съемной, причем патрубки для подвода исходной и промывной воды установлены параллельно друг другу в нижней части фильтровальной колонны, при этом патрубок для отвода очищенной и промывной воды установлен в верхней части фильтровальной колонны.

2. Установка по п.1, отличающаяся тем, что установочная рама и фильтровальная колонна выполнены разборными.

3. Установка по п.1, отличающаяся тем, что механизм поворота колонны вокруг горизонтальной оси при установке в опорном элементе на раме содержит по меньшей мере два блока и узел поворота, выполненный в виде стержня, снабженного втулкой с возможностью ее вращения вокруг оси стержня, лебедку и трос, при этом трос, проходящий через блоки и узел поворота, связан с лебедкой и колонной.

4. Установка по п.1, отличающаяся тем, что средства фиксации выполнены в виде трубчатых элементов, закрепленных с возможностью перемещения в горизонтальном направлении в установочной раме, внутренние и наружные диаметры указанных трубчатых элементов выбраны так, что эти элементы могут входить один в другой для фиксации фильтровальных колонн в вертикальном рабочем положении и снабжены рукоятками, а с другой стороны крепежные элементы выполнены в виде жестко закрепленных в установочной раме горизонтальных пластин, при этом на установочной раме вблизи каждой колонны установлены страховочные приспособления.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к области обработки воды, а более точно к устройствам для моделирования процесса очистки воды.

Фильтрация воды является основным способом очистки природных вод. Фильтрующие материалы, применяемые для загрузки водоочистных фильтров, должны иметь определенные характеристики, поскольку от этого зависят грязеемкость фильтра (масса взвешенных веществ, задержанных за один фильтроцикл с единицы площади фильтра) и продолжительность фильтроцикла.

Важным является также плотность материала. От этого зависят необходимая интенсивность и максимально допустимая скорость фильтрования при восходящем движении воды.

Наиболее распространенный фильтрующий материал - кварцевый песок. Кроме песка используют материалы, которые получают дроблением пористых гранул заводского изготовления - дробленый керамзит и шунгизит, используют активные угли заводского изготовления, дробленый антрацит и пр.

Материалы заводского изготовления, такие как активные угли, эффективны в качестве загрузки очистных фильтров, однако очень дорого стоят. Поэтому для удешевления процессов фильтрации стараются использовать и более дешевые местные фильтрующие материалы: горелые породы, вулканические шлаки, отходы металлургического производства и др.

Если для стандартных материалов, таких как кварцевый песок, разработаны достаточно надежные системы расчета параметров фильтров, то для многих местных материалов необходимо проводить исследование процессов фильтрации с учетом местных условий: характеристик фильтрующей загрузки (состава, объемов, количества загрузок и их сочетаний), параметров исходной воды, предполагаемых объемов фильтрации, требуемого качества очищенной воды. Для получения достоверных результатов необходимо обрабатывать относительно большие объемы воды, что делает транспортировку исходной воды в централизованную лабораторию сложной и экономически невыгодной. Более эффективным представляется организация работы по моделированию процесса фильтрации вблизи источника исходной воды. Это предполагает наличие устройства, которое можно было транспортировать к месту работы, легко монтировать и демонтировать, иметь возможность простой замены фильтрующей загрузки для оценки свойств различных загрузок при очистке воды из данного источника.

Известен фильтр для очистки жидкости, описанный в патенте РФ №2121976, содержащий корпус с верхней и нижней крышками, которые соединены прижимными скобами с центральной частью корпуса, и установленные в промежуточной камере корпуса дренажные решетчатые полки с размещенными на них фильтрующими элементами. Камера для исходной жидкости образована нижней крышкой и нижней полкой. Канал для отвода очищенной жидкости сообщается с отводящей камерой, образованной верхней крышкой и верхней дренажной полкой, а дренажные полки выполнены взаимозаменяемыми со ступенчатыми крепежными выступами, расположенными по периферии. В одной крышке корпуса выполнен подводящий патрубок со штуцером, в другой крышке - проходящий через весь корпус и первую крышку отводящий канал, на конце которого выполнен штуцер.

Перед работой подводящий патрубок через штуцер при помощи шланга соединяется с краном водопровода исходной воды. Вода поступает в подводящую камеру, равномерно заполняя весь ее объем. Затем она равномерно поднимается вверх, последовательно проходя через нижнюю решетчатую полку и тканую фильтрующую прокладку подводящей камеры, последовательно проникает через все дренажные решетчатые полки с фильтрующими элементами промежуточной камеры, поступает в отводящую камеру через вспомогательную дренажную решетку, тканую фильтрующую прокладку, дополнительную решетчатую полку и по отводящему каналу стекает к выводящему штуцеру. После полного использования емкости поглотителя в нижнем фильтрующем элементе, которая определяется исходя из объема элемента, вида поглотителя и уровня загрязненности, фильтр освобождают от воды, открывают прижимные скобы и снимают верхнюю крышку и при необходимости центральную часть корпуса. Нижний фильтрующий элемент совместно с дренажной решетчатой полкой вынимают для фильтрующей загрузки, в этот момент весь вертикальный набор фильтрующих элементов опускается на один элемент вниз и следующий за вытащенным элемент становится нижним. После установки свежей фильтрующей загрузки фильтрующий элемент помещают наверх набора элементов. Затем надевают верхнюю крышку, устанавливают центральную часть корпуса и соединяют их с нижней крышкой и между собой прижимными скобами. По прошествии определенного времени операция повторяется и элемент, ставший после первой перегрузки нижним, со свежим поглотителем помещается наверх набора элементов.

Эта конструкция предназначена только для очистки питьевой воды с помощью штатного набора фильтрующих загрузок и не пригодна для использования при моделировании, т.к. не приспособлена для периодической замены и подбора фильтрующих загрузок для различных видов питьевой воды, которую необходимо очищать.

Известна установка для очистки питьевой воды, описанная в патенте РФ №2183980. Установка содержит корпус, выполненный в виде колонны. Средства для установки и фиксации в вертикальном положении включают комбинированное основание, которое состоит из фланца, резиновой прокладки, днища и крышки. Все это стянуто шпилькам и гайками, которые служат регулируемыми опорами колонны. На нижних опорных концах шпилек установлены амортизаторы. Нижний торец корпуса установлен на указанном комбинированном основании и соединен с ним муфтой. Отводящий патрубок размещен в верхней части колонны, которая закрыта крышкой. Подводящий патрубок размещен на нижней части колонны и входным концом последовательно соединен с редуктором воды. Со стороны, обращенной во внутрь колонны, в подводящий патрубок установлена магнитная вставка. Внутри колонны засыпана фильтрующая загрузка, состоящая из трех слоев. В качестве первого (нижнего) фильтрующего слоя использован, например, кварцевый песок, в качестве второго (среднего) слоя, например, активированный уголь и в качестве третьего (верхнего) слоя, например, цеолит клиноптилолит. Причем средний слой, активированный уголь, помещен в сетчатую кассету.

Перед началом работы установку для очистки питьевой воды устанавливают на горизонтальной поверхности и регулируют положение с помощью шпилек и гаек. Затем подводящий патрубок с редуктором соединяют с водопроводом исходной воды, а отводящий патрубок соединяют с краном отбора очищенной воды. Вода подается по подводящему патрубку внутрь колонны и медленно охватывает весь объем фильтрующей загрузки. Установленный на подводящем патрубке редуктор регулирует давление и расход поступающей воды в соответствии с производительностью установки, а магнитная вставка предварительно осуществляет магнитную обработку входящей в установку воды, очищая ее от механических примесей.

Однако конструкция рассматриваемого фильтра предназначена для очистки воды и не может быть применена для исследовательских целей моделирования процессов очистки питьевой воды разного качества с помощью подбора оптимального состава и видов фильтрующих загрузок.

Причиной этого является то, что эта установка содержит штатную фильтрующую загрузку, стандартные конструктивные элементы и предусматривает эксплуатацию в стационарных условиях. Кроме того, в соответствии со своим назначением в этой установке предусмотрена дополнительная функция омагничивания воды.

Замена фильтрующих загрузок предусмотрена только при условии снятия крышки, но и в этом случае удаление использованной и замена на новую фильтрующую загрузку чрезвычайно затруднена. Это делает сложным использование такой конструкции для моделирования процессов очистки воды, особенно при условии транспортирования фильтрующей установки к месту проведения работ.

Установка не предназначена для оптимального подбора фильтрующих загрузок при различных составах очищаемой воды.

Наиболее близкой к заявляемому изобретению является техническое решение функционального узла фильтрации, описанного в «Установке для технологического моделирования процесса очистки воды» (патент на полезную модель №37088, опубликовано 2004.04.10). Данное техническое решение принято за прототип.

Функциональный узел содержит по меньшей мере один функциональный узел фильтрации, включающий фильтровальную колонну с фильтрующими загрузками, датчиками-пробоотборниками и трубопроводами для подвода и отвода воды.

Недостатками прототипа являются следующие.

Прототип может применяться в системе моделирования только в условиях стационарного размещения, ввиду громоздкости, не предполагает сборки и разборки для транспортирования.

Поэтому такая конструкция не дает возможности проводить моделирование в местах расположения источников водоснабжения. Затруднено систематическое изменение количества фильтрующих загрузок и их качественного состава, необходимое при моделировании процесса очистки питьевой воды. Поэтому оценить качество очистки воды в зависимости от состава, объемов, количества загрузок и их сочетаний не представляется возможным.

В основу настоящего изобретения поставлена задача создать установку для моделирования процесса очистки воды, направленного на повышение качества очистки при использовании различных фильтровальных загрузок, конструкция которой позволяла бы подбирать оптимальный состав, объемы, количество загрузок и их сочетание и обеспечивала бы возможность транспортировки на место расположения источника водоснабжения.

Поставленная задача решается тем, что в установке для моделирования очистки воды, содержащей трубопровод для подачи исходной воды, узел фильтрации из нескольких фильтровальных колонн, каждая из которых снабжена пробоотборниками и трубопроводами для подвода промывной воды и для ее отвода, в соответствии с изобретением узел фильтрации снабжен средством для установки и фиксации в вертикальном положении в виде жесткой установочной разборной рамы с опорным основанием, установленным на указанной раме, крепежными элементами для фиксации каждой фильтровальной колонны в вертикальном положении, трособлочной системы и лебедки для установки каждой колонны в требуемое положение, при этом указанная трособлочная система включает для каждой колонны два блока, установленных на раме, и узел поворота, выполненный в виде вертикального цилиндрического стержня и установленной на указанном стержне цилиндрической втулки с возможностью ее вращения вокруг оси стержня, каждая колонна выполнена с возможностью поворота вокруг горизонтальной оси при установке в опорном элементе, трос, проходящий через блоки и узел поворота, связан с лебедкой и колонной, патрубки подвода исходной воды расположены в нижней части каждой колонны, а патрубки отвода очищенной воды расположены в верхней части каждой колонны, причем каждая колонна имеет коробчатую форму, ее две боковые стенки снабжены бортами и выполнены за одно целое с задней стенкой, датчики-пробоотборники установлены на передней стенке, которая выполнена съемной, колонна в верхней части расширяется так, что в указанной верхней части образуются сливные камеры, при этом пробоотборники, подводящие и отводящие патрубки подключены параллельно.

Благодаря наличию жесткой рамы с крепежными элементами колонна легко устанавливается и фиксируется как в рабочем вертикальном положении, так и в горизонтальном положении.

Отличительными от прототипа признаками заявленной «Установки для моделирования процесса очистки воды» являются следующие:

Наличие жесткой рамы со средствами фиксации и механизма поворота, что обеспечивает легкую установку и фиксацию колонны как в рабочем вертикальном положении, так и в горизонтальном положении при замене фильтрующих загрузок, разборку (сборку) и транспортировку колонны.

Параллельное подключение пробоотборников, подводящих и отводящих патрубков обеспечивает возможность сравнительной оценки работы колонн с разными фильтрующими загрузками.

Подвод исходной воды снизу и отбор очищенной воды сверху обеспечивают заполнение внутреннего пространства водой и наиболее полную очистку исходной воды, а наличие сливных камер в верхней части колонны предотвращает перелив воды через край колонны.

Размещение датчиков-пробоотборников на передней стенке колонны обеспечивает процесс контроля фильтрации воды в зависимости от высоты задействованного слоя фильтрующей загрузки.

Вариантом исполнения механизма поворота колонны вокруг горизонтальной оси при установке в опорном элементе на раме является система, содержащая трос, связанный с лебедкой и колонной, который проходит через блоки и узел поворота, выполненный в виде вертикального цилиндрического стержня, снабженного цилиндрической втулкой с возможностью ее вращения вокруг оси этого стержня. Такая конструкция предотвращает преждевременный износ троса и обеспечивает поворот троса на 90°, плавное перемещение колонны из вертикального в горизонтальное положение и наоборот. Наличие трособлочной системы с лебедкой обеспечивает подъем в вертикальное положение и опускание в горизонтальное положение тяжелой снаряженной испытуемой фильтрующей загрузкой колонны, не вызывая при этом трудностей для оператора и надежно предохраняя от выламывания узел крепления колонны к раме.

Вариантом исполнения является выполнение колонны со съемной передней стенкой, крепящейся к этим бортам, которое обеспечивает замену загрузки при горизонтальном положении колонны, при этом обеспечивается удобный доступ ко всему объему фильтрующей загрузки, что позволяет легко заменить ее и дополнительно оценить ее фильтрующие свойства.

Вариантом исполнения является выполнение средней части задней стенки колонны из оптически прозрачного материала. Это позволяет проводить визуальный контроль состояния фильтрующей загрузки непосредственно в процессе проведения испытаний.

Вариантом исполнения является выполнение крепежных элементов средства для фиксации каждой колонны в вертикальном положении с одной стороны в виде трубчатых элементов, которые при перемещении в горизонтальном направлении могут входить один в другой для фиксации фильтровальных колонн в вертикальном рабочем положении, позволяет освобождать и опускать (поднимать) каждую колонну поочередно. Крепежные элементы, выполненные в виде жестко закрепленных в установочной раме горизонтальных пластин, предотвращают самопроизвольное выпадение колонн в другую сторону. Страховочные болты также служат для исключение аварийного выпадения колонн из рамы при проведении работ.

Авторам неизвестно выполнение установок для моделирования очистки воды предложенной конструкции в виде сборно-разборной транспортируемой конструкции, которые бы позволяли подбирать оптимальный состав, объемы, количество фильтрующих загрузок и их сочетание для очистки питьевой воды в местах расположения источников водоснабжения.

Техническим результатом заявляемого изобретения является расширение функциональных возможностей установки для моделирования процесса очистки воды, а также улучшение условий ее эксплуатации и технического обслуживания.

Расширение функциональных возможностей установки заключается в том, что она обеспечивает подбор состава, объемов, количества загрузок и их сочетаний, а в конечном итоге обеспечение высокого качества очистки воды.

Новыми свойствами установки является улучшение условий ее эксплуатации и технического обслуживания. Эти свойства обеспечиваются, во-первых тем, что конструкция установки позволяет легко обслуживать установку (приводить в рабочее положение, в положение замены загрузок, осуществлять замену загрузок и, в случае необходимости - транспортировку), систематически заменяя качественный и количественный состав фильтрующих загрузок в процессе моделирования очистки воды.

Во-вторых, создание конструкции установки в транспортируемом исполнении позволяет выполнять моделирование очистки воды в местах расположения источников водоснабжения.

Такая технология снижает трудоемкость процесса моделирования очистки воды, а также расходы на транспортировку воды в центральную лабораторию. При этом повышается качество моделирования, т.к. исключается изменение свойств воды, которые могут произойти при ее транспортировании, хранении и подготовке к процессу моделирования.

Изобретение иллюстрируется чертежами, на которых:

фиг.1 схематически показывает вариант части конструкции установки для моделирования процесса очистки воды в поперечном разрезе в рабочем положении, выполненной согласно изобретению, с одной фильтровальной колонной,

фиг.2 схематически показывает вариант установки для моделирования процесса очистки воды с тремя фильтровальными колоннами, выполненной согласно изобретению, в рабочем положении.

Как показано на фиг.1, установка для моделирования процесса очистки воды включает фильтровальную колонну 1 прямоугольного сечения, установленную в жесткой установочной раме 2, выполненной из металлического профиля. На раме 2 установлено съемное опорное основание 3. При этом центр тяжести основания 3 смещен на 1/3 его длины относительно вертикальной оси, проходящей через центр тяжести рамы 2. На основании 3 установлен опорный элемент 4, выполненный в виде двух параллельных вертикальных пластин с соосными отверстиями. Колонна 1 в своем основании имеет ребро 5 с отверстием, размеры которого позволяют устанавливать указанное ребро 5 между пластинами опорного элемента 4 и соединять колонну 1 и основание 3 с помощью оси 6 с возможностью поворота колонны 1 вокруг указанной оси 6. Боковые стенки 7 колонны 1 снабжены бортами 8 и выполнены за одно целое с задней стенкой 9. Задняя стенка 9 в своей средней части выполнена из оптически прозрачного материала для визуального контроля процесса фильтрации. Передняя стенка 10 выполнена съемной и соединяется с корпусом колонны 1 с помощью болтов через резиновые прокладки, обеспечивающие герметичность соединения. В передней стенке 10 установлены датчики-пробоотборники 11. В показанной на фиг.1 конструкции использовано пять датчиков 11, установленных равномерно по высоте колонны 1, но может быть использовано и другое их количество в зависимости от особенностей решаемой задачи. Колонна 1 в верхней части расширяется так, что по бокам образуются две сообщающиеся между собой сливные камеры 12.

Нижняя часть внутреннего объема корпуса колонны 1 отделена от камеры фильтрующих загрузок перегородкой 13 с пропускными отверстиями диаметром 2 мм, образуя водяную камеру. Водяная камера соединена с коллектором для подачи поочередно исходной (через патрубок 14) и промывной (через патрубок 15) воды.

Отбор очищенной воды осуществляется с помощью коллектора 16, присоединенного к сливной камере 12. Сверху колонна 1 закрыта металлическим армирующим элементом 17, на котором смонтирован стропильный узел 18, к которому прикреплен трос 19. Этот трос 19 проходит через цилиндрическую втулку 20, установленную с возможностью поворота на вертикальном цилиндрическом стержне 21, расположенном на раме 2, рабочие блоки 22, фиксатор троса 23 и соединяется с валом ручной лебедки 24, также закрепленной на раме 2. Для надежной фиксации тяжелой снаряженной фильтровальной загрузкой колонны в вертикальном положении использованы ограничительные крепежные элементы 25, закрепленные на раме 2, представляющие собой горизонтально расположенные трубы, размеры которых позволяют одной трубе входить в другую при опускании колонн в горизонтальное положение для замены загрузок, при демонтаже или монтаже установки. На раме установлены также страховочные болты 26. С другой стороны установочная рама 2 снабжена жестко закрепленными в ней крепежными элементами 27 в виде горизонтальных пластин.

На фиг.2 показана установка, в которой использованы три идентичные фильтровальные колонны 28. Конструкция этих колонн 28 соответствует описанной выше, с параллельным подключением датчиков-пробоотборников 11, патрубков исходной, промывной и слива очищенной воды, соответственно 29, 30 и 31. Запасованный конец троса последовательно прикрепляется к стропальным узлам каждой колонны через свои рабочие блоки (не показано).

В транспортном положении колонны находятся в горизонтальном положении, шланги, датчики, крышки - отсоединены, рама и основание разобраны, фильтрующие загрузки отсутствуют.

Перед началом работы собирают раму 2 с опорным основанием 3 и опорным элементом 4. Колонну 1 с помощью оси 6 устанавливают в опорном элементе 4. Затем внутреннее пространство колонны 1 заполняют испытуемой фильтрующей загрузкой. На колонне 1 через резиновые прокладки с помощью болтов закрепляют переднюю стенку 10. Затем подсоединяют подводящие и отводящие шланги. Снаряженную колонну 1 с помощью ручной лебедки 24 приводят в вертикальное положение. При вращении лебедки 24 трос 19 проходит через фиксатор троса 23, огибает блоки 22, цилиндрическую втулку 20, установленную с возможностью поворота на вертикальном цилиндрическом стержне 21, и через стропильный узел 18 поднимает фильтровальную колонну 1. При этом колонна 1 поворачивается вокруг оси 6 в опорном элементе 4. После приведения колонны 1 в вертикальное положение ее фиксируют с помощью крепежных трубчатых элементов 25, которые выдвигают в горизонтальном направлении и фиксируют для предотвращения опрокидывания фильтровальной колонны. С противоположной стороны вертикальное положение колонны 1 фиксируется крепежными элементами 27. Дополнительно фиксация колонны осуществляется с помощью страховочного болта 26.

Выше описано приведение в рабочее положение одной колонны. В том случае, если используется три фильтровальные колонны, как это показано на фиг.2, они приводятся в рабочее положение аналогичным способом.

После приведения фильтровальной установки в рабочее положение через подводящий патрубок 14 подают исходную воду. Вода заполняет колонну снизу вверх, проходя через фильтровальную загрузку. Отфильтрованная вода поступает в сливные камеры 12 и через отводящий патрубок 16 попадает в накопительную емкость (не показано) для дальнейшего анализа или сбрасывается в канализацию. По мере фильтрации воды периодически производится отбор проб через пробоотборники 11. Одновременно процесс фильтрации контролируется визуально через оптически прозрачное окно в задней стенке колонны.

В процессе испытаний фиксируются начало ухудшения качества фильтрата, дальнейшее изменение мутности в пробах (мг/куб.дм), прирост потерь напора в загрузках (см) в зависимости от продолжительности фильтроцикла (час).

После окончания этапа очистки фильтровальную загрузку промывают, для чего через патрубок 15 подают промывную воду для очистки загрузки.

При необходимости замены фильтровальных загрузок фильтровальные колонны по очереди опускают в горизонтальное положение с помощью трособлочной системы. Поскольку, как упоминалось выше, центр тяжести основания смещен на 1/3 его длины относительно вертикальной оси, проходящей через центр тяжести рамы, при опускании тяжелой снаряженной колонны не происходит опрокидывание всей установки.

При необходимости заменить фильтрующие загрузки например в одном из фильтров 29 (фиг.2) отключают воду, отсоединяют все гибкие шланги от датчиков и от не фильтрованной, промывной и сливной сетей.

Затем выдвигают ограничители 25 (фиг.1), освобождая пространство только перед одной из колонн 29 (фиг.2).

В этом случае колонна не может выпасть из рамы, т.к. висит на тросе лебедки, и другие колонны закреплены фиксирующими болтами и ограничителем и также не могут выпасть из рамы. После этого начинают медленно стравливать трос с лебедки. После того как колонна принимает горизонтальное положение, снимают съемную стенку 10 (фиг.1), после чего появляется доступ к фильтрующим загрузкам и возможность их замены.

Установка позволяет исследовать широкий круг фильтрующих материалов, определить грязеемкость загрузок и других параметров процесса фильтрования и сделать вывод о применении наиболее перспективного вида загрузок для очистки воды конкретного источника водоснабжения.

Предлагаемая установка для моделирования процесса очистки питьевой воды выполнена сборно-разборной, транспортабельной, что позволяет производить быстрый (˜1 час) демонтаж установки, перевозку на неограниченные расстояния, быстрый монтаж (˜2 часа) на месте проведения работ. Такое исполнение установки дает возможность осуществлять выбор наиболее эффективных фильтрующих загрузок непосредственно в местах расположения станций очистки питьевой воды с учетом местных особенностей состава воды, поступающей на очистку.

Предлагаемая конструкция выполнена из обычных конструкционных материалов на обычном оборудовании.