—  Р О С С И Й С К И Е   И Н Н О В А Ц И О Н Н Ы Е   П Р О Е К Т Ы  —
    ПРЕДЛОЖЕНИЯ  |
.......... Юрий Ищенко. ШТУРМ. Диалоги возрождения истины Тунгусской катастрофы. 07.07.2004 г. - ч.1, ч.2.

|            КОНТАКТЫ

   


Ю. А. Ищенко

ЯВЛЕНИЕ
дельта- фильтрования: закономерности,

математический аппарат научных исследований.

Волгоград

- А В Т О Р С К О Е -
Вода питьевая
Микронутриенты
ЭкоНанотехнологии
Анализ идей "ЧВ"
Изобретения
Комментарии
Энергия
Штурм
Печатные платы
Открытия

<<<<< ГОРИЗОНТЫ  ВНЕДРЕНИЯ  НАНОТЕХНОЛОГИЙ  ДЕЛЬТА -ФИЛЬТРОВАНИЯ  НЕОБОЗРИМЫ >>>>>

 Безреагентное улучшение качества питьевой воды на водопроводах....................................................... 8
 Вложения средств в нанотехнологии Дельта-фильтрования, суммы - в примечании....................... 7
 Обобщение новых знаний о Дельта-фильтровании................................................................................ 6
 Открытия в нанотехнологиях Дельта-фильтрования, ДИАПАЗОНЫ ДЕЙСТВИЯ ...................... 5
 Преимущества и сроки окупаемости................................................................................................ 4
 Научные основы и поле внедрения Дельта-фильтрования.................................................. 3
 Возможности нанотехнологий Дельта-фильтрования....................................................... 2
 Эффективность операций Дельта-фильтрования, НАГЛЯДНОСТЬ..........................1

ЦЕНТРАЛИЗОВАННЫЕ   ЭКОНАНОТЕХНОЛОГИИ* 



Ю. А. Ищенко.
НАНОТЕХНОЛОГИИ  ДЕЛЬТА-ФИЛЬТРОВАНИЯ  ПРИРОДНЫХ  И  СТОЧНЫХ  ВОД

ИННОВАЦИОННЫЕ ТЕХНОЛОГИИ ВНЕДРЯЮТСЯ В ПРОИЗВОДСТВО ПОД АВТОРСКИМ НАДЗОРОМ Ю. А. Ищенко
linza2004@mail.ru

Аннотация. Предлагается вниманию специалистов водоснабжения, теплоэнергетики, химпрома, природоохраны, научных и проектных институтов, ЖКХ, населения городов и сёл современное решение актуальных проблем централизованной очистки воды из рек, водоёмов и скважин, а также её доочистки в точках водоразбора или перед ними, путём применения динамических нанотехнологий Дельта-фильтрования - принципиально нового направления в области водоочистки. Для систем хозяйственно-питьевого водоснабжения технико-экономически наивыгоднейшим вариантом является применение Дельта-фильтрования на головных станциях улучшения качества воды; для теплоэнергетики - в котельных (точки водоразбора), для химпрома и природоохраны - по ТЭО. Эти технологии выгодны в применении повсеместно.


1. Новизна нанотехнологий Дельта-фильтрования заключается в гидравлической структуризации (упорядочении) раскладки зёрен (пор) фильтрующей загрузки фильтра, что обеспечивает высокопродуктивное нисходящее "объёмное" (всей толщей песка) фильтрование - очистку жидкостей от коллоидных нано- и суспензионных микрочастиц в технико-экономически выгодных режимах - контактной коагуляции и без коагулянта, причём на фильтрах любой площади в плане. На структурированных песках в фильтрах для воды, с приведёнными в определённый порядок зёрнами, нано- и микропорами, а также скоростями фильтрования (базовыми элементами технологий Дельта-фильтрования), отработана очистка воды для хозяйственно-питьевых целей.

Нанотехнологии Дельта-фильтрования надёжно очищают воду от примесей (наши исследования 1975-2016 годов - многое запатентовано и опубликовано, а также опираемся на отечественный опыт очистки мутной и повышенной цветности воды в условиях контактной коагуляции), упрощают водоочистной каскад от источника до резервуаров чистой воды, делают ненужными дорогие двух- и многослойные загрузки, а также загрузки с малыми коэффициентами неоднородности 1,5-2 по СНиП 2.04.02-84 и меньше - как энергоёмкие в изготовлении; снижают на 15-100% объём экологически опасного шлама; уменьшают в несколько раз затраты электроэнергии на фильтрование по напорным осветлительным фильтрам для воды. Дельта-фильтрование в экологически чистых режимах - безреагентном или с пониженными дозами реагентов - облегчает технологию RU 2570021 прецизионного обеззараживании воды без применения хлора.

Интенсивные нанотехнологии Дельта-фильтрования избавляют реагентные двухступенчатые водоочистные станции в городском и сельскохозяйственном водоснабжении от вредной и громоздкой, вялой в работе первой ступени - загрязняющей воду коагулянтом и отстаивания коагулята, которая выхолащивает качество воды, приводит в негодность разводящие сети труб и к другим отрицательным последствиям, в общем наносит ущерб стране на сотни миллиардов рублей в год (суммы легко прикинуть экономистам - затраты на приобретение коагулянтов свыше 10 млрд. рублей плюс расходы на их использование, потери средств: на коррозии труб и шламе, притязательности к загрузкам фильтров для воды и низкой эффективности их работы, ухудшении здоровья людей из-за повседневного потребления недостаточно качественной воды, громоздкости и сложности станций, производстве фильтров опасных для здоровья в применении населением...).

В водоочистных фильтрах нанотехнологий Дельта-фильтрования зёрна загрузки после каждой промывки подвергаются интенсивному осаждению, в котором мелкие зёрна обгоняют крупные, или определённому замедленному, в котором мелкие зёрна отстают от крупных, а также сочетанию этих режимов, - в противовес гравитационному осаждению зёрен в фильтрах для воды. Полученная таким простым способом структурированная раскладка зёрен и пор песка делает доступными в безреагентном и реагентном режимах максимальные грязеёмкости загрузки, до сих пор далеко-далеко не используемые на фильтрах нисходящего фильтрования. А уникальные условия структуризации образуют входные верхние поры загрузки фильтров для воды крупнее, чем в её нижней толще, и что особенно важно - структуризация подходит к широко распространённым скорым фильтрам для воды.

Для необходимой наглядности эффектов структуризации в фильтре для воды на рис. 56+59 (из монографии 1997 г.) совмещены интегральные кривые гранулометрического состава загрузки (dэкв=1,1 мм) на контрольных её глубинах 0-1 см (вход мутной воды), 10 и 90 см от поверхности (входа) для двух режимов завершения промывки загрузки: обычного путём нормированного времени закрытия промывной задвижки и внезапного отсоса воды из дренажа. Соответственно режимам и глубинам построены кривые a1, б1, в1 и а, б, в. Чем дальше вправо на уровне dср отстоит кривая от оси ординат, тем к более крупному песку она относится. Согласно этому видим, что в обычном режиме завершения промывки верхний слой a1 получается насыщенным мелкими фракциями с dср.1=0,8 мм, а нижний в1- крупными с dср.1=1,46 мм. В слое б1 крупность dср.1=1,20 мм является промежуточной между верхним a1 и нижнем в1 слоями. Причём кривые a1 и в1 отстоят далеко друг от друга. Следовательно, здесь наблюдается укрупнение пор в направлении фильтрации воды на скором фильтре, сверху вниз, что неблагоприятно сказывается на фильтровании воды. Во втором режиме, внезапного отсоса воды из дренажа, картина расположения кривых разительно другая. Кривые верхнего а и нижнего в слоёв сближены настолько, что их dср=1,36 мм и 1,38 мм отличаются лишь на 0,02 мм. Это говорит о произошедшем усреднении грансостава загрузки по высоте. Но ещё главнее всего, что dср=1,36 мм верхнего слоя а оказалось больше dср=1,28 мм промежуточного слоя б, кривая грансостава верхнего слоя а отстоит вправо от кривой промежуточного слоя б на всём их протяжении. Структуризация увеличила dср входного слоя в 1,7 раза (с 0,8 до 1,36 мм), среднего слоя в 1,07 раза (с 1,2 до 1,28 мм), а выходного слоя несколько уменьшила (с 1,46 до 1,38 мм). Она выгнала (засосала) мелкие фракции из верхней зоны в глубь и нижнюю зону загрузки. При этом, согласно графику H=f(t) (из монографии 1998 г.), в режиме фильтрования мутной воды потери напора H1 на структурированной загрузке значительно меньше, чем на обычной H2. Например, потери напора в 3 раза меньше в момент времени 7 часов от начала фильтрования (~ 0,5 м и 1,5 м соответственно). Эти эффекты как раз и представляют особую практическую ценность, которые обеспечивают в последующем фильтровании доставку потоком воды взвешенных частиц в глубину загрузки, адсорбцию и адгезию их там, исключают образование грязевой плёнки на поверхности фильтра, преумножая его грязеёмкость и производительность, в несколько раз уменьшая затраты электроэнергии на работу напорных фильтров для воды.

Есть примеры ещё более эффективных режимов структуризации фильтров для воды, а принципиально же, их - бесконечное множество. Установлены надёжные эмпирические зависимости необходимой продолжительности (скорости) структуризации загрузок различной крупности для получения инвертированного их грансостава в плотном состоянии - сверху крупные, ниже мельче.

В составе нанотехнологий Дельта-фильтрования решена (1992) проблема надёжной дренажно-распределительной системы водоочистных фильтров - на основе обычных или специальных материалов. Теперь не нужны колпачки, полимербетонные плиты и перфорированные трубы. Обеспечена возможность по-новому промывать загрузку фильтров для воды - с интенсивно-ударным гидравлическим взрыхлением слежавшегося песка и управляемым осаждением зёрен (1991).

Следует выделить, что структуризация в нанотехнологиях Дельта-фильтрования продлевает срок эксплуатации загрузок из любых материалов, в т.ч. ионитов, в существенно истёршемся, измельчённом виде без превышения допустимых потерь напора на скорых и сверхскорых напорных фильтрах для воды - в добывающей и обрабатывающей отраслях, в теплоэнергетике - в т.ч. ЖКХ.

Нанотехнологии Дельта-фильтрования открыли возможности для научных исследований на водных источниках технологических свойств зернистых загрузок из природных и искусственных материалов в новых для них гидравлических условиях - нисходящего фильтрования в укрупнённой кверху загрузке фильтра для воды, задаваемых структуризацией; непосредственно гидравлики процесса структуризации; в разработке и испытании устройств структуризации; а также в других интересных и важных научно-практических направлениях.

В свете нанотехнологий Дельта-фильтрования стала иррациональной действующая норма СНиП 2.04.02-84 подачи в сырую воду 25-35 мг/л (!) коагулянта при небольшом превышении её мутности и цветности требований СанПиН 2.1.4.1074-01 "Питьевая вода...". От чего же в таких условиях очищает воду двухступенчатая реагентная схема? В основном от... пустых производных растворённого коагулянта. Это же нонсенс! Другие нормативные дозы, когда коагулянт всё-таки необходим, нуждаются в опытном уточнении (не методом пробного коагулирования и, конечно же, в сторону уменьшения) на водоочистных станциях, работающих по нанотехнологиям Дельта-фильтрования, и в научно-исследовательских институтах - по нашей Программе, как и преобразование скорых фильтров для воды в безреагентные и контактные Дельта-фильтры нисходящего фильтрования, а ионообменных фильтров - в энерго- и ионитсберегающие водоочистные установки.

Структуризация придаёт не только важное свойство фильтрующей загрузке водоочистных нанофильтров - возможность высокопроизводительной, качественной её работы в автоматически генерируемых периодах безреагентного нанофильтрования, но и обеспечивает сохранение природной минерализации питьевой воды, в т.ч. содержания в ней эссенциальных (жизненно необходимых) микроэлементов. Кроме того, появляется, или улучшается, свойство питьевой воды упрочнять плёнкой кальциевых отложений внутренние поверхности изношенных и новых металлических водопроводных труб в сетях. Это свойство вода получает вследствие исключения обработки её минеральными коагулянтами. Как известно, устранение коагулянта из технологий очистки воды повышает (и даже возвращает до исходных значений) её рН, щелочность и, как итог, может сделать индекс насыщения воды карбонатом кальция столь высоким (естественным), что инженерная коррозионная защита стальных и чугунных труб не понадобится. Лишь для воды ряда источников может остаться необходимость химической стабилизационной обработки её по СНиП 2.04.02-84 с целью защиты металлических труб от коррозии и образования бугристых отложений, несмотря на устранение коагулянта из технологии перед фильтрами для воды. В результате трубы не разрушаются, а потребитель получает воду без ржавчины и других примесей, характерных для неустранённой коррозии, потребляет питьевую воду с естественным или скорректированным на водоочистной станции содержанием эссенциальных микроэлементов.

Предусмотрено автоматическое или ручное регулирование оператором степени упорядочения (структуризации) нано- и микропространств загрузки фильтра для воды по её глубине соответственно изменению качества природной воды по сезонам года и даже "сиюминутным" его всплескам, например вследствие резкого повышения мутности воды в источнике от прошедшего интенсивного дождя, с целью полного исключения влияния этих факторов на качество фильтрата.

Водоочистные фильтры (фильтры для воды) на основе нанотехнологий Дельта-фильтрования - это стройные интегральные системы целенаправленно упорядоченных поровых нано- и микропространств вокруг точек контактов зёрен между собой в окатанном кварцевом песке (условно адсорбенте) и в осадке (адсорбате), заполняющем эти пространства поглощения адсорбтивом в виде коллоидных нано- (1-100 нм) и, с обоснованным допущением, суспензионных микрочастиц (до десятков мкм), доставляемых ламинарным потоком фильтрующейся мутной воды.

Пространство вокруг точки контакта зёрен, заполненное отложениями, насыщено скоплением сил адгезии, это объёмное силовое поле, концентрирующееся вокруг точки контакта зёрен песка. Из этого последовала интересная трёхмерная физическая модель зернистой среды фильтрования, один слой которой показан на рисунке (вид сверху на фильтр для воды, входной идеализированный слой). В принятой системе объёмной упаковки зёрен каждый шар имеет 10 точек контактов, среднее между максимально и минимально возможными 12 и 8 точками контактов при самой плотной и самой разреженной упаковке слоёв (при максимальной упаковке зёрен в слоях, а шары последующих таких же слоёв находятся строго под точками контактов шаров предыдущего слоя). Именно такая осреднённая система положена в основу нанотехнологий Дельта-фильтрования. Правильность данного подхода, и на его основе - научной гипотезы механизма фильтрования природной мутной воды в окатанном кварцевом песке, доказана нами ёмким научно-экспериментальным обоснованием на фильтровальных установках... (подробнее).


2. Наши научные результаты позволяют на практике следующее:

- перевести большое число водоочистных станций на одноступенчатые нанотехнологии Дельта-фильтрования путём превращения скорых фильтров для воды в экологически безопасные безреагентные и контактные Дельта-фильтры преумноженной грязеёмкости с высокоскоростной фильтрацией в направлении обеспеченного в них плавного убывания крупности загрузки к её ОСНОВАНИЮ, к дренажно-распределительной системе;

- переключить скорые фильтры и контактные осветлители АКХ водоочистных станций на выгодные нанотехнологии Дельта-фильтрования по нашим методикам;

- проектировать и сооружать станции на базе идентичных по конструкции контактных и безреагентных Дельта-фильтров, их разновидности водоочистных Нанофильтров-КВС в корпусе скорого фильтра для воды без вмешательства в конструкцию или с оснащением корпуса дренажно-распределительной системой нового типа;

- отказаться от строительства ставших теперь неперспективными для ряда водоисточников дорогих, экологически вредных станций по реагентной двухступенчатой схеме с громоздкими отстойниками и малогрязеёмкими скорыми фильтрами для воды; на любой стадии строительства можно видоизменять проекты под нанотехнологии Дельта-фильтрования, но целесообразнее доработать старые проекты до строительства;

- заменять кварцевые загрузки в скорых фильтрах для воды другими зернистыми материалами, в том числе дроблёными, активированным углем и прочими, - как мероприятие, развивающее эффективность нанотехнологий Дельта-фильтрования;

- отказаться от энергозатратной, дорогостоящей, а в итоге и несостоятельной, подготовки фильтрующих загрузок фильтров для воды с малым коэффициентом неоднородности, от оснащения ими скорых водоочистных фильтров, в которых зёрна неизбежно разнообразно истираются в ходе промывок и загрузка превращается в разнозернистую с высоким коэффициентом неоднородности, что полезно для нанотехнологий Дельта-фильтрования;

- расширить промышленное изготовление безреагентных и контактных Дельта-фильтров ходовых производительностей с автоматическими промывкой и структуризацией загрузки - с целью повсеместного оснащения ими систем водоочистки городского, промышленного оборотного и сельскохозяйственного водоснабжения, а также водоподготовки в теплоэнергетике - в т.ч. ЖКХ, очистки стоков в водоотведении, в целом - оборудования ими высокопроизводительных систем, где нужна технико-экономически выгодная очистка различных жидкостей, в т.ч. в химической промышленности, от механических, органических и растворённых минеральных примесей. 


3. Нанотехнологии Дельта-фильтрования базируются на природном явлении Дельта-фильтрование. Теория явления и водоочистные фильтры на её основе рассмотрены в учебном пособии по новой технике "Ю.А. Ищенко. СИСТЕМЫ ВОДОСНАБЖЕНИЯ, ЭКОЛОГИЯ: патентованные решения коренных проблем водоочистки. Волгоград. Изд-во ВГСХА, 1995", в монографиях: "Ю.А. Ищенко. Явление и технологии Дельта-фильтрования природных и сточных вод. Волгоград. Изд-во ВГСХА, 1997", "Ю.А. Ищенко и А.Ю. Ищенко. Системы водоснабжения, орошения и водоотведения: автоматизированные технологии Дельта-фильтрования. Том 1. Волгоград. Изд-во ВГСХА, 1998" и в последующих изобретениях по фильтрам для воды. Они справедливы к загрузкам из окатанных кварцевых песков, которыми богата природа. Загрузки другого вида исследуются.

Водоочистной фильтр этих нанотехнологий получил от нас название "Дельта-фильтр", а сорбционно-осветлительные процессы в нём - "Дельта-фильтрование", по научно выявленным фактам. Существуют разновидности водоочистного Дельта-фильтра, в т.ч. водоочистной Нанофильтр-КВС. Их устройство, и как производится структуризация нанопространств загрузки в водоочистных нанофильтрах, описаны в наших патентах на изобретения по фильтрам для воды.

Потенциально, водоочистные Нанофильтры-КВС - это все эксплуатируемые в настоящее время в системах водоснабжения и защиты природной окружающей среды многочисленные высокопроизводительные скорые фильтры и контактные осветлители АКХ для воды (академиков Д.М. Минца и С.А. Шуберта), но переведённые на разработанные и хорошо испытанные нами нанотехнологии Дельта-фильтрования с целью технико-экономически выгодного преумножения грязеёмкости фильтрующих зернистых загрузок. Перевод осуществляется путём оснащения водоочистных скорых фильтров несложными и негромоздкими гидравлическими средствами автоматической структуризации песка, а контактных осветлителей - задвижкой с электроприводом частотного регулирования, далее - формированием главенствующего в глубокой водоочистке множества дельта-образных свободных нано- и микропространств в пористой среде.

Структуризация поровых нано- и микропространств в зернистой загрузке обеспечивает высокоскоростное безреагентное фильтрование (до 8,5 м/ч) воды хозяйственно-питьевого и промышленного назначения, а также сточных вод, глубокое осветление их, обезжелезивание... В реагентном же режиме результатом структуризации является сокращение числа промывок фильтров в 2-4 раза и увеличение скоростей фильтрования на несколько м/час и в разы относительно их эксплуатационных значений на станциях до структуризации поровых нано- и микропространств зернистых фильтров для воды.

Водоочистные Нанофильтры-КВС выгодны и для новых проектов крупных водоочистных станций (КВС) производительностью сотни тысяч куб. метров в сутки и выше, а также небольших станций любой производительности (синонимы: водоочистные Дельта-фильтры, Дельта-установки, Дельта-станции, Дельта-фильтры для воды). Ещё же не до конца реализованные, или отложенные проекты должны быть доработаны в плане оснащения водоочистных фильтров средствами структуризации с целью уменьшения капитальных вложений, сокращения эксплуатационных расходов.

На фото слева показана небольшая водоочистная установка преумноженной грязеёмкости - Дельта-фильтр производительностью до 400 м куб. в сутки питьевой воды (высота 5 м), содержащий такие средства структуризации. Документ приоритета данного изобретения (1991) получен нами в 1995 г. - Патент РФ №2033841 (копия справа, вверху). Изготовленный на его основе этот водоочистной Дельта-фильтр оказался настолько удачным техническим решением, что долгое время позволял отрабатывать на нём, параллельно с лабораторными исследованиями, характеристики Дельта-фильтрования, водоочистных Дельта-фильтров и Нанофильтров-КВС для любой производительности. Их новизна закреплена в описаниях к патентам РФ и ноу-хау ряда наших последующих изобретений по фильтрам для воды.

Для экспресс-исследований же на станциях внедрения нанотехнологий Дельта-фильтрования нами применяется патентованный миниатюрный технологический эквивалент водоочистных Нанофильтров-КВС, показанный на фото справа. Это портативная пилотная установка - фильтр для воды, содержащая разъёмные корпус фильтра (прозрачная пластмассовая труба небольшого диаметра) и узел структуризации песка. Одновременно она является демонстрационной установкой эффектов структуризации и преумноженной грязеёмкости фильтрующей загрузки.


4. Выделяются следующие достоинства крупных водоочистных нанофильтров нового типа на фоне повсеместно применяемых обычных водоочистных скорых фильтров и контактных осветлителей для воды:

при параметрах фильтрующей загрузки, как в области 5 на рис.19:

- возможность на ряде источников отказаться от применения коагулянта перед фильтрами для воды, и вследствие этого не только снизить в несколько раз эксплуатационные расходы, в т.ч. на борьбу с коррозией водоводов, но и повысить качество питьевой воды по содержанию эссенциальных микроэлементов и минерализации (коагулянт резко снижает их, что недопустимо для исходной пресной питьевой воды большинства источников - аннотация в разделе Микронутриенты);

при параметрах фильтрующей загрузки, как в скором фильтре для воды (реагентный режим):

- увеличенный в несколько раз рабочий период полезного фильтрования относительно скорого фильтра для воды;

- во столько же раз, в сравнении со скорым фильтром для воды, уменьшенные годовые расходы воды и затраты электроэнергии на промывку загрузки от грязи;

- в несколько раз уменьшенные затраты электроэнергии на фильтрование напорными фильтрами для воды, в т.ч. оборотной воды в безреагентном режиме при сверхскоростном фильтровании в крупнозернистой загрузке;

- возможность значительного снижения доз коагулянта путём использования водоочистных скорых фильтров в качестве высокогрязеёмких контактных осветлителей нисходящего "объёмного" фильтрования воды - область 3;

- увеличенные скорости фильтрования на фильтрах для воды;

другие важнейшие преимущества:

- более высокая годовая производительность водоочистных нанофильтров (увеличение: min на 5%, маx - на десятки %% и в разы);

- возможность управления грязеёмкостью фильтрующей загрузки водоочистных нанофильтров в зависимости от изменения качества воды в источнике по сезонам года, из-за глобального потепления и других причин;

- исключение необходимости проектирования и строительства дополнительных блоков отстойников с фильтрами для воды на основе давно ставшей неперспективной реагентной двухстадийной технологии осветления воды, или снижение объёмов этих работ;

- значительное уменьшение эксплуатационных расходов существующих станций водоочистки на основе скорых фильтров и контактных осветлителей для воды, область 2, в результате оснащения их средствами структуризации загрузок, т.е. превращения их в водоочистные нанофильтры Дельта-фильтрования, экономия капитальных вложений на новые станции;

- небольшой расход денежных средств на дооснащение действующих станций водоочистки средствами структуризации загрузок фильтров для воды;

- срок окупаемости средств структуризации фильтров для воды на действующих станциях водоочистки равен ~4 месяцам, срок окупаемости новых водоочистных Дельта-станций нисходящего фильтрования воды, безреагентных и для контактной коагуляции, также составляет лишь несколько месяцев;

- оснащение существующих фильтров для воды средствами структуризации фильтрующих загрузок ведётся без вмешательства в действующие технологии водоочистки;

- устройства структуризации изготавливаются из недефицитных материалов промышленного производства, разрешённых Минздравом к контакту с питьевой водой, не ухудшающих её качество;

- при необходимости водоочистные скорые фильтры и контактные осветлители для воды могут быть оснащены надёжным дренажом особого типа из состава технологий Дельта-фильтрования;

- структуризация загрузки в фильтрах для воды производится мгновенно и без потерь воды.

Ниже приведены главные особенности Дельта-фильтрования, а также в общих чертах - математический аппарат расчёта множества показателей периода полезного фильтрования воды в рабочем дельта-цикле нанофильтра для воды (сложность задачи состоит в нестационарности 11-ти ключевых показателей явления во времени и по пути неоднородной среды, а также в тесной их взаимосвязи и перемещении фронта кольматажа).


5. ЯВЛЕНИЕ и ЗАКОНОМЕРНОСТИ ДЕЛЬТА-ФИЛЬТРОВАНИЯ, СВЯЗИ и СВОЙСТВО, обнаруженные нами гидравлическими исследованиями и математическим моделированием на лабораторных и пилотных технологических установках, на авторских нестационарных моделях:

1. Теоретически предсказано (научная гипотеза) и экспериментально установлено существование неизвестного ранее явления в сопряжённых механизмах кольматажа пор окатанного кварцевого песка и осветления фильтрующейся природной воды - Дельта-фильтрования, заключающегося в преимущественном (вплоть до абсолютного) образовании массы отложений вокруг точек соприкосновения зёрен в радиусе в среднем не более половины диаметра зерна и обусловленного линзообразной (двояковогнутой) формой порового пространства в этих местах, обеспечивающего адгезию частицы взвеси одновременно к двум зёрнам, что делает фильтрат при определённых гидродинамических условиях глубоко осветлённым, а радиальное сечение массы отложений - дельтаобразной формы, рисунок вверху слева.

Вода из открытых водоёмов, поступающая в такой песок, содержит примеси в виде разнообразных по крупности частиц, от коллоидных наночастиц (1... 100 нм) до десятков микрометров. В начале фильтрации наночастицы адсорбируются вблизи точек контактов зёрен песка, т.е. в нанопространствах. Микрочастицы "адсорбируются" несколько дальше от точек контактов. Чем дальше от них, тем более крупная взвесь отлагается вдали. Одновременно в отложениях из микрочастиц образуются свои многочисленные точки контактов с нанопространствами вокруг них. Данную фазу фильтрования можно назвать зарядкой кварцевого песка нанопористым фильтром, нанофильтрами вокруг точек контактов зёрен. В этих нанопространствах ещё более активно, ввиду их возросшей многочисленности, адсорбируются доставляемые фильтрацией воды наночастицы примесей. Процесс кольматации пространств вокруг точек контактов зёрен песка прекращается, когда поры в массе дельта-отложений перестают пропускать наночастицы, а самые крупные микрочастицы на периферии отложений едва удерживаются силами адгезии (прилипания), которым противодействуют силы гидродинамического давления потока воды в пространстве между линзами грязевых отложений (Это пространство является питательно-дренажным коллектором, по которому мутная вода подпитывает взвесью боковые сужения пор и, в то же время, по нему отводится частично осветлённая вода вглубь песка. Площадь поперечного сечения коллектора уменьшается во времени, достигая предела, характерного для данной скорости фильтрации, вплоть до круговой формы в рассматриваемом сечении с диаметром, как на том же рисунке, и меньшим. В других поперечных сечениях форма коллектора сложная, но не "причудливая" и поддающаяся строгому описанию. При ступенчатом поддержании средней скорости фильтрации постоянной во времени, как обычно делают на зернистых скорых и другого типа водоочистных фильтрах, границы "предельного" коллектора нестабильны. При каждом очередном скачке регулируемой скорости сечение коллектора увеличивается вследствие срыва отложений с его внутренней поверхности. Из этого следует необходимость плавного поддержания требуемой на фильтрах для воды скорости. По достижении "предельного" коллектора срывов адсорбата в этом случае, согласно непрерывному равновесию сил гидравлики и адгезии на границе, нет. Найдены условия кольматажа коллектора).

При этом в песке наблюдаются гидродинамические закономерности, изложенные ниже.

Следовательно, Дельта-фильтрование - это широко распространённое в природе явление на уровне нано- и микрообъектов. Оно положено в основу Дельта-технологий осветления воды, Дельта-фильтров, их разновидности Нанофильтров-КВС для воды.

2. Экспериментально установлена неизвестная ранее закономерная связь в явлении Дельта-фильтрования между эквивалентным диаметром зёрен песка, скоростью фильтрования, потерей напора на его слое и удельным объёмом отложений в момент завершения периода глубокого осветления воды (концентрация взвеси в фильтрате не более 1,5 мг/л, длина слоя в направлении фильтрации 1 м), графически выражающаяся дельтаобразной областью 5 (рис.19 из моей монографии 1997 года, с.67), параметры которой описаны пятью эмпирическими формулами.

Важным признаком новизны связи является то, что при наложении области 5 на поле параметров известных водоочистных кварцевых фильтров для глубокой очистки воды 1 (безреагентный медленный) - 2 (реагентный контактный) - 3 (реагентный скорый) - 4 (безреагентный объёмный), она заняла свободное место, органически (гидравлически) вписавшись в это поле.

Условные обозначения на рис.19 :

dэкв - эквивалентный диаметр зёрен фильтрующей загрузки (диаметр зёрен однородной загрузки фильтра для воды, площадь внутренней поверхности которой равна таковой реальной неоднородной), мм;

v - скорость фильтрования воды, прямо пропорциональная производительности фильтра для воды, постоянная во времени (поддерживается), м/ч;

h - потери напора на загрузке фильтра для воды в момент использования её грязеёмкости при заданной скорости фильтрования (предельные потери), м;

м^3/м^3 - удельный объём отложений в порах загрузки фильтра для воды в момент полного использования её очистной ёмкости, соответствующей заданной скорости фильтрования;

0.5-3.0 – удельные энергозатраты на фильтрование в фильтре для воды, h/v, ч.

3. Экспериментально установлена неизвестная ранее закономерность Дельта-фильтрования наибольшего накопления отложений к моменту завершения периода естественного глубокого осветления природной мутной воды при скорости фильтрования, отвечающей конкретной эмпирической формуле при эквивалентном диаметре зёрен песка 0,25-0,39 мм;

4. Экспериментально установлена неизвестная ранее закономерность Дельта-фильтрования последовательного распределения величин расходов взвеси на отложение и на восполнение её в потоке воды, создающих общую кинетическую зону, состоящая в том, что по простиранию зоны в направлении фильтрации величины расходов образуют три непрерывных участка: монотонного нарастания, максимума и спада. На рис. 25 (из моей монографии 1997) интервал кривых 0,3 часа в структурированном до однородного песке с dэкв=0,34 мм, предельном объёме насыщения загрузки грязью 0,064 м3/м3, мутности исходной воды 208 мг/л, а фильтрата 1,5 мг/л; t=18 гр. Цельсия; скорости фильтрования 5 м/ч; плотности отложений 130 кг/м3;

5. Экспериментально установлена неизвестная ранее закономерность фильтрования - неустойчивости свойства окатанного кварцевого песка естественно глубоко осветлять природную мутную воду при скорости фильтрования, отвечающей конкретной эмпирической формуле при эквивалентном диаметре зёрен 0,3-0,6 мм;

6. Теоретически установлена и проверена эмпирическими формулами высокой точности неизвестная ранее закономерная связь между гидравлической проводимостью пор осаждённого в воде гомогенного (и близкого к такому) окатанного кварцевого песка и его коэффициентом фильтрации в направлении гравитационной силы, выражающаяся равенством коэффициента фильтрации гидравлической проводимости одиночного фронтально расположенного к потоку межзернового криволинейно-треугольного отверстия в плоскости точек контакта зёрен и при его площади с учётом в Дельта-фильтровании площади, занятой отложениями, описываемая конкретной эмпирической зависимостью;

7. Теоретически предсказано и экспериментально установлено неизвестное ранее свойство осаждающейся псевдоожиженной массы гомогенного (и близкого к такому) окатанного кварцевого песка, стремящейся на завершающейся стадии осаждения к ромбоэдрической упаковке зёрен в осадке, фиксации зёрен предыдущего слоя (формирующимся последующим) преимущественно над точками соприкосновения таковых нижерасположенного. Причём проявление свойства усиливается, если осаждение ускоряется нисходящим потоком воды, и ослабевает при замедлении осаждения восходящим потоком воды.

8. Определены условия гидравлической структуризации, благодаря которым достигается инверсия раскладки зёрен неоднородной фильтрующей загрузки, выражающаяся в том, что зёрна и поры верхнего входного для воды слоя, становятся крупнее, чем в ниже расположенной толще.

Интересно: через 15-12 лет после опубликования в печати научного открытия по п. 1, к такому же выводу, что количество поглощаемого пористым материалом адсорбтива зависит не от удельной внутренней поверхности адсорбента, пришли и ученые из Университета штата Мичиган, но пока, в отличие от нас (а нами установлена дискретность явления в пространстве и во времени), не знают причин и механизма этого явления - http://lenta.ru/news/2009/03/10/material/.


МАТЕМАТИЧЕСКИЙ аппарат нанотехнологий Дельта-фильтрования:

Автором синтезированы и применены в научных исследованиях эволюционные математические модели Дельта-фильтрования мутной воды на микро- (система четырёх дифференциальных уравнений с частными производными), макро- (система конечно-разностных уравнений, методы последовательной смены стационарных состояний, итераций) и мегауровне (сеточная модель из дискретных фильтрационных и временнЫх сопротивлений, трансформированная в компьютерную самонастраивающуюся модель-программу "Дельта-фильтрование"), с помощью которых обнаружены и графически изображены тончайшие закономерности явлений, недосягаемых путём прямых гидравлических исследований; использованы также другие математические средства - ряды Фурье, известные и полученные выводом формулы, несколько программ к ЭВМ, графические методы, компьютеры различных возможностей, метод электрогидродинамических аналогий и электроинтеграторы собственной разработки (а.с. СССР №446075...).


6. Новые знания обобщены в теорию Дельта-фильтрования в конкретном диапазоне гидродинамических условий: эквивалентный диаметр зёрен фильтрационной среды 0,25-0,60 мм, скорость фильтрования природной мутной воды 2,66-8,5 м/ч, различной степени упорядочение (структуризация) нано- и микропространств, вода не обработана коагулянтом. Наша теория безреагентной нанотехнологии Дельта-фильтрования является частным развитием известных основ теории фильтрования академика Д. М. Минца. Тот факт, что обширная область 5 (рис. 19, выше) безреагентного Дельта-фильтрования на поле технологических параметров известных водоочистных кварцевых фильтров для глубокой очистки воды оказалась на свободном до этого месте, органически вписавшись в общее поле своими параметрами и границами, говорит о применимости нанотехнологий и теории Дельта-фильтрования для любых открытых источников, безусловно, с уточнением технологических параметров пилотными испытаниями на конкретном источнике, как положено делать с другими технологиями. Структуризация во всевозможных гидравлических режимах подобранной по рис. 19 кварцевой загрузки с окатанными зёрнами призвана обеспечить, да ещё с реализацией ноу-хау, надёжность нанотехнологий Дельта-фильтрования на любом источнике, в любом регионе - будь то волжская, амазонская, южная, северная, холодная, тёплая и прочая вода. Призываю пытливых молодых учёных развивать это ценное научно-производственное направление в фильтрах для воды. Рек и озёр хватит на всех.

Самозарядным высокогрязеёмким Дельта-установкам любой производительности нет альтернативы по технико-экономическим показателям в деле подготовки питьевой воды для сёл, городов и других крупных водопотребителей.

АДРЕС ЭЛЕКТРОННОЙ ПОЧТЫ ПОКАЗАН В КОНЦЕ СТАТЬИ.


7. Предложения о сотрудничестве с ПРЕДПРИЯТИЯМИ и ПРЕДПРИНИМАТЕЛЯМИ во внедрении высокопроизводительных нанотехнологий Дельта-фильтрования жидкостей, в том числе в инвестиционной форме, и заказы на приобретение хозяйственных, а также испытательных (пилотных) водоочистных Дельта-фильтров производительностью до 400 м куб. в сутки питьевой воды (высота 3-5 м); на преобразование скорых фильтров и контактных осветлителей для воды систем городского, сельскохозяйственного и промышленного водоснабжения (систем водоотведения) любой производительности в водоочистные Нанофильтры-КВС; на проектирование и строительство водоочистных станций на базе нанотехнологий Дельта-фильтрования ПРИНИМАЮТСЯ ПО АДРЕСУ ЭЛЕКТРОННОЙ ПОЧТЫ, ПРИВЕДЁННОМУ В КОНЦЕ СТАТЬИ.


ОСНОВНЫЕ технико-экономические показатели внедрения нанотехнологий Дельта-фильтрования на действующих станциях водоочистки городов России, допуская в первом приближении, что все станции оснащены только скорыми фильтрами для воды:

1. Общая производительность городских водопроводов России оценивается в 71,0 млн. куб. метров в сутки (согласно московскому Росводоканалу);

2. В целом на оснащение фильтров для воды средствами гидравлической структуризации зернистых загрузок требуется 4 млрд. рублей (согласно нашим детальным расчётам по одному из вариантов структуризатора)**;

3. Прибыль лишь (есть значительно более крупные составляющие общей прибыли) на одной в сутки устранённой промывке фильтров для воды (при условных минимум двух сейчас везде, реагентный режим фильтрования) за счёт увеличения структуризацией грязеёмкости загрузок в 2 раза (возможно большее преумножение) составит 11 млрд. руб./год***;

4. Соответственно условиям в пунктах 1-3 срок окупаемости равен 4,3 месяца;

5. Для определения общей, комплексной прибыли, получаемой на удвоении производительности (возможно большее преумножение) всех фильтров для воды, уменьшении или полном исключении применения коагулянтов, снижении объёмов шлама и коррозии труб, отказе от строительства станций водоочистки по традиционным сложным реагентным схемам, упрощении эксплуатации и автоматизации, а также улучшении качества фильтрата и здоровья населения, необходимы дополнительные достоверные данные. Пока же можно утверждать, что комплексная прибыль от внедрения нанотехнологий Дельта-фильтрования, с затратами всего лишь 4 млрд. руб.** и сроком окупаемости меньше 4,3 месяца, будет исчисляться сотнями миллиардов рублей в год, особенно при переводе скорых фильтров в контактный, безреагентный или комбинированный режимы Дельта-фильтрования. Примем комплексную прибыль, равной 400 млрд. руб./год, а только на увеличенном производстве питьевой воды - 100 млрд. руб./год, которые не далеки от истины;

6. Вложенный 1 рубль принесёт, если внедрение сделать быстро, 100 рублей*** комплексной прибыли за первый год эксплуатации, т.е. имеем соотношение вложения к прибыли, равное 1:100 и ещё лучшее. Это здорово! Но прибыль же будет идти и далее! А вот одновременно и быстро внедрить, увидеть сразу весь экономический эффект 400 млрд. руб./год по стране - нереально. Однако... Есть способ интенсификации внедрения, и он уже осуществляется (Доп. 12.06.2017).

7. Поэтому одновременно с поочерёдным оснащением структуризаторами действующих станций, и получением прибылей на этом в тех же соотношениях 1:25 - 1:100 и лучше, целесообразно спроектировать и построить первую в России крупную показательную городскую водоочистную станцию на основе нанотехнологий Дельта-фильтрования, по всем параметрам ещё более выгодную. Стоимость определим несколько позже и приведём её здесь.

Таким образом, эконанотехнологии Дельта-фильтрования отвечают на вопрос, где взять деньги на модернизацию существующих и строительство новых централизованных, групповых и локальных систем хозяйственно-питьевого водоснабжения, на замену изношенных труб водоводов и разводящих сетей, на многое другое в социальной сфере, промышленности и экологии****.


* ЭКОНАНОТЕХНОЛОГИИ - термин автора, концентрированно отображающий изложенные в статье экологически чистые ресурсосберегающие высокопроизводительные нанотехнологии Дельта-фильтрования воды в системах водоснабжения, теплоэнергетики и природоохраны.


** Дополнительными технологическими исследованиями выявлена потенциальная возможность значительного снижения затрат на оснащение всех скорых фильтров средствами гидравлической структуризации загрузок при одновременном повышении надёжности фильтров (Доп. 26.08.2011).


*** С учётом снижения затрат на оснащение всех скорых фильтров средствами гидравлической структуризации зернистых загрузок эти показатели могут быть ещё более высокими. И ничего удивительного в этом нет, поскольку нанотехнологии Дельта-фильтрования делают ненужной совокупность сложных и дорогостоящих операций со своими другими недостатками, присущих укоренившимся в водоснабжении реагентным схемам осветления воды: двухступенчатой со скорыми фильтрами нисходящего фильтрования и упрощённой с контактными осветлителями восходящего фильтрования. Но для понимания в деталях, как получается Водоканалу, Теплоцентрали или Инвестору доход на Дельта-фильтровании поэтапно от 2,5 до 100 руб./год с 1 рубля, вложенного в структуризатор зернистой загрузки фильтра головной очистной станции, нужно быть высококвалифицированным специалистом в области водоснабжения (Доп. 26-27.08.2011).


**** Общая сумма вложений в структуризаторы на скорых фильтрах России - не более 4 млрд. руб. при уд. затратах не более 56 руб. в структуризатор станции уд. производительности 1 м^3/сут питьевой воды (например, для станции 550000 м^3/сут требуется не более 31 млн. руб. со сроком окупаемости средств на структуризаторы несколько месяцев); инвестиции на проектирование и строительство показательных водоочистных станций на основе всесторонне выгодных нанотехнологий Дельта-фильтрования определятся по требуемым производительностям на конкретных системах водоснабжения в России и за рубежом (Доп. 26-27.08.2011).


На возникшие вопросы по эконанотехнологии ответит научный руководитель проекта "Дельта-фильтрование" Юрий Алексеевич Ищенко - linza2004@mail.ru - (из послужного списка - директор по науке ООО НПК "Оникс", автор ряда изобретений, учебных пособий и монографий; профессор, заведующий кафедрой водоснабжения, декан гидрофака, научный руководитель и непосредственный исполнитель крупных исследований и внедрений на водохозяйственных объектах страны; специальность - инженер-гидротехник, научная специализация - технологии очистки воды и промстока, природоохрана, гидроэнергетика, математическое моделирование установившейся и нестационарной фильтрации жидкостей, научно обоснованное гидравлическое структурирование зернистых загрузок промышленных водоочистных фильтров, метрология; экспериментальные научные методы; экспертиза инновационных решений в области водоснабжения и гидродинамики).

© Ищенко Ю. А., 2003-2016 


Яndex

Вскоре мы приведём в специальном разделе сайта описание в общих чертах гибкой математической модели-программы
ДЕЛЬТА-ФИЛЬТРОВАНИЕ
. Предназначена для оптимизационных исследований на компьютере кварцевых и подобных водоочистных фильтров систем водоснабжения по известным и желаемым их параметрам.

24.03.2003 г. открылся сайт
ИНТЕНСИВНЫЕ ТЕХНОЛОГИИ
ИЩЕНКО

РАЗРЕШАЮ
"...обнародование в газетах, журналах и эфире..." любых сведений из статьи
"Централизованные ЭКОНАНОТЕХНОЛОГИИ",
ссылаясь на сайт, -
автор Ю. А. Ищенко