Процессы фильтрования воды через фильтрующие материалы
Сущность метода заключается в фильтровании обрабатываемой воды через фильтрующий материал, проницаемый для воды и непроницаемый для твердых частиц. При пропускании воды через слой зернистого материала происходит три вида фильтрования:
1) задержание примесей на поверхности фильтрующего слоя (пленочное фильтрование),
2) задержание примесей в порах фильтрующего слоя (объемное фильтрование),
3) одновременное образование примесями пленки и их отложение в порах загрузки.
В большинстве случаев на современных фильтрах пленка не образуется и примеси вместе с водой проникают в толщу фильтрующего слоя, при этом глубина проникновения загрязнений в толщу загрузки тем больше, чем больше скорость фильтрования, крупнее зерна фильтрующего слоя и чем меньше размеры частиц взвеси, извлекаемых из воды. Пленочное фильтрование лежит в основе работы медленных фильтров. Извлечение примесей из воды и их закрепление на зернах фильтрующей загрузки происходит под действием сил адгезии. Осадок, накапливающийся в загрузке из задержанных примесей, имеет весьма непрочную структуру. Под влиянием гидродинамических сил потока воды эта структура разрушается и некоторая часть прилипших частиц отрывается от зерен загрузки в виде мелких хлопьев и переносится в последующие слои загрузки (суффозия), где вновь задерживается в каналах пор. Следовательно, осветление воды в зернистой загрузке следует рассматривать как суммарный результат двух противоположных процессов: процессов адгезии и суффозии.
Фильтрующая загрузка является основным рабочим элементом фильтровальных установок и сооружений, поэтому правильный выбор ее параметров имеет первостепенное значение для их нормальной работы. При выборе фильтрующего материала основополагающими являются его стоимость и технические требования к нему (фракционный состав загрузки, степень однородности размеров зерен загрузки, механическая прочность, химическая стойкость по отношению к фильтруемой воде). Кроме вышеперечисленных технических требований фильтрующие материалы, используемые в хозяйственно-питьевом водоснабжении, проходят санитарно-гигиеническую оценку на микроэлементы, переходящие из материала в воду (бериллий, молибден, мышьяк, алюминий, хром, кобальт, свинец, серебро, марганец, медь, цинк, железо, стронций). Фильтры по виду фильтрующей среды делят на тканевые, сетчатые, каркасные, намывные и зернистые. Наибольшее распространение получили фильтры с зернистой загрузкой, которые можно классифицировать по следующим основным признакам:
- по скорости фильтрования (медленные: 0,1 - 0,3 м/час, скорые: 5 - 12 м/час, cкоростные: 12 - 36 м/час и сверхскоростные: 36 - 100 м/час),
- по давлению (напорные и безнапорные),
- по крупности фильтрующего материала (мелко-, средне- и крупнозернистые),
- по количеству фильтрующих слоев (одно-, двух- и многослойные).
Наиболее распространенным фильтрующим материалом является кварцевый песок (речной или карьерный). Кварцевый песок при небольшом содержании примесей известняка отвечает всем техническим требованиям, предъявляемым к фильтрующим материалам. Наряду с песком применяют антрацит, керамзит, шунгизит, вулканические шлаки и др. Зерна дробленного антрацита имеют меньшую плотность, чем кварцевый песок, и поэтому их обычно используют в качестве верхнего слоя загрузки двухслойных фильтров. Керамзит представляет собой гранулированный пористый материал, получаемый обжигом глинистого сырья в специальных печах. Шунгизит получают путем обжига природного малоугленосного материала (шунгита), который по своим свойствам близок к дробленному керамзиту. Вулканические шлаки - это материалы, образовавшиеся в результате скопления газов в жидкой остывающей лаве.
Время защитного действия загрузки
Время, в течение которого загрузка способна осветлять воду до требуемой степени очистки, называется временем защитного действия загрузки. Время защитного действия загрузки возрастает с увеличением толщины ее слоя и уменьшается с ростом скорости фильтрования и размера зерен загрузки. Одновременно с осветлением воды в толще загрузки накапливаются загрязнения, вследствие чего уменьшается свободный объем пор и соответственно увеличивается гидравлическое сопротивление загрузки. Возрастание гидравлического сопротивления загрузки приводит к росту потери напора на фильтре. Максимально допустимое значение потери напора на загрузке называют пороговым значением потери напора фильтра. Оптимизация режима фильтрования заключается в рациональном выборе между временем защитного действия загрузки и потерей напора на фильтре.
Промывка фильтров
Момент работы, когда потеря напора в фильтрующей загрузке достигает порогового значения или начинает ухудшаться качество фильтрата, служит сигналом для перевода фильтра в режим промывки в целях восстановления первоначальной задерживающей способности загрузки. Промывку фильтрующей загрузки в скорых фильтрах производят обратным потоком воды или воздуха и воды. На время промывки фильтр отключается от системы подачи фильтрата. Промывная вода поступает в распределительную (дистрибьюторную) систему фильтра, равномерно распределяется по площади фильтра с помощью дистрибьютора и поддерживающих слоев, и подается вверх через загрузку с такой интенсивностью, которая обеспечивает переход зерен во взвешенное состояние. При этом загрузка как бы расширяется, т. е. увеличивается в объеме (это следует учитывать при выборе общего объема корпуса фильтра). Во взвешенном состоянии зерна загрузки непрерывно соприкасаются друг с другом, в результате чего налипшие на них загрязнения оттираются и вместе с потоком промывной воды сбрасываются в канализацию. Ввиду того, что промывка фильтров выполняется обратным потоком воды противоположным по направлению рабочему потоку, то режим промывки фильтра часто называют обратной промывкой. Несмотря на то, что промывка является лишь вспомогательным процессом, она может оказывать решающее влияние на рабочий режим работы фильтра. Если в процессе промывки фильтрующая загрузка отмывается недостаточно, то это приводит к постепенному накоплению остаточных загрязнений, что сокращает фильтроцикл, а в отдельных случаях выводит фильтр из работы. Основной задачей при расчете промывки фильтров является установление таких интенсивности потока промывки, относительного расширения слоя загрузки и продолжительности промывки, при которых обеспечивается практически полная отмывка зерен загрузки от прилипших к ним в процессе фильтрования загрязнений. Для загрузок из кварцевого песка при диаметре зерен более 1 мм в целях повышения эффекта отмывки, снижения расхода промывной воды и уменьшения водоотводящих трубопроводов целесообразно применение водовоздушной промывки. При водовоздушной промывке воду и воздух следует подавать по раздельным трубчатым распределительным системам или через единую распределительную систему со специальными дистрибьюторными колпачками.
Распределительные системы фильтров
В фильтрах размещаются верхняя и нижняя распределительные (дистрибьюторные) системы. Верхняя предназначена для подачи воды на фильтрующую загрузку при фильтрации и ее прямой промывке, а нижняя – для обратной промывки фильтрующей загрузки. К распределительным (дистрибьюторным) системам предъявляются следующие основные требования:
- равномерность распределения фильтруемой и промывной воды по площади фильтра,
- равномерность сбора фильтрованной воды с площади фильтра,
- достаточная механическая прочность, выдерживающая массу воды и загрузки, а также давление воды при промывке фильтра,
- незасоряемость отверстий и щелей во время рабочего режима и при промывке.
В фильтрах производительностью до нескольких сотен м3/час применяют распределительные системы из щелевых труб или колпачковые. Щелевое распределительное устройство представляет собой систему труб со щелями. Ширина щелей должна быть на 0,1 мм меньше размера самой мелкой фракции загрузки. Колпачковая распределительная система представляет собой систему колпачков, монтируемых на распределительных пластинах из расчета 35 - 50 колпачков на квадратный метр площади фильтра. Скорость движения воды или водовоздушной смеси в щелях колпачков принимают не менее 1,5 м/с.
Поддерживающие слои
В фильтрах с зернистой загрузкой для предохранения от засорений и механических повреждений нижних дистрибьюторных систем при промывках, а также для более равномерного распределения промывной воды по площади фильтров в донной части корпуса фильтра размещают поддерживающие слои. В качестве поддерживающих слоев применяют гравий или щебень. В материалах поддерживающих слоев не допускается примесь зерен мела, однако некоторая примесь зерен известняка допускается, но не более 15%. При размещении дистрибьюторных систем фильтров непосредственно в поддерживающих слоях последние рекомендуется выполнять из нескольких слоев различных фракций. Верхняя граница поддерживающих слоев должна быть несколько выше щелей/отверстий дистрибьюторных систем.
