1. Теоретические основы удаления взвешенных веществ осаждением.

Отделение твердой фазы от жидкой методом осаждения широко распространено в технике. Характерной особенностью процесса являются небольшие затраты энергии в отличие, например, от центрифугирования. Метод осаждения целесообразно применять только для грубого осветления воды, т. е. для удаления грубодисперсных примесей (ГДП). В зависимости от агрегатного состояния механические примеси в воде образуют грубые суспензии и коллоидные растворы. Грубые суспензии содержат частицы размером более 10-5 см. Такие частицы из взвешенного состояния сравнительно быстро выпадают из слоя жидкости под действием гравитационных сил. Под действием гравитационных сил ГДП с плотностью более 1 г/см³ в спокойной воде движутся вертикально вниз. В начале осаждения вследствие инерции движение частиц равноускоренное, но под действием сопротивления жидкости оно быстро стабилизируется и становится равномерным. По данным Риттингера и Финкеля, продолжительность разгона частиц диаметром 2 мм составляет 1,67-10-8 с, а для 1 мм - 6,5-102 с. Вследствие незначительности этого интервала времени считается, что движение частиц ГДП под действием гравитационных сил происходит равномерно. На скорость осаждения частиц ГДП в воде оказывают влияние их размеры, форма, плотность, концентрация, вязкость воды. Мелкие легкие частицы испытывают сопротивление осаждению среды, прямо пропорциональное скорости. В этом случае сопротивление осаждению обусловливается вязкостью жидкости и влияние сил инерции незначительно. Крупные тяжелые частицы испытывают сопротивление осаждению, пропорциональное квадрату скорости их осаждения, и оно зависит, в основном, от инерционных сил, в то время как вязкость влияет чрезвычайно слабо. Частицы средних размеров испытывают сопротивление осаждению, обусловливаемое как вязкостью, так и силами инерции; оно пропорционально скорости, показатель степени имеет величину, лежащую между 1 и 2. Рассмотрим теоретические основы процесса осаждения. По мере осаждения частиц будет возрастать скорость осаждения и сила реакции. Вместе с тем наступит момент, когда движение станет равномерным. При этом сила инерции станет равной нулю.  На практике при осветлении воды методом осаждения наиболее часто встречаются режимы осаждения переходный и турбулентный. В движущемся потоке жидкости на частицу помимо сил гравитации и сопротивления среды действуют силы, обусловленные турбулентным перемешиванием, которые при малых скоростях способствуют агломерации частиц, а при больших препятствуют их осаждению. Сооружения, в которых осуществляют осветление воды осаждением, называют отстойниками, режим движения воды в которых, по данным П. И. Пискунова, К. В. Гнедина и др., обычно турбулентный. Он характеризуется пульсацией скоростей и наличием взвешивающей составляющей vc, которая уменьшает истинную скорость осаждения примесей воды. По данным А. А. Труфанова, vc = 4nv_ср/H^0,2, где п - коэффициент шероховатости для отстойника, равный 0,012- 0,02; vср - средняя скорость движения воды в отстойнике; H - глубина зоны осветления воды. Скорость выпадения взвешенных частиц, а следовательно, и продолжительность отстаивания неодинаковы для вод разных источников. При отсутствии данных лабораторных исследований скорость осаждения принимают по данным эксплуатации отстойников, работающих в аналогичных условиях. Ориентировочно скорость осаждения взвеси и, задерживаемой отстойником, можно принимать: для цветных вод, содержащих взвешенные вещества в количестве до 200-250 мг/л, при коагулировании взвеси и = 0,35-0,45 мм/с; для мутных вод, содержащих взвешенные вещества в количестве более 250 мг/л, при коагулировании взвеси и = 0,5-0,6 мм/с; для мутных вод без коагулирования взвеси и = 0,12-0,15 мм/с. При применении встроенных камер хлопьеобразования зашламленного типа эти скорости могут быть увеличены для мутных вод на 30% и для маломутных вод на 20%.

19. Фильтрование применяется для частичной или глубокой очистки воды от дестабилизированных коллоидов и дисперсных загрязнений первой группы по классификации Л.А. Кульского [1].

Фильтрованием называется процесс отделения от воды твердого вещества, находящегося с ней в смеси, при прохождении через пористую среду (пористую перегородку или пористую загрузку).

Фильтрование через перегородку наблюдается при безреагентной очистке воды в медленных, каркасных (намывных, патронных), тканевых, мембранных фильтрах, фильтр-прессах. Фильтрование через пористую зернистую загрузку (объемное фильтрование) – основной вид фильтрационной очистки воды осуществляется в разнообразных скорых фильтрах и контактных осветлителях. Именно этому виду фильтрования посвящено настоящее пособие.

Очистка воды фильтрованием может быть как самостоятельным способом осветления воды, так и завершающим ее этапом – доочисткой. В одноступенчатых схемах очистки воды содержание твердой фазы в исходной воде ограничивается для обеспечения высокого качества воды очищенной.

Доочистка воды фильтрованием обычно является заключительной ступенью при двух- и многоступенчатой реагентной технологической схеме очистки. При реагентном способе очистки воды используется принцип скорого фильтрования с задержанием взвеси всей толщей фильтрующей загрузки.

Согласно современным представлениям очистка воды объемным фильтрованием является физико-химическим процессом, основанным на прикреплении дестабилизированных (скоагулированных) загрязнений, находящихся в воде, к зернам фильтрующей загрузки под действием сил адгезии (прилипания) и сил электростатического взаимодействия.

В качестве фильтрующей загрузки используются природные или специально изготовленные тяжелые и легкие зернистые материалы: песок, антрацит, керамзит, гранодиорит, горелые породы, туфы, шлаки, полистирол, капрон и т. п.

Основной механизм задержания загрязнений зернистым фильтром – контактная коагуляция, хотя одновременно может происходить процеживание и осаждение.

При движении воды, содержащей хлопьевидные загрязнения, через проточные поры зернистой загрузки фильтровального сооружения взвесь накапливается в виде сжимаемой гелеобразной массы, образуя коллоидную структуру и заполняя межзерновое поровое пространство. Скорость движения струй воды в оставшихся свободными поровых каналах увеличивается, вызывая значительный рост гидравлического сопротивления, пропорциональный количеству извлеченных из воды примесей.

Фильтровальные сооружения с зернистой загрузкой классифицируются по нескольким признакам:

1) по направлению движения фильтруемой воды в период работы фильтра в режиме очистки: фильтры с нисходящим фильтрованием (традиционное направление движения воды в фильтрах), восходящим фильтрованием (реализовано в контактных осветлителях), двухпоточным движением (фильтры АКХ, ДДФ), многопоточные с комбинированным направлением движения, с радиальным и горизонтальным движением;

2) количеству слоев загрузки: однослойные, двухслойные, многослойные. Многослойные фильтры созданы для увеличения грязеемкости за счет фильтрования в направлении убывающей крупности зерен при обычном направлении фильтрации сверху вниз. Это достигается размещением в верхних слоях загрузки более крупных зерен, чем в нижележащих. Такое возможно при использовании фильтрующих материалов с разной плотностью. Например, верхний, крупнозернистый слой, выполняется из легких материалов – керамзита, антрацита, туфов, а нижний, мелкозернистый слой – из более тяжелых материалов: песка, гранодиорита, горелых пород. При создании такой загрузки следует обеспечить несмешиваемость материалов на границе их раздела;

3) крупности зерен фильтрующего материала (оценивается по эквивалентному диаметру зерен): мелкозернистые (0,2–0,5 мм), среднезернистые (0,5–0,8 мм), крупнозернистые (0,8–1,8 мм);

4) скорости фильтрования: медленные (0,1…0,3 м/ч), скорые (5…12 м/ч), сверхскорые (36–100 м/ч);

5) давлению, под которым работают гравитационные (открытые) и напорные. В гравитационных фильтровальных сооружениях скорость фильтрования обеспечивается слоем воды над загрузкой. Напорные фильтры за счет высокого давления на загрузку могут иметь продолжительный фильтроцикл, однако они небольшие по размеру и при значительной производительности станции водоподготовки требуют большого числа корпусов, значительных размеров помещений. Строительные нормы и правила [6] рекомендуют напорные фильтры при суточной производительности станции водоочистки до 5 тыс. м³ [6];

6) виду фильтрующего материала зерен загрузки: с тяжелым (плотность материала зерен больше плотности воды) – песчаные, антрацитовые, керамзитовые, гранодиоритовые, из горелых пород, из туфов и т. п.; с плавающим – полистирол, шунгизит, пенопласт, стеклопор, шлак и т. д.

7) способам регенерации: с водовоздушной промывкой, с водяной промывкой;

8) способу подачи воды на промывку: с промывкой от специального насоса, с подачей воды от промывного бака (башни);

9) конструкции водораспределительных и дренажных систем для подачи воды на очистку, сбора осветленной воды и промывку фильтрующей загрузки: большого сопротивления (трубчатые дырчатые, из щелеванных труб, колпачковые, из полимербетона), малого сопротивления (с поддонным пространством);

10) конструкции системы отводы промывных вод: с желобами и низким горизонтальным отводом через водослив.

Кроме перечисленных признаков, фильтровальные сооружения различаются формой, материалом корпуса и некоторыми другими особенностями.