2. Классификация фильтров и фильтровальных материалов

В зависимости от вида фильтрующей среды различают следую- щие виды фильтров: зернистые (фильтрующий слой - кварцевый песок, дробленый антрацит, керамзит, шлак, пенополистирол, магномасса и др.); сетчатые (фильтрующий слой - сетка с размером ячеек 40 мкм); тканевые (фильтрующий слой - хлопчатобумажные, льняные, сукон- ные, стеклянные или капроновые ткани); намывные (фильтрующий слой - древесная мука, диатомит, асбестовая крошка и др. материалы, намываемые в виде тонкого слоя на каркас из пористой керамики, ме- таллической сетки или синтетической ткани), последние фильтры на- зывают еще диатомитовыми. В практике водоочистки наибольшее применение находят зернистые фильтры.

Фильтры с зернистой загрузкой можно классифицировать по ряду основных признаков: 1) по скорости фильтрования - медленные (0,1- 0,3 м/ч), скорые (5-12 м/ч) и сверхскорые (25-100 м/ч); 2) по давлению, под которым они работают - открытые (безнапорные), закрытые (на- порные); 3) по направлению фильтрующего потока - однопоточные (обычные скорые фильтры), двухпоточные (фильтры АКХ, ДДФ), мно- гопоточные; 4) по крупности фильтрующего материала - мелко-, сред- не- и крупнозернистые; 5) по количеству фильтрующих слоев - одно-, двух- и многослойные.

Зернистый фильтрующий слой выполняют из отсортированного материала, чаще всего речного кварцевого песка крупностью от 0,5 до 2,0 мм. Зерна фильтрующей загрузки характеризуются эффективной величиной зерен и коэффициентом неоднородности загрузки, которые получают в результате ситового анализа. Эффективная величина зерен соответствует калибру сита, через которое проходит 10 % данного пес- ка. Коэффициентом неоднородности называют отношение 80 %-го ка- либра песка к 10 %-му: К_н=d₈₀/d₁₀. Фильтрующий материал кроме того должен обладать механической прочностью, химической стойкостью.

Фильтрующие загрузки располагаются на поддерживающих сло- ях гравия, щебня или пористого материала с тем, чтобы мелкий фильт- рующий материал не вымывался из слоя и не уносился вместе с пото- ком воды. Размер зерен поддерживающих слоев в зависимости от уст- ройства фильтра и условий фильтрования постепенно увеличивается от 2-5 до 20-40 мм.

3. Основные конструкции фильтров

К сетчатым и тканевым фильтрам относятся микрофильтры. Микрофильтры конструктивно подобны барабанным сеткам, исполь- зуемым для процеживания воды. Размеры ячеек микрофильтров при- мерно в 10 раз меньше, чем у сеток, и составляют 40-70 мкм. Приме- няют микрофильтры для задержания твердых и волокнистых материа- лов. Скорость фильтрации в них составляет 25-45 м³/(м²ч), эффектив- ность очистки - 50-60 % и зависит от состава и свойств сточных вод, размера ячеек микрофильтра и режима его работы.

Материалом для изготовления сеток микрофильтров служат раз- личные виды сталей (низко- и среднеуглеродистые, легированные), медь, латунь и др. По виду покрытия сетки могут быть цельнопаяннми, оцинкованными, окрашенными, лакированными, гуммированными. Неметаллические сетки и фильтровальные ткани в технологии очистки воды имеют ограниченное применение, чаще они применяются для обезвоживания осадков сточных вод. Могут использоваться ткани из натуральных волокон (хлопок, шерсть, лен) и синтетических материа- лов (капрон, нитрон, хлорин), но они обладают большим гидравличе- ским сопротивлением и с их поверхности трудно удаляются загрязне- ния.

Рис.12.19. Схема микрофильтра

1 - вращающийся барабан; 2 - лоток для сбора промывных вод; 3 - устройство для промывки

Основным элементом микрофильтра (рис.12.19) ляется вращающийся ба- рабан, размещенный в бетон- ном, а иногда металлическом резервуаре прямоугольной формы. В микрофильтрах ра- бочая фильтрующая сетка располагается между двумя поддерживающими с разме- ром ячеек 22 мм. Заг- рязненная сетка очищается промывкой отдельных ее уча- стков очищенной водой, рас- ход которой не должен пре- вышать 1,5 % от количества воды, подаваемой на станцию очистки.

Фильтры с зернистой загрузкой широко применяют для подго- товки технических и оборотных вод, они незаменимы на водоочистных станциях хозяйственно-питьевого назначения для осветления и обес- цвечивания поверхностных вод, а также для обезжелезивания подзем- ных вод.

Эти фильтры можно классифицировать по нескольким признакам:

1. по напору над фильтрующим материалом - на открытые (гра- витационные), где фильтрование воды происходит под атмосферным давлением, и напорные фильтры, в которых над зернистым слоем соз- дается избыточное давление;

2. по производительности с единицы площади фильтра, т.е. по скорости фильтрования - на медленные (0,1-0,3 м/ч), скорые (5-12 м/ч), сверхскоростные (свыше 25 м/ч) фильтры; медленные фильтры всегда открытые, скорые могут быть открытые или напорные, сверхскорост- ные - только напорные;

3. по крупности зерен фильтрующего материала - на мелкозерни- стые (до 0,4 мм), среднезернистые (0,4-0,8 мм) и грубозернистые (свыше 0,8 мм); мелкозернистую загрузку используют в медленных фильтрах, среднезернистую - в скорых и сверхскорых, грубозернистую

• для очистки воды в технических целях;

4. по количеству слоев разных зернистых материалов - на одно-, двух-, трех- и многослойные фильтры;

5. по направлению движения фильтрующего потока - на фильтры с нисходящим или восходящим фильтрованием, на двухпоточные (фильтры АКХ); с горизонтальным направлением фильтрования (ради- альные фильтры).

Медленные фильтры применяются для безреагентного осветле- ния воды и представляют собой железобетонные или кирпичные резер- вуары прямоугольной или круглой в плане формы. Малая скорость фильтрования, значительная стоимость и большая занимаемая площадь привели к тому, что в отечественной практике водоочистки эти фильт- ры мало распространены.

Скорые безнапорные (самотечные) фильтры предназначены для осветления воды после реагентной обработки или без нее. Они пред- ставляют собой прямоугольные в плане железобетонные резервуары площадью 4-140 м², загруженные фильтрующими слоями зернистого материала в один или два слоя с поддерживающими слоями гравия, под которыми размещена дренажная система для сбора отфильтрован- ной и равномерного распределения промывной воды (рис.12.20). Вы- сота слоя загрузки этих фильтров зависит от диаметра зерен фильт- рующего материала и составляет 0,4-2,0 м. Скорость воды в подводя- щих трубопроводах и каналах должна составлять 0,8-1,2 м/с, высота слоя воды над загрузкой фильтра не менее 2 м. Вода фильтруется свер-

ху вниз, промывка осуществляется подачей воды снизу вверх. Для сбо- ра промывной воды служат специальные желоба, расположенные над слоем фильтрующей загрузки.

Однослойные фильтры загружают кварцевым песком с диаметром зерен 0,5-2,0 мм, двухслойные - либо однородным материалом с разной крупностью частиц, либо разнородными материалами. Многослойные фильтры имеют большую грязеемкость по сравнению с однослойными в 2-3 раза. Это позволяет либо увеличить скорость фильтрования, либо удлинить фильтроцикл.

Продолжительность фильтроцикла при нормальном режиме рабо- ты скорых безнапорных фильтров должна составлять не менее 8-12 ч, скорость фильтрования при нормальном режиме 5-12 м/ч, при форси- рованном режиме 6-16 м/ч.

При достижении потери напора 3,0-3,5 м скорые безнапорные фильтры останавливают на промывку. Промывку осуществляют либо только водой, подаваемой снизу вверх с интенсивностью 12-18 л/(м²с), либо одновременно промывают водой и продувают воздухом. Равно- мерное распределение воды по площади скорых фильтров осуществ- ляют дренажными системами с поддерживающими слоями или без них.

Скорые напорные фильтры представляют собой закрытые вер-

тикальные (рис.12.21) или горизонтальные резервуары со сферически- ми днищами, рассчитанные на рабочее давление до 0,6 МПа. Они ис- пользуются для осветления воды после обработки ее коагулянтами без предварительного отстаивания. Производительность одного верти- кального фильтра составляет 50-90 м³/ч. Такие фильтры выпускаются диаметрами 1,0-3,4 м, высота слоя загрузки в них 0,5-1 м. Гравийные поддерживающие слои в напорных фильтрах, как правило, не устраи- ваются. Напор воды создается насосами. Предельные потери напора в закрытых фильтрах, когда их останавливают на промывку, составляют 6-8 м. Скорость фильтрования в них такая же, как в открытых скорых фильтрах 5-12 м/ч, в крупнозернистых до 15 м/ч.

Рис.12.21. Схема вертикального напорного фильтра

1 - воронка; 2 - фильтрующий слой; 3 - дренажная система;

4 - отвод фильтрата

Рис.12.22. Схема сверхскорого фильтра

1 – подача воды; 2 – распре- делительный колпак; 3 – цен- тральный стояк; 4 – щели; 5- отвод фильтрованной воды; 6

– отвод промывной воды

Сверхскорый напорный фильтр конструкции Г.Н. Никифо- рова работает при постоянном напоре с переменной скоростью фильт- рования, уменьшающейся по мере загрязнения фильтра. Начальная скорость фильтрования составляет 50-100 м/ч. Фильтр представляет собой цилиндрический корпус с цилиндрической камерой внутри (рис.12.22).

Пространство между цилиндрами разделено вертикальными пере- городками на восемь отсеков-фильтров с песчано-гравийной загрузкой. В действии находится семь отсеков, а один на промывке. Продолжи- тельность фильтроцикла в каждом отсеке не превышает 1-2 ч. Про- мывка фильтра автоматизирована, отсеки переключаются на промывку последовательно. Высота слоя загрузки 450 мм, гравийного поддержи- вающего слоя 500 мм. Максимальный диаметр фильтра 3 м, произво- дительность 150 м³/ч. Такие фильтры обычно собираются в батареи.

В основу двухпоточных скорых фильтров АКХ (рис. 12.23) по- ложен принцип двухстороннего фильтрования воды с отводом фильт- рата трубчатой дренажной системой, расположенной в толще фильт- рующего слоя. Пространство над поверхностью песка соединяется трубопроводом с поддонным пространством. Дренажная система рас- положена на расстоянии 50-60 см от поверхности песка. Часть исход- ной воды направляется в дренажную систему, фильтруясь через слой песка b₁, а другая часть по трубопроводу в поддонное пространство, а оттуда - в дренажную систему снизу вверх через слой песка b₂.

Рис.12.23. Схема фильтра АКХ

1 – песчаная загрузка; 2 - трубо- провод; 3 – поддонное пространст- во; 4 – дренажная система

Рис.12.24. Схема контактного фильт-

ра

1 – подача реагентов;2 - распредели- тельная система; 3 - дренаж из порис- того бетона

Основная масса воды поступает в нижнюю часть фильтрующего слоя и двигаясь снизу вверх проходит сначала через слой крупного, а затем более мелкого песка, чем обеспечивается повышенная грязеем- кость и производительность фильтра при сокращении воды на промыв- ку фильтра.

Расчетная скорость фильтрования для фильтров АКХ составляет 10-12 м/ч при нормальном режиме и 12-15 м/ч при форсированном. С течением времени скорость фильтрования через нижний слой загрузки увеличивается, а через верхний слой, в связи с малой грязеемкостью его, уменьшается. К концу фильтроцикла скорость фильтрования через

нижний слой составляет 80 % суммарной скорости. Недостаток фильт- ров АКХ - более сложная конструкция и управление их работой.

Работа контактных осветлителей и контактных фильтров ос- нована на использовании явления контактной коагуляции. На поверх- ности зерен загрузки при движении воды, обработанной коагулянтом, снизу вверх сорбируются коллоидные и взвешенные частицы. Кон- тактные осветлители являются своеобразной разновидностью скорых безнапорных фильтров, работающих по принципу пропускания воды с добавлением коагулянта в направлении убывания крупности зерен в слое. Объем сооружений очистки воды с применением контактных ос- ветлителей уменьшается в 4-5 раз по сравнению с объемом сооруже- ний обычного типа, т.к. перед контактными осветлителями не устраи- вают отстойников.

В них на 15-20 % уменьшается расход коагулянта. В контактных фильтрах (рис.12.24), работающих по принципу контактной коагуля- ции, вода с добавленными к ней реагентами (в отличие от контактных осветлителей) фильтруется через зернистые слои загрузки сверху вниз.

По конструкции контактные осветлители и контактные фильтры аналогичны скорым безнапорным фильтрам.

Из других конструкций фильтров можно отметить магнитные, акустические, намывные и фильтры с плавающей загрузкой.

Магнитные фильтры (сепараторы) применяются для удаления из жидкостей мелких ферромагнитных частиц размером 0,5-5 мкм при их содержании более 25 %. Они могут быть снабжены постоянным магнитом или электромагнитом. При прохождении ламинарным пото- ком через магнитное поле ферромагнитные частицы намагничиваются и образуют агломераты. Направление потока должно совпадать с на- правлением магнитного поля. Широкое распространение нашли маг- нитные сепараторы, которые имеют эффективность очистки 80-90 % при производительности до 60 м³/ч. Фильтрующий элемент представ- ляет собой ферромагнитную зернистую загрузку крупностью 1-3 мм. Фильтрование очищаемой сточной воды производят при наложении магнитного поля, промывку - без его применения.

Акустические сетчатые фильтры применяют для предвари- тельного осветления вод, содержащих высокодисперсные глинистые взвеси. Эффект осветления достигает 60 % при содержании взвесей в исходной воде до 6000 мг/л. В результате упругих колебаний звукового диапазона частот электромагнитным вибратором в акустических фильтрах происходит непрерывная регенерация фильтруюшего эле- мента. Электромагнитный вибратор располагается на крышке акусти- ческого фильтра, представляющего собой круглый металлический ре-

зервуар (рис.12.25). Фильтрующий элемент выполняется в виде перфо- рированного стакана из нержавеющей стали с расположенными в шах- матном порядке отверстиями диаметром 4-5 мм, обтянутого микросет- кой с размерами ячеек 100-125 мкм.

Намывные фильтры представляют собой открытые, напорные или вакуумные резервуары, внутри которых находятся плоские или цилиндрические фильтрующие элементы с размером ячеек 100- 150 мкм (пористые керамические, сетчатые, каркасно-навитые), на ко- торые предварительно намывают специальные фильтрующие порошки. В качестве последних применяют диатомит, целлюлозу, бентонит, опилки и другие материалы с размером частичек 50-70 мкм. Наиболее широко используют диатомит и перлит, получаемые дроблением поро- ды вулканического происхождения с последующим обжигом.

Намывные фильтры применяют для очистки небольших объемов воды, если ее мутность не превышает 40 мг/л. При достижении потери напора 15-20 м фильтр промывают обратным током воды.

Для удаления нефтепродуктов и других эмульгированных ве- ществ применяются фильтры с плавающей загрузкой (ФЗП) из раз- личных полимерных материалов (рис.12.26). Хорошие результаты по- лучены при использовании пенополистирола различных марок, пено-

полиуретана, гранул керамзита, котельных и металлургических шла- ков. Такие материалы обладают высокой пористостью, механической и химической прочностью и большой поглотительной способностью. Высота слоя загрузки 1,2-2,0 м, скорость фильтрования от 0,6-2 м/ч до 20-25 м/ч.

Разработаны различные конструкции напорных, самотечных и контактных ФЗП, они могут встраиваться в первичные и вторичные отстойники. Регенерация фильтрующего материала может произво- диться интенсивной водовоздушной промывкой или механическим от- жимом.