6. Принцип работы скорого фильтра и контактного осветлителя. Основные характеристики фильтрующих материалов и работы фильтров.

Фильтрованием называется процесс прохождения осветляемой воды через слой пористого материала. Фильтрование, так же как и от­стаивание, применяют для осветления воды, т. е. для задержания находя­щихся в воде взвешенных веществ. Фильтрующий материал должен представлять собой пористую среду с весьма малыми порами.

В большинстве случаев фильтрование применяют в сочетании с дру­гими методами очистки воды. Так, на городских водоочистных станциях фильтры обычно используют для обработки воды, прошедшей коагулирование и отстойники или осветлители. Фильтры применяют так­же для осветления воды при ее реагентном умягчении и обезжелезивании. В некоторых случаях фильтры используют для осветления природ­ной некоагулированной воды (медленные фильтры), а также коагулированной воды без предварительного отстаивания.

По характеру ведения процесса различают поверхностное и объемное фильтрование.

В первом случае (пленочное фильтрование) примеси задерживаются на поверхности какого-то материала (сетки, медленные и намывные фильтры).

Во втором случае взвешенные вещества задерживаются в объеме фильтрующего материала. Иногда происходит одновременное образование примесями пленки и их отложение в порах загрузки.

Объемное фильтрование осуществляется через зернистые и другие пористые материалы, например в различных конструкциях скорых фильтров и контактных осветлителях

По направлению фильтрования через зернистые материалы различают прямое и обратное фильтрование

Пропускная способность фильтра определяется его скоростью, которая является основной характеристикой фильтро­вания.

V=Q/ω

где: Q – количество воды, проходящей через фильтр, м³/ч; ω – площадь фильтра, м².

В зависимости от численного значения величины V различают медленное и скорое фильтрование.

Медленное фильтрование (см. тезисы лекций № 13-14)

Скорое фильтрование осуществляют при величине V>2,5 м/ч (т.е. не менее чем в 10 раз больше медленного фильтрования). В этом случае фильтрующей пленки на поверхности практически не образуется, а загрязнения задерживаются в толще загрузки, но при определенных условиях. Так как при обычных значениях рН исходной воды, поверхность зерен фильтрующего материала (песка) и частицы примесей воды часто несут одинаковый (отрицательный) заряд, то взвесь в порах фильтрующего слоя практически не задерживается. Поэтому необходимо проводить предварительное коагулирование примесей воды с целью уменьшения и ликвидации их заряда.

Фильтры, работающие по принципу скорого фильтрования, подразделяются на скорые, т.ч. и обратного фильтрования (V≤15 м/ч), скоростные (V≤25 м/ч), сверхскоростные (V≤100 м/ч) и высокопроизводительные (V >100 м/ч).

Кроме скорости фильтрования, работа фильтров в заданном режиме фильтрования оценивается его продолжительностью защитного действия (Т_з) и продолжительностью роста потерь напора в фильтре от минимальных до максимальных значений (Т_н).

Величина Т_з характеризует продолжительность работы фильтра, в течение которого обеспечивается требуемое качество фильтруемой воды (например, для воды хозяйственно-питьевого назначения: цветность до 20⁰, мутность до 1,5 мг/л, железо до 0,3 мг/л и т.д.).

Задержание примесей при фильтровании воды сопровождается ростом ее потерь напора в фильтрующей пленке или загрузке. Для открытых фильтров максимальная величина роста потерь напора воды определяется ее высотой над фильтрующим материалом и обычно составляет 2 м.вод.ст. Для напорных фильтров эта величина зависит от материала корпусов и принимается до 8…10 м. вод. ст.

Для экономически целесообразного запроектированного фильтра величины Т_з и Т_н должны быть равны между собой. На практике, при проектировании и расчете фильтров с песчаной загрузкой, принимают соотношение Т_з>Т_н в 1,2…1,3 раза. Т.е. при достижении в фильтре максимальных потерь напора воды, должно обеспечиваться требуемое качество фильтрата (профильтрованной воды) и режим работы фильтра определяется величиной Т_н. Но, в некоторых типов загрузок (например, применение в определенных условиях различных видов углей, керамзита) может наблюдаться обратное соотношение, и тогда режим его работы и регенерации загрузки будет определяться продолжительностью защитного действия фильтра.

Фильтрующая загрузка является основным рабочим элементом фильтро­в. Типы и виды фильтрующих материалов многообразны, от сеток, которые принимаются при поверхностном фильтровании, каркасов, волокон, тканей, зернистых загрузок, вплоть до пористых – керамики, труб и полимерных мембран (ультра и гипер - фильтрация).

Фильтрующие материалы для осветления воды должны обеспечивать требуемое качество фильтрата, обладать достаточной механической прочностью и химической стойкостью, не вступать в реакцию с растворенными веществами в воде, т.е. дестабилизировать ее, не содержать в своем составе вредных различных веществ, в том числе радиоактивных, ядовитых и т.д.

Кроме этого, материалы, применяемые для фильтрования воды хозяйственно-питьевого назначения, должны удовлетворять необходимым санитарным требовани­ям, и в обязательном порядке, иметь разрешительные сертификаты и аттестаты Минздрава республики.

Зернистые материалы являются основными для загрузки медленных и скорых фильтров, это кварцевый песок, керамзит, антрацит, полимеры и местные материалы (горелые породы, доломитовый песок, керамическая крошка, доменные шлаки, дробленый мрамор и др.). Фильтрующий слой выполняют из отсортирован­ного, по требуемому фракцион­ному составу, зернистой загрузки, зерна которой должны иметь форму, близкую к шаровой с определенной однородностью. Правильный выбор параметров зернистой загрузки, а также ее стоимости, имеет первостепенное значение для нормальной работы фильтров. Характеристика некоторых видов фильтрующих материалов представлена.

Материал	Плотность, г/см3	Пористость загрузки, %	Коэффициент формы зерен Кн
Кварцевый песок Антрацит дробленый Керамзит: дробленый недробленый Горелые породы Шунгизит дробленый Доменные шлаки Шлаки медно-никелевого производства Пенополистирол	2,6–2,65 1,6–1,7 1,2–1,5 1,7–1,8 2,4–2,5 1,5–1,8 2,6 3,2 2,6–2,81	40-42 45 58–62 45 52 56–58 42–44 48 48–56	1,17 1,15 1,7–2,5 1,3 2 1,7–2,0 – – 1,41–1,73

Рассмотрим работу безнапорного (открытого) скорого фильтра по принципу прямого фильтрования воды. Фильтр представляет собой чаще всего ж/б резервуар квадратный или прямоугольный (редко - круглый) в плане с боковым (рис.7.2.) или центральным каналом. В нижней части фильтра устраивается дренажно-распределительная система (на рисунке представлена дырчатая трубчатая с боковыми ответвлениями) с поддерживающим слоем (если это необходимо), на который засыпается фильтрующий материал (чаще всего загрузкой является песок). Над фильтрующей загрузкой находятся сборно-распределительные желоба. Фильтр оборудуется всеми необходимыми коммуникациями и запорными устройствами, пьезощитом (для определения потерь напора воды в фильтре), пробоотборниками, регулятором скорости фильтрования.

Порядок работы (циклы: фильтрование, остановка и подготовка к промывке, промывка, сброс первого фильтрата)

Порядок работы скорого фильтра следующий:

1 стадия - фильтроцикл, то есть процесс фильтрования воды, при котором качество фильтрата соответствует нормативным значениям, за этот период происходит рост потерь напора воды от минимальной до максимальной величины.

2 стадия - остановка фильтра при достижении максимальных потерь напора воды, задвижка на трубопроводе (2) закрывается, через трубопровод (9) происходит снижение (сработка) уровня воды в фильтре до границы 10…15см выше фильтрационного слоя с отводом ее в резервуары чистой воды.

Рис. 7.2. Схема работы скорого фильтра

1 – корпус фильтра; 2 - трубопровод исходной вод; 3 - боковой (может быть центральный) канал; 4 - желоба; 5 - фильтрующая зернистая загрузка; 6. поддерживающие слои; 7 и 8 - дренажно-распределительная система (7 - центральная труба- коллектор; 8 – боковые трубчатые ответвления); 9 - трубопровод осветленной воды (фильтрата); 10- трубопровод подачи промывной воды, 11 - трубопровод отвода промывной воды, 12 - трубопровод сброса первого фильтрата и опорожнения фильтров.

3 стадия - регенерация фильтрующей загрузки, то есть восстановление ее фильтрующих свойств. Для скорых фильтров регенерация зернистой загрузки заключается в ее отмывке от загрязнений обратным током воды (в отдельных случаях - совместно с воздухом). На рисунке показан первый способ, когда вода с большим расходом подается в нижнюю часть фильтра по трубопроводу (10), распределяется по фильтру, взвешивает и взмучивает фильтрующую загрузку, увеличивая ее в объеме до 30…45%, в результате этого производится отмывка загрузки от задерживающих загрязнений, далее промывная вода поступает в желоб (4), боковой канал (3) и удаляется по трубопроводу (11).

4 стадия – сброс первого фильтрата и включение фильтра в работу (стадия 1). Сброс первого фильтрата производится с целью удаления оставшихся в нижних слоях загрязнений после промывки загрузки. Открывается задвижка на трубопроводе (2), фильтр начинает работу в стадии фильтроцикла, но со сбросом воды через трубопровод (12) в промканализацию первых порций фильтрата в течение 1…2 мин, затем эта задвижка (12) закрывается, а задвижка (9) открывается и фильтр включается в работу.

При проектировании фильтров основными данными являют­ся количество осветляемой воды, ее качество, поступающей на фильт­ры (в частности, содержание в ней взвешенных веществ, их физико-хи­мические свойства) и требуемая степень ос­ветления [2,3,7,22,23,37].

Располагаемый напор, обусловливающий движение воды че­рез открытые фильтры, обычно задается при расчете фильтров с учетом компоновки всей станции.

Основные положения теории фильтрования воды через зернистую загрузку (Д.М. Минц), заключаются в том, что при прямом фильтровании скоагулированная взвесь задерживаются сначала в верхнем слое, где происходит процесс их прилипания к зернам загрузки, т.е. адгезия.

При дальнейшем фильтровании происходит насыщение этого слоя загрязнениями, уменьшение межпорового пространства, и как следствие, увеличение местных скоростей движения воды. В результате этого, наступает момент критического состояния насыщенности межпорового пространства, когда ранние закрепившиеся частицы начинают отрываться и переносится в нижние слои, где в конечном итоге в свою очередь, наступает момент насыщения и т.д. Процесс отрыва загрязнения и перенос ее в нижние слои называется суффозией. Таким образом, при фильтровании воды через зернистую загрузку происходят одновременно два противоположных процесса: адгезия и суффозия. Теоретически процесс фильтрования идет до тех пор, пока загрязнения не будут распространены послойно до нижней границы фильтрующего материала и не начнут выноситься из фильтра.