Фильтрование воды (стр. 1 из 6)
Сущность процесса, классификация фильтров по принципу действия
В подавляющем большинстве технологических схем водоподготовки завершающим процессом является фильтрование, в ходе которого из воды извлекаются не только дисперсии, но и коллоиды. В этом состоит отличие метода фильтрования от всех методов предварительной очистки воды.
Сущность метода заключается в фильтровании обрабатываемой воды, содержащей примеси, через фильтрующий материал, проницаемый для жидкости и непроницаемый для твердых частиц. При этом процесс сопровождается значительными затратами энергии. Однако, допускать большие потери напора в технике водоочистки можно лишь при обработке небольших количеств воды. Это определяет место фильтровальных сооружений в технологической схеме, т. е. в большинстве случаев фильтрование является завершающим этапом обработки воды и производится после ее предварительного осветления в отстойниках, флотаторах или осветлителях.
При пропуске воды через слой зернистого материала в зависимости от заряда и соотношения размеров примесей воды и зерен фильтрующей загрузки может происходить три вида фильтрования:
1) задержание примесей на поверхности фильтрующего слоя (пленочное фильтрование) описываемое формулой Хазена δ = 0,01 (v*d3)0.5, где δ — диаметр наименьших задерживаемых частиц, мм; d3— эффективный диаметр зерен загрузки, мм; v— скорость фильтрования до 10 м/ч;
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 глубинaпроникновения загрязнений в толщу загрузки тем больше, чем больше скорость фильтрования, крупнее зерна фильтрующего слоя и чем меньше размеры частиц взвеси, извлекаемых из воды (рис. 12.1). Пленочное фильтрование лежит в основе работы медленных фильтров. Это процесс чисто механического извлечения из воды диспергированных примесей. В основе объемного фильтрования лежит предварительное коагулирование примесей воды с целью уменьшения или ликвидации их заряда. Так как при обычных значениях рН исходной воды поверхность зерен фильтрующего материала и частицы примесей воды несут отрицательный заряд, взвесь в порах фильтрующего слоя задерживается плохо. Следовательно, в основе объемного фильтрования лежат процессы адгезии скоагулированных примесей на поверхности зерен фильтрующего слоя и суффозии, т. е. отрыва ранее прилипших частиц и переноса их гидродинамическими силами потока в нижние слои загрузки.
Водоочистные сооружения, на которых осуществляется процесс фильтрования, называют фильтрами. Фильтры по виду фильтрующей среды делят на тканевые или сетчатые, каркасные или намывные (диатомовые), зернистые (песчаные, керамзитовые и др.). Из вышеперечисленных трех групп фильтров наиболее значительной является последняя. Фильтры этой группы в технике водоснабжения применяют наиболее широко. 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 сверхскоростные (36... 100 м/ч); 2) по давлению, под которым они работают, — открытые (или безнапорные) и напорные, 3) по направлению фильтрующего потока — однопоточные (обычные скорые фильтры), двухпоточные (фильтры АКХ, ДДФ), многопоточные; 4) по крупности фильтрующего материала — мелко-, средне- и крупнозернистые; 5) по количеству фильтрующих слоев — одно-, двух- и многослойные. Устройство открытого скорого фильтра площадью до 30 м2 показано на рис. 12.2. Прошедшая предочистку вода поступает в боковой карман, а из него — в резервуар фильтра. Высота слоя воды над поверхностью загрузки должна быть не менее 2 м. В процессе фильтрования вода проходит фильтрующий и поддерживающий слои, а затем поступает в распределительную систему и далее в резервуар чистой воды. Максимальная потеря напора в фильтрующей загрузке допускается 3 ... 3,5 м. Во время промывки фильтра промывная вода подается в распределительную систему и далее снизу вверх в фильтрующий слой, который она расширяет (взвешивает). Дойдя до верхней кромки промывных желобов, промывная вода вместе с вымытыми ею из фильтрующего материала загрязнениями переливается в желоба, а из них в боковой карман и отводится на сооружения оборота промывной воды.
Расчетную скорость фильтрования f= 6 ... 10 м/ч, толщину слоя однослойной фильтрующей загрузки h =0,7 ... 2,0 м, продолжительность 5 ... 7 мин и интенсивность промывки ш=12... 18 л./(с*м2) принимают в соответствии со СНиПом в зависимости от крупности зерен фильтрующей загрузки 0,5 ... 2,0 мм. Фильтрующий слой выполняют из отсортированного зернистого материала, удовлетворяющего санитарным требованиям в обладающего достаточной химической стойкостью и механической прочностью (кварцевый песок, дробленый антрацит, горелые породы, керамзит, керамическая крошка, доменные шлаки, Дробленый мрамор, полимеры и др.). Поддерживающий слой из гравия или щебня высотой 0,45…0,55 с крупностью зерен 2…40 мм, на котором лежит фильтрующая загрузка, укладывают для того, чтобы мелкий фильтрующий материал не вымывался из фильтрующего слоя и не уносился вместе с фильтруемой водой через отверстия распределительной системы. Недостатком поддерживающих слоев является возможность их смещения при промывке, что нарушает их горизонтальность и в конечном счете нарушает работу фильтра. Распределительная (дренажная) система является важным элементом фильтра. Она должна собирать и отводить профильтрованную воду без выноса зерен фильтрующего материала ц при промывке равномерно распределять промывную воду по площади фильтра. В настоящее время повсеместно применяют распределительные системы большого сопротивления. Равномерность распределения промывной воды по площади в таких системах достигается вследствие большого сопротивления движению воды через проходные отверстия.
Рис. 12.2. Схема открытого (безнапорного) скорого фильтра с боковым карманом (а) и боковым отводом промывной воды (б).
7 — распределительная система: магистральная труба (или канал) и перфорированные ответвления; 6 — поддерживающий слой гравия (щебня); 5 — фильтрующая загрузка (кварцевый песок, керамзит, шунгизит и др.); 3 — водосборные желоба; 4 — воздушник; 2 — боковой карман; 1, 8 — подача исходной воды и отвод фильтрата; 9, 10 — подача и отвод промывной воды; 11 — водосток; 12 — колпачковая распределительная (дренажная) система.
Промывка скорых фильтров производится обратным током профильтрованной воды путем ее подачи под напором в поддонное пространство или в дренажную трубчатую систему. Промывная вода, проходя со скоростью, в 7 ... 10 раз большей, чем скорость фильтрования, через фильтрующую загрузку снизу вверх, поднимает и взвешивает ее. Зерна расширившегося песка, хаотично двигаясь, соударяются друг с другом, при этом налипшие на них загрязнения оттираются и попадают в промывную воду, которая собирается и удаляется сборными желобами, расположенными над поверхностью фильтрующей загрузки, в водосток. Желоба располагают на такой высоте Нж, чтобы в них попадали только вымытые из песка загрязнения, но не песок.
Теоретические основы очистки воды фильтрованием через зернистые материалы
Из известных теорий процесса очистки воды фильтрованием наибольшее признание получила теория Д. М. Минца, которая экспериментально подтверждена и внедрена. На основе этой теории разработана методика технологического анализа процесса фильтрования, позволяющая определять параметры процесса и использовать их для оптимизации режима работы фильтровальных сооружений.
Согласно теории Д. М. Минца, при движении воды, содержащей взвешенные частицы, через зернистую загрузку фильтровальных аппаратов последние задерживаются загрузкой и вода осветляется. Одновременно в толще загрузки накапливаются загрязнения, вследствие чего уменьшается свободный объем пор, увеличивается гидравлическое сопротивление загрузки. Возрастание гидравлического сопротивления приводит к росту потери напора в загрузке.
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 эта структура разрушается и некоторая часть ранее прилипших частиц отрывается от зерен загрузки в виде мелких хлопьев и переносится в последующие слои загрузки (суффозия), где вновь задерживается в поровых каналах. Следовательно, осветление воды в зернистой загрузке следует рассматривать как суммарный результат двух противоположных процессов: процесса адгезии и процесса суффозии. Осветление воды в каждом элементарном слое загрузки происходит до тех пор, пока интенсивность прилипания частиц превышает интенсивность их отрыва. По мере накопления осадка интенсивность отрыва частиц увеличивается. Кинетика прилипания и отрыва частиц определяет ход процесса осветления воды по толщине слоя фильтрующей загрузки и во времени (рис. 12.3, где показаны кривые изменения концентрации взвеси в воде по высоте загрузки). Каждая кривая относится к определенному моменту времени. Кривая 1 характерна для начального периода процесса после того, как первые порции фильтруемой воды пройдут через слой загрузки, а кривая 4 — предельному насыщению загрузки осадком. Кривая 1 показывает, как изменяется концентрация взвеси в воде по высоте загрузки толщиной ха только под действием сил прилипания.
По мере накопления осадка в загрузке явление отрыва ранее прилипших частиц начинает проявляться все более заметно. Характер кривых изменяется (рис. 12.3, кривые 2, 3, 4). Они показывают, что роль слоев загрузки, расположенных вблизи от поверхности, в осветвлении воды уменьшается. После продолжительной работы фильтра насыщение этих слоев осадком становится предельным и они перестают осветлять воду. На графике (рис. 12.3, кривая 4) отмечена толщина участка загрузки *нас, которая находится в состоянии предельного насыщения к этому времени работы аппарата. По мере насыщения верхних слоев загрузки возрастает роль ниже расположенных, а толщина загрузки, необходимая для извлечения из воды взвеси, увеличивается. Затем наступает такой момент, когда вся толщина загрузки недостаточна для обеспечения необходимой степени осветления воды и концентрация взвеси на выходе из загрузки начинает возрастать (рис. 12.3, кривая 4). Время, в течение которого загрузка способна осветлять воду до требуемой степени, называется временем защитного действия загрузки. До Достижения этого времени на выходе из загрузки получают воду надлежащего качества. По истечении времени защитного Действия качество фильтрата начинает быстро ухудшаться (рис. 12.4).