5. Очистка воды фильтрованием

Завершающим этапом очистки воды от взвешенных веществ обычно является фильтрование. В процессе фильтрования из воды выделяют не только диспергированные частицы. Сущность фильтрации заключается в пропускании обрабатываемой воды через фильтрующий материал, проницаемой для воды и практически непроницаемый для твердых частиц. Процесс требует значительных затрат энергии, что предопределяет на большинстве очистных сооружений использование фильтрования на завершающем этапе обработки воды. По виду фильтрующего материала фильтры подразделяют на тканевые, сетчатые, каркасные, намывные, зернистые. Зернистые слои наиболее часто применяют в процессах очистки сточных вод.

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: пленочное фильтрование - задержка примесей на поверхности фильтрующего слоя; объемное фильтрование - задержка примесей в порах фильтрующего слоя; смешанное фильтрование - одновременное образование примесями воды пленки на поверхности и отложение примесей в порах загрузки. Пленочное фильтрование – чисто механическое извлечение примесей, характерно для работы медленных фильтров.

Извлечение примесей из воды при объемном фильтровании и их закрепление на зернах фильтрующей загрузки происходит под действием сил адгезии. Осадок, накапливающийся в слое из задержанных частиц взвеси, имеет непрочную структуру. Под влиянием сил потока жидкости эта структура может разрушаться, и часть прилипших частиц отрывается от зерен загрузки в виде мелких хлопьев и переносится в последующие слои загрузки (суффозия), где вновь задерживается. Осветление воды в слое зернистой загрузки можно рассматривать как результат противоположных процессов - адгезии и суффозии. В каждом элементарном слое фильтрующей загрузки осветление воды происходит до тех пор, пока интенсивность прилипания частиц превышает интенсивность их отрыва.

Рассмотрим закономерности протекания процесса в элементе зернистой загрузки толщиной х на расстоянии Х от поверхности слоя (рис. 5.1).

К верхнему сечению единицы площади фильтра подводится вода, содержащая примеси с концентрацией С₁, а через нижнее сечение уходит осветленная вода, содержащая С₂ примесей. Уменьшение концентрации частиц примесей воды за данное расстояние х может быть охарактеризовано уравнением

Х

I I

II II

Рис. 5.1. Модель фильтровальной колонки

Градиент концентрации выражен частной производной , так как концентрация частиц в каждом сечении зависит от двух переменных: Х - расстояния от поверхности слоя и  - продолжительности фильтрования. Знак минус указывает на уменьшение концентрации взвешенных частиц с увеличением расстояния от поверхности слоя.

Степень осветления воды – результат действия двух противоположных явлений - адгезии и суффозии. На участке х С = С₁ - С₂, где С₁ - уменьшение концентрации частиц в потоке за счет их прилипания к зернам загрузки; С₂ - увеличение концентрации частиц в потоке за счет их отрыва от зерен. Снижение концентрации частиц за счет адгезии пропорционально средней концентрации частиц в элементарном объеме и его толщине

С₁ = b  С_ср  х, (5.1)

где b - параметр фильтрования, определяющий интенсивность прилипания и зависящий от условий процесса; С_ср – средняя концентрация частиц в объеме выделенного слоя.

Рост концентрации частиц за счет отрыва ранее прилипших частиц пропорционален количеству накопившихся частиц к данному моменту времени и обратно пропорционален количеству воды, проходящей через слой в единицу времени:

(5.2)

где – скорость фильтровании,  – плотность насыщения загрузки осадком; а – параметр фильтрования.

Плотность насыщения определяется количеством осадка, накопившемуся к данному моменту времени в единице объема элементарного слоя загрузки. Величина "а" определяет интенсивность отрыва и зависит от условий процесса фильтрования.

Из приведенных уравнений следует результирующее уравнение

, (5.3)

характеризующее специфику фильтрования суспензий через зернистую загрузку. Так как в уравнении две переменные величины - концентрация и плотность насыщения, то для описания процесса необходимо использовать еще одно уравнение, например, уравнение материального баланса.

Через поперечное сечение элементарного объема с единичной площадью в единицу времени проходит объем воды, равный скорости фильтрования. Следовательно масса частиц Q,задержанных слоем, равна

. (5.4)

Извлеченные из воды твердые частицы образуют осадок на зернах слоя. Скорость накопления отложений в слое или масса частиц в нем за единицу времени равна

(5.5)

, (5.6)

Дифференциальное уравнение баланса веществ показывает, что масса частиц, извлеченная слоем х в единицу времени, равна массе частиц, накопившихся в этом слое за тот же промежуток времени. Дифференцируя уравнение по времени и учитывая уравнение баланса, получаем уравнение, описывающее кинетику осветления воды:

(5.7)

Аналогично получено уравнение для расчета плотности насыщения взвешенными веществами фильтрующей загрузки во времени по высоте:

(5.8)

Приведенные уравнения трудно использовать в практических расчетах. Для практики рекомендуют использовать критерии подобия для процесса осветления воды, обсуждаемые в специальной литературе.