5.1. Кинетика осветления воды фильтрованием

Кинетика прилипания и отрыва частиц к зернам загрузки определяет ход процесса осветления воды по толщине (высоте) фильтрующего слоя и во времени, что иллюстрируют графики на рис. 5.2. Каждая кривая относится к определенному моменту времени, причем кривая 1 характеризует начальный период процесса, когда действуют только силы адгезии.

Кривая 4 соответствует предельному насыщению загрузки осадком через промежуток времени ₄, а кривые 2 и 3 характеризуют промежуточные периоды. Величина х_н характеризует высоту слоя, находящегося в состоянии предельного насыщения к моменту времени ₄ работы фильтра. По мере насыщения верхних слоев загрузки растет роль нижних слоев для очистки. Высота загрузки, необходимая для достижения заданной степени очистки воды, увеличивается вплоть до того момента, когда при фиксированном слое загрузки в очищенной воде начинает возрастать концентрация взвешенных веществ. Продолжительность периода, в течение которого загрузка способна осветлять воду до требуемого содержания взвешенных веществ, называется временем защитного действия загрузки _з (рис. 5.3). В течение этого промежутка времени качество фильтрата удовлетворяет требованиям, а затем резко ухудшается.

Рис. 5.2. Кинетика осветления воды фильтрованием через зернистый слой

Для определения времени защитного действия фильтрующей загрузки _з используют выражение

, (5.9)

где – константы, величины которых зависят только от требуемого эффекта осветления C/C₀ и принимаются по диаграммам Д.М. Минца; – скорость фильтрования; Х – высота (толщина) слоя; – диаметр зерна загрузки.

Из выражения следует, что время защитного действия возрастает с увеличением высоты слоя и уменьшается с ростом скорости фильтрования и размера зерна загрузки. В неоднородных по размерам зерна загрузках используется величина эквивалентного диаметра зерна.

Осадок, образующийся в загрузке, изменяет поперечное сечение и форму поровых каналов, чем оказывает существенное влияние на гидравлическое сопротивление слоя. Гидравлическое сопротивление слоя возрастает, растут потери напора. Потери напора на единицу высоты (длины) слоя называют гидравлическим уклоном и определяют по формуле

(5.10)

где S – суммарная поверхность стенок поровых каналов в единице объема слоя; n – пористость слоя.

Рис. 5.3. Изменение качества фильтрата от продолжительности процесса

По мере заиления загрузки ее пористость уменьшается, а на поверхность поровых каналов, омываемых потоком, оказывают противоположное влияние две тенденции: зерна слоя постепенно обрастают адсорбированными частицами взвеси и укрупняются в объеме (увеличение поверхности), но отложения взвесей на зернах разрастаются, соединяются между собой. Это приводит к появлению "мертвых зон", в которых не происходит движение осветляемой воды и поверхность, омываемая водой, уменьшается. В среднем отношение можно принять равным единице, тогда

(5.11)

где индекс "0" относится к начальному периоду.

В зависимости от условий процесса фильтрования, свойства примесей, скорости фильтрования, крупности зерна прирост потери напора за определенный промежуток времени будет различен.