25. Осветление воды фильтрованием, типы фильтров. Медленные и скорые фильтры: применение, типы, устройство. Распредсистемы скорых фильтров.

Фильтрующие материалы

1. кварцевый песок,

2. дробленые материалы (дробленый керамзит, дробленый антрацит, дробленая гранитная крошка),

3. гранулированные шлаки(отходы металлургических производств).

Основные требования к фильтрующим материалам в снипе табл. 21. Фильтрующий материал подбирают по размеру зерен, также по универсальной характеристике - эквивалентный диаметр: , где P_i – процентное содержание фракций со средним диаметром фракций d_i(определяют просеиванием через сита с разными отверстиями). Также сверяем с нормативами по снипу. Если большие отклонения то просто м. отсеять загрузку.

Требования к загрузкам скорых фильтров:

4. Зерна загрузок д.б. устойчивы к истиранию и измельчению. В процессе работы фильтра зерна трутся др о др и зерна д.б. устойчивы к этому. Есть спец гост на фильтрующие материалы.

5. Химическая устойчивость к реагентам для обработки воды. Зерна не д. вступать в реакцию с реагентами. По тому же госту можно посмотреть.

6. Требование к форме зерен. Зерна д.б. близки к округлой форме. Но бывает, когда зерна плоские и пластинчатые, это хреново, т.к. пористость падает, содержание зерен пластинчатой формы д.б. не более 5%. Пластинчатая форма зерен приводит также к потерям фильтрующего материала при промывке фильтра. Но накатанная форма зерен не идеальна с т.з. грязеемкости. Т.к. поверхность зерен гладкая, грязь смывается с их поверхности. Поэтому применяют зерна с рваной поверхностью, это зерна дробленых материалов (6).

От фильтрующего материала зависит работа всего фильтра.

Сущность процесса, классификация фильтров по принципу действия

Фильтрование обязательно во всех схемах для водоподготовки питьевого качества.

Ф ильтры по виду фильтрующей среды:

1. тканевые или сетчатые

2. каркасные или намывные (диатомовые)

3. зернистые (песчаные, керам­зитовые и др.).

Классификация фильтров с зернистой загрузкой:

По скорости движения воды:

1. Медленные (английские) – скорость фильтрации не более 0,5 м/ч. Придуманы в Англии.

2. Скорые (американские) – скорость до 5-6м/ч. Т.к. развивалась промышленность, надо было повышать скорость.

3. Сверхскорые: до 15-20 м/ч. Появились в 20-30гг. в России.

4. Сверхсуперпуперскорые: до 150м/ч.

Для производства хоз-пит воды используют скорые.

По кол-ву слоев фильтрующего материала:

1. Однослойные.Самые распространенные.

2. Двухслойные.2 слоя разных материалов.

3. Многослойные: 3 и более слоев.

По направлению движения воды при фильтрации:

1. С восходящим потоком воды.

2. С низходящим потоком воды.

По давлению, под которым работают фильтры:

1. Безнапорные (открытые).

2. Напорные. Работают под давлением больше атмосферного.

По крупности зерен фильтрующего материала:

1. Мелкозернистые. Крупность зерен до 0,5мм.

2. Среднезернистые: 0,5-1,5мм. Самые распространенные.

3. Крупнозернисты. Крупность – более 1,5мм.

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. В большинстве случаев филь­трование является завершающим этапом обработки воды и про­изводится после ее предварительного осветления в отстойни­ках, флотаторах или осветлителях.

Три вида фильтрования:

1) задержание примесей на поверхности фильт­рующего слоя (пленочное фильтрование)

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 глубина проникновения загрязнений в толщу загрузки тем больше, чем больше скорость фильтрования, крупнее зерна фильтрующего слоя и чем меньше размеры частиц взвеси, извлекаемых из воды. 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.

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 Х₀ только под действием сил прилипания.

После продол­жительной работы фильтра насыщение слоев осадком ста­новится предельным и они перестают осветлять воду. 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.

Конструкция скорого фильтра:

7 — распределительная система 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;

Основные элементы фильтров:

1. Корпус (фильтры большой площади имеют корпус из монолитного или сборного ж/б, фильтры небольшой площади из металла, напорные и открытые могут быть из стеклопластика или других полимерных материалов)

2. Распределительная система (дренаж) – для сбора осветлённой воды и подачи промывной воды. Виды:

   1. из met или пластмассовых труб с отверстиями d 8-14 мм;

   2. трубчатый (укладываются в поддерживающие гравийные слои);

   3. трубчатый из щелевых труб(щели выполняются электродренажным способом, ширина < min размера крупности загрузки);

   4. из пористых полимербетонных плит;

   5. колпачковый (на трубчатый дренаж устанавливаются колпачки с отверстиями < min размера загрузки)

3. Трубопроводная обвязка. Трубопроводы фильтров:

   1. подающий исх.воду в фильтр;

   2. отводящий фильтров.воду;

   3. отводящий первый фильтрат (первая порция воды после фильтра);

   4. подающий промывную воду на фильтр;

   5. отводящий загрязн.промывную воду.

4. Зернистый загрузочный материал: рабочий(песок и тд) и поддерживающий(щебень, щебень и тд.)

2 фактора, влияющие на успешную работу фильтров: 1. качество фильтрующего материала; 2. качество промывки фильтрующего материала.

Медленные фильтры

В медленных фильтрах осветления воды достигают за счет пленочного фильтрования. Мелкозернистая фильтрующая за­грузка, имеющая мелкие поры, вначале задерживает на своей поверхности наиболее крупные частицы. Последние, заклинива­ясь в порах, сужают их сечение, благодаря чему начинает за­держиваться более мелкая взвесь. Так на поверх­ности фильтра образуется фильтрующая пленка с очень тон­кими порами. После этого качество фильтрата становится весь­ма высоким. Задержанные пленкой бактерии и органические вещества обусловливают возникновение в ней биологических процессов, включая развитие низших организмов, поглощаю­щих бактерии. Зерна песка обрастают студенистой массой, яв­ляющейся хорошим сорбентом. В результате биологических процессов большинство (до 99%) бактерий, находящихся в воде, задерживается пленкой и погибает. Созревшую фильтру­ющую пленку медленных фильтров называют биологической. С течением времени биологические процессы начинают захва­тывать и более глубокие слои (30 ... 40 см). Здесь через 2 ... 6 сут зерна песка также обволакиваются слизью, которая хо­рошо сорбирует коллоиды и бактерии. Для созревания биологической пленки и медленного фильт­ра в целом необходимо от 2 сут и более.

При медленном фильтровании взвеси в основном (до 90... ...95%) задерживаются на пленке и в самом верхнем слое фильтра толщиной около 2... 3 см. Вглубь песка вследствие небольшой скорости фильтрования и малого размера пор взвесь переносится в небольшом количестве, поэтому накопление их в толще фильтрующего слоя идет очень медленно. В связи с этим при очистке медленных фильтров очищают только верхний слой песка. Часто этот слой просто удаляют, после чего фильтр снова может фильтровать воду. При небольшой мутности воды чистка фильтра необходима через 1 ... 2 месяца.

Рис. 12 23 Медленный фильтр конструкции В. С. Оводова.

2 — нижний карман; 10 — пористая бетонная плита (дре­наж); 3 — песчаный фильтрующий слой; 9 — верхний карман; 7 — трубопровод фильтрованной воды; 6 — механизм приво­да рыхлителя; 5 —трубопровод, подающий промывную воду к рыхлителю; 8 — трубопровод, подающий в корпус фильтра осветляемую воду; 11, 12 — уровни воды при промывке и фильтровании; 4 — каретка рыхлителя, движущаяся по моно­рельсу; 13 — трубопровод, подающий промывную воду; 1 — канализационная труба для отвода промывной воды

На дне фильтра устраивают дренаж, на который укладывают поддерживающий слой из гравия с уменьшающейся крупностью зе­рен, и поверх него насыпают фильтрующий слой из кварцевого песка.

Для получения хорошего качества фильтрата на протяжении всего периода работы фильтра необходимо поддерживать постоянную скорость фильтрования. Высоту слоя воды над пес­ком принимают равной 1,5 м.

Дренаж медленного фильтра чаще выполняют из дырчатых бетонных плит, опертых на бетонные столбики, или в виде кры­тых дрен, выложенных из хорошо обожженного кирпича. Поддерживающие слои из гравия или щебня и крупного пес­ка с уменьшающейся крупностью зерен укладывают на дренаж так, чтобы через верхний слой не выносило песок фильтрую­щего слоя.

Фильтрующий слой насыпают из чистого промытого кварце­вого песка с размером зерен 0,3 ... 1 мм. При механизирован­ной поверхностной промывке фильтра толщину фильтрующего слоя принимают 0,8 м. При ручной очистке фильтра ее увели­чивают до 1,2 м. При ручной очистке верхний загрязненный слой песка толщиной около 2 ... 3 см вместе с фильтрующей пленкой снимают лопа­тами и направляют для перемывки, а фильтр снова пускают в работу.

В последнее время разработаны более совершенные спосо­бы очистки медленных фильтров путем промывки верхней час­ти фильтрующего слоя поверхностным током воды с одновре­менным рыхлением песка струями воды или механическими рыхлителями. Гидравлическая регенерация. Делают верхний дренаж, который размывает биопленку, или переносными устройствами со шлангов смывают верхний слой загрузки.

Фильтроцикл медленного фильтра при очистке со снятием верхнего слоя песка складывается из: фильтрования (около 30... 50 сут), очистки (1... 2 сут), созревания (со сбросом пер­вого фильтрата 1 ... 2 сут); всего 32 ...54 сут.

Недостатками медленных фильтров являются их значитель­ная строительная стоимость и большая занимаемая ими пло­щадь (при производительности 2000 м3/сут для фильтров не­обходима площадь 1 га), что главным образом и послужило причиной для отказа от применения их на крупных водоочист­ных комплексах. Простота эксплуатации (ввиду отсутствия со­оружений для коагулирования взвеси) обусловливает целесо­образность их использования при известных условиях на ма­лых установках.

Устройство нижней и верхней распределительных систем зернистых фильтров.

1. Самые простые – трубчатые дренажи. У них недостаток – должны укладываться в поддерживающие слои, эти слои м. смеситься при промывке. Трубы: чугунные, пластмассовые, стальные, укладываемые параллельно на рас­стоянии 0,25...0,35 м друг от друга в нижних слоях гравия и присоединяемые к коллектору (трубе большего диаметра или каналу), расположенному в середине днища фильтра парал­лельно его длинной стороне. От низа ответвле­ний до дна фильтра должно быть 8 ... 12 см. Отверстия диаметром 10-12мм. Отверстия в тру­бах располагают вертикально или в шахматном порядке на расстоянии 15 ... 20 см в нижней части под углом 45^о к верти­кали. Общая площадь отверстий должна составлять 0,25 ... 0,5% площади фильтра.

2. Щелевой дренаж. Применяют трубы из нержавейки или полиэтилена, где есть щели длиной 5-15мм, шириной не более чем на 0,1 меньше диметра наименьшего зерна загрузки. Это довольно дорогой дренаж. Щели располагают равномерно поперек оси и по периметру трубы не менее чем в два ряда на расстоянии не менее 20 мм друг от друга. Общая площадь щелей — 1,5... 2% площади фильтра.

3. Колпачковый дренаж: вместо труб из нержавейки, изготавливают колпачки (керамические или пластмассовые) и устанавливаются в отверстия на трубчатом дренаже. Также не нужны поддерживающие слои для работы. У нас в стране не изготавливали колпачки, поэтому не сильно такой дренаж распространен.

Рис. Распределительная (дренаж­ная) система с колпачками В-1.

а — колпачковый дренаж; б — колпа­чок В-1; 1 — длиннохвостный щелевой кол­пачок; 2 — воздухораспределитель; 3 — «ложное дно» в виде железобетонной плиты; 6,7 — воздух и вода; 4 — фильтрующая за­грузка; 5 —«водяная подушка»; 8 — ще­ли; 9 — щель для входа воздуха

Применение колпачковых дренажей в условиях водовоздуш­ной промывки позволяет уменьшить расход промывной воды, снизить строительную стоимость сооружений за счет уменьше­ния диаметров трубопроводов и снижения объема резервуаров для хранения промывной воды. Эффект отмывки загрязнений из зернистой загрузки фильтра при водовоздушной промывке намного выше, чем при водяной, поэтому некоторое увеличение высоты фильтра с колпачковым дренажем и поддонным прост­ранством по сравнению с фильтрами, не имеющими горизон­тальной компенсации, полностью оправдывается большей эф­фективностью эксплуатации.

4.Дренаж из пористых полимербетонных плит: простая конструкция(8). Устраивают двойное дно из пористых плит, размер пор которых меньше загрузочного материала. Керамические плиты выпускают размерами 40X40X5 или 25X50X5 см. Размеры пор в плитах в два с лишним раза боль­ше размеров пустот в фильтрующем слое при среднем диаметре зе­рен песка 0,75 мм. По­этому загрязнения, про­шедшие через фильт­рующий слой, проходят и через пористый дре­наж, практически не загрязняя его. Плиты изготовляют и из пористого бетона сборными и реже в моно­лите. Замену плит производят че­рез 7...8 лет.

Если в воде есть примеси, которые м. образовывать пленку на поверхности загрузки фильтра, то устраивают еще одну распределительную систему (верхний дренаж). Его ставят прямо над поверхностью загрузки, его включают вначале, чтоб разрушить пленку на поверхности.

К распределительным (дренажным) системам скорых фильтров предъявляются следующие основные требования:

5. равно­мерность распределения промывной воды по площади фильтра;

6. равномерность сбора фильтрованной воды с площади фильтра;

7. достаточная механическая прочность, выдерживающая массу воды и загрузки, а также давление воды при промывке филь­тра;

8. незасоряемость отверстий и щелей во время рабочего цик­ла и при промывке.

Диаметры трубопроводов распределительной системы под­бирают по максимальной скорости движения воды в них 1,5... ... 2 м/с, а диаметр дренажных труб, располагаемых в филь­трующей загрузке фильтров— по скорости движе­ния воды не более 1 м/с.