2.1.6.3. Фильтры с зернистой загрузкой
В промышленных условиях для очистки воды от механических примесей чаще всего используют зернистые материалы. К фильтрующим материалам предъявляют следующие требования: они должны быть химически устойчивыми к обрабатываемой воде, механически прочными и не должны загрязнять воду. Важной характеристикой таких материалов являются также их дешевизна и доступность. Чаще всего используются такие фильтрующие материалы, как кварцевый песок, керамическая крошка, опилки, керамзит, коксовая мелочь, дробленый антрацит, металлургический шлак, гранодиорит, шунгизит и т.п.
Фильтры классифицируют следующим образом:
- по рабочему давлению – открытые (самотечные) и закрытые (напорные);
- по скорости фильтрования – медленные (0,1 – 0,3 м/ч), скорые (7 – 16 м/ч) и сверхскоростные (25 – 100 м/ч);
- по направлению движения потока – с восходящим и нисходящим потоком, двухпоточные (фильтры АКХ), с горизонтальным направлением фильтрования (радиальные фильтры);
- по крупности фильтрующего материала – мелкозернистые (до 0,4 мм), среднезернистые (0,4 – 0,8 мм) и крупнозернистые (свыше 0,8 мм);
- по числу фильтрующих слоев – одно-, двух- и многослойные.
Медленные фильтры всегда открытые, скорые могут быть открытые и напорные, сверхскоростные только напорные. Мелкозернистую загрузку используют в медленных фильтрах, среднезернистую в скорых и сверхскорых, грубозернистую для очистки воды в технических целях.
Медленные фильтры применяются для безреагентного осветления воды и представляют собой железобетонные или кирпичные резервуары прямоугольной или круглой в плане формы. Малая скорость фильтрования, значительная стоимость и большая занимаемая площадь привели к тому, что в отечественной практике водоочистки эти фильтры мало распространены.
Фильтр с зернистой загрузкой представляет собой бетонный или кирпичный резервуар, в нижней части которого имеется дренажное устройство для отвода воды. На дренаж укладывают слой поддерживающего материала, а затем фильтрующий материал. Вода под давлением проходит через слой фильтрующего материала, который необходимо периодически промывать от загрязнений. Регенерацию фильтров производят продувкой воздухом с последующей промывкой фильтра горячей водой (60 – 80оС). Промывочная вода обычно подается снизу вверх (метод обратной промывки фильтров).
Грязеемкостью фильтра называют количество загрязнений в кг, удаляемых с 1 м2 поверхности фильтрующего слоя в единицу времени. Грязеемкость фильтров с восходящим потоком больше, чем с нисходящим. В фильтрах с восходящим потоком наблюдаются заиливание дренажного устройства, коррозия труб и зарастание их карбонатами, поэтому чаще используются фильтры с нисходящим потоком.
При использовании медленных фильтров достигается высокая степень очистки сточных вод. К недостаткам медленных фильтров относятся: большие размеры, высокая стоимость и сложная очистка от осадка. Безнапорные фильтры обычно бывают с восходящим потоком жидкости.
Скоростные фильтры могут быть однослойными и многослойными. У однослойных фильтров фильтрующий слой состоит из одного и того же материала, у многослойных – из различных материалов, например, из слоя антрацита и песка. Многослойные фильтры также загружают однородным материалом с разной крупностью частиц. Многослойные фильтры работают более эффективно, чем однослойные. К недостаткам фильтров относятся значительная материалоемкость и сложность системы промывки. Сточные воды фильтруют через напорные фильтры сверху вниз. Продолжительность фильтрования в зависимости от состава сточных вод составляет 12 – 48 ч. При достижении потери напора 3 – 3,5 м скорые безнапорные фильтры останавливают на промывку. Промывку осуществляют либо только водой, подаваемой снизу вверх с определенной интенсивностью, либо одновременно промывают водой и продувают воздухом.
Схема двухслойного фильтра показана на рис. 2.28.
Рис. 28. Схема двухслойного фильтра
1 – подача сточной воды; 2 – карман; 3 – желоб; 4 – слой антрацита; 5 – слой песка;
6 – гравий; 7 - дренаж; 8 – отвод фильтрата; 9 – подача промывной воды;
10 – отвод промывной воды
Напорные вертикальные фильтры с зернистой загрузкой (рис. 2.29) применяются для механической очистки нефтесодержащих сточных вод после их гравитационного отстаивания. Фильтр представляет собой стальной вертикальный резервуар обычно заводского изготовления. Резервуар рассчитывается на давление 0,6 МПа. Загружается фильтр, как правило, кварцевым песком слоем 1 м. Скорость фильтрации в нем составляет 5 – 12 м/ч. Начальное содержание нефтепродуктов 4 - 80 мг/л, механических примесей – 30 – 60 мг/л. Остаточное содержание в воде нефтепродуктов допускается 7 – 20 мг/л, механических примесей – 10 – 20 мг/л.
Рис. 29. Напорный вертикальный фильтр с зернистой загрузкой:
1 - подача воды на очистку; 2 - фильтрующий слой из зернистой загрузки:
3 - верхнее распределительное устройство; 4 - контрольный эллиптический лаз:
5 - круглый лаз; 6 - подвод промывной воды; 7 - отвод первого фильтрата;
8 - отвод очищенной воды; 9 - отвод промывной воды; 10 - подвод сжатого воздуха;
11 - штуцер для гидравлической выгрузки и загрузки фильтра
Каркасно-засыпные фильтры (КЗФ) являются разновидностью фильтров, в которых используется принцип фильтрования в направлении убывающей крупности зерен (рис. 2.30). Перед этими фильтрами не требуется установка барабанных сеток. Фильтры КЗФ рекомендуется применять для глубокой очистки биологически очищенных сточных вод, а также в установках денитрификации нейтрализованного общего стока промышленных предприятий.
Рис. 2.30. Каркасно-засыпной фильтр (КЗФ):
1 - поддерживающий гравийный слой; 2 - распределительное перфорированное днище;
3 - коллектор для подачи исходной и отвода промывной воды;
4 - подача сжатого воздуха при промывке; 5 - гравий;
6 - песчаная загрузка; 7 - подача промывной воды;
8 - трубопровод отвода очищенной воды (фильтрата)
Загрузка КЗФ состоит из каркаса, в качестве которого используется гравий с крупностью зерен 40 - 60 мм, и засыпки, состоящей из песка с крупностью зерен 0,8 - 1,0 мм. Общая высота гравийной загрузки (каркаса) составляет 1,8 м. Для каркаса КЗФ кроме гравия может быть применен также щебень, а для заполнителя, кроме песка, можно применять гранулированный доменный шлак, керамзит, мраморную крошку, антрацит.
Фильтры с плавающей загрузкой (ФПЗ) из вспененного полистирола применяют как для глубокой очистки механически очищенных производственных сточных вод, так и для биологически очищенных сточных вод - городских или их смеси с производственными. Эффективность глубокой очистки на фильтрах с плавающей загрузкой по взвешенным веществам и БПК равнозначна эффективности глубокой очистки на фильтрах с двухслойной зернистой загрузкой.
Схема устройства фильтров типа ФПЗ приведена на рис. 2.31. Исходная сточная вода поступает в пространство над фильтрующей загрузкой, фильтруется через плавающую загрузку сверху вниз в направлении убывающей крупности гранул вспененного полистирола. Фильтрат собирается нижней (ФПЗ-3) и средней (ФПЗ-4) дренажными трубами и выводится из фильтра. При ухудшении качества фильтрата загрузка фильтра промывается. Плавающая загрузка регенерируется в нисходящем потоке осветленной воды. Температура очищенной воды не должна превышать 50°С (во избежание размягчения полимера).
Преимущества применения ФПЗ: экономичность установки, простота конструкции и эксплуатации, долговечность фильтрующей загрузки, надежность очистки, отсутствие промывных насосов и емкостей промывной воды, способность загрузки к самостоятельной гидравлической сортировке в процессе промывки по убывающей крупности гранул.
Рис. 2.31. Фильтры с плавающей загрузкой конструкции ФПЗ:
а - ФПЗ-3; б - ФПЗ-4; 1 - корпус; 2 - плавающая загрузка; 3 - подача исходной воды;
4 - карман фильтра; 5 - удерживающая решетка; 6 - нижняя дренажная система;
7 - отвод фильтрата; 8 - отвод промывной воды; 9 - средняя дренажная труба.
Фильтры с пенополиуретановой загрузкой. Метод фильтрования сточной воды через пенополиуретан заключается в том, что процесс ведется через предварительно сжатую загрузку из этого материала, а ее регенерация производится при двукратном расширении загрузки.