1) Виды и свойства фильтровальных материалов:

Все многообразие фильтровальных материалов можно разделить на две большие группы:

- природные

и

- искусственные.

А) К природным можно отнести различные пески (кварцевые, речные, карьерные), гранодиарит, антроцит, мраморная крошка, горелые породы, вулканические шлаки, алюмасиликатные сланцы.

Б) К искусственным фильтрующим материалам относятся: керамзит, шлаки топливные и металлургические, синтетические гранулированные материалы (с плотностью > 1 и плавающие), активированный алюмосиликатный абсорбент (ААА), активированные угли (древесные и каменноугольные, угольный сорбент).

Основные свойства:

1) Структурные показатели – уд. поверхность, межзерновая пористость;

2) Плотность, г/см³;

3) Гранулометрический состав:

а – эквивалентный диаметр

,

где P_i – весовое содержание фракций со средним диаметром зерен d_i в %.

(см. стр. 128, табл. 34, где d_э и К и табл. 35, стр. 129).

б – коэффициент неоднородности

,

где d₁₀ – эффективная величина песка, калибр сита, через которое проходит через 10% данного песка.

4) Механическая прочность.

5) Технологическая эффективность – грязеемкость фильтрующей загрузки, кг/м³.

6) Электрокинетические свойства (𝜉 – потенциал поверхности зерен при движении водной среды относительно зерен или наоборот).

Природный зернистый фильтрующий материал

С момента появления скорых фильтров в 70-е годы XIX столетия очистка воды осуществлялась фильтрованием через песок: речной, карьерный или кварцевый. Песок – это смесь мелких частиц горных пород и минералов, образовавшихся в результате разрушения изверженных металлургических пород в соответствии с теорией Вернадского. Пески для загрузки фильтров имеют не одинаковые свойства и могут по-разному влиять на эффективность водоочистки.

Технологические характеристики песков включают такие параметры, как гранулометрический состав и межзерновая пористость.

В практике водоочистки используются пески крупность 0,5-2 мм.

Пористость межзерновая песчаной загрузки 37-43%.

Для получения фильтрующей загрузки из песка, требуемого гранулометрического состава, используют в основном механический способ фракционирования путем просеивания через комбинированные сита или классификации в гидроциклонах.

Объём использования песков в фильтровальных сооружениях сокращается. Это объясняется, во-первых, истощением ранее разведанных запасов качественного песка; во-вторых, большими в настоящее время расходами на его транспортировку; в-третьих, песок имеет более низкие технологические характеристики по грязеемкости в сравнении с другими фильтрующими материалами.

Фильтрующие материалы из дробленных горных пород

Применение фильтрующих материалов из дробленных горных пород стало необходимостью в связи с совершенствованием представлений о физико-химической сущности процесса очистки воды фильтрованием. Одним из первых дробленых природных материалов, примененных для очистки воды, был дробленый антрацит, который начал использоваться в начале прошлого столетия.

Наиболее крупные запасы его сосредоточены в Кузбассе (ранее его много было в Донбассе).

Пригодным для загрузки фильтров является антрацит, имеющий достаточную механическую прочность и при дроблении образующий зерна, близкие к форме куба.

В виду того, что плотность антрацита много меньше плотности песка, он нашел применение в 2-хслойных фильтрах.

Нижний слой таких фильтров толщиной 600-700 мм состоит из песка с размером зерен 0,5-1,2 мм.

Верхний слой состоит из антрацита крупностью зерен 0,8-1,8 мм и толщиной слоя 400-500 мм.

Для очистки питьевых вод применяется также гранодиорит – это магматическая горная порода (залежи на Урале и Дальнем Востоке).

Гранодиорит – отход щебечного производства, получаемый просеиванием отходов щебечного производства на специальных виброгрохотах.

Помимо гранодиорита из высокопористых горных пород определенный интерес представляют вулканические шлаки, которые обладают высокой прочностью, достаточной химической стойкостью и высокой межзерновой пористостью. Использование вулканических шлаков вместо песка позволяет увеличить производительность фильтровальных сооружений в 2-2,5 раза. При том скорость фильтрования возрастает в 1,8-2 раза, а темп прироста потери напора в фильтрующей загрузке уменьшается в 2-2,5 раза.

В качестве материалов используется также железная руда – магнетит (Fe₃O₄) для обезжелезования и деманганации подземных вод. Залежи магнетита разрабатываются в Карелии (Костамукшский ГОК), имеются еще на Урале, в Сибири, на Дальнем Востоке.

Одно из ведущих мест среди новых фильтрующих материалов занимают горелые породы, которыми называют полностью перегоревшие пустые породы, получаемые при добыче каменного угля и содержащие минеральную глинисто-песчаную часть, обожженную в той или иной степени(в зависимости от доступа кислорода при горении).

Запасы их в Кузбассе примерно около 800 млн. м³. Для подготовки фильтрующей загрузки из горелых пород их дробят, сортируют, просеивая на виброгрохотах.

Искусственные фильтрующие материалы

1. Из дробленого и недробленого керамзита.

Фильтрующий материал из керамзитового гравия получается путём дробления его последующим рассевом через колиброванные сита. Сырьем для производства керамзита являются глины, способные к вспучиванию или термообработке.

Дробленый керамзит легче песка и может использоваться в качестве верхнего фильтрующего слоя в 2-хслойных керамзитопесчаных фильтрах.

Перспективным для водоочистки может быть использование в качестве фильтрующих материалов гранулированных полимеров, таких как капрон, органическое стекло, полиэтилен, фторопласт и др. Существенным преимуществом гранулированных полимеров является (почти идеальная) однородность грансостава, что важно при исполнении многослойных загрузок скорых фильтров, работающих по принципу контактного осветления воды.

Кондиционирование и фракционирование материалов осуществляется гидравлическим механическим или пневматическим способами. Выбор способа кондиционирования определяется качеством исходного материала, а также требуемой точностью разделения зерен по крупности. Наибольшую точность кондиционирования обеспечивают механический и гидравлический способы.

Однако, в случае использования (для кондиционирования) пылеватых и влажных исходных материалов наиболее предпочтителен гидравлический способ.

Основные свойства фильтрующих материалов

Таблица

№ п/п	Наименование материала	Диаметр зерен, d, мм	Плотность, δ, г/см3	Насыпная масса, г/см3	Пористость межзерновая, %		к-т формы зерен, α
					mmin	mmax
1	Кварцевый песок	0,5-2	2,4-2,6	1,6-1,7	29	34	1,17
2	Антрацит	0,8-1,8	1,72	0,88	37	41	1,55
3	Керамзит не дробленый	0,5-3	1,7-1,8	0,7-0,8	42	47	1,29
4	Керамзит дробленый	0,5-2	1,73	0,4	54	60	2,34
5	Шунгит дробленый	0,5-2	1,78	0,6	52	67	1,95
6	Горелые породы	0,5-2	2,4-2,46	1,5-1,6	47	52	2,1
7	Вулканические шлаки дробленые	0,5-2	2,5	1,33	39	54	1,98
8	Доменные шлаки	0,5-2	2,6	1,2-1,5	42	44	1,2
9	Стеклянная крошка	0,5-2	2,35	1,3	35	48	-
10	Керамическая крошка	0,5-2	2,17	1,4	35	42	-
11	Гранодиорит	0,5-1,5	2,69	1,35	46	54	1,4-1,8

Контактные осветлители тип КО-1 с боковым карманом

1 – трубопровод подачи воды на очистку;

2 – трубчатая распределительная система;

3 – водосборные желоба;

4 – боковой карман;

5 – трубопровод для отведения очищенной воды;

6 – трубопровод для подачи воды на промывку;

7 – трубопровод для отведения грязной промывочной воды;

8 – фильтрующая загрузка.

Контактный осветлитель с боковым карманом впервые в мире был построен на ГВС (главной водопроводной станции) в г. Ленинграде в 1960 году. Его площадь (F) была равна 10 м² и он предназначался для проведения опытно-промышленных испытаний контактного метода осветления воды.

КО-1 – это железобетонный резервуар (реже металлический), заполненный фильтрующей загрузкой с поддерживающими гравийными слоями или безгравийный с трубчатой распределительной системой (2) и желобами (3) для сбора и отведения очищенной воды и грязной промывочной воды.

Толщина слоя фильтрующей загрузки (8) составляет 2 м. Крупность зерен фильтрующего материала (8):

d_min = 0,5 мм; d_max = 2 мм.

Схема контактного осветлителя КО-1 с центральным каналом (F > 40 м²)

1 – корпус контактного осветлителя;

2 – фильтрующая загрузка;

3 – водосборные желоба;

4 – трубчатые, боковые, перфорированные осветления;

5 – напорное отделение центрального канала;

6 – безнапорное отделение центрального канала;

7 – трубопровод, подающий воду в напорное отделение центрального канала;

8 – трубопровод, подающий воду на очистку в напорное отделение центрального канала;

9 – трубопровод, отводящий очищенную воду из безнапорного отделения центрального канала;

10 – трубопровод, отводящий грязную промывную воду из безнапорного отделения центрального канала.

Воду, подлежащую очистке, предварительно смешанную с коагулянтом, подают в трубчатую распределительную систему, из которой он поступает в фильтрующую загрузку и движется в направлении снизу вверх. Осветленная вода поступает сначала в водосборный желоб, затем в центральный канал (6) и далее по трубопроводам (9) отводится в РЧВ. Расчетная скорость фильтрования равна 4-5 м/ч. Промывка КО-1 осуществляется током воды через распределительную трубчатую систему. Интенсивность подачи промывной воды 14-16 л/с на м². Продолжительность промывки 7-8 минут.

Контактные осветлители имеют существенный недостаток.

В процессе эксплуатации в связи с частичным засорением отверстий дренажной системы происходит образование не промываемых участков по площади контактного осветлителя. (Проектирование защиты закрытого дренажа от механического заключения в минеральных грунтах. Рекомендации. Сост. заслуж. деятелем науки и техники РСФСР, д. т. н., проф. А. Н. Патрашевым, Л., 1973. – 75с.)

Причем суммарная площадь их необратимо растет. При этом уменьшается фактическая площадь фильтрования, меняется восходящая скорость фильтрования, начинаются локальные выбросы (в виде облачка) загрязнений, состоящих в основном из Al(OH)₃, попадающих в конечном итоге в РЧВ, а затем к потребителям. Образование не промываемых мест по площади фильтровального сооружения приводит к смещению гравийных слоев и обнажению боковых ответвлений распределительной системы. Через эти отверстия происходит унос фильтрующего материала за пределы фильтровального сооружения в РЧВ. Это обстоятельство вызвало необходимость совершенствования распределительной трубчатой системы. Для этого попытались исключить из сооружения гравийные поддерживающие слои, роль которых состоит в защите распределительной системы от забивания фильтрующим материалом.

Отличие безгравийной распределительной системы от гравийной состоит в том, что к дырчатым боковым ответвлениям привариваются боковые шторки, между которыми привариваются поперечные перегородки на расстоянии друг от друга, равного двойному шагу между отверстиями в ответвлениях труб.

Таким образом (то есть), в контактных ответвлениях может иметь место 2 типа трубчатых распределительных систем:

1) Трубчатая РС с гравийными поддерживающими слоями;

2) Трубчатая РС без гравийных слоев.

РС с гравийными поддерживающими слоями в контактных осветлителях аналогична РС скорых фильтров и рассчитывается в том же порядке, что и для скорых фильтров. Основные элементы РС без гравийных поддерживающих слоев представлены на рисунке ниже:

Где:

1 – коллектор;

2 – лучи (ответвления от коллектора);

3 – шторки;

4 – перегородки;

5 – отверстия в лучах;

а) расстояние между лучами; б) расстояние между отверстиями.

Другой способ устранения потенциальной возможности смещения гравийных слоев – применение водовоздушной промывки без псевдосжижения (расширения) фильтрующей загрузки. Это знание нашло воплощение в другой конструкции контактного осветлителя, названного КО-3.

Схема КО-3

1 – трубчатая распределительная система для подачи воды;

2 – фильтрующая загрузка (h_з = 3 м);

3 – надзагрузочное пространство (h_н.п.= 0,5 м);

4 – пескоулавливающий желоб;

5 – карман КО-3;

6 – трубопровод для отведения очищенной воды;

7 – трубопровод для подведения воздуха;

8 – трубчатая распределительная система для воздуха;

9 – трубопровод для подведения воды на очистку;

10 – трубопровод для подведения воды на промывку;

11 – трубопровод для отведения грязной промывочной воды;

12 – струенаправляющий выступ.

В КО-03 предусмотрены две трубчатых распределительных системы: одна из них для подачи воды (1), другая – для подачи воздуха (8). Во время рабочего цикла обрабатываемая реагентами вода подается по распределительной системе 1 в фильтрующую загрузку 2. Очищаемая вода поступает в надзагрузочное пространство 3 и горизонтальным потоком через пескоулавливающий желоб 4 поступает в карман 5 и далее по трубопроводу 6 отводится в сборный коллектор очищенной воды.

При промывке КО-03 задвижки на трубопроводах 6 и 9 закрываются, а на трубопроводе 11 задвижка открывается, открывается задвижка на трубопроводе 7 и загрузка продувается воздухом через распределительную систему 8 с интенсивностью 18-20 л/с м² в течение 1-15 минут. Затем открывается задвижка на трубопроводе 10 и в дополнение к воздуху подается вода с интенсивностью 2-4 см² в течение 6-7 минут. Происходит совместная водовоздушная промывка, при которой из загрузки удаляется основная масса загрязнений, затем закрывается подача воздуха и проводится промывка только водой с интенсивностью 6-7 л/с м² в течение 5-6 мин. Этот этап промывки необходим для разрыхления разгрузки и удаления остатков воздуха. После дополнительной водяной промывки закрывается задвижка на трубопроводе 10 и затем открывается задвижка на трубопроводе 9.

Производится сброс в канализацию первого фильтрата в течение 5 минут, после чего контактный осветлитель включается в работу.

Удаление загрязнений при промывке КО-3 осуществляется с помощью горизонтального отвода промывной воды. При этом грязная промывная вода поступает в подзагрузочное пространство 3, а затем в карман 5 и далее по трубопроводу отводится в канализацию.

Порядок расчета КО такой же, как и скорых однопоточных фильтров, но при расчете общей площади фильтрования расчетная формула отличается от аналогичной формулы скорых фильтров:

Формулы для определения площади (F_р) КО-1 и КО-3:

КО-1

;

КО-3

;

Q_общ=1,05Q_полез : КО-3

T – время работы (ВОС) водоочистной станции в течение суток;

ϑ_ср – скорость расчетная 4-5 м/ч;

q – интенсивность промывки, принимается 14-16 л/с м²

t₁ – продолжительность промывки 7-8 мин (0,117-0,133 ч);

n – количество промывок в сутки, n = 3;

t₂ – время простоя КО в связи с промывкой :

для водяной промывки 0,33 ч,

для водовоздушной промывки – 0,5 ч.

t₃ – продолжительность сброса первого фильтрата в канализацию 0,08 (3) часа;

q₁ – интенсивность подачи воздуха для продувки, 8-9 л/с м²;

q₂ – интенсивность подачи воды для продувки, 6-7 л/с м²;

t_о1 – время продувки воздухом, 1-1,5 мин;

t_о2 – время продувки водой, 5-7 мин.

Преимущества КО перед скорыми фильтрами и недостатки:

Плюсы:

1) большая грязеемкость фильтрующей загрузки, т. е.большее время защитного действия – t₃;

2) меньший темп прироста напора;

3) потребляется меньшая доза коагулянта (на 20-25%);

4) более полно происходит процесс гидролиза коагулянта, т. е. в обработанной воде остается меньше алюминия в растворенной форме.

Минусы:

1) смещение гравийных слоев при промывках и, как следствие, закление распределительной системы и образование не промываемых участков по площади фильтровального сооружения;

2) ограничена скорость фильтрования;

3) возможность залповых выбросов загрязнений, которые попадают в РЧВ.