42. Фильтрование воды
Фильтрованием называется процесс прохождения осветляемой воды через слой фильтрующего материала. Фильтрование, так же как и отстаивание, применяют для осветления воды, т. е. для задержания находящихся в воде взвешенных веществ. Если размеры частиц больше размеров пор фильтрующей загрузки, то частицы остаются на поверхности фильтра, такое фильтрование называется поверхностным. Если частицы проходят внутрь материала загрузки, то фильтрование объемное.
Процесс поверхностного фильтрования подчиняется закону Дарси: v=kp, где k=1/μR (v-скорость фильтрования, р-напор, k-коэффициент пропорциональности, зависит от динамической вязкости μ и сопротивления среды R=Rн+Rос, Rн-начальное сопротивление фильтрующей основы, Rос - сопротивление образовавшегося слоя осадка Rос=rМ/F, r-удельное сопротивление осадка фильтрованию, М – масса отложившегося осадка, F – площадь фильтра). Следовательно скорость фильтрования тогда равна:
v=p/(μ(rM/F+Rн))
При фильтровании воды со взвешенными веществами через слой песка или другие зернистые материалы, т.е. при объемном фильтровании, наблюдаются следующие процессы: извлечение взвешенных частиц из воды и их закрепление на зернах фильтрующей загрузки под действием сил адгезии; отрыв части задержанных частиц от зерен загрузки и перенос их в последующие слои, где они снова задерживаются в порах загрузочного материала.
До тех пор пока интенсивность первого процесса превышает интенсивность второго, происходит очистка воды от взвешенных частиц.
Время, в течение которого слой загрузочного материала обеспечивает очистку воды до требуемой концентрации, называется временем защитного действия загрузки
t3 = 1 / K·b/a (x-X0/b)
где К и X0 — константы, зависящие только от требуемого эффекта очистки и определяемые по номограммам Д.М. Минца; b/a и b — кинетические параметры процесса фильтрования, характеризующие соответственно скорость проникновения взвести в глубь загрузки и интенсивность прилипания частиц к зернам загрузки.
Продолжительность работы фильтра tH до момента достижения предельной потери напора определяется из выражения:
tH =[(Hпр - H0)i0]x/H0T
где H0 и Hпр — соответственно начальная и предельно допустимая потеря напора в. за грузке фильтра; i0 — темп прироста потери напора; х — толщина слоя загрузки.
Отношение t3/tH характеризует надежность работы фильтра и при t3/tHl гарантирует высокое качество фильтрата. Чем больше это отношение, тем выше степень санитарной надежности фильтра.
43. Флотация и электрофлотация
Флотация (всплывание) основана на разности удельных масс взвешенных частиц (или капель жидкости) и жидкости, в которой они суспензированы. Флотация осуществима в том случае, если примеси способны образовывать комплекс "частица—воздух" с плотностью, меньшей плотности воды. В результате действия сил всплывания, гравитации и сопротивления комплексы "частица—воздух" флотируют и образуют концентрированный слой на свободной поверхности жидкости, откуда этот слой затем удаляется. Плотность примесей обычно больше плотности воды, поэтому для осуществления флотации нужно, чтобы адгезия (т.е. слипание) микропузырьков воздуха и частиц была выше смачивающего действия воды на частицы.
Смачивание твердого вещества жидкостью определяется величиной краевого угла контакта θ между поверхностью твердого вещества и пузырьком газа.
Если θ = 0, то твердое тело смачивается водой и адгезия его с воздухом невозможна. Если θ= 180°, то твердое тело не смачивается, а контакт его с воздухом максимален. На практике этот случай не встречается, наибольший угол θ = 110° наблюдается при смачивании ртути. Все обычные примеси воды дают θ между 0 и 110°, и чем этот угол больше, т.е. чем более гидрофобна поверхность частицы, тем выше прочность прилипания частицы к пузырьку воздуха.
Основные отличия способов флотации связаны с видом насыщения жидкости пузырьками воздуха. По этому принципу различают: пенную, напорную флотацию и электрофлотацию. При пенной флотации воздух подается в систему через пористые материалы; при напорной — воду насыщают воздухом под давлением, после снятия которого начинается выделение пузырьков воздуха; при электрофлотации пузырьки газа образуются в результате электролиза воды.
Метод флотации нашел широкое применение в практике очистки сточных вод, особенно производственных. Из воды удаляются взвешенные вещества, а также частично коллоидные и растворенные.
Флотация применяется и при очистке природных вод с мутностью до 150 мг/л и цветностью до 200 град.