Теоретические основы очистки воды фильтрованием через зернистые материалы
Наибольшее признание получила теория фильтрования малоконцентрированных суспензий Минца.
Теория получила экспериментальное подтверждение и доведена до практического использования.
При движении воды, содержащей взвешенные вещества, через зернистую загрузку, частицы взвеси задерживаются загрузкой и вода осветляется.
Одновременно в слое загрузки накапливается осадок уменьшается свободный объём пор возрастает гидравлическое сопротивления растут потери напора в загрузке.
Изменение гидравлического сопротивления и прирост потерь напора – сопутствующие процессы и должны учитываться при проектировании, расчёте и эксплуатации фильтра.
Осветление – результат двух противоположных процессов: адгезии задерживаемых частичек к микроповерхности, отрыв ранее прикреплённых и перенос их г/д силами потока (суффозия).
Фильтрование идёт до тех пор пока силы отрыва не превалируют над адгезией.
Величина силы адгезии определяется межмолекулярным взаимодействием соприкасающихся тел, она на несколько порядков выше, чем сила адгезии на воздухе. Обратной силой является сила отталкивания последних
Если соприкасающиеся частицы отличаются по смачиваемости, то адгезия минимальна.
При одинаковой гидрофобности или гидрофильности силы адгезии максимальны в водной среде, гидрофобные поверхности слипаются лучше.
Силы отталкивания обусловлены расклинивающим действием между поверхностями соприкасающихся тел, что объясняется отличием их термодинамического и химического потенциалов.
Отрыв частички происходит при условии:
- к-т трения
- сила адгезии
- вес частицы
Сила воздействия потока на частицу зависит от , вязкости среды, размеров частичек, скорости потока и условий обтекания прилипших частичек потоком.
Минц определил, что изменение концентрации взвеси в воде при фильтровании её через зернистый слой описывается уравнением:
- концентрация в
данный момент
- исходная
концентрация
и
- критерии процесса
x – толщины зернистого слоя
t – время фильтрования от начала
a и b – параметры процесса, зависящие от свойств воды
Продолжительность защитного действия зернистой загрузки.
;
- const
от
принимаются по диаграмме Минца
b – характеризует интенсивность прилипания
b/a – характеризует скорость проникновения хлопьев в глубь
–
толщины зернистого
слоя
Продолжительность защитного действия увеличивается с ростом толщины слоя и прочности осадка и уменьшается с увеличением скорости фильтрования и диаметра зёрен.
Продолжительность работы фильтра.
- предельная потеря
напора
- потеря напора
при чистой загрузке
h/t
– темп прироста
- гидравлический
уклон в чистой загрузке
Определив методом технического моделирования процесса a, b, параметры фильтрования ( , d, x) подбирают таким образом, чтобы процесс протекал в оптимальном режиме.
Критерием
оптимальности является равенство
С точки зрения
санитарной защиты
Обработка воды фильтрованием
Сущность процесса
Фильтрование заключается в пропуске жидкости, содержащей примеси, через фильтрующий материал, проницаемый для жидкости и непроницаемый для твёрдых частиц.
Процесс сопровождается значительными затратами энергии, поэтому фильтрование является завершающим этапом обработки воды.
Классификация фильтров:
Фильтры по виду фильтрующей среды делятся:
- тканевые или сетчатые
- каркасные или намывные (для небольших потребителей – бассейн)
- зернистые (песчаные, керамзитовые и т.п.)
Зернистые фильтры применяются в практике водоснабжения наиболее широко.
- по скорости фильтрования медленные (0,1-0,3 м/с), скорые (5-12 м/с), сверхскорые (36-100 м/ч).
- по давлению под которым работают открытые (безнапорные), напорные.
- по направлению фильтрующего потока однопоточные (обычные скорые фильтры), двухпоточные, многопоточные.
- по крупности фильтрующего материала мелкодисперсные, среднедисперсные, крупнозернистые.
- по числу фильтрующих слоёв однослойные, двухслойные, многослойные.
Пористая среда зернистых фильтров называется фильтрующим слоем.
Разность давления на входе и выходе из фильтра называется потерей напора в фильтрующем слое.
Изменение давления для открытого фильтра равно разности отметок поверхности воды в аппарате и пьезометрического напора в трубе, отводящей фильтрат.
Потеря напора в начальный момент работы фильтра называется начальной потерей напора.
Интенсивность процесса фильтрования характеризуется скоростью фильтрования (м/ч).
По мере загрязнения фильтрующего слоя потери напора в нём возрастают до величины, характеризующей сопротивление предельно загрязнённого фильтрующего слоя, по достижении которой выполняется промывка фильтра. Промывка осуществляется обратным потоком воды со скоростью, превышающей скорость фильтрования, создаётся взвешенный слой отмывка.
В процессе фильтрования воды через слой зернистого материала могут быть реализованы два механизма задержки примесей:
плёночное фильтрование
соотношение размеров ВВ и размеров зёрен фильтрующей загрузки описывается уравнением
- минимальный
размер частиц , скорость фильтрования
м/с
-
диаметр частиц загрузки
Плёночное фильтрование характерно для медленных фильтров – механическое извлечение ВВ из воды.
объёмное фильтрование – задержание частиц в порах фильтрующего материала.
В основе объёмного фильтрования лежит процесс взаимодействия зёрен фильтрующего материала и ВВ. Коагулирование в этом случае имеет важное значение, так как электролит уменьшает или ликвидирует отрицательный заряд частичек примесей.
При обычных значения рН заряд загрузки и ВВ имеют отрицательный заряд и при их взаимодействии силы когезии превалирует над силами адгезии.