5.7. Фильтры

Фильтрование воды является заключительной стадией осветления воды. Одновременно с осветлением, фильтры обеспечивают снятие цветности и бактериального загрязнения. В зависимости от количества и качества исходной воды, наличия и требуемой степени осветления, местных, технических и экологических условий применяют различные типы фильтров. Наибольшее распространение получили так называемые медленные и скорые фильтры (рис. 5.6 и 5.7). Медленные фильтры впервые были применены в начале XIX века. Принцип их действия заимствован у природы.

Медленные фильтры - это железобетонные или кирпичные резервуары прямоугольной или круглой формы, заполненные кварцевым песком, уложенным на поддерживающий слой из гравия или щебня с дренажной системой (табл. 5.3). Загрузку медленных фильтров принимают в зависимости от концентрации взвешенных частиц. Общая высота гравийной засыпки 450-500 мм, песчаной - 800-850 мм.

Рис. 5.6. Медленный фильтр:

1 – корпус; 2 - камера управления; 3 - подвод воды; 4 - отвод воды; 5 - сброс в канализацию; 6 – перелив; 7 - наполнение фильтра чистой водой;

8 - регулятор скорости фильтрования; 9 – дренажная система; 10 - гравийный поддерживающий слой; 11 – фильтрующий слой из песка;

12 - биологическая пленка; 13 - слой воды; 14 - водораспределительный лоток; 15 – вентиляция

Таблица 5.3

Загрузка медленных фильтров

Загрузочный материал	Крупность зерен, мм	Высота слоя, мм
Песок	0,3-1 1-2 2-5	800 50 50
Гравий или щебень	5-10 10-20 20-40	50 50 50

Количество фильтров должно быть не менее трех. Ширина фильтра не более 6 м, длина - не более 60 м. Слой воды над поверхностью загрузки медленных фильтров - 1,5 м.

Медленный фильтр работает следующим образом. Сначала его заполняют чистой водой снизу для удаления воздуха. Затем исходную воду на фильтр подают сверху.

Процесс фильтрования идет сверху вниз со скоростью 0,1-0,2 м/час. При медленном фильтрование на поверхности песка в фильтре образуется биологическая пленка, обеспечивающая высокую степень осветления. Существуют два периода созревания фильтра:

• период осветительного созревания (0,5-1 час), после которого мутность фильтра не превышает 1,5-2 мг/л;

• период бактериального созревания (3-36 часов), в зависимости от мутности исходной воды.

Продолжительность созревания обратно пропорциональна скорости фильтрации. Поэтому в начальный период она должна быть не более 0,05 м/час. В этот период воду отбрасывают в канализацию до тех пор, пока ее качество не будет удовлетворять санитарным нормам.

Период полезного фильтрования заканчивается, когда потери напора в фильтрующей пленке достигнут ~1м. Это время составляет 10-30 суток до исчерпания грязеемкости пленки. После этого требуется регенерация фильтра, т.е. восстановление его фильтрующей способности. При регенерации фильтра уровень воды снижется ниже уровня песка на 20-30 см, после чего снимают пленку вместе с загрязненным слоем песка толщиной 1-2 см. Все загрязнения удаляют, фильтры снизу заполняют водой и включается новый фильтроцикл: созревания, полезного фильтрования, регенерация. С каждым фильтроциклом грязеемкость фильтра уменьшается с 10000 г/м² до 1000-2000 г/м² через 15-20 циклов. После этого необходима полная очистка всего песка или полная замена загрузки фильтра. Поэтому на водоочистной станции должно быть не менее трех медленных фильтров. Эти фильтры обладают высокой степенью очистки воды, отличаются простотой эксплуатации. Недостатками этих фильтров является большая стоимость, непригодность для обработки высокоцветных вод, высокая трудоемкость очистки и значительная площадь застройки.

Скорые фильтры применяются как при реагентном, так и при безреагентном способе очистки воды. При безреагентном методе эти фильтры частично осветляют воду перед медленными фильтрами. В реагентных схемах скорые фильтры используют для полного осветления воды, которая поступает из отстойников или осветителей. Мутность воды, подаваемая на скорые фильтры должна быть не более 8-12 мг/л, а после фильтров не более 1-1,5 мг/л.

Скорый безнапорный фильтр представляет собой железобетонный резервуар площадью не более 100-120 м², загруженный слоями песка и гравия, крупность которых возрастает сверху вниз. Толщину фильтрующего слоя, диаметр частиц, неоднородность фильтрующей загрузки и скорость фильтрования воды принимают по табл. 5.4 в зависимости от типа фильтра, качества воды в источнике, технологии ее обработки перед фильтром и других факторов.

Взвешенные вещества, поступающие вместе с водой на скорый фильтр, являются агрегатно-неустойчивыми и способными прилипать к зернам фильтрующего материала. Эффективность сепарации взвеси определяется тем, насколько сила адгезии (прилипания) частиц к зернам фильтрующего материала противостоит гидродинамической силе отрыва, создаваемого потоком воды. С увеличением частиц взвеси при прочих разных условиях вероятность задержания их в толще фильтрующего слоя уменьшается. Это связано с тем, что с ростом частиц сила дагезии растет значительно медленнее силы отрыва.

Рис.5.7. Скорый фильтр:

а - продольный и б - поперечный разрезы; в - вид сверху; г - дренажная система и плане: 1 – корпус; 2 - слой воды; 3 – фильтрующий материал; 4 - гравийный поддерживающий слой; 5 - дренажная система; 6 - желоб отвода промывной воды; 7 – карман; 8 - подвод воды; 9 - отвод воды; 10 – подача промывной воды; 11 - отвод грязной промывной воды; 12 - канализация, задвижки

Таблица 5.4

Загрузка скорых фильтров

Тип фильтра	Характеристика фильтра			Скорость фильтрования, м/час
	Диаметр зерен, мм	Коэффициент неоднородности	Высота слоя, мм
Однослойный с загрузкой кварцевым песком	0,5-1,2 0,7-1,6 0.8-2,0	1,8-2,0 1,6-1,8 1,5-1,7	700 1300-1500 1800-2000	5 -6 6-8 8-10
Двухслойный фильтр с загрузкой: кварцевый песок антрацит	0,5-1,2 0,8-1,8	1,8-2 1,6-1,8	700-800 400-500	7-10

По мере работы фильтра его поры заполняются задержанной взвесью и возрастает сопротивления движению воды через загрузку. При увеличении потерь напора на фильтре до 2,5-3 м фильтр необходимо отключить для регенерации. Восстановление фильтрующей способности скорого фильтра производят путем обратной промывки его загрузки. Для этого прекращают подачу исходной воды и через регенерационную систему подают воду с большой скоростью. Фильтрующую загрузку взрыхляют, а ее частицы отрывают от прилипших к ним загрязнения. Грязная вода переливается в желоба и отводится в канализацию. Промежуток времени между двумя промывками фильтра называют фильтроциклом, а количество загрязнений, задержанных фильтром в процессе фильтроцикла - грязеемкостью фильтра. Обычно фильтроцикл скорого фильтра составляет 8-12 часов.

Суммарная площадь скорых фильтров F (м²) вычисляется по формуле:

, (5.17)

где Q_р - производительность станции, м³/сут;

v - расчетная скорость фильтрования, м/час;

n - число промывок каждого фильтра в сутки (2-3);

w - интенсивность промывок, м/час;

t₁ и t₂ - соответственно время промывки и простоя фильтра в связи с промывкой, час;

Т - продолжительность работы очистной станции в течении суток, час/сут.

Количество фильтров ориентировочно определяют по формуле:

(5.18)

и округляется до ближайших целых чисел. Количество фильтров на станциях производительностью более 1600 м³/сут должно быть не менее четырех.