1. Лабораторно-экспериментальная установка.

2. Секундомер.

3. Фотоэлектрический колориметр.

4. Оттарированная емкость.

Сущность вопроса

При подготовке воды поверхностных источников для хозяйственно-питьевого водоснабжения конечной стадией ее осветления и обесцвечивания является фильтрование. Фильтро­ванием называется технологический процесс разделения твердой и жидкой фаз, осуществляемый на фильтрах.

При фильтровании твердые частицы, находящиеся в воде, задер­живаются на поверхности (медленные фильтры) или в толще (скорые фильтры, фильтры АКХ, контактные осветлители) пористой среды фильтра, вода осветляется и обесцвечивается.

Процесс фильтрования на водоочистных скорых фильтрах имеет физико-химическую природу и эффект осветления воды при фильтровании осуществляется прилипанием взвешенных частиц к зернам загрузки и ранее прилипшим частицам под действием молекулярных сил притяжения.

Основным рабочим процессом является осветление воды, извлечение из фильтруемой воды загрязняющих ее взвешенных частиц. Этот процесс протекает одновременно с сопутствующим процессом – изменением гидравлического сопротивления фильтра вследствие накопления в нем задержанной взвеси.

Эффект осветления воды каждым элементарным слоем загрузки рассматривают как суммарный результат двух противополож­ных процессов: изъятия частиц из воды, их закрепления на зернах загрузки под действием сил прилипания и отрыва ранее прилипших частиц и обратного поступления их в воду под действием гидродина­мических сил потока.

Явления прилипания и отрыва частиц, одновременно происходя­щие при фильтровании суспензии (вода с твердыми нерастворимыми в ней частицами) через зернистые фильтры, обусловливают кинетику фильтрования суспензии: изменение концентрации суспензии и коли­чества отложений по толщине фильтрующего слоя с течением времени.

Осветление воды и накопление осадка в каждом элементарном слое загрузки происходит до тех пор, пока прилипание частиц идет быстрее, чем их отрыв. По мере накопления осадка отрыв частиц уве­личивается, и после достаточно продолжительного фильтрования на­сыщение элементарного слоя задержанными частицами приближается к предельному: слой перестает осветлять воду. Под влиянием гидро­динамических сил, возникающих при движении воды, структура отложений разрушается, некоторая часть ранее прилипших частиц отры­вается от зерен в виде мелких хлопьев и переносится в последующие слои загрузки, где вновь задерживается. Наконец, наступает такой момент, когда вся имеющаяся толщина загрузки оказывается уже не­достаточной для обеспечения требуемой степени осветления воды, и концентрация взвеси на выходе из загрузки начинает быстро увели­чиваться. Загрузка к этому моменту приходит в состояние предельного насыщения.

Время, в течение которого данная загрузка способна осветлять воду до заданной степени, называется продолжительностью за­щитного действия загрузки t_з. Пока это время не исчерпано, на выходе из загрузки получается вода требуемого качества.

Дифференциальные уравнения, описывающие ход процесса осветления при фильтровании суспензии и процесса изменения плотности насыщения фильтрую­щей загрузки осадком по ее толщине и с течением времени, имеют вид:

(3.1)

где С – весовая концентрация твердых частиц в воде;

х – тол­щина слоя загрузки;

t – время;

а, b – параметры процесса фильт­рования;

 – плотность насыщения загрузки осадком.

На основании решения дифференциальных уравнений и исследований по моделированию процессов фильтрования предложены инженерные формулы для определения продолжительности защитного действия загрузки и продолжительности работы фильтра до момента достижения предельной потери напора.

Продолжительность защитного действия загрузки определяют по формуле

, (3.2)

где t_з – продолжительность защитного действия загрузки;

х – толщина слоя загрузки;

К, Х₀ – константы, зависящие от тре­буемого эффекта осветления ;

b – параметр, характеризующий интенсивность прилипания, определяемый по выражению ;

х₀ – минимальное значение толщины слоя загрузки, обеспечивающей требуемый эффект осветле­ния ;

– параметр, характеризующий скорость проникнове­ния хлопьев вглубь загрузки, равный ;

n – тангенс уг­ла наклона прямой, построенной в координатах: ось ординат толщины слоев загрузки, ось абсцисс – соответствующие значения продолжительностей их защитного действия.

Продолжительность работы фильтра до достижения предельной потери напора Н_пр, определяют по формуле

, (3.3)

где Н₀ – потери напора в чистой загрузке;

F(А) – функция насы­щенности парового пространства загрузки загрязнениями, которая определяется по формуле

, (3.4)

где – темп прироста потерь напора.

Значение F(А) связано с величиной насыщенности парового пространства загрузки «А». Значение «А» рекомендуется принимать по таблице 3.1 в зависимости от величины функции F(А).

Таблица 3.1 – Значение «А» в зависимости от величины функции F(А)

А	0	0,10	0,20	0,30	0,40	0,45	0,50	0,55	0,60	0,70
F(А)	0	0,35	0,85	1,55	2,70	3,70	4,70	6,70	8,70	19,0

Для расчета t_з и t_н фильтров необходимо иметь значения параметров процесса фильтрования а, b, F(А). Определение этих параметров производится по результатам моделирования процесса фильтрования на лабораторной установке. Полу­ченные на установке параметры позволяют с помощью расчетных фор­мул (3.2)–(3.4) вычислить t_з, t_н и F(А).

Определение параметров для других условий производится по формулам:

(3.5)

где d – эквивалентный диаметр загрузки;

V – скорость фильтрования.

В формулах (3.5) параметры, помеченные звездочками, получают на модели фильтра.

На действующих фильтровальных станциях в зависимости от ус­ловий, в которых работают фильтры, соотношение между временем защитного действия фильтров t_з и временем достижения предель­ных потерь напора t_н может быть различным: t_з > t_н, t_з  t_н, t_з = t_н.

Когда t_з > t_н, фильтр выключается из режима фильтрова­ния (на промывку загрузки) в связи с тем, что производительность (скорость фильтрования) снизилась ниже минимально допустимой (или приблизилась к нулю), так как располагаемый капор Н_пр, обус­ловленный высотным расположением сооружений, полностью расходу­ется на преодоление возросших сопротивлений загрузки. Когда t_з  t_н, фильтр выключается на промывку в связи с начинающимся ухуд­шением качества профильтрованной воды. В случае t_з = t_н мо­менты достижения предельной потери напора и начала ухудшения ка­чества фильтрата совпадают. С технико-экономической точки зрения наилучшим соотношением является t_з = t_н.

Если t_з > t_н, то это означает, что задерживающая спо­собность загрузки используется не полностью, так как фильтр вы­ключается на промывку при предельной потере напора. В то же время он мог бы еще в течение какого-то времени работать, давая воду требуемого качества.

Оптимальным, с технико-экономической точки зрения, является соотношение t_з = t_н. Однако, учитывая санитарную надежность загрузки фильтра, рекомендуется иметь t_з = (1,2–1,3) t_н.

Существует несколько методов введения фильтра в оптимальный режим. С изменением того или иного параметра (эквивалентный диаметр загрузки, высота слоя, скорость фильтрации и др.) t_з и t_н меняются по-разному, и при определенном значении кривые t_з и t_н пересекаются. Точка пересечения соответствует оптимальному режиму ра­боты фильтра.

t_з,

t_н,

ч

t_з,

t_н,

ч

а

б

t_з

t_з

t_н

t_н

0,7 0,8 0,9 1,0 1,1 1,2 1,3 1,4 х, м

0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 1,0 1,1 1,2 d, мм

Толщина слоя, м

Эквивалентный диаметр, мм

Рисунок 3.1 – Графики зависимости изменения t_з и t_н от толщины слоя

загрузки (а), эквивалентного диаметра (б)

На рисунке 3.1а показано, как изменяются t_з и t_н при измене­нии толщины слоя загрузки. С увеличением толщины слоя t_з уве­личивается, a t_н уменьшается. Если фильтры работают так, что выключаются на промывку из-за ухудшения качества фильтрата при неиспользованном полностью располагаемом напоре, т.е. t_з  t_н, то увеличение толщины слоя загрузки может быть полезным мероприя­тием для улучшения работы фильтров.

В случае, когда t_з  t_н, улучшить работу фильтра можно путем применения более мелкой загрузки. Влияние крупности зерен на t_з и t_н показано на рисунке 3.1 б.