Фильтрация воды через зернистые загрузки
Насыпные фильтры периодического действия
Механические загрязнения (взвеси) из больших потоков воды, как правило, удаляются в насыпных осветлительных фильтрах с гранулированной загрузкой (механических фильтрах) периодического действия.
Механический засыпной напорный фильтр представляет собой (рис. 2.2) вертикальный корпус из металла или пластика 3 с дренажно-распределительными системами 2 , 5 , 7 , заполненный гранулированной загрузкой 4 ; как правило, это кварцевый песок, гидроантрацит и т. п. Для улучшения распределения воды по сечению и уменьшения забивания отверстий нижнего дренажного устройства оно помещается в слой гравия 6 .
Фильтрация загрязненной воды производится сверху вниз (рис. 2.2, а ). При этом крупные частицы задерживаются в порах между гранулами загрузки, а мелкие загрязнения – за счет различных эффектов, прежде всего электростатического, прилипают к частицам загрузки. Чем больше загрязнений задержано слоем загрузки, тем yже остаются проходы для жидкости и тем выше глубина очистки воды . Основная масса загрязнений из воды собирается в верхней части слоя загрузки.
а б
Рис. 2.2. Фильтр механической очистки воды с гранулированной загрузкой периодического действия в рабочем режиме ( а ) и при регенерации ( б ):
1, 8 – патрубок; 2 – распределитель жидкости; 3 – корпус; 4 – загрузка; 5 – центральный коллектор; 6 – гравий; 7 – перфорированные лучи
Правильно сконструированный фильтр очистки воды при верно подобранных гранулометрическом составе загрузки и скорости подачи воды работает практически всем объемом загрузки. Фронт загрязнений воды постепенно опускается вниз по слою загрузки. При слишком высокой скорости воды резко снижается эффективность фильтрации, а при слишком малой загрязнения собираются только в верхнем слое загрузки.
Наиболее эффективны и экономичны многослойные фильтры, в которых для увеличения грязеемкости слоя и эффективности фильтрации воды его составляют из материалов с различной плотностью и крупно стью частиц так, чтобы сверху слоя были крупные легкие, а внизу мелкие тяжелые частицы. В этом случае крупные загрязнения воды задержива ются в верхнем слое, а оставшиеся мелкие – в нижнем слое, т. е. работает весь объем загрузки. Размеры и плотность частиц подбираются так, чтобы их скорость псевдоожижения была близка. Тогда при регенерации обратной промывкой (взрыхлении) «кипит» весь слой (рис. 2.2, б ).
Следует отметить, что скорость фильтрации в механических фильтрах очистки воды незначительно зависит от применяемого материала. Эта скорость для разных материалов с оптимальным гранулометрическим составом составляет 2–5 м/ч для безнапорных и 8–12 м/ч для напорных фильтров. Она рассчитана теоретически, подтверждена многолетним опытом эксплуатации и рекомендуется как зарубежными, так и отечественными производителями загрузок. Превышение скорости приводит к ухудшению качества очистки воды!
На засыпных фильтрах очистки воды удаляются частицы с размером более
10–20 мкм. Для очистки воды от частиц меньших размеров их необходимо укрупнить, агрегатировать, что достигается химическими методами – флокуляцией или коагуляцией (см. ниже). Другим вариантом очистки от таких частиц является мембранная фильтрация воды.
В определенный момент слой загрязняется настолько, что сопротивление фильтрации резко возрастает, а производительность падает. Повышение давления воды может привести к «пробою», т. е. к выносу грязи в чистую воду. Работу фильтра прекращают и слой загрузки регенерируют.
Регенерация зернистой загрузки (взрыхление) заключается в ее отмывке водой снизу вверх с такой скоростью, при которой происходит псевдоожижение загрузки и ее расширение на 30–50%. В таком режиме частицы как бы кипят; из межпорового пространства удаляются задержанные взвеси, а при соударении частиц с их поверхности удаляются налипшие загрязнения.
Регенерацию (рис. 2.2, б ) проводят либо исходным раствором, либо осветленной водой из буферной емкости. Последнее более предпочтительно, особенно в крупных установках, поскольку позволяет создать необходимый расход воды при колебаниях давления в водопроводе. Первый вариант широко используется в бытовых и иногда в промышленных фильтрах очистки воды, если гарантируется необходимый расход и давление воды в подающем водопроводе.
После окончания взрыхления слою загрузки дают осесть, и затем начинается фильтрация. Первые объемы отфильтрованной воды, содержащие избыточное количество загрязнений, сбрасывают в канализацию, это называют «санитарной промывкой».
Серийные отечественные осветлительные фильтры серии ФОВ производятся Таганрогским котельным заводом «Красный котельщик» (ТКЗ) и Бийским котельным заводом (БиКЗ) много десятилетий. После монтажа корпуса фильтра проводится антикоррозионная обработка, установка нижнего дренажно го устройства и заливка под него бетона. Все эти работы выполняются потребителем самостоятельно или с привлечением монтажной организации.
В современном варианте фильтр очистки воды имеет корпус из оцинкованной, гуммированной или нержавеющей стали, или же из пластика. Последний представляет собой внутренний корпус (лейнер) из пищевого полиэтилена, укрепленный сверху стеклопластиковой оболочкой либо отлитый из специального пищевого стеклопластика. Внутри корпуса фильтра располага ются нижняя и верхняя дренажно-распределительные системы низкого сопротивления, выполненные из пластмассы (АБС, полипропилен, ПВХ). Для улучшения распределения воды по сечению и уменьшения забивания отверстий дренажа, нижнее дренажное устройство засыпается слоем специально подобранного окатанного гравия с заданным гранулометрическим составом.
Основными производителями корпусов фильтров за рубежом являются фирмы: из пластика – Structural , Purk и Pevasa , из оцинкованной стали – Lorivan . Первые две предлагают корпуса близкого типоряда по размерам в дюймовой системе, Structural из полиэтилена с упрочняющей обмоткой стеклопластиком, а Pevasa – из литого стеклопластика.
Современные фильтры снабжаются блоком автоматического управления, который представляет собой электронный или механический таймер, включающий через определенное время (1 раз в сутки или через заданное число суток) программу регенерации. Как правило, регенерация производится в ночное время, когда потребление воды минимально. Программа регенерации включает в себя выполнение операций взрыхления, осаждения загрузки и санитарную промывку. Промывные воды сбрасываются в канализацию. Продолжительность всех операций устанавливается при наладке фильтра, а потребитель имеет возможность корректировать их при изменении качества воды и износе загрузки. Сигнал от датчика программы регенерации поступает либо на двигатель многоходового гидроклапана, производящего переключения всех потоков в фильтре , либо на отдельные гидро- или пневмоклапаны, установленные на трубопроводах обвязки фильтра. Блоки управления фильтров очистки воды с производительностью до 10–15 м3/ч выполняются в виде моноблока, устанавливаемого непосредственно на фильтр или сбоку от него. В первом случае такой блок управления вворачивается в специальное стандартное отверстие в корпусе фильтра, и к нему подводятся все трубопроводы. Труба, соединяющая нижний дренаж с блоком управления, проходит внутри фильтра, а верхний дренаж непосредственно закрепляется на блоке управления. При расположении блока управления рядом с корпусом к нему кроме трубопроводов подачи и вывода раствора подключаются две линии, соединяющие его с верхним и нижним дренажами.
Для фильтров больших производительности и диаметра используются управляемые клапаны (задвижки), устанавливаемые на питающих трубопроводах. Они могут быть индивидуальными на каждой линии или многоходовыми, одновременно переключающими все потоки.