Фильтрование в направлении убывающей крупности зерен

Фильтры

Фильтрование через зернистый слой повсеместно используется как завершающий способ разделения суспензий при подготовке воды для коммунального, промышленного и сельскохозяйственного водоснабжения. Нa водоочистных станциях фильтры – наиболее дорогие и сложные сооружения. Исследователи многих стран долгое время изучают фильтрационный процесс, способы его интенсификации; эта проблема актуальна и сейчас.

Можнo предложить следующую классификацию методов и средств интенсификации работы фильтровальных сооружений:

1. Фильтрование в направлении убывающей крупности зерен.

2. Фильтрование с уменьшающейся по ходу потока скоростью.

3. Фильтрование с уменьшающейся во времени скоростью.

4. Использование фильтрующих материалов с высокой пористостью и развитой поверхностью.

5. Совершенствование способов и режимов предварительной реагентной обработки воды.

6. Повышение эффективности процесса регенерации загрузки

7.Совершенствование конструкций элементов фильтра.

Основная идея этого способа заключается в том, что загрязнения глубже проникают в слой, в результате чего увеличивается степень использования грязеемкости загрузки, уменьшается темп прироста потерь напора. Метод реализован в конструкциях двух- и многослойных фильтров, контактных осветлителей, двухпоточных и двухступенчатых фильтров.

В двухслойных фильтрах долгие годы использовалась загрузка из антрацита и кварцевого песка. Появление новых фильтрующих материалов значительно расширяет возможности применения таких фильтров. Так, керамзит в качестве верхнего слоя рекомендуется СНиП 2.04.02-84. Двухслойные фильтры в схемах с предварительным отстаиванием эффективны при обработке воды с преимущественным содержанием минеральных примесей.Серьезные затруднения возникают при очистке маломутных высокоцветных холодных вод. Здесь, вследствие "вялой" коагуляции, из отстойников на фильтры выносятся хлопья гидроксида алюминия или железа с малой адгезионной активностью.

Не всегда удачен опыт применения прямоточных фильтров, на которые вода поступает без предварительного отстаивания. Здесь, в случае образования хлопьев в надзагрузочном слое, преимущества двухслойных фильтров теряются из-за неодинакового времени поступления воды на различные участки загрузки. Так, на фильтре площадью 40 м² такая разница по времени достигает 15-20 мин. Адгезионная активность гидроксида алюминия (железа) быстро снижается в первые 3 0 мин. В результате различные участки площади фильтра кольматируются по разному. Ликвидация гидродинамических неоднородностей за счет различных дополнительных сопротивлений улучшает работу фильтров.

Опыт использования многослойных фильтров из журнала «Filtration and Separation». Рекомендуют применение трехслойных фильтров: антрацит 1,6-1,8мм - 460мм, песок 0,45мм - 300 мм, гравий 0,25 мм - 150 мм. Удаляет взвешенные частицы крупностью 3-4 мкм. Подбор слоев по критерию (ρ_н – ρ_в) d_эф², эффективный диаметр загрузки. В смежных слоях этот параметр должен отличаться на 20% (различие скорости витания в псевдоожиженном слое).

Известен положительный опыт работы многослойных фильтров: Ж.Ланглин, Т.Дувал исследовали антрацито-кварцево-гранатовую загрузку (плотности – 1,5-2,6-3,9 г/см³), С.Моханка описал работу пятислойного фильтра (полистирол-антрацит-кварц-гранат-магнетит), В.Конлей в качестве наиболее тяжелого слоя использовал ильменит (плотность 4,2 г/см³). Е. Г. Петровым исследованы работы трехслойных фильтров с загрузкой из полистирола, керамзита, кварцевого песка. Главным препятствием в использовании таких фильтров являются трудности в подборе фильтрующих материалов с заданной гранулометрией.

Наиболее удачно преимущества фильтрования в направлении убывающей крупности реализуются в контактных осветлителях с восходящим потоком воды и загрузкой большой неоднородности. Равномерное распределение воды по площади обеспечивается здесь за счет сопротивления фильтрующей загрузки. Контактные осветлители, предложенные в СССР в 1953 г., широко применяются в отечественной и зарубежной практике. В настоящее время успешно эксплуатируются станции производительностью до 1 млн.м³/сут. За счет эффективного использования грязеемкости неоднородной загрузки эти сооружения работают при мутности обрабатываемой воды до 100-150 мг/л и цветности до 190 градусов. Применение флокулянтов расширяет эту границу до 300 мг/л.

Меньшее применение в практике получили двухпоточные фильтры АКХ, предложенные в 1949 г. Здесь очищаемая вода фильтруется одновременно сверху и снизу и отводится дренажом, расположенным в толще загрузки. Производительность фильтров АКХ в 1,5-2 раза выше, чем однослойных фильтров и контактных осветлителей. Недостатками этих сооружений являются несовершенство дренажа, расположенного в толще мелкозернистой загрузки, быстрая кольматация верхнего слоя, а также сложность регенерации. Применение в двухпоточных фильтрах двухслойной загрузки, пористых дренажей открывает новые возможности их высокоэффективного использования.

Фильтрование в направлении убывающей крупности зерен успешно реализуется также в двухступенных фильтрах. Обычно их используют при больших грязевых нагрузках, когда одноступенчатое фильтрование неэффективно, а отстойники (осветлители со взвешенным осадком) работают плохо. Для очистки мутных вод (200-1000 мг/л) используют несколько независимых групп двухступенных фильтров; каждая из них промывается при ухудшении качества фильтрата на второй ступени, фильтры второйступени работают со скоростью фильтрования 6-10 м/ч.

Применение двух ступеней контактных осветлителем с крупно и мелкозернистой загрузками позволило очищать высокомутные воды (до 1500 мг/л) без использования коагулянтов: скорости фильтрования на первой и второй ступенях соответственно 3и 1,5 м/ч, продолжительность фильтроцикла – 72-96 ч.

Для очистки высокоцветных, маломутных холодных вод (М не более 250-300, Ц не более 150-200) разработана схема двухступенчатого фильтрования (рис.5.24): первая ступень - контактные осветлители, эксплуатирующиеся за пределами времени защитного действия загрузки, авторая ступень – скорые фильтры с нисходящим потоком. Известно, что первые 15-30 см загрузки быстро прекращают очищать воду до питьевых кондиций, однако долго продолжают задерживать основную часть загрязнений - пассивные зоны загрузки имеют в несколько раз большую емкость, чем активные зоны. Большая грязеемкость фильтров первой ступени позволяет увеличить скорость фильтрования или удлинить фильтроцикл. Двухслойные фильтры второй ступени работают в более благоприятных условиях; адгезионная активность хлопьев гидроксида алюминия (железа), поступающих с фильтров первой ступени, выше, чем с отстойных сооружений.

Схема включает барабанные сетки, контактные осветлители и скорые фильтры. Ввод реагентов с помощью перфорированных распределителей, дробное коагулирование.

Контактный осветлитель типа КО-3 с водовоздушной промывкой; эквивалентный диаметр загрузки 1-1,1 мм, коэффициент неоднородности 2-2,2, плотность 2,6-2,65, высота слоя 2-2,2 м. Продолжительность фильтроцикла 12 ч, скорость при нормальном режиме 6,5 м/ч, при форсированном 7,5 м/ч.

Скорость фильтрования для скорых фильтров второй ступени на 15-20% больше рекомендуемой СНиП 2.04.02-84.

В г.Ярославле на станции построены осветлители при маломутной воде источника. Естественно они работали неудовлетворительно. Часть осветлителей переоборудована на контактные фильтры. Опыт показал, что при песчаной загрузке в результате гидравлической сортировки образовывалась пленка, и сокращался фильтроцикл. Проведена догрузка фильтров гидроантрацитом. Успешно. Фильтроцикл 10-15ч, скорость до 15 м/ч. Песок 2-2,5 м+ антрацит 0,5-0,6м. Экономия промывной воды 3000м3/мес.(Е.К. Филиппов, О.И.Овечкин, З.К.Липина. Использование двухслойной загрузки в контактных фильтрах. С.38-39. /ВСТ,2003,№4/ Ярославль)

В г.Калуге источником является р.Ока: маломутная вода, окисляемость до 12 мг/л, ХПК до 60 мг/л. Проведены пилотные исследования в течение 2001-2002г.г. На существующей станции работает традиционная схема с горизонтальными отстойниками и скорыми фильтрами, которая не справляется с барьерной ролью. Рекомендовано и строится:

БС – КО-3 – КК(озон) – СФ(песок) – СФ(ГАУ) –хлор+аммиак – РЧВ.

Скорость фильтрации на КО-3 составляет 5-5,5 м/ч, на СФ – 7-8 м/ч.