Теория фильтрации питьевой воды на скорых напорных фильтрах

Важнейшей ступенью в промышленных и бытовых системах очистки питьевой воды из различных источников водоснабжения, централизованных и нецентрализованных, таких как скважина, озеро или колодец, является фильтрация. Фильтрация может производиться на фильтрах различных типов и конструкций. В этой статье мы рассмотрим фильтрацию на скорых (от 5 до 12 м/ч) напорных фильтрах с применением в них различных по своим свойствам фильтрующих загрузок, таких как:

Кварцевый песок (песчаная загрузка);
Антрацит;
Гидроантрацит;
Модифицированные фильтрующие материалы для удаления взвешенных веществ, железа и марганца, такие как МЖФ, АС/МС и МСК.

В процессе фильтрации удаляется большинство взвешенных веществ, имеющих размер более 10 мкм (частицы песка, земли и глины) и коллоидов (гумусовые соединения и гидроксиды окисленного железа), происходит значительное осветление воды. Также, на модифицированных загрузках, имеющих свойство катализировать процесс окисления железа и марганца (МЖФ, АС/МС, МСК и прочие) в присутствии окислителей, происходит осаждение и задержка выпавших в осадок гидроксидов металлов, в основном железа и марганца.

Описание процесса по Д.М. Минцу

С теоретической точки зрения процесс фильтрации взвесей и коллоидов описывается теорией Д.М. Минца, согласно которой проходящие через фильтрующую загрузку частицы взвеси задерживаются в ней вследствие прилипания (адгезии). В то же время, имея довольно непрочную структуру, часть прилипшего осадка под силами гидродинамического потока воды отрывается (явление суффозии) и уносится в следующие слои зернистой загрузки. Таким образом, процесс фильтрации состоит из двух противоположных явлений – адгезии, т.е. прилипания взвешенных частиц и их суффозии, т.е. отрыва. С течением времени верхние слои загрузки начинают накапливать в себе все больше и больше осадка, возрастает гидравлическое сопротивление загрузки, отрыв взвесей в верхних слоях увеличивается, и фильтрация переходит в более глубокие слои загрузки и продолжается до тех пор, пока насыщение всего объема фильтрующего материала не станет таким, что фильтрат на выходе перестанет удовлетворять требованиям по качеству воды, или давление на входе в фильтр станет предельным для данных условий работы очистного сооружения.

В итоге, фильтрацию прекращают, когда на выходе из фильтра резко возрастает концентрация взвешенных веществ, или гидравлическое сопротивление загрузки становится выше допустимого. Время, в течение которого фильтр дает на выходе воду надлежащего качества, называется временем защитного действия загрузки, обозначают tз:

Из сказанного выше следует, что ресурс работы фильтра, т.е. время его работы с определенной пропускной способностью до момента вывода на промывку, зависит от грязеёмкости загрузки, при превышении которой начинает изменяется качество воды на выходе из фильтра (характеризуется временем защитного действия загрузки, tз), так и от гидравлического сопротивления насыщенных осадком фильтрующих слоев, которое создает предельное давление на входе в фильтр для данных условий эксплуатации (характеризуется временем достижения предельной потери напора, tн).

Когда tз>tн, фильтр выводят на промывку по значительному снижению пропускной способности и достижению предельного давления на входе (или достижению предельного перепада давления на входе и выходе и предельной потери напора после фильтра). Обусловливается это возросшим гидравлическим сопротивлением загрузки вследствие ее «забитости» осадком, и, как следствие, увеличенной работой насоса на его преодоление.

При tз<tн регенерация фильтра начинается в момент ухудшения качества воды на выходе, когда весь объем слоя фильтрующей загрузки достиг полного насыщения, и осадок уже более не задерживается в той мере, которая обеспечивает должную степень очистки:

Кривая 1 характеризует работу фильтра в самом начале, когда еще загрузка «свежая», без прилипшего к ней осадка. Кривая 4 показывает работу фильтра в том состоянии, когда верхний слой загрузки уже не способен фильтровать (Х_нас.), а качество воды на выходе перестает удовлетворять требуемому. Кривые 2 и 3 характеризуют промежуточные состояния процесса фильтрации, когда верхний слой загрузки насыщен еще не полностью, а качество воды на выходе еще приемлемо.

Оптимальным условием работы фильтра с технико-экономической точки зрения является равенство времени защитного действия загрузки и времени достижения предельной потери напора (tз=tн). Это обусловлено тем, что при tз>tн ресурс грязеёмкости используется не полностью, а при tз<tн остается еще запас гидравлического напора. В то же время, если фильтр выключается на регенерацию по ухудшению качества фильтрата, то, при отсутствии приборов для достаточного контроля качества воды на выходе после фильтра, всегда есть риск «проскока» плохой воды из-за несвоевременного вывода фильтра на промывку. Для повышения санитарной надежности очистных сооружений расчет фильтров ведут всегда из такого соотношения tз к tн, что бы отношение tз/tн=1,2…1,3. Это дает гарантированное качество воды на выходе (при условии, что потери напора не превысили предельно-допустимый максимум) с максимально эффективным использованием ресурса фильтрующей загрузки, часть объема которой (как правило нижнего объема при фильтрации сверху вниз) работает на обеспечение санитарной надежности очистного оборудования.

Для снижения времени защитного действия загрузки tз и увеличения времени достижения предельной потери напора tн, когда tз>tн, необходимо уменьшить толщину слоя загрузки или увеличить диаметр зерен с одновременным увеличением скорости фильтрования.

Для увеличения времени защитного действия загрузки (tз) и уменьшения времени достижения предельной потери напора (tн), когда tз<tн, необходимо увеличить толщину слоя загрузки или уменьшить диаметр зерен с одновременным снижением скорости фильтрования.