Теоретические основы очистки воды фильтрованием через зернистые материалы

Процесс очистки воды фильтрованием заключается в ее пропуске через пористую среду, на поверхности или в порах которой при этом происходит накопление частиц загрязнений, извлекаемых из очищаемой воды.

Доминирующее распространение в коммунальном водоснабжении получили фильтровальные сооружения и устройства с зернистыми загрузками ввиду относительной простоты регенерации фильтрующего слоя из зернистых материалов, а также из-за меньшего, по сравнению с другими типами фильтров, необходимого давления для пропуска воды через фильтрующую среду при одновременном достижении необходимой степени очистки воды, а также возможности очистки больших количеств воды.

При движении загрязненной воды или других малоконцентрированных суспензий через зернистую фильтрующую среду происходит задержание взвешенных частиц, в результате чего вода осветляется. Одновременно в фильтрующей загрузке накапливается осадок и увеличивается гидравлическое сопротивление потоку очищаемой воды. Увеличение гидравлического сопротивления приводит к росту потери напора в загрузке.

В коммунальном водоснабжении чаще всего приходится обрабатывать большие количества воды. В связи с этим стремятся использовать фильтровальные устройства и сооружения, для работы которых не требуются большие давления, т.е. фильтры, в которых происходит накопление осадка в толще фильтрующей загрузки. При осуществлении такого фильтрования с постоянной скоростью в течение определенного времени фильтрующая загрузка способна осветлять воду до заданной степени, а также происходит линейный прирост потери напора во времени

Время, в течение которого обеспечивается требуемая степень очистки воды, называется продолжительностью защитного действия загрузки, а время, в течение которого потери напора в загрузке возрастают до максимально возможного для данной конструкции фильтра значения, называется продолжительностью времени достижения предельной потери напора. Расчет фильтров сводится к определению этих показателей их работы и оптимизации технологического режима, когда период защитного действия фильтрующей загрузки примерно равен периоду достижения предельной потери напора в загрузке.

Осветление воды фильтрованием - основной рабочий процесс фильтров и контактных осветлителей. Изменение гидравлического сопротивления фильтрующей загрузки и прирост потери напора - сопутствующий процесс. Однако оба процесса в одинаковой мере должны учитываться при проектировании, расчете и эксплуатации фильтров.

Извлечение взвешенных частиц из воды и их закрепление на зернах фильтрующей загрузки происходит под действием сил прилипания.

Образующийся в загрузке осадок из задержанных частиц имеет весьма непрочную структуру. Под влиянием гидродинамических сил, возникающих при движении воды, эта структура разрушается и некоторая часть ранее прилипших частиц отрывается от зерен загрузки в виде мелких хлопьев и проносится в последующие слои загрузки, где вновь задерживается.

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

Осветление воды в каждом элементарном слое происходит до тех пор, пока интенсивность прилипания частиц превышает интенсивность отрыва частиц. По мере накопления осадка в слое интенсивность отрыва частиц увеличивается.

Расчет технологического процесса фильтрования основывается на данных, полученных при технологическом моделировании, и критерии оптимального режима работы фильтров. Критерием оптимального режима является соотношение между периодом защитного действия загрузки t3 и периодом работы фильтра до момента достижения предельной потери напора tн.

В зависимости от условий это соотношение может быть различным.

Когда tз > tн, фильтр выключают на промывку в связи с тем, что дальнейший прирост потери напора невозможен, так как достигнут предельный напор, обусловленный высотным расположением очистных сооружений, и весь он расходуется на преодоление сопротивления закольматированной фильтрующей загрузки; при этом задерживающая способность фильтрующей загрузки используется не полностью, так как фильтр выключается на промывку, хотя при наличии соответствующего напора перед ним он мог бы еще в течение определенного времени давать воду требуемого качества.

В случае если tз < tн, фильтр необходимо выключать на промывку из-за ухудшения качества фильтрата, при этом потеря напора в загрузке не достигла своего предельного значения, а избыточный напор не используется с пользой и теряется в задвижках и в отводящем фильтрат трубопроводе, и, следовательно бесполезно расходуется энергия.

С технико-экономической точки зрения наилучшим соотношением является tз = tн. В этом случае обеспечивается максимальная скорость фильтрации и соответственно производительность фильтров. Однако из соображений санитарной надежности следует принимать tз / tн >1, так как при этом в течение всего фильтроцикла гарантируется высокое качество очищенной воды. С увеличением отношения tз / tн возрастает санитарная надежность фильтровальных сооружений, но одновременно повышаются капитальные и эксплуатационные затраты; поэтому желательно, чтобы tз было немного больше tн. Обычно при оптимизационных расчетах рекомендуется принимать

tз = (1,2 - 1,3) tн.