Воды фильтрованием

Очистка воды на фильтровальных сооружениях – это заключительный этап технологического процесса подготовки воды для хозяйственно-питьевых нужд до процесса обеззараживания. От эффективности и надежности работы фильтровальных сооружений зависит качество очищенной воды и ее себестоимость. Фильтрование воды через зернистую среду с целью получения воды питьевого качества начало практиковаться еще в 70-е годы XIX столетия. Вначале были медленные фильтры, в качестве загрузки использовался песок крупностью 0,3…0,4 мм; толщина слоя фильтрующей загрузки была 40…50 см, = 20 см/ч.

При пропуске воды через такой мелкий песок на поверхности слоя фильтрующей загрузки образовывался и увеличивался слой осадка из загрязнений, извлекаемых из очищаемой воды. По существу очистка воды обеспечивалась за счет обычного механического процеживания. Фильтрующая загрузка играла роль подложки (поддерживающего слоя). Позднее на рубеже XIX и XX столетий появились скорые фильтры, на которых составляла от 3 до 5 м/ч. Сейчас глубокая очистка может проходить при = 10 м/ч. В качестве фильтрующей загрузки был карьерный или речной песок с крупностью зерен от 0,5 до 2 мм; толщина загрузки составляла от 0,5 до 0,7 м.

Значительный вклад в развитие теории фильтрования суспензийвнес В. М. Турчинович.

Обязательным условием успешной работы фильтров считалось образование слоя осадка из задержанных частиц на поверхности загрузки. Как и в случае медленного фильтрования, основную роль при очистке воды играл механизм процеживания. Фильтрующая загрузка, по мнению исследователей тех лет, должна была выполнять функцию подложки для образовавшегося осадка. Такое объяснение механизма процеживания продержалось в отраслевой науке и практике до конца 30-х годов XX века, до момента появления скорых двухслойных фильтров с фильтрующей загрузкой из дробленого антрацита с крупностью зерен 2…3 мм и мелкозернистого песка крупностью 0,5…1,0 мм. Отечественный исследователь В. А. Клячко доказал, что фильтрующая загрузка работает более эффективно, когда на ее поверхности не образуется слой осадка, а загрязнения проникают внутрь загрузки и располагаются в ее объеме. Как утверждал В. А. Клячко, процесс очистки воды – это не просто процеживание, а сложный физико-химический процесс, при котором основную роль играют силы адгезии и электростатического взаимодействия.

Наиболее объективной теорией процесса очистки воды фильтрованием, учитывающей все ценное из предыдущих теорий фильтрационного процесса, является теория фильтрования, созданная профессором, д-ром техн. наук Даниилом Максимовичем Минцем, который разработал контактные осветлители и внедрил их впервые в мире на главной водопроводной станции в Ленинграде.

Д. М. Минц считал, что очистка воды фильтрованием – это достаточно сложный физико-химический процесс, в основе которого лежит адгезия ранее дестабилизированных загрязнений воды к зернам фильтрующего материала. Сила адгезионного взаимодействия зависит как от физико-химических свойств загрязнений, включающих гидролизованный коагулянт, взвешенные коллоидные частицы очищаемой воды, так и от аналогичных свойств фильтрующих материалов.

Согласно рассматриваемой теории, очистка воды является результатом двух противоположно действующих процессов – прилипания и отрыва ранее прилипших к зернам фильтрующей загрузки частиц загрязнений.

При движении воды, содержащей хлопьевидные загрязнения, через зернистую загрузку фильтровального сооружения взвесь накапливается в виде гелеобразной массы, образуя коллоидную структуру и заполняя межзерновое поровое пространство. Гидравлическое сопротивление в загрузке возрастает. Извлечение загрязняющих примесей из воды и их закрепление на поверхности зерен фильтрующей загрузки происходит под действием сил адгезии (прилипания) и сил электростатического взаимодействия.

Осадок, накапливающийся в загрузке, имеет непрочную структуру. При воздействии гидродинамических сил потока фильтруемой воды эта структура разрушается, некоторая часть ранее прилипших частиц загрязнений отрывается от поверхности зерен фильтрующего материала в виде мелких хлопьев и переносится в последующие слои фильтрующей загрузки, где вновь под действием сил адгезии и электростатического взаимодействия закрепляется, образуя в свободном объеме межзерновых пор вторичную менее прочную коллоидную структуру. При повторном извлечении из воды ранее оторвавшихся частиц загрязнений сила их взаимодействия с поверхностью зерен значительно меньше, чем при первичном прилипании их к зернам фильтрующей загрузки.

Таким образом, очистку воды в зернистой загрузке следует рассматривать как суммарный результат процесса прилипания загрязнений, их отрыва, переноса по ходу движения воды в слои загрузки и повторного закрепления на поверхности зерен фильтрующего материала.

Осветление воды в каждом элементарном слое загрузки происходит до тех пор, пока интенсивность прилипания частиц превышает интенсивность отрыва их в этом слое. Очистка прекращается, когда наступает равенство прилипания и отрыва.

Процесс осветления воды в фильтрующей загрузке во времени проиллюстрирован на рис. 3.1 и 3.2.

Пробы фильтрата отбираются одновременно во всех уровнях (х₁…х₄) через каждый час.

Кривые 1–6 показывают кинетику насыщения слоев загрузки х₁…х₄ в различные периоды времени от начала фильтрования t₁…t₆.

Кривая 1 характеризует насыщение загрузки загрязнениями на начальном периоде фильтроцикла.

Кривая 6 характерна для стадии предельного насыщения фильтрующей загрузки загрязнениями. При продолжении процесса фильтрования (на стадии предельного насыщения загрузки загрязнениями) эти загрязнения практически не задерживаются в фильтрующей загрузке. При продолжительном фильтровании осадок, образующийся в зернистой загрузке, изменяет объем и форму свободного межзернового порового пространства, т. е. изменяется геометрическая структура всей пористой среды.

Рис. 3.1. Схема фильтрования воды:

0–0 – поверхность фильтрующей загрузки; х₁…х₄ – толщина слоев загрузки; С_о – концентрация взвеси в воде, поступающей на очистку; С_ф– концентрация взвеси в воде после очистки (меняется во времени)

Известно, что геометрическая структура пористой среды оказывает существенное влияние на ее гидравлическое сопротивление. При накоплении осадка гидравлическое сопротивление зернистого слоя увеличивается и потери возрастают. По мере фильтрования наступает момент, когда потери напора в фильтрующей загрузке достигают предельно возможных. Как правило, предельно возможные потери напора Н_пр составляют:

- для нисходящего фильтрования (сверху вниз) 2,5 м (рис. 3.3);

- для восходящего фильтрования (снизу вверх) – 2 м (рис. 3.4).

При восходящей фильтрации (снизу вверх) величина максимально возможной потери напора равна величине массы слоя пористой загрузки в воде на единицу площади:

Н_пр = ,

где –	плотность загрузки;
L –	толщина слоя фильтрующей загрузки, м;
1 –	Неоднородные зерна плотность воды.