Технологические основы очистки стоков фильтрованием

В технологии очистки фильтрованием важным является соотношение между продолжительностью периода защитного действия загрузки t_з и продолжительностью достижения предельной потери напора t_н . Это соотношение может быть различным для различных условий осуществления процессов очистки. Когда t_з < t_н, фильтр выключают на промывку из-за ухудшения качества фильтрата. При t_з = t_н моменты достижения предельной потери напора и начала ухудшения качества фильтрата совпадают, что является наилучшим с точки зрения технико-экономических показателей очистки. Если t_з > t_н, задерживающая способность загрузки используется только частично, т.е. фильтр мог бы еще работать, обеспечивая требуемую очистку фильтрата, но необходимо отключение по причинам превышения допустимого гидравлического сопротивления слоя. При t_з < t_н не полностью используется имеющийся напор, так как необходимо отключение фильтра на промывку из-за ухудшения качества фильтрата.

Путем изменения толщины слоя загрузки, эквивалентного диаметра зерен загрузки, изменения скорости фильтрования можно уменьшить t_з, если t_з > t_н , или t_н , если t_{н >} t_з и добиться их равенства, при котором достигается максимальная производительность фильтра. Для обеспечения требуемого качества фильтрата, повышения надежности сооружений целесообразно принимать значения t_з / t_н >1.

Трудности расчета фильтров очистки сточных вод различного состава из-за многих причин предопределяют необходимость технологического моделирования фильтрования. Оно основано на предположении о неизменности физической сущности явлений, сил, действующих на объекты, наблюдаемых в производственных и лабораторных условиях. Для большей воспроизводимости лабораторных данных на производстве, в том числе для исключения влияния на показатели процесса пристеночного эффекта, изменения скорости потока по высоте слоя из-за отбора проб, в лабораторных опытах рекомендуют применять фильтрующие колонки диаметром 150 - 200 мм в высотой 2 - 3 м.

Выключение фильтров на промывку осуществляют при достижении предельного значения регламентированного гидравлического сопротивления или ухудшения качества фильтрата. Промывку осуществляют обратным током воды или воздуха и воды. Промывная вода подается снизу фильтра со скоростью, обеспечивающей переход зерен загрузки во взвешенное состояние. Объем загрузки при этом увеличивается, и ее поверхность приближается к кромке желоба. Находясь во взвешенном состоянии, отдельные зерна непрерывно соударяются друг о друга, происходит оттирание налипших частиц примесей, которые уносятся потоком воды. Для промывки нормально работающих фильтров достаточна продолжительность 5 - 8 мин. Промывку кварцевых песков с диаметром зерна 1 мм ведут, например, в следующем режиме: продувка воздухом с интенсивностью 15 - 20 л/м² ×с в течение 1 - 2 мин, затем водовоздушная промывка при подаче воздуха 15 - 20 л/м² × с и воды 3 - 4 л/м² × с в течение 4 - 5 мин с последующей подачей воды с интенсивностью 6 - 8 л/м² ´ с в течение 4 - 5 мин. Расход воды на промывку составляет от 2 до 8 % от объема очищаемой воды.

Для безреагентного осветления и частичного обесцвечивания воды из поверхностных источников используют медленные фильтры. В зависимости от содержания взвешенных веществ в исходной воде (50 - 1000 мг/л) рекомендуют различные технологические схемы: регенерация с удалением зернистой загрузки при малом содержании взвешенных; механическое рыхление и гидросмыв загрязнений - при среднем содержании; предфильтры и медленные фильтры с механическим рыхлением и гидросмывом - при мутности до 1000 мг/л. Образующаяся на поверхности загрузки пленка из взвешенных веществ обеспечивает высокую степень очистки и обеззараживания воды. Стоимость очистки на медленных фильтрах невысока, но они пригодны только при относительно небольшой производительности очистных сооружений, не более 3000 м³/сут. Скорость фильтрования – 0,1 - 0,3 м/ч.

Скорые фильтры используются для очистки воды с предварительным осветлением и без осветления (прямоточные фильтры). В зависимости от способа создания напора, необходимого для преодоления гидросопротивления зернистой загрузки, различают фильтры открытые, самотечные и напорные. В открытых фильтрах перепад давлений создается за счет разности уровней воды на фильтре и в резервуаре воды; в напорных давление создается насосом. Скорости фильтрования изменяются в интервале 5 - 15 м/ч.

Разновидность скорых фильтров - контактные осветлители работают по принципу фильтрования воды с добавлением коагулянтов через слой зернистой загрузки. Коагуляция в слое зернистой загрузки протекает полнее и быстрее, чем при коагуляции в слое жидкости. Однако нельзя исключить опасность загрязнения распределительной системы, поэтому необходима предварительная очистка от грубых примесей.

Суммарную площадь фильтров (F, м²) рассчитывают по формуле

(5.12)

где Q – полезная производительность очистной станции, м³/сут; Т – продолжительность работы станции в течение суток, ч; _т – расчетная скорость фильтрования, м/ч; n – число промывок каждого фильтра в сутки; w – интенсивность промывки, л/м²с; t₁ – продолжительность промывки, ч; t₂ – время простоя фильтра в связи с промывкой, ч.

Фильтрующие материалы

При выборе фильтрующего материала необходимо учитывать его стоимость, возможность получения в близлежащих районах, надлежащий фракционный состав, механическую прочность, химическую стойкость по отношению к фильтруемой воде. Использование мелкого материала приводит к сокращению фильтроцикла, росту объема промывной воды, увеличению эксплуатационных затрат. Применение крупных фракций снизит качество фильтрата. При большой неоднородности фильтрующей загрузки ухудшаются условия промывки, так как вынос мелких фракций начнется раньше, чем придет в движение загрузка крупных фракций. Можно снизить интенсивность промывки, но это приведет к недостаточной промывке.

При недостаточной механической прочности загрузки происходит истирание и измельчение, вследствие чего возрастает гидравлическое сопротивление слоя из-за забивания мелочью и вынос измельченной загрузки с промывной водой. Механическую прочность оценивают по истираемости (вследствие трения друг о друга зерен во время промывок) и по измельчаемости (т.е. износ вследствие растрескивания зерен)

Недостаточная химическая стойкость приводит к обогащению осветленной воды вредными для здоровья людей веществами, содержащимися в материале. Фильтрующий материал считается стойким, если он дает прирост растворенного остатка не более 20 мг/л, окисляемости до 10 мг О₂/л и кремниевой кислоты – до 10 мг/л. Также проводится оценка по содержанию токсичных веществ.

Важнейшие характеристики фильтрующих материалов: межзерновая пористость засыпки, форма зерен и плотность. Зерна угловатой формы, имеющие шероховатую поверхность, характеризуются повышенным эффектом адсорбции примесей, а большая пористость обеспечивает меньшее гидравлическое сопротивление. Плотность зерен загрузки определяет необходимую интенсивность промывки фильтрующей загрузки. Межзерновую пористость засыпки определяют по формуле

, (5.13)

где m - масса отмытого и отсортированного материала, имеющего объем V, r – плотность материала.

Форма зерен оценивается коэффициентом формы, представляющим собой отношение поверхности зерна к поверхности равновеликого по объему шара. Коэффициент формы реальных загрузок всегда больше единицы.

Наибольшее распространение в качестве фильтрующего материала получил кварцевый песок - речной или карьерный. Наряду с песком применяют антрацит, керамзит, шунгизит, горелые породы, доменные шлаки и т.д. Находят применение зерна полистирола, получаемого в результате вспучивания при тепловой обработке исходного материала - полистирольного бисера. Зерна такой загрузки имеют плотность от 100 до 200 кг/м³ и плавают в воде. В последнее время в качестве фильтрующих материалов находят применение материалы, способные извлекать из воды не только взвешенные вещества, но и растворенные примеси: магномасса, активные угли, природные ионообменники - цеолиты. В качестве поддерживающих материалов используют щебень или гравий.

Очистку маломутных и малоцветных вод можно проводить фильтрованием через слой специального фильтрующего материала - порошка, предварительно намытого на фильтрующую основу: плоские, цилиндрические керамические материалы, сетчатые и каркасно-навитые элементы. В качестве фильтрующих материалов используют диатомит, целлюлозу, бентонит, древесную муку и опилки, волокнистые материалы. Такие фильтры называют намывными. Работают фильтры по напорной схеме, реже как гравитационные или вакуумные. Скорость фильтрования – от 1 до 50 м/ч, продолжительность фильтроцикла – 35 - 60 ч, потери напора – до 15 - 20 м, расход воды на промывку – 0,5 - 0,7 %. На м² основы намывают 300 - 400 г порошка за 3-4 мин. Равномерный слой фильтрующего материала удерживается за счет разности давлений внутри и вне слоя. Для предотвращения образования на поверхности слоя малопроницаемой пленки примесей в очищаемую воду непрерывно или периодически вводят небольшие количества фильтрующего порошка (до 10 мг/л).