Фильтры с зернистой перегородкой

В процессах очистки сточных вод как правило приходится иметь дело с большим количеством воды, поэтому применяют фильтры, для работы которых не требуется высоких давлений. Исходя из этого, используют фильтры с сетчатыми элементами (микрофильтры и барабанные сетки) и фильтры с фильтрующим зернистым слоем.

Фильтр с зернистой перегородкой представляет собой резервуар,.

Таблица II. 7.

Характеристика фильтров периодического и непрерывного действия

Обозначения, характеризующие технико-экономические показатели фильтров: 1 — высокие; 2 — хорошие; 3 — удовлетворительные; 4 — низкие (применяются при крайней необходимости); прочерк — неудовлетворительные (неприменимость данного фильтра)._•* в нижней части которого имеется дренажное устройство для отвода воды. На дренаж укладывают слой поддерживающего материала, а затем фильтрующий материал.

Важными характеристиками пористой среды являются порозность и удельная поверхность. Порозность зависит от структуры пористой среды и связана не только с размером зерен, образующих слой, но и с их формой и укладкой. Если обозначить порозность через е, а объем, занимаемый телом, через У_в, тогда? + V_B = 1.

При? = 0 пористая среда превращается в сплошное тело, а при е =1 в максимально пористое тело (когда размеры стенок твердого вещества так малы, что У_в—>0).

Удельная поверхность слоя определяется не только порозностью, но и пористостью отдельных зерен, а также зависит от формы зерен (коэффициент формы существенно влияет на емкость фильтрующего слоя и коэффициент гидравлического сопротивления). Удельную объемную поверхность слоя вычисляют по формуле:

где а — удельная объемная поверхность фильтрующего слоя, м²/м³; |/ — коэффициент формы зерен; <�ф — эквивалентный диаметр зерен, м.

Механизмы извлечения частиц из воды сводятся к следующим: 1) процеживание, при котором извлечение частиц является чисто механическим; 2) гравитационное осаждение; 3) инерционное захватывание; 4) химическая адсорбция; 5) физическая адсорбция; 6) адгезия; 7) коагуляционное осаждение; 8) биологическое выращивание. В общем случае эти механизмы могут действовать совместно, и процесс фильтрования состоит из трех стадий: 1) перенос частиц на поверхность вещества, образующего слой; 2) прикрепление к поверхности; 3) отрыв от поверхности.

По характеру механизма задерживания взвешенных частиц различают два вида фильтрования: 1) фильтрование через пленку (осадок) загрязнений, образующуюся на поверхности зерен загрузки; 2) фильтрование без образования пленки загрязнений. В первом случае задерживаются частицы, размер которых больше пор материала, а затем образуется слой загрязнений, который является также фильтрующим материалом. Такой процесс характерен для медленных фильтров, которые работают при малых скоростях фильтрования. Во втором случае фильтрование происходит в толще слоя загрузки, где частицы загрязнений удерживаются на зернах фильтрующего материала адгезионными силами. Такой процесс характерен для скоростных фильтров. Величина сил адгезии зависит от крупности и формы зерен, от шероховатости поверхности и ее химического состава, от скорости потока и температуры жидкости, от свойств примесей.

Прилипшие частицы постоянно испытывают влияние движущегося потока, который в результате трения срывает их с поверхности фильтрующего материала. При равенстве числа частиц, поступающих в единицу времени на поверхность фильтрующего слоя и покидающих ее, наступает насыщение поверхности, и она перестает осветлять сточные воды.

Кинетика фильтрования и материальный баланс описываются уравнениями:

При решении этих уравнений получается общее уравнение процесса:

где с — концентрация взвешенных веществ в сточных водах; х — длина участка канала, на котором происходит выделение примеси; b и а — константы скорости прилипания и отрыва частиц; q — концентрация осадка.

Это уравнение имеет решение в виде бесконечного ряда. Продолжительность работы фильтра до «проскока» называют временем защитного действия т_з.

Продолжительность работы фильтра до «проскока» частиц в фильтрат определяют по формуле:

где / — толщина фильтрующего слоя; d — размер частиц фильтрующего слоя; к и s_Q — константы, зависящие от концентрации взвешенных веществ в исходной и осветленной сточной воде.

Взвешенные вещества при прохождении через слой материала уменьшают иорозность и изменяют поверхность. Сопротивление фильтрующего слоя возрастает по мере прохождения сточной воды и в любой момент времени равно:

где h — сопротивление фильтрующего слоя; i₀— сопротивление единицы толщины фильтрующего слоя при прохождении через него чистой жидкости; i — сопротивление единицы фильтрующего слоя с задержанными частицами в любой промежуточный момент времени; s — порозность фильтрующего слоя; — удельный объем осадка, накопившегося в фильтрующем слое; d₃— эквивалентный диаметр зерен загрузки; ц/ — коэффициент формы зерен загрузки.

Фильтры с зернистым слоем подразделяют на медленные и скоростные, открытые и закрытые. Высота слоя в открытых фильтрах равна 1−2 м, в закрытых 0,5−1 м. Напор воды в закрытых фильтрах создается насосами.

Медленные фильтры используют для фильтрования некоагулированных сточных вод. Они представляют собой бетонные или кирпичные резервуары с дренажным устройством, на котором расположен зернистый слой. Скорость фильтрования в них зависит от концентрации взвешенных частиц: до 25 мг/л принимают скорость фильтрования 0,2−0,33 м/ч; при 25−30 мг/л — 0,1−0,2 м/ч. Достоинством фильтров является высокая степень очистки сточных вод. Недостатки: большие размеры, высокая стоимость и сложная очистка от осадка.

Скоростные фильтры могут быть двух типов: однослойные и многослойные. У однослойных фильтров фильтрующий слой состоит из одного и того же материала, у многослойных—из различных материалов. Схема одного из скоростных фильтров показана на рис. И-12, а.

Сточную воду подают внутрь фильтра, где она проходит через фильтрующий материал и дренаж и удаляется из фильтра. После засорения фильтрующего материала проводят промывку подачей промывных вод снизу вверх. Дренажное устройство выполняют из пористобетонных сборных плит. На нем размещают фильтрующий материал (в 2−4 слоя) одного гранулометрического состава. Общая высота слоя загрузки равняется 1,5−2 м. Скорость фильтрования принимается равной 12−20 м/ч.

В многослойных скоростных фильтрах фильтрующий слой состоит из зерен разных материалов. Например, из слоя антрацита и песка. Верхние слои имеют зерна большего размера, чем нижние. Конструкция этих фильтров мало отличается от конструкции однослойных. Они имеют более высокую производительность и большую продолжительность фильтрования.

Выбор типа фильтра для очистки сточных вод зависит от количества фильтрующих вод, концентрации загрязнений и степени их дисперсности, физико-химических свойств твердой и жидкой фаз и от требуемой степени очистки.

Промывку фильтров, как правило, производят очищенной водой (фильтратом), подавая ее снизу вверх. При этом зерна загрузки переходят во взвешенное состояние и освобождаются от прилипших частиц загрязнений. Может быть произведена водо-воздушная промывка, при которой сначала зернистый слой продувают воздухом для разрыхления, а затем подают воду. Интенсивность подачи воздуха изменяется в пределах 18−22 л/(м² с), а воды — 6−7 л/(м² с). Возможна и трехэтапная промывка. Сначала слой продувают воздухом, а затем смесью воздух — вода; на последнем этапе — водой. Продолжительность промывки 5−7 мин.

Особенностью фильтра с подвижной загрузкой является вертикальное расположение фильтрующей загрузки и горизонтальное движение фильтруемой воды. Фильтрующим материалом служит кварцевый песок (1,5—3 мм) или гранитный щебень (3−10 мм). Схема фильтра показана на рис. II-12,6.

Сточная вода поступает в коллектор, откуда через каналы и отверстия поступает в фильтрующий слой. Очищенную воду отводят из фильтра через дренажную камеру. Загрязненный материал перекачивают гидроэлсватором по трубе в промывное устройство. Расчетная скорость фильтрации 15 м/ч; расход промывной воды 1−2% от производительности фильтра; необходимый напор перед фильтром 2−2,5 м. Эффективность очистки составляет 50−55%.

Достоинства фильтров: большая скорость фильтрации, высокое качество отмывки загрузки от загрязнений, небольшая производственная площадь, занимаемая фильтром. Недостатки: большая металлоемкость, истирание стенок трубопроводов, измельчение и унос песка, сложность эксплуатации.