Засыпные фильтры

Назначение
Виды засыпных фильтров
Устройство. Состав
Описание работы
Режимы работы фильтров засыпного типа
Нестандартные фильтры засыпного типа
Достоинства и недостатки

1. Назначение

Засыпные фильтры предназначены для эффективного удаления из воды взвешенных примесей, органических веществ, соединений железа, жесткости и других примесей.

Основные модели фильтров:

Осветлительный фильтр предназначен для удаления из воды механических примесей (песок, мелкие механические частицы, окисленное железо) и коллоидных взвесей путем осаждения в фильтрующем слое и сбросом накопленных загрязнений в дренажную линию во время обратной промывки. В качестве фильтрующей загрузки применяется кварцевый песок или аналогичные по своим свойствам фильтрующие материалы.

Окислительный фильтр предназначен для обезжелезивания воды путем каталитического окисления растворимой двухвалентной формы железа до нерастворимой трехвалентной с последующим осаждением гидроксида железа (ржавчины) в фильтрующем слое и сбросом накопленных загрязнений в дренажную линию во время обратной промывки. Химической регенерации не требует. В качестве фильтрующей загрузки применяется каталитический материал МЖФ.

Ионообменный фильтр предназначен для удаления из воды солей жесткости (умягчения воды) методом ионного обмена. Продукты ионного обмена периодически сбрасываются в дренаж при регенерации. Для восстановления ёмкости поглощения ионообменной смолы используется раствор поваренной соли (NaCl). В качестве фильтрующей загрузки применяется ионообменная смола Purolite C100 или аналог.

Сорбционный фильтр предназначен для улучшения органолептических показателей качества воды путем адсорбции в фильтрующем слое активированного угля и сбросом накопленных загрязнений в дренаж в режиме обратной промывки. Химической регенерации не требует. В качестве фильтрующей загрузки применяется активированный уголь марки С207.

2. ВИДЫ ЗАСЫПНЫХ ФИЛЬТРОВ.

Для водоподготовки (очистки воды) служат так называемые засыпные фильтры. Они представляют собой баки (как правило, достаточно большого объема) с сыпучими фильтрующими материалами. Конструкция и состав засыпки различаются в зависимости от их назначения. Их преимущество заключается в том, что они могут не только улавливать большое количество примесей, но и – в отличие от картриджей и сетчатых фильтров – работать целыми годами без замены, подвергаясь периодической регенерации (промывке).

По типу регенерации фильтрующей загрузки, фильтры делятся на два вида:

1. Регенерация фильтрующей загрузки по средством промывки обратным током воды, без применения химических реагентов.

2. Регенерация фильтрующей загрузки с восстановлением фильтрующей способности с применением специализированных химикатов. Виды химических реагентов необходимых для регенерации

3. Устройство. Состав

Засыпной фильтр состоит из следующих основных составляющих (номер по порядку соответствует номеру на рисунке).

1. Корпус.

Корпус фильтра (по английски - pressure vessel, tank) изготавливается, как правило, из стеклопластика, иногда из нержавеющей стали. За рубежом "нержавейка" считается дорогим и тяжелым материалом и применяется в основном в специальных случаях (например, медицина).

По форме корпус представляет собой полый цилиндр с куполообразными верхом и дном. Такая форма обеспечивает оптимальные гидравлические характеристики работы фильтра. Для устойчивости в нижней части используется специальное кольцевое основание. В верхней части корпуса прорезается горловина, через которую осуществляется сборка и засыпка фильтра. В корпусах большого размера подобная горловина делается и снизу, чтобы облегчить сборку и ремонт фильтра. При эксплуатации нижняя горловина закрывается специальной заглушкой. В корпусе фильтра в разных местах могут прорезаться и другие технологические отверстия (например, специально для засыпки фильтрующей среды).

2. Блок управления.

Блок управления (БУ) фильтром представляет собой многоходовой клапан (отсюда и английский термин - valve и часто употребляемый в России, хотя и не совсем корректный, термин "управляющий клапан") с соответствующим приводом (электромеханическим, гидравлическим или др.) и необходимой автоматикой (возможен вариант исполнения с ручным управлением).

Назначение БУ - это своевременная инициализация процесса регенерации (восстановления фильтрующей способности) фильтра и осуществление последовательного переключения потоков воды внутри фильтра в соответствии с заданной программой.

Блок управления всегда имеет внешний порт для подсоединения линии неочищенной воды, внешний выходной порт, в который подается уже обработанная вода и внешний дренажный порт для периодического сброса накопленных загрязнений. Так устроены, например, блоки управления, предназначенные для установки на фильтрах без химической регенерации. Несколько сложнее устройство БУ, применяемых в фильтрах с химической регенерацией и имеющих дополнительную вешний порт для подачи регенерирующего раствора. В этом случае в комплект засыпного фильтра входит также бак для приготовления и хранения регенерирующего раствора (на рисунке не показан).

В зависимости от типа устройства, выдающего сигнал на начало регенерации, БУ делят на два основных типа.

Первый - это БУ с регенерацией по времени. В состав такого блока входит таймер (электронный или электромеханический), который через определенные промежутки времени выдает сигнал на начало регенерации. Такие блоки чаще применяются в фильтрах без химической регенерации.

Второй - это БУ с регенерацией по расходу. В состав такого блока входит расходомер (счетчик воды), который выдает сигнал на регенерацию после прохождения через фильтр определенного объема воды. Такие блоки на практике чаще применяются в фильтрах с химической регенерацией.

Гораздо реже встречаются БУ с регенерацией по параметру качества воды. В состав такого блока входит один или несколько датчиков. Их назначение - измерять один или несколько параметров воды на выходе системы и выдавать сигнал на регенерацию тогда, когда параметры очищенной воды перестают удовлетворять заданным требованиям (например, увеличивается жесткость). Часто работой датчиков управляет микропроцессор. Понятно, что такие системы дороги и применяются практически только на крупных промышленных объектах. Как правило, блок управления устанавливается на верхней горловине корпуса фильтра (как на рисунке). Такая компоновка называется "верхней" - от английского Top Mount. В промышленных фильтрах большого размера нередко применяется компоновка Side-Mount, когда БУ устанавливается сбоку от фильтра.

Для реализации функции переключения потоков внутри фильтра БУ связан с уже упоминавшейся распределительной системой, в состав которой, в свою очередь, входят:

3. Центральный распределительный стояк.

Центральный стояк (или raiser) представляет собой трубу (как правило, пластиковую), устанавливаемую вертикально по центру корпуса фильтра. Ее верхний конец (здесь речь идет о фильтрах с верхней компоновкой, как на рисунке) соединен с блоком управления, а на втором - закреплен нижний распределитель, называемый часто дистрибьютором (от английского distributor).

4. Нижний распределитель.

В сравнительно небольших фильтрах нижний распределитель (bottom distributor) представляет собой некий пластиковый "набалдашник" с множеством тончайших калиброванных щелей (на рисунке щели изображены нарочито широкими. Как правило. Их толщина составляет сотни микрон). Предназначение нижнего распределителя - распределять поток воды, поступающий по центральному стояку равномерно во всех радиальных направлениях или, наоборот, "собирать" со всех направлений воду, двигающуюся внутри фильтра вниз и подавать ее через центральный стояк к блоку управления. Это делается для того, чтобы максимально задействовать весь имеющийся объем фильтра (чтобы в нем не образовывались "мертвые зоны").

В фильтрах большего размера описанного выше и показанного на рисунке дистрибьютора становится недостаточно и тогда применяют лучевые (их еще называют латеральными - от английского lateral - "боковой") дистрибьюторы.

Для защиты нижнего распределителя, он всегда закрывается слоем специальной засыпки, называемой "гравийной подложкой".

5. Гравийная подложка.

Из названия видно, что для создания подложки используется специальный очищенный, промытый и тщательно отсортированный по гранулометрическому составу гравий. Благодаря однородному размеру, гравийная подложка "помогает" нижнему распределителю в его работе, т.е. в равномерном распределении потока воды по всему поперечному сечению фильтра.

6. Фильтрующая среда.

Если блок управления, корпус, распределительную систему, подложку можно сравнить с "телом" фильтра (оно устроено у всех более-менее одинаково), то фильтрующая среда - это, несомненно, его "душа", определяющая индивидуальность каждого фильтра засыпного типа. Именно от того, какая в фильтре используется фильтрующая среда и будет зависеть его работа, т.е. то, какой круг задач способен решать такой фильтр, на какой воде он может работать, а на какой нет, какой тип регенерации (химический или безреагентный) должен быть использован и т.п. Именно в области используемых фильтрующих сред и находятся большинство "ноу-хау", используемых компаниями, работающими в области водоподготовки.

Выбор типа засыпки - задача сама по себе не простая, зависящая от ряда факторов и, прежде всего, от результатов исследования исходной воды, т.е. от ее параметров и целей, которые необходимо достигнуть. Однако правильный выбор засыпки - это еще полдела. Надо еще правильно подобрать ее количество в зависимости от потребной производительности фильтра, его габаритов, типа регенерации и физико-химических свойств самой фильтрующей среды. Достигается это грамотным "расчетом" фильтра. При расчете учитываются и скорости прохождения воды через фильтр в разных режимах, и необходимая минимальная высота слоя засыпки, и "расширение" объема фильтрующей среды, которое необходимо обеспечить при обратной, и целый ряд других параметров. В зависимости от результатов расчета подбирается количество засыпки для каждого типоразмера фильтра и соответствующим образом настраивается блок управления фильтром.

Необходимо заметить также, что засыпка может быть как однокомпонентной, т.е. состоящей из одного типа фильтрующей среды, так и двух- и многокомпонентной, состоящая из нескольких типов фильтрующих сред. При этом сами фильтрующие среды в многокомпонентной засыпке могут быть перемешанными между собой, либо располагаться слоями. Применяются и комбинации смешанных и многослойных засыпок.

Надо ли говорить, что разработка, подбор и расчет фильтров с многокомпонентными многослойными засыпками является "высшим пилотажем водоподготовки", так как для эффективной работы такого фильтра необходимо не только определить "совместимые" между собой засыпки, но и подобрать оптимальные количественные соотношения и оптимальные режимы эксплуатации. Математическая модель такого расчета - это решение системы уравнений с множеством переменных.

3. ОПИСАНИЕ РАБОТЫ ЗАСЫПНЫХ ФИЛЬТРОВ

Описание работы засыпных фильтров на примере осветлительного фильтра. Вода, содержащая взвешенные частицы, двигаясь через зернистую загрузку, задерживающую взвешенные частицы, осветляется. Эффективность процесса зависит от физико-химическихсвойств примесей, фильтрующей загрузки и гидродинамических факторов. В толщине загрузки происходит накапливание загрязнений, уменьшается свободный объем пор и возрастает гидравлическое сопротивление загрузки, что приводит к росту потерь напора в загрузке.

В общем виде, процесс фильтрации можно условно разбить на несколько стадий: перенос частиц из потока воды на поверхность фильтрующего материала; закрепление частиц на зернах и в щелях между ними; отрыв закрепленных частиц с переходом их обратно в поток воды.

Извлечение примесей из воды и закрепление их на зернах загрузки происходит под действием сил адгезии. Осадок, формирующийся на частицах загрузки, имеет непрочную структуру, которая под влиянием гидродинамических сил может разрушаться. Некоторая часть ранее прилипших частиц отрывается от зерен загрузки в виде мелких хлопьев и переносится в последующие слои загрузки (суффозия), где вновь задерживается в поровых каналах. Таким образом, процесс осветления воды нужно рассматривать как суммарный результат процесса адгезии и суффозии. Осветление в каждом элементарном слое загрузки происходит до тех пор, пока интенсивность прилипания частиц превышает интенсивность отрыва.

По мере насыщения верхних слоев загрузки процесс фильтрации переходит на нижерасположенные, зона фильтрации как бы сходит по направлению потока от области, где фильтрующей материал уже насыщен загрязнением и преобладает процесс суффозии к области свежей загрузки.

Затем наступает момент, когда весь слой загрузки фильтра оказывается насыщенным загрязнениями воды, и требуемая степень осветления воды не обеспечивается. Концентрация взвеси на выходе загрузки начинает возрастать.

Время, в течение которого достигается осветление воды до заданной степени, называется

временем защитного действия загрузки. При его достижении либо при достижении предельной потери напора осветлительный фильтр необходимо перевести в режим взрыхляющей промывки, когда загрузка промывается обратным током воды, а загрязнения сбрасываются в дренаж.

Возможность задержания фильтром грубой взвеси зависит, в основном, от ее массы; тонкой взвеси и коллоидных частиц – от поверхностных сил. Важное значение имеет заряд взвешенных частиц, так как коллоидные частицы одноименного заряда не могут объединяться в конгломераты, укрупняться и оседать: заряд препятствует их сближению. Преодолевается это «отчуждение» частиц искусственным коагулированием. Как правило, коагулирование (иногда, дополнительно - флокулирование) производится в отстойниках-осветлителях. Часто этот процесс совмещается с умягчением воды известкованием, или содо-известкованием, или едконатровым умягчением.

В обычных осветлительных фильтрах чаще всего наблюдается пленочное фильтрование. Объемное фильтрование организуют в двухслойных фильтрах и в так называемых контактных осветлителях. В фильтр засыпают нижний слой кварцевого песка с размером зерен 0,65–0,75 мм и верхний слой антрацита с размером зерен 1,0–1,25 мм. На верхней поверхности слоя крупных зерен антрацита пленка не образуется, взвешенные примеси проникают вглубь слоя – в поры и откладываются на поверхности зерен. Взвешенные вещества, прошедшие слой антрацита, задерживаются нижним слоем песка.

5. Режимы работы фильтров засыпного типа

5.1. Режимы работы фильтров без регенерации реагентами.

1. Сервис (Service).

Цикл очистки воды. Неочищенная вода со входа поступает внутрь фильтра, проходит через слой фильтрующей загрузки и уже очищенная через нижний дистрибьютор и водоподъемную трубу поступает в выходную линию.

Продолжительность зависит от степени загрязненности воды и типа загрузки, но не более 6-7 дней.

2. Обратная промывка (Backwash).

Цикл интенсивной обратной промывки фильтрующей среды. По сути этот цикл и является циклом регенерации, т.е. восстановления фильтрующих свойств загрузки. Неочищенная вода со входа по водоподъемной трубе и через нижний дистрибьютор подается снизу слоя фильтрующей загрузки в направлении, противоположном току воды в Сервисе (отсюда и название промывки - обратная), взрыхляет её и вымывает накопленные загрязнения. Загрязненная вода поступает в дренаж. Возможность поступления воды на выход системы сохраняется, но она будет проходит через фильтр напрямую неочищенная, поэтому пользоваться ей во время регенерации не желательно.

Продолжительность - 5-20 минут.

3. Прямая промывка (Rapid rinse).

Промывка осуществляется в том же направлении, что и в сервисе, только вода подается не на выход, а сбрасывается в дренаж. Назначение данной промывки - сбросить в дренаж остаток загрязнений и первую порцию чистой воды. Кроме того, прямая промывка несколько уплотняет слой фильтрующей среды, поэтому иногда называется "укладочной". Возможность поступления воды на выход системы сохраняется, но все-таки пользоваться ей на этом этапе не рекомендуется.

Продолжительность - 5-10 минут.

5.2. Режимы работы фильтров с регенерацией химическими реагентами.

1. Сервис (Service)

Цикл очистки воды. Неочищенная вода со входа поступает внутрь фильтра, проходит через слой фильтрующей засыпки и уже очищенная через нижний дистрибьютор и центральный стояк поступает в выходную линию.

Уровень концентрированного регенерирующего раствора в баке для его хранения находится на максимальной отметке.

Продолжительность - зависит от параметров воды и режима расхода (как правило от 1 суток до 6-7 дней). Если фильтр не эксплуатируется или работает с недостаточной нагрузкой, то рекомендуется не реже, чем раз в 10 дней делать принудительную регенерацию (хотя бы только обратную промывку). В некоторых фильтрах возможность такой принудительной регенерации реализована аппаратно.

2. Обратная промывка (Backwash)

Цикл интенсивной обратной промывки фильтрующей среды. Для фильтров данного типа является предварительным этапом регенерации. Неочищенная вода со входа по центральному стояку и через нижний дистрибьютор подается снизу слоя фильтрующей засыпки в направлении, противоположном току воды в Сервисе (отсюда и название промывки - обратная), взрыхляет ("поднимает") её и вымывает накопленные механические загрязнения. Загрязненная вода поступает в дренаж. Возможность поступления воды на выход системы сохраняется (по соображениям пожарной безопасности), но она проходит через фильтр напрямую неочищенная, поэтому пользоваться ей во время регенерации не желательно.

Уровень концентрата регенерирующего раствора в баке для его хранения - на максимальной отметке.

Продолжительность - 5-20 минут.

3. Химическая регенерация (Regeneration)

3.1. Подача регенерирующего раствора (Brine rinse)

Концентрат регенерирующего раствора через засасывающую линию поступает в блок управления фильтром, где разбавляется в определенной пропорции входной водой. Полученный регенерирующий раствор проходит через слой фильтрующей засыпки, химически восстанавливая её фильтрующую способность. Отработанный регенерирующий раствор, в который перешли загрязнения, через нижний дистрибьютор и центральный стояк поступают в дренаж. Возможность поступления воды на выход системы сохраняется (по соображениям пожарной безопасности), но все-таки пользоваться ей на этом этапе не рекомендуется, т.к. возможно попадание загрязненной воды и регенерирующего раствора в выходную линию.

Уровень концентрата регенерирующего раствора в баке для регенерирующего раствора снижается до момента срабатывания отсечного клапана (см. "Устройство бака для приготовления и хранения регенерирующего раствора")

Продолжительность - 10-30 минут.

3.2. Смещение (Slow rinse)

Этот этап начинается после срабатывания отсечного клапана. Поступление регенерирующего раствора из бака прекращается. Вода со входа медленно (отсюда и английское название этого подцикла - "медленная промывка") поступает в фильтр в том же направлении, что и в Сервисе. При этом происходит постепенное выдавливание (смещение) регенерирующего раствора из фильтра через нижний распределитель и центральный стояк в дренаж.

Возможность поступления воды на выход системы сохраняется, но она может содержать повышенное количество загрязнений и регенерирующий раствор - пользоваться ей не рекомендуется.

Уровень регенерирующего раствора в баке не меняется и находится на минимальном уровне.

Продолжительность - 30 минут.

4. Прямая промывка (Rapid rinse)

Промывка осуществляется в том же направлении, что и в Сервисе, только вода подается не на выход, а сбрасывается в дренаж. Назначение данной промывки - сбросить в дренаж остаток загрязнений и первую порцию чистой воды. Кроме того, прямая промывка за счет большой скорости потока воды (отсюда и английское название - "быстрая промывка") несколько уплотняет слой фильтрующей среды, поэтому иногда называется "укладочной". Возможность поступления воды на выход системы сохраняется, но пользоваться ей еще не желательно.

Уровень регенерирующего раствора в баке не меняется и находится на минимальном уровне.

Продолжительность - 5-10 минут.

5. Наполнение бака для регенеранта (Tank fill)

В этом цикле осуществляется заполнение входной водой бака для хранения регенерирующего раствора. Уровень раствора в баке повышается до максимальной отметки. Уровень воды в баке задается либо блоком управления фильтра, либо срабатыванием запирающего поплавкового клапана (см. "Устройство бака для приготовления и хранения регенерирующего раствора").

Сперва раствор слабо концентрирован, но по мере растворения регенеранта (наличие которого в баке надо постоянно поддерживать) его концентрация достигает максимума.

Возможность поступления воды на выход системы сохраняется и, теоретически, ей уже можно пользоваться, т.к. из фильтра на этом этапе будет поступать нормальная очищенная вода, однако лучше дождаться конца всей регенерации.

Продолжительность - 5-15 минут.

6. Нестандартные фильтры засыпного типа

6.1. Фильтры типа AQUAMATIC.

Фильтры применяются в системах очистки воды в которых требуется особый режим работы фильтров или с системах очистки воды с высоким расходом воды, который не сможет обеспечить стандартный блок управления.

Для автоматического управления режимами работы фильтрующих систем используются управляющие программируемые процессоры и диафрагменные гидравлические клапаны. Системы данного типа отличаются максимальными расходами при минимальных потерях давления по сравнению со стандартными управляющими клапанами.

Диафрагменные клапаны используются в металлическом или пластиковом исполнении с размерами от 1 до 6 дюймов. Один программируемый процессор позволяет управлять несколькими (от 1 до 4) фильтрами, соединенными в различных комбинациях.

Каждый фильтр/умягчитель имеет отдельный автоматический регулятор расхода воды на линии сервиса, обратной и прямой промывок, что минимизирует потери воды при регенерации фильтра, оптимизирует эффективность фильтрации и препятствует уносу фильтрующей загрузки.

Управляющий программируемый процессор позволяет выбирать различные варианты автоматической регенерации: по таймеру, по объему с немедленной регенерацией, по объему с отложенной регенерацией, с использованием сигнала от дифференциального манометра или дистанционного пульта управления. Время начала и продолжительность каждой стадии регенерации легко настраиваются. Жидкокристаллический дисплей позволяет контролировать скорость потока воды, текущую емкость умягчителя, текущее время и все установочные параметры.

6.2. Фильтры с управлением трехходовыми мембранами клапанами.

Данные модели фильтров применяются в системах очистки воды с высоким расходом воды и в тех случаях, когда количество фильтров равно или более двух.

Для автоматического управления режимами работы фильтрующих систем используются управляющие программируемые процессоры и трехходовые мембранные клапаны.

Описание работы трехходовых мембранных клапанов.

В режиме фильтрации клапан пропускает водный поток из верхнего входного порта в нижний выходной (дренажный выход закрыт), таким образом неотфильтрованная вода проходит через фильтр.

В режиме обратной промывки, один из клапанов закрывает входящий порт и соединяет выходной с дренажным.

В случае единичного фильтра, обратный промыв может осуществляться неотфильтрованной водой. Когда речь идет о системе, включающей два или более фильтров, обратный промыв может осуществляться отфильтрованной водой, которая забирается для промыва из остальных фильтров системы; это предотвращает попадание грязной воды потребителю.

Ниже приведен пример обратного промыва песчано-гравийного фильтра ручным способом, с использованием ранее отфильтрованной воды.

Пример системы очистки с управлением на трехходовых мембранных клапанах.

7. Достоинства и недостатки

К основным достоинствам засыпных фильтров можно отнести:

¾ Способность фильтров улавливать большой объем загрязнений;

¾ Длительный срок службы фильтрующей загрузки до полной замены,

¾ Высокая производительность,

¾ Сравнительно небольшие затраты на эксплуатацию и обслуживание,

¾ Способность работать с водой практически любой степени загрязненности

К основным недостаткам засыпных фильтров можно отнести:

¾ Большая площадь фильтров;

¾ Большой объем промывных вод;

¾ Ограниченная грязеемкость фильтрующих материалов (после загрязнения фильтрующей загрузки и несвоевременной промывке возможно поступление не очищенной воды в трубопровод чистой воды).