Фильтры с гранулированными материалами.
Почти все фильтры с гранулированными материалами работают циклами: сначала период фильтрации, после него – промывка для восстановления фильтрующего слоя. Основной параметр, ограничивающий продолжительность этих циклов, - потеря напора. Кроме этого важны и другие параметры:
• Объем фильтрата или длительность цикла
• Мутность фильтрата, контролируемая измерителем мутности
Максимальная потеря напора определяется 2 способами:
• Имеющимся в наличии гидравлическим напором и/или гидравлическим сопротивлением дренажной системы фильтра
• Сохранением качества фильтрата в течение всего цикла, что особенно важно при фильтрации питьевой воды. В обработке некоторых видов промышленных вод это условие может не выполняться, и напорные фильтры могут работать с высокими потерями напора (от 0,5 до 1, 5 бар); тогда имеет значение только усредненное качество воды
Факт 1. Контроль за функционированием фильтра обычно осуществляется тремя способами
Мониторинг качества
На графике b на рисунке 1, б показано изменение мутности фильтрата и определенные характерные периоды функционирования фильтра:
с – период созревания
b – период нормального функционирования
d – начало прорыва фильтра
e – допустимый предел мутности; мутность фильтрата достигает этого значения через время t₁, когда цикл должен быть прекращен
Рис 1. Кривые фильтрования на гранулированном слое
Мониторинг потери напора
Строится график зависимости потери напора Р от времени (кривая а на рис. 1, а). Существует максимальное значение потери напора, которое нельзя превосходить по конструкционным особенностям фильтра.
Кривые давления
На рис. 2 показан открытый фильтр со слоем песка высотой BD, над которым располагается слой фильтруемой воды высотой АВ. На графике, размещенном в правой части рисунка, по оси ординат откладывается высота точки замера давления (A, B, C, D), измеренная относительно пола фильтра D, а по оси абсцисс – давление на соответствующей высоте, выраженное в метрах водяного столба в том же масштабе. В точке B, расположенной на самом верху фильтрующего слоя, давление всегда равно высоте столба воды АВ (откладывается в виде B'b). В точке С фильтрующего слоя при отключенном фильтре величина давления равняется АС (откладывается в виде С'с₀). Точно также на уровне пола статическое давление составит AD (откладывается в виде D'd₀). Все точки, отображающие статическое давление на различных уровнях фильтра, лежат на прямой A'd₀, проведенной под углом 45°. В каждой точке прямой A'D' давление соответствует атмосферному.
После запуска фильтра, загруженного чистым однородным песком, потеря напора, согласно закону Дарси, прямо пропорциональна высоте слоя песка и расходу, который в данном случае считается постоянным. Давление в точке С фильтра становится равным С'с₁, а величина с₀с₁ соответствует потере напора в песке между уровнями В и С; точно также на уровне пола фильтра давление в точке D становится равным D'd₁, а потеря напора в чистом песке равняется d₀d₁. Линия bc₁d₁ является прямой, поскольку с₀с₁ и d₀d₁ пропорциональны высоте слоя песка (закон Дарси).
После завершения периода созревания песка перенос давления С'с₂, D'd₂ на различные уровни слоя песка дает кривую давлений в фильтре bc₂d₂; эта линия имеет криволинейный участок bc₂, соответствующий загрязненному слою песка, и прямолинейный участок c₂d₂, параллельный прямой bd₁, который показывает потерю напора в зоне фильтра, остающейся чистой.
Точка с₂, с которой начинается линейный участок кривой потери напора, соответствует уровню С, которого достигли загрязнения, задержанные песком. Таким образом, эта точка с₂ характеризует высоту BC фронта фильтрации в рассматриваемый момент времени.
Перемещение точки с₂ в процессе загрязнения фильтра соответствует продвижению фронта фильтрации (кривая 3). Для случая, иллюстрируемого на Рис 1, а, когда фильтр не дает осветленной воды после достижения максимальной потери напора P₂, линией, отображающей давление в различных точках фильтра, является кривая bcᶠdᶠeᶠ (рис 2, а): она доходит до высоты пола фильтра, не образуя прямолинейного участка. Это означает, что фронт фильтрации прошел пол фильтра и фильтр уже полностью использовал свою грязеемкость, т.е. он прерван (t₂>t₁).
При работе с фильтром, имеющим более значительную высоту слоя песка, кривая, отображающая давление в различных точках фильтра при максимально возможной потере напора, приобретает линейный характер в точке eᶠ. Отсюда можно определить минимальную высоту слоя песка DE, который следовало бы добавить для того, чтобы выполнить равенство t₂=t₁ (см. рис 1, а).
Рис 2. Кривые давления в гранулированном слое
Факт 2. Существует 2 способа поддержки загрузки
Поскольку эффективный размер зерен загрузки может на практике варьироваться от 0,25 мм (гранат или песок) до 2 мм (песок) или 5 мм (антрацит), фильтрующий материал может поддерживаться:
• Или несущим полом, снабженным дренажными колпачками со щелями, ширина которых меньше размера гранул материала
• Или поддерживающим слоем (гравий, гранат и т.п.), если размеры гранул при фильтрующей загрузке и щели колпачок не соответствуют друг другу. Поддерживающий слой высотой от 5 до 40 см. может состоять из 2-4 подслоев с различными гранулометрическим составом в зависимости от происхождения материалов и системы распределения (разветвленные трубопроводы и дренажные колпачки), которую он защищает.
Промывка почти всегда осуществляется восходящим потоком воды или воздуха
Факт 3. Промывка осуществляется восходящим потоком воды или воздуха, кроме случаев, когда фильтрующие материалы легче воды.
Под фильтрующей загрузкой должна быть предусмотрена система распределения потока воды и воздуха, при этом к подаче воздуха предъявляются особые требования. Существуют 2 вида устройств ввода воды и воздуха:
• Простые коллекторы, распределяющие только воду, возвращаемую для промывки
• Устройства, формирующие воздушную подушку под несущими полами или в специальных коллекторах
На рис. 3 показан разрез длиннотрубчатого дренажного колпачка, закрепленного в бетонном несущем полу, в режиме промывки водой и воздухом.
Рис.3 Дренажный колпачок в режиме промывки фильтра водой и воздухом
Этот дренажный колпачок состоит из головки с узкими щелями, препятствующими прохождению частиц фильтрующего материала, и трубки с отверстием в верхней части и с щелью в нижней части. Воздух, поданный под несущий пол, формирует воздушную подушку. Затем воздух начинает поступать в отверстия и щели дренажных колпачков; в них образуется смесь воздуха и воды, которая в результате равномерно распределяется по всей площади фильтра. Такая особо эффективная система промывки позволяет экономить промывную воду. Чтобы избежать образование зон уплотнений в фильтрующей загрузке, нужно установить порядка 55 дренажных колпачков на 1 м² несущего пола с расходом противоточного потока воздуха примерно от 1 м³/час через каждый колпачок.
Промывка с использованием воздушной подушки может быть реализована в металлических фильтрах двумя способами. Рис. 4
Рис 4. Устройства системы промывки, формирующие воздушную подушку в металлических фильтрах
Факт 4. Качество проектирования и создания несущих полов – важнейший элемент для хорошей работы фильтра
Несущий пол должен обеспечивать:
• Однородное распределение промывающих воды и воздуха, и в особенности последнего, что требует строгого соблюдения горизонтальности
• Водо – и воздухонепроницаемость, особенно в фазе промывки
• Механическую прочность под действием усилий, направленных вверх (в режиме промывки) и вниз (в режиме фильтрации, быстрых опорожнений)
• Длительное функционирование без вмешательства со стороны
Если необходим доступ в пространство под несущим полом фильтра, то пол укладывается на систему балок или опор; в таком случае он может быть сделан:
• Из плит армированного полиэстера
• Из предварительно изготовленных бетонных плит
• Из монолитной железобетонной плиты
Рис. 5 Несущий пол из предварительно изготовленных бетонных плит
