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
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
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
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
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