Предочистка фильтрованием через сетки и пористые элементы

Размещено на http://www.allbest.ru/

ПРЕДОЧИСТКА ФИЛЬТРОВАНИЕМ ЧЕРЕЗ СЕТКИ И ПОРИСТЫЕ ЭЛЕМЕНТЫ

1. Основы процесса. Классификация аппаратов. Макрофильтрование

При движении воды через сетки, ткани, пористые материалы достигается извлечение из нее взвешенных веществ. Процесс осуществляется либо на поверхности, либо в глубине фильтрующего материала. Поверхностное фильтрование происходит при. движении воды через объемные элементы из пористых материалов значительной толщины (патронные фильтры и фильтры из пористой керамики); сетчатые или тканевые перегородки (фильтрование под давлением или под вакуумом, микрофильтрование); жесткие проницаемые каркасы с предварительно нанесенным фильтрующим слоем (намывные фильтры трубчатой, рамной или барабанной конструкции).

В зависимости от свойств применяемых фильтрующих основ и извлекаемых из воды примесей процесс фильтрования состоит из следующих трех явлений: отложения, фиксации и отрыва. Механизм отложения бывает двух видов: механическое задержание извлекаемых примесей и отложение взвешенных частиц в порах.

При механическом процеживании из воды извлекаются все частицы, превышающие размеры пор фильтрующей основы или 'пор, формируемых задержанными частицами, которые сами образуют фильтрующий слой. При этом чем меньше размеры пор фильтрующей основы, тем более высоким будет достигаемый эффект.

Процесс поверхностного фильтрования подчиняется закону Дареи, согласно которому потери напора Р пропорциональны скорости фильтрования v с коэффициентом пропорциональности k, зависящим от динамической вязкости з и сопротивления среды R:

В соответствии с законом Дарси сопротивление среды представляет собой сумму двух величин: R_oc-- сопротивления осадка и начального сопротивления фильтрующей основы R_ф:

R = R_ос + R_ф

Сопротивление осадка можно выразить как

где r -- удельное сопротивление осадка фильтрованию при давлении Р;

М -- общая масса отложившегося осадка;

W--масса осадка на единицу объема фильтрата;

V -- объем фильтрата за, время Т,

А -- площадь поверхности фильтра.

Подставляя (7.2) и (7.3) в (7.1) и преобразуя его, получим

Интегрирование выражения (7.4) приводит к уравнению вида

T = aх² + b.

Графически это уравнение выражается прямой линией, где a=(rзW)/(2P*A²) -- тангенс угла наклона к оси абсцисс, a b=(зR_ф)/(P*A) -- отрезок, отсекаемый прямой на оси ординат.

Следует отметить, что подобное интегрирование корректно только для несжимаемых осадков, т. е. когда г остается постоянным.

В действительности с ростом давления коэффициент фильтруемости или удельное сопротивление г увеличивается согласно выражению

r = r₀ + r'P^s,

где r₀ и r' --пределы удельного сопротивления при нулевом и атмосферном давлении; s -- коэффициент сжимаемости осадка.

Фильтрование через пористую основу может сопровождаться отложениями задержанных примесей на ее поверхности или внутри ее. Тип фильтрования определяется критерием

где Р--потери напора в фильтрующей основе сопротивлением,d -средний диаметр задержанных частиц.

Если е<100 -- фильтрование будет поверхностным (пленочным), если е>1000--фильтрование объемное, а при е=100…1000 фильтрование смешанное и поверхностное, и в объеме.

Отложение взвешенных веществ в порах фильтрующей основы (объемное фильтрование) происходит, если их размер меньше размера пор и траектория движения частиц приводит к их контакту с поверхностью поровых каналов. Этому способствуют: диффузия за счет броуновского движения; прямое столкновение; инерция частиц; прилипание за счет ван-дер-ваальсовых сил; осаждение под действием гравитационных сил; вращательное движение под действием гидродинамических сил. Фиксирование частиц примесей воды на поверхности и в порах фильтрующего материала обусловлено малыми скоростями движения жидкости, силами коррозии и адсорбции.

При извлечении из воды примесей воды фильтрованием происходит уменьшение порового пространства фильтрующего материала вследствие осаждения частиц. Это влечет за собой увеличение скорости потока и изменение его режима от ламинарного к турбулентному. В этом случае задержанные частицы примесей будут частично отрываться и перемещаться потоком глубже в поры фильтрующего материала и даже выноситься с фильтратом.

Выбор поверхностного или объемного фильтрования обусловлен требуемым качеством фильтрата, свойствами воды и ее загрязнений, а также экономическими соображениями. Тот или иной вид фильтрования сопряжен с определенными капитальными и эксплуатационными затратами, которые, в свою очередь, определяются предварительной обработкой воды, способами промывки аппаратов, степенью автоматизации процесса и способов контроля за ним.

Поверхностное фильтрование может осуществляться на тонких сетчатых перегородках, на объемных пористых элементах из твердых материалов или на жестких каркасах с предварительно, нанесенным фильтрующим слоем.

Фильтрование через сетчатые перегородки осуществляют на открытых или напорных аппаратах (фильтрах). При этом различают три вида фильтрования: макрофильтрование, при котором извлекают из воды частицы крупностью более 150 мкм, микрофильтрование-- извлекают частицы размером 1 ... 150 мкм, и ультрафильтрование -- извлекают частицы размером 0,004 ... 0,4 мкм.

Путем макрофильтрования (макропроцеживание) через металлические перфорированные пластины или металлическую проволочную сетку, с размером отверстий более 0,3 мм (барабанные сетки) извлекают глубодисперсные примеси, плавающие примеси, насекомые, травы, водоросли, ветки и т. п., имеющие размеры от 0,2 до нескольких миллиметров. Макрофильтрование осуществляют на вращающихся макроситах и ситах с укрепленным скребком, работающих с низкими потерями напора, и на неподвижных или вращающихся самоочищающихся ситах и механических фильтрах, работающих под давлением. Вращающиеся макросита, применяемые в процессе подготовки питьевой воды и воды для орошения, представляют собой или горизонтально располагаемые барабаны, или вращающиеся сита из непрерывной сетки. Их подача варьируется от нескольких литров до кубических метров в секунду. Барабанные сетки (БС), размещаемые на водозаборе или площадке очистных сооружений, до подачи в воду реагентов используют для грубого процеживания воды. Размер ячеек сетки из нержавеющей стали или полимеров 0,5X0,5 мм. Рабочая сетка размещается между поддерживающими сетками с размером отверстий 10X10 мм. Основные размеры БС приведены в табл.. Интенсивность фильтрования на БС принимают 25 . 62 л/с на 1 м² смоченной площади макросетки, так как барабан только на 2/3 диаметра погружен в воду.

Таблица

Расход воды на промывку барабанных сеток, подаваемой под давлением 0,2 МПа, составляет до 0,5% суточного расхода. Потери напора на макросетке составляют до 0,1 м.

Схема работы аппарата следующая. Из бокового канала исходная вода через перфорированную часть сносно расположенного полого вала вводится внутрь вращающегося барабана, фильтруется через сетку и проникает в камеру, а далее через окна отводится в канал фильтрата. При засорении сетки и достижении максимального перепада уровней воды автоматически включается промывное устройство, которое промывает полосу сетки на верхней образующей барабана. Промывная вода собирается воронками и по глухой части полого вала отводится за пределы аппарата.

Вращающееся сито представляет собой ряд чередующихся фильтровальных полотен, выполненных из плетенных металлических бронзовых или стальных прутьев диаметром 0,25... 1 мм, смонтированных на жестком каркасе с размером ячеек 0,3 ... 3 мм. Скважность сита составляет 50 ...60%'. Скорость фильтрования по отношению к площади сита, погруженной в воду, составляет 0,35 ... 0,4 м/с. Предпочтительно фильтровать обрабатываемую воду изнутри наружу, что облегчает промывку сетки и удаление задержанных примесей. Потери напора 0,2 ... 0,5 мм.водн.ст.

Для извлечения из воды крупных плавающих частиц рекомендуются сита в виде неподвижной стальной пластины с отверстиями 2 ... 5 мм. Извлеченные примеси удаляются скребком или щеткой, укрепленной на конце цепи (для прямого наклонного сита), или вращающимся устройством (для круглых сит) и сбрасываются в сборник. Плоские ,сита целесообразно располагать в подводящих каналах шириной до 2,5 м, потери напора до 0,5 м. вод. ст.

Неподвижные или вращающиеся самоочищающиеся сита с размером отверстий 0,25 ... 2 мм используют для извлечения из воды относительно крупных взвесей. Обычно неподвижные сита состоят из решетки, изготовленной из тонких прутьев, расположенных под переменным углом и смонтированных в жесткой раме. Прутья могут быть круглого, прямоугольного или треугольного сечения. Обрабатываемая вода подается в верхнюю часть сита, а осадок непрерывно удаляется с поверхности сита специальным устройством.

Вращающиеся сита состоят из цилиндрической решетки с горизонтальной осью вращения. Решетка образуется стальными прутьями трапецеидального профиля. Сито медленно вращается с линейной скоростью 0,1 ... 0,3 м/с. Задерживаемые примеси остаются на решетке и снимаются с нее неподвижным скребком. Вращающиеся и неподвижные сита рассчитаны на подачу воды до 1 тыс. м³/ч, допустимые потери напора 2 мм.вод.ст.

За рубежом для глубокого осветления воды широко используют механические напорные фильтры; циклонные, вращающиеся со съемными фильтровальными элементами из фарфора или стали (размер отверстий 0,1 ... 1,6 мм), и автоматические фильтры с множеством фильтровальных трубок, с отверстиями 125 мкм и более и вращающимися промывным устройством.

2. Микрофильтрование

Основная цель микрофильтрования -- удаление планктона, содержащегося в поверхностных водах. При этом, конечно, удаляются взвешенные частицы большого размера и частицы растительного, животного происхождения, содержащиеся в воде. В зависимости от изменения расходов воды и способности частиц, содержащихся в ней, забивать фильтровальные сетки используют различные устройства для регулирования скорости вращения барабана и один или несколько рядов промывных форсунок.

Оптимальные результаты эффективности микрофильтрования достигаются путем поддержания более или менее постоянных потерь напора, обусловленных частичным забиванием сеток задержанными частицами. Эффективность работы установки ограничена несколькими факторами: промытая фильтровальная сетка не обеспечивает надлежащего задержания в начале фильтроцикла и степень очистки при этом определяется только размерами ячеек; планктон никогда не удаляется полностью. Он может опять размножаться, особенно, если повысится температура воды; яйца некоторых низших ракообразных могут легко проходить через фильтровальную сетку и развиваться, в результате чего в последующих резервуарах могут быть обнаружены видимые невооруженным глазом организмы; из-за опасности коррозии фильтровальной сетки или ее подложки нельзя применять предварительное хлорирование воды перед микрофильтрами; поверхность микрофильтров должна быть достаточно велика, чтобы обеспечить удаление большого количества планктона, развивающегося в определенные периоды года. Если она мала, то в периоды интенсивного развития планктона и во время паводков производительность водоочистного комплекса может значительно снизиться.

Металлические или пластмассовые фильтровальные сетки в ' большинстве случаев имеют размеры ячеек от 20 до 40 мкм и в исключительных случаях 10 мкм. Чем меньше размер ячеек, тем больше должна быть площадь поверхности микрофильтра. Так, при размере ячеек 35 мкм скорость фильтрования должна быть не более 35 м/ч в расчете на общую площадь поверхности микрофильтра (50 м/ч в пересчете на погруженную поверхность микрофильтра), а в расчете на пиковую концентрацию взвешенных веществ -- 10 м/ч.

Эффективность снижения содержания взвешенных веществ в результате микрофильтрования составляет 50 ... 80%, в среднем около 65%. Для сравнения отметим, что хорошо работающий отстойник обеспечивает снижение содержания взвешенных веществ на 40 ... 60% без предварительного коагулирования и на 95 ... 99% с предварительным коагулированием.

Микрофильтры (МФ) конструктивно ничем не отличаются от барабанных сит (см. рис. 7.1), за исключением размеров сетки, натянутой по образующей барабана. Скорость вращения барабана МФ принимается 0,1 ... 0,5 м/с. Барабаны МФ погружают, в воду на 2/3 диаметра в камеру, которая предназначена для сбора фильтрата.

Интенсивность фильтрования назначается в пределах 10 ... 25 л/(с-м²) полезной площади микросетки, погруженной в воду (см. табл. 7.1).

Исследования В. Ф. Соколова, Я. Я. Кару показали, что микрофильтры задерживают до 75% диатомовых и до 95% сине- зеленых водорослей и до 100% задерживается зоопланктон. Микрофильтры целесообразно использовать при содержании фитопланктона более 1000 клеток в 1 см³ исходной воды.

Потери напора на микросетке составляют до 0,2 мм.вод.ст., а общие потери напора на установке достигают 0,5 м. вод. ст. Расход воды на промывку микрофильтров составляет до 1,5% количества профильтрованной воды. Вода для промывки сетки подается под напором 0,15 ... 0,2 МПа.

В последние годы в отечественной практике по предложению И. С. Бабаева для осветления мутных вод применяет акустические фильтры (рис. 7.2).

Акустический фильтр (АФ), рекомендуемый для водоочистных установок, производительностью до 5000 м³/сут состоит из металлического корпуса с коническим днищем, внутри которого по центру расположен фильтрующий элемент в виде металлического перфорированного стакана (h = 0,3 ... 0,6 м, d = 0,25 ... 0,5 м) скважностью 65% с круглыми отверстиями 4 ... 5 мм, обернутый микросеткой с размером ячеек 100 ... 125 мкм. Скорость движения воды через сетку, на которой задерживаются примеси размером более 20 ... 25 мкм, составляет 3 ... 10 см/с. Технические характеристики приведены ниже.

Общая высота фильтра, м1,2... 1,4

Диаметр корпуса, м0,4... 0,6

Площадь фильтрации, м²………………..до 1,0

Фильтрующие сетки

(по ГОСТ 6613--83, мкм)100, 125

Электромагнитный вибратор (С--918, 921)

Напряжение, В220

Сила тока, А………до 1,0

Частота колебаний, Гц ... .50

Амплитуда колебания, ммдо 2,0

Производительность фильтра, м³/ч……до 100 .

Напор перед фильтром, МПадо 0,1

Допустимые потери напора, м. вод. ст0,5

Нижняя часть днища АФ снабжена съемной оттарированной насадкой, рассчитываемой на 5 ... 8% от производительности аппарата, предназначенной для удаления осадка.

При работе АФ вибратор создает возвратно-поступательное движение фильтрующего элемента, изменяя габариты приходных

отверстий и обеспечивая задержание более мелких примесей воды, чем размеры ячеек микросетки, которые не осаждаются на ней, не забивают ее, а оседают под действием силы тяжести. Из конусной части фильтра осадок под избыточным давлением отводится в сток. Исходная вода, пройдя через фильтрующий элемент, передается на последующие водоочистные сооружения.

Рис. Схема устройства акустического фильтра (АФ), 1 -- корпус АФ; 2 -- сечтатый фильтрующий элемент; S -- сильфонные вставки; 4 и 11 -- подача исходной и отвод обработанной воды; 5 -- гаситель; 6 -- амортизаторы; 7 -- электромагнитный вибратор; 8 -- шток; 9 -- регулировочная шайба; 10 -- плита; 12 -- сброс осадка

Микрофильтрование под давлением обычно осуществляется на фильтрах трех видов: дисковых, каркасно-навитых и патронных.

Дисковые фильтры, в которых фильтрование происходит в пространстве между дисками, собранными в пакеты, особенно чувствительны к наличию в воде водорослей и волокнистых материалов, способных необратимо забивать зазоры между дисками. Для удаления из воды частиц размером менее 10 мкм применяют фильтры производительностью 10 ... 10 м³/ч. При удалении частиц крупностью 150 мкм производительность одного фильтра может достигать 250 м³/ч.

Каркасно-навитые фильтры с использованием лотковых, трубчатых, корзиночных или других типов несущих элементов покрывают:

- металлической сеткой, плоской или профилированной, для увеличения площади поверхности фильтрования. Фильтры этого типа особенно подвержены забиванию волокнистыми материалами и расклиниванию твердыми частицами (например, мелкими частицами песка). При размерах ячеек 2 ... 40 мкм производительность фильтров составляет 0,1 ... 150 м³/ч;

- металлической или полимерной проволокой, навитой на рамы. Они также подвержены расклиниванию песком и другими твердыми частицами. Крупность задерживаемых частиц достигает 3 мкм. При размере прозоров 5 ... 125 мкм производительность фильтров этого типа может быть 10 ... 1000 м³/ч;

- проволочными профилями особого сечения, навитыми на специальные стояки. Эта конструкция позволяет устранить недостатки, присущие рассмотренным выше фильтрам. При размере прозоров 80 ... 125 мкм производительность такого фильтра может составлять от нескольких м³/ч до 5000 м³/ч и более.

Фильтры с патронными элементами или тонкими фильтрующими пластинами, изготовленные из гофрированного или плоского картона, целлюлозы или синтетических волокон (они могут выбрасываться после использования), часто используют как фильтры тонкой очистки, когда воду необходимо тщательно очистить от взвешенных частиц, которые проскочили на предыдущих стадиях обработки (например, при приготовлении пива, газированной воды и т. д.). На фильтрах этого типа могут быть удалены очень мелкие частицы порядка нескольких микрон и даже некоторые бактерии. Однако, на такие фильтры нельзя подавать воду с относительно высоким содержанием взвешенных веществ, поскольку фильтрующие элементы немедленно забьются.

отложение микрофильтрование сито

ЛИТЕРАТУРА

1. Алексеев Л.С., Гладков В.А. Улучшение качества мягких вод. М., Стройиздат, 1994 г.

2. Алферова Л.А., Нечаев А.П. Замкнутые системы водного хозяйства промышленных предприятий, комплексов и районов. М., 1984.

3. Аюкаев Р.И., Мельцер В.3. Производство и применение фильтрующих материалов для очистки воды. Л., 1985.

4. Вейцер Ю.М., Мииц Д.М. Высокомолекулярные флокулянты в процессах очистки воды. М., 1984.

5. Егоров А.И. Гидравлика напорных трубчатых систем в водопроводных очистных сооружениях. М., 1984.

6. Журба М.Г. Очистки воды на зернистых фильтрах. Львов, 1980.

Размещено на Allbest.ru