К списку статей

Фильтрация на напорных фильтрах

Оглавление:

Фильтрование является традиционной технологией очистки воды. Это способ очистки, направленный на извлечение разного характера частиц из воды методом её процеживания через специальные слои загрузок. Фильтры позволяют очищать исходную сточную воду от песка, ила, мутности, окалин и других взвешенных веществ.

История развития:

  • Фильтры из песка и гравия применялись в Индии за 2000 лет до н.э.
  • Римляне рыли каналы рядом с озёрами, чтобы воспользоваться естественной фильтрацией через стенки каналов.
  • Коммерческое фильтрование воды появилась во Франции около 1750 года.
  • Фильтрование в муниципальной системе водоснабжения стало применяться в Англии и Шотландии на рубеже XVIII-XIX вв.
  • Первая система медленных песчаных фильтров современного типа появилась в Лондоне в 1829 году.
  • Скорые фильтры появляются в США в 1880-х.
  • Первая муниципальная установка с коагуляцией и фильтрацией — Сомервилль, Нью-Джерси, 1885 год.
  • «Surface water treatment rule» 1989 года — первый нормативный документ, предписывающий повсеместное применение фильтрования в США.

Медленные фильтры

Медленные песчаные фильтры — наиболее старая разновидность фильтров. Крупные взвешенные частицы, задерживаясь в верхнем слое загрузки, уменьшают площадь пор, через которые проходит жидкость, позволяя, таким образом, улавливать и более мелкие частицы.

В результате на поверхности загрузки через некоторое время (30-40 часов) образуется мелкопористая плёнка активного ила «schmutzdecke», эффективно очищающая проходящую через неё жидкость от взвешенных веществ и бактериальных загрязнений.

Ключевые особенности медленных фильтров

Жидкость проходит через слой мелкого песка с низкой скоростью (0,05-0,2 м/ч) под действием силы тяжести.
Основные механизмы улавливания загрязнений — физическое заклинивание пор частицами и биодеструкция органики.

Поверхностная (плёночная) фильтрация — в удалении загрязнений участвует только поверхностная плёнка. Регенерация фильтра осуществляется путём удаления верхнего слоя каждые несколько недель/месяцев.

Скорые фильтры

Скорые фильтры, вытеснившие в XX веке медленные, значительно более распространены для очистки воды.

Их ключевые особенности:

  • Значительно большая скорость фильтрации (примерно в 100 раз, обычно 5-15 м/ч).
  • Загрузка более крупная, более однородная
  • Фильтрация происходит преимущественно не за счёт механического заклинивания пор загрузки более крупными взвешенными частицами, а по своему принципу скорее напоминает отстаивание.
  • Частицы прилипают к гранулам фильтрующей загрузки и таким образом удаляются из потока. Для предотвращения электростатического отталкивания требуется предварительная обработка фильтруемой жидкости коагулянтом.
  • Глубинная фильтрация — удаление взвесей идёт по всей высоте слоя загрузки.
  • Потеря напора на фильтре со временем возрастает, по мере того, как он зарастает и уменьшается его гидравлическая проницаемость.

Напорные фильтры

В среде специалистов бассейновой индустрии все время идут дискуссии о сердце системы водоподготовки — фильтре!
Самые распространенные из них – напорные.
Какой же из них лучше использовать, с какой системой нижнего распределения?! Представленная информация не догма, а наше мнение.

Типы напорных фильтров, связанные с их конструкцией

1. Горизонтальный фильтр с нижним распределительным коллектором

Горизонтальные напорные фильтры обеспечивают большую поверхность фильтрующего слоя при меньших затратах, чем вертикальные напорные фильтры. Однако глубина слоя обычно меньше, и поскольку глубина фильтрующего слоя варьируется в зависимости от диаметра фильтра, существует переменный градиент давления воды поперек фильтрующего слоя. Горизонтальные песчаные фильтры имеют преимущество в более низкой стоимости на квадратный метр площади фильтрующей поверхности, но эффективность фильтрации и обратной промывки ниже по сравнению с вертикальными напорными фильтрами.

Вода в этих фильтрах идет самым легким / кратчайшим путем и с самым низким сопротивлением. Это означает, что вода будет проходить равномерно не через всю поверхность, а только через середину сечения фильтра. Это, в свою очередь, будет способствовать биообрастанию по бокам фильтра. И он не будет хорошо полностью промыт по бокам, что со временем, вероятно, приведет к тому, что у него будет снижаться общая поверхность фильтрации. Промыть такой фильтр можно только водой.
Еще одним минусом горизонтального фильтра с распределительным коллектором является не очень эффективное использование фильтрующей загрузки, как поддерживающего слоя под коллектором, так и основных слоев по бокам основного потока.

2. Горизонтальный фильтр с дюзовой пластиной / имитация дюзовой пластины

Опять же, вода пойдет самым легким/кратчайшим путем и с самым низким сопротивлением. Это означает, что вода будет проходить равномерно не через всю поверхность, а только через середину сечения фильтра. Это, в свою очередь, будет способствовать биообрастанию по бокам фильтра. И он не будет хорошо полностью промыт по бокам, что со временем, вероятно, приведет к тому, что он будет терять поверхность фильтрации. Разница по сравнению с фильтром с коллектором в том, что можно использовать воздух для обратной промывки.

Тип А (дюзовая пластина)

Мы считаем, что дюзовая пластина в горизонтальном фильтре не является оптимальным решением. Причина в том, что по мере того, как горизонтальный фильтр будет “расти” в длину, в теле дюзовой пластины возникнут достаточно большие напряжения, связанные с удержанием большого веса фильтрующей загрузки, с которыми стеклопластик может не справиться.

Тип В (имитация дюзовой пластины с трубами и дюзами)

В этом случае делается конструкция нижнего коллектора с дюзами, сужающуюся в определенные точки системы распределения, чтобы создать равномерное перераспределение воды и воздуха. Эта конструкция испытана и работает в реальных установках.

Если дюзовая пластина обязательна по требованиям конкретного проекта с таким типом фильтра, мы рекомендуем использовать для ее изготовления сталь (сталь с течением времени неизбежно будет корродировать, но, в конце концов, это более надежный материал для такого рода конструкции).

3. Вертикальные фильтры с низкой загрузкой с нижним распределительным коллектором

Под низкой загрузкой понимается общая высота фильтрующей загрузки до 1000мм. Эти фильтры используются, в основном, в системах ирригации или при ограниченном бюджете. Вода будет лучше распределяться по поверхности и в результате, и фильтрация будет проходить более эффективно, и промывка будет гораздо лучше, чем в горизонтальном фильтре. С помощью коллекторной распределительной системы не используется воздух для обратной промывки в помощь к воде.

4. Вертикальные фильтры с высокой загрузкой с нижним распределительным коллектором

Под высокой загрузкой понимаются фильтры с высотой фильтрующей загрузки, как правило, 1000мм, 1200мм и 1500мм. Эти фильтры — очень хорошее решение для среднебюджетного проекта, если их можно промывать без воздуха. В отличие от фильтров с низкой загрузкой, здесь больше фильтрующий слой, а это означает лучшую фильтрацию. Чем больше сред придется пересечь частицам мусора, тем больше частиц задержит фильтр.

5. Вертикальные фильтры с высокой загрузкой с дюзовой пластиной

В этих фильтрах наиболее эффективно распределяется поток воды при фильтрации, что положительно сказывается на её результате, но гораздо важнее, они дают оптимальное распределение воды при обратной промывке, а также позволяют использовать воздух для процесса обратной промывки.

Можно сказать — это идеальный фильтр.

Вертикальные напорные фильтры, изготовленные по стандартам DIN с дюзовыми пластинами, обеспечивают максимальную эффективность фильтрации и обеспечивают наилучший результат, которого может достичь с любым фильтрующим материалом (кварцевый песок, AFM®, другой стеклянный наполнитель). Однако фильтры с хорошо спроектированной коллекторной системой распределения воды (расположенные близко друг к другу лучи/трубы коллектора и как можно ближе к стенкам фильтра) могут обеспечить фильтрацию, близкую к качеству фильтров с дюзовой пластиной.

Дюза — элемент отвода коллектора Piarpi, из которых собираются и отводы коллекторов в фильтрах Pi London.

  • Красный цвет, внутренний диаметр — около 42 мм.
  • Коричневый цвет, длина просветов между ребрами жесткости — 13 мм.
  • Синий цвет, ширина планки — 3,5 мм.
  • Желтый цвет, собственно, сам размер просвета — 0,535 мм.

Всего в одном элементе дюзы имеется 96 просветов длиной 13 мм и шириной 0,535 мм, таким образом, в одной дюзе имеется пространство для отвода воды после фильтрации — 667,68 мм2.

Чтобы рассчитать высоту фильтрующего слоя и учесть расширение слоя во время обратной промывки, действует простое правило для расчета высоты от коллектора (дюзовой пластины) до верхнего распределительного устройства (воронки) при имеющейся высоте фильтрующего слоя на расширение и свободное пространство:

расчетная высота слоя + 20% на расширения слоя и добавьте свободное пространство высотой 200 мм, чтобы избежать потери материала во время обратной промывки.

Одной из востребованных характеристик при подборе фильтра для системы водоподготовки бассейна, является величина падения напора/давления на фильтре.

Называть точные данные падения напора/давления на фильтрах сложно без учета производителя и типа фильтра, материала фильтрующий загрузки, температуры воды, скорости фильтрации, типа и диаметра подсоединений и т.п. Тем более, эти величины изменяются во времени в процессе загрязнения фильтрующей загрузки.
Приведем усредненные значения. Например, потери давления на пустом фильтре для бассейнов — до 0,1 бар.
В таблице ниже показаны ориентировочные данные падения напора/давления на фильтрах с фильтрующим материалом AFM®:

Многообразие имеющегося на рынке России товара позволяет искушенному специалисту подобрать как фильтр для частного недорого бассейна, так и высокоэффективный надежный фильтр для общественного бассейна с большой нагрузкой.

Давление и срок службы фильтра

Ламинированные фильтры многих производителей, например, фильтры Pi London испытываются при давлении 4,0 бар, а максимальное рабочее давление составляет 2,5 бар.
Но 2,5 бар — это кратковременное пиковое давление, а не постоянное рабочее.

На практике долговечность фильтров сильно зависит от постоянного рабочего давления, не смотря на декларируемые сроки гарантии на корпус фильтра.

На срок службы фильтра влияет и температура воды. При постоянной температуре в районе 40ºС и больше, срок службы существенно снижается.

Рекомендации:

  • По возможности поддерживайте ежедневное давление в диапазоне 0,8 – 1,2 бар.
  • При повышении давления на +0,3 – 0,5 бар по сравнению с исходным уровнем, выполняйте обратную промывку/очистку.
  • Избегайте постоянной работы при давлении 1,5 бар или выше.

Фильтрующие загрузки

В зависимости от природы и типа фильтрующего слоя различают следующие виды фильтров (классификация условная):

  • Осветлительные (фильтрующий слой — кварцевый песок, дробленое стекло, стеклошарики, дробленый антрацит, керамзит, пенополистирол, синтепон и др.);
  • Ионообменные/сорбционные (иониты, сорбенты, магномасса и др.);
  • Сетчатые (фильтрующий слой — сетка с размером ячеек 20-60 мкм);
  • Тканевые (фильтрующий слой — хлопчатобумажные, льняные, суконные, стеклянные или капроновые ткани);
  • Намывные (фильтрующий слой — древесная мука, диатомит, асбестовая крошка и другие материалы, намываемые в виде тонкого слоя на каркас из пористой керамики, металлической сетки или синтетической ткани).

Фильтрация в бассейна, в большинстве систем водоподготовки – осветлительная на зернистой загрузке: кварцевый песок (гравий), стеклянный фильтрующий материал, гидроантрацит, активированный уголь.

Стеклошарики для фильтрации в бассейне не особо применимы, т.к. в однородной среде сферических частиц диаметром d частица диаметром 0,15*d пройдёт через поры.

Сорбционные материалы, такие как Диатол, Диамикс и т.п., по нашему мнению, также не рекомендуется применять в биологически нагруженной воде бассейнов. Т.к. поры являются естественными укрытиями для патогенной флоры среды, где под биопленкой, не разрушающейся даже при 50 ррm хлора, создается «накрытый стол как в ресторане» (© В.Н.Васильев) для питания и размножения микроорганизмов, с которыми система водоподготовки должна бороться.

  • Сетчатые (фильтрующий слой — сетка с размером ячеек 20-60 мкм);
  • Тканевые (фильтрующий слой — хлопчатобумажные, льняные, суконные, стеклянные или капроновые ткани

Их главный минус – малая грязеемкость и невозможность обратной промывки.
Если поры забились – необходимо менять на новый, а это требует остановки системы и приложения рук персонала.

Намывные диатомитовые (кизельгур) фильтры прекрасно очищают воду, не требуют больших площадей для размещения. Но:

— обратная промывка не всегда возможна и эффективна;
— нуждается в замене наполнителя;
— токсичный наполнитель нельзя выкидывать просто в мусорный контейнер, требуется утилизация;
— дорогостоящее оборудование;
— требуется высококвалифицированный персонал для обслуживания
— не подлежит промывке, требуется полная замена смеси раз в полгода.

Поэтому для осветлительной фильтрации в бассейнах (а также для сорбционной фильтрации, в случае применения технологии обработки воды озоном), в основном, для фильтрующего слоя применяют всего несколько распространенных материалов:

  • кварцевый песок;
  • дробленое стекло;
  • дробленый антрацит;
  • гидроантрацит или кокосовый активированный уголь.

Главными показателями всех традиционных загрузок считаются:

Эффективные размеры фракций, например, стекло:
Grade1 (0,5-1,2 мм),
Grade2 (1,2-3,2мм),
Grade3 (3,2-5,0 мм)

Коэффициент однородности 1,45-1,80
Сферичность 0,45
Поверхность гладкая, без границ зерен
Форма угловатая (не для шариков)
Пористость 45-50%
Проницаемость 0,5х10 -1см/сек
Насыпная плотность 1153 кг/м3
Удельный вес 2,55 г/см3

Коэффициент однородности:

K60/10 = d60/d10

где
d60 — диаметр частиц, меньше которого в данной загрузке содержится (по массе) 60% (иногда этот диаметр называют контролирующим);
d10 — диаметр частиц, меньше которого в загрузке содержится 10% частиц (эффективный диаметр).

К=1,00 – абсолютно однородная загрузка.

Этот график демонстрирует соотношение эффективности фильтрации между песком марки 16×30 (0,5-1,0 мм), AFM®ng Grade 1 и AFM®s (стандартный) Grade 1 при различных скоростях потока:

В качестве примера, если берется скорость потока воды 20 м/час, AFM® удаляет 95% всех частиц до 5 мкм по сравнению с высококачественным песком, удаляющим только 70% всех частиц размером до 5 мкм. В качестве песка использовался песок Лейтон Баззард из Англии, который является песком исключительно высокого качества. Другие виды песка, скорее всего, будут иметь более низкие эксплуатационные характеристики.

Рекомендуемые высоты фракций при засыпке фильтров:

1. Классический вариант (сверху вниз)
Фракция 1 – 70%
Фракция 2 – 15%
Фракция 3 – 15%

2. Вариант AFM® (для <D800)
Фракция 1 – 50%
Фракция 2 – 50%

Варианты рекомендуемой высоты фракций при засыпке фильтров AFM®:

Скорости фильтрации и обратной промывки в зависимости от области применения:

(1) Для перечисленных областей применения следует учитывать грязеёмкость по взвешенным частицам.
(2) Ознакомьтесь с информацией о правильной процедуре обратной промывки и применимом опыте о фильтрующем слое

Обратная промывка

Важность скорости обратной промывки

Как правило, чем выше скорость обратной промывки, тем эффективнее производительность обратной промывки. Скорость обратной промывки неразрывно связана со временем обратной промывки и лучше всего объясняется на следующем примере:

DIN-фильтр с расстоянием от дюзовой пластины до верхнего диффузора 2 м (TC).

При скорости обратной промывки 60 м/ч = 2 мин от дюзовой пластины до верхнего диффузора.
В таком случае мы рекомендуем 3 мин. время обратной промывки.

При скорости обратной промывки 30 м/ч = 4 мин от дюзовой пластины до верхнего диффузора.
В таком случае мы рекомендуем 6 мин. время обратной промывки.

Мы рекомендуем применять коэффициент запаса прочности 1,5 (пример: 4 мин х 1,5 = 6 мин)

Процедура обратной промывки

Расширение слоя приводит к тому, что твердые частицы попадают в верхнюю часть фильтра, но именно скорость перемещает твердые частицы в верхний коллектор и из фильтра.

Короткое время и высокая скорость всегда обеспечивает лучшую производительность обратной промывки по сравнению с медленным и длительным процессом обратной промывки.

Это особенно важно, например, для таких частиц, как тяжелые металлы.

Процесс обратной промывки AFM® (и другой стеклянной засыпки):

1. Запустите подачу воды для обратной промывки, чтобы добиться расширения слоя более чем на 15%, что требуется для хорошего удаления загрязнений с фильтра. Чтобы не перемешать материал в емкости для фильтра, рекомендуется медленно увеличивать скорость обратной промывки до 100% в течение 15-45 секунд.

2. Продолжительность обратной промывки 3-10 минут (с учетом скорости обратной промывки), чтобы гарантировать, что все загрязнения будут вымыты во время процесса обратной промывки. Измерение стабильно низкой мутности на выходе воды обратной промывки показывает, когда обратная промывка завершена.

3. В конце обратной промывки замедлите подачу воды более чем на 10 секунд, чтобы слой должным образом выровнялся.

4. Чистовая промывка (уплотнение) в течение 2-3 минут для полного восстановления плотного фильтрующего слоя, необходимого для восстановления требуемой эффективности удаления частиц (предотвращение попадания твердых частиц в очищенную воду).

5. Запустите режим фильтрации.

Почему для песка требуется очистка воздухом?

Кварцевый песок обеспечивает хороший субстрат для роста бактерий, и, таким образом, для удаления биопленки с песчинок требуется очистка с воздухом с помощью сложного и длительного процесса. Процесс обратной промывки:

только воздухом / воздушно-водяной смесью / только водой

Для каждого процесса обратной промывки требуется равномерное распределение воздуха от дюзовой пластины или коллектора, так как в противном случае обратной промывки будет недостаточно и слой фильтра будет только перемешан. Воздушная очистка обычно применяется на песчаном фильтре, если скорость обратной промывки только водой не позволяет расширить слой фильтра на 15% и более. Это минимальное расширение, необходимое для восстановления фильтрующего слоя (слоев), обычно требующего скорости обратной промывки 50-60 м/ч.

Андрей Халтурин, ООО «ТД ЭКТИС»