Филтрация на вода в пречиствателни станции

В нефилтрираната повърхностна и отпадна вода се съдържат замърсители, химикали и други вредни частици, поради което тя има неприятни мирис и вкус и вредно влияние върху почвата, растенията и животните. Процесът филтрация на водата в пречиствателните станции за питейна вода осигурява пречистването й от различни видове замърсяване, а в пречиствателните станции за отпадни води за отделяне на фино диспергирани твърди вещества.
В статията ще разкажем за основните процеси на филтрация, за основните съоръжения на филтрация в пречиствателни станции за питейни води - ПСПВ, за основните съоръжения на филтрация в пречиствателните станции за отпадни води - ПСОВ.

Филтрацията е процес, при който водата се пропуска през пореста преграда или зърнест филтриращ слой. В резултат на това тя се избистря, а суспендираните в нея частици се задържат на повърхността или в дълбочина. Физико-химичният процес на избистряне се състои в адхезията на суспендираните частици и колоиди по повърхността на филтруващия материал или в дълбочина на филтруващия слой. При протичане на процеса се запълват порите му със суспендирани частици. За преодоляване на съпротивлението му, вследствие на триенето, филтруваната вода загубва енергията си, т.е. получава се загуба на напор.

Работният процес на филтрите в пречиствателните станции за питейни и отпадни води се състои от проникване и задържане в дълбочина на суспендираните частици във филтърния слой. Последният по време на филтрация не е хомогенен и разпределението на задържаните частици е различно.

Основни процеси на филтрация
При филтрацията на водата, последователно протичат следните три процеса. Задържане на суспендираните частици. Привличане на суспендираните частици. Откъсване на задържаните суспендирани частици. Значимостта на всеки от тях зависи вида на частиците и филтърния материал.

Задържането във филтърния материал на суспендираните частици се определя от техните размери. Суспендираните частици с по-големи размери от порите на гранулирания пълнеж се задържат в него. Неправолинейното движение на водата през порите на филтруващия материал, води до взаимодействие между суспендираните частици и филтърните гранули. В резултат на него се осъщесвява тяхното задържане.

В процеса на привличане на суспендираните частици, вследствие на ниските скорости на филтрация се създават условия за появяване на адсорбционни и адхезионни молекулярни сили на привличане. Под тяхното действие суспендираните частици се полепват по позърната на филтърния пълнеж и се задържат във филтърния слой. Водата се избистря.

Процесът на откъсване на задържаните суспендирани частици се дължи на действието на хидродинамичните сили филтруващия поток. Поради натрупване на механични частици в порите на филтърните гранули, се намалява свободното сечение през, което протича филтруваната вода. Това води до увеличаване скоростта на водния поток в стеснените пори на филтруващия слой. Поради това част от задържаните суспендирани частици се отнасят от потока в дълбочина. Когато водата премине през цялата височина на филтърния пълнеж, суспендираните частици преминават във филтрата и влошават качествата му. Появява се мътилка-време на защитно действие на филтъра. По този начин продължителността на филтроцикъла се ограничава от времето на защитно действие на филтърния пълнеж. Следва регенерирационния период - промиване на филтруващия слой с промивна вода в посока отдолу нагоре за освобождаването му от задържаните върху него примеси.

При филтрацията на питейните и отпадните води в пречиствателните станции се прилагат следните два процеса на задържане. Филтруване през филтруваща преграда-механично задържане и микрофилтруване. Филтруване през гранулиран филтруващ слой.

Механичното задържане се характеризира с филтруване на водата през механични прегради с различна големина на отворите. При него суспендираните частици с по-големи размери от отворите на преградите, се задържат върху тях и образуват слой от утайка. С натрупването на задържаните частици, размерите на преградните отвори намаляват. Увеличава се количеството на задържаните частици. Преминалата през преградата вода е филтрат. При филтруването на суспензии са известни следните случаи. Суспензията се разделя на чист филтрат и влажна утайка. Филтруване със запушване порите на преграда-суспендираните частици проникват в порите на филтърната преграда, задържат се в нея, без да образуват утайка. Суспендираните частици проникват в порите на филтърната преграда и образуват в тях слой от утайка.

Утайките, които се получават върху филтърната преграда, биват свиваеми и несвиваеми. При несвиваемите утайки порестостта не се намалява с увеличаване на налягането. Към тях спадат кристалните утайки-едрозърнести, дребнозърнести или смесени. Такива утайки образуват неорганичните вещества с размер на частиците по-голям от 100 микрометъра, като пясък, калциев карбонат, натриев бикарбонат и др. При свиваемите утайки, порите на преградата се запушват и пропускливостта на утайката намалява. Повишаването на налягането не води до увеличаване на получавания филтрат. Съществува критично налягане за всеки вид утайка, над което филтруването рязко се забавя. Такива утайки образуват металните хидрооксиди.

Филтруването през гранулиран - зърнест, слой е най-разпространеният метод за отстраняване на механични примеси от питейните и отпадните води. Състои се в задържане на механичните примеси върху повърхността или в порите на филтруващия материал. При преминаването на водата през гранулиран филтруващ слой се намалява нейното налягане-напора. При ниски скорости на филтрация - ламинарен режим на движение на водата, загубата на налягане, е правопропорционална на скоростта на филтрация и на дълбочината на филтруващия слой, а също така и обратнопропорционална на пропускливостта му. При високи скорости на филтрация-промиване на филтърния слой до флуидизация, движението водата преминава в турбулентен режим.

Проникването и задържането на суспендираните частици в дълбочина на филтърния пълнеж, променят неговата порестост. Тя намалява поради затлачване, което води до нарастване на напорните загуби. Запушването на филтърния пълнеж не е хомогенно. Разпределението на задържаните частици по дълбочина на филтруващия слой е различно. Отгоре се задържат едрите частици, а отдолу-по дребните.

Филтрационният процес през гранулиран слой се осъществява по следните два механизма. Повърхностно филтруване. Обемно-адхезионно филтруване.

При повърхностното филтруване диспергираните във водата частици се задържат в най-горните пластове на филтруващия слой. Така филтруването на водата се осъществява в една филтруваща зона, образувана от зърната на филтруващия материал и задържаните диспергирани примеси. Полученият филтрат не е с добро качество. В следващите стадии на работа се получава уплътняване на филтруващия пласт, което подобрява качеството на получавания филтрат. С течение на времето количеството на филтруваната вода се увеличава. Уплътняването на филтруващия пласт също се увеличава пропорционално на концентрацията на механичните частици във водата и на количеството на получения филтрат. Нараства и хидравличното съпротивление на филтруващия слой. Увеличава се загубата на напор. Стойността на последните два показателя опредлят края на работния период на механичните филтри с повърхностно филтруване.

При обемно-адхезионното филтруване диспергираните във водата примеси се задържат не само в първите пластове на филтруващия слой, а в целия му обем. Задържането на диспергираните частици върху гарнулите на филтруващия материал се дължи на възникналите междумолекулни сили на привличане. С увеличаване количеството на прилепилите се върху зърната на филтруващия материал механични частици, се намалява свободното пространсво между тях. Повишава се скоростта на филтрация на водата през стеснените пори. В даден момент скоростта на филтруване нараства до такава степен, че водния поток започва да откъсва диспергираните частици задържани от адхезионните сили върху повърността на гранулите на филтруващия материал. Тогава адхезионното филтруване се премества в следващия по пътя на водата филтруващ пласт. Така във филтрационния процес участват всички пластове от целия обем на филтруващия слой. Краят на работния период на механичния филтър с обемно-адхезионно филтруване завършва с повишаване на концентрацията на механичните примеси във филтрата.

Движещата сила на филтруването в механичните филтри е разликата в налягането над и под филтруващия слой. Тя се определя от хидравличното съпротивление на филтруващия слой, което зависи от от неговия размер, формата на зърната и височината му.

Основни съоръжения на филтрация в ПСПВ
Филтрирането през механични прегради в ПСПВ е пропускане на вода през мрежи с метални или пластмасови нишки, решетки, сита и други,с различна големина на отворите. В зависимост от размера на преградните отвори, се извършва макрофилтриране в съоръженията-макрофилтри, и микрофилтриране-в микрофилтри. Макро- и микрофилтрите с гравитачно преминаване на водата се проектират с напорна загуба 0,3-0,4m воден стълб.

Макрофилтрите, са съоръжения с размер на отворите 0,15-2,5mm за отстраняване на груби механични замърсители при безнапорни условия. Те задържат попадналите във водата листа, дървени и растителни отпадъци и др. Представляват хоризонтални или вертикални лентови или цилиндрични съоръжения с филтърна мрежа, които се въртят от електродвигател. Почистването на мрежата се извършва с водни струи под налягане през дюзи с помощта на помпа. Затлачването на мрежата се следи със сензори, като се поддържа разлика във водните нива 2- 10cm.

Микрофилтрите са съоръжения с размер на отворите 25-150 микрометъра. Предназначени са за отстраняване на планктон от повърхностните води, а също и на частици от растителен и минерален произход. Представляват стоманени цилиндрични барабани закрепени на хоризонтална ос-захранващ тръбопровод. Външната стена на барабана е изработена от филтърна мрежа под формата на полуцилиндри състояща се от стоманени или полиамидни нишки. Микрофилтрите се монтират в бетонна или стоманобетонна камера. Суровата вода постъпва гравитачно в цилиндъра. Преминава през филтърната мрежа и се пречиства. Отвежда се чрез преливник. Със сензори се следи степента на задръстване на мрежата, както и включването на електрическия двигател за завъртане на барабана и системата за промиване. Поддържащата разлика във водните нива е 5-25cm.

В технологичните схеми на ПСПВ най-голямо приложение е намерил процесът „бърза филтрация“-4,0-50,0m/h, който се използва след физико-химично пречистване на водата. Процесът на „бърза филтрация“ се осъществява в бързи безнапорни и напорни филтри.

Безнапорните бързи филтри са стоманобетонни резервоари с правоъгълно или квадратно сечение. Запълнени са с филтруващ материал до определена височина. В зависимост от състава на материала се разделят на еднослойни бързи филтри-заредени с един и същ филтруващ материал, и двуслойни бързи филтри-заредени с два различни филтруващи материала. Под филтруващия слой е изградена система от тръбен дренаж.

При работа заредения филтърен пълнеж се запълва постепенно със суспендирани частици. Загубите му от напор се увеличават. След определено време мътността на филтрираната вода достига до допустимата стойност. Тогава филтърът се спира за промиване. Промивната вода раздвижва филтриращия слой, като го промива с интензивно размесване. Осъществява се взаимно търкане на пясъчните зърна. Промиването на филтъра продължава до пълното избистряне на промивната вода. Постига се за 6-8 минути.

Френската фирма Degremont предлага съвременните бързите филтри Аквазур тип Т- и тип V-с водно-въздушно промиване.

Напорните филтри са стоманени или пластмасови цилиндри с овално дъно. Над него е монтирана дренажна система, върху която е положен филтруващ слой. Суровата вода се подава под напор в горната част на филтъра. Филтруването се извършва през филтруващия слой отгоре надолу. За филтруващ материал най-използван е кварцовият пясък. Често използвани в практиката са вертикалните напорни филтри с водно-въздушно промиване. В тях е възможно да се приложат двата вида дренажни системи-с централен колектор и разклонения с дюзи, а също и с междинно дъно с дюзи. Съвременните хоризонтални напорни филтри с водно-въздушно промиване имат по-голяма филтърна площ от вертикалните. Производителите ги изработват с дължина 12m и диаметър 2,5-4,0m.

Основните елементи, от които са съставени бързите филтри, са корпус, филтърни и поддържащи слоеве, тръби и арматури за подаване и отвеждане на суровата и промивната вода, измервателни прибори. Бързите филтри работят на цикли. В тях са включени периоди на филтрация и периоди на промиване. Филтроцикълът се определя с времето между две последователни промивки. Продължителността му се ограничава от загубата на напор във филтърния пълнеж и качествата на филтруваната вода.

Дренажната система се използва за равномерно отвеждане на филтрираната вода. Освен това тя е предназначена и за предпазване на филтърните зърна от извличане, както и за равномерно разпределение на промивната вода по цялото сечение на филтъра. Последната функция е много важна защото ако не се извършва едно и също интензивно промиване по напречното сечение, се нарушава хомогенноста на филтърния пълнеж, т.е. влошава се нормалната работа на филтъра. Практическо приложение са намерили различни видове дренажни системи, като тръбен дренаж, междинно дъно с дюзи, тип Леополд, тип Джонсън.

Основни съоръжения на филтрация в ПСОВ
При пречистването на отпадните води се използват филтри с непрекъснато действие с филтруваща преграда, като барабанни, дискови и лентови. Мрежестите барабанни филтри се използват за механично пречистване и допречистване на промишлени отпадни води от целулозно хартиената, хранително-вкусовата и други промишлености. Основният им елемент е филтруваща мрежеста преграда от платно. В зависимост от степента на очистване могат да се използват тъкани с различна големина на отворите. Те условно се разделят, на микрофилтри с размер на отворите 15-40 микрометъра и барабанни мрежи с диаметър на отворите 300-500 микрометъра.

Въртящият барабан е потопен 0,8 от диаметъра си в работната камера с вода, като горната му част е над водата. Обработваната вода постъпва в барабана и преминава от вътре навън през филтърното платно. Суспендираните частици с размери по-големи от отворите на платното се задържат върху него. Образува се филтруващ слой от суспендирани примеси, който задържа частици с много по-малки размери-3-10 микрометъра, от отворите на мрежестата тъкан. Избистрената вода се събира в резервоар и се подава в следващите пречиствателни съоръжения.

Барабанните мрежи отстраняват груби диспергирани примеси. Поставят се пред филтрите с гранулиран слой за дълбоко очистване на отпадните води. Те намаляват концентрацията на суспендираните частици в тях до 25-40%. Микрофилтрите задържат грубо диспергирани примеси от растителен и животински произход, пясък и др. Степента на очистване на водата при тях е 40-60%. В отделни случаи могат да бъдат заменяни с първични утаители. В ПСОВ за дълбоко очистване от фино диспергираните частици с размери по-големи от 10-20 микрометъра в отпадните води, както и за доочистване след биологичното пречистване, се изпозват напорни механични филтри с насипан или нанесен филтърен слой. Най-разпространеният представител на филтрите с насипан слой е вертикалният еднослоен, еднопоточен филтър с дренажна система. Като филтруващ материал в него най-често се използва също кварцов пясък. Височината на филтруващия слой е около 1m. По технологичен замисъл той е създаден да работи на принципа на повърхностното филтруване.

За намаляване на строително-монтажната площ са разработени дву- и трикамерни механични филтри с насипан слой. В един общ корпус на филтъра са монтирани два или три вертикални еднокамерни еднопоточни филтъра. Те се захранват едновременно с вода от общ колектор. Филтруват отпадната вода самостоятелно и поотделно подават филтруваната вода в друг общ колектор.

Вариант на дву- и трикамерните филтри са дву- и триетажните филтри. Те представляват монтирани един върху друг два или три самостоятелни еднокамерни вертикални механични филтъра.

В промишлената практика с цел увеличаване на филтрационния капацитет са се наложили механичните филтри, работещи на принципа на обемното филтруване. Това са дву- и многопластовите механични филтри, както имедиумфилтрите-филтруване отдолу нагоре, и двупосочните механични филтри.

В механичните филтри с нанесен слой, филтруващия материал е фино диспергиран. Едрината на частиците е 0,02-0,06mm. За да се намалят хидравличните съпротивления, филтруващият слой е с дебелина под 10mm. Нанася се върху повърхността на специални филтруващи елементи, които могат да бъдат перфорирани цилиндрични тръби, плоски рамки или дискове. Те се монтират в специален цилиндричен копрус с конично дъно. В него с помощта на помпа върху филтруващите елементи се нанася филтруващия материал-перлит или целулоза. Следва филтруване на отпадната вода. Когато съпротивлениетието на филтруващия пласт се увеличи над 0,15MPa работният период на филтъра завършва. Подава се водно въздушна смес, която разрушава филтруващия пласт. Той се отнася в канализацията под формата на суспензия. Следва ново нанасяне на филтруващ слой, с което филтъра става отново готов за работа. Така филтрите с нанесен слой се използват за дълбоко очистване на отпадни води съдържащи финодиспергирани и колоидно разтворени примеси.