Сетчатые фильтры - производительность

Процеживание воды через сетки из различных материалов применяется для извле­чения из воды грубых примесей в виде речных наносов из песка, ила, листьев, прутьев, щепы, коры деревьев и кустарников, фито- и зоопланктона. Основными сооружениями, используемыми для этих целей, в водозаборных узлах являются плоские и вращающи­еся сетки с размером ячеек в плане обычно 11 или 22 мм. Барабанные сетки и микро­фильтры монтируют во входных сооружениях станций водоочистки. Размер ячеек в сет­ках последних составляет обычно от 20 до 60 мкм.

Разделение суспензий на фильтрат и осадок на них происходит за счет создаваемой разности давлений ΔР, под действием которой фильтрат проходит через ячейки сетки, а грубые взвешенные и плавающие в воде частицы задерживаются на ней.

Сетчатые фильтры, имеющие плоскую или цилиндрическую (реже сферическую) поверхность, бывают периодического и непрерывного действия. Первые из них имеют неподвижную сетку, вторые - вращающуюся, обычно непрерывно промываемую с по­мощью специальных трубных систем с гидравлическими насадками.

Современное представление о сопротивлении сетчатых полотен и потерь напора в сетках базируется на существовании функциональной зависимости между величиной потерь давления ΔР и параметрами, характеризующими плотность и вязкость жидкости (ρ_ж,μ) скоростью движения воды через сетку (v_c) и характеристиками структуры сет­чатых полотен, прежде всего гидравлическим радиусом l_c и порозностью сеток m₀:

ΔР= f(ρ_ж,μ,v_c,l_c, m₀).

Для фильтрующих сеток постоянной толщины с постоянной долей отверстий в ней, т.е. с постоянной начальной пористостью m₀, объем фильтрата получаемый за вре­мя t с единицы поверхности (площади) сетки F,прямо пропорционален разности давле­ний на входе и выходе сетки (ΔР = Р₁ - Р₂) и обратно пропорционален вязкости фильт­рата м и сопротивлению осадка, образуемого на сетке в процессе фильтрования R_oc,и фильтровальной сетки R_c

dW_ф/Fdt=ΔР/м(R_oc + R_c)

Величину R_c в процессе фильтрования в первом приближении принимают постоян­ной, пренебрегая некоторым ее увеличением вследствие частичной закупорки ячеек сетки твердыми частицами. Сопротивление слоя осадка в течение межпромывочного периода t - величина переменная. Оно обычно увеличивается от 0 в начале фильтроцикла до максимума в конце. Если этот максимум не контролируется специальными датчи­ками, то на последней стадии фильтроцикла возможны кратковременные проскоки в фильтрат части ранее задержанного осадка и отдельных частиц. Вследствие этого воз­можны краткосрочные снижения величины ΔР, впоследствии снова возрастающей. С точки зрения технологии водоочистки этого допускать не следует, так как в момент прорыва части осадка в фильтрат качество воды будет ухудшаться.

Данный процесс логично рассматривать как фильтрование с образованием несжи­маемого или сжимаемого осадка на несжимаемой перегородке.

Приняв за удельное объемное сопротивление осадка (r₀) сопротивление, оказывае­мое потоку фильтрата равномерным слоем осадка толщиной 1 мм, можно выразить со­противление осадка как

R_oc = r₀ h₀ ,

Тогда основное дифференциальное уравнение фильтрования с обра­зованием несжимаемого осадка с толщиной слоя Х₀ на несжимаемой сетке имеет вид

В процессе фильтрования суспензий через сетчатое полотно слой осадка на сетке будет возрастать, что приведет к повышению его сопротивления. При постоянном дав­лении жидкости на входе (Р = const) в процессе фильтроцикла скорость фильтрования будет уменьшаться.

Обычно в технологии водоочистки из условий прочности свойств сеток и предот­вращения проскока ранее образовавшегося осадка через сетку с ячейками размером 20-60 мкм рекомендуется принимать максимальное значение ΔР_mах к концу фильтро­цикла:

Р_mах<0,1 -0,2 м.

Тогда при принятой скорости фильтрования v продолжительность полезного филь­трования между промывками сетки t_ф определяется по формуле

Для осадков, образуемых взвесью с размером частиц порядка 1-100 мкм, значение r₀ находят экспериментально в каждом конкретном случае. Для осадков с размером частиц d₀=1,0 мм коэффициент сопротивления r₀ можно найти в первом приближении из выражения

где а - коэффициент формы частиц, определяемый соотношением поверхности шара к поверхности тела, имеющего тот же объем; k - эмпирический коэффициент; m₀, m - по­ристость слоя осадка в начале и конце фильтрования.

С уменьшением размеров частиц слоя, образующегося на сетчатой пе­регородке осадка, его удельное сопро­тивление возрастает.

Зависимость удельного сопротивления осадка на сетчатой перегородке от размера частиц слоя осадка

Влияние различных факторов на процесс фильтрования через сетчатые полотна с образованием на них сжимаемого осадка в первую очередь обусловлено характером из­менения удельного сопротивления осадка. Способы определения последнего базируют­ся на моделировании процесса фильтрования через небольшие модели.

Причем определение удельного сопротивления осадка производят либо в процессе фильтрования с помощью уравнения, либо после окончания процесса фильтрования.

Оптимальным вариантом работы сетчатой фильтровальной установки применительно к водным суспензиям является такой, при котором при наименьших гидравлических сопротивле­ниях на сетке и в слое осадка и минимальных затратах на промывку фильтрующего полотна бу­дет обеспечиваться максимальная скорость фильтрования при заданной степени очистки воды.

Чтобы достичь такого режима работы, необходимо на основе анализа качества при­родной воды правильно подобрать размер ячеек рабочего сетчатого полотна и назначить начальную скорость фильтрования v_c при заданном перепаде давления ΔР₀ на сетке.

При фильтровании загрязненной речной и морской воды на сетчатых установках не происходит образование сплошного слоя осадка на сетке, а имеют место локальные ее за­грязнения. Формулы для определения коэффициента сопротивления чистых сеток, осно­ванные лишь на зависимостях от коэффициента живого сечения или от чисел Рейнольдса, имеют ограниченное применение. Первые из них могут быть использованы лишь в квад­ратичной области сопротивления, а вторые - в ламинарной и переходной областях.

Коэффициент загрязненности сетки k₃ в каждом случае фильтрования различных суспензий устанавливается опытным путем и прямо пропорционально зависит от кон­центрации твердых частиц в воде С₀ с размером более размера ячеек сетки, продолжи­тельности фильтрования между промывками расхода суспензии Q, и обратно про­порционально площади сетки F, коэффициенту ее живого сечения m_с размеру ячеек сетки а, объемной плотности частиц твердой фазы р₂:

В процессе эксплуатации сетчатой установки может происходить некоторое сниже­ние ее производительности, оцениваемое коэффициентом полезного действия:

η=Q_ф/Q_max

где Q_max - соответственно фактическая и теоретически возможная пропускная спо­собность сетчатого полотна.

Микрофильтр (барабанная сетка)

1 - сборный канал; 2 - трубопровод отвода промывной воды; 3 - датчик уровня; 4 - водосливное ок­но; 5 - камера; 6 - трубопровод подачи промывной воды; 7 - задвижка с электроприводом; 8 - цен­тральная труба с воронками сбора промывной воды; 9 - пластинчатые разбрызгиватели; 10 - ограж­дение из оргстекла; 11 - редуктор с электроприводом; 12 - входное отверстие большого размера; 13 - шибер; 14 - подводящий канал исходной воды; 15 - барабан с фильтрующими элементами.

Совмещенные графики изменения технологических параметров сетчатых установок

а - потери напора h_c,производительность Q,степень очистки воды Э во времени; б - потери напора и производительность в зависимости от степени относительного загрязнения сеток βk₃

Сетчатые водоочистные микрофильтры обычно непрерывно действую­щие. При извлечении рабочей поверхности сетчатого барабана из воды на нем остается относительно по­верхности производится потоком жидкости, поступающей под давлением из гидравли­ческих насадок, равномерно расположенных по образующей полотна. Направление потока промывной воды, как правило, обратное направлению фильтрационного потока. Иногда в фильтрах с часто повторяющейся автоматической промывкой для более эффек­тивной отмывки от осадка, обладающего повышенной адгезией, одновременно или по­переменно с обратной используют промывку потоком жидкости с повышенными скоро­стями, направленную параллельно фильтрующей поверхности.

При промывке сетчатого полотна с осадком чаще всего на первой стадии промыв­ки происходит вынос осадка промывной жидкостью с одновременным его частичным разрушением.

Она заканчивается, когда основная масса загрязнений, составляющих осадок, вы­несена в сток. Эта стадия характеризуется постоянным ростом концентрации в промыв­ной воде и может быть описана уравнением

С_n/C_o=aW_п.ж./W_ф

где С_n и С₀ - соответственно масса растворенного вещества в промывной жидкости и в фильтрате, содержащемся в осадке перед промывкой в кг; W_п.ж. и W_ф-соответственно объемы промывной жидкости и фильтрата в порах осадка перед промывкой в м³.

В системах подготовки воды для хозяйственно-питьевых и технических целей наи­большее распространение получили микрофильтры и барабанные сетки.

Барабанные сетки и микрофильтры следует применять для удаления из воды круп­ных плавающих и взвешенных примесей (в том числе фито- и зоопланктона при коли­честве клеток более 1000 кл/мл.

Сетчатые фильтры следует размещать в зданиях станций водоподготовки. При соот­ветствующем обосновании допускается их размещение на водозаборных сооружениях.

Количество резервных сетчатых барабанных фильтров надлежит принимать: при n_р от 1 до 5 - 1 резервный; при n_р от 6 до 10-2 резервных; при n_р> 10-3 резервных.

Конструктивно они выполнены из вращающегося барабана со сменны­ми фильтрующими сетчатыми элементами с размером ячеек сеток 40x40 или 60x60 мкм, вала барабана с воронками для сбора промывной воды, привода, камеры расположения барабана, входного и выходного каналов, системы подачи и отвода промывной воды.

Окружная скорость барабана - 0,1-0,3 м/с. Глубина его погружения в воду в каме­ре-4/5 диаметра барабана. Скорость фильтрования назначается с учетом факторов, из­ложенных выше в пределах от 5 до 25 л/с на 1 м² полезной площади микросетки, погру­женной в воду. Потери напора на микросетке допускаются до 0,2 м, а в установке в це­лом - до 0,5 м. Расход промывной воды принимается до 1,5% от расхода обрабатывае­мой воды. Давление промывной воды, подаваемой на спрыски, - не менее 0,15 МПа.

Установку микрофильтров следует предусматривать в специальных камерах. Допу­скается размещение в одной камере двух агрегатов, если общее число рабочих агрега­тов на станции свыше 5.

Камеры должны оборудоваться спускными трубами. В подводящем канале камер следует предусматривать переливной трубопровод. Промывка сетчатых барабанных фильтров должна осуществляться водой, прошедшей через них.

При назначении режимов непрерывной промывки в процессе вращения сетчатого барабана микрофильтров необходимо учитывать фактическое изменение перепада дав­лений до и после сетки и неравномерность вследствие этого скоростей фильтрования и степени загрязненности на различных участках фильтрующего полотна. Расчет площа­ди сетчатых элементов производят при заданном интервале начальных перепадов дав­лений до и после фильтрующего элемента в пределах от 2 до 10 см.

Скорость вращения барабана регулируют в процессе пусконаладочных работ с уче­том степени загрязненности исходной жидкости, размера ячеек сетки, скорости движе­ния жидкости на подходе к сетчатому полотну и технических характеристик выпускае­мых серийно сетчатых устройств.

В зарубежной практике нашли применение сетчатые напорные установки различ­ных типов, которые в зависимости от технических характеристик сеток (размеров и формы ячеек, типа плетения), конструктивных отличий и режимов работы применяют­ся для очистки воды от крупных механических загрязнений, взвеси и планктона, содер­жащихся в воде.

Использование сетчатых фильтров ограничивается, как правило, размером ячеек сетки до 75 мкм, так как применение сеток с ячейками меньших размеров приводит к резкому сокращению межпромывочного периода из-за интенсивного прироста потерь напора на фильтрующем элементе, что, с одной стороны, увеличивает расход воды на про­мывку и время непроизводительного простоя фильтров, а с другой - повышает вероят­ность непредсказуемого локального прорыва осадка, накопившегося на сетке.

Горизонтальные сетчатые фильтры для систем водоснабжения американских фирм G.T. Woods Со (a), Holly (б) и Jardney (в)

1 - корпус; 2 - сетка; 3 - струенаправляющие ло­патки; 4, 5, 9 - блоки переключения режимов рабо­ты; 6, 7, 8 - соответственно подача исходной, отвод очищенной и отвод промывной воды.

Вертикальные сетчатые фильтры американских фирм Drip-Eze (а) и Bermad (б)

1 - корпус; 2 - сетка; 3 - быстросъемная крышка; 4 - патрубок подачи жидких реагентов; 5 - па­трубок подачи исходной воды; 6 - патрубок отвода фильтрата; 7 - патрубок сброса промывной во­ды; 8 - гидроцилиндр; 9 - диск со щетками

Основные характеристики сетчатых фильтров для систем водоснабжения

Горизонтальные сетчатые фильтры зарубежных фирм выполнены в виде цельнос­варных металлических цилиндров с антикоррозионным полимерным покрытием и мо­гут работать как в режиме автоматической промывки , так и с ручным открытием клапана сброса промывной воды. Основные технологические и конструктив­ные параметры сетчатых фильтров приведены в таблице.

Вертикальные сетчатые фильтры реализуют принцип многоступен­чатого фильтрования в направлении убывающего размера ячеек сетчатого полотна, для чего в корпусе фильтра предусмотрена установка двух-трех цилиндрических сеток, раз­мещенных коаксиально одна внутри другой. В результате такого расположения сеток увеличивается скорость фильтрования через них с меньшим размером ячеек. При про­изводительности 17-34 м³/ч используются две сетки с ячейками 0,105 и 0,088 мм, при производительности более 51 м³/ч используются три сетки с размером ячейки соответ­ственно 0,149; 0,105 и 0,088 мм.

Автоматический сетчатый фильтр фирмы Rain- Bird 

1 - корпус; 2 - узел промывок; 3- дифференциальное реле; 4- счетчик промывок; 5- электромагнитный клапан; 6 - вантуз

Частичную отмывку сетчатых полотен осуществляют обратным током воды, а пол­ную очистку сеток производят вручную с извлечением сетки из корпуса фильтра. Для этого верхняя крышка фильтра оборудуется быстросъемным креплением. В фильтрах такой конструкции предусмотрен специальный патрубок для ввода жидких реагентов.

Сетчатые фильт­ры с попеременной автома­тической промывкой

а - блочный многосекцион­ный; б - конусная сетка, вмон­тированная в напорный трубо­провод.

При нормальном обслуживании и калибровке сетчатые фильтры доста­точно хороши для удаления взвешенных частиц из воды, но они имеют ограниченную пропускную способность. Для повышения такой способности обычно увеличивают об­щую поверхность фильтрования, хотя практически и этому есть предел. Для преодоле­ния указанного ограничения рядом зарубежных разработчиков были сконструированы и изготовлены промывные устройства, работающие по принципу поперечного напорного потока струй воды, с помощью которого скопление веществ на сетке вымывалось пото­ком жидкости и обеспечивало самопромывание без разборки оборудования.

Классификация ячеек сеток и частиц взвеси, способных на них задержаться

Щелевые элементы, обладающие по сравнению с сетчатыми полотнами гораздо бо­лее высокой механической прочностью, позволяют существенно повысить производи­тельность и надежность фильтров этого типа, так как допускают более высокие перепа­ды давлений на фильтрующем элементе в течение.

Анализ осадков, смытых с фильтра, показывает, что на фильтре задерживаются ча­стицы с размерами от 10 до 150 мкм. Аналогичные результаты были получены и при анализе других осадков. Опыты по промывке, проведенные с целью проверки восста­новления начальных потерь напора, показали, что фильтр удовлетворительно промыва­ется в течение не менее 30 сек обратным током воды. Однако хорошо вымываются лишь частицы крупных размеров (50-100 мкм). Малые же частицы (менее 10 мкм) прилипа­ют к кольцам и удаляются только при ручной отмывке после разборки фильтра.

Результаты технологических исследований щелевого фильтра

Для предварительного осветления вод, содержащих высокодисперсные глинистые и другие взвеси крупностью более 20 мкм при содержании их в исходной воде до 6000 мг/л, применяются акустические сетчатые фильтры. Эффект осветления на них до­стигает 60%. В результате создания упругих колебаний звукового диапазона частот эле­ктромагнитным вибратором в акустических фильтрах происходит непрерывная регене­рация фильтрующего элемента. Акустический фильтр представляет собой круглый (в плане) резервуар высотой 1,2-1,4 м, диаметром 0,4-0,6 м, состоящий из металличес­кого корпуса, в котором расположены фильтрующий элемент и уплотнения. Фильтрую­щий элемент выполнен в виде перфорированного стакана из нержавеющей стали, с расположенными в шахматном порядке отверстиями диаметром 4-5 мм, обтянутого микро­сеткой с размером ячеек 100-125 мкм. Штоком стакан соединен с плитой, прикреплен­ной к корпусу электромагнитного вибратора, который опирается на четыре пружины, выполняющие роль амортизатора.

Полимерный щелевой фильтр

1 - полимерный корпус; 2 - опорные утолщения; 3 - фланцевое соединение; 4 - ные патрубки; 5 - фильтрующая кассета со щелевыми кольцами.

Схема акустического фильтра

1 - металлический корпус; 2 - фильтрую­щий элемент; 3 - водоотбойная пластина; 4 - подвод исходной воды; 5 - электромаг­нитный вибратор; 6 - опорная плита; 7 - шток; 8 - пружина; 9 - отвод осветлен­ной воды; 10 - система оттарированных на­садок; 11 - сильфонные уплотнения.

Обрабатываемая вода поступает в корпус фильтра по трубе 4 со скоростью 80-150 м/ч, проходит через фильтрующий элемент, осветляется и отводится по трубе 9 из корпуса фильтра. В результате возвратно-поступательного движения фильтрующего элемента частички механических примесей на сетке не осаждаются и не происходит ее кольматация. Под действием силы гравитации они постепенно осаждаются в конусной части фильтра и через систему оттарированных насадок непрерывно отводятся в кана­лизацию. Расход воды со шламом составляет 3-5% от полезной производительности акустического фильтра.

Вернуться к списку