Классификация фильтров по принципу действия

Фильтрование является одним из основных методов кондиционирования воды, позволяющим довести качество её до требований ГОСТа на питьевую воду.

В процессе фильтрования из раствора выделяются не только диспергирован-ные частицы, но и коллоиды.

Сущность метода заключается в пропуске жидкости, содержащей примеси, через фильтрующий материал, проницаемой для жидкости и непроницаемый для твёрдых частиц. При этом процесс сопровождается значительными затратами энергии. Однако допускать большие потери напора в технике водоочистки можно лишь при обработке небольших количеств воды. Это определяет место фильтровальных сооружений в технологической схеме; в большинстве случаев фильтрование является последним этапом осветления воды и производится после её предварительного осветления в отстойниках, флотаторах или осветлителях.

Водоочистные сооружения, на которых осуществляется процесс фильтрования, называются фильтратами. Фильтры по виду фильтрующей среды делятся на:

1. Тканевые или сетчатые;

2. Каркасы или намывные (диатомитовые);

3. Зернистые (песчаные, антрацитовые и т.д.)

Из перечисленных групп наиболее распространена зернистая. Фильтры с зернистой загрузкой можно классифицировать по ряду основных признаков:

1. по скорости фильтрования:

- медленные 0,1 – 0,3 м/ч;

- скорые 5-12 м/ч;

- сверхскоростные 36-100 м/ч

2. по давлению, под которым они работают:

- открытые (безнапорные);

- напорные

3. по направлению фильтрующего потока:

- однопоточные (обычные скорые фильтры);

- двухпоточные (фильтры АКХ, ДДФ);

- многопоточные

4. по крупности фильтрующего материала:

- мелкозернистые;

- среднезернистые;

- крупнозернистые

5. по количеству фильтрующих слоёв:

- однослойные;

- двухслойные;

- многослойные

Схема устройства скорого открытого фильтра площадью до 30 м² показана на рис. 12.1 (слайд 29).

Коагулированная и прошедшая через отстойники вода поступает на фильтр. Сначала вода поступает в боковой карман 6, а через него – в резервуар фильтра. Высота слоя воды над поверхностью загрузки должна быть не менее 2 м. В процессе фильтрования вода проходит фильтрующий и поддерживающий слои, а затем в распределительную систему и резервуар чистой воды. Максимальная потеря напора в фильтрующей загрузке 2,5-3 м.

Фильтрующий слойпри крупности зёрен 0,5-2 мм может быть 0,7-2 м. Его выполняют из отсортированного материала, чаще всего речного кварцевого песка крупностью от 0,5 до 2,0 мм. Можно использовать дроблёный антрацит, керамзит, керамическую крошку, дроблёный мрамор, полимеры.

При фильтровании протекает процесс сорбции агрегативно неустойчивых примесей воды на поверхности зёрен. Глубина проникновения загрязнений в толщу фильтрующего слоя тем больше, чем больше скорость фильтрования, крупнее зёрна фильтрующего слоя и чем меньше размеры взвеси, которые должны быть задержаны фильтром.

Поддерживающий слой (0,4–0,5 м), на котором лежит фильтрующий слой, укладывают с той целью, чтобы мелкий фильтрующий материал не вымывался из фильтрующего слоя и не уносился вместе с фильтруемой водой через отверстия распределительной системы. Поддерживающий слой состоит из слоёв гравия или щебня разной крупности, постепенно увеличивающейся сверху вниз от 2 до 40 мм.

Распределительная система –она должна собирать и отводить профильтрованную воду без выноса зёрен фильтрующего материала и при промывке равномерно распределить промывочную воду по поверхности фильтра. Равномерность распределения промывочной воды по площади достигается вследствие большого сопротивления движению воды через проходные отверстия.

Фильтрующие материалы

Основным рабочим элементом фильтровальных сооружений является фильтрующая загрузка, поэтому правильный её выбор имеет первостепенное значение. К числу технических требований, предъявляемых к фильтрующему материалу, относятся:

1. Необходимый фракционный состав загрузки.

2. Надлежащая степень однородности ее зерен.

3. Механическая прочность зерен загрузки.

4. Химическая стойкость зерен по отношению к фильтруемой воде.

Крупность и однородность фильтрующего материала определяют ситовым анализом на ряде калибровочных сит.

В табл. 12.3 приведены рекомендуемые характеристики фильтрующего материала, загружаемого в скорые фильтры (слайд 30).

1. Важным показателем качества фильтрующего материала является его механическая прочность. Если фильтрующий материал недостаточно прочен, то во время промывок, когда зёрна находятся во взвешенном состоянии, происходит их истирание и измельчение.

2. Фильтрующий материал должен быть стоек по отношению к воде. Эти требования сводятся к тому, чтобы фильтруемая вода не обогащалась веществами, вредными для здоровья людей.

Наиболее распространёнными фильтрующим материалом является кварцевый песок – речной или карьерный. Кварцевый песок при небольшом содержании примесей известняка отвечает всем выше перечисленным требованиям.

Другим фильтрующим материалом, традиционно применяемым для загрузки фильтров, является дроблёный антрацит. Зёрна антрацита имеют меньшую плотность, чем песок, поэтому его используют для загрузки верхнего слоя.

В табл.12.4 приведены свойства зернистых фильтрующих материалов, как традиционно применяемых, так и найденных недавно (слайд 32).

К числу таких материалов можно отнести: дроблёный и недроблёный керам-зит, горелые породы, вулканические шлаки, дробленый шунгизит, агропорит, промышленные шлаки, природный цеолит, пенополистирол.

а)Керамзит –пористый гранулированный материал, получаемый обжигом глинистого сырья в специальных печах.

б)Горелые породыпредставляют собой метаморфизированные угленосные породы, подвергнутые обжигу при подземных пожарах.

в) Вулканические шлаки –материалы, образованные в результате скопления газов в жидкой остывающей лаве.

г)Шунгизит –получаютпутём обжига природного малоугленосного материала – шунгита, имеющего преимущественное распространение в Карельской АССР. По своим свойствам шунгизит близок к дроблёному керамзиту.

д)В качестве фильтрующего материала могут быть использованы доменные шлаки и шлаки медно-никелевого производства. Достоинством шлаков является то, что они имеют фракционный состав, близкий к требуемому для загрузки.

е)На фильтрах с плавающей загрузкой используют полистирол.

Поддерживающий слой обычно выполняют из гравия и щебня.

Высота и фракционный состав поддерживающего слоя приведены в табл. 12.5 (слайд 32).

Коагуляция и флокуляция

Рассмотренные выше способы осветления воды (отстаивание, фильтрование и др.) связаны с удалением из воды крупнодисперсных частиц. Для удаления коллоидно-дисперсных частиц эти методы непригодны.

На практике коллоидно-дисперсные частицы из воды выделяют коагулирова-нием.

Коагуляцией примесей воды называется процесс укрупнения коллоидных и взвешенных частиц дисперсной системы, происходящий в результате их взаимодействия и объединения в агрегаты.

Коагуляция наиболее эффективна для удаления из воды коллоидно-дисперс-ных частиц, т.е. частиц размером 1-100 мкм.

Коагуляция может происходить самопроизвольно или под влиянием физических и химических процессов.

В процессе очистки сточных вод коагуляция происходит под влиянием добавляемых к ним специальных веществ – коагулянтов.

Коагулянты в воде образуют хлопья гидроксидов металлов, которые быстро оседают под действием силы тяжести. Хлопья обладают способностью адсорбировать коллоидные и взвешенные частицы и агрегировать их.

Так как коллоидные частицы имеют слабый отрицательный заряд, а хлопья коагулянтов слабый положительный, то между ними возникает взаимное притяжение.

Для коллоидных частиц характерно образование на поверхности частицы двойного электрического слоя. Одна часть двойного электрического слоя фиксирована на поверхности раздела фаз, а другая образует облако ионов, т.е. одна часть слоя является неподвижной, а другая подвижной (диффузионный слой).

Разность потенциалов между неподвижной и подвижной частями называется дзетта-потенциалом или электрокинетическим потенциалом, отличной от термодинамического потенциала Е, который представляет разность потенциалов между частицей и жидкостью. ξ зависит от Е и толщины двойного слоя. Его значение определяет величину электростатических сил отталкивания частиц, которые предохраняют частицы от слипания друг с другом.

Чтобы вызвать коагуляцию частиц, необходимо снизить величину их дзетта-потенциала добавлением ионов, имеющих положительный заряд. Таким образом, при коагуляции происходит дестабилизация коллоидных частиц вследствие нейтрализации их электрического заряда. Эффект коагуляции зависит от концентрации и валентности иона коагулянта. Чем выше валентность, тем выше коагулирующее действие, рис. 11.16 (слайд 39).

Коагулирующее действие солей есть результат гидролиза, который проходит вслед за растворением.

Ме³⁺ + НОН → (МеОН)²⁺ + Н⁺

(МеОН)²⁺ + НОН → Ме(ОН)₂⁺ + Н⁺

Ме(ОН)₂⁺ + НОН → Ме(ОН)₃ + Н⁺

В действительности процесс гидролиза не протекает до конца, а промежуточные соединения имеют положительный заряд и легко адсорбируются отрицательно заряженными коллоидными частицами. В качестве коагулянтов используют соли алюминия, железа и их смесей.

Флокуляция

Флокулянтами в химической технологии очистки воды называются вещества интенсифицирующие процесс хлопьеобразования гидроксида Al и Fe(III). Они принадлежат к классу линейных полимеров, для которых характерно цепочечная форма макромолекул. Молекулярная масса флокулянтов находится в пределах нескольких тысяч. В качестве флокулянтов используют высокомолекулярные вещества. Флокулянты делят на органические и неорганические.

В качестве флокулянтов из природных веществ используют крахмал, водорослевую крупку, белковые гидролизные дрожжи, картофельную мезгу, жмыхи и др.; из синтетических флокулянтов применяют прежде всего полиакриламид (ПАА).

Среди неорганических флокулянтов получил распространение активированный силикат натрия.

Процесс очистки сточных вод коагуляцией и флокуляцией состоит из следующих стадий:

- дозирование и смешение реагентов со сточной водой

- хлопьеобразование и осаждение хлопьев, рис. 11-17 (слайд 40).

Флотация

Гетерофазные примеси из воды можно выделить, используя явление избирательного смачивания, лежащего в основе процесса флотации.

Флотацию применяют для удаления из сточных вод нерастворимых ди-спергированных примесей, которые самопроизвольно плохо отстаиваются.

В некоторых случаях флотацию используют и для удаления растворимых веществ, например ПАВ. Такой процесс называется пенной сепарацией или пенным концентрированием.

Флотацию применяют для очистки сточных вод многих производств: нефтеперерабатывающих, искусственного волокна, целлюлозно-бумажных, кожевенных, машиностроительных, пищевых, химических.

Элементарный акт пенной флотации состоит в том, что при сближении в воде газового пузырька с гидрофобной поверхностью частицы, адгезия которой к воде менее когезии молекул воды, разделяющий их тонкий слой воды становится неустойчивым и разрывается при достижении некоторого критического значения.

Прилипание пузырька к частице сопровождается образованием краевого угла смачивания. Вследствие кратковременности соприкосновения пузырька и частицы при их столкновении (0,001–0,002 с) вероятность слипания определяется кинетикой формирования краевого угла смачивания, рис. 11.19 (слайд 41).

Масса флотируемой частицы не должна превышать силы их прилипания к газовым пузырькам и подъемной силы последних.

Оптимальная крупность извлекаемых частиц находится в пределах 10^-3-10^-1

см.

Тонкодисперсные примеси (5-10 мкм) флотируются очень плохо и ухудшают извлечение крупных частиц.

Возможность образование флотационного комплекса частица-пузырек, скорость процесса и прочность связи, продолжительность существования комплекса зависит от природы частиц, а так же характера взаимодействия реагентов с их поверхностью и от способности частиц смачиваться водой.

Вероятность прилипания зависит от смачиваемости частицы, которая характеризуется величиной краевого угла θ. Чем больше краевой угол смачи-вания, тем больше вероятность прилипания и прочность удерживания пузырька на поверхности частицы.

На величину смачиваемости поверхности взвешенных частиц влияют адсорбционные явления и присутствие в воде примесей ПАВ, электролитов и др.

Поверхностно-активные вещества – реагенты-собиратели, адсорбируясь на частицах, понижают их смачиваемость, т.е. делают их гидрофобными.

В качестве реагентов-собирателей используют масла, жирные кислоты и их соли, меркамптаны, ксантогенаты, дитиокарбонаты, алкилсульфаты, амины.

По некоторым данным, оптимальный размер пузырьков равен 15-30 мкм. При этом необходима высокая степень насыщения воды пузырьками.

Большое значение имеет стабилизация размеров пузырьков в процессе флотации. Для этой цели вводят различные пенообразователи (сосновое масло, крезол, фенол, алкилсульфат натрия). Некоторые из этих веществ обладают собирательными и пенообразующими свойствами.

В практике используют установки вакуумной флотации, установки напорной флотации, флотация при помощи пористых пластин, химическая, биологическая и ионная флотация.

Приготовление воздушного раствора ведут в насадочных адсорберах, рис. 10.2 (слайд 42).

Схема установки напорной флотации представлена на рис. 11.20 (слайд 42).

На рис.11.21 (слайд 42 (б)) приведена схема подачи воды при напорной флотации.

Рис. 10.5.

Рис. 11.22 (слайд 42 (а)).

3. Адсорбция

Адсорбционные методы широко применяются для глубокой очистки сточных вод от растворенных органических веществ после биохимической очистки, а также в локальных установках, если концентрация этих веществ невелика и они являются сильно токсичными.

Адсорбцию используют для очистки сточных вод от фенолов, гербицидов, пестицидов, ароматических соединений, ПАВ, красителей и др.

Достоинством метода является высокая эффективность, возможность очистки сточных вод, содержащих несколько веществ, а также рекуперации этих веществ.

Адсорбционная очистка может быть регенеративной, т.е. с извлечением вещества из адсорбента и его утилизацией, и деструктивной, при которой извлеченные вещества уничтожаются вместе с адсорбентом.

Эффективность очистки достигает 80-95% и зависит от химической природы адсорбента, величины адсорбционной поверхности и ее доступности.

Адсорбенты

В качестве сорбентов используют активные угли, синтетические сорбенты и некоторые отходы производства (зола, шлаки, опилки).

Минеральные сорбенты - глины, селикагели, алюмогели и гидроксиды металлов для адсорбции используются мало, т.к. энергия взаимодействия этих молекул с водой велика.

Адсорбционная способность активных углей является следствием сильнораз-витой поверхности и пористости.

Характеристика некоторых активных углей приведена в таблице 11.8 (слайд 43).

Адсорбционные установки

Процесс адсорбционной очистки сточных вод ведут при интенсивном перемешивании адсорбента с водой. При смешивании адсорбента с водой используют активный уголь в виде частиц 0,1 мм и меньше. Процесс проводят в одну или несколько ступеней, рис. 11.29 (слайд 44).

Статическая одноступенчатая адсорбция нашла применение в тех случаях, когда адсорбент очень дешев или является отходом производства.

Более эффективно процесс протекает при использовании многоступенчатой установки.

Установки с псевдоожиженным слоем целесообразно применять при высоком содержании взвешенных веществ в сточной воде. Размеры частиц адсорбента 0,5-1,0 мм, скорость потока 8-12 м/час.

Ионный обмен

Ионнообменная очистка применяется для извлечения из сточных вод металлов (Zn, Cu, Cr, Ni, Pb, Hg, Cd, V, Mn), а также соединений мышьяка, фосфора, цианистых соединений и радиоактивных веществ. Метод позволяет рекупировать ценные вещества при высокой чистоте воды.

Ионный обмен широко распространен при обессоливании в процессе водоподготовки.

Сущность ионного обмена. Ионный обмен представляет собой процесс взаимодействия раствора с твердой фазой, обладающей свойствами обменивать ионы, содержащие в ней на другие ионы, присутствующие в растворе. Вещества, составляющие твердую фазу называются ионитами. Они практически нерастворимы в воде. Те из них, которые поглощают положительно заряженные ионы, называются катионитами, отрицательные – аниониты. Первые обладают кислотными свойствами, вторые – основными. Если иониты обменивают и катионы и анионы, называются амфотерными.

Поглотительная способность ионитов характеризуется обменной емкостью, которая определяется числом эквивалентов ионов, поглощаемых единицей массы или объема ионита.

Различают полную, статическую и динамическую обменные емкости.

Полная емкость – это количество поглощенного вещества при полном насыщении единицы объема или массы ионита.

Статическая емкость – это обменная емкость ионита при равновесии в дан-ных рабочих условиях. Она меньше полной.

Динамическая обменная емкость – это емкость ионита до проскока ионов в фильтрат, определяемая в условиях фильтрации. Динамическая емкость меньше статической.

Экстракция

Жидкостную экстракцию применяют для очистки сточных вод, содержащих фенолы, масла, органические кислоты, ионы металлов.

Очистка сточных вод экстракцией состоит из трех стадий: 1. Первая стадия – интенсивное смешение сточных вод с экстагентом. В условиях развитой поверхности контакта между жидкостями образуются две жидкие фазы. Одна фаза – экстракт содержит извлекаемое вещество и экстрагент, другая – рафинат – сточную воду и экстрагент. 2. Вторая стадия – разделение экстракта и рафината. 3. Третья стадия – регенерацию эктрагента из экстракта и рафината.

Экстрагент должен отвечать следующим требованиям:

- растворять извлекаемое вещество лучше, чем вода, т.е. обладать высоким коэффициентом распределения;

- обладать большой селективностью;

- иметь, по возможности, наибольшую растворяющую способность;

- иметь низкую растворимость в воде;

- значительно отличаться по плотности от воды;

- обладать большим коэффициентом диффузии;

- иметь температуры кипения, значительно отличающуюся от воды;

- не взаимодействовать с извлекаемым веществом.

Для очистки сточных вод наиболее часто применяют процессы противоточной многоступенчатой экстракции и непрерывной противоточной экстракции.

Схема многоступенчатой экстракционной установки представляет собой батарею смесителей и отстойников, рис. 11.35 (слайд 47).

Для экстракции фенолов из сточных вод применяют простые и сложные эфиры.

Нитропродукты экстрагируют бензолом.

В таблице указаны экстрагенты, которые можно применять для извлечения цветных, редких и благородных металлов.

Дезодорация

В некоторых сточных водах содержится меркантаны, амины, аммиак, сероводород, альдегиды, углеводороды, которые придают им дурной запах.

Для очистки дурнопахнущих вод можно использовать различные способы:

- аэрация, хлорирование, ректификацию, дистилляцию, обработку дымовыми газами, окисление кислородом под давлением, озонирование, экстракцию, адсорбцию, микробиологическое окисление.

Наиболее эффективным считается метод аэрации, который заключается в продувании воздуха через сточную воду.

На некоторых предприятиях воды продувают острым паром. Особенно это касается целлюлозной промышленности (отдувка скипидара, метанола осуществляется в колоннах).

Промышленное применение имеет и хлорирование дурнопахнущих веществ.

Н₂S + 3Cl₂ + 2H₂O = SO₂ + 6HCL

Сероводород из воды можно удалить гидроксидом железа по реакции:

2Fe(OH)₂ + 3H₂S = Fe₂S₃ + 6H₂O (в щелочной среде)

2Fe(OH)₂ + H₂S → FeS + 2H₂O (в нейтральной среде)

Дегазация

Присутствие в сточных водах газов затрудняет очистку и использование сточных вод, усиливает коррозию аппаратуры.

Растворенные газы из воды удаляют дегазацией, которую осуществляют химическими, термическими и десорбционными (аэрационными) методами. Для удаления из воды диоксида углерода используют методы аэрации, проводимые в пленочных, насадочных, барботажных и вакуумных дозаторах. Аммиак из сточных вод выделяют продувкой ее водяным паром.

Для удаления кислорода из воды ее фильтруют через легкоокисляемые стальные стружки. Железо при этом окисляется:

4Fe + 3O₂ = 2Fe₂O₃

Лучшим обескислороживающим воду реагентом является гидразин:

О₂ + Н₂N–NH₂ → N₂ + 2H₂O

Электрохимические методы

Для очистки сточных вод от различных растворимых и диспергированных примесей применяют процессы анодного окисления и катионного восстановления, рис. 11.48 (слайд 50).

Эти процессы разработаны для очистки сточных вод от цианидов, роданидов, аминов, спиртов, альдегидов, нитросоединений, азокрасителей меркантанов. В процессе электролиза вещества распадаются на простые нетоксичные вещества. В состав сточных вод кроме простых цианидов входят комплексные цианиды цинка, меди, железа. Анодное окисление цианидов протекает по реакции:

СNˉ + 2OHˉ- 2e → CNOˉ + H₂O

СNOˉ + 2H₂O → NH₃ + CO₃^2-

СNOˉ + 4OHˉ- 6e → 2CO₂ + N₂ + 2H₂O