Проточні фільтри з гранульованим середовищем. Час контакту (EBCT).

Фільтри з гранульованим середовищем – видалення зважених часток.

Дія «бар’єрних» фільтрів з гранульованим середовищем, призначених для видалення з води зважених часток, грунтується на принципах гідравліки (не на принципах адсорбції). На малюнку проілюстровано вільний канал для проходження зважених часток через гранульоване середовище “бар’єрного” фільтра. Наскільки цей канал орієнтовно менше розміру гранул? Приблизно його розмір дорівнює 155% розміру гранули. Це означає, що якщо як фільтруюче середовище ми використовуємо пісок розміром фракції 1 мм (1000 мкм), фільтр буде механічно блокувати рух зважених частинок розміром більше 155 мкм.

У фільтрі з гранульованим середовищем розміром 1гранул 2х40 середній розмір частинок становить 550 мкм, які створять непереборний бар’єр для частинок розміром понад 85 мкм. То як тоді ми можемо видаляти механічними фільтрами частинки 25 мкм і менше? Відповідь лежить у площині застосування законів гідравліки, зокрема – закону розподілу Нернста. Закон Нернста лежить в основі процесу екстракції – вилучення компонента з однієї фази до іншої. При русі води через гранули в фільтрувальному середовищі створюються області (так звані шари Нернста), у яких швидкість потоку майже дорівнює нулю. Частинки у воді зупиняються. Природний приклад цього явища – утворення піщаної мілини на внутрішньому вигині русла річки. У результаті, що нижча швидкість потоку, то більше  товщина «мертвої зони» і краще фільтрація. При високій швидкості ці шари стають тонкими і перепад тиску між частинками стає досить великим для проштовхування частинок менше 155 мкм через канали в загальний потік. Зверніть увагу – зворотне промивання фільтра гранулометрично рекласифікує середовище таким чином, що його найдрібніші частинки розташовуються зверху шару. Нижче розташовуються більші частинки з більшими каналами. Будь-яка зважена частка, яка проникла нижче за верхній шар на кілька сантиметрів, пройде і через шари, розташовані нижче. Нижчерозташовані фільтруючі шари призначені для видалення частинок від 20 до 30 мкм при лінійній швидкості потоку 23 м/год. Зниження швидкості потоку призведе до утворення відфільтрованих відкладень, які звужуватимуть проточні канали та забезпечуватимуть видалення частинок менших фракцій.

Фільтри з кварцовим піском.

Найпростіший тип фільтра для видалення зважених часток – фільтр з кварцовим піском 12х20, в якому після розподілу верхній шар сформований піском mesh 20 (0,85мм), нижній піском mesh 12 (1,7мм). Підтримуючий шар – гравій. Товщина кожного із шарів -300…600 мм. Цей фільтр грубого очищення здатний видаляти частинки з рейтингом від 30 до 50 мкм. Лінійна швидкість сервісного потоку дорівнює 10…15 м/год, потоку зворотного промивання – 30…40 м/год. Погано спроектований нижній розподільник здатний нерівномірно перемішати шари при зворотному промиванні, створивши передумови для каналоутворення та зниження ефективності фільтрації.

Мультимедійні фільтри.

Мультимедійні фільтри – фільтри, які мають градієнт щільності. Два верхні шари формуються гідроантрацитом і дрібнозернистим Garnet, нижні шари – крупнозернистим Garnet та гравієм. Верхній шар Garnet має меншу комірку в порівнянні з шаром гідроантрациту. Це визначає не поверхневу, а глибинну форму фільтрації. Такі фільтри здатні обробляти воду зі швидкістю 8…10 м/год, фільтруючи частки розміром 10…15 мкм. Швидкість зворотного промивання для мультимедійних фільтрів – 30…40 м/год.

Адсорбційні фільтри з GAC.

Незважаючи на те, що вугільні фільтри часто застосовують для освітлення води, їхнє пряме призначення – адсорбувати органічні речовини, хлор та хлорпохідні з води. У режимі адсорбції вугільні фільтри потребують прийнятного часу контакту (EBCT) для завершення поглинання цільової речовини. Проте ефективність адсорбції також залежить від кінетичних властивостей середовища. Гідравлічна конструкція фільтра повинна підтримувати рівномірний потік, забезпечуючи залучення всього вугілля в процес, адекватне очищення та рекласифікацію вугілля в процесі зворотного промивання. Занадто низька швидкість зворотного промивання залишить невідмите фільтрувальне середовище і призведе до зростання перепаду тиску. Занадто висока швидкість потоку зворотного промивання призведе до підвищеного стирання та винесення середовища з фільтра. Типова швидкість потоку для вугілля 2,5-8 м/год, що дозволяє забезпечити EBCT від 2.5 до 7.5 хвилин. Чим нижча швидкість потоку, тим більше шару буде задіяно. Швидкість повинна бути нижчою за 10 м/год для запобігання каналоутворенню. При цьому верхня межа швидкості – 20 м/год. Швидкість зворотного промивання для GAC залежить від щільності і знаходиться в діапазоні 20…30 м/год.

Проскок.

Багато користувачів часто ставлять питання про те, чому їх фільтри-знезалізники перестали працювати. Багато хто  ретельно вибирав типорозмір фільтра, щоб знизити швидкість обробки і отримати необхідний результат. Тим не менш, в обробленій воді  з’являються проскокові концентрації заліза. Те, що користувачі вірогідно не врахували – фільтр повинен промиватися регулярно і з прийнятною швидкістю зворотного потоку. Швидкість зворотного промивання для фільтрів-знезалізників у рази (3…6 разів) більша за швидкість фільтрації. Зрештою невимите окислене залізо опускається вниз шару та  через деякий час починає забруднювати оброблену воду. Постачальник пропонує інше рішення – встановити два фільтри менших типорозмірів паралельно, щоб наблизити швидкість обробки та швидкість зворотного промивання (паралельні фільтри промиваються по черзі, час промивання має збігатися з часом мінімального споживання води). Однак, коли промивається один з фільтрів, паралельний фільтр може отримати подвійну швидкість потоку фільтрації і залізо знову може надходити в оброблену воду. Єдино надійний метод запобігти проскоку – забезпечити ретельне зворотне промивання гранульованого середовища від окисленого заліза.

Наскільки великим має бути типорозмір фільтра.

У будь-якому випадку там, де існує проблема недостатньої швидкості зворотного промивання, паралельна установка менших типорозмірів краще одного великого фільтра. У комерційному секторі (підвищене навантаження) – 3 паралельні фільтри замість одного великого, у побутовому  – 2 паралельні фільтри замість одного зі зворотним промиванням у нічний час.

Перепад тиску.

З одного боку, зменшення розміру зерна підвищує ефективність фільтрації, з іншого – збільшує перепад тиску (∆P). Зменшення розміру гранули з 0,55 мм (30 mesh) до 0,25 мм (60 mesh) призводить до зменшення об’єму кожної гранули в 8 разів (об’єм – кубічна функція, V = 4/3πr3). Відповідно загальний об’єм каналів збільшується у 8 разів, діаметр цих каналів зменшується у 2 рази, а довжина збільшується у 8 разів. Але, на жаль, перепад тиску шару чистого середовища буде не 0,1…0,2 бар, а 0,7…1 бар. Чи краще крупніше частки і повільніший потік? Чи, можливо, варіант великого типорозміру фільтра з частковим заповненням та зменшеною глибиною шару, враховуючи, що найбільш тонка фільтрація здійснюється поверхневим шаром глибиною 10…15 см?

Роль гідравліки у конструкції фільтра.

Фільтруючий матеріал безпосередньо визначає швидкість обробки та втрати тиску. Ефективність фільтра повністю визначається гідравлічним розподілом потоку та швидкістю фільтрації. Фільтрувальне середовище створює тисячі каналів, тонких і звивистих. Шари Нернста відносно великі порівняно із сумою всіх проточних каналів. Збільшення швидкості потоку вдвічі супроводжується збільшенням гідравлічного опору шару вчетверо. Висока швидкість призводить до проблем у роботі середовища. Це не лише порожня втрата енергії, а й скорочення ефективності роботи фільтруючого середовища (для адсорбційних фільтрів – недостатній EBCT).

Підсумки.

Навіть простий фільтр із кварцовим піском вимагає прийнятної продуктивності системи водопостачання, щоб забезпечити умови зворотного промивання. Продумайте конструкцію та деталі у роботі фільтра до початку встановлення. Переконайтеся, що об’ємної швидкості потоку в трубопроводі  достатньо для промивання фільтра, а дренаж здатний прийняти промивну воду з тією ж швидкістю без додаткового опору. Використання паралельних фільтрів може бути кращим рішенням у порівнянні з одним фільтром, дотримання умов промивання якого виглядає потенційно проблематичним.