На рис. 13.30 показан напорный диатомовый фильтр, состоящий из нескольких фильтрующих элементов. Фильтрующий элемент представляет собой рукав из мелкоячеистой сетки или фильтрующей ткани, натянутый на сердечник. На рукав наносится диатомовый грунт, через который и осуществляется собственно фильтрование. На рис. 13.31 показан рукав с нанесенным на него слоем диатомового грунта. Нити материала, из которого соткан рукав показаны крупными кружками, вокруг которых группируются мелкие кружки — частицы диатомового грунта. Из рисунка видно, что, хотя максимальное расстояние между волокнами ткани рукава составляет всего 0,0127 см, частицы диатомового грунта еще меньше. Чтобы между двумя соседними волокнами ткани рукава образовался мостик, необходимо несколько частиц грунта. Поскольку первые частицы, осевшие на рукав, не всегда образуют необходимые мостики, значительная часть фильтрующего-материала попадает в процессе грунтовки в воду, которую необходимо сливать.
Фильтр работает следующим образом (см. рис. 13.30). Чистая вода подается основным насосом из резервуара в нижнюю часть фильтра. Количество прошедшей воды регистрируется расходомером. Необходимое количество сухого диатомового порошка разводят в воде до образования суспензии, которую затем подают в специальный бак-смеситель, откуда она насосом подается в основную линию. Грунтовку производят до тех пор, пока- все рукава не будут покрыты слоем фильтрующего материала требуемой толщины. Это условие обеспечивается при достаточной скорости движения воды в фильтре. Если диатомовый порошок состоит из крупных частиц, скорость потока должна быть не меньше 1,37 м/мин (Bell, 1962). Таким образом, скорости движения потока внутри фильтра должны быть достаточно высокими, чтобы частицы диатомового порошка находились во взвешенном состоянии (эта скорость зависит от размера частиц, грунта, их формы и плотности), но достаточно низкими для предотвращения проскакивания частиц, так как к концу грунтовки скорость увеличивается.
На 1 м2 фильтровальной поверхности требуется примерно 4—6,25 г диатомового порошка (Me Indoe, 1969). Потеря напора на рукаве, полностью покрытом слоем диатомового грунта, составляет приблизительно 8—10 дарси1 (Bell, 1962). Неоднородность грунтовки по толщине вызовет колебания скорости по всей поверхности фильтра и снизит эффективность фильтрования.
Как уже отмечалось, значительная часть диатомового грунта проходит через ткань рукава в воду. Эти потери значительно сокращаются, если фильтр работает в замкнутом режиме (см. рис. 13.30). Для включения рециркуляционного контура закрывают выходную задвижку и открывают задвижку на рециркуляционной линии. Поскольку вместе с водой в рециркуляционной линии движутся частицы диатомового грунта, увеличивается износ главного насоса. В тех случаях, когда это необходимо и экономически целесообразно, для уменьшения износа главного насоса циркуляционную линию делают обводной. В такой схеме должно быть использовано сопло Вентури, которое встраивается в рециркуляционную линию на участке трубопровода, специально суженного для этой цели.
По окончании нанесения фильтрующего слоя бак-накопитель суспензии отключают и включают в сеть бак, в котором находится диатомовый порошок, предназначенный для подпитки слоя грунта. На этом этапе рециркуляция не требуется, так как из фильтра выходит достаточно чистая вода. Главный насос должен быть переключен с подачи чистой воды на подачу загрязненной воды, предназначенной для фильтрации. Во время этого переключения подача воды не должна прерываться, поскольку в случае остановки насосов слой грунтовки начинает осыпаться. Если это все же произойдет, грунтовку следует повторить.
Для подпитки основного фильтрующего слоя используют специально подобранный диатомовый порошок, который подается в фильтр вместе с фильтруемой водой. Без подпитки частицы взвеси, содержащиеся в воде, очень быстро закупорили бы поры фильтрующего слоя. Незначительные добавки диатомового порошка поддерживают эффективность фильтровального «пирога».
Продолжительность цикла фильтрования зависит от падения давления на фильтре или от толщины фильтрующего «пирога». Добавляемый в процессе подпитки грунт и задержанные на фильтре частицы взвеси увеличивают толщину «пирога». При правильном выборе сорта диатомового порошка и его количества для данного фильтра падение давления на фильтре в процессе работы хотя и будет расти, но в допустимых пределах. Для предотвращения падения давления, превышающего допустимое, грунтовку необходимо заменять. Фильтрующие элементы расположены на определенном расстоянии один от другого. В процессе работы фильтра это расстояние уменьшается, так как толщина фильтрующего «пирога» увеличивается. В определенный момент скорость движения воды между фильтрующими элементами настолько возрастает, что фильтрующий слой начинает разрушаться и качество фильтрации ухудшается. В этом случае фильтр также необходимо менять.
Об окончании цикла фильтрации свидетельствует повышенное падение давления на фильтре или увеличение толщины фильтрующего слоя. Промывка начинается с подключения к фильтру трубопровода чистой воды, для этого закрывают задвижку А на входной линии фильтра, открывают задвижку дренажа В, закрывают задвижку С на трубопроводе чистой воды и открывают задвижку D на линии обратного тока. В результате чистая вода направляется в верхнюю часть фильтра и пропускается сквозь него сверху вниз, в дренаж. Одновременно с промывкой можно продувать фильтры воздухом. Во время промывки направление движения жидкости меняют на противоположное. В результате слой диатомового грунта и задержанные им примеси удаляются. После промывки цикл можно повторять.
Эффективность работы диатомовых фильтров зависит главным образом от трех факторов: площади поверхности фильтрующих элементов, типа применяемого диатомового грунта и свойств жидкости, предназначенной для фильтрования. Расходы в диатомовых фильтрах колеблются от 0,42 до 0,63 л/(мин·м2) (Mclndoe, 1969). Однако в диатомовых фильтрах, применяемых для тонкой очистки воды, возможны расходы и 1,2 л/(мин·м2).
Проектирование и выбор диатомовых фильтров
Диатомовые фильтры могут работать в двух режимах. Первый характеризуется экспоненциальной зависимостью между потерей напора на фильтре и продолжительностью фильтрования
где h — потеря напора, м; A и B — константы; t — время, с; е — основание натурального логарифма.
Уравнение (13.9) описывает работу диатомового фильтра без подпитки или при незначительной подпитке. При таком режиме цикл фильтрования непродолжителен, и вообще такой режим работы фильтра нежелателен.
Другой режим работы характеризуется линейной зависимостью между потерей напора на фильтре и продолжительностью его работы:
Константа С определяет потерю напора на фильтре в начале его работы (т. е. t=0). Константа D определяет угол наклона прямой линии на графике зависимости h от t. С увеличением интенсивности подпитки D уменьшается. Благодаря этому увеличивается продолжительность цикла работы фильтра до момента, когда падение давления на фильтре превысит допустимое, при условии, что расстояние между фильтрующими элементами достаточна для увеличения толщины фильтрующего слоя. Отсюда можно сделать вывод о необходимости увеличения количества диатомового грунта, предназначенного для подпитки, тем не менее экономические соображения, а также фильтруемый расход ограничивают содержание диатомового порошка в фильтруемой воде 10% (по весу) (Purchas, 1967). На рис. 13.32 приведена зависимость между расходом фильтруемой воды и расходом диатомового порошка.
Бауманн и др. (Baumann et al., 1962) разработали теорию диатомовых фильтров. Позднее Бауманн и Оулман (Baumann and Oulman, 1964) использовали эту теорию для определения зависимости вязкости от температуры. Теория Бауманна и др. (1962) справедлива только для фильтров, действие которых описывается уравнением (13.10). В окончательном виде это уравнение имеет следующий вид:
где h — потеря напора на фильтре, м; μ — абсолютная вязкость жидкости, Па·с; Q — скорость фильтрации (расход воды), м3/(с·м2); g — ускорение силы тяжести, м/с2; γ — удельный вес жидкости, Н/м3; α1 — среднее удельное сопротивление вспомогательного первичного слоя, м2/(Н·с); α2 — среднее удельное сопротивление грунтовки и взвешенных твердых частиц, м2/(Н·с); w1 — количество диатомового порошка, использованного при грунтовке, Н/м2; С0 — концентрация диатомового порошка, мг/л; t — время, с.
Если температура воды известна, значения μ и γ для уравнения (13.11) берутся из таблиц. Ускорение силы тяжести g также известно. Значение w1 можно подсчитать, разделив вес взятого диатомового порошка на площадь поверхности фильтрующего элемента.
Среднее удельное сопротивление грунтовки α1 определяют опытным путем. Поскольку величина α1 относится только к потоку, проходящему через грунтовку, первая часть уравнения (13.11) может быть переписана следующим образом:
С помощью уравнения (13.12) величину α1 можно определить несколькими способами. При заданной температуре величины μ, γ и g являются константами, а параметры Q и w1 могут изменяться. Переписав уравнение (13.12) в виде уравнения (13.13), можно показать, что график зависимости h1 от Qw1 представляет прямую линию, величина наклона которой равна Сα1. С можно подсчитать, a α1 найти по графику зависимости h1 от Qw1:
где С — константа, равная 3,2·10-8 (μ/gγ).
Существует, по крайней мере, четыре экспериментальных способа определения тангенса угла наклона кривой зависимости h1 от Qw: 1-й — изменяя Q, поддерживать постоянным w1 и следить за изменением h1; 2-й — изменяя w1 при постоянной величине Q, следить за изменением h1; 3-й — поддерживать постоянным h1 и определять Q для различного содержания диатомового порошка в фильтрующем слое w1; 4-й — для различных значений содержания диатомового порошка w1 следить за изменением потери напора на фильтре при изменяющейся Q. Первые два способа можно применять для стандартных диатомовых фильтров; третий и четвертый способы применяются в основном в лабораторных установках. Во всех случаях, разумеется, следует пользоваться чистой водой и диатомовым грунтом, не бывшим в употреблении.
После того, как найдено α1, тем же способом можно определить α2. Для этого можно воспользоваться графиком зависимости h от Qt, вводя поправку на влияние грунтовки (рис. 13.33). Наклон кривой общей потери напора включает потерю напора в слое грунтовки и в фильтрующем слое, образовавшемся в результате подпитки и накапливания взвешенных частиц. Тангенс угла наклона этой кривой, равный h2/Qt, можно использовать для определения α2:
Таким образом, тангенс угла наклона h2/Qt равен α2(С0γ/106). Поскольку С0 и γ известны, можно найти α2.
Теперь, зная α1 и α2, можно воспользоваться уравнением {13.11) для определения характеристик фильтра при различных значениях температуры, расхода диатомового порошка для грунтовки и подпитки и других эксплуатационных параметров.
Фильтрующая способность диатомовых фильтров
Спотт (Spotte, 1970) установил, что самые тонкие фракции диатомовых фильтров способны улавливать частицы взвеси размером менее 0,1 мкм. С помощью диатомовых фильтров можно также извлекать из воды бактерии. Крупнозернистый диатомовый порошок задерживает около 50% колиформных бактерий, если в поступающей воде они содержались в количестве от 210 до 1300 кишечных палочек на 100 мл. Более мелкие фракции порошка способны полностью очищать воду от кишечных палочек, даже если в поступающей в фильтр воде содержится несколько тысяч кишечных палочек на 100 мл (Hunter and Henderson, 1966). Диатомовые фильтры задерживали 100% амебных цист и частично некоторые другие болезнетворные организмы (Mclndoe, 1969). Внесение в зараженную бактериями воду солей железа с последующим извлечением железа в результате взаимодействия MgO с диатомовым грунтом позволяет уменьшить содержание патогенных стрептококков и кишечной палочки Escherichia coli на 99% (Mclndoe, 1969).
Примечания
1. Проницаемость, равная 1 дарси, допускает расход 1 мл/с (вязкость жидкости 1 сП) через 1 см2 материала толщиной 1 см при разности давлений 9,8·104 Па.