Неподвижные сетчатые фильтры
Сетчатые фильтры — наиболее распространенные механические фильтры. Простейший сетчатый фильтр (рис. 13.1) представляет собой неподвижную сетку, установленную поперек потока. Частицы твердого материала, размер которых превышает размер ячей сетки, задерживаются и собираются на ней. Для частиц размером менее 1,5 мм и их высокой концентрации неподвижные сетки почти не применяются, поскольку они быстро забиваются. Для очистки сетку вынимают и промывают водой под давлением в направлении, противоположном направлению движения потока во время фильтрации. Допускается также механическая очистка вручную щетками и другими приспособлениями.
Неподвижные сетчатые фильтры относятся к числу недорогих фильтрующих устройств. Установка и эксплуатация их просты, и они достаточно эффективны для отделения частиц, размер которых превышает размер ячеи сетки. Однако при высокой концентрации взвешенных частиц в движущемся потоке очистка сетки обходится довольно дорого. Если очистка выполнена неудовлетворительно, сетка может значительно затруднять движение потока. Выпускаются сетки с размером ячеи от нескольких сантиметров до нескольких микрон. При размерах ячеи менее 1,5—3 мм стоимость сетки резко возрастает. Сетки изготовляются из различных материалов: от углеродистой стали, латуни и нержавеющей стали до всевозможных технических тканей. При работе с коррозионно-активными жидкостями можно использовать сетки из пластмассы, однако конструкция таких фильтров должна учитывать низкую прочность пластмасс.
Вращающиеся сетчатые фильтры
Если сетка быстро засоряется и ее очистка стоит слишком дорого или в таких водоводах, где перекрытие потока на время очистки сетки недопустимо, применяют вращающиеся сетчатые фильтры, которые представляют собой вращающиеся преграды на пути движения потока, опущенные в воду только на часть своей высоты. Сквозь погруженную секцию фильтра проходит фильтруемая вода. Благодаря непрерывному вращению каждая часть сетки, отработавшая как фильтр, поднимается над поверхностью воды и оказывается под струей воды, поступающей под давлением из системы промывки, после чего опять погружается в воду и служит фильтром, процесс повторяется. Таким образом происходит непрерывная автоматическая промывка сетки, благодаря чему создаются условия для непрерывного действия фильтра с минимальной потерей напора. Затраты труда на обслуживание подобных устройств незначительны. Для промывки таких фильтров требуется значительное количество воды, содержание твердых частиц в промывочной воде высокое.
Вращающиеся сетчатые фильтры бывают двух типов: прямоточные, когда направление движения потока совпадает с осью вращения фильтра, и радиальные, когда поток движется радиально в направлении либо к оси вращения фильтра, либо от нее.
Прямоточные вращающиеся сетчатые фильтры
Существует много разновидностей прямоточных вращающихся сетчатых фильтров. В фильтрующем устройстве, показанном на рис. 13.2, поток поступает из крайней камеры, расположенной слева, и проходит сквозь сетку, установленную таким образом, чтобы направление движения потока совпадало с осью ее вращения. Отработавшая в качестве фильтра часть сетки поднимается в результате ее вращения над водой и попадает в зону промывки, где струей воды под высоким давлением, направленной перпендикулярно поверхности сетки в сторону, противоположную движению потока, осуществляется ее очистка от твердых частиц. Промывная вода попадает в специальный желоб, установленный со стороны входа потока в фильтр, и отводится им в сторону.
Прямоточные вращающиеся сетчатые фильтры относительно недороги, просты в эксплуатации, их техническое обслуживание нетрудоемко. Очистка вращающихся сеток почти полностью автоматизирована. Их преимущество по сравнению с неподвижными сетками состоит в том, что они допускают значительно более высокую концентрацию твердых частиц в фильтруемом потоке. Максимальный размер пропускаемых сеткой твердых частиц определяется размером ее ячеи. Стандартный ряд размеров ячеи для вращающихся сеток примерно соответствует стандартам на ячею неподвижных сеток.
Пропускная способность фильтра зависит от размера ячеи сетки, потери напора, связанной с прохождением потока сквозь сетку, эффективности работы фильтра, степени насыщения потока твердыми частицами и характера этих частиц, а также от площади фильтрации. Выбор размера ячеи определяется допускаемым в данном потоке гидросмеси максимальным размером твердых частиц. Величина потери напора будет зависеть от процентного отношения суммарной площади ячеи к площади фильтрации, степени насыщения потока гидросмеси твердыми частицами и характера этих частиц, эффективности метода очистки сетки, частоты вращения сетки и скорости фильтруемого потока. Для повышения эффективности работы фильтра можно рекомендовать увеличение частоты вращения сетки вплоть до максимального значения, определяемого соображениями целесообразности. Увеличение частоты вращения сетки может компенсировать возрастающую степень насыщения потока гидросмеси твердыми частицами. Это в свою очередь вызывает необходимость увеличения частоты промывки сетки, что способствует уменьшению потери напора на ней. Потери напора на вращающихся сетках при условии их правильного проектирования и грамотной эксплуатации составляют 15—60 см.
Основным недостатком прямоточных вращающихся сетчатых фильтров является то, что они должны быть круглыми. Поскольку глубина потока гидросмеси не может быть значительно больше половины диаметра сетки, диаметр сетки ограничивает поток. С увеличением диаметра вращающейся сетки вес и габариты ее увеличиваются, соответственно требуются более глубокие гидравлические каналы, поэтому при больших фильтруемых расходах следует применять многоступенчатую фильтрацию.
Радиальные вращающиеся сетчатые фильтры
Такой фильтр представляет собой цилиндрический каркас с натянутой на него сеткой. Поступающий поток направлен вдоль оси вращения цилиндра, выходящий — радиально от оси цилиндра к периферии таким образом, чтобы жидкость прошла сквозь'ячею сетки. На рис. 13.3 и 13.4 показаны два варианта установки фильтрующих устройств рассматриваемого типа. Трубопровод промывной воды находится снаружи цилиндра, наверху. Уровень потока смеси на входе в фильтр поддерживается достаточно низким для того, чтобы внутри цилиндра оставалось место для размещения промывного желоба (рис. 13.5).
На рис. 13.6 показан другой вариант установки радиального сетчатого фильтра. Фильтруемый поток поступает в фильтр радиально, от внешней поверхности сетки к оси цилиндра, а выходит наружу из оконечности цилиндра в осевом направлении. Частицы твердого тела, задержанные у сетки, собираются на внешней поверхности сетки и перебрасываются специальными лопастями через цилиндр. Фильтрами такого типа обычно пользуются для удаления крупных включений, например плавающих кусков дерева или коры, из сравнительно чистой воды. Необходимость промывки сетки в данном случае отпадает, так как захваченные потоком твердые тела отделяются от фильтра под действием собственной силы тяжести.
Обладая всеми преимуществами прямоточных сетчатых фильтров, радиальные сетчатые фильтры не так ограничены по пропускной способности, как прямоточные. Скорость фильтрации через вращающийся сетчатый фильтр для заданных величины потока, размера ячеи и частоты вращения зависит от площади поверхности сетки. Площадь поверхности в радиальном сетчатом фильтре определяется по формуле

где А — площадь поверхности фильтрации, м2; D — диаметр цилиндра, м; L — длина цилиндра, м; К — площадь поверхности сетки, находящаяся в воде, десятые доли.
Таким образом, пропускная способность радиального сетчатого фильтра пропорциональна его длине и диаметру. Площадь поверхности фильтрации прямоточного сетчатого фильтра зависит только от диаметра, так как он не имеет длины.
Сетки фильтров изготовляют из различных материалов: от оцинкованной стали до всевозможных технических тканей. Материал выбирают, исходя из характеристик фильтруемого потока и желаемого размера ячеи сетки. Например, для фильтрации соленой воды сетка из оцинкованной стали не годится, так как этот материал легко поддается коррозии. Поскольку некоторые мелкоячеистые сетки выпускаются только из определенных материалов, размер ячеи до некоторой степени обусловливает материал.
Для радиальных вращающихся сетчатых фильтров потеря напора 30 см или менее считается нормальной. Более подробно с конструктивными параметрами можно ознакомиться по каталогам фирм-изготовителей. Однако прежде, чем приступить к выбору фильтра, необходимо выяснить и уточнить следующие факторы: максимальный размер частиц, которые может пропускать фильтр, характеристики фильтруемого потока (например, концентрация твердых частиц в гидросмеси и их размер, коррозионные свойства жидкости) и скорость потока. Диапазон размеров ячеи для фильтрующих сеток радиальных фильтров достаточно широк: от нескольких сантиметров до долей миллиметра. Фильтры с мелкоячеистыми сетками называются микрофильтрами или микроситами.
Расчет микрофильтров ведут по формуле, предложенной Бухером (Boucher, 1947):

где е — основание натурального логарифма; h — потеря напора на сетке, см; Q — расход через фильтр, л/мин; h0 — начальная потеря напора, м; А — эффективная погруженная площадь поверхности сетки, м2; I — фильтруемость, л/м2; s — скорость фильтра (т. е. суммарная эффективная площадь поверхности фильтрующей сетки, опускающаяся в воду в единицу времени, м2/мин; m — постоянная, равная 1,1·10-4; n — постоянная, равная 1,86·10-6.
Фильтруемость I — это объем воды, профильтрованой через единицу площади стандартного фильтра, отнесенный к единице площади. Этот параметр из формулы (13.2) труднее остальных поддается определению. Для его определения можно воспользоваться лабораторным методом Бухера (Boucher, 1947) или методикой, применяемой в полевых условиях (ЕРА, 1971). Остальные параметры в формуле (13.2) могут изменяться в определенных пределах для достижения требуемой потери напора.
Микрофильтры обычно применяются для окончательной очистки сточных вод. Сведения о применении микрофильтров на предприятиях по разведению водных организмов отсутствуют. Данные, полученные при очистке бытовых сточных вод на водоочистной станции в Чикаго, легли в основу построения графика (рис. 13.7), из которого видно, что количество отфильтрованных твердых примесей прямо пропорционально их содержанию в поступающей на фильтрацию воде. Математическим выражением этого графика является уравнение регрессии

где у — содержание взвешенных примесей в воде, оцененное по остатку на фильтре, кг/(м2·день); х — содержание примесей в воде, поступающей на фильтрование, кг/(м2·день).
Для построения кривой, показанной на рис. 13.7, необходимы эксперименты. С помощью уравнения регрессии можно получить графики типа показанных на рис. 13.8 для различных значений концентрации взвешенных примесей в воде, подлежащей фильтрации, и расходов. График, приведенный на рис. 13.8, построен по данным полупромышленных испытаний, выполненных на водоочистной станции в Чикаго. С помощью этого графика можно прогнозировать качество фильтрации по изменению содержания примесей в фильтруемой воде и ее расхода. В сочетании с уравнением Бухера графики такого рода можно использовать при расчете микрофильтров. Следует отметить, что форма графиков, показанных на рис. 13.7 и 13.8, зависит от свойств твердых примесей.
Сетчатые фильтры конвейерного типа
На рис. 13.9 показана еще одна конструкция вращающегося сетчатого фильтра. В этой модели фильтрующие сетчатые пластины, установленные между двумя приводными цепями, образуют пластинчатый конвейер. Фильтруемый поток поступает слева, проходит сквозь сетчатые пластины и выходит с -обратной стороны фильтра. Содержащиеся в воде твердые примеси захватываются сетчатыми пластинами на восходящей ветви конвейера. Во время перехода пластин через оборотные звездочки твердые примеси вымываются из них струей промывной воды и попадают на отводящий лоток. Пластинчатая форма конвейера обусловлена необходимостью обеспечить плавный переход приводных цепей через оборотные звездочки. Поскольку зазоры между подвижно соединенными пластинами и в местах соединения пластин с приводными цепями неизбежны, сетчатые фильтры применяются главным образом для извлечения из воды крупных примесей размером 1,25 см и более. Такая конструкция обеспечивает большую поверхность фильтрования без значительных материальных затрат, применяется, когда требуется высокая пропускная способность, например на гидроэлектростанциях.
Минимальный размер частиц, задерживаемых вращающимися сетчатыми фильтрами, обусловлен размером ячеи сетки: чем больше размер ячеи, тем крупнее пропускаемые им примеси. Очистку вращающихся сеток обычно выполняют непрерывной обратной промывкой струей воды под сильным давлением. Поскольку промывная вода теряется для системы, то в некоторых случаях это значительно увеличивает расход воды (например, в замкнутых системах культивирования).
Вращающиеся сетчатые фильтры, как правило, дороже неподвижных, зато они не требуют таких значительных затрат ручного труда. Минимальный размер частиц, улавливаемых сетчатым фильтром вращающегося типа, может достигать 3 мкм. Минимальный размер частиц определяется возможностями обратной промывки, а также предусмотренной скоростью фильтрования. Вращающиеся фильтры просты и надежны в эксплуатации. Пропускная способность фильтров ограничена размером ячеи сеток, а также количеством и характером примесей, содержащихся в фильтруемой жидкости.
Сетчатые фильтры вибрационного типа
Эти фильтры, также предназначенные для извлечения из воды твердых примесей, бывают двух типов: прямоточные и радиальные. В прямоточном сетчатом фильтре вибрационного типа (рис. 13.10) фильтруемая жидкость попадает на сетку фильтра с одной стороны, проходит через нее и выливается через выходной патрубок. Оставшиеся примеси под действием непрерывной вибрации сетки передвигаются вдоль нее и в конце сбрасываются. Сетчатый фильтр установлен на пружинных опорах. В качестве возбудителя вибрации могут быть использованы электромагнитный вибратор, механический привод с эксцентриком или любое другое подходящее для этой цели устройство. Электромагнитный привод обеспечивает постоянные по амплитуде и частоте колебания, хотя в некоторых случаях, если это необходимо, частоту колебаний можно регулировать изменением частоты подаваемого тока. Механический привод обеспечивает колебания как переменные, так и постоянные по частоте и амплитуде.
Круглый радиальный сетчатый фильтр устанавливается таким образом, что отброшенные им частицы распределяются по радиусу от центра круга к его периферии, в то время как очищенная вода под действием собственной силы тяжести проходит через него вниз. Эффективность сетчатых фильтров вибрационного типа зависит от размера ячеи сетки, фильтруемого расхода, частоты и амплитуды вибрации, а также от характера твердых примесей: чем меньше размер ячеи сетки,, тем мельче размер отфильтровываемых частиц. При прочих равных условиях увеличение скорости подачи воды на фильтр приводит к увеличению количества задерживаемых фильтром твердых примесей. Выбор оптимальных частоты и амплитуды колебаний сетки должен производиться с учетом конструкции фильтра и характера взвешенных твердых примесей в фильтруемой жидкости. Окончательное решение о величине этих параметров следует принимать в каждом случае отдельно. Подбирая фильтр, лучше всего пользоваться материалами фирмы-изготовителя.
Песчаные фильтры
В песчаных фильтрах механическая очистка воды осуществляется пропусканием ее через слой песка или какого-либо другого зернистого материала. Принцип этого метода фильтрации заключается в том, что частицы взвеси, размер которых превышает размер пор, задерживаются песком. Таким образом, максимальный размер частиц, пропускаемых фильтром, определяется размером частиц песка: чем крупнее частицы песка, тем более крупные примеси могут через него проходить. Размер частиц песка обычно составляет от 2,0 до 0,02 мм. Воду можно фильтровать через крупнозернистый фильтрующий материал, например щебень, уголь, гравий и т. п. В этом случае размер частиц, составляющих пористую среду, можно увеличивать беспредельно. Применяя в качестве фильтрующего материала диатомит, глину и другие подобные материалы, можно добиться значительного уменьшения размера гранул. Однако дальнейшее уменьшение частиц, составляющих фильтрующий слой, влечет за собой чрезмерное уменьшение расхода и применяется поэтому в песчаных фильтрах чрезвычайно редко.
Пропускная способность и скорость засорения фильтра зависят от размера частиц фильтрующего слоя и свойств примесей фильтруемой жидкости. Чем крупнее частицы фильтрующего слоя, тем больше пропускная способность для фильтров одинаковой конструкции, работающих при одинаковой потере напора. Чем больше примесей содержится в поступающем потоке, тем фильтр быстрее засоряется и чаще нуждается в очистке. Поскольку промывная вода сбрасывается, в системе необходимо предусмотреть дополнительное количество воды соответствующего качества для промывки и компенсации потерь.
Безнапорные песчаные фильтры
На рис. 13.11 показан в разрезе безнапорный песчаный фильтр. Вода, содержащая взвешенные примеси, поступает сверху и проходит через фильтрующий слой. Очищенная вода собирается дренажной системой, представляющей собой перфорированную трубу или просто перфорированное дно, и отводится. Работа таких фильтров основана на движении жидкости сквозь фильтрующий слой под действием силы тяжести.
Расход через песчаный фильтр определяется по закону Дарси:

где v — средняя скорость движения потока через песчаный фильтр, м/с; К — коэффициент проницаемости фильтрующего слоя, м3/(с·м2); h — напор (т. е. давление), м; d — глубина фильтра, м.
Расход через фильтр находится из уравнения неразрывности

где Q — расход, м3/с; А — площадь поверхности фильтрования, м2; v — средняя скорость течения через фильтр, м/с.
Подставив формулу (13.3) в уравнение (13.4), можно получить следующее выражение для практических расчетов:

В дальнейшем изложении фильтрация рассматривается с учетом следующих допущений: движение жидкости в пористой среде ламинарное; фильтр насыщен водой; свойства жидкости (например, вязкость и плотность) в процессе фильтрации существенно не изменяются.
Первое допущение соответствует нормальным условиям при безнапорном движении жидкости, а второе удовлетворяется очень легко. Что касается третьего допущения, то на предприятиях по разведению водных организмов фильтруется только вода, а ее температура редко выходит за границы диапазона 5—30°С. Более того, в гидросистемах предприятий по разведению водных организмов температура воды обычно поддерживается на постоянном уровне с точностью примерно 3°С. Таким образом, принятие третьего допущения не может привести к серьезной ошибке.
Формула (13.5) удобна для практических расчетов. Однако коэффициент проницаемости К варьирует в зависимости от количества, размера и характера взвешенных частиц, содержащихся в фильтруемой жидкости. Кроме того, каждая промывка фильтра также существенно отражается на величине этого коэффициента. Все эти факторы должны быть учтены при проектировании. Величину К рекомендуется определять в процессе модельных или полупромышленных испытаний. Если модели нет, можно пользоваться постоянным значением К, график промывок фильтра составить таким образом, чтобы коэффициент проницаемости сохранился, по крайней мере, минимальным.
До сих пор описывался песчаный фильтр, состоящий из одного однородного слоя, однако фильтр может состоять из нескольких слоев. Наибольшее распространение получили фильтры, состоящие из трех — пяти слоев, верхний из которых образован самыми мелкими частицами, причем толщина слоев при переходе от слоя мелких частиц к слою более крупных частиц постепенно увеличивается. Например, в верхнем слое фильтра может быть песок, во втором слое — щебень, в третьем — дробленый камень диаметром 1,25 см, а в самом нижнем слое — дробленый камень диаметром 2,5—5 см. Такая конструкция, во-первых, служит опорой слоя песка и, во-вторых, предотвращает засорение отводящих трубопроводов. Поскольку каждый ниже расположенный слой состоит из более крупных частиц, его водопроницаемость будет всегда больше водопроницаемости слоя, находящегося сверху. Следовательно, расход через фильтр определяется водопроницаемостью самого верхнего слоя фильтра, а поскольку размер пор в этом слое минимальный, почти все взвешенные частицы, содержащиеся в фильтруемой жидкости, задерживаются на этом участке. Благодаря этому упрощается очистка фильтра, достаточно промыть водой только его верхний слой. Хорошие результаты дает также и механическая очистка, так как все задержанные фильтром примеси удаляются вместе с верхним слоем песка толщиной около 2,5 см.
Представляет интерес конструкция гравитационного песчаного фильтра, состоящего из нескольких слоев с частицами разного» размера, причем самый крупный песок находится сверху. В таком фильтре взвешенные примеси оседают как в верхнем слое, так и в других слоях, включая самый нижний. Во время промывок фильтр обычно сильно разжижают, что облегчает удаление загрязнений. После окончания промывки песок оседает, при этом самые мелкие частицы оказываются наверху, а самые крупные — внизу, что объясняется различной скоростью осаждения частиц, разного размера, но одинаковой плотности. Следовательно, чтобы наиболее крупные частицы удержались в верхнем слое, плотность частиц по слоям должна быть различной, причем плотность мелких частиц, образующих нижний слой фильтра, должна быть значительно больше плотности более крупных частиц из верхнего слоя. Фильтры, предназначенные для очистки сточных вод, состоят из трех слоев: самый нижний — мелкий гранит (удельный вес 4,2), над ним — песок (удельный вес 2,65), верхний слой — дробленый антрацит (удельный вес 1,6). Относительное расположение слоев в таком фильтре сохраняется даже после обратной промывки. Для очистки бытовых сточных вод применяются также; двухслойные фильтры песок—антрацит (Process Design Manual for Suspended Solids Removal, 1971).
Толщина фильтрующего слоя в песчаных фильтрах, применяемых для очистки бытовых сточных вод, обычно составляет 60—120 см. Данные о работе песчаных фильтров в системах предприятий по разведению водных организмов малочисленны. Обычно толщина фильтрующего слоя, равная 30—90 см, вполне достаточна. На предприятиях по разведению водных организмов песчаные фильтры осуществляют в отдельных случаях и биологическую очистку. Эти вопросы подробно изложены ниже.
Можно было бы установить соотношение между размером гранул песка и минимальным размером частиц, задерживаемых фильтрующим слоем. Однако такое соотношение верно только» для чистого песка и воды, не загрязненной примесями. Одновременно с фильтрацией начинается процесс засорения пор в песке и со временем фильтр задерживает частицы взвеси все меньшего размера. Итак, после определенного периода работы способность фильтра к извлечению из фильтруемого потока взвешенных частиц, уменьшается и размер отфильтрованных частиц становится меньше, чем в начале работы фильтра.
Допустимый расход через песчаный безнапорный фильтр зависит от размера частиц фильтрующей среды, характеристик входящего потока и допустимой потери напора. В установках для очистки бытовых сточных вод расход принимается равным 82 л/(мин·м2). Однако быстрые песчаные фильтры обеспечивают более высокие расходы, например 410 л/(мин·м). Более высокие расходы требуют более частых промывок и фильтрующей среды, состоящей из более крупных частиц. Выбор загрузки фильтра для предприятий по разведению водных организмов производится в основном по экспериментальным данным или по результатам испытаний, проведенных на месте. На предприятиях с, высокой плотностью посадки, особенно если фильтрация производится без предварительного осветления воды в отстойниках или с недостаточным осветлением, следует применять крупнозернистые песчаные фильтры с размером гранул от 2 до 5 см. При меньшем размере гранул фильтр быстро засоряется, что влечет за собой слишком значительную потерю напора, уменьшение расхода, необходимость частых промывок песка, т. е. лишние водопотери или образование анаэробных зон в фильтре (Hall, 1971; Wheaton, 1975; Lomax, 1976). Даже при наличии предварительного осветления воды в отстойниках рекомендуется пользоваться в песчаных фильтрах крупным песком (диаметр зерен 2 см и более).
Гранулометрический состав песка может задаваться по-разному, чаще всего физическим размером частиц. Широкое распространение получила методика тщательной рассортировки песка с помощью последовательно установленных сит с убывающей ячеей и определения процентного количества материала, задержанного каждым ситом. По полученным данным строят кривую (рис. 13.12). В логарифмическом масштабе те же данные будут выражаться для песка различного гранулометрического состава прямыми линиями. На гранулометрической кривой обычно выделяют две основные точки. Диаметр гранул называется эффективным размером, если 10% гранул по весу имеют диаметр меньше этого эффективного размера. Это 10%-ное значение выбрано потому, что на величину потери напора в фильтре влияют главным образом более мелкие фракции. Вторая точка — это 60%-ное значение, т. е. 60 % по весу гранул имеют диаметр меньше эффективного. Отношение диаметра, соответствующего второй характерной точке гранулометрической кривой, к диаметру гранул, соответствующему первой из этих точек, называется коэффициентом однородности: чем больше этот коэффициент, тем менее однородным по размеру фракций является песок.
В табл. 13.1, 13.2 и 13.3 приведены результаты ситового анализа восьми однородных по составу и 16 рассортированных по размерам песчаных грунтов, использованных Халбертом и Фебеном (Hulbert and Feben, 1933) в экспериментах, посвященных определению величины потери напора в песчаных фильтрах. На рис. 13.13—13.15 показаны графики, полученные Халбертом и Фебеном, для чистого песка и чистой воды. Кривые на рис. 13.13 подтверждают линейную зависимость потери напора от толщины фильтрующего слоя и расхода, выведенную Дарси. На рис. 13.14 показаны аналогичные кривые для нескольких песчаных грунтов: при постоянной толщине фильтрующего слоя зависимость между расходом и потерей напора носит линейный характер. Очевидно также, что при одной и той же величине расхода увеличение размера фракций песка приводит к уменьшению потери напора. Средний диаметр частиц песка № 1 равен 0,287 мм, в то время как песок № 8 состоит из частиц со средним диаметром 1,025 мм (см. табл. 13.1). При расходе 100 м3/(м2·день) потеря напора для песка № 1 составляет 1,5 м, в то время как для песка № 8 — только 0,15 м.



На потерю напора в песчаных фильтрах влияет также температура воды (см. рис. 13.15). Как видно из рисунка, с понижением температуры воды потеря напора возрастает, что связано с вязкостью жидкости, которая для воды увеличивается с понижением температуры. Вязкость воды связана с температурой нелинейной зависимостью, поэтому график на рис. 13.15 нелинейный.
Халберт и Фебен (1933) получили эмпирическую формулу потери напора для песчаных фильтров при условии использования чистого песка и чистой воды в качестве фильтруемой, засорение фильтрующего слоя формулой не учитывается.

где h — потеря напора, см; Т — температура воды, °F; S — размер гранул песка, мм; r — расход, м3/(м2·день); d — толщина фильтрующего слоя, см; р — коэффициент пористости [процентное отношение объема пор ко всему объему пористого тела, определяемое нефелометром Джексона (Халберт и Фебен, 1933)].
Поскольку при выведении формулы (13.6) принято было, что фильтруемый поток уже прошел предварительную очистку, а фильтрующий слой представляет собой чистый песок, пористость которого находится в определенных пределах, практическая ценность этой формулы ограниченна. Вместе с тем ее довольно просто применять, поскольку d и r выбираются при проектировании, Т несложно определить, если известно место расположения фильтра, однако, что же касается р и S, то для определения этих, величин существует несколько довольно простых лабораторных методов.
Получение уравнения, аналогичного уравнению (13.6) для песчаного фильтра, работающего с загрязненной водой, содержащей взвеси, весьма желательно, но пока неосуществимо. За неимением такой всеобъемлющей формулы приходится пользоваться менее точными методиками.
При выборе фильтра обычно опираются на результаты, полученные на работающих устройствах. Изложенные здесь данные опираются главным образом на результаты экспериментов, выполненных на Гановерской водоочистной станции в Чикаго. Пользоваться этими данными для фильтров, работающих на предприятиях по разведению водных организмов, следует с осторожностью, тем не менее характер изменения параметров позволяет делать выводы о возможности использования фильтров в системах культивирования, хотя их числовые значения могут быть совершенно другими.
Для Гановерской водоочистной станции зависимость между содержанием взвешенных твердых примесей в воде, оцененным по остатку на песчаном фильтре, и содержанием примесей в воде на входе в фильтр на единицу площади и в единицу времени выражается прямой (рис. 13.16). Выраженные в процентах эти величины будут связаны уже уравнением второй степени (рис. 13.17). Таким образом, при незначительном содержании примесей в воде на входе в фильтр работа песчаного фильтра может оказаться весьма неэффективной, тогда как при концентрации в воде, превышающей определенное значение, процентное количество задерживаемых примесей будет оставаться относительно постоянным. Расчет песчаного фильтра следует вести от такого содержания примесей в фильтруемой жидкости, которое соответствует относительно пологому участку кривой процентного содержания взвешенных примесей в воде, оцененному по остатку на фильтре.
Поскольку вместе с водой в фильтр поступают взвешенные и ней примеси, поры фильтра засоряются полностью или частично и поверхность фильтрования уменьшается. Это приводит к увеличению гидравлического сопротивления фильтра и либо к уменьшению расхода, если напор остается постоянным, либо к увеличению напора для сохранения расхода. Увеличение гидравлического сопротивления фильтра зависит одновременно от времени и содержания взвешенных твердых примесей в фильтруемом потоке. Зависимость потери напора от времени и содержания взвешенных твердых примесей в потоке носит полулогарифмический характера что объясняется периодической промывкой фильтра. На рис. 13.18 и 13.19 представлены кривые, полученные при фильтровании воды на водоочистной станции в Дерби (Великобритания). На рис. 13.20 и 13.21 показана зависимость потери напора от времени для различных по гранулометрическому составу песчаных фильтров, используемых для третичной обработки воды на водоочистной станции в Минуорте под Бирмингемом (Великобритания). При построении кривых, представленных на рис. 13.20, расход был вдвое меньше, чем при построении кривых, приведенных на рис. 13.21. С увеличением концентрации взвешенных частиц в фильтруемой жидкости потеря напора начинает возрастать значительно быстрее. Поскольку кривые зависимости потери напора от времени (13.18—13.21) аппроксимируются уравнением типа уравнения (13.7), увеличение содержания взвешенных примесей в фильтруемом потоке приведет к возрастанию константы b в этом уравнении.
В результате засорение фильтра произойдет значительно быстрее и вызовет необходимость немедленной обратной промывки фильтра, так как продолжение его работы в таких условиях связано с необходимостью увеличения напора для сохранения постоянного расхода

где у — потеря напора, м; а и b — константы; х — время, ч.
Эффективность песчаного фильтра возрастает с удлинением периодов между промывками из-за частичного засорения пор. Графики на рис. 13.22 и 13.23 получены для опытных фильтров, работавших на водоочистной станции в Дерби. Они свидетельствуют о линейном характере этой зависимости, по крайней мере для данной установки.
Качество очищенной воды после песчаного фильтра до некоторой степени зависит от качества воды, поступающей в фильтр. Из рис. 13.24 видно, что содержание взвешенных твердых примесей на вытоке из фильтра возрастает по мере увеличения загрязнения на втоке, однако эта зависимость носит нелинейный характер. На величину допустимой концентрации взвешенных веществ в фильтруемом потоке влияет ряд факторов, в том числе требуемое качество очищенной воды, допустимая частота промывок фильтра, ограничения по потере напора и необходимый расход. Взаимозависимости между этими параметрами могут быть изображены на одном графике (рис. 13.25), что облегчает их анализ. График, изображенный на рис. 13.25, построен по тому же уравнению регрессии, которое было использовано для построения графика, изображенного на рис. 13.16 для Гановерской водоочистной станции в Чикаго.
С помощью уравнения регрессии можно определить количество удаленных примесей у для любой заданной гидравлической нагрузки х. Гидравлическая нагрузка определяется расходом на единицу фильтрующей поверхности и концентрацией взвешенных веществ в фильтруемой жидкости. Экспериментальные песчаные фильтры, для которых установлена функциональная зависимость количества удаленных примесей от их начальной концентрации, могут быть использованы в качестве моделей для определения эффективности работы более крупных фильтров при различных гидравлических нагрузках и концентрации взвешенных веществ в фильтруемом потоке.
Песчаные фильтры можно применять для снижения ВПК (биохимического потребления кислорода) в системах разведения водных организмов. Из рис. 13.26 видно, как уменьшается ВПК после очистки воды в песчаных фильтрах Гановерской водоочистной станции в Чикаго. Между ВПК в вытекающем потоке и ВПК в водяном потоке на входе в фильтр существует прямо пропорциональная зависимость. Однако добиться увеличения фильтрующей способности фильтра можно только за счет большей потери напора. Это позволяет предположить возможность уменьшить ВПК на песчаных фильтрах. Степень очистки будет зависеть как от производительности .фильтра, потери напора и частоты промывок, так и от характеристик фильтруемого потока. Условия фильтрования в системах по разведению водных организмов не всегда идентичны тем условиям, которые существовали при уменьшении ВПК на Гановерской водоочистной станции; ограниченность данных по этому вопросу не позволяет дать какие-нибудь определенные практические рекомендации.
Песчаные фильтры могут также применяться для удаления из воды некоторых видов бактерий. Имеются сведения о биологической очистке бытовых сточных вод, однако, данные по удалению бактерий в системах по разведению водных организмов отсутствуют. То же самое относится и к использованию песчаных фильтров для очистки воды от вирусов.
Промывка песчаных фильтров
При промывке фильтра промывная вода подается в направлении, противоположном направлению движения потока во время фильтрации, тем самым с фильтрующей поверхности удаляются уловленные частицы взвеси. Этот процесс обычно сопровождается расширением фильтрующей зоны фильтра и восстановлением водопроницаемости загрузки. Частота промывок зависит от разных факторов, в том числе от концентрации взвеси в фильтруемом потоке, величины расхода, размера частиц песка, характера загрязнений, допустимой потери напора и, наконец, конструкции фильтра (т. е. числа слоев).
Чтобы промывка была эффективной, фильтрующий слой должен быть разжижен. При этом в результате механического трения между частицами загрузки фильтрующая поверхность эффективно очищается. Для разжижения фильтрующего слоя необходимы более высокие скорости Потока, чем при фильтровании. Соответственно система дренирования и трубопровод для промывной воды должны проектироваться с учетом этого условия. Иногда для интенсификации перемешивания частиц песка одновременно с промывной водой подают воздух. Если к этому способу прибегают на предприятиях по разведению водных организмов, то выбирают такой источник воздуха, который по своей конструкции исключает попадание в подаваемый воздух частиц нефтепродуктов.
Скорость потока промывной воды, обеспечивающая ожижение фильтрующего слоя, зависит от размера гранул, их формы и удельного веса, а также вязкости фильтруемой жидкости. Скорость падения отдельных сферических частиц в большом объеме воды можно определить по формуле Стокса

где v — скорость падения частиц, см/с; ρр — плотность частиц, г/см3; ρfр — плотность жидкости, г/см3; r — радиус частиц, μ — вязкость, дин·с/см2; g — ускорение силы тяжести, см/с2.
На рис. 13.27 приведены две кривые, одна из которых построена по формуле Стокса для частиц с удельной плотностью 2.60 и воды температурой 10°С, а другая — по данным Хазена, полученным в тех же условиях, что й данные Стокса, но для песчинок неправильной формы. Как видно из рисунка, формула Стокса справедлива лишь для мелких частиц диаметром менее 0,2 мм. Песчаные гранулы, диаметр которых превышает это значение, уже не являются строго сферическими, поэтому формула Стокса не дает правильного представления о скорости падения реальных частиц твердого тела в жидкости, что и было обнаружено Хазеном.
Гранулы песка в ожиженном слое нельзя рассматривать просто как отдельные частицы взвеси в неограниченном количестве воды, поскольку здесь частицы соударяются и взаимодействуют по-иному. Кроме того, поскольку действительная площадь поперечного сечения ожиженного слоя меньше поперечного сечения поверхности фильтрования из-за смещения гранул, следовательно, скорости промывной воды в ожиженном фильтре могут оказаться выше предполагаемых. В связи с этим график, построенный Хазеном, также не может служить для предварительного определения скорости, необходимой для ожижения фильтрующего слоя. Для решения этой задачи лучше всего использовать лабораторный метод, при котором поток пропускается через несколько различных по гранулометрическому составу фильтров. По полученным экспериментальным данным определяют размер гранул, который обеспечивает сочетание приемлемых значений потери напора, расхода, качества очищенной воды и интервалов между промывками. Одновременно определяют и расход промывной воды. Расчет дренажной системы и сливных желобов проектируемого фильтра также ведут по данным лабораторных испытаний.
При промывке объем фильтрующего слоя увеличивается, так как он находится во взвешенном состоянии. В установках для фильтрования бытовых стоков обычно предусматривается увеличение объема фильтрующего слоя во время промывок на 25—50%. На рис. 13.28 приведен график зависимости увеличения объема фильтрующего слоя от гранулометрического состава песка и скорости подачи промывной воды. Характер этой зависимости, как видно из кривых, нелинейный. С увеличением скорости воды объем фильтрующего слоя увеличивается быстрее. Зависимость носит нелинейный характер. Кроме того, при одном и том же расходе промывной воды слой, состоящий из крупных гранул, меньше расширяется, чем слой мелкого песка. Плотность частиц, также влияет на способность фильтрующего слоя к расширению.
При проектировании песчаных фильтров вначале определяют на основе имеющейся информации диапазон изменения таких параметров, как размер песчаных гранул, фильтруемый расход, допустимый размер взвеси в потоке, расход промывной воды и т. д. На следующем этапе проектирования проводят лабораторные исследования с фильтрами-моделями для установления оптимальных параметров проектируемого фильтра. В экспериментальных установках трубка, имитирующая фильтр, должна иметь диаметр не менее 7,6 см, чтобы исключить влияние стенок. Проектируемый фильтр должен рассчитываться с учетом возможных колебаний фильтруемого расхода в пределах, обусловленных техническим заданием. После введения в эксплуатацию возможно дальнейшее уточнение некоторых параметров, например частоты промывок, что в конечном итоге обеспечит достижение максимальной производительности.
Напорные песчаные фильтры
Напорные фильтры (рис. 13.29) по конструкции аналогичны безнапорным и отличаются от последних только тем, что они встроены в герметичный сосуд. Вода проходит через фильтр под напором, создаваемым насосами. Напор в напорных фильтрах значительно больше, чем в безнапорных, соответственно возрастает фильтруемый расход.. Под действием большего напора частицы взвеси глубже проникают в толщу фильтрующего слоя, что позволяет лучше использовать загрузку фильтра. Основным преимуществом напорных фильтров перед безнапорными является меньший размер при одинаковом расходе. Однако эксплуатация напорных фильтров, так же, как и их установка, обходятся дороже, так как в системе должны быть предусмотрены насосы. При одних и тех же условиях, фильтрования качество очистки в тех и других фильтрах одинаковое. Как правило, песчаные фильтры применяются для очистки воды от примесей размером до 30 мкм (Spotte, 1970).
Вакуумные песчаные фильтры
По конструкции эти фильтры сходны с безнапорными, отличие заключается в том, что вода откачивается из-под фильтра; при этом у дна бассейна образуется частичный вакуум. Увеличение напора в вакуумных песчаных фильтрах зависит от создаваемого вакуума.