Физические аспекты работы и регенерации фильтрующих элементов осветлительных фильтров насыпного типа

Вода, поступающая в производственные, отопительные и отопительно-производственные котельные, может содержать частицы мусора, окалину и куски ржавчины, являющиеся по своей сути грубодисперсными примесями, разрушающе воздействующими на рабочие элементы оборудования котельных установок и ухудшающими нормируемые показатели качества теплоносителя. Нормативная документация, регламентирующая работу котельных, в частности:

• СНиП II-35-76 «Котельные установки» и более современный
• Свод Правил СП 89.13330.2016 «Котельные установки. Актуализированная редакция СНиП II-35-76»,

требует применения осветлительных фильтров для удаления взвешенных веществ на этапе предварительной водоочистки. В этих целях широкое применение получили осветлительные фильтры насыпного типа, использующие в качестве фильтрующего материала так называемую гранулированную или зернистую загрузку из кварцевого песка, гидроантрацита и т.п. В теплоэнергетике в системах водоподготовки используются фильтры серии ФОВ, способные осветлять до 90 куб.м воды/час (для модели ФОВ-3,4-0,6).

Физико-химические процессы при осветлении воды в фильтрах насыпного типа

Осветление воды, называемое также механической очисткой, осуществляется в процессе ее фильтрации (от лат. filtratio – процеживание) сквозь толщу пористой среды, называемой фильтрующим материалом. В осветлительных фильтрах (далее по тексту - ОФ) для освобождения воды от «мути», то есть, от взвешенных твердых частиц, применяется технология адгезионного объемного фильтрования, основанная на адгезии механических и коллоидных примесей к фильтрующему материалу. Для ОФ высокой производительности, выполняющих механическую очистку жидкости в промышленных масштабах, адгезионное фильтрование реализуется в процессе подачи исходного водяного потока под рабочим давлением порядка 0,6 МПа ( 6 кгс/кв. см) в корпус ОФ с последующим пропусканием воды сверху вниз через насыпной слой зернистого материала фильтра.

Дополнительная информация. Для ОФ промышленной серии ФОВ диаметром корпуса от 1,0 до 3,4 м высота зерновой засыпки составляет 1000 мм.

Применение насыпных зерновых фильтров позволяет удалять из потока исходной воды загрязняющие примеси следующих типов:

• частицы коллоидного железа, алюмо- и ферросиликатов, другие виды коллоидных загрязнений;
• взвешенные частицы окалины, ржавчины, кремния и других механических примесей;
• крупные колонии микрофлоры.

Осветление жидкости с повышенной мутностью при ее прохождении через слой зерен обеспечивается следующими физико-химическими процессами:

1. Прилипанием загрязнений к поверхности и порам зерен фильтрующего материала, происходящего под влиянием:
   • электростатического взаимодействия частиц взвеси с поверхностью зерен загрузки;
   • межмолекулярного взаимодействия между структурными элементами материала зерен и взвеси.
2. Заполнением загрязнениями свободного пространства между зернами фильтрующего материала по всему объему гранулированной загрузки.

Процесс извлечения примесей из замутненной воды и закрепления их на зернах фильтрующей загрузки, осуществляемый силами адгезии, не обеспечивает прочной структуры осадка, формирующегося на зернах загрузки. При воздействии гидродинамических сил осадочные слои могут разрушаться, в результате чего некоторая часть прилипших ранее загрязнений в виде мелких хлопьев способна отрываться от фильтрующих гранул и переноситься в соседние слои засыпки, чтобы вновь задержаться в поровых каналах. Процесс суффозии (от лат. suffosio — подкапывание) – отрыва некоторого количества частиц загрязнений от зерен фильтра и последующего их осаждения в последующие слои загрузки с поровыми каналами – играет важную роль в обеспечении качественной работы ОФ.

Это важно! Осветление воды при фильтровании на насыпной зернистой загрузке необходимо рассматривать как суммарный результат двух процессов противоположной направленности:

• процесса адгезии, обуславливающего прилипание загрязнений к фильтрующим зернам;
• процесса суффозии, направленного на отрыв и перенос загрязняющих частиц между элементарными слоями фильтра.

Удаление механических взвесей при осветлении будет происходить до тех пор, пока интенсивность прилипания частиц загрязнения будет превосходить интенсивность их отрыва при прохождении потока жидкости сквозь фильтрующий слой.

Требования к зерновой засыпке ОФ

Показатель мутности фильтрата (жидкости, пропущенной через фильтрующий материал), оцениваемый как количество взвешенных частиц в единице объема (мг/литр), зависит от параметров фильтрующей загрузки ОФ:

• вида фильтрующего материала и его насыпной плотности;
• разбросом размеров фракции зерна фильтрующего материала – максимального, минимального и эквивалентного диаметра зерна;
• коэффициента формы зерна;
• пористости загрузки;
• высоты насыпного слоя в объеме ОФ.

В таблице ниже приведены характеристики некоторых материалов, используемых в качестве зерновой засыпки при осветлении потоков воды.

К материалам зерен, формирующим гранулированную фильтрующую засыпку для осветления воды, предъявляются следующие требования:

• материал должен быть химически стоек к воздействию воды и содержащихся в ней примесей;
• смыв с зерен загрузки химических элементов в осветляемую воду, например, кремнийсодержащих соединений, при гидродинамическом воздействии водяного потока должен быть минимальным;
• зерна должны быть прочными и износостойкими по отношению к абразивному воздействию механических частиц, содержащихся в жидкости;
• истираемость поверхности зерен и измельчаемость гранул должна быть минимальной;
• зерна загрузки не должны увлекаться водяным потоком, и выноситься в объеме фильтрата;
• у зерен фильтрующего материала должен быть оптимальный гранулометрический состав по разбросу размеров фракций и формы зерен, обеспечивающий плотную засыпку.

Обратите внимание! Фильтрующая загрузка подбирается в каждом конкретном случае в соответствии с проектными условиями осветления.

Регенерация зернистой загрузки

В процессе фильтрации верхние слои загрузки насыщаются загрязняющими массами, процесс суффозии начинает преобладать над адгезией, в результате чего зона фильтрации перемещается в нижерасположенные слои загрузки по направлению потока. При нарастании дисбаланса между нарастающей интенсивностью отрыва частиц (суффозии) и интенсивностью адгезии в определенный момент весь зерновой слой фильтрующей засыпки оказывается насыщенным загрязнениями, что приводит к падению производительности фильтрации. При повышении давления в водяном потоке может произойти «пробой», то есть вынос грязи в очищенную воду. В этом случае необходимо произвести регенерацию загрузки с целью восстановления грязезадерживающей способности фильтрующего слоя.

Для выключения фильтра из рабочего цикла осветления и проведения регенерации необходимо соблюдение двух условий:

1. Потеря напора в фильтрующем слое, определяемая как разность показаний манометров, установленных на трубопроводе, подающем воду на осветление, и трубопроводе, отводящем фильтрат, достигает предельно допустимой величины, регламентируемой документацией.
2. Ухудшение качества фильтрата, определяемого в соответствии с нормами.

Регенерация зернистой фильтрующей засыпки представляет собой удаление налипших загрязнений с поверхности фильтрующих зерен и освобождение межпорового пространства от задержанных взвесей. Для ОФ с зерновой засыпкой наиболее оптимальным вариантом регенерации является промывка фильтрующего слоя водяным потоком, направленным снизу вверх. При подаче воды с высокой скоростью протекает процесс разрыхления зернистой загрузки, сопровождающийся псевдоожижением зернового слоя и его расширением до 50%. В таком режиме частицы как бы кипят, совершая беспорядочные движения. При этом при их соударениях с поверхности зерен удаляются налипшие загрязнения, а из межпорового пространства удаляются задержанные частицы взвеси.

Общие правила проведения промывки ОФ изложены в СНиП II-35-76 «Котельные установки» (р. 10 «Водоподготовка и водно-химический режим»). В целях интенсификации взрыхления фильтрующих материалов рекомендуется совместно с водой использовать сжатый воздух давлением не более 1 кгс/кв. см (п. 10.35).

Заключение

Регенерация зерновой засыпки осветлительных фильтров, выполняемая способом промывки, оказывает решающее влияние на режим работы ОФ. При недостаточной отмывке фильтрующей загрузки происходит постоянное накопление остаточных загрязнений, что сокращает длительность фильтроцикла и нередко приводит к выходу ФОВ из строя.