Механическая очистка воды (осветление)

Первичной стадией очистки воды является ее механическая очистка от взвешенных примесей. В зависимости от размера частиц, присутствующих в воде применяются следующие методы:

1.      Отстаивание

2.      Фильтрация через зернистую загрузку

3.      Фильтрация через пористую перегородку (мембрану)

a.       Макрофильтрация (1-100мкм)

b.      Микрофильтрация (0,1-1мкм)

Отстаивание.

Крупные частицы - макрочаслицы, которые видны невооруженным глазом в виде мутности и имеют размер от единиц микрометров (мкм) до песчинок с размером от долей до 1 мм, могут самопроизвольно оса­ждаться. Поэтому как один из вариантов их удаления может использо­ваться метод отстаивания. Этот способ малопроизводителен и в чистом виде в промышленности не используется. Он может применяться в быту при высокой мутности воды и малом водопотреблении. В промышленности могут применяться методы флокуляции и коагуляции для повышения эффективности (скорости и производительности) процесса седиментации (осаждения) частиц.

Фильтрация через зернистую загрузку.

Механические загрязнения (взвеси) из больших потоков воды, как правило, удаляются в насыпных осветительных фильтрах с гранулиро­ванной загрузкой (механических фильтрах) периодического действия.

Механический засыпной напорный фильтр представляет собой вертикальный корпус из металла или пластика  с дренажно-распределительными системами, заполненный гранулированной загрузкой как правило, это кварцевый песок, гидроантрацит и т. п. Для улучшения распределения раствора по сечению и уменьшения за­бивания отверстий нижнего дренажного устройства оно помещается в слой гравия.

Фильтрация загрязненной воды производится сверху вниз. При этом крупные частицы задерживаются в порах между гранулами загрузки, а мелкие загрязнения - за счет различных эффектов, прежде всего электростатического, прилипают к частицам загрузки. Чем боль­ше загрязнений задержано слоем загрузки, тем уже остаются проходы для жидкости и тем выше глубина очистки воды. Основная масса за­грязнений собирается в верхней части слоя загрузки.

Правильно сконструированный фильтр при верно подобранных гранулометрическом составе загрузки и скорости подачи жидкости ра­ботает практически всем объемом загрузки. Фронт загрязнений посте­пенно опускается вниз по слою загрузки. При слишком высокой скоро­сти воды резко снижается эффективность фильтрации, а при слишком малой загрязнения собираются только в верхнем слое загрузки.

Наиболее эффективны и экономичны многослойные фильтры, в которых для увеличения грязеемкости слоя и эффективности фильтра­ции его составляют из материалов с различной плотностью и крупно­стью частиц так, чтобы сверху слоя были крупные легкие, а внизу мел­кие тяжелые частицы. В этом случае крупные загрязнения задерживают­ся в верхнем слое, а оставшиеся мелкие - в нижнем слое, т. е. работает весь объем загрузки. Размеры и плотность частиц подбираются так, чтобы их скорость псевдоожижения была близка. Тогда при регенера­ции обратной промывкой (взрыхлении) «кипит» весь слой. Следует отметить, что скорость фильтрации в механических фильтрах незначительно зависит от применяемого материала. Эта ско­рость для разных материалов с оптимальным гранулометрическим со­ставом составляет 2-5 м/ч для безнапорных и 8-12 м/ч для напорных.

В определенный момент слой загрязняется настолько, что сопро­тивление фильтрации резко возрастает, а производительность падает. Повышение  давления воды может привести  к «пробою», т.e. к выносу грязи в чистую воду. Работу фильтра прекращают' и слой загрузки реге­нерируют.

Регенерация зернистой загрузки (взрыхление) заключается в ее отмывке водой снизу вверх с такой скоростью, при которой происходит псевдоожижение загрузки и ее расширение на 30-50% В таком режиме частицы как бы «кипят»; из межпорового пространства удаляются задержанные взвеси, а при соударении частиц с их поверхности удаляются налипшие загрязнения.

Регенерацию проводят либо исходным раствором, либо осветленной водой из буферной емкости. Последнее более предпочти­тельно, особенно в крупных установках, поскольку позволяет создать необходимый расход воды при колебаниях давления в водопроводе. Первый вариант широко используется в бытовых и иногда в промыш­ленных фильтрах, если гарантируется необходимый расход и давление воды в подающем водопроводе.

После окончания взрыхления слою загрузки дают осесть, и затем начинается фильтрация. Первые объемы отфильтрованной воды, содер­жащие избыточное количество загрязнений, сбрасывают в канализацию, это называют «санитарной промывкой».

На засыпных фильтрах удаляются частицы размером более 10-20 мкм. Для очистки воды от частиц меньших размеров их необходимо укрупнить, агрегировать, что достигается химическими методами флокуляцией или коагуляцией. Другим вариантом очистки от таких частиц является мембранная фильтрация.

Фильтрация через пористую перегородку (мембрану)

Удаление загрязнений из воды осуществляется путем пропускания исходной воды через мелкопорис­тые материалы - мембраны  различной природы с каналами разного раз­мера и вида. Такие материалы могут быть в виде полимерной бумаги, ткани, многослойной пленки, керамики, металлокерамики, спеченных металлических микрошариков, сеток и т.п.

Современные технологии  позволяют изготавливать плоские или объемные материалы с однородными каналами практически любого размера. Причем проходное (свободное) сечение таких материалов мо­жет составлять 40-85%.

Если пропускать раствор, содержащий загрязнения, через полупроницаемую перегородку с отверстиями меньшими, чем размер частиц загрязнений, то данные частицы будут задержаны пере­городкой, а очищенная вода пройдет через нее. Таким образом, исполь­зуя пористую среду с определенным размером отверстий, можно уда­лить все загрязнения, имеющие размер больше, чем у пор.

Мембранные процессы включают в себя:

1.     макрофильтрацию;

2.     микрофильтрацию;

3.     ультрафильтрацию;

4.     нанофильтрацию;

5.     обратный осмос.

Макрофильтрация - МАФ - тго механическая фильтрация с уда­лением крупных видимых твердых частиц с размером 1-100 мкм. Как правило, МАФ осуществляется на металлических и полимерных сетках различного типа с регенерацией обратным током очищенной воды.

Микрофильтрация - МФ - удаляет мелкие взвеси и коллоидные частицы, микроорганизмы (бактерии) с размером 0,1-1,0 мкм, опреде­ляемые как мутность или опалесценция раствора. Рабочее давление от 0,1 до 2,0 атм.

Ультрафильтрация - УФ - извлекает из воды коллоидные частицы, микроорганизмы (бактерии и вирусы), крупные органические макромоле­кулы, определяющие цветность воды, имеющие размер 0,01-0,1 мкм и молекулярную массу более 1000. Рабочее давление от 0,7 до 7,0 атм. Степень концентрирования исходного раствора для ультрафильтрации лимитируется началом гелеобразования или концентрацией, при кото­рой неприемлемо падает производительность из-за возрастания вязко­сти жидкости.

Обратный осмос и нанофильтрация очень близки по механизму разделения, схеме организации процесса, рабочему давлению, мембра­нам и оборудованию. Первым был разработан метод обратного осмоса. Принцип его действия основан на явлении осмоса - самопроизвольного перехода растворителя через полупроницаемую мембрану в раствор. Если чистую воду и водный раствор какого либо вещества поместить по разные стороны полупроницаемой мембраны, которая может пропус­кать только молекулы воды, то в такой системе будет наблюдаться переход молекул воды в объем, где находился раствор. Это происходит из-за разности концентраций в объемах, разделенных мем­браной. Давление, при котором наступает равновесие, называют осмо­тическим.  Если со стороны раствора приложить давление, превышающее осмотическое, то молекулы воды будут двигаться через мембрану в направлении, противоположном прямому осмосу. При этом может быть получена чистая обессоленная вода и концентрат солей. Такой процесс называется обратным осмосом.

Для механической очистки воды используют макрофильтрацию и микрофильтрацию.