Скорые фильтры

Скорые фильтры — это аппараты или сооружения для очистки воды, работающие по принципу фильтрации через зернистую загрузку (песок, антрацит, гравий) при скорости фильтрования, превышающей 5—10 м/ч. Относятся к классу напорных или безнапорных фильтров, применяются для удаления взвешенных частиц, коллоидных веществ, а также для осветления и обесцвечивания воды. Широко используются в системах водоподготовки для хозяйственно-питьевого и промышленного водоснабжения.

История

Первые фильтры с зернистой загрузкой появились в начале XIX века. В 1804 году в Шотландии был построен первый медленный песчаный фильтр, работавший при скорости 0,1—0,3 м/ч. В 1829 году в Лондоне инженер Джеймс Симпсон внедрил медленные песчаные фильтры для очистки воды из Темзы. Однако низкая скорость фильтрации требовала больших площадей и ограничивала производительность.

В 1885 году в США был запатентован первый скорый фильтр с промывкой обратным током воды. Изобретение принадлежит инженеру Исайе У. Смиту. В 1890-х годах в Германии и Великобритании начали применять скорые фильтры с загрузкой из кварцевого песка и гравия. В России первые скорые фильтры появились в начале XX века: в 1903 году на Рублёвской водопроводной станции в Москве были установлены фильтры системы «Аква-Филтер» с производительностью до 10 000 м³/сут.

В 1920—1930-х годах скорые фильтры стали массово внедряться в системы централизованного водоснабжения крупных городов СССР. В 1940 году введены в эксплуатацию фильтры на Северной водопроводной станции в Ленинграде. В 1950—1960-х годах разработаны типовые проекты скорых фильтров с диаметром до 12 м и производительностью до 50 000 м³/сут.

Классификация

Скорые фильтры классифицируются по нескольким признакам.

По типу загрузки

• Однослойные — загрузка из одного материала (обычно кварцевый песок фракцией 0,8—2,0 мм).
• Многослойные — два или три слоя с разной плотностью и крупностью (например, антрацит + песок + гравий). Позволяют задерживать частицы разного размера.
• Плавучие — загрузка из лёгких материалов (пенополистирол, керамзит) с плотностью меньше воды, что упрощает промывку.

По режиму работы

• Напорные — вода подаётся под давлением (0,3—0,6 МПа) в закрытый корпус. Компактны, применяются на небольших станциях и в промышленности.
• Безнапорные (открытые) — вода проходит через фильтр самотеком. Используются на крупных водопроводных станциях с большой производительностью.

По способу промывки

• С обратной промывкой — вода подаётся снизу вверх, взвешивая загрузку и вымывая загрязнения.
• С водовоздушной промывкой — дополнительно подаётся сжатый воздух для интенсификации отмывки.
• С непрерывной промывкой — часть загрузки постоянно выводится на регенерацию (например, в фильтрах с движущимся слоем).

По конструкции

• Круглые — корпус цилиндрической формы, диаметр от 1 до 6 м.
• Прямоугольные — для безнапорных фильтров, длина до 12 м, ширина до 6 м.
• Секционные — разделены на несколько отсеков для поочерёдной промывки.

Устройство и принцип действия

Основные элементы скорого фильтра:

• Корпус — стальной (для напорных) или железобетонный (для безнапорных) резервуар.
• Загрузка — зернистый материал (песок, антрацит, гравий, цеолит) высотой 0,8—2,0 м.
• Дренажная система — распределительные трубы или колпачки для равномерного сбора фильтрата и подачи промывной воды.
• Трубопроводы — подвод исходной воды, отвод фильтрата, подача промывной воды, отвод промывных вод.
• Арматура — задвижки, клапаны, манометры, расходомеры.

Принцип действия:

1. Исходная вода подаётся сверху на поверхность загрузки.
2. Вода проходит через слой зернистого материала, где взвешенные частицы задерживаются за счёт адгезии, механического задержания и осаждения в порах.
3. Очищенная вода (фильтрат) отводится через дренажную систему снизу.
4. По мере накопления загрязнений сопротивление загрузки возрастает, и скорость фильтрации падает. При достижении предельного перепада давления (обычно 0,05—0,15 МПа) фильтр отключают на промывку.
5. Промывка осуществляется обратным током воды (или воды с воздухом) со скоростью 15—25 м/ч, что взвешивает загрузку и вымывает загрязнения. Продолжительность промывки — 5—15 минут.
6. После промывки фильтр снова включается в работу.

Скорость фильтрации для скорых фильтров составляет 5—15 м/ч (в зависимости от типа загрузки и качества исходной воды). Для сравнения, у медленных фильтров скорость — 0,1—0,3 м/ч.

Характеристики

Основные параметры скорых фильтров:

• Производительность — от 1 до 100 000 м³/сут (для одного фильтра).
• Площадь фильтрации — от 0,5 до 100 м².
• Высота загрузки — 0,8—2,0 м.
• Крупность загрузки — 0,5—2,0 мм (песок), 1,0—4,0 мм (антрацит), 2,0—20,0 мм (гравий).
• Сопротивление загрузки — 0,01—0,15 МПа.
• Эффективность очистки — задержание взвешенных веществ до 90—99% (при исходной мутности до 50 мг/л), снижение цветности на 30—60%.
• Расход промывной воды — 3—8% от объёма очищенной воды.
• Температура воды — от 1 до 40 °C.

Применение

Скорые фильтры используются в различных отраслях:

• Водоснабжение — очистка речной, озёрной и подземной воды для хозяйственно-питьевых нужд. На крупных водопроводных станциях (например, Рублёвская, Северная, Южная в Москве) установлены сотни скорых фильтров общей производительностью до 500 000 м³/сут.
• Промышленность — подготовка воды для технологических процессов (химическая, нефтехимическая, пищевая, металлургическая промышленность). Например, на нефтеперерабатывающих заводах фильтры используются для очистки оборотной воды.
• Энергетика — очистка воды для теплоэнергетики (подпитка котлов, охлаждение оборудования).
• Сельское хозяйство — подготовка воды для орошения и животноводческих комплексов.
• Коммунальное хозяйство — очистка сточных вод (после механической очистки) перед сбросом в водоёмы.

Преимущества и недостатки

Преимущества:

• Высокая производительность при относительно небольших габаритах.
• Возможность автоматизации процесса.
• Простота конструкции и обслуживания.
• Универсальность — пригодны для разных типов воды.

Недостатки:

• Периодическая промывка требует дополнительного расхода воды и энергии.
• Ограниченная эффективность при высокой мутности исходной воды (более 100 мг/л) — требуется предварительная коагуляция.
• Зависимость эффективности от температуры воды (при низких температурах вязкость возрастает, скорость фильтрации падает).
• Необходимость замены загрузки каждые 5—10 лет.

Интересные факты

• В 1930-х годах в СССР были разработаны первые отечественные скорые фильтры с загрузкой из дроблёного антрацита, что позволило увеличить скорость фильтрации до 12 м/ч.
• На крупнейшей водопроводной станции Европы — Южной водопроводной станции в Москве (введена в 1963 году) — установлено 120 скорых фильтров общей производительностью 600 000 м³/сут.
• В современных фильтрах часто применяют плавающую загрузку из пенополистирола, которая не требует гравийного слоя и упрощает промывку.
• Скорые фильтры используются не только для воды, но и для очистки сточных вод, а также в пищевой промышленности (например, для фильтрации пива).

Источники

1. СНиП 2.04.02-84 «Водоснабжение. Наружные сети и сооружения».
2. ГОСТ 3351-74 «Вода питьевая. Методы определения вкуса, запаха, цветности и мутности».
3. Кожинов В. Ф. «Очистка питьевой и технической воды». — М.: Стройиздат, 1971.
4. Алексеев Л. С. «Водоснабжение». — М.: Высшая школа, 1985.
5. Материалы Рублёвской водопроводной станции (Москва).
6. «История водоснабжения России» / под ред. А. М. Черняева. — СПб.: Водоканал, 2003.