ГЛАВА 1

ПРОЦЕССЫ ФИЛЬТРАЦИИ

Фильтрация - наиболее доступный пониманию человека процесс очистки воды, результаты которого очевидны в буквальном смысле этого слова. Вода подвергается процессам фильтрации, продвигаясь сквозь слои земли, и к моменту достижения водоносного слоя она уже свободна от взвесей и частично от адсорбированных газов (рис. 1-1).

Известно, что в даже древних государствах (Персии, Египте, Китае, Греции и Риме) изучались преимущества фильтрованной или кипяченой воды с целью дальнейшего улучшения как полезных, так и органолептических ее свойств (1).

Первый патент на фильтр был получен в Англии еще в 1790 году. Эффективность фильтрации сквозь песчаный фильтр была показана Джоном Симпсоном и в 1839 году применена на практике в системе общественного водоснабжения Лондона (2).

Суть процесса фильтрации состоит в отделении взвешенных в воде частиц от жидкой фазы. Один из самых простых способов фильтрации - пропускание воды через колонку гранулированного или пористого материала или просто бумажный фильтр.

Наличие в воде взвешенных частиц обуславливает ее мутность и опалесцирование.

Стандартные фильтры способны удалять из воды взвешенные частицы более 10 микрон. Частицы меньшего размера для их укрупнения следует вначале обработать коагулянтом (сульфатом алюминия). Эффективно проведенная коагуляция и флокуляция позволяют избавиться от частиц размером вплоть до 1 мкм.

Наиболее совершенные фильтрующие технологии, позволяющие удалять частицы менее 20 мкм, используют особые материалы мембранного типа, помещенные в картриджные фильтры.

Рис. 1.1. Круговорот воды

Удаление столь малых неионизированных частиц обычно осуществляется в два этапа за счет т.н. сортирующей техники, как показано на рис. 1-2. Первый этап - микрофильтрация - позволяет удалять частицы размером 0.06 - 2.00 микрона. Второй этап - мембранная ультрафильтрация - удаляет частички от 0,025 до 0.200 микрон, а также растворимые макромолекулы с молекулярной массой больше 1000. (В этой книге мы не рассматриваем подробно технологии

микро- и ультрафильтрации. О них Вы можете узнать в книге «Фильтрация воды для бытовых установок», изданной Водной ассоциацией в 1989 году).

В техническом смысле фильтрация заключается в удалении из жидкости широкого спектра частиц и молекул. В крупных промышленных и коммерческих системах водоподготовки используются такие методы механической очистки:

• простое сито

• фильтры с гранулированными загрузками с применением гравитационных сил, давления или вакуума

• центрифугирование

• фильтры картриджного типа

• префильтрация

• химический - коагуляция/преципитация

• фильтрование под давлением

• мембранные технологии

В этой главе мы рассмотрим 2 основных направления механической очистки:

1. засыпные фильтры (заполняемые фильтрующим материалом)

2. фильтры картриджного типа.

Механизмы фильтрации

В основе бытовых механических фильтров лежат те же принципы, что и в коммерческих системах фильтрации, которые можно разделить на две большие категории: поверхностная фильтрация и глубинная фильтрация. Фильтрация может протекать на поверхности или в глубине слоя, или за счет электростатического притяжения нерастворимых частиц к определенным типам фильтрующих загрузок.

Поверхностная (первичная) фильтрация может быть описана, как «удерживающая», то есть, аналогичная ситу, которое мы используем для просева муки. Множество дырочек или отверстий (все одинакового размера) на плоском металлическом или пластиковом листе обеспечивают удаление частиц из жидкости. Поверхностные отверстия удерживают твердые частицы, большего, чем диаметр отверстия, размера (3).

При этом «удерживающем» процессе слой задержанных частиц обычно наpастает на поверхности фильтра и становится второй фильтрующей поверхностью. Этот поверхностный слой затем осуществляет собственно фильтрацию и таким образом образует разновидность «глубинного фильтрующего» элемента на поверхности самого фильтра. Проблемы использования поверхностных фильтров в домашних или офисных условиях состоят в том, что они легко забиваются. Поверхностные фильтры могут представлять собой либо сито с одинаковыми отверстиями в прочном материале, либо мембраны с одинаковыми очень мелкими порами.

Рис. 1.2. Примеры поверхностных (сетчатых) и объемных фильтрующих элементов

Поверхностные фильтры (рис. 1-3) включают Y-образные сита, распределители-аэраторы на водопроводных кранах, сита в дренажных системах и корзинки-уловители в фильтрующих системах бассейнов.

Глубинные фильтры (или фильтры с глубоким слоем) - являются наиболее распространенными технологиями для домашнего использованиями. Корпуса фильтров содержат загрузку, которая формирует произвольные пути движения для воды или жидкости. Кроме того, некоторые загрузки, такие как гранулированные активированные угли, представляют собой высокопористые материалы, обеспечивающие микрофильтрацию некоторых микроорганических молекул. При использовании более чем одной загрузки в фильтре пустые пространства, используемые водой для движения, могут видоизменяться по сравнению с моно загрузкой. Глубинную фильтрацию описывают, как «поток воды (жидкости) сквозь глубину фильтрующей загрузки (или серии загрузок), следующий сложными путями со многими ловушками» (4) - и успешно уменьшающем пустые пространства по всей глубине фильтрующего слоя. В глубинных фильтрах взвешенные частицы, в первую очередь, накапливаются в верхних дюйме или двух фильтрующего слоя. Как только они заполнили верхние слои загрузки, следующие за ними примеси движутся по произвольным каналам и путям фильтрующего материала и улавливаются в его более глубоких слоях (5). Примерами глубинных фильтров являются антрацитные, песчаные и гарнетовые смешанные загрузки.

К глубинной фильтрации также относятся скрученные нити и специальные ткани (рис. 1 -2), используемые как составляющая часть фильтров картриджного типа.

Рис. 1.3. Основные методы фильтрации

Некоторые из нерастворимых частиц несут слабый заряд и, следовательно, удаляются за счет своего электростатического сродства к фильтрующей загрузке.

Мутность

Мутность (опалесценция) воды создается за счет присутствия в ней маленьких частиц, которые остаются во взвешенном состоянии и плавают в толще воды благодаря своей очень низкой плотности. Мутность стандартно измеряется в Нефелометрических единицах мутности (NTU), которые заменили Единицы мутности Джексона (JTU), ранее использовавшиеся в анализах воды. Мутность пригодной для использования воды не может превышать 0.5 NTU в соответствии с современными стандартами качества питьевой воды, установленными Агентством защиты окружающей среды США. Если мутность воды составляет 5 NTU, население должно быть обязательно предупреждено о необходимости, по крайней мере, кипячения воды.

Временная опалесценция воды, например, наблюдаемая в только что наполненном жидкостью стакане, часто обуславливается избытком кислорода. Такая опалесценция быстро исчезает, если дать жидкости некоторое время отстояться. Причиной опалесценции в стакане со свеженалитой горячей водой могут быть мельчайшие частицы осадка, образованного в процессе кипячения, но такая опалесценция достаточно быстро исчезает. Еще одной причиной опалесценции, однако достаточно редко встречающейся, может быть метан (СН4), присутствие которого характерно для воды из болотистых источников (6).

Частично мутность воды (и органической, и неорганической природы) из поверхностных источников будет исчезать при отстаивании воды. Частично она может быть удалена при связывании с коллоидными частицами, которые сами по себе не оседают. Самым распространенным способом очистки от мутности воды для бытовых нужд является пропускание ее через слои загрузок гранулированного типа в осаждающих фильтрах.

Чем мельче гранулы фильтрующей загрузки, тем выше ее эффективность в плане удаления взвешенных частиц. Частично за мутность и цветность воды ответственны столь мелкие частички, что они легко проскальзывают сквозь обычные фильтрующие материалы.

В коммерческих процессах для удаления этих сверхмалых частиц используют химическую обработку воды. Вещества, такие как сульфат алюминия, добавляются в малых дозах в поток воды для нейтрализации заряда или дестабилизации таких сверхмалых частиц, в результате чего они слипаются, образуя более крупные корпускулы, которые затем удаляются путем осаждения с последующей фильтрацией (7).

Для домохозяйств или предприятий, использующих воду, характеризующуюся наличием осадка и высокой степенью мутности, необходимы и рекомендуются автоматические системы водоочистки, которые просты в обслуживании. Среднему домовладельцу или бизнесмену будет нелегко справиться с системами, требующими дополнительной химической обработки воды, а небольшие автоматические фильтры успешно и легко справятся с этой задачей. Большинство бытовых фильтров с загрузками пористого типа представляют собой - либо установки водоочистки для всего дома, либо фильтры со сменными картриджами, установленные на один или несколько кранов питьевой воды, в зависимости от типа и количества взвесей, от которых нужно избавиться. В случае, когда состав воды и потребности клиента требуют проведения умягчения, деминерализации или использования обратного осмоса, фильтрование или предварительная обработка воды должны быть обязательно проведены перед ее подачей на следующие упомянутые выше стадии очистки.