Фильтры для механической
очистки воды
Все фильтры грубой очистки воды устроены одинаково: внутри по ходу воды располагается сеточка или другой фильтрующий элемент, например, диски для отсечения крупных фракций (песка, ржавчины и т.д.). Устанавливают их на каждой входящей трубе в начале разводки – разделение узла подачи воды в ванную, кухню, туалет и т.д. На всех фильтрах грубой очистки есть отводы. Они продлевают жизнь фильтра. Если он засорен, всегда можно перекрыть воду, открутить отвод и прочистить грязевик. Делается это в следующих случаях: после включения/отключения воды, по мере засорения и для профилактики (один раз в три месяца). Любая вода, будь то скважинная или водопроводная, содержит механические примеси. Обычно это песок, ржавчина, подмотка с трубных соединений и т.п. В зависимости от концентрации этих взвесей и требуемой производительности, используют следующие типы фильтров механической очистки:
Фильтры механических частиц и примесей
Трудно переоценить роль таких фильтров в процессах водоочистки и водоподготовки.
Они используются буквально повсеместно. Во всех областях промышленности, энергетики, ЖКХ, на водоканалах и в частных домовладениях.
Чистят питьевую и технологическую воду, топливо, различные растворы, эмульсии и так далее.
Названий у них может быть много («фильтры грубой очистки», «механические фильтры», «грязевики», но суть, при этом, остаётся одна – удаление из воды (или другой жидкости) взвешенных твёрдых веществ (или “SS” по международной классификации).
Речь идёт о нерастворённых в воде твёрдых частицах размером от 1 микрона и более.
Это могут быть как природные загрязнения, например песок в речной или, скважиной воде, частицы ила и глины, грязь, мелкие водоросли, так и привнесённые, например окалина, ржавчина, частицы механического износа деталей и т.д.
Размер крупных песчинок составляет порядка 1000 микрон.
Один микрон (мкм) – это одна тысячная миллиметра. Величина, которую трудно представить в бытовом понимании. Толщина человеческого волоса составляет от 50 до 70 микрон.
Вернёмся к загрязнениям.
Размеры частиц мелкого песка порядка 100 микрон, частицы ила 10 микрон, частицы глины уже порядка одного микрона.
В этом диапазоне размеров загрязнений и работают рассматриваемые фильтры.
Эти частицы обуславливают мутность воды, часто цветность, вкус, осадок.
Приводят к механическому износу трубопроводной и запорной арматуры, насосов, водосчётчиков, образуют отложения на стенках труб, препятствуют нормальной работе последующих ступеней очистки (если таковые присутствуют), например систем ультрафильтрации нанофильтрации или гиперфильтрации.
Способы удаления из воды (а в общем случае из любой жидкости) взвешенных твёрдых веществ:
Отстаивание (седиментация)
В стоячей воде твёрдые частицы, под действием гравитационной силы, естественным путём выпадают в осадок.
Процесс происходит в специальных ёмкостях (отстойниках), конструкция которых позволяет легко разделить осадок и воду (жидкость).
Процесс очень простой но мало применимый ведь время отстаивания сильно зависит от размера частиц.
Так, время отстаивания частиц на глубину 1 м составляет ориентировочно (для воды):
– крупный песок (1000 мкм) – 10 секунд;
– средний песок (500 мкм) – 20 секунд;
– мелкий песок (100 мкм) – 3 минуты;
– крупный ил (50 мкм) – 30 минут;
– мелкий ил (10 мкм) – до 18 часов;
– крупная глина (3 мкм) – двое суток;
– мелкая глина (1 мкм) – до 2 месяцев;
– коллоидные частицы (это те, которые меньше микрона) – до двух лет*.
(*Время выпадения в осадок коллоидных частиц может быть значительно уменьшено в процессе коагуляции. Используются специальные химические реагенты).
Кроме того, в воде могут содержаться частицы, плотность которых соизмерима с плотностью воды. Естественно они в осадок не выпадают.
Такой способ используется, в основном, на крупных станциях водоочистки поверхностных вод в качестве предварительной ступени.
Центробежная сепарация
Используются специальные устройства, называемые гидроциклонами.
Принцип действия прост:
В цилиндрическую часть гидроциклона тангенциально подаётся исходная вода. За счёт создавшегося вращения, содержащиеся в ней твёрдые частицы, под воздействием центробежных сил, относятся на внутренние стенки цилиндра и за счёт уже гравитационных сил, опускаются вниз, где через специальный клапан сброса попадают в приёмную ёмкость или дренажную магистраль.
Очищенная вода отводится из средней части гидроциклона через патрубок, находящийся на оси вращения потока.
Конструкций гидроциклонов может быть много, но суть, при этом, остаётся неизменной: сепарация частиц за счёт центробежных сил.
Концентрирование примесей, при этом, происходит на порядки быстрее чем при естественном отстаивании.
Преимущества способа:
– компактные размеры гидроциклонов;
– отсутствие движущихся частей кроме вращения самой воды;
– способность работы с очень высокими концентрациями загрязнений;
Из недостатков стоит отметить высокий механический износ внутренней поверхности гидроциклона, неспособность сепарации загрязнений с низкой плотностью, а также необходимость строгого поддержания заданного давления и объёмной подачи воды на входе.
Данный способ наиболее эффективен при удалении крупного песка. Именно поэтому в основном используется перед ступенью основной фильтрации.
Фильтрация на сетках
Принцип действия объяснять не нужно.
Основной параметр любых сеток для фильтрации воды – это их «прозор».
Прозор – это величина ячейки сетки. Она определяет «уровень фильтрации», «степень фильтрации», «тонкость фильтрации», «порог отсечки». Названий много, суть одна – это максимальный размер частицы, способной пройти через сетку.
Обычно фильтровальные сетки изготавливаются с прозорами от 10 и более микрон, в зависимости от сферы их применения.
Материал сеток, как правило, проволока из нержавеющей стали.
Чем тоньше проволока (или нить), тем лучше – меньше гидравлическое сопротивление потоку воды.
Любая сетка создаёт гидравлическое сопротивление. То есть на сетке, помещенной в движущийся поток воды, возникает разница давлений (дифференциальное давление) до и после сетки.
Это давление механически воздействует на саму сетку.
Чем меньше прозор, тем больше дифференциальное давление.
Чем больше поток воды через единицу площади сетки, тем больше дифференциальное давление.
Понятно, что по мере загрязнения сетки дифференциальное давление также будет расти.
Частицы загрязнений, которые не смогли пройти через ячейки сетки остаются на её поверхности, образуя, так называемый, «намывной слой».
Намывной слой также участвует в процессе, отфильтровывая на себе ещё более мелкие частицы. Дифференциальное давление растёт.
Очевидно, что степень загрязнения сетки, если судить о нём по перепаду давления, будет расти прогрессивно.
В предельном случае вода вообще перестанет проходить через сетку, а физическое воздействие на неё (сетку) будет равно входному давлению воды.
Понятно, что для уменьшения скорости роста перепада, нужно увеличивать площадь сетки.
Чем она больше, тем больший объём загрязнений может быть на ней высажен.
Как правило, для увеличения площади фильтрования, сетки сворачивают в цилиндры. Вода проходит либо изнутри-наружу цилиндра либо, наоборот, снаружи-внутрь.
При движении воды снаружи-внутрь цилиндра, возникающее дифференциальное давление работает на “схлопывание” цилиндра. Очевидно что вариант изнутри-наружу предпочтительней.
Цилиндрическая сетка, имеющая размер литровой бутылки газировки, имеет площадь фильтрации порядка 500 квадратных сантиметров.
Обычно, давление воды в магистралях составляет от 2 до 6 бар.
В промышленности иногда и до 10.
При дифференциальном давлении в 1 бар, на сетку площадью 500 см² будет действовать сила в 500 кг. А при 10 барах уже 5 тонн.
А существует ещё такое нештатное,, очень неприятное, но случающееся явление как гидроудар, при котором давление может превысить и 20 бар.
Это всё к тому что «ячейки сетки должны образовываться максимально тонкими нитями или проволочками». Не получается. Как всегда, палка о двух концах.
Приходится использовать различные усиливающие каркасы, дополнительные слои более прочной и толстой сетки. А это не на пользу процессу. Ведь даже узлы сетки, где перехлёстываются нити, являются местом, начинается процесс зарастания сеток. Там закрепляются очень мелкие частицы илистого, глинистого или железистого типа.
Идеальная сетка – это полый металлический тонкостенный цилиндр имеющий огромное количество отверстий заданного диаметра.
Почему тонкостенный? Если толщина стенки такого цилиндра будет значительно больше диаметра отверстий, механическим частицам нужно будет проходить уже по неким каналам, где длина канала – это толщина стенки цилиндра. А там уж какая пройдёт, а какая и застрянет.
Такие пористые фильтрующие структуры бывает очень трудно или даже невозможно полностью отмыть от оставшихся в них взвешенных частиц.
Это уже так называемая глубинная фильтрация. Это когда часть более крупных частиц остается на поверхности пористого материала, а другая более мелкая часть, проникает внутрь и застревает в порах.
Обычно используются пористые материалы из спечённых металлических частиц, вспененных полимеров или даже намотка из синтетической нити.
Это известные всем картриджи. Обычно, но не всегда, одноразовые.
Вернёмся к сеткам.
Сетчатые фильтры имеют наивысший показатель в номинации производительность/цена при условии правильного выбора.
При выборе фильтра, в первую очередь, важно понимать с какими размерами взвешенных частиц придётся иметь дело.
Конечно, есть вариант использовать сетки с наименьшими прозорами чтобы гарантированно убирать все взвеси. А надо ли? Например, у нас в воде песок с размером песчинок порядка 100 микрон. А мы используем сетку с прозором в 10 микрон. В результате, для сохранения относительно небольшого перепада давления, нужно значительно увеличивать площадь сетки. Это деньги.
Если в обрабатываемой воде присутствует даже небольшое количество мелких частиц, например, размером 5 -10 микрон, это будет приводить к ускоренному загрязнению сетки, необходимости в более частом её обслуживанию и как следствие опять материальные расходы.
Для данного случая выбор сетки с прозором в 50 микрон представляется более разумным.
В реальных условиях чаще в воде одновременно присутствуют взвешенные частицы различных размеров.
Для правильного подбора фильтра лучше иметь график распределения взвесей по размерам. Такой можно получить в специализированных лабораториях.
Как правило, на таком графике хорошо видны один или несколько пиков размеров частиц. Например, 65% всех взвешенных частиц приходится на размеры от 80 до 110 микрон, 25% на частицы размером от 10 до 20 микрон, и 10% более или менее равномерно распределены по всем остальным размерам. Становится понятным, что необходимо отсекать частицы размерами от 50 микрон и более, а затем, на второй ступени частицы от 10 микрон.
Если такого графика нет , то можно обратиться к скорости отстаивания частиц (смотри выше). Займёт пару часов, но сильно поможет сделать правильный выбор.
Производительность.
В этом вопросе много лукавства. Через одну и ту же сетку можно пропустить различные потоки, при этом, во всех случаях, она будет выполнять свою функцию. Вот почему у разных производителей (или поставщиков) оборудования зачастую можно встретить совершенно разные цифры производительности конструктивно одинаковых фильтров.
Причиной тому разное прочтение допустимого значения дифференциального давления, о котором было много сказано выше.
Повышенное дифференциальное давление, помимо всего прочего, приводит к усиленному загрязнению сетки.
Абсолютно некорректный но очень показательный пример:
Какую сетку легче отмыть от загрязнений? Ту, через которую грязная вода проходит самотеком, и частицы остаются на ее поверхности (низкое дифференциальное давление) или ту, где взвешенные частицы дополнительно втирали пальцем (высокое дифференциальное давление)? Ответ очевиден: чем меньше дифференциальное давление, тем лучше.
Так о каких цифрах допустимого дифференциального давления идёт речь?
Ответственные производители, на основе своего богатого опыта, давно пришли к выводу, что падение давления на чистой сетке не должно превышать 0,1 – 0,2 бара. И что нельзя допускать повышения перепада давления более чем в 0,6-0,8 бар. (Начинается эффект “втирания пальцем”, затрудняется последующая очистка).
Напомню, что давление в один бар поднимает воду на высоту 10 м. Это высота четырёхэтажного дома. Терять такую высоту подъёма из-за какой-то сетки, как минимум, неразумно. Придётся использовать более мощные подающие насосы, опять затраты.
А как быстро чистая сетка станет грязной?
Подошли к понятию “фильтроцикл”.
Фильтроцикл – это объём загрязнённой воды который, проходя через сетку, делает её «грязной» (то есть достигается дифференциальное давление 0.6 – 08 бар).
Или время за которое тот же объём воды пройдёт через эту же сетку.
После этого сетка должна быть заменена или промыта.
Ручная промывка сетки – процесс хоть и простой но достаточно хлопотный.
Ведь нужно перекрыть подачу воды, разобрать фильтр, извлечь сетку, промыть её под потоком воды или перед промывкой предварительно замочить если необходимо химически отмыть её от мелкодисперсных частиц, снова всё собрать и восстановить подачу воды.
Проводить такую процедуру часто – нерентабельно.
Поэтому появились различные хитроумные способы автоматической отмывки сеток без разборки фильтров и даже без прекращения подачи через них воды.
Возвращаемся к фильтроциклу.
Те же “ответственные производители” считают, что автоматические промывки фильтров должны производиться с периодичностью не чаще одного раза в 6 – 8 часов. Если время меньше то это приведёт к перерасходу воды, необходимой на промывку фильтра.
Понятно, что это время напрямую зависит от площади фильтрации или “грязеемкости” сетки. (Появилось ещё одно понятие). Грязеёмкость также напрямую зависит и от прозора.
Очевидно, что при всей кажущейся простоте процесса фильтрования на сетках, мы имеем дело с множеством взаимозависящих факторов, разобраться в хитросплетениях, которых порой бывает не так уж и просто.
Вывод один. При выборе фильтров необходимо руководствоваться рекомендациями проверенных годами производителей/поставщиков, имеющих большой опыт работы в этой сфере.
Тем более в наше время, когда рынок покинули многие заслуженные компании и его заполонили изделия непонятных “скороспелых” изготовителей. Очевидно, что понадобится какое-то время чтобы начать им всецело доверять.
Дисковые фильтры
Пожалуй это наиболее технологичные устройства для удаления взвешенных частиц на данный момент.
Поговаривают, что фильтры такого типа, были впервые замечены в топливных магистралях танков Вермахта.
Как работают?
Представьте себе полый толстостенный цилиндр.
Если “нашинковать” его на тонкие диски, вновь сложить их в цилиндр и плотно сжать, получим “фильтрующий элемент”.
Пойдёт ли вода под давлением через стенку такого цилиндра? Нет, ведь диски плотно сжаты.
А если на каждом диске с двух сторон будут канавки (насечки)? Тогда пойдёт. При этом тонкость фильтрации будет определяться глубиной таких насечек.
Крупные частицы будут оставаться на внешней поверхности цилиндра а более мелкие проходить (и частично застревать) в поры, образованные насечками. Классический пример сочетания поверхностной и глубинной фильтрации!
Но, в отличие от фильтров из пористых материалов, дисковые фильтры могут быть легко очищены от задержанных ими частиц путём простой разборки и промывки дисков.
При фильтровании на сетках, часть частиц, имеющих соизмеримые с ячейками размеры, могут в них застревать, что является определённой трудностью при их удалении в процессе промывки. В дисковых фильтрах такой проблемы нет так как само понятие ячейки при промывке отсутствует.
Вода, как правило, подаётся снаружи внутрь фильтрующего элемента. Понятно, что диски выполнены из материалов, не поддающихся коррозии, в настоящее время, обычно, используются полипропилен.
Для дисковых фильтров актуальны те же показатели, что и для сетчатых, такие как: прозор, дифференциальное давление, площадь фильтрации, фильтроцикл, грязеёмкость.
Также, как и в случае с сетчатыми фильтрами дисковые требуют периодической (в зависимости от длительности фильтроцикла) ручной промывки со всеми вытекающими последствиями.
А вот в случае автоматических промывок дисковых фильтров, всё становится намного интереснее:
1. Обычно используется не один а два или более (в зависимости от потребной производительности и грязеемкости) фильтров, соединённых параллельно. Их промывки производятся поочерёдно, без приостановки подачи воды потребителю.
2. Во время промывки любого из фильтров, за счёт давления в общем выходном коллекторе, диски (предварительно сжатые пружиной) разжимаются.
3. Очищенная вода из общего выходного коллектора, двигаясь изнутри наружу фильтрующего элемента, промывает предварительно разжатые диски. Т.е. происходит обратная промывка очищенной водой.
4. Промывочная (очищенная) вода подаётся на внутреннюю поверхность фильтрующего элемента через специальные форсунки, которые, с одной стороны усиливают ее напор, а с другой, заставляют диски вращаться предотвращая эффект возможного их слипания.
Кроме того, во время штатной фильтрации, внутри корпуса фильтра, входная вода специальными устройствами закручивается вокруг фильтрующего элемента. При этом достигается несколько эффектов. Во-первых, это способствует равномерному распределению частиц по внешней поверхности фильтрующего элемента. А во-вторых создаётся эффект который используется в гидроциклонах: под действием центробежных сил наиболее крупные частицы перемещаются от внешней поверхности фильтрующего элемента к внутренней стенке корпуса, что не даёт им возможности участвовать в создании намывного слоя.
В результате, дисковые фильтры, в особенности те, где используется автоматическая промывка, имеют следующие преимущества перед другими системами фильтрации:
– широкий диапазон прозоров (обычно от 5 до 400 микрон, определяется глубиной насечек на дисках);
– повышенная грязеёмкость, так как одновременно используются как поверхностная так и глубинная фильтрация;
– способность удалять крупные частицы, имеющие плотность, соизмеримую с плотностью воды (впрочем, это также относится к сетчатым и пористым фильтрам);
– обратная промывка чистой водой, в совокупности с разжатием и вращением дисков, обеспечивает крайне высокую степень их очистки;
– малое потребное время промывки фильтрующего элемента (типично от 10 до 30 секунд), что приводит к низким расходам воды на собственные нужды (порядка 0,1 – 1% от общего объёма очищенной воды).
Следует отметить важный факт. Для проведения автоматической промывки любых типов фильтров необходим некий, регламентируемый производителем, перепад давления, за счёт которого, собственно, и будет осуществляться промывка. В этом вопросе нужно быть очень внимательным.
Общие рекомендации при выборе дисковых фильтров те же: используйте проверенных производителей/поставщиков.
