Как работает фильтрация воды через зернистую загрузку

Очистка воды через зернистую загрузку – один из самых распространённых и проверенных методов водоподготовки, который применяется как в бытовых системах, так и на промышленных водоочистных станциях. В этой статье рассказываем, как устроен процесс фильтрации, какие материалы используются в качестве загрузки, чем отличаются однослойные фильтры от многослойных, как правильно проводить регенерацию и по каким параметрам выбирать загрузку под конкретную задачу.

• Пленочное фильтрование: взвесь накапливается на верхней поверхности загрузки в виде тонкой фильтрующей плёнки.
• Объёмное (глубинное) фильтрование: частицы проникают вглубь слоя и оседают на поверхности зёрен под действием сил адгезии и гравитации.
• Совмещенное – одновременное образование плёнки и отложение примесей внутри пор загрузки.

В большинстве современных скорых фильтров преобладает объёмное фильтрование. Вода многократно меняет направление и скорость движения, проходя через межзерновые каналы – именно поэтому грязеёмкость такого фильтра значительно выше, чем у плёночного. Осветление воды в зернистой загрузке – это суммарный результат двух встречных процессов: адгезии (налипания частиц на зёрна) и суффозии (отрыва ранее осевших частиц потоком воды и их переноса в нижние слои).

Эффективность очистки напрямую зависит от нескольких факторов:

• Размера и формы зёрен загрузочного материала;
• Скорости подачи воды через слой;
• Глубины (высоты) фильтрующего слоя.

Интересный факт: песчаные фильтры были впервые применены в промышленных масштабах ещё в 1820 году в Лондоне для очистки воды из реки Темза. С тех пор принцип работы принципиально не изменился, хотя материалы загрузки стали значительно разнообразнее и эффективнее.

Зернистая загрузка – это сердце любого фильтра. От правильного выбора материала зависит, какие именно загрязнения будут удалены из воды и насколько долго фильтр прослужит без замены.

Все зернистые фильтрующие материалы делятся на тяжёлые (плотность выше плотности воды) и плавающие (удерживаются в толще воды во взвешенном состоянии). К тяжёлым относятся кварцевый песок, дроблёный антрацит, керамзит, мраморная крошка, гранатовый песок, горелые породы и вулканические шлаки. Плавающие загрузки – это прежде всего пенополистирол и полиуретановая крошка.

Кварцевый песок – самый распространённый материал. Он состоит преимущественно из оксида кремния, химически инертен и механически прочен. Для водоподготовки используется дроблёный кварцевый песок: за счёт угловатой формы зёрен он обладает большей пористостью и лучшим коэффициентом фильтрации по сравнению с окатанным речным песком. Рабочие фракции для систем водоочистки – от 0,4 до 2,5 мм в зависимости от задачи и типа фильтра.

Гидроантрацит – дроблёный антрацит с естественной пористостью не менее 38%. За счёт низкой плотности (1,4–1,6 г/см³) он располагается выше более тяжёлых слоёв в многослойных фильтрах и выполняет роль предварительной фильтрации. Зольность антрацита-фильтранта не должна превышать 4,5% – только в этом случае материал допускается к применению в питьевом водоснабжении.

Гранатовый песок (гарнет) –натуральный материал с плотностью 3,5–4,3 г/см³, который благодаря своей тяжести всегда располагается в нижнем слое мультимедийного фильтра после обратной промывки. Угловатая форма зёрен и высокая твёрдость обеспечивают эффективное задержание мелкодисперсных частиц на завершающей стадии фильтрации.

Стеклошарики –фильтрующий материал из стекла с идеально сферической формой зёрен и плотностью около 2,5 г/см³. Благодаря правильной геометрии шариков межзерновое пространство распределяется равномерно по всему объёму загрузки – это снижает гидравлическое сопротивление и обеспечивает стабильную скорость фильтрации даже при высоких нагрузках. Гладкая поверхность стеклошариков облегчает обратную промывку –загрязнения отделяются от зёрен значительно легче, чем от угловатых материалов.

Другие материалы, которые применяются в зависимости от задачи:

• Керамзит – пористый материал с хорошими технологическими свойствами, подходит для двух- и многослойных фильтров;
• Мраморная крошка – используется для стабилизации воды и коррекции кислотности;
• МЖФ (марганец-железо-фильтрующий материал) – пористые гранулы из доломита с добавлением диоксида марганца, предназначены для удаления растворённого железа и марганца;
• Активированный уголь – используется для адсорбции органических веществ, хлора и неприятных запахов;
• Ионообменные смолы – применяются для умягчения воды путём замены ионов кальция и магния на натрий.

Однослойный фильтр заполнен одним материалом – чаще всего кварцевым песком одной фракции. После обратной промывки зёрна расслаиваются по крупности: мелкие оказываются сверху, крупные – снизу. В итоге вода сначала проходит через мелкозернистый слой, который быстро кольматируется (забивается), и грязеёмкость такого фильтра невысока. Однослойные фильтры хорошо подходят для предварительной механической очистки при небольшой мутности воды.

Двухслойный фильтр заполнен двумя материалами с разной плотностью. Классическое сочетание – антрацит сверху (зерно 1,0–1,25 мм) и кварцевый песок снизу (зерно 0,65–0,75 мм). После промывки более лёгкий антрацит остаётся в верхнем слое, тяжёлый песок – в нижнем. Вода сначала проходит через крупнозернистый антрацит (грубая фильтрация), затем через мелкозернистый песок (тонкая). Такая схема обеспечивает объёмное фильтрование по всей высоте загрузки и значительно повышает грязеёмкость фильтра.

Многослойные (мультимедийные) фильтры содержат три и более слоёв с разной плотностью и крупностью зёрен. Например: антрацит – кварцевый песок – гарнет (гранатовый песок). Каждый следующий слой мельче и плотнее предыдущего. Такие фильтры задерживают загрязнения по всему объёму загрузки, работают на более высоких скоростях фильтрации и реже нуждаются в регенерации.

По скорости фильтрования все зернистые фильтры делятся на медленные (0,1–0,3 м/ч), скорые (5–12 м/ч), скоростные (12–36 м/ч) и сверхскоростные (36–100 м/ч). Медленные фильтры работают за счёт пленочного фильтрования и дополнительно задействуют биологические процессы в поверхностной плёнке. Скорые и скоростные фильтры работают по принципу объёмного фильтрования и требуют периодической регенерации.

Помимо состава загрузки, фильтры различаются по способу подачи воды. Это влияет на производительность, допустимое давление и область применения.

• Безнапорные (открытые) фильтры – это конструкции без избыточного давления, в которых вода движется под действием силы тяжести. Над поверхностью загрузки поддерживается слой воды высотой 1,5–2 м. Предельные потери напора в фильтрующей загрузке для открытых фильтров составляют 3–3,5 м. Такие фильтры применяются преимущественно на муниципальных водоочистных станциях.
• Напорные (закрытые) фильтры работают под избыточным давлением, которое создаётся насосом. Корпус – герметичный цилиндрический резервуар из стали или стекловолокна. Предельная потеря напора в загрузке и дренаже для напорных фильтров – до 15 м. Вода подаётся сверху вниз через слой загрузки и собирается дренажно-распределительной системой в нижней части корпуса. Напорные фильтры широко применяются в бытовых системах водоподготовки, промышленных установках и при обезжелезивании воды из скважин.

Важный элемент конструкции любого зернистого фильтра – дренажно-распределительная система (ДРС). Нижняя ДРС равномерно собирает очищенную воду и не даёт зёрнам загрузки попасть в трубопровод чистой воды. Верхняя ДРС (если предусмотрена) равномерно распределяет входящий поток по всей площади загрузки, исключая образование «мёртвых зон».

По направлению движения потока зернистые фильтры бывают однопоточными (вода идёт только сверху вниз) и двухпоточными (поток движется одновременно сверху вниз и снизу вверх). Двухпоточные фильтры задействуют весь объём загрузки и обеспечивают повышенную грязеёмкость.

Важно: напорные фильтры с зернистой загрузкой в стандартной комплектации оснащаются автоматическими блоками управления, которые самостоятельно запускают регенерацию в заданное время – как правило, ночью, когда водопотребление минимально.

По мере работы фильтра загрузка накапливает задержанные загрязнения, поры между зёрнами уменьшаются, скорость фильтрации падает, а качество очищенной воды ухудшается. Чтобы восстановить работоспособность фильтра, проводится регенерация.

Основной способ регенерации зернистых загрузок – обратная промывка: поток воды подаётся снизу вверх с такой скоростью, при которой загрузка переходит в псевдоожиженное состояние и расширяется на 30–50%. Зёрна «кипят», освобождаясь от налипших загрязнений; накопленные взвеси вымываются из межпорового пространства и уходят в дренаж. Длительность обратной промывки – от 8 до 10 минут в зависимости от объёма фильтра и типа загрузки.

После обратной промывки проводится прямая промывка – поток воды направляется в обычном рабочем направлении (сверху вниз) и сбрасывается в дренаж. Прямая промывка уплотняет загрузку после взрыхления и удаляет остатки загрязнений. Только после завершения прямой промывки фильтр переводится в рабочий режим.

Выбор фильтрующего материала зависит от состава исходной воды, поставленной задачи очистки и условий эксплуатации системы. Использовать один и тот же материал для всех случаев — неверно: каждая загрузка работает в своём диапазоне загрязнений.

• Удаление механических взвесей и мутности. Используется кварцевый песок или двухслойная комбинация антрацит + кварцевый песок. Для воды из поверхностных источников с высокой мутностью предпочтительны многослойные фильтры с высокой грязеёмкостью.
• Предварительная защита мембран и ионообменников. Антрацит применяется как самостоятельный верхний слой, который задерживает взвешенные частицы до того, как вода попадает на чувствительные элементы системы.
• Удаление растворённого железа и марганца. Применяются каталитические загрузки (МЖФ, Birm, Manganese Greensand) — которые окисляют растворённые металлы и переводят их в нерастворимую форму. При высоких концентрациях железа перед таким фильтром устанавливается аэрационная колонна.
• Умягчение воды. Используются ионообменные смолы: при прохождении воды через них ионы кальция и магния замещаются на натрий. После исчерпания ресурса смолы регенерируются раствором поваренной соли.
• Нейтрализация кислой или мягкой воды. Применяется мраморная крошка (карбонат кальция), которая постепенно растворяется и повышает pH до нормальных значений.
• Адсорбция органики, хлора и запахов. Используется активированный уголь, который эффективно поглощает растворённые органические соединения и улучшает органолептические свойства воды.

Важно помнить: зернистая фильтрация — это механическая и физико-химическая очистка. Она не обезвреживает микробиологические загрязнения и не удаляет растворённые химические соединения (нитраты, фториды, тяжёлые металлы в ионной форме). Для комплексной водоподготовки зернистые фильтры используются в связке с обеззараживанием и, при необходимости, с ионообменными или мембранными системами доочистки.

При выборе фильтрующего материала важно учитывать фракционный состав, плотность и химическую инертность — от этого напрямую зависит эффективность очистки и ресурс фильтра. Компания «ОПТ6» является прямым производителем, поэтому вы получаете кварцевый песок, антрацит и другие загрузки без посредников и лишних наценок.

В каталоге «ОПТ6»:

• Кварцевый песок всех фракций для одно- и многослойных фильтров;
• Гранатовый песок (гарнет) для финишной доочистки воды;
• Полный комплект сопроводительной документации.

Мы обеспечиваем оперативную отгрузку со склада, доставку авто- и ж/д транспортом, а также техническую поддержку на всех этапах.