Методы фильтрации воды в системах водоподготовки

Nino Zinna

Фильтрация воды

Очень редко вода, имеющаяся в природе, обладает всеми необходимыми качествами. По этой причине перед использованием она должна проходить определенную подготовку, в частности, фильтрацию, соответствующую назначению такой воды.

Вода, распределяемая по водопроводной сети, в зависимости от источника водоснабжения может иметь различное происхождение. Она может забираться из источника, выкачиваться из скважины, поступать из слоя поверхностных вод (реки, озера), получаться посредством опреснения морской воды.

Но чтобы вода могла использоваться как пищевой продукт, она должна приобрести характеристики питьевой воды, то есть быть прозрачной, без цвета, без запаха и не содержать болезнетворные микробы. Помимо этого, вода имеет некоторые особые параметры, определяющие степень ее воздействия непосредственно на водопроводную сеть, водоразборное и пользовательское оборудование. Это, в частности, ее коррозийные свойства, накипеобразование, обусловливаемое растворенными в воде солями, возможные закупоривающие отложения из взвешенных твердых частиц или растворенных в воде веществ, дающих осадок при определенных условиях, и пр. Кроме того, необходим контроль за уровнем содержания в воде нежелательных или вредных веществ. Даже вода промышленного назначения должна обладать определенными характеристиками, различающимися по типу применения воды. Поскольку очень редко вода, имеющаяся в природе, обладает всеми необходимыми качествами, практически всегда перед подачей в распределительную сеть она должна проходить определенную подготовку. Суть водоподготовки составляют коагуляция, отстаивание, фильтрация, умягчение, дезинфекция, кондиционирование различного типа. Нас, в частности, интересует фильтрация воды.

Зачастую подготовка такого рода применяется, в том числе, для воды, поступающей по обычному водопроводу, поскольку, как отмечалось выше, далеко не всегда водопроводная вода имеет все необходимые качества. Бывает, что при использовании воды в течение определенного срока ее характеристики ухудшаются, и тогда вода вновь проходит определенную обработку соответственно своему фактическому назначению. Фильтры применяются также для нейтрализации кислой воды и реминерализации воды, получаемой путем тепловой дистилляции. И, наконец, фильтрация используется для финишной обработки воды в целях нейтрализации каких-либо существенных негативных характеристик, чтобы вернуть воду в природный цикл в приемлемом состоянии. Основная задача фильтрации – отделить от воды твердые взвешенные частицы (песок, грязь, листья и лепестки, ржавчина, шлаки и пр.) и тем самым предохранить от отложений, коррозии, износа и засорения водопроводную сеть на всех участках (трубопровод, сантехническая и запорная арматура), оборудование, использующее воду, и предметы, с ней соприкасающиеся.

Фильтрация осуществляется путем пропускания воды через фильтрующий слой из инертного гранулированного материала определенной зернистости (гравий, щебень, песок, антрацит) либо через кассетный элемент из водопроницаемого материала или перфорированную корзину с мелкими ячейками, задерживающими бо¢ льшую часть загрязняющих веществ.

Используя дополнительные фильтрующие материалы, оказывающие на воду определенное химическое или физическое воздействие, наряду с простым механическим задерживанием твердых частиц, одновременно можно удалять из воды нежелательные (или вредные) вещества, удалять нежелательные запах и вкус. Действующими техническими регламентами для некоторых сфер деятельности установка фильтров обязательна (например, обработка бытовой питьевой воды, а также воды, предназначенной для систем отопления жилых помещений). Данные регламенты содержат ряд обязательных требований.

Фильтрация в системах водоподготовки

В сетях, использующих в качестве источника поверхностные воды, фильтрация является обязательной. Особенно если вода забирается из потоков горного происхождения – в зависимости от метеорологических условий конкретной местности очень часто она содержит листья и лепестки, ветки, грязь. В любом случае содержание взвешенных твердых частиц и ила в ней довольно высокое.

В процессе фильтрации из воды удаляются не только взвешенные твердые частицы размером более размеров ячеек фильтра, но и вещества, находящиеся в коллоидном состоянии (переводимые в твердые посредством флокуляции), а также растворимые в воде металлы (например, железо и марганец), осаждаемые путем окисления.

В современных водораспределяющих сетях фильтрующие системы, как правило, сгруппированы по несколько блоков, через которые пропускается водяной поток. На рис. 1 представлена схема водоподготовки воды глубокого залегания (водоносных горизонтов).

Рисунок 1. (подробнее) Общая схема системы водоподготовки

Система водоподготовки

Можно говорить о двух основных методах фильтрации воды:

– контактная фильтрация: водяная масса, подлежащая фильтрации, медленно пропускается через фильтрующее средство, которое механически удерживает взвешенные в воде частицы;

– биологическая фильтрация: данный вид фильтрации основан на очищающем действии колоний анаэробных бактерий, выращиваемых в субстрате щебня.

Фильтрация воды в водопроводной сети бытового назначения

Пройдя через систему водоподготовки, вода, прежде чем поступить на водоразборные точки, проходит довольно длинный путь. По пути она может собирать и переносить различного рода примеси, которые могут служить причиной засорения вентилей, водонагревательных колонок, стиральных машин, посудомоечных машин, душевых стоков, сантехнического оборудования в целом. Кроме того, вода может вызвать коррозию трубопровода. Этого можно избежать, если помимо прочего установить соответствующие фильтры в точке, где вода поступает в домашний водопроводный контур (сразу за счетчиком) (рис. 2).

Рисунок 2. (подробнее) Пример установки водоочистного фильтра в водопроводной сети бытового назначения

В зависимости от поставленной цели бытовая водоочистка осуществляется при помощи следующих фильтров: механических, на основе активированного угля и комбинированных. В механических фильтрах вода проходит через физические препятствия (как правило, фильтрующие кассеты), которые задерживают взвешенные в воде частицы. В фильтрах на основе активированного угля вода пропускается через слои угля, имеющего абсорбирующие свойства. Их главная задача – удалить из воды неприятные запахи, обусловленные предыдущей обработкой воды хлором либо хлорсодержащими составами. В комбинированных фильтрах действие механических либо угольных фильтров сочетается с антибактериальной обработкой, обеспечиваемой соответствующей аппаратурой (например УФ-облучением).

И, наконец, воду можно деминерализировать, для чего пропустить через специальные смолы. Таким образом готовится вода для автомобильных аккумуляторных батарей, бытовых парогенераторов и всех паровых электроприборов.

Бытовые фильтры очистки воды, будучи почти всегда рассчитаны на небольшие пропускные объемы, имеют малые габариты и вес. В большинстве случаев фильтрующий элемент представляет собой кассету, имеющую различные функциональные параметры (см. рис. 3). Как правило, бытовые фильтры врезаются непосредственно в водопроводную сеть через посредство резьбовых муфт или фланцевых соединений.

Рисунок 3. Контейнеры кассетных фильтров и кассетные фильтры очистки воды

В соответствии с требованиями, установленными Постановлением Минздрава 443/90, для обеспечения санитарно-гигиенической безопасности бытовых водопроводных сетей в системах водоподготовки могут применяться только механические фильтры на основе синтетической или металлической сетки, задерживающей взвешенные в воде частицы размерами не менее 50 мк. Кроме того, такие фильтры должны быть моющимися, автоматически или вручную.

В отношении угольных фильтров Постановление указывает на опасность размножения в них бактерий и неконтролируемого выброса микрозагрязнителей и по этой причине запрещает их отдельное использование в бытовых системах водоподготовки. Их использование разрешается только в составе комбинированных фильтров очистки воды установленного типа.

Фильтрация воды в тепловых сетях

В соответствии с требованиями регламента UNI 8065 вода тепловых сетей гражданского назначения должна проходить определенную водоподготовку и иметь следующие характеристики:

– прозрачность;

– уровень рН более 7 (но менее 8 в сетях с алюминиевыми радиаторами);

– содержание железа ниже 0,5 мг/кг;

– содержание меди ниже 0,1 мг/кг.

Ответственность за состав и соответствие параметров воды в тепловой сети несет компания–поставщик услуг теплоснабжения.

В любом случае во всех сетях рекомендуется установка предохранительного фильтра очистки воды. В соответствии с регламентом обязательной установка фильтров является для тепловых систем мощностью свыше 350 кВт (300 000 ккал/час). Задача фильтра – задерживать имеющиеся в воде песок, ржавчину и мусор. Здесь можно применять обычные фильтры очистки воды либо фильтры самоочищающегося типа, существенно облегчающие обслуживание системы.

Следует особо отметить, что циркулирующая в тепловой сети вода постепенно оставляет на стенках труб накипь, очаги коррозии и илистые отложения, которые со временем, если не проводить регулярное обслуживание сети, могут привести к выходу системы из строя.

В частности, илистые отложения обусловлены наличием в воде несвязанной извести, продуктов коррозии, песка или земли либо размножением живых организмов (таких как плесень, водоросли, бактерии).

Илистые отложения являются чрезвычайно вредными, поскольку катализируют коррозию металлических элементов сети и, тормозя циркуляцию воды, ведут к потере нагрузки системы.

Фильтры бассейнов

В силу своего назначения и очевидной связи с внешней средой (особенно в случаях, когда бассейны под открытым небом) вода в бассейнах содержит мусор как макроскопический (земля, насекомые, волосы, сухие листья и пр.), так и микроскопический (бактерии и микроорганизмы, водоросли, органические вещества и т. п.).

В этой связи в целях обеспечения необходимых санитарно-гигиенических параметров бассейны должны оборудоваться соответствующими системами водоподготовки.

Загрязнение микроскопического характера ликвидируется химической обработкой (хлорирование и поддержание рН на определенном уровне). Макроскопическое загрязнение нейтрализуется посредством фильтрации. Постепенное пропускание воды бассейна через фильтры обеспечивает очищение воды от мусора.

Циркуляция осуществляется при помощи насоса, оборудованного фильтром предварительной очистки воды. Такой фильтр представляет собой съемную крупноячеистую корзину, задача которой – задерживать крупные частицы мусора, которые могут повредить сам насос.

В бассейнах применяются три типа фильтров очистки воды: самые популярные – песочные (см. рис. 4). Фильтрующая подушка определенной толщины (60–100 см и более) заполнена песком соответствующей зернистости. Песок не должен иметь глинистых включений. Зернистость используемого песка определяет величину задерживаемых частиц мусора и, соответственно, эффективность такого фильтра. Меньшая зернистость задерживает более мелкий мусор, но одновременно ведет к существенной потере нагрузки фильтра. Другой популярный фильтр для бассейнов – многослойный (двух- или трехслойный) минералов различной зернистости, где зернистость уменьшается в направлении движения очищаемой воды. Каждый более мелкий слой задерживает более мелкий мусор. Например, первым слоем может быть угольный антрацит (зерно 1,5–2 мм), за ним кремнистый песок (∆ 1 мм) и, наконец, гранулят барита (∆ 0,5 мм). Применяется и еще один оригинальный способ фильтрации – через диатомит (инфузорную землю). Материал состоит из кремнистых скелетов микроскопических (∆ несколько микрон) одноклеточных водорослей, существующих в виде крупчатой породы белого или желтоватого цвета, которая высыпается слоем несколько миллиметров (периодически заменяется) на пористую основу большой площади. В некоторых случаях применяются в том числе и кассетные фильтры. Чтобы обеспечивать эффективную очистку воды в бассейне, фильтрующая производительность фильтра должна быть пропорциональна объему воды. Эффективность очистки определяется «временем рециркуляции» или, иначе говоря, временем, необходимым для того, чтобы объем воды, равный объему бассейна, полностью прошел через фильтрующую систему.

Как правило, это время составляет 3–4 часа для бассейнов общего пользования и 8–10 часов для индивидуальных бассейнов. Индивидуальные бассейны обычно комплектуются одним единственным фильтром, тогда как бассейны общего пользования по понятным причинам имеют несколько фильтров, имеющих идентичные рабочие параметры (не менее двух, один из которых – основной рабочий, другой резервный на случай выхода из строя, а также на время проведения технического обслуживания первого). Кроме того, необходимо иметь дополнительные фильтрующие мощности в объеме не менее 30 % от расчетных фильтров на случай оперативной замены и непредвиденных обстоятельств.

Эффективность фильтрации следует периодически проверять, поскольку по мере засорения производительность фильтров неизбежно снижается. Проверка проводится путем замера манометром уровня потери нагрузки, обусловленной постепенным накапливанием отложений. Фильтр подлежит восстановлению, когда потеря нагрузки превысит 0,5 бар по сравнению с расчетной на чистом фильтре. Восстановление фильтра производится (в бассейнах общего пользования не реже чем раз в четыре дня) путем промывки обратным током скопившейся грязи, смываемой в сток (в соответствии с правилами организации и эксплуатации водосточных сетей).

Бассейны

– Наиболее популярный фильтр для бассейнов – песочный: фильтрующая подушка заполнена песком одинаковой зернистости.

– Другой популярный фильтр для бассейнов – многослойный (двух- или трехслойный) с минералами различной зернистости, где зернистость уменьшается в направлении движения очищаемой воды.

Фильтрационные системы ирригационного типа

Микроирригация (или капельная ирригация) – особый процесс, посредством которого распределяются небольшие объемы воды под низким давлением с медленной продолжительной подачей и частыми интервалами, для которого требуется специально подготовленная вода.

Поскольку здесь применяются питатели со сверхмалыми и поэтому легко засоряемыми отверстиями, используемая вода не должна иметь взвешенных твердых частиц и накипеобразующих веществ. Иными словами, нельзя использовать мутную засоренную воду (с включениями песка, ила, глины) с высоким содержанием растворенных веществ (железа или накипеобразующих солей), которые могут осаждаться на стенках системы. В том числе водоросли и бактерии, если будут размножаться вблизи водоподающих форсунок, довольно быстро могут их закупорить. Накипеобразующие вещества и растворенные в воде микроэлементы удаляются химической обработкой, а мутность корректируется фильтрацией.

Фильтрация в открытых водоемах

Качество воды декоративных озер, населенных рыбой и имеющих водную растительность, будет постоянно ухудшаться, если она стоячая и ее регулярно не обновлять. То же будет происходить в водоемах, используемых для выращивания рыбы либо в декоративных целях. Источник проблемы – гниение упавших листьев и дохлой рыбы, остатков корма, продуктов метаболизма. Решение проблемы – установка фильтра, через который следует пропускать воду из водоема – постоянно и в более или менее значительных объемах. Инородные предметы и загрязняющие вещества задерживаются фильтрующей подушкой, а очищенная вода возвращается в водоем. Циркуляция обеспечивается чаще всего электронасосом. В небольших аквариумах – компрессорами. Применяемые фильтры – и механические, и биологические. Иногда одновременно и те, и другие последовательно. Фильтры периодически необходимо промывать.

Фильтрующее оборудование

Фильтры очистки воды можно разделить на три группы, каждая из которых предназначена для решения определенной задачи водоподготовки:

– осветляющие фильтры;

– обезжелезивающие фильтры;

– очищающие фильтры.

Осветляющие фильтры

Применяются для осветления воды, замутненной землей, илом, глиной или просто песком.

Их действие основано на обычной механической очистке взвешенных частиц.

В сетях водоснабжения чаще всего используются для обработки воды, забираемой из рек и водохранилищ. Такие фильтры состоят из кварцитовой фильтрующей подушки более или менее тонкой зернистости, очищающей воду от грязи и тины, что в целом способствует дальнейшей очистке воды.

Размеры ячеек фильтра зависят от размеров твердых частиц, которые требуется отфильтровать. Вода просачивается через фильтр по всей толщине. Накапливающиеся отложения постепенно повышают потерю нагрузки при прохождении водой фильтрующей подушки. Периодически либо исходя из установленных пороговых значений потери нагрузки – автоматически либо вручную – фильтр промывается обратным током воды для удаления ила и грязи.

Поскольку сильно загрязненная вода может быстро засорить фильтр, рекомендуется в этих случаях перед фильтрацией воду отстаивать.

Сегодня все чаще используются многослойные фильтры (см. рис. 4) с различными фильтрующими слоями, каждый из которых выполняет определенную фильтрующую функцию. В отличие от обычных однослойных фильтров их преимущество в том, что используется вся толщина фильтра. Эффективность фильтрации и скорость прохождения воды существенно повышаются.

Рисунок 4. Песочный фильтр обработки воды для бассейнов Осветляющий многослойный фильтр

Фильтры с песочной подушкой применяются также для очистки воды бассейнов.

Особый тип осветляющего фильтра – «гидроциклонический». Он применяется, как правило, для обработки воды в колодцах, где много песочной взвеси. Вода подается в фильтр по касательной к поверхности оболочки и приобретает вращательное движение. Взвесь под действием центробежной силы устремляется к внутренней стенке и под собственной тяжестью спускается вниз по стенке в специальный мусоросборник на дне фильтра.

Осветленная вода поднимается к центру фильтра и направляется далее. В нижней части фильтра имеется отсечной вентиль, обычно закрытый, который соединен со сливным трубопроводом. Периодически вентиль открывают, скопившийся песок и грязь смываются водой.

В домашней водопроводной сети часто применяются различного рода кассетные фильтры. Их выбор достаточно широк и зависит от поставленной задачи, т. е. от того, насколько тонкой должна быть очистка. Существуют необслуживаемые одноразовые фильтры, подлежащие периодической замене. Но большая часть фильтров моющиеся, т. е. восстанавливаются промывкой водой.

Промывка выполняется обратным током воды самим пользователем так часто, как того требует фактическая загрязненность фильтра.

Существуют также самоочищающиеся фильтры (см. рис. 5), обслуживание которых выполняется автоматически по определенной программе. Интервалы между периодической очисткой фильтра, время и продолжительность промывки устанавливаются при помощи пульта управления.

Рисунок 5. Самоочищающиеся фильтры

Фильтры могут комплектоваться манометром, отображающим рабочее значение потери нагрузки. Фильтры, устанавливаемые на входе в домашний контур, т. е. в точке подключения к водопроводной магистрали, могут оснащаться редукторами давления, которые независимо от колебаний давления на входе будут поддерживать постоянное давление на выходе.

Обезжелезивающие фильтры

Высокое содержание железа придает воде неприятный вяжущий вкус, такая вода, как правило, мутная, желтоватого цвета. Из-за нее на сантехнике со временем появляются ржавые подтеки, а белье, выстиранное в такой воде, становится желтым. При окислении железо переходит в гидрооксид и осаждается в виде твердых частиц. Это свойство и используется для удаления растворенного в воде железа.

Вся операция происходит в специальном фильтре-колонке, где фильтрующая подушка состоит из окисляющей крошки, которая отдает кислород железу и удерживает образующиеся частицы гидрооксида железа. Точно такой же принцип применяется для удаления из воды при помощи фильтра растворенного в воде марганца. Очистка воды от железа и марганца может дополняться продувкой сжатым воздухом.

Очищающие фильтры

В фильтрах данного типа используется активированный уголь (растительный либо минеральный). Это специально приготовленный микропористый уголь, оказывающий активное абсорбирующее действие на некоторые вещества. Это свойство активированного угля позволяет при пропускании через него воды удалять неприятные вкус и запах, например, от избытка хлора, оставшегося в воде после дезинфицирующей обработки. При помощи угля можно избавиться от некоторых химических микрозагрязнителей, таких как хлорсодержащие растворы (например триэлин), пестициды (например атрацин), детергенты и пр. Производительность изделий на основе активированного угля варьируется в широком диапазоне – небольшие фильтры, навинчивающиеся на отдельный водопроводный кран, кассетные, фильтры водораспределительных сетей, фильтры систем водоподготовки. Действию таких фильтров может мешать наличие в воде взвешенных частиц (масла, жиры, песок, ил), которые забивают угольные микропоры.

Следует помнить, что фильтр с активированным углем не может «стерилизовать» воду, и, следовательно, таким фильтром можно обрабатывать воду, уже являющуюся «питьевой». Кроме того, такой фильтр требует внимания и регулярного обслуживания, поскольку в противном случае может произойти неконтролируемое размножение бактерий и выброс в воду микрозагрязнителей. По этой причине мощные угольные фильтры требуют регулярной промывки обратным током и реактивации, а малые фильтры – регулярной замены фильтрующего элемента.

В этой связи Постановлением Минздрава DM 443/90 запрещено отдельное применение угольных фильтров в домашних (квартирных) водопроводных контурах питьевой воды. Их применение возможно только по специальному разрешению и только в качестве дополнительного фильтра в системах и аппаратуре бытовой водоподготовки (например, бактерицидный УФ-фильтр), обеспечивающих финишную дезинфекцию питьевой воды.

Фильтрующие материалы и кассеты

Наиболее популярные гранулированные фильтрующие материалы – кварцевый песок и гранулированный антрацит.

Песок добывается по берегам рек и проходит следующие виды обработки: промывка, просеивание, сортировка. Существуют несколько видов гранулометрии песка в пределах установленных (мин. и макс.) диапазонов зерна. На рис. 6 приведена примерная классификация гранулометрии песка.

Рисунок 6. Гранулометрическая классификация кварцевого песка

Гранулированный антрацит состоит из практически чистого углерода (около 90 %), имеет гранулы неправильной формы различных размеров. Материал можно использовать слоями различной зернистости. В силу того, что гранулы имеют острые края, не допускающие плотной трамбовки фильтрующей подушки, материал обеспечивает незначительную потерю нагрузки и высокую скорость фильтрации. Может комбинироваться с песком в двухслойных фильтрах.

В фильтрующих кассетах (см. рис. 7) используются различные материалы – как необслуживаемые, т. е. одноразовые, так и регенерируемые, т. е. моющиеся.

Рисунок 7. Примеры фильтров и фильтрующих кассет

Потеря нагрузки фильтра очистки воды обусловлена зернистостью фильтрующего материала. Необслуживаемые кассеты представляют собой катушку нити перекрестной намотки определенной толщины из определенного материала (полипропилен, хлопок, нейлон, полиэстер).

Размер кассет составляет, как правило, 5, 7 и 10 дюймов. Они обеспечивают тонкую очистку воды в диапазоне от 1 до 100 мк. Необслуживаемыми являются и так называемые фильтрующие свечи. Зернистость кварцита в них в пределах от 10 до 50 мк. Керамические свечи и инфузорный фильтрант могут обеспечивать фильтрацию до 0,5 мк и менее. К категории обслуживаемых относятся кассеты, изготовленные с применением стальной либо нейлоновой нити на пластмассовом сердечнике. Как правило, они рассчитаны на фильтрацию твердых частиц размерами более 50 мк. Иногда пористые мембраны в кассете гофрируются в целях увеличения фильтрующей поверхности.

 

Перепечатано с сокращениями из журнала RCI № 4/2005

Перевод С. Н. Булекова