Сорбционные фильтры получили широкое распространение в качестве приспособлений и сооружений для очистки воды от различного типа загрязнений. К преимуществам метода относят его высокую эффективность и энергонезависимость. При этом такие сооружения для фильтрации отличаются сравнительной простотой конструкции. Что это такое — сорбционная очистка, как устроены фильтры, ее использующие, и что влияет на качество работы и долговечность эксплуатации таких установок — в этой статье.

Сорбционный фильтр

Для чего нужна сорбция?

Применительно к очистке воды сорбцией называется процесс поглощения структурой фильтрующего элемента растворенных в жидкой среде нежелательных примесей. При этом важным условием эффективности фильтрации является надежное удержание загрязнений. Они сложно вымываются из внутренних пор фильтрующих элементов. Опасные и токсичные примеси таким способом могут быть уловлены и утилизированы вместе с материалом, их поглотившим.

Фильтрующий компонент загружается в фильтр и заменяется на новый по мере снижения эффективности. В профессиональной терминологии для него используется термин «сорбционная загрузка». Она может поставляться в готовом к использованию виде. Производители при этом заявляют технические параметры загрузки и применимость к определённым типам загрязнений.

Фильтрующий элемент в сорбционных установках основан на особых веществах — сорбентах. Это материалы с пористой структурой, которая позволяет им поглощать и удерживать загрязнения. Примеси, задержанные сорбентом, называются сорбатом. Наиболее известный пример такого материала — активированный уголь.

Секрет его эффективности в особой структуре: мельчайшие поры и ячейки улавливают примеси, которые не удаётся удалить другими методами фильтрации. При этом уголь не только задерживает сорбат, но и исключает его дальнейшее взаимодействие с водой или воздухом. То есть все опасные вещества остаются внутри фильтрующего элемента и не вымываются наружу.

Однако у метода есть ограничение — высокая стоимость активированного угля. Поэтому загрузка из чистого угля применяется редко, главным образом в ответственных промышленных системах. Чаще используют другие сорбенты: они дешевле, хоть и немного уступают в эффективности, но способны задерживать более 90% типичных загрязнений.

Сорбционную очистку обычно включают как один из этапов фильтрации. В этом случае фильтр решает локальную задачу — задержать определённый вид примесей. После прохождения воды через сорбент она направляется на дальнейшую очистку или в отстойник.

Современные фильтры часто поставляются уже готовыми к установке. От пользователя требуется только правильно рассчитать массу сорбента и задать регламент его замены.

Важно понимать, что эффективность сорбента можно частично восстановить промывкой. Для этого поток воды направляют в обратном направлении: часть загрязнений вымывается, и поры материала частично освобождаются. Такой приём особенно хорошо работает для природных примесей вроде ила или глины, характерных для ливневых стоков. В промышленных же системах промывка используется скорее для продления ресурса фильтра и повышения его пропускной способности. Но полностью восстановить свойства сорбента она не может.

При проектировании промышленных сорбционных фильтров учитывается экологический фактор: опасные примеси должны оставаться в загрузке и утилизироваться вместе с ней. Это означает, что срок службы материала изначально ограничен. Тем не менее при правильных расчётах фильтрующая загрузка может работать до 3–7 лет, что значительно снижает расходы на эксплуатацию и делает технологию экономически оправданной.

Как работает сорбционный фильтр

В промышленных системах сорбция предназначена для глубокой очистки сточных вод от загрязнений различных типов. Характер примесей и их химическая активность зависят от места сбора стоков и используемых предприятием технологий. От разработчика фильтра требуется создание условий для эффективной работы загрузки при заданных технических условиях. 

Рассмотрим устройство типового модуля, применяемого в системах очистки стоков промышленных предприятий. 

Фильтр представляет собой вертикально расположенную емкость цилиндрической формы. Загрязненная вода подается сверху. Для улучшения сорбции разработчики стремятся увеличить площадь контакта жидкой среды с фильтрующими элементами. Для этого используется рассеиватель, разделяющий поток жидкости на десятки струй.

Принцип работы сорбционного фильтра не требует обязательного использования насосов. Через фильтрующий элемент вода проходит под воздействием силы тяжести. Это позволяет сделать сооружение энергонезависимым.

Чем больше объём загрузки, тем через более толстый фильтрующий слой проходит жидкость — и тем эффективнее улавливаются загрязнения. Объём загрузки может достигать 21,3 м³.

При разработке фильтров для комплексной очистки сложных по составу загрязнений, различающихся по степени опасности и химической активности, применяются многослойные фильтрующие элементы. В этом случае сорбенты укладываются слоями. Верхний слой составляют материалы, удерживающие глину, песок и другие примеси, которые легко удаляются при промывке. В нижних слоях используют активированный уголь и другие высокоэффективные сорбенты, задача которых — тонкая очистка воды.

По мере заиливания верхних слоёв сорбционного фильтра их можно заменить на новые или подвергнуть промывке. Такие меры характерны для обслуживаемых систем. В необслуживаемых фильтрах загрузка закладывается на срок до 7 лет и по мере снижения эффективности полностью заменяется. Определить момент замены помогает лабораторный анализ: пробы воды берутся на выходе из фильтра в изолированный от внешней среды отстойник.

Разновидности фильтров

По ориентации емкости фильтра выделяют два типа

  • Вертикальные. Емкость расположена вертикально. Считаются удобными в обслуживании и неприхотливыми.
  • Горизонтальные. Преимущество конструкции — меньше ограничений по производительности. Особенно при заглубленном монтаже ниже уровня земли. В этом случае нагрузка на корпус передается на грунт.

По конструкции

  • Безнапорные. Вода преодолевает собой сорбционной нагрузки под действием собственного веса. Эти сооружения не требуют подключения к источнику электроэнергии и применения агрегатов для создания принудительного потока жидкости.
  • Напорные. Стоки нагнетаются в фильтр с определенным давлением. Это позволяет повысить производительность, но требует использования электрооборудования.

По назначению

  • Для очистки сточных вод. Устанавливаются в ливневых канализациях, коммунальном хозяйстве. В ряде случаев очищенная вода может возвращаться в природные водоемы.
  • Для очистки промышленных стоков. Улавливают токсичные и вредные примеси, опасные отходы технологических процессов. На выходе — техническая вода.
  • Для очистки питьевой воды. Оснащаются многоступенчатыми фильтрами с разными типами сорбентов. Очищенная вода может использоваться для технологических процессов в пищевой промышленности и приготовления еды в ресторанах и кафе.

От чего зависит эффективность сорбционного фильтра?

Сорбционный фильтр — это сравнительно простое сооружение, но требующее поддержания оптимального режима работы. На эффективность работы влияют следующие факторы:

  • Скорость поступления стоков. Стандартные фильтры для очистки сточных вод работают со скоростью от 1 до 18 л/с. Превышение расчетной нагрузки ведет к снижению времени контакта жидкости с поверхностью сорбента. Доля улавливаемых фильтром примесей снижается. Снижение скорости подачи воды ниже расчетной может приводить к застою, возникновению негативных процессов гниения органики и прочее.

  • Объем загрузки. Параметр рассчитывается, исходя из степени загрязненности стоков и скорости их подачи в фильтр. В некоторых случаях, увеличивая объем сорбента, инженеры стремятся увеличить срок службы загрузки. Сроки между операциями по обслуживанию увеличиваются, но сорбционная фильтрация идет эффективно.

  • Температурный режим. Сорбционный метод очистки воды требует поддержания положительной температуры. При установке фильтра в производственном помещении это не критично. При уличном монтаже емкость заглубляют в грунт на нужную глубину. Нагрев происходит за счет температуры поступающих стоков.

Плюсы и минусы технологии

К преимуществам сорбции воды относят

  • Сравнительно невысокую стоимость фильтров и их неприхотливость в обслуживании. В нормальном режиме сооружение работает автономно, без участия оператора. Исключение составляют аварийные ситуации: попадание в стоки крупного мусора, заиливание фильтрующего элемента.

  • Отсутствие необходимости использования насосов. Это важно, например, при сооружении сорбционного фильтра для очистки воды в ливневых канализациях. Организовать подключение объекта к линии постоянного электроснабжения в этих условиях затруднительно.

  • Эффективность очистки. Подобрать тип сорбента, его объем можно под технические требования объекта. Используются расчетные показатели содержания загрязнения в сточных водах и результаты лабораторных исследований.

  • Наличие отработанных норм и правил. Технология сорбции хорошо изучена. Существуют готовые рекомендации по подбору сорбентов для улавливания большинства типовых загрязнений. Также разработаны требования по расчету механической нагрузки на емкость фильтра. Производители предлагают типовые модели с возможностью тонкой адаптации в части объема и типа загрузки, способа монтажа и так далее.

Минусы сорбционной очистки воды

  • Невысокая скорость очистки стоков. При кратком контакте жидкости с поверхностью сорбента сорбция не происходит. Загрязнения уносятся вместе с потоком, не задерживаясь в фильтре. Этот минус нивелируется установкой перед сорбционным фильтром накопителя для сбора стоков. При пиковой нагрузке, превышающей расчетную скорость, его объем наполняется. Затем по трубе постоянного сечения стоки направляются в сорбционный фильтр.

  • Невозможность удаления отдельных загрязнений. Неудобные примеси для сорбционного фильтра для очистки воды — это соли кальция, магния, ряд других веществ. Этот недостаток метода критичен в системах тонкой очистки. Его можно устранить, установив после сорбционного фильтра фильтрующие элементы и установки другого типа для финишной доочистки.

  • Зависимости эффективности работы от температуры стоков. Очистка сточных вод сорбцией оптимальна в холодной воде. Минус также устраняется добавлением в систему очистки накопителя. В нем жидкость сначала охлаждается до рабочей температуры фильтра и лишь затем подается на сорбенте загрузку.

Заключение

Опыт эксплуатации промышленных очистных сооружений показывает, что сорбционная очистка воды — это эффективный метод, применимый в более чем 90% типовых проектов. Инженерами разработаны методики расчета, позволяющие достаточно точно определить требуемый объем загрузки и подобрать тип сорбента. Эти параметры позволяют устойчиво обеспечивать целевые показатели очистки воды на выходе из фильтра. 

С помощью сорбции удается очистить воду от продуктов переработки нефти, нитратов, ряда металлов, фенола, аммония и других загрязнений, встречающихся в промышленных стоках. Отработанная сорбционная загрузка утилизируется согласно экологическому законодательству. Что снижает вероятность замечаний при проверке деятельности предприятий и организованных на них мероприятий по очистке стоков.

Преимущество типовых сорбционных фильтров, разработанных инженерами завода «Взлет», — возможность адаптации под технические требования проекта. Так, объем загрузки может составлять от 3,7 до 21,3 м³, материал изготовления емкости — легкий и прочный стеклопластик, сравнительно недорогой полиэтилен, прочная сталь. В последнем случае корпус можно устанавливать в производственном цехе или на территории предприятия, без заглубления в грунт.

Автор:
инженер отдела продаж
Алексей Бочкарев