Применение технологии фильтрации OFSY в промышленности и муниципальных водопроводах

OFSY : передовые технологии фильтрации

    Предыдущий уровень развития технологии фильтрации
Чтобы понять и оценить эффективность технологии OFSY, необходимо вспомнить те базовые шаги, которые характеризировали развитие фильтрующей технологии.

- от однослойного песчаного фильтра до мультимедийной конструкции
 Разработка мультимедийных фильтров позволила увеличить производительность фильтра в основном за счет способности удерживать грязь (более низкое падение давления) и разработки так называемой «глубинной фильтрации» (1)
По сути, благодаря сортировке (градации) размеров фильтрующих материалов стало возможным избежать забивания поверхности, что было типично для однослойных песчаных фильтров.

- от сетчатого фильтра до концепции физико-химической нейтрализации 
Разработка метода физико-химической нейтрализации стала в свое время самым большим прорывом в технологии фильтрации с момента начала ее основательного изучения. По сути, тогда методы фильтрации применялись лишь на стадии конечной  фильтрации, после традиционной седиментации. Понятно, что в таком случае фильтрующий слой выступал в качестве удерживающего, эффективность которого зависит от размера пор и размеров, механической стойкости взвешенных частиц (коагулированные флоккулянты). 
Поэтому, для повышения эффективности, характеристики флоккулянтов приводились в соответствие с характеристиками засыпки, а осаждение было единственным способом сепарации.
Как только было установлено, что степень просачиваемости (в зависимости от размеров и веса взвесей) играют важную роль перед тем, как произойдет сцепление частиц, появилась возможность использовать фильтры, работающие по принципу так называемой «контактной флоккуляции», при которой коагулированные частицы плотно удерживаются на поверхности каждой фильтрующей ячейки (элемента) (2).
Такая технология, повышающая качество и производительность фильтрации, была применена на бразильских коммунальных водопроводах, где эффективность очистки возросла почти вдвое в конце 80-ых годов! Там всего лишь изменили «традиционный» способ фильтрации (т.е. седиментация + фильтрация) на способ «прямой фильтрации» (т.е. без садиментации и предварительной флоккуляции, а засыпав в фильтры двойную засыпку).  К тому же там «лишние» фильтры были задействованы для очистки промывочной воды фильтров (3).

- от безнапорных фильтров до напорных фильтров
Хотя до сих пор во многих случаях используют безнапорные фильтра в целях экономии электроэнергии, все-таки напорные фильтра работают намного эффективнее, т.к. большой напор обеспечивает большую длительность фильтрации и/или увеличивает количество удаленных взвесей (например, при повышенной мутности исходной воды).
Однако, несмотря на вышеописанные фундаментальные достижения, применение фильтров грубой очистки все-таки ограниченно, т.к. они очень «чувствительны» к изменению концентрации взвешенных частиц и любым гидравлическим отклонениям. Это происходит из-за глубокого проникновения частиц, что способствует их утечке из фильтрующего слоя (4).

По сути, оптимальная работа фильтра происходит, если макс. падение давления и макс. мутность достигаются одновременно, но тогда-то, как показывает практика, и происходит утечка мутности, особенно если фильтр очищает «нестабильную» воду или воду из разных источников.
Это происходит перед тем, как можно определить увеличение падения давления.
На практике это означает, что производительность фильтра уменьшается (2).

Последовательная фильтрация OFSY: фундаментальное улучшение технологии фильтрации с контактной флоккуляцией.

Технология последовательной фильтрации была разработана компанией Culligan. Хотя можно найти некие схожие упоминания данной технологии у других компаний, но предметных исследований и описаний ни у кого, кроме компании Culligan, до сих пор не существует.  

Ранее мы упомянули о ряде ограничений для технологии прямой фильтрации на основе контактной флоккуляции одиночного фильтра. Эти примеры помогут понять, почему технология OFSY с последовательной фильтрацией представляет собой фундаментальный прорыв, а не «просто» двойную фильтрацию.

А) Первым толчком, вдохновивший приступить к новым исследованиям, был тот факт, что улучшить эффективность одиночного фильтра нельзя. 
Т.к. утечка мутности начинается задолго до значимого падения давления, то такой фильтр необходимо промывать (обратной промывкой) задолго до того, как фильтрующая способность засыпки была бы полностью выработана.
Более того, эксперименты и практика четко показывают, что независимо от предельных значений пропускной мутности, которые указывают производители, одиночный фильтр не способен справится при изменении характеристик исходной воды. 
Такой вывод привел к решению поместить два фильтра последовательно, и которые имеют общее назначение: осуществить надежную очистку вод с разными характеристиками или воды с повышенным содержанием взвешенных частиц. 
Поэтому в результате ожидалось, что только второй фильтр в установке будет использоваться для «завершения» процесса, т.к. поступающая в него вода будет содержать уже меньше загрязняющих веществ. 
Было установлено, что, наряду с улучшенным качеством обработанной воды, эффективность (в смысле длительности цикла и количества задержанных частиц) была гораздо выше, чем ожидалось.

Б) Далее были произведены исследования, объясняющие фундаментальные причины таких исключительных результатов, а именно:
- Во-первых, мутность в воде, уходящей из первого фильтра, состоит из частиц меньшего, более одинакового размера.
Это минимизирует такое явление как «неприсоединение», которое возникает из-за столкновения входящих частиц и слоем частиц, уже покрывающих фильтрующие ячейки.
- Во-вторых (и намного более важно), выяснилось, что электромагнитная природа мутности воды, выходящей из первого фильтра совершенно отличается от таковой в исходной воде (5).
А именно, Z-потенциал фактически полностью нейтрализуется, что дает возможность более тщательно распознавать остаточную мутность. Это особо очевидно со слабыми анионными не-ионными полимерами; также при добавлении металлических коагулянтов (алюминиевых или железных солей) мы снова получили замечательные результаты, т.к. образовались новые химические связи. Общий результат можно наблюдать на следующей диаграмме:

Вдобавок, технология OFSY практически не чувствительна к любым изменениям мутности в воде, и также гидравлическим сбоям.
И наконец, даже в случае очень больших колебаний показателя мутности, можно поддерживать ту же порцию дозировки коагулянтов, т.к. при увеличении естественной мутности плотность электрического заряда взвешенных частиц немного изменяется.

Сравнение с методом обычной прямой фильтрацией для удаления мутности.

А)   УДАЛЕНИЕ МУТНОСТИ
В результате множественных испытаний и экспериментов, проведенных на коммунальной водоочистной станции (SIG) в Женеве, стало возможным, по прошествии 1 года работы оборудования, составить сравнительные характеристики между обычной существовавшей системой прямой фильтрации и системой OFSY (6).

Очевидно, что любой «одиночный» фильтр подвержен периоду «созревания», который, несмотря на конечный приемлемый уровень мутности (< 0.2 NTU), может длиться часами перед тем, как будет достигнут оптимальный уровень мутности (0.1 NTU).
Затем начинает происходить ранняя утечка мутности, и она продолжается, в течение нескольких часов, перед тем как будет превышен разрешенный лимит 0.2 NTU.
И, наоборот, в технологии OFSY лучшая производительность фильтров достигается всего за несколько минут, а показатель мутности обработанной воды остается низким и постоянным в течение всего цикла фильтрации, окончание которого обычно определяется достижением макс. допустимого падения давления (прибл. 0,7 бар)  
 
      Б)      СОДЕРЖАНИЕ МУТНОСТИ И ЧАСТИЦ
Сегодня основной проблемой, связанной с очисткой поверхностных вод, все больше становится присутствие микробных патогенных организмов (простейших, многоклеточных и т.п.) в воде, которые на практике называются общим понятием «взвешенные частицы» того или иного размера.
Поэтому показатель мутности больше не является надежным идентифицирующим индексом для отслеживания гигиенической безопасности питьевой воды (7).
По сути, даже при очень низком уровне мутности, этот показатель не взаимосвязан с реальным содержанием взвесей (8).

Поэтому, говоря о работе обычных фильтров, у них как период «созревания», так и риск ранней утечки мутности являются очень вероятными, т.к. значительная доля просочившихся «взвесей» на самом деле образовываются микробами тех же размеров.

В)        УДАЛЕНИЕ ЧАСТИЦ
            Итак, при использовании технологии OFSY, доказано, что оптимальное постоянное качество присутствует как по удалению мутности, так и по удалению взвесей (9).

К тому же доказано, что при одной и той же дозировке химреагентов можно обрабатывать более широкий диапазон мутности в исходной воде.
Следует отметить:
- в случае повышенной мутности, общий коэффициент фильтрации заметно выше (из-за большего количества загрязняющих частиц). На практике, качество обработанной воды остается одинаковым, вне зависимости от изменений характеристик исходной воды.
- также обращаем внимание, что вышеприведенные результаты зависят в основном от различного распределения частиц разного размера (увеличение естественной мутности происходит в основном за счет частиц большего размера, т.е. от 4 до 30 µм)    
- даже наиболее прямая и постоянная форма кривых (загрязняющих частиц крупнее 15 µм), далее доказывает, что их концентрация значительно увеличилась и аналогичный коэффициент фильтрации для частиц размером 2-4 µм подтверждает,  что на их концентрацию почти не влияет увеличенная мутность.
- и наконец, испытание при повышенном уровне мутности было проведено более установленного лимита (12 часов), и было доказано, что конец цикла можно надежно и легко проконтролировать за счет внезапного и быстрого увеличения мутности (альтернатива контролю падения давления)