Активированный уголь принято считать лучшим универсальным адсорбентом в водоподготовке, способным устранить основные эстетические проблемы воды – вкус, цвет и запах. Однако, одни целевые примеси практически всегда сохраняют растворимость, другие — становятся нерастворимыми. Если вода содержит только растворенные вещества система может быть спроектирована как адсорбционный контактор без обратной промывки, так как отсутствуют условия для процесса цементации среды: твердые частици не накапливаются, не создают перепад давления и не снижают скорость потока. Напротив, нерастворимые примеси будут осаждаться в фильтрующем слое, что потребует периодической обратной промывки для вымывания накопленного осадка. Проще говоря, если вода содержит тяжелые металлы (например, кадмий и свинец), сероводород или железо применяется адсорбционный фильтр с обратной промывкой.
Адсорбционный фильтр с обратной промывкой. Проектирование.
При проектировании фильтра с обратной промывкой важно помнить, что размер фильтра, тип среды и ее объем находятся в прямой зависимости от целевой примеси и скорости обработки. Стандартный гранулированный активированный уголь (GAC) для удаления взвешенных веществ — это битуминозный уголь с размером гранул 12х40 меш (1,70 мм х 0,425 мм). При температуре воды 15oC GAC с рамером частиц 12х40 требует линейную скорость обратной промывки 20 м/ч, 8х30 (2,36 мм х 0,60 мм) — 35 м/ч.
Производители рекомендуют минимальное расширение слоя для удаление взвешенных частиц и реклассификации угля (открытия новых адсорбционных участков) — 35%. Соответственно, более высокие температуры воды потребуют более высоких скоростей обратной промывки. Перед выбором типоразмера угля убедитесь, что для обратной промывки достаточно воды при давлении не менее 2 бар.
Пример 1. Расчет фильтра с обратной промывкой.
Принято считать достаточной для удаления взвешенных частиц линейную скорость потока 15 м/ч. Корпус 1354, который вмещает 70 литров угля размером 12х40, имеет площадь 0,083м2. Умножив площадь 0,083 м2 на линейную скорость 15 м/ч мы получим производительность фильтра 1,2 м3/ч или 20 л/мин. Для определения времеми контакта EBCT делим обьем загрузки 70 л на скорость рабочего потока 20 л/мин и получаем 3,5 минуты. Для корректной работы фильтра необходимо рассчитать требуемую скорость обратной промывки. Для GAC с размером частиц 12х40 линейная скорость обратной промывки составляет 20 м/ч. Следовательно, для корпуса типоразмером 13х54 объемная скорость обратной промывки 0,085м2 х 20 м/ч = 1,7 м3/ч или 28 л/мин (при температуре воды 15oC).
Контактор с активированным углем. Проектирование.
Стандартное применение активированного угля предусматривает высоту слоя в контакторе не менее 800 мм. Этот параметр нужно учитывать. Удаление токсичных органических веществ предполагает время контакта (EBCT), которое значительно больше чем в задачах удаления хлора или хлорамина. Контактор с активированным углем — обычно третья ступень обработки в водоподготовке, так как контактор не промывается обратным потоком в отличии от фильтра с обратной промывкой. Контактор не требует наличия свободного пространства — корпус может быть заполнен полностью.
Полное заполнение позволяет получить в меньшем типоразмере корпуса больший объем загрузки и большее время контакта (EBCT). В качестве поддерживающего слоя используется гравий, который должен закрывать нижний распределительный коллектор. Последовательность сборки стандартного контактора следующая: сначала заливают воду в количестве выше уровня нижнего коллектора, затем засыпают гравий. Покачивая корпус выравнивают гравийный слой, доливают воду чтобы заполнить 2/3 объема корпуса и засыпают активированный уголь. Когда гранулы опускаются вниз мелкая угольная пыль остается на поверхности воды, что облегчает процедуру первой промывки, и предотвращается попадание воздуха внурть слоя.
После замачивания в течение 24 часов слой угля промывают в направлении снизу вверх. Это делается путем направления воды в выпускное отверстие и промывки слоя в условиях восходящего потока, промывая углеродные частицы до тех пор, пока вода не станет чистой. Затем подключают трубопроводы к впускному и выпускному отверстию клапана In/Out так, чтобы контактор работал с нисходящим потоком. Для отбора проб с целью проверки проскока органических веществ на входе и выходе контактора устанавливают пробоотборники. Специфика работы контактора без обратной промывки предполагает применение активированного угля с минимальным количеством пыли — промытого водой или кислотой. Контактор может применяться только для удаления из воды растворенных примесей, таких как хлор, хлорамины, тригалометаны или селеноводород.
Пример 2. Расчет контактора.
Поскольку контактор не требует периодической обратной промывки, мы можем достичь сопоставимых характеристик потока с помощью корпуса меньшего типоразмера. Корпус 1252 в качестве контактора способен вместить 70 литров активированного угля, точно так же как корпус 1354 в качестве фильтра с обратной промывкой. Объем корпуса 1252 составляет 94 литра. Добавив 70 литр угля и 5 литров гравия (поддерживающий слой), мы получим в общей сложности 75 литров загрузки, что находится в пределах емкости корпуса. Площадь корпуса 1252 = 0,075 м2. Умножив площадь 0,075 м2 на линейную скорость потока 15 м/ч мы получим объемную производительность контактора 1,1 м3/ч или 18 л/мин. Для определения времени контакта (EBCT) разделим объем загрузки 70 л на скорость 18 л/мин и получим 3,9 минуты.
Время контакта EBCT.
Время контакта (EBCT) по сути означает замедление потока для обеспечения достаточного времени контакта между водой и активированным углем. Время EBCT измеряется в минутах и равно объему слоя в литрах, деленному на скорость потока в л/минуту.
В расчетах принимают EBCT (для GAC с размером частиц 12х40):
— для общего снижения содержания органических соединений 5 – 7 минут;
— для удаления токсичных органических примесей — 8-10 минут;
— для удаления хлора 40 — 50 секунд;
— удаления хлора до следовых концентраций время контакта — 3 минуты;
— для снижения тригалометанов и галоуксусных кислот* (побочные продукты хлорирования или бромирования) до уровня мкг/л– 25 минут и больше;
— для удаления хлорамина – не менее 10 минут (для каталитического угля – не менее 5 минут);
— для ефективного удаления органических микропримесей (например, PFOS и PFOA) — 20-30 минут.
Пример 3. Расчет скорости потока через контактор для удаления токсичной органики.
Для удаления токсичной органики принимаем время контакта 10 минут. Контактор с типоразмером корпуса 1252 объемом 94 литров содержит 70 литров GAC с размером частиц 12х40. Соответственно, производительность контактора равна объему загрузки в литрах разделенному на время контакта в минутах: 70 литров / 10 минут = 7 л/мин.
EBCT и размер гранул.
Если заменить размер частиц с 12 × 40 mesh на 8 × 30 mesh количество загрузки при сохранения скорости дехлорирования нужно будети увеличить в два раза. Скорость сорбции угля с размером частиц 20х50 mesh (0,85-0,3мм, применяется в картриджах) в 2 раза быстрее в сравнении с 12х40 (общее назначение). Средний размер частиц GAC 8×30 составляет около 2 мм, GAC 12×40 — около 1 мм, GAC 20×50 — около 0,5 мм.
*наиболее распространенные продукты реакции хлора с органическими гуминовыми кислотами — монохлоруксусная и дихлоруксусная кислоты, удаляются «свежим» активированным углем механизмом адсорбции, «старым» активированным углем — механизмом биологического разложения.
