Активоване вугілля прийнято вважати найкращим універсальним адсорбентом у водопідготовці, здатним усунути основні естетичні проблеми води – смак, колір та запах. Однак, одні цільові домішки практично завжди зберігають розчинність, інші стають нерозчинними. Якщо вода містить тільки розчинені речовини система може бути спроектована як адсорбційний контактор без зворотного промивання, тому що відсутні умови для процесу цементації середовища: тверді частинки не накопичуються, не створюють перепад тиску і не знижують швидкість потоку. Навпаки, нерозчинні домішки будуть осаджуватися у шарі фільтру, що вимагатиме періодичного зворотного промивання для вимивання накопиченого осаду. Простіше кажучи, якщо вода містить важкі метали (наприклад, кадмій, хром та свинець), сірководень чи залізо застосовується адсорбційний фільтр із зворотним промиванням
Адсорбційний фільтр із зворотним промиванням. Проектування.
При проектуванні фільтра зі зворотним промиванням важливо пам’ятати, що розмір фільтра, тип середовища та його обсяг знаходяться у прямій залежності від цільової домішки та швидкості обробки. Стандартне гранульоване активоване вугілля (GAC) для видалення зважених речовин – це бітумінозне вугілля з розміром гранул 12х40 меш (1,70 мм х 0,425 мм). При температурі води 15oC GAC з розміром частинок 12х40 потребує лінійну швидкість зворотного промивання 20 м/год, з розміром 8х30 (2,36 мм х 0,60 мм) – 35 м/год.
Виробники рекомендують мінімальне розширення шару для видалення зважених частинок та рекласифікації вугілля (відкриття нових адсорбційних ділянок) – 35%. Відповідно, більш високі температури води вимагають більш високих швидкостей зворотного промивання. Перед вибором типорозміру вугілля переконайтеся, що для зворотного промивання достатньо води при тиску не менше 2 бар.
Приклад 1. Розрахунок фільтра із зворотним промиванням.
Прийнято вважати достатньою для видалення зважених частинок лінійну швидкість потоку 15 м/год. Корпус 1354, який вміщує 70 літрів вугілля розміром 12х40, має площу 0,083м2. Помноживши площу 0,083м2 на лінійну швидкість 15 м/год, ми отримаємо продуктивність фільтра 1,2 м3/год або 20 л/хв. Для визначення часу контакту EBCT ділимо обсяг завантаження 70 л на продуктивність 20 л/хв і отримуємо 3,5 хвилини. Для коректної роботи фільтра необхідно розрахувати необхідну швидкість зворотного промивання. Для GAC з розміром частинок 12х40 лінійна швидкість зворотного промивання становить 20 м/год. Отже, для корпусу типорозміром 13х54 об’ємна швидкість зворотного промивання 0,083м2 х 20 м/год = 1,7 м3/год або 28 л/хв (при температурі води 15oC).
Контактор с активированным углем. Проектирование.
Стандартне застосування активованого вугілля передбачає висоту шару контактора не менше 800 мм. Цей параметр слід враховувати. Видалення токсичних органічних речовин передбачає час контакту (EBCT), який значно більший, ніж у задачах видалення хлору або хлораміну. Контактор з активованим вугіллям – зазвичай третій ступінь обробки у водопідготовці, так як контактор не промивається зворотним потоком на відміну від фільтра зі зворотним промиванням. Контактор не потребує вільного простору – корпус може бути заповнений повністю.
Повне заповнення дозволяє отримати в меншому типорозмірі корпусу більший обсяг завантаження і, відповідно, більший час контакту (EBCT). Як підтримуючий шар використовується гравій, який повинен закривати нижній розподільчий колектор. Послідовність складання стандартного контактора наступна: спочатку заливають воду в кількості вище за рівень нижнього колектора, потім засипають гравій. Похитуючи корпус, вирівнюють гравійний шар, доливають воду, щоб заповнити 2/3 об’єму корпусу і засипають активоване вугілля. Коли гранули опускаються вниз дрібний вугільний пил залишається на поверхні води, що полегшує процедуру першого промивання і запобігає попаданню повітря всередину шару.
Після замочування протягом 24 годин шар вугілля промивають у напрямку знизу догори. Це робиться шляхом направлення води у випускний отвір та промивання шару в умовах висхідного потоку, промиваючи вуглецеві частинки до тих пір, поки вода не стане чистою. Потім підключають трубопроводи до впускного та випускного отвору клапана In/Out так, щоб контактор працював з низхідним потоком. Для відбору проб з метою перевірки проскоку органічних речовин на вході та виході контактора облаштовують пробовідбірники. Специфіка роботи контактора без зворотного промивання передбачає застосування активованого вугілля з мінімальною кількістю пилу – промитого водою чи кислотою. Контактор може застосовуватися виключно для видалення з води розчинених домішок, таких як хлор, хлораміни, пестициди, тригалометани або селеноводень. Видалення контактором сірководеню або заліза – погана ідея.
Приклад 2. Розрахунок контактора.
Оскільки контактор не вимагає періодичного зворотного промивання, ми можемо досягти порівнянних характеристик потоку за допомогою корпусу меншого типорозміру. Корпус 1252 в якості контактора здатний вмістити 70 літрів активованого вугілля, так само як корпус 1354 як фільтр зі зворотним промиванням. Об’єм корпусу 1252 становить 94 літри. Додавши 70 літр вугілля та 5 літрів гравію (підтримуючий шар), ми отримаємо загалом 75 літрів завантаження, що знаходиться в межах ємності корпусу. Площа корпусу 1252=0,075 м2. Помноживши площу 0,075 м2 на лінійну швидкість потоку 15 м/год, ми отримаємо об’ємну продуктивність контактора 1,1 м3/год або 18 л/хв. Для визначення часу контакту (EBCT) розділимо обсяг завантаження 70 л на швидкість 18 л/хв та отримаємо 3,9 хвилини.
Час контакту EBCT.
Час контакту (EBCT) по суті означає уповільнення потоку для забезпечення достатнього часу контакту між водою та активованим вугіллям. Час EBCT вимірюється в хвилинах і дорівнює об’єму шару в літрах, поділеному на швидкість потоку в л/хвилину.
У розрахунках приймають EBCT (для GAC із розміром частинок 12х40):
– для загального зниження вмісту органічних сполук 5 – 7 хвилин;
– для видалення токсичних органічних домішок – 8-10 хвилин;
– для видалення хлору 40 – 50 секунд;
– для видалення хлору до слідових концентрацій – 3 хвилини;
– для зниження тригалометанів та галооцтових кислот* ( побічні продукти хлорування або бромування) до рівня мкг/л – 25 хвилин і більше;
– для видалення хлораміну – не менше 10 хвилин (для каталітичного вугілля – не менше 5 хвилин);
– для ефективного видалення органічних мікродомішок (наприклад, PFOS та PFOA) – 20-30 хвилин.
Приклад 3. Розрахунок швидкості потоку через контактор для видалення токсичної органіки.
Для видалення токсичної органіки приймаємо контактний час 10 хвилин. Контактор із типорозміром корпусу 1252 об’ємом 94 літрів містить 70 літрів GAC з розміром частинок 12х40. Відповідно, продуктивність контактора дорівнює обсягу завантаження в літрах розділеному на час контакту в хвилинах: 70 літрів / 10 хвилин = 7 л/хв.
EBCT та розмір гранул.
Якщо замінити вугілля з розміром частинок з 12×40 mesh на 8×30 mesh обсяг завантаження при збереженні швидкості, наприклад, дехлорування потрібно буде збільшити вдвічі. Швидкість сорбції вугілля з розміром частинок 20х50 mesh (0,85-0,3мм, застосовується переважно в картриджах) у 2 рази швидше, ніж у 12х40 (загальне призначення). Середній розмір частинок GAC 8×30 становить близько 2 мм, GAC 12×40 – близько 1 мм, GAC 20×50 – близько 0,5 мм.
*найбільш поширені продукти реакції хлору з органічними гуміновими кислотами – монохлороцтова і дихлороцтова кислоти, видаляються “свіжим” активованим вугіллям механізмом адсорбції, “старим” активованим вугіллям – механізмом біологічного розкладання.
