В зависимости от свойств применяемых фильтрующих основ и извлекаемых из воды примесей процесс фильтрования состоит из следующих трех явлений: отложения, фиксации и отрыва. Механизм отложения бывает двух видов: механическое задержание извлекаемых примесей и отложение взвешенных частиц в порах. При механическом процеживании из воды извлекаются все частицы, превышающие размеры пор фильтрующей основы или пор, формируемых задержанными частицами, которые сами образуют фильтрующий слой. При этом чем меньше размеры пор фильтрующей основы, тем более высоким будет достигаемый эффект.
Фильтрование через пористую основу может сопровождаться отложениями задержанных примесей на ее поверхности или внутри ее.
Отложение взвешенных веществ в порах фильтрующей основы происходит, если их размер меньше размера пор и траектория движения частиц приводит к их контакту с поверхностью поровых каналов. Этому способствуют: диффузия за счет броуновского движения; прямое столкновение; инерция частиц; прилипание за счет ван-дер-ваальсовых сил; осаждение под действием гравитационных сил; вращательное движение под действием гидродинамических сил.
Фиксирование частиц примесей воды на поверхности и в порах фильтрующего материала обусловлено малыми скоростями движения жидкости, силами когезии и адсорбции.
При извлечении из воды примесей воды фильтрованием происходит уменьшение порового пространства фильтрующего материала вследствие осаждения частиц. Это влечет за собой увеличение скорости потока и изменение его режима: от ламинарного к турбулентному. В этом случае задержанные частицы примесей будут частично отрываться и перемещаться потоком глубже в поры фильтрующего материала и даже выноситься с фильтратом.
Выбор поверхностного или объемного фильтрования обусловлен требуемым качеством фильтрата, свойствами воды и ее загрязнений, а также экономическими соображениями. Тот или иной вид фильтрования сопряжен с определенными капитальными и эксплуатационными затратами, которые, в свою очередь, определяются предварительной обработкой воды, способами промывки аппаратов, степенью автоматизации процесса и способов контроля за ним.
Поверхностное фильтрование может осуществляться на тонких сетчатых перегородках, на объемных пористых элементах из твердых материалов или на жестких каркасах с предварительно нанесенным фильтрующим слоем.
Фильтрование через сетчатые перегородки осуществляют на открытых или напорных аппаратах (фильтрах). При этом различают три вида фильтрования: макрофильтрование, при котором извлекают из воды частицы крупностью более 150 мкм, микрофильтрование - извлекают частицы размером 1...150 мкм и ультра-фильтрование - извлекают частицы размером 0,004...0,4 мкм.
Путем макрофильтрования (макропроцеживание) через металлические перфорированные пластины или металлическую проволочную сетку с размером отверстий более 0,3 мм (барабанные сетки) извлекают грубодисперсные примеси, плавающие примеси, насекомые, травы, водоросли, ветки и т.п., имеющие размеры от 0,2 до нескольких миллиметров. Макрофильтрование осуществляют на вращающихся макроситах и ситах с укрепленным скребком, работающих с низкими потерями напора, и на неподвижных или вращающихся самоочищающихся ситах и механических фильтрах, работающих под давлением. Вращающиеся макросита, применяемые в процессе подготовки питьевой воды и воды для орошения, представляют собой или горизонтально располагаемые барабаны, или вращающиеся сита из непрерывной сетки. Их подача варьируется от нескольких литров до кубических метров в секунду.
Барабанные сетки (БС), размещаемые на водозаборе или площадке очистных сооружений, до подачи в воду реагентов используют для грубого процеживания воды. Размер ячеек сетки из нержавеющей стали или полимеров 0,5×0,5 мм. Рабочая сетка размещается между поддерживающими сетками с размером отверстий 10×10 мм. Интенсивность фильтрования на БС принимают 25...62 л/с на 1 м2 смоченной площади макросетки, так как барабан только на 2/3 диаметра погружен в воду. Расход воды на промывку барабанных сеток, подаваемой под давлением 0,2 МПа, составляет до 0,5% суточного расхода. Потери напора на макросетке составляют до 0,1 м.
Схема работы аппарата следующая. Из бокового канала исходная вода через перфорированную часть соосно расположенного полого вала вводится внутрь вращающегося барабана, фильтруется через сетку и проникает в камеру, а далее через окна отводится в канал фильтрата. При засорении сетки и достижении максимального перепада уровней воды автоматически включается промывное устройство, которое промывает полосу сетки на верхней образующей барабана. Промывная вода собирается воронками и по глухой части полого вала отводится за пределы аппарата.
Вращающееся сито представляет собой ряд чередующихся фильтровальных полотен, выполненный из плетеных металлических бронзовых или стальных прутьев диаметром 0,25…1 мм, смонтированных на жестком каркасе с размером ячеек 0,3...3 мм. Скважность сита составляет 50...60%. Скорость фильтрования по отношению к площади сита погруженной в воду, составляет 0,35...0,4 м/с. Предпочтительно фильтровать обрабатываемую воду изнутри наружу, что облегчает промывку сетки и удаление задержанных примесей. Потери напора 0,2...0,5 м. вод. ст.
Для извлечения из воды крупных плавающих частиц рекомендуются сита в виде неподвижной стальной пластины с отверстиями 2...5 мм. Излеченные примеси удаляются скребком или щеткой, укрепленной на конце цепи (для прямого наклонного сита), или вращающимся устройством (для круглых сит); и сбрасываются в сборник. Плоские сита целесообразно располагать в подводящих каналах шириной до 2,5 м, потери напора до 0,5 м. вод. ст.
Неподвижные или вращающиеся самоочищающиеся сита с размером отверстий 0,25...2 мм используют для извлечения из воды относительно крупных взвесей. Обычно неподвижные сита состоят из решетки, изготовленной из тонких прутьев, расположенных под переменным углом и смонтированных в жесткой раме. Прутья могут быть круглого, прямоугольного или треугольного сечения. Обрабатываемая вода подается в верхнюю часть сита, а осадок непрерывно удаляется с поверхности сита специальным устройством.
Вращающиеся сита состоят из цилиндрической решетки с горизонтальной осью вращения. Решетка образуется стальными прутьями трапецеидального профиля. Сито медленно вращается с линейной скоростью 0,1...0,3 м/с. Задерживаемые примеси остаются на решетке и снимаются с нее неподвижным скребком. Вращающиеся и неподвижные сита рассчитаны на подачу воды до 1 тыс. м3/ч, допустимые потери напора 2 м. вод. ст.
За рубежом для глубокого осветления воды широко используют механические напорные фильтры: циклонные, вращающиеся со съемными фильтровальными элементами из фарфора или стали (размер отверстий 0,1...1,6 мм), и автоматические фильтры с множеством фильтровальных трубок с отверстиями 125 мкм и более и вращающимся промывным устройством.
Основная цель микрофильтрования - удаление планктона, содержащегося в поверхностных водах. При этом, конечно, удаляются взвешенные частицы большого размера и частицы растительного животного происхождения, содержащиеся в воде. В зависимости от изменения расходов воды и способности частиц содержащихся в ней, забивать фильтровальные сетки используют различные устройства для регулирования скорости вращения барабана и один или несколько рядов промывных форсунок
Оптимальные результаты эффективности микрофильтрования достигаются путем поддержания более или менее постоянных потерь напора, обусловленных частичном забиванием сеток задержанными частицами. Эффективность работы установки ограничена несколькими факторами: промытая фильтровальная сетка не обеспечивает надлежащего задержания в начале фильтроцикла и степень очистки при этом определяется только размерами ячеек; планктон никогда не удаляется полностью. Он может опять размножаться, особенно если повысится температура воды; яйца некоторых низших ракообразных могут легко проходить через фильтровальную сетку и развиваться, в результате чего в последующих резервуарах могут быть обнаружены видимые невооруженным глазом организмы; из-за опасности коррозии фильтровальной сетки или ее подложки нельзя применять предварительное хлорирование воды перед микрофильтрами; поверхность микрофильтров должна быть достаточно велика, чтобы обеспечить удаление большого количества планктона, развивающегося в определенные периоды года. Если она мала, то в периоды интенсивного развития планктона и во время паводков производительность водоочистного комплекса может значительно снизиться.
Металлические или пластмассовые фильтровальные сетки в большинстве случаев имеют размеры ячеек от 20 до 40 мкм и в исключительных случаях 10 мкм. Чем меньше размер ячеек, тем больше должна быть площадь поверхности микрофильтра. Так, при размере ячеек 35 мкм скорость фильтрования должна быть не более 35 м/ч в расчете на общую площадь поверхности микрофильтра (50 м/ч в пересчете на погруженную поверхность микрофильтра), а в расчете на пиковую концентрацию взвешенных веществ - 10 м/ч.
Эффективность снижения содержания взвешенных веществ в результате микрофильтрования составляет 50...80%, в среднем около 65%. Для сравнения отметим, что хорошо работающий отстойник обеспечивает снижение содержания взвешенных веществ на 80...90% без предварительного хлорирования и на 95...99% с предварительным хлорированием.